摘要：本文首先简述了真空感应炉用隔离阀的使用背景，并就不同种类隔离阀在不同应用场景下的功能进行了较为全面的探讨，其次详细阐述了目前国内外真空感应熔铸炉上正在使用的几种主流隔离阀的结构特点，最后，对未来隔离阀结构和功能的发展方向进行了展望。
关键词： 真空冶金 真空感应炉 插板隔离阀 转板隔离阀 翻板隔离阀
真空感应熔炼，系在真空或惰性气氛下熔化新合金料或返回料，以避免来自大气的氧化和污染[1]。真空感应炉则正是提供真空感应熔炼功能的专业化冶金设备，应用在高温合金、特殊钢、特种材料等多个领域中[2-3]。由于周期型真空感应炉生产效率低，不利于工业化生产，故连续型真空感应炉成为了发展方向，尤其是在真空精密铸造与母合金生产等领域[4]。
真空隔离阀作为真空感应炉重要功能性部件之一，随着真空感应炉的发展而不断进化演变[5]。一般来说，真空隔离阀主要应用于连续型真空感应炉，用于实现炉内各腔室的通断和真空密封，满足两腔室之间在真空状态下的切换需求。
真空炉用隔离阀的应用场景
当隔离阀在真空感应炉的熔炼室、模壳（锭模）室、流槽室之间应用时，可以在不破坏熔炼室真空环境下连续进行熔铸工艺；当其应用于熔炼室与加料测温取样室时，可以在不破坏真空的情况下实现感应炉的测温、加料、取样等功能[6-7]。
不同工况要求隔离阀具有真空密封、防热辐射、防飞溅、易于维护等多种对应的功能及特性，设备全部采用通用化真空阀门并不能满足上述要求，因此，真空感应炉设备厂需要针对客户的不同需求进行定制化设计。在此背景下，本文重点介绍几种典型的应用子真空感应炉的隔离阀结构及其特点。
真空感应炉用隔离阀的几种典型形式
2.1 水平型插板隔离阀
水平型插板隔离阀是最为常见的一种隔离阀，尤其在通用型真空阀门领域。该类阀门技术成熟可靠，已成为系列化的常规产品[8]。
通用型真空插板阀一般采用双向密封结构（如图1所示）[9]，通过气缸水平推动阀门，主要应用于直径为 800mm 及以下中小口径腔室之间的隔离[10]。
▲ 图1 通用型真空插板阀示意图
考虑到真空冶金过程中产生的高温环境、熔炼挥发物以及设备可靠性的情况，真空感应炉用插板隔离阀往往仅采用单向密封的设计[11]，虽在通用性上有一定牺牲，但提高了部件的可靠性与可维护性。一种具有水冷功能的真空感应炉用水平插板隔离阀的结构如图2[12]所示，此类型的水平型插板隔离阀通过水平的滑槽以及一段有导向的沟槽将阀板压紧，并依靠横置气缸驱动阀门的开启和关闭。此种隔离阀结构简单、厚度小、不占用高度方向的空间。由于水平型插板隔离阀需要将阀板收纳在其阀体之内，同时需要横置气缸驱动，气缸长度与阀口尺寸呈正相关，故常用于中小口径仓体之间的真空隔离。在真空感应炉中主要用于熔炼室与加料、测温、取样等仓体之间的真空隔离。
▲ 图2 水平型插板隔离阀示意图[12]
2.2 垂直型插板隔离阀
垂直型插板隔离阀从原理上可以近似看成水平型插板隔离阀垂直使用的一种情况，但在工程实际应用中，根据使用特点，其结构存在着诸多变化。这种阀门结构简单、维护性好、更换胶圈方便，一般尺寸较大，常用于大型连续型真空感应炉中，主要起到隔离各仓体间真空度的作用[13]，广泛应用于流槽室、振动加料室等腔室与熔炼室对接处[14-15]，亦可用于熔炼室与模壳（锭模）室对接处[16]。
如图3所示，垂直型插板隔离阀主要由阀体、阀板、轨道、滑轮、连接架、平移油缸、锁紧油缸等组成。阀体1负责连接需要被隔离的两个仓室，阀体2负责收纳阀板，通过平移油缸带动阀板移动，从而实现阀门的开闭，并由锁紧油缸保证阀板处在合理的位置上。在阀体1的内部和阀板上均设计有水道，起到冷却阀体和阀板及保护胶圈的作用。
▲ 图3 垂直型插板隔离阀示意图
2.3 转板隔离阀
转板隔离阀的历史比较悠久，20世纪80年代，德国的 Leybold-Heraeus 公司就生产过应用在真空领域的转板隔离阀[17]。转板隔离阀具有结构简单、加工精度要求相对较低、适合大尺寸结构等特点，广泛应用于真空感应炉及精密铸造炉中。如图4[17]所示，这是一种应用在立式真空感应炉上的转板隔离阀，多用于连续型真空感应炉的模壳（锭模）室腔体与熔炼室腔体之间，整套机构均置于模壳（锭模）室内。
另一种常见形式为大型真空感应炉上应用的加料口隔离阀。这种阀门最早由美国 Consarc公司设计并应用[18]，是专门用于大型真空感应炉加料口隔断真空的一种特殊转板隔离阀，其结构形式如图5所示。阀板中心处弹簧的弹性形变力将阀板弹起，与密封面分离，并远离加料口，阀门开启。此类隔离阀采用三个周向均布的下压油缸，保证阀板被均布载荷压紧，具有良好的密封性，适用于较大口径的加料口。此外，此类隔离阀设计有围绕密封圈的挡环，起到隔挡飞溅钢液，从而延长胶圈寿命的作用。
▲ 图4 德国 Leybold-Heraeus 公司生产的转板阀示意图[17]
▲ 图5 转板隔离阀示意图
2.4 翻板隔离阀
翻板隔离阀主要用于真空感应精密铸造炉[19]。虽然其应用场景较为单一，但作为真空感应炉用隔离阀庞大产品系列中的一员，本文也将其归入讨论范围中。
翻板隔离阀根据其结构形式主要可分为以下两种：
❶ 连杆式翻板隔离阀
这种形式的隔离阀门结构如图 6 所示，主要由阀板、大臂、外臂、小臂、连杆、中间轴、直线轴、气缸（或油缸）等组成。气缸带动翻板产生 90°的翻转动作。阀板内一般设计有循环水道，为阀板提供足够的冷却条件。
❷ 滑槽式翻板隔离阀
滑槽式翻板隔离阀取消了连杆，相对更容易安装。小臂与阀板固定角度后，滑轮在滑槽内上下滚动，实现阀板的翻转运动，主要应用于美式真空感应精密铸造炉产品中[20-21]。
值得一提的是，在合金浇注时，金属液易飞溅到滑槽内，故须对滑槽采取必要的防护措施。此外，对隔离阀进行运动仿真分析后发现，阀板翻转角度都为 90°时，滑槽式大臂的翻转角 度要比连杆式的长，因而其气缸的行程也相对更长。
▲ 图6 连杆式与滑槽式翻板隔离阀
真空感应炉用隔离阀的现状及发展趋势展望
经过几十年的发展，应用在真空感应炉的各种隔离阀已发展到相对成熟的阶段，每种隔离阀在不同炉型、不同工况下有其特定的用处。
当然这些隔离阀机构在实际安装调试及使用过程中也会产生一些问题。本人现基于生产实际，对于真空炉用隔离阀展望如下：
❶ 垂直型插板隔离阀和滑槽式翻板隔离阀阀体的焊接结构较为复杂，对阀体的焊接尺寸和形位公差均有一定的要求，时有阀体尺寸或阀板滑轨的平行度不合格等情况出现。未来随着工装的引入及焊接自动化水平的提高，可以实现包括阀体焊缝性能检测在内的一体化生产操作[22]，最大限度地保证阀体的焊接质量。
❷ 真空隔离阀机构较为复杂，如滑槽式翻板隔离阀为保证阀板在上行程极点位置时刚好能够实现密封，在装配时必须调整好配焊点，这对装配工人的经验要求较高。可通过优化阀门结构，或采用小型机械手臂直接驱动阀板实现相近的动作，起到相同的密封效果。
❸ 上述各类阀体工作环境均较为恶劣，阀板及密封圈常会受到高温热辐射及迸溅的金属液的侵蚀。目前的冷却方案均为水冷，对于迸溅金属液均采用防护的思路。随着冷却技术的发展，未来可采用具有相近力学性能且耐高温、导热差的材料做阀板，并简化阀门结构。而针对金属液的迸溅问题，可采用不粘炉料金属液的新型材料，或在表面涂刷防粘涂层解决。
❹ 采用多种密封手段。胶圈材质易老化，不耐高温和腐蚀，且需要在阀门上加工相应尺寸的密封槽，这对阀门的强度有一定削弱，也一定程度上提高了零部件的成本。随着新型密封技术的不断涌现，可以采用陶瓷替代橡胶材料密封，优化整体的密封系统。
❺ 数字仿真技术的发展会助力阀门零部件的结构、材料及工况优化，有利于对各零件的疲劳周期即使用寿命进行前期分析，大大提高设计效率。生成的可视化报告可以提高产品的精品度及客户对产品的认可度。
❻ 无论设计和研发还是生产及销售，未来的真空隔离阀产品一定要走标准化和系列化路线。阀门结构及各零部件材料优化后要精简产品线，在设计中考虑各零件的互换性，提高阀门的易维护性。
结 论
随着我国真空冶金工业发展水平的不断提高，真空隔离阀在冶金环境中的工况越来越复杂，这促进了真空冶金所用隔离阀的快速发展，更多的新材料、新结构会不断出现以满足真空冶金设备的需求。本文对现有真空冶金设备用隔离阀现况进行了分析，剖析了主流阀门的结构与特点，并结合生产实际，对隔离阀的未来发展提出了几点设想，可以作为未来真空冶金用隔离阀门设计过程的思考方向。相信随着三维仿真技术的发展，冷却技术及密封技术的改进以及新材料的发现，真空冶金设备用隔离阀的发展会越来越全面。
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本文作者：薛庆增，陈久强，冯骏骁，滕龙，李秀章，李宏磊
作者单位：海装沈阳局驻沈阳地区某军事代表室，辽宁 沈阳；沈阳真空技术研究所有限公司，辽宁 沈阳