本发明属于合金熔炼，具体涉及高纯净度真空感应熔炼炉及熔炼方法。
背景技术：
1、块体非晶合金具有高强度、高硬度、高弹性、优异耐腐蚀性等优点，广泛应用于消费类电子、医疗器械、体育用品、航空航天等行业领域。块体非晶合金的加工特点在于，可采用高压铸造的工艺实现产品批量化成型，且具有优异的产品一致性，能够在极低的成本下制造出高稳定性、高性能的产品。随着块体非晶合金在各个应用领域中的深入发展，由块体非晶铸造成型的精密结构件已经成为特定领域结构件制品的首选。在技术发展尤其迅猛的部分领域，对块体非晶合金材料的要求也越来越严苛，并且提出了精细化制造的要求。例如在高光泽度要求的精密外观件，或者有极高的耐疲劳性能的结构件的制造中，现有体系的块体非晶合金材料就难以满足其制造需求，需要对现有的非晶合金材料作进一步的改进。
2、现有的商用块体非晶合金材料多选用锆基体系非晶，锆基非晶成本适中、性能好，成为目前市场上的首选。现有技术中，采用真空感应熔炼炉进行锆基非晶合金材料的生产，采用中频感应加热的方式对锆基非晶合金的原料进行高温合金化处理，从而制备得到母合金。现有熔炼设备中采用的熔炼坩埚为氧化物陶瓷坩埚，这种坩埚不仅价格低廉，而且能够使感应线圈对坩埚内的金属材料直接感应加热，使加热效率高、熔炼的时间短，还有操作方便等优点。但是，氧化物陶瓷坩埚在倾倒熔液的过程中，熔液表层的杂质极易粘附在陶瓷坩埚内壁和浇口处，多次使用后易造成对熔液的污染，且氧化物陶瓷坩埚本身就可能引入微量元素的杂质对合金的品质造成影响。
3、现有技术中也有一些针对氧化物陶瓷坩埚的改进方法，如申请号202110572911.1名为《一种非晶合金冷壁坩埚感应熔炼装置及感应熔炼方法》的中国专利中提出的方法，该技术方案中利用水冷铜坩埚替代氧化物陶瓷坩埚。上述技术方案中的替换方法一方面需要对现有的熔炼炉进行改造，且水冷铜坩埚造价不菲，会带来成本的急剧攀升，另一方面，采用该技术方案也不能完全避免铸造工艺中、坩埚在倾倒熔液的过程中熔液表层的杂质粘附在坩埚内壁和浇口处所带来的污染。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种高纯净度真空感应熔炼炉及熔炼方法，旨在解决现有技术中非晶合金熔炼过程中杂质控制的技术问题。
2、为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
3、本发明中提供的高纯净度真空感应熔炼炉，包括炉体与真空系统，还包括设于炉体内的熔料组件、落料导向件以及成型模具；
4、所述熔料组件包括熔炼坩埚及设于所述熔炼坩埚外侧的感应线圈，所述落料导向件装设于所述熔炼坩埚的底部，所述落料导向件上开设有通孔作为熔液流道；
5、所述成型模具设于所述熔料组件下方，所述熔液流道的进料端与所述熔炼坩埚的内部相通，出料端则与成型模具的进浇口相对设置。
6、与现有技术熔炼工艺中熔炼完毕后将熔液由熔炼坩埚倾倒出的方式不同，本发明中采用的是在熔炼坩埚底部设置落料导向件，从而引导熔炼好的熔液从坩埚底部直接出料，从而使底部纯净熔液直接与浮在熔液表层的杂质区隔开，避开杂质的影响。
7、进一步地，所述落料导向件包括流道部及嵌套部，所述流道部包括熔液流道，且所述流道部的出料端伸出所述熔炼坩埚底部；所述嵌套部为伸出所述流道部侧边的卡接结构，所述卡接结构卡设于所述熔炼坩埚底部。
8、落料导向件的流道部用于引导合金熔液的流向，使熔液能够按照设定的位置，由熔炼坩埚底部导入至坩埚底部的成型模具内。在设置流道部的同时，还需在流道部侧边设置能够卡接于熔炼坩埚内的卡接结构，这是因为在熔液流经的过程中会有热冲击，由于落料导向件与熔炼坩埚是分体式结构，在热冲击下落料导向件会产生瞬时形变，若无卡接结构会有从坩埚底部剥离的风险。卡接结构能够保证落料导向件整体位置不发生变化。
9、优选地，所述落料导向件为致密材料加工而成，其加工精度高于所述熔炼坩埚的加工精度；所述致密材料为石墨材料、碳化硅材料、氮化硅材料、碳化钛材料、氮化钛材料中的一种。
10、本发明中采用落料导向件与熔炼坩埚为分体式结构的主要原因在于：熔炼坩埚本体与落料部分的加工要求有极大的差异，并不适合作为一体的结构。现有技术中也不乏直接在熔炼坩埚底部开口出料的熔炼装置，但是都未能在工业化生产中实际应用，其原因在于，工业化中熔炼坩埚的要求为成本低、导热好，因此多选用氧化物坩埚，而氧化物坩埚本身的特性就是由烧结制成，尺寸精度不高且表面粗糙，而且氧化物坩埚易碎，直接挖孔流出熔液不仅对流料孔加工要求高，由于氧化物坩埚过于粗糙，底部开孔根本无法密封，而且在熔液的热冲击下坩埚底部易变形、易碎，不仅不能完成熔炼，而且还丧失了氧化物坩埚成本低廉的优势。采用加工精度高、不易碎的石墨、碳化物、氮化物坩埚虽然能够克服上述缺点，但是由于感应熔炼的加热方式为热传导，所以非晶材料在合金化熔化的过程中搅拌力不足，不能使材料内部本身所含有的杂质完全上浮到表面，这类坩埚热效率差、循环时间长，都不能满足工业化熔炼的要求。在本发明中，熔炼坩埚采用普通的材质，在熔炼坩埚底部分体设置精加工的致密落料导向件则能够有效解决上述问题。
11、优选地，本发明中还包括悬设于所述落料导向件上与之适配使用的流量调节棒用于在初始状态下封堵熔液流道，以及在出料时调节熔液流量。所述流量调节棒包括依次相连的延长段、堵料段、球面部；所述延长段上设有连接部与所述流量调节棒的运动控制装置相连，所述运动控制装置带动所述流量调节棒沿着所述熔炼坩埚上下运动；所述堵料段为柱状，且与所述熔液流道为间隙配合，间隙尺寸为0.02~0.5mm；所述球面部设于所述流量调节棒的末端；还开设有贯通所述堵料段和所述球面部的节流槽。
12、优选地，所述熔炼坩埚底部装设有1个或者2个落料导向件，所述流量调节棒的数量与所述落料导向件的数量相同。在较大制件铸造成型中，或者需要一模两穴的情况下，可以在熔炼坩埚底部设置两个落料导向件提升铸造效率。落料导向件的数量不宜大于2个，否则熔液出料时各个熔液流道易产生流量不均的情况。
13、优选地，所述延长段和所述堵料段之间还设有过渡部。流量调节棒的延长段、堵料段、球面部加工精度各不相同，延长段主要用于连接，加工精度一般，能满足作为延长结构即可，而堵料段和球面部用于封堵熔液流道，其加工精度高，在两者之间设置过渡部可以使两者的连接更顺畅。
14、优选地，所述节流槽为直线槽或者楔形槽，节流槽在上下运动的过程中可调节流经的熔液流量。
15、优选地，所述熔炼坩埚为双层坩埚，包括外层坩埚以及套设于其内的内层坩埚；所述外层坩埚为捣打坩埚，所述内层坩埚为氧化物坩埚，所述氧化物坩埚为氧化钙坩埚、氧化镁坩埚、氧化硅坩埚、氧化铝坩埚、氧化锆坩埚中的一种。
16、优选地，所述外层坩埚的制备方法为：按重量份数将60~75份的镁砂、16~28份的硅酸钠、8~12份的纳米二氧化硅、5~8份的莫来石粉进行混合，其中镁砂的平均粒度为0.2~2mm，纳米二氧化硅的平均粒度为80~100nm，莫来石粉的平均粒度为0.05~0.2mm；将上述混合粉体混合均匀后，倒入占混合粉体重量3~6%的水，将粉体与水混合均匀后进行捣打成型，烘烤干燥后制得外层坩埚。
17、本发明中优选采用双层复合式的熔炼坩埚，内衬选用氧化物坩埚，外层则使用捣打坩埚碎料浇固风干，在合金熔炼过程中既可以让感应加热的有效功率直接作用在材料上，从而提高了熔料的效率，减少能耗，又能够在加热过程中可以实现电磁搅拌，使熔液内部的杂质充分上浮，汇聚在熔液的表层，
18、优选地，所述内层坩埚顶部近所述外层坩埚浇口处设有切口便于倾倒废料，所述外层坩埚底部设有固定角用于加固外层坩埚。
19、本发明中还提供了一种利用上述高纯净真空感应熔炼炉熔炼的方法，包括如下步骤：
20、s1，向熔炼坩埚内投料后开启真空系统对炉体抽真空，完毕后对炉体内部填充惰性保护气体，初始状态下，流量调节棒插堵在落料导向件内；
21、s2，开启感应线圈对熔炼坩埚进行加热熔炼至原料形成熔液；
22、s3，降低加热功率，静置金属熔液，使熔液内的杂质充分上浮至表层；
23、s4，开启流量调节棒的运动控制装置，按照设定的速率抽起流量调节棒，使熔炼坩埚底部的纯净熔液由落料导向件的熔液流道从熔炼坩埚底部注入成型模具腔体内；
24、s5，铸造完毕后，清理留在熔炼坩埚底部的浮渣。
25、本发明中的高纯净度真空感应熔炼炉及熔炼方法具有以下优点：
26、1、采用熔炼坩埚与落料导向件分体式结构、分开加工的技术方案，降低了熔料组件的制造成本，又能有效实现高纯净度熔炼。
27、2、采用双层复合式坩埚结构，成本低廉，又能够提升熔料效率，减少能耗。
28、3、通过流量调节棒与落料导向件的配合，一方面可以低成本的实现熔液在坩埚内的密封，另一方面可以提高氧化物坩埚底部浇料方式的使用次数和安全性。
29、4、本发明中的熔炼方法通过底部浇料的方式，将表层的杂质、浮渣留在坩埚底部或是模具的料头部分通过后工序来去除，从而达到去除材料杂质的目的，实现高纯净度熔炼。
1.高纯净度真空感应熔炼炉，包括炉体与真空系统，其特征在于，还包括设于炉体内的熔料组件、落料导向件以及成型模具；
2.根据权利要求1所述的高纯净度真空感应熔炼炉，其特征在于，所述落料导向件包括流道部及嵌套部，所述流道部包括熔液流道，且所述流道部的出料端伸出所述熔炼坩埚底部；所述嵌套部为伸出所述流道部侧边的卡接结构，所述卡接结构卡设于所述熔炼坩埚底部。
3.根据权利要求1所述的高纯净度真空感应熔炼炉，其特征在于，所述落料导向件为致密材料加工而成，其加工精度高于所述熔炼坩埚的加工精度；所述致密材料为石墨材料、碳化硅材料、氮化硅材料、碳化钛材料、氮化钛材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的高纯净度真空感应熔炼炉，其特征在于，还包括悬设于所述落料导向件上与之适配使用的流量调节棒，所述流量调节棒包括依次相连的延长段、堵料段、球面部；所述延长段上设有连接部与所述流量调节棒的运动控制装置相连，所述运动控制装置带动所述流量调节棒沿着所述熔炼坩埚上下运动；所述堵料段为柱状，且与所述熔液流道为间隙配合，间隙尺寸为0.02~0.5mm；所述球面部设于所述流量调节棒的末端；还开设有贯通所述堵料段和所述球面部的节流槽。
5.根据权利要求4所述的高纯净度真空感应熔炼炉，其特征在于，所述熔炼坩埚底部装设有1个或者2个落料导向件，所述流量调节棒的数量与所述落料导向件的数量相同。
6.根据权利要求4所述的高纯净度真空感应熔炼炉，其特征在于，所述延长段和所述堵料段之间还设有过渡部；所述节流槽为直线槽或者楔形槽。
7.根据权利要求1-6任一所述的高纯净度真空感应熔炼炉，其特征在于，所述熔炼坩埚为双层坩埚，包括外层坩埚以及套设于其内的内层坩埚；所述外层坩埚为捣打坩埚，所述内层坩埚为氧化物坩埚，所述氧化物坩埚为氧化钙坩埚、氧化镁坩埚、氧化硅坩埚、氧化铝坩埚、氧化锆坩埚中的一种。
8.根据权利要求7所述的高纯净度真空感应熔炼炉，其特征在于，所述外层坩埚的制备方法为：按重量份数将60~75份的镁砂、16~28份的硅酸钠、8~12份的纳米二氧化硅、5~8份的莫来石粉进行混合，其中镁砂的平均粒度为0.2~2mm，纳米二氧化硅的平均粒度为80~100nm，莫来石粉的平均粒度为0.05~0.2mm；将上述混合粉体混合均匀后，倒入占混合粉体重量3~6%的水，将粉体与水混合均匀后进行捣打成型，烘烤干燥后制得外层坩埚。
9.根据权利要求8所述的高纯净度真空感应熔炼炉，其特征在于，所述内层坩埚顶部近所述外层坩埚浇口处设有切口，所述外层坩埚底部设有固定角。
10.一种利用权利要求9所述高纯净真空感应熔炼炉的熔炼方法，包括如下步骤：
