基于低温液体的金属熔炼及冷却一体系统的制作方法

本发明涉及一种基于低温液体的金属熔炼及冷却一体系统。

背景技术：

目前，常见的真空炉体主要用于工业上的热处理、后处理等工艺。然而，现有的真空炉体结构，无论是一炉两室、三室，内部的物理环境均大体一致，无法同时满足原料(例如金属)高温熔炼和低温冷却的要求，因而相关工艺处理步骤较为繁琐，效率低下。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于低温液体的金属熔炼及冷却一体系统，不仅整个炉体满足真空要求，而且能同时实现原料高温熔炼和低温冷却的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于低温液体的金属熔炼及冷却一体系统，包括用作压力源的增压系统，与该增压系统连接、用于储存低温液体的压力容器，与该压力容器连接的真空阀箱，与该真空阀箱连接的低温流量计，通过真空伸缩管道与该低温流量计连接的液体进入系统，与真空阀箱连接的PID控制器，以及真空炉；所述真空炉包括炉体、熔炼系统、隔板阀门、气体出口通道、升降机构、冷凝圈和真空泵系统；所述隔板阀门设置在炉体内、并将炉体分隔为上室和下室；所述融炼系统设置在上室内、用于对金属进行熔炼；所述升降机构与融炼系统连接、用于金属熔炼后将熔炼系统下拉到下室中；所述冷凝圈设置在下室内，所述液体进入系统与冷凝圈连接，用于通入低温液体至冷凝圈喷出，对熔炼后的金属进行冷却；所述气体出口通道与炉体连接，用于将低温液体气化形成的气体排出；所述真空泵系统与炉体连接，用于对炉体内部抽真空。

具体地说，所述增压系统包括杜瓦瓶，以及通过管道同时与该杜瓦瓶和压力容器连接的汽化器。

具体地说，所述真空阀箱包括箱体，同时与压力容器和低温流量计连接的主路管道，与该主路管道连接的支路管道，设置在主路管道上、且往低温流量计方向依次排列的第一截止阀、第一排空保护装置、第一压力表、气动薄膜调节阀、第二排空保护装置和第一紧急切断阀，以及设置在支路管道上、且往低温流量计方向依次排列的第二截止阀和压力调节阀；所述压力调解阀与气动薄膜调节阀呈并联关系，且所述PID控制器同时与气动薄膜调节阀和第一紧急切断阀连接。

进一步地，所述第一排空保护装置和第二排空保护装置均由一与主路管道连接的第一安全阀和一截止阀组成。

再进一步地，所述主路管道上、且位于第一紧急切断阀和低温流量计之间还设有用于防止液体回流的第六截止阀。

具体地说，所述真空伸缩管道包括同时与低温流量计和液体进入系统连接的内管，通过公套管过渡外接头套在内管外的公套管颈管，套接在内管与公套管颈管之间的公套管过渡内接头，通过母套管过渡外接头套在公套管颈管外的母套管颈管，套接在内管与母套管颈管之间的母套管过渡内接头，设置在公套管过渡内接头与母套管颈管之间的公母套管密封圈，以及套在内管外部、且位于公套管过渡外接头和母套管过渡外接头的旋转密封机构。

更进一步地，所述旋转密封机构包括套在内管外部、且与公套管过渡外接头接触的旋转接头固定端法兰，套在内管外部、且与母套管过渡外接头接触的旋转接头活动端内筒，套在旋转接头活动端内筒外部、且与旋转接头固定端法兰连接的旋转接头活动端外筒，套在内管外部、且位于旋转接头固定端法兰与旋转接头活动端内筒之间的主密封圈，以及设置在旋转接头活动端外筒与旋转接头活动端内筒之间的副密封圈。

更进一步地，所述旋转接头活动端外筒与旋转接头活动端内筒之间还设有钢珠，该钢珠由一紧定螺钉锁紧。

具体地说，所述液体进入系统包括一端与内管连接、另一端伸入炉体内部与冷凝圈连接的进液管道，以及设置在进液管道上、且往真空炉方向依次排列的第二压力表、第二安全阀、温度传感器、第七截止阀和第三压力表。

为方便观察炉体内金属熔炼情况，所述上室内还设有用于监控金属熔炼情况的红外摄像头。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过改进真空炉的结构，利用熔炼系统、隔板阀门、气体出口通道、升降机构、冷凝圈和真空泵系统的设置，并结合增压系统、压力容器、真空阀箱、低温流量计、PID控制器和液体进入系统的设计，将熔炼与冷却融合在一起，减少了工艺操作步骤，从而实现了真空炉在高低温极端环境下对原料的一体式处理。本发明在保证炉体内部真空状态下，不仅能满足高温熔炼(温度可达到1200℃)的要求，同时也能满足低温冷却(温度可达到-200℃)的要求。

(2)在实际工业生产中，传统的液罐或储槽因自身结构等原因达不到低温液体(如液氮或液氩)快速注入的目的，同时不能保证在高流速下对流量的精确控制。而本发明通过增压系统、压力容器、真空阀箱、低温流量计、PID控制器和液体进入系统的设计，利用各个部分之间的联动，可以实现低温液体以120L/min的注入流速，并能够对任意流量进行准确的控制，因而不仅注入速度快，而且控制精度高。

(3)本发明设计的真空伸缩管道结构，改变了传统的固定管路模式，将管路设计为可伸缩的方式，从而既能保证管路伸缩过程中内部的真空度，又能满足实际的流速和不发生泄漏。

(4)本发明还设置了红外摄像头，可对熔炼系统的熔炼情况进行实时监控，方便操作人员了解相关情况。

(5)本发明结构合理、使用方便、安全性高、系统可靠性强，具有非常高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为真空伸缩管道的结构示意图。

图3为真空炉的结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-杜瓦瓶，2-汽化器，3-压力容器，4-箱体，5-第一截止阀，6-第二截止阀，7-第一安全阀，8-截止阀，9-第一压力表，10-气动薄膜调节阀，11-压力调节阀，12-第一紧急切断阀，13-第六截止阀，14-低温流量计，15-真空伸缩管道，1501-内管，1502-外管，1503-公套管过渡外接头，1504-旋转接头固定端法兰，1505-锁紧螺栓，1506-主密封圈，1507-副密封圈，1508-紧定螺钉，1509-钢珠，1510-旋转接头活动端内筒，1511-旋转接头活动端外筒，1512-母套管过渡外接头，1513-公套管颈管，1514-母套管颈管，1515-公套管过渡内接头，1516-公母套管密封圈，1517-母套管过渡内接头，16-第二压力表，17-第二安全阀，18-温度传感器，19-第七截止阀，20-第三压力表，21-真空炉，2101-红外摄像头，2102-熔炼系统，2103-隔板阀门，2104-气体出口通道，2105-升降机构，2106-冷凝圈，2107-真空泵系统，2108-下室，2109-上室。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1～3所示，本发明提供了一种金属熔炼及冷却一体系统，其包括增压系统、压力容器3、真空阀箱、低温流量计14、真空伸缩管道15、PID控制器、液体进入系统和真空炉21。

所述增压系统作为整个系统的压力源，其包括杜瓦瓶1，以及通过管道同时与该杜瓦瓶1和压力容器3连接的汽化器2。所述压力容器3用于储存低温液体。

所述真空阀箱是本发明的主要操作系统之一，其包括箱体4，同时与压力容器3和低温流量计14连接的主路管道，与该主路管道连接的支路管道，设置在主路管道上、且往低温流量计14方向依次排列的第一截止阀5、第一排空保护装置、第一压力表9、气动薄膜调节阀10、第二排空保护装置、第一紧急切断阀12和用于防止液体回流的第六截止阀13，以及设置在支路管道上、且往低温流量计14方向依次排列的第二截止阀6和压力调节阀11。在真空阀箱中，所述压力调节阀11与气动薄膜调节阀10呈并联关系，且所述PID控制器同时与气动薄膜调节阀10和第一紧急切断阀12连接。

进一步地说，所述第一排空保护装置和第二排空保护装置作为前后两段管道的排空保护装置，两者均由一与主路管道连接的第一安全阀7和一截止阀8组成。

所述低温流量计14用于对管道中液体流速的瞬时值、总值进行统计。而如图2所示，所述真空伸缩管道15包括内管1501、外管1502、公套管过渡外接头1503、旋转密封机构、母套管过渡外接头1512、公套管颈管1513、母套管颈管1514、公套管过渡内接头1515、公母套管密封圈1516以及母套管过渡内接头1517。

所述公套管颈管1513通过公套管过渡外接头1503套在内管1501外部，而所述的公套管1515则套接在内管1501与公套管颈管1513之间。所述母套管颈管1514通过母套管过渡外接头1512套在公套管颈管1513外，而母套管过渡内接头1517则套接在内管1501与母套管颈管1514之间。所述的公母套管密封圈1516设置在公套管过渡内接头1515与母套管颈管1513之间。

所述旋转密封机构包括套在内管1501外部、且与公套管过渡外接头1503接触的旋转接头固定端法兰1504，套在内管1501外部、且与母套管过渡外接头1512接触的旋转接头活动端内筒1510，套在旋转接头活动端内筒1510外部、且通过锁紧螺栓1505与旋转接头固定端法兰1504连接的旋转接头活动端外筒1511，套在内管1501外部、且位于旋转接头固定端法兰1504与旋转接头活动端内筒1510之间的主密封圈1506，以及设置在旋转接头活动端外筒1511与旋转接头活动端内筒1510之间的副密封圈1507。另外，所述旋转接头活动端外筒1511与旋转接头活动端内筒1510之间还设有钢珠1509，该钢珠1509由一紧定螺钉1508锁紧。

所述的液体进入系统则包括与内管1501连接的进液管道，以及设置在进液管道上、且往真空炉方向依次排列的第二压力表16、第二安全阀17、温度传感器18、第七截止阀19和第三压力表20。

所述真空炉21是本发明的另一个主要创新点，如图3所示，该真空炉21包括炉体、红外摄像头2101、熔炼系统2102、隔板阀门2103、气体出口通道2104、升降机构2105、冷凝圈2106和真空泵系统2107；所述隔板阀门2103设置在炉体内、并将炉体分隔为上室2109和下室2108。

所述熔炼系统2102设置在上室2109内，用于对金属进行熔炼。所述升降机构2105与熔炼系统2102连接，用于金属熔炼后将熔炼系统下拉到下室中，而所述红外摄像头2101设置在上室2109内，用于监控金属熔炼情况。所述冷凝圈2106设置在下室2108内，所述进液管道通入炉体内部并与冷凝圈2106连接，用于通入低温液体至冷凝圈喷出，对熔炼后的金属进行冷却。所述气体出口通道2104与炉体连接，用于将低温液体气化形成的气体排出。所述真空泵系统2107与炉体连接，用于对炉体内部抽真空。

此外，所述炉体底部还设置有支脚，用于对整个炉体进行支撑。

本发明的工作过程如下：

初始时，先对系统进行粗调试，系统粗调试时采用手动模式，关闭第二截止阀6、气动薄膜调节阀10，并按顺序开启第一截止阀5、第一紧急切断阀12、第七截止阀19、然后手动调节压力调节阀11的开启度，监控压力第三压力表20，并记录低温流量计14的运行数据。

而后，在每次启动系统前读取温度传感器18的数据，确定是否在设定范围内，若没有，则对管道进行预冷降温，以使其温度值达到设定值。

预冷时应按照顺序开启第一截止阀5、气动薄膜调节阀10、第一紧急切断阀12，关闭第七截止阀19，然后在预冷过程中利用低温流量计14对通过的介质进行统计，预冷完成后利用PID控制器控制气动薄膜调节阀10自动全开。

启动注入流程前输入需要的流量和通过时间，启动时开启第七截止阀19开始降温，在降温过程中低温流量计14会对流过的液体进行采样，此时通过PID控制器调整气动薄膜调节阀10阀门的开启度，即可实现气动薄膜调节阀10和低温流量计14的闭环控制。

上述降温过程中，真空伸缩管道15的工作原理如下：

内管1501中通入低温液体(优选为液氮或液氩)，此时，由于存在气、液两相，气体会上升，但在主密封圈1506和副密封圈1507的共同作用下，上升的气体无法排出，因而会在公母套管密封圈1516处形成气封，导致液体不会通过公母套管密封圈1516泄漏到公、母套管颈管的夹层间。公、母套管颈管的长度会使得低温液体的热传递在旋转接头处不会发生结霜和形成水珠。

如此一来，液体通过结束后，在外力作用下，使得旋转接头固定端法兰1504、旋转接头活动端外筒1511和旋转接头活动端内筒10之间发生转动，从而完成旋转过程。本实施例中，主密封圈1506采用聚四氟乙烯制作，内圈加不锈钢张力弹簧卡，实现了低温环境中的动静态密封。

在实现低温液体的降温后，将原料加入到真空炉体21内上室2109的熔炼系统2102中，然后关闭气体出口通道2104和进液管道(气体出口通道和进液管道上均设有阀门)，并控制隔板阀门2103处于关闭状态。

接着，通过真空泵系统2107对炉体内部进行抽真空，进而熔炼。整个熔炼系统内分布有各类传感器和保温装置，保证金属熔炼后能够处于恒温状态。

而后，打开隔板阀门2103，并通过升降机构2105将熔炼系统2102下拉至下室8中，然后关闭隔板阀门2103。打开气体出口通道2104和进液管道的阀门，低温液体从进液通道进入，并通过冷凝圈2106喷射到熔炼系统2102对金属进行冷却，低温液体吸热气化所产生的大量气体从气体出口通道2104排出，熔炼完成。

上述冷却过程中，如果真空炉21内出现压力超过设定压力的情况，则PID控制器会控制第一紧急切断阀5关闭，待压力降到设定压力以下时第一紧急切断阀5自动打开继续降温，直到完成设定流量。降温完成以后关闭气动薄膜调节阀10、第七截止阀19。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。