一种金属熔炼、传送和精确定量给汤的铸造工艺及其装置 [技术领域]
本发明涉及有色金属、黑色金属与贵金属及其合金的熔炼、金属汤的保温、保护、隔渣、传送与精确定量给汤(下称“给定”或“精确给定”)的铸造工艺及实现该工艺的装置，尤其涉及高熔点或易氧化如镁、铝、铜、锡等金属及其合金熔炼、金属汤的保温、保护、隔渣、传送与精确给定的铸造工艺及实现该工艺的装置，适用于铸造、冷室压铸与连铸连锻等需精确给定的领域上。
[背景技术]
传统的铸造工艺为实现金属的熔化、金属汤的保温、隔渣与给定，一般由几个独立装置分阶段操作来完成的，系统相对复杂、造价高，给定方面更难保证精确定量。应用得最广泛的是四连杆机构给汤机械手，它可以实现准确定位的给定；其给定金属汤的定量问题，靠更换不同容积的勺子解决；这种金属汤给定装置属于多个自由度的运动机构，造价较高，且属于“敞开式”，即金属汤是暴露于空气中，不适合应用于镁合金铸造等须对金属汤进行防氧化保护的给定领域的工艺要求。这种“敞开式”给定方式，系统热量散失大，不节能，对生产现场工况的负面影响也很大(当然，增加外罩并注入保护气体，能有效实现对金属汤的保护，也会减少系统热量的散失)。这种给定方式的另一个缺点是，当勺子自下而上直接从炉子的坩埚中提取金属汤时，浮于金属汤表面的渣料，会随同金属汤进入下一道工序，造成铸件的夹渣缺陷。另一种给定机构是类似热室充型压铸机的活塞式机械给定机构(下称“活塞式给定机构”)，是集充型与压射于一体的机构，属于直接给定的方式。压室设有进料口，相当于一种连通器结构，结构简单造价低，能效与工况都比“敞开式”好。但这种给定装置与控制系统并没有定量功能，只适用于与型腔直接联通的成形工艺，也就是说，它只应用于只需充型、不需要定量的热室压铸、低压铸造等场合，对需要定量给汤的普通铸造也不适用。并且由于“活塞式给定机构”的压室与活塞置于金属汤之中，对于类似镁合金、铝合金这类需高压射充型压强的压铸工艺，金属汤温度一般都在630-750℃范围，用来制造压室与活塞的热作金属材料都处于退火状态，压室的强度显著下降，普通材料制作的压室与活塞装置难以满足工艺要求。当然采用耐更高温度的金属材料做压室与活塞可缓解这个问题，但装置的成本将会显著上升，压室与活塞的寿命也不高，故工业上很少用热室充型压铸工艺生产铝合金、镁合金工件的。对于温度超过1400℃的黑色金属汤的给定，更高性能的耐高温合金也不可能具备做压室与活塞应有的抗拉强度；采用陶瓷等非金属压室可耐超过1400℃的高温，但其强度不足，仅适用于低压铸造类，无法达到压铸类工艺要求。
既能对金属汤进行保护又能精确给定的工艺和装置是最难实现的。目前，在防氧化保护下给汤的方法有两个：其一是“密封气压式”。其方法是在密闭的容器中，用0.1MPa左右的压缩气体，将金属汤液面整体压下，使金属汤经过通道流出密闭容器实现给定，金属汤的给定量由金属液面截面积与下行的距离决定。这种方式的难点在于高温环境下保证容器的密封性，系统复杂造价高，精度也不高，对于小体积铸件的给定，很难实现精确控制；其二是保护气氛下的泵式给定，这是一种控制流量的给定方式。其难点在于，生产过程中坩埚里的金属汤液位是不断变化的，给定又是一种间歇动作，流量控制难度大、精度低，同样不适用于小体积铸件的给定。并且这两种给定的方式，给定过程每次都要先提升金属汤，由于液位是变化的，其提升的行程必定是变化的，想实现系统的精确控制，要实现精确给定很困难，工业应用受到限制。
[发明目的]
本发明是要克服现有技术上述之不足，提供一种集金属熔炼、金属汤的保温、保护、隔渣、传送与精确给定的铸造工艺及实现该工艺的装置，做到其给定过程环节最少，金属汤行程最短，给定机构运动最简单，给定精度大大高于传统“密封气压式”方案，整个工艺过程全自动完成，能有效减轻其氧化损耗，不但适用于镁合金等相对高熔点并具有强烈氧化倾向的金属汤精确给定，也适用于其它氧化倾向不严重，如铝、铜、锡及其合金的金属汤精确给定，还适用于包括黑色金属在内所有高熔点金属的给定。其自动化程度高、工艺控制过程可靠、装置结构简单，具有很好的工业经济性。
[发明内容]
本发明是这样实现的，通过电感应等有效的加热控制方式，实现对金属的熔炼和对金属汤的保温。熔炼炉与保温炉两种炉中的坩埚，都采用1进1出的两室(下面对应称“前室”、“后室”)式连通器结构，连通口低于液面，浮于金属汤上面的渣料，不会随着金属汤的流动进入下一室，从而自动完成隔渣。熔炼炉与保温炉的“前室”都安装有浮筒，熔炼炉的“后室”可以与保温炉的“前室”相连，保温炉的“后室”安装给定机构的部件；炉具加装保护罩分隔空气并可在罩内注入保护气体，最大限度实现金属汤的防氧化保护和隔热；工艺上采用自动控制，设立以保温炉的一个液位为恒定的金属汤给定液位，建立与金属汤在保温炉坩埚进出、增减平衡相对应的闭环控制关系，通过控制分置于熔炼炉与保温炉“前室”中的浮筒上下位移产生的对金属汤占补的体积变化(下称“排体积式”)，很简单就能实现这种液位平衡，实现金属汤给定液位独立而精确的控制，并可以同时实现将熔炼炉的金属汤自动传送到保温炉；浮筒的质量略大于其放置于金属汤时的最大浮力值，机构最省力与节能。熔炼炉的浮筒是单个大浮筒式；保温炉的浮筒可以是单个大浮筒式或同时并设一个小浮筒的两个式。大浮筒都用于金属汤进出坩埚液量大时的液位平衡控制；而通过控制保温炉小浮筒的上下运动，可以消减给汤周期中给定器件进出金属汤而对液位产生的扰动所形成的对整个系统运作的影响，使保温炉金属汤的液位稳定于一个更小的波动范围，使系统更稳定，避免选用精度高或灵敏度高的液位控制系统时，液位的扰动会导致大浮筒作无功的上下位移。
为实现精确给定，要保持金属汤液面的恒定，其最佳值为坩埚出料口的最高处即本装置的导流槽底部。
在金属汤液面恒定后，给定采用以器具容积确定金属汤容量(下称“容积式”)并直接给定的方式，不但具有很高的给定精度，而且给定金属汤的环节最少、流程最短。具体可采取垂直置于金属汤中的“活塞式给定机构”进行给定，这种给定分“上提式”与“下压式”两种实现方案。“上提式”的机构，压室的进料口在下端，进料口至给定液面的距离乘以压室的截面积，决定了给定量，变更之则可调整给定量；当活塞退回到压室的下端，金属汤经进料口进入压室后，压室内的金属汤即是其工艺定量。活塞上行至导流槽，被上提的定量金属汤顺着导流槽流进保温导流管，再进入成形装置，从而完成直接给定；“下压式”的机构，压室的进料口在上端，略低于金属汤液面。进料口至活塞下行的距离与压室的截面积，决定了给定量，变更之则可调整给定量；由于活塞行程是先确定的，定量也意味着同时完成。当活塞退回到压室的上端，金属汤经进料口进入压室后，活塞下行至设定位置，被下压的金属汤经侧流道进入导流槽，定量与直接给定同步完成。由于保温炉金属汤的液位恒定在一个水平面，“下压式”给定金属汤体积的理论值等于活塞的截面积与其行程的乘积，“上提式”则等于压室内进料口以上金属汤体积，“上提式”不受机构行程精度影响，“上提式”给定精确度应比“下压式”高，给定机构的组件也简单。“上提式”、“下压式”这两种装置的给定精度比“密封气压式”高，提高的倍数，理论上与保温炉液面截面积与压室活塞截面积之比相关，一般都会大于10。如不考虑活塞运动的摩擦系数，则最小给定压强理论值等于活塞的行程与金属汤密度的乘积，实际应用时，这种给定所需压强约在0.01MPa——0.1MPa，因而压室可用耐高温陶瓷等非金属材料制造，从而可实现对黑色金属汤给定。
我们再给出另一种给定方案，这第三种实现方案最简单，成本最低。给定机构用不同容积的勺子进行定量，由于设定的金属汤液面接近装置的导流槽，金属汤不用提升，只须直接翻转勺子，将勺子内的金属汤倒进导流槽，从而完成直接给定。这种勺子同样可用耐高温陶瓷等非金属材料制造，同样可为黑色金属类的金属汤实现精确给定。
这三种给定实现方案，都属于用单一自由度运动的机构就实现直接给定的方式，前两种由平动机构实现，第三种由旋转机构实现，其给定行程最短，结构最简单。金属汤经导流槽流至保温导流管，引流到外联的成型装置上，从而完成整个金属熔炼、金属汤的保温、保护、隔渣、传送与直接精确给定工艺流程。金属汤进入的成型装置，可以是诸如“挤压压铸模锻装置”进行工艺成型。
[附图说明]
附图是金属熔炼、金属汤保温、保护、隔渣、传送与直接精确给定装置结构原理图，其中：附图1为“下压式”活塞给定，附图2为“上提式”活塞给定，附图3为勺子给定。图面说明如下：
图中，1——固体金属 2——熔炼炉 3——气体保护罩4——保护性气体 5——浮筒控制机构 6——两室式连通器结构坩埚 7——浮筒 8——熔炼炉导流槽 9——保温炉10——大浮筒控制机构 11——大浮筒 12——两室式连通器结构坩埚 13——进料口 14——活塞控制机构 15——压室 16——导流槽 17——低液位控制传感器 18——保温导流管19——金属汤 20——小浮筒 21——勺子控制机构 22——勺子 23——高液位控制传感器 24——小浮筒位置传感器25——浮筒位置传感器 26——小浮筒控制机构 27——大浮筒位置传感器 28——活塞
本发明给出一项有效实现金属的熔炼、金属汤保温、保护、隔渣、传送与精确给定的工艺及实现该工艺的装置。装置由两室式连通器结构坩埚炉胆的金属熔炼炉(配置浮筒式金属汤液位平衡传送控制机构、气体保护罩)、两室式连通器结构坩埚炉胆的金属汤保温炉(配置浮筒式金属汤液位平衡控制机构、气体保护罩与容积式定量直接给定机构)组成。附图1、附图2、附图3各表示一种给定实施方案。
[具体实施方式]
现结合附图对本发明作进一步的说明。附图中，固体金属1经熔炼炉2熔化并精炼后，合上气体保护罩3，通入保护性气体4，启动浮筒式金属汤液位平衡传送控制机构(下称“浮筒控制机构”)5，使位于熔炼炉2内的两室式连通器结构坩埚6“前室”上方的浮筒7徐徐下降，坩埚6内的金属汤19的液面因浮筒7的侵入而逐步提高，先流经前后室连通口进入其“后室”，直到液面高出熔炼炉2的导流槽8而流入保温炉9的两室式连通器结构坩埚12的“前室”，与此同时已自动完成第一道隔渣工序，保温炉9及其浮筒式金属汤液位平衡控制机构(下称“大浮筒控制机构”)10已接电启动，“大浮筒控制机构”10中的大浮筒11连同小浮筒20，最初位于保温炉9的坩埚12“前室”内，金属汤的进入逐步占据大浮筒11、小浮筒20与坩埚12“前室”之间的空间。金属汤随后经连通口进入坩埚12的“后室”，自动完成第二次隔渣，进而漫入“勺子控制机构”21的勺子22，或通过进料口13进入垂直安装的活塞运动给定机构(下称“活塞控制机构”)14中的压室15。此时的金属汤经过2或3次连通器通道自动完成隔渣处理(对于“勺子给定”是经2次，而“下压式给定”或“上提式给定”则经3次)，均足以满足生产工艺的要求。金属汤液面继续上升，直到工艺设定的给汤口位置。
上面已经说过，这个位置理论最佳值就是坩埚12出料口的最高处，即保温炉9的导流槽16的槽口的位置。工艺上在略低于导流槽16底端位置安装有低液位控制传感器17和高液位控制传感器23，低液位控制传感器17触点的安装位置稍低于高液位控制传感器23的触点。两触点之间的距离即为系统液位波动的区间。两触点信号互为关联控制，形成负反馈的控制系统。金属汤液位到达这两个位置时，先低液位控制传感器17，后高液位控制传感器23发出信号，“大浮筒控制机构”10中的浮筒11与小浮筒20先后受令向上提升，保证金属汤液面最终升到高液位控制传感器23的触点位置同时也是被工艺设定的液位上限位置稳定下来。“浮筒控制机构”5的送料，受大浮筒位置传感器27与小浮筒位置传感器24控制，“浮筒控制机构”5先后收到大浮筒位置传感器27与小浮筒位置传感器24的信号时，中止浮筒7继续下降，这时，保温炉9的坩埚12装载着设定的最多的金属汤。“大浮筒控制机构”10此时也向装置的控制系统发出可进行给定的信号。当“勺子控制机构”21或“活塞控制机构”14收到给定信号时，指令其勺子22翻转或要活塞28向上提升或向下压，勺子22所盛的金属汤或压室15内含的金属汤经导流槽16进入保温导流管18，并直通到外联的成型装置上，完成金属汤最短行程的直接给定(这样的机构称为“容积式定量给定机构”)。这种用单一自由度运动的机构实现给定的系统，是结构最简单、控制最容易的给定系统；由于金属汤液位可以设定在系统出料口的最高处，给定所做的功最小，具有极大的优点。
由于完成给定工艺所用容器或部件有一定体积，它进入和离开金属汤时，都会导致金属汤的液面产生波动。实际工艺上高液位控制传感器23的触点安装位置略高于低液位控制传感器17的触点，液面是在位于传感器23触点附近平衡的，液位波动时，信号总先由传感器23收到，指令小浮筒控制机构26执行小浮筒20的升降，从而平抑这个波动。
一个给定工艺周期完成，保温炉的金属汤减少，金属汤的液位下降，高液位控制传感器23发信号给“小浮筒控制机构”26，小浮筒20得令逐步下行至最低位置后，小浮筒位置传感器24同时发信号给“大浮筒控制机构”10与“浮筒控制机构”5，优先让熔炼炉2的金属汤进入保温炉9。浮筒7下行直到设定的最低位置时，浮筒位置传感器25向装置系统发出可进行新的熔化工作信号，以及向“大浮筒控制机构”10发出信号让其浮筒11下行。之后，保温炉9的金属汤液位平衡由“大浮筒控制机构”10自行控制。当保温炉9的金属汤不断减少，“大浮筒控制机构”10中的大浮筒11下行到一个预定位置，发信号给“容积式定量给定机构”即“勺子控制机构”21或“活塞控制机构”14，令其停止工作，整个工艺过程全部结束，等待新循环的开始。
装置中熔炼炉相对独立，一个保温炉可以与一个或一个以上熔炼炉连接，这种一对多连接可以用并联或串联方式实施；熔炼炉还可以不和保温炉固定连接，采用直接送金属汤入保温炉方式。
对于固定连接状态，在投料和对金属汤作各种熔炼预处理后即可启动自动传送，传送金属汤的设定液位值与保温炉设定的给定液位值相同；当装置有多于一个熔炼炉时，逻辑上是先让熔炼炉逐一向保温炉供应金属汤。
当装置没有连接熔炼炉时，外来的已熔炼完成的金属汤直接加入保温炉，逻辑上与熔炼炉中金属汤送完后，保温炉9的金属汤液位平衡由“大浮筒控制机构”10自行控制一样。
这样的工艺与相应的装置既可以实现精确给定，也能够提高适应性，如对黑色金属、贵金属铸造过程的精确给定，同时达到节能降耗等基本目的。