[發明專利]熔煉鈦或鈦合金的冷坩堝感應熔煉設備及熔煉拉錠方法

有效

• 申請號: 201110007151.6
• 申請日: 2011-01-14
• 公開（公告）號: CN102032783A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 李碚
• 申請（專利權）人: 李碚
• 主分類號: F27B14/04
• 分類號: F27B14/04;F27B14/06;F27B14/10;F27B14/18;B22D11/00;C22B34/12;C22B9/16
• 代理公司: 包頭市專利事務所 15101
• 代理人: 張少華

技術領域

本發明涉及一種熔煉鈦或鈦合金的冷坩堝感應熔煉設備及熔煉拉錠方法，屬于用冷坩堝感應熔煉的拉錠技術領域。

背景技術

鈦和鈦合金以其比重小，塑性好，比強度和熱強性高，低溫性能好，抗腐蝕性優良，以及同人體組織有良好的親合性等優越的性能，成為最重要的工程材料之一。近幾十年以來，隨著技術的發展，鈦和鈦合金的作用越來越加重要，在航天、航空、航海等部門它們是產業發展的基礎材料、關鍵材料，在化工、石化、醫療、機械等行業它們也有重要作用。全世界海綿鈦的產量在1947年時僅2噸，到2007年時激增到16.64萬噸。現在，鈦和鈦合金已大量用于制作導彈、火箭、飛船等航天器的殼體，飛機的殼體、機翼和發動機葉片，輪船、軍艦、潛艇的殼體，海水淡化裝置、化工反應器、管道、容器，人造牙齒、骨骼、關節、夾板，以及儀表、精密機械、高爾夫球頭、眼鏡框、鐘表、首飾和裝飾品。此外，鈦還用于制作超導材料、貯氫材料、吸氣材料、壓電材料和形狀記憶合金等重要的功能材料。

但是，鈦在高溫下能與氧、氮、碳等許多元素發生激烈的反應，這為鈦和鈦合金的熔煉帶來嚴重困難——幾乎沒有一種常規的坩堝可以被使用。因此，熔煉鈦和鈦合金的各種手段——熔煉海綿鈦的真空自耗電弧爐、鑄造鈦鑄件的真空凝殼爐，熔煉鈦合金的等離子冷床爐，等等，它們都要使用水冷銅坩堝。目前，這些技術雖然已經相當成熟，但是它們仍然有一些缺點，例如工藝復雜，設備昂貴，生產成本高，等等。以非自耗電弧爐為例，它需要先將海綿鈦和合金料混合并壓制成棒，并把它們焊接成長棒，再把長棒安裝到設備上作為電極，然后通過電極與銅坩堝中的溶池表面放電形成電弧，使電極的尖端形成液滴進入溶池，溶池下部的鈦液在坩堝的冷卻作用下凝固，直至電極全部熔入溶池形成鈦錠。

冷坩堝感應熔煉技術是上世紀末發展的新技術，它的結構與普通的真空中頻感應爐相似，只是用水冷銅坩堝代替了陶瓷坩堝和耐火材料坩堝。這種熔煉方法與前面提到的鈦和鈦合金的傳統熔煉方法相比有以下優點：原料可以是比較任意的形式：塊狀、顆粒狀、邊角料、回收料，基本不需要專門進行加工；容易添加合金元素，可以熔煉成分比較復雜的鈦合金；在熔煉過程能通過電磁攪拌實現精練過程和合金化過程，獲得質量較高的產品；能把鑄造工序與熔煉工序安排在同一個設備之中一并完成，能采用多種特種鑄造技術，等等。

但是，冷坩堝感應熔煉技術在鈦和鈦合金的規模化生產中尚沒有得到廣泛應用。其原因在于，過去的設備是按照單爐熔煉，單爐鑄造的模式設計的，按照這種方式進行生產時，其效率低、耗電大、成本高，無法與連續化運行的真空自耗電弧爐等技術相比。

發明內容

本發明的目的是提供一種在保留用冷坩堝感應熔煉技術熔煉鈦和鈦合金優點的基礎上，通過采用拉錠技術，其生產效率和生產成本降低到不高于真空自耗電弧熔煉等傳統技術的熔煉鈦或鈦合金的冷坩堝感應熔煉設備及熔煉拉錠方法。

本發明的目的是通過以下方式實現的：

本發明的感應熔煉設備包括真空室，其特征是：真空室從上到下由加料倉熔煉倉和拉錠倉三個部分組成，在熔煉倉內部裝有水冷銅坩堝和環繞坩堝的感應器，感應器與真空室外的中頻電源連接，在拉錠倉內裝有拉桿，拉桿一端與坩堝底結合，另一端與驅動機構結合；在加料倉內裝有加料器。

所述水冷銅坩堝采用坩堝底的局部或全部能夠沿坩堝高度方向移動的水冷活底銅坩堝。

所述水冷銅坩堝是小徑底孔坩堝，或等徑底孔坩堝。

本發明的熔煉拉錠方法是：將坩堝底定位于坩堝壁內熔化區的下緣，向坩堝和加料器加料，對三個真空倉同時抽真空和充入惰性氣體，然后啟動電源加熱坩堝中的爐料，待爐料完全熔化和均勻后操縱拉桿向下牽引坩堝底，使爐料液柱跟隨坩堝底進入坩堝壁下部溫度較低的凝固區凝固成料棒，并繼續跟隨坩堝底向下移動進入拉錠倉，在拉錠開始時同時啟動加料器向坩堝加料，使坩堝中爐料液面的高度保持不變，直至坩堝底達到拉錠倉的倉底，由此完成一支鈦錠的制備工作。

當完成一支鈦錠的制備工作時，在凝固區的下方夾持料棒，在夾持點的下方切斷鈦錠，并從坩堝底的表面將成品鈦錠移到拉錠倉內的旁側區。然后，上移坩堝底接納被夾持的鈦錠，再重新啟動加料、熔煉和拉錠過程。切斷料棒的方法可以是各種切料方式，但是本發明更加推薦用等離子束或激光束切斷料棒。