阅读说明：本技术 一种光热真空熔炼装置及方法 (Photo-thermal vacuum smelting device and method ) 是由 王开坤 王永善 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光热真空熔炼装置及方法,该装置包括光路转换系统、温度控制系统、真空装置、电磁搅拌装置、温度传感器、熔炼炉本体。光路转换系统由高温平面镜以及与之对应的转动装置组成,对进入的光线进行反射以改变其路径；温度控制系统由高温透光玻璃、聚光镜以及液压系统组成,五个不同温度范围的高温透光玻璃实现温度范围的初步筛选,液压系统调节合金与聚光镜焦点之间距离实现温度最终控制。熔炼实验结束后,待合金熔液冷却后取出试样；利用金相显微镜以及直读光谱仪对熔炼合金的组织和成分进行表征和分析。本发明提供的光热真空熔炼装置及方法,依据光镜相关原理,充分利用汇聚的太阳能光,不仅可以实现对合金的快速升温,提高冶金效率,还可以达到运用清洁能源实现绿色冶金的目的,极大地减少能源及资源的消耗,降低实验成本。(The invention discloses a photo-thermal vacuum smelting device and a photo-thermal vacuum smelting method. The light path conversion system consists of a high-temperature plane mirror and a rotating device corresponding to the high-temperature plane mirror, and reflects the entering light to change the path of the light; the temperature control system is composed of high-temperature light-transmitting glass, a collecting lens and a hydraulic system, the high-temperature light-transmitting glass in five different temperature ranges is used for realizing preliminary screening of the temperature ranges, and the hydraulic system is used for adjusting the distance between the alloy and the focal point of the collecting lens to realize final temperature control. After the smelting experiment is finished, taking out the sample after the molten alloy is cooled; and (3) characterizing and analyzing the structure and the components of the smelted alloy by using a metallographic microscope and a direct-reading spectrometer. According to the photo-thermal vacuum smelting device and method provided by the invention, the converged solar light is fully utilized according to the relevant principle of a light mirror, so that the rapid heating of the alloy can be realized, the metallurgical efficiency is improved, the purpose of realizing green metallurgy by using clean energy can be achieved, the consumption of energy and resources is greatly reduced, and the experimental cost is reduced.)

一种光热真空熔炼装置及方法

技术领域

本发明属于光热发电及熔炼设备技术领域，特别是涉及一种光热真空熔炼装置及方法。

技术背景

太阳能作为清洁可再生能源，对太阳能的转换利用一直是新能源领域的研究热点。太阳能光热转化是借助聚光反射器将太阳光汇聚到太阳能集热器，利用集热器循环加热储能介质，进而实现能量的转化利用。太阳能光热转换技术因其具有稳定性好、转化效率高、可储热、可调峰、可循环利用等优点，已经逐渐成为可再生能源发展和投资的重要方向。

经过聚光反射器汇聚的太阳能光温度可达1500℃以上，该温度已达到绝大部分金属材料的熔点，通过增减聚光反射器的数量，以及反射角度的调整可以实现汇聚太阳能光的温度的调整。

熔炼炉主要是用于钢铁以及有色金属等的熔炼和提温，是铸件加工的理想设备。现有的熔炼炉主要有燃料加热式和电加热式两种。燃料加热式熔炼炉主要是以燃烧大量天然气和煤气等燃料时产生的反应热能加热炉料，其在熔炼过程中造成大量燃料消耗以及污染；电热式熔炼炉是由电阻元件通电产生热量或者将线圈通交流电产生交变磁场，以感应电流加热磁场中的炉料，电热式相比于燃料加热式更加清洁，但是也需要消耗大量电能。因此需要一种清洁、低能耗的熔炼炉。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种光热真空熔炼装置及方法，其充分利用太阳能，既能实现快速升温加热合金达到熔炼的目的，又能实现清洁、低能耗冶炼合金的目的。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种光热真空熔炼装置及方法，其特征在于：包括熔炼炉本体、光路转换系统、温度控制系统、真空系统，所述熔炼炉本体内侧壁上设置保温板，所述保温板与所述熔炼炉本体外侧壁之间设置耐火砖，所述熔炼炉本体下侧设置液压系统，所述液压系统上方设置熔炼炉，所述熔炼炉两侧设置电磁搅拌装置，所述熔炼炉本体左侧设置高温透光玻璃，所述高温透光玻璃右侧设置高温平面镜，所述熔炼炉上方设置聚光镜，所述聚光镜上方设置高温平面镜。

优选地，所述的光热真空熔炼装置及方法，其特征在于，左侧设置五个高温透光玻璃，每个高温透光玻璃透过的光的温度都不相同，透过高温透光玻璃的光线温度从下到上依次为700-800℃，800-900℃，900-1000℃，1000-1100℃，1100-1200℃。

优选地，所述高温平面镜配有转动装置，平面镜可实现一定角度的转动，当反射光线的高温平面镜转动时，其余高温平面镜均不转动，以阻挡余光对装置温度的影响。

优选地，所述上方高温平面镜可进行一定的角度调整，将反射的光线以近似平行的方式反射给下方的聚光镜。

优选地，所述聚光镜对反射的光进行聚焦，以提高光线温度，从而补偿光线在折射过程的能量损失。

优选地，所述熔炼炉放置于液压系统上方，随液压系统进行高度调整。

优选地，所述液压系统对合金的高度进行调整，以改变合金和聚光镜焦点之间的距离，实现对合金加热温度的控制。

优选地，所述熔炼炉侧面设置电磁搅拌装置，对熔液进行搅拌。

优选地，所述熔炼炉内放置温度传感器，以测定加热光线的温度，温度传感器将信息反馈给液压系统，液压系统对高度进行调整，以实现温度的精确控制，加热光线温度达到目标温度时，温度传感器向下旋转用于测量后续熔液温度。

优选地，所述真空系统将熔炼装置内部进行抽真空处理，以减少空气中粒子对光线能量的损失。

本发明还提供了一种光热真空熔炼方法，其特征在于，所述光热真空熔炼方法包括以下步骤：

步骤一：将块状合金放置在熔炼炉内，通过真空系统将装置进行抽真空处理；

步骤二：设置合金的目标加热温度，选择合适的温度范围的太阳能光透过高温透光玻璃，与此高温透光玻璃所对应的高温平面镜进行一定角度调整，将光线反射给上方高温平面镜，上方高温平面镜将反射的光线反射给下方的聚光镜，聚光镜对光线进行聚焦；

步骤三：熔炼炉内温度传感器对聚光镜照射在合金上的温度进行测量和反馈，液压系统根据反馈信息，进行高度调整以达到设置的目标加热温度，随后温度传感器向下旋转用于测量后续熔液温度；

步骤四：块状合金开始熔化时打开电磁搅拌系统，对熔液进行搅拌；

步骤五：待块状合金全部熔化后，保温一段时间，待温度传感器显示熔液温度恒定时，保温30秒后，关闭电磁搅拌系统，停止加热，即所有高温平面镜转回原始位置，光线不再进入装置内，同时，温度传感器转回原始位置；待合金熔液凝固后，关闭真空系统；

优选地，本发明的积极进步效果在于，本发明利用反射镜、透镜等光学器件将进入的太阳能光改变方向并汇聚到待加热合金上，通过液压系统调节合金和聚光镜焦点之间的距离，实现加热合金光线温度的调整，对合金实现熔炼，同时真空系统对装置进行抽真空处理以减少光线能量的损失，电磁搅拌装置对熔液进行搅拌处理以均匀化熔液成分，本发明充分利用汇聚的太阳能光，实现清洁、节能熔炼的目的。

附图说明

图1是本发明光热真空熔炼装置示意图，图中1.保温板和耐火砖；2.开关，3.抽真空系统。

图2是光热真空熔炼装置中光路转换系统的结构示意图，其中4.转动装置；5.高温平面镜；6.高温透光玻璃；7.聚光镜。

图3是光热真空熔炼装置中液压系统及熔炼炉的结构示意图，其中8.温度传感器；9.液压装置；10.熔炼炉；11.电磁搅拌装置。

具体实施方式

下面结合附图给出发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。本发明光热真空熔炼方法包括以下步骤：

步骤一：将块状合金放置在熔炼炉内，通过真空系统将装置进行抽真空处理；

步骤二：设置合金的目标加热温度，通过光路转换系统及温控系统，对合金的加热温度进行调整，将合金的加热温度调节到目标温度，对块状合金进行加热；

步骤三：当块状合金开始熔化时打开电磁搅拌系统，对熔液进行搅拌；

步骤四：待块状合金全部熔化后，保温一段时间，待温度传感器显示熔液温度恒定时，保温30秒后，停止加热，即所有高温平面镜转回原始位置，光线不再进入装置内；

步骤五：停止加热后，关闭电磁搅拌系统，根据需求选择合适的冷却方法对合金熔液进行冷却，待合金熔液凝固后，关闭真空系统；

本发明光热真空熔炼方法主要采用高温透光玻璃、高温平面镜、聚光镜、液压装置、电磁搅拌装置、熔炼炉、温度传感器、保温板及耐火砖、抽真空装置。高温平面镜配有转动装置，实现一定角度的旋转。所需温度范围的光通过与之对应的高温透光玻璃，与此高温透光玻璃对应的高温平面镜进行转动，将光照射到上方的高温平面镜，上方高温平面镜进行角度调整，将光照射到聚光镜，聚光镜对改变线路后的光进行重新汇聚照射到温度传感器，液压装置根据温度传感器的反馈信息对熔炼炉内温度进行控制。

所述高温平面镜，其配有转动装置，可进行一定角度的旋转，实现光路的转换。

所述聚光镜对光线进行汇聚，弥补光线在转换中部分能量损失。

所述温度传感器按置在熔炼炉上方，用于测量汇聚的光线温度，待光线温度达到目标值后，温度传感器向下旋转用于测量熔液温度。

所述熔炼炉放置在液压装置上方，随液压装置进行高度调整。

所述电磁搅拌装置安置在熔炼炉两侧，对合金熔液起到搅拌作用。

所述抽真空装置对光热装置整体进行抽真空处理。

实施例一

本实施例以块状A356铝合金熔炼为例来说明光热真空熔炼方法。本实施例的具体步骤如下：

A1，将1000g块状A356铝合金放入熔炼炉内，块状合金稍高于温度传感器。

B2，关紧熔炼装置，开启抽真空装置，对装置内部进行抽真空处理，目标温度设置为750℃，700-800℃范围的光线透过最下方高温透光玻璃，与此对应的高温平面镜以及上方高温平面镜进行旋转将光线照射到下方聚光镜。聚光镜将光线汇聚照射到温度传感器。

C3，根据温度传感器反馈的信息，液压系统进行高度调整，直到温度传感器温度达到目标温度液压系统停止工作，光线加热A356铝合金，此时温度传感器向下旋转，用于测量后续该合金熔液温度。

D4，块状A356铝合金开始熔化时，开启电磁搅拌。

E5，待温度传感器显示A356铝合金熔液温度恒定时，保温30秒，停止加热，所有平面镜转回原始位置，同时温度传感器转回原始位置。

F6，关闭电磁搅拌，光热真空熔炼实验结束，待A356铝合金凝固后，关闭抽真空装置。

G7，通过直读光谱仪以及金相显微镜对凝固后A356铝合金的成分和组织进行分析。

实施例二本实施例以加入混合稀土的A356铝合金为例来说明光热真空熔炼方法。本实施例的具体步骤如下：

A1，将60g块状稀土铝合金(稀土含量5％)以及940g块状A356铝合金等放入熔炼炉内。

B2，关紧熔炼装置，开启抽真空装置，对装置内部进行抽真空处理，目标温度设置为730℃；700-800℃范围的光线透过最下方高温透光玻璃，与此对应的高温平面镜以及上方高温平面镜进行旋转将光线照射到下方聚光镜。聚光镜将光线汇聚照射到温度传感器。

C3，根据温度传感器反馈的信息，液压系统进行高度调整，直到温度传感器温度达到目标温度液压系统停止工作，光线加热块状稀土铝合金及A356铝合金，此时温度传感器向下旋转，用于测量后续合金熔液温度。

D4，当块状合金开始熔化时，开启电磁搅拌电源。

E5，待温度传感器显示熔液温度恒定时，保温30秒，停止加热，所有平面镜转回原始位置，同时温度传感器转回原始位置。

F6，关闭电磁搅拌，光热真空熔炼实验结束，待合金熔液凝固后关闭抽真空装置。

G7，通过直读光谱仪以及金相显微镜对凝固后添加稀土的A356铝合金的成分和组织进行分析。

本发明依据高温透光镜、高温平面镜、聚光镜以及温度传感器等相关原理充分利用汇聚的太阳能光实现对合金的熔炼目的，极大地减少能源及资源的消耗，达到使用清洁能源实现绿色冶金的目的。

以上所述的具体实施例，对本发明要解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。