CN102179493B - 一种高温合金真空连铸装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金真空连铸装置，该装置的熔炼炉(2)、中间包(5)和结晶器(6)均设置在真空炉(1)内，高温合金的冶炼、浇铸和结晶成型均在真空状态下完成；真空炉(1)上部为熔炼室，设置有熔炼炉(2)和导液槽(3)，导液槽(3)位于熔炼炉(2)的下方；真空炉(1)下部为熔铸室，设置有中间包(5)和结晶器(6)，结晶器(6)设置在中间包(5)底部的侧面并与中间包(5)相连；熔炼室和熔铸室之间设置有隔板阀(4)；本发明的冶炼、浇铸、结晶成型完全在真空条件下进行，保证了在连铸作业过程中高温合金熔体不被污染，实现了高温合金的真空冶炼和多炉连续真空连铸的近净成型。

Description

一种高温合金真空连铸装置

技术领域

本发明涉及真空冶炼和真空冶金成型技术领域，尤其涉及一种高温合金的真空冶炼和真空连铸装置。

背景技术

高温合金和精密合金是航空航天部件的重要材料，我国每年约需近万吨铸造高温母合金，产值达数亿元。虽然高温母合金的制备技术相对已经成熟，但仍然面临着诸多亟待解决的问题。

在世界主要钢铁工业国家的连续铸造技术领域，碳钢类合金的连铸比已经大于90％，不锈钢和耐热钢的连铸比也已经大于60％，但高温合金的连铸比尚不足1％。这是因为高温合金母合金目前较多的使用传统生产工艺，即真空冶炼金属模铸造成型。但金属模铸造成型难以控制母合金中的夹杂物数量。在浇铸过程中，不可避免地会将坩埚材料、浇流槽中的非金属材料和浮渣带入铸锭，使高温母合金的品质受到影响。尤其是用在航空航天部件上，可能将会发生严重的事故。

另一方面，传统金属模铸生产工艺决定了铸棒是自下而上进行冷却，因此，就会产生在铸棒的顶部聚集大量浮渣的铸造集中缩孔冒口，而在使用时必须切除，在使用高温母合金棒材时还需对其表面进行打磨甚至加工，最终使母合金的成材率仅在80％-85％之间，造成大量的资源浪费。

为了改变传统铸造技术状况，目前出现了真空冶炼和气体保护水平连铸装置(ZL 200720065511.7)，将真空冶炼炉直接与水平连铸结晶器相连，真空冶炼后的钢液需要在连续充氩(或氮)接近大气压条件下，才能进行水平连铸作业。该装置虽然采用了真空冶炼，但在连铸时却需要破真空而采用充氩或氮进行保护。其不足之处在于：一、连铸作业时需要消耗大量的高纯氩气；二、对于高温合金而言，充高纯氩气也不能有效地防止合金中最重要的又是易氧化的合金元素如Al、Ti、Zr、Hf的氧化与烧损，如果采用专利ZL200720065511.7所介绍的充氮气工艺，非但不能有效保护高温合金熔体，还易形成氮化铝和氮化钛夹杂，从而严重污染高温合金钢液；三、不能实现连续作业。

综上所述，传统技术生产的高温合金品质难以提高，产量更难以提高，材料资源浪费很大；而现有改进技术同样因铸坯结晶时与气体接触而使高温合金元素受到损失，不但合金材料质量得不到保证，还需要提供大量气体，同时也难以实现连续铸造的目的。

发明内容

本发明的目的是克服上述高温合金生产中出现的不足或缺点，提供一种高温合金真空连铸装置，该装置突破了高温合金连铸技术的瓶颈，使高温合金连铸成材成为可能，从而达到改善高温合金母材的质量，提高高温合金母材成品率和降低高温合金母材生产成本的目的。

本发明采用如下技术方案来完成其任务并达到其发明目的。

本发明高温合金真空连铸装置的特点在于该装置的熔炼炉、中间包和结晶器均设置在真空炉内，高温合金的冶炼、浇铸和结晶成型均在真空状态下完成；真空炉上部为熔炼室，设置有熔炼炉和导液槽，导液槽位于熔炼炉的下方；真空炉下部为熔铸室，设置有中间包和结晶器，结晶器设置在中间包外部并与中间包相连；熔炼室和熔铸室之间设置有隔板阀。

真空炉炉体上设置有滑动密封装置并与真空炉内的水平结晶器出口相连，结晶器的下方设置有结晶器固定装置，该固定装置同时将水平结晶器与中间包和真空炉之间的位置固定。

在真空炉外部设置有拉坯机，该拉坯机通过滑动密封装置与结晶器相连，将从结晶器成型的铸坯通过滑动密封装置拉出。本发明通过设置在熔炼室和熔铸室之间的隔板阀的关闭或打开，可实现熔炼室和熔铸室共用一套真空系统或各自独立使用其真空系统。

由于本发明的熔炼炉、中间包和结晶器均设置在真空炉内，连铸作业的冶炼、浇铸、结晶成型完全在真空条件下进行，因此，无需向炉内充入保护气体，并始终保持真空炉内的真空度不变，完全防止了高温合金熔体中存在的诸如Al、Ti、Zr、Hf等活泼元素的氧化与烧损，从而保证在连铸作业过程中高温合金熔体不被污染，最终得以实现高温合金的真空冶炼和多炉连续真空连铸近净成型。

附图说明

图1为本发明高温合金真空连铸装置的结构示意图；

图2为使用本发明生产的高温合金棒材效果图；

图中序号：1为真空炉、2为熔炼炉、3为导液槽、4为隔板阀、5为中间包、6为结晶器、7为滑动密封装置、8为拉坯机、9为连铸坯、10为结晶器固定装置、11为导流孔、12为盛钢桶。

具体实施方式

以下将结合设计原理、附图1和2以及实施例对本发明进行详细描述。

本发明的设计原理是基于高温合金高纯度品质的要求，设计一种能在完全真空状态下的高温合金冶炼和连续铸造装置，来完成高温合金的连续铸造作业，以满足高温合金材质的近净成材要求。

本发明在保持真空炉1中熔炼炉2、中间包5和水平连铸结晶器6内的真空度不变，即不泄漏进入大气的状态下进行高温合金的水平连铸成型作业。使中间包5内的钢液在水平连铸结晶器6内凝固成型材，并通过高温滑动密封装置7由真空炉1中直接移动到大气环境中，实现在高温合金钢液不被二次氧化的条件下，完成水平连铸的近净成材。

本发明在具体实施过程中，设计了具有真空室的真空炉1，真空炉1分为上部和下部，熔炼高温合金的熔炼炉2与中间包5以及使高温合金成型的水平连铸结晶器6均设置在真空炉1的真空室内，高温合金的冶炼、浇铸和结晶成型均在真空炉1中的真空状态下完成，直到将已经成型的高温合金铸坯9拉出真空炉1外才能接触到大气。

真空炉1的上部为熔炼室，设置有熔炼炉2和导液槽3，导液槽3位于熔炼炉2的下方，导液槽3的位置正对着熔炼炉2倾倒时合金溶液流出的位置，以将熔炼炉2中的高温合金溶液导流到中间包5中；真空炉1的下部为熔铸室，设置有中间包5和结晶器6，中间包5设置在正对着真空炉1上部导液槽3的出口下方，以使导液槽3导流的合金溶液顺利流入中间包5中；水平连铸结晶器6安装在中间包5底部的侧面，中间包5中的合金溶液注入具有水冷装置的水平连铸结晶器6中，在结晶器6中结晶成型，并被安装在真空炉1外面的拉坯机8拉出真空炉外。

在真空炉1下部的炉体上设置有滑动密封装置7，滑动密封装置7与真空炉1内的水平连铸结晶器6的出口相连，以使结晶器成型的高温合金铸坯9从滑动密封装置7中通过；滑动密封装置7应能保证在冶炼状态下和在拉坯状态下外面的空气不能进入真空炉1中。

水平连铸结晶器6的下面安装有结晶器固定装置10，因结晶器6同时与中间包5和安装在真空炉1上的滑动密封装置7相连，该固定装置10在将水平连铸结晶器6位置固定的同时，也将中间包5和真空炉1在水平方向的位置固定，使中间包5在水平连铸拉坯方向不能移动。

在真空炉1下部的外面设置有拉坯机8，该拉坯机通过滑动密封装置与结晶器相连，拉坯机8的引锭杆通过滑动密封装置7进入水平连铸结晶器6中，将从结晶器6中成型的高温合金铸坯9通过滑动密封装置7拉出真空炉，在滑动密封装置7的密封保护下，成型的铸坯9直到拉出真空炉外才得以与空气接触。

本发明真空炉1上部的熔炼室和下部的熔铸室共用一套真空系统，也可以各自独立使用该真空系统；在熔炼室和熔铸室之间设置有一隔板阀4，通过隔板阀4的关闭或打开，即可实现高温合金熔炼时或浇铸时真空炉1的上部或下部各自独立使用真空系统，或在冶炼和浇铸时共用其真空系统。

本发明在中间包5的底部设置有导流孔11，该导流孔11通向真空炉1外部，导流孔11下方设置有盛钢桶12，以防止在出现拉漏事故时，导流孔11能将钢液引入盛钢桶12。导流孔11在正常工作下为密封状态。

本发明的高温合金真空连铸装置还设置有常规的真空炉密封装置、测温装置、阀门部件或其它支撑机构等必要装置或部件，以保证真空装置在完全真空状态下正常工作。

实施例及效果

采用本发明的高温合金真空连铸装置，已成功生产出高温合金真空连铸母合金棒材。为了验证本发明的实施效果，先后进行了八炉高温合金的真空水平连铸生产，且都取得成功。试验生产材料选择了两种应用最广、最具代表性的高温合金：K418合金和GH4169合金，其中K418合金为典型的高Al、Ti含量的铸造高温合金，GH4169合金为典型的变形高温合金。通过实测结果表明，采用本发明生产的两种合金水平连铸棒材气体含量低，其化学成分和力学性能均达到了相关材料标准。

本发明高温合金真空连铸装置生产的合金棒材表面质量非常好，仅经过喷丸处理就可以交付用户使用，图2为采用本发明技术生产的K418合金真空水平连铸Ф31.5mm棒材经喷丸后的表面形貌效果图片，可看出铸造后的表面光洁而均匀，无须再经过加工处理即可使用。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明将连铸技术运用到高温合金母材的近净成形，改变了近百年来高温合金的热成型主要依赖模铸的历史，给高温合金的成形工艺带来飞跃。与连铸技术在碳钢类合金、不锈钢、耐热钢等合金领域得到广泛应用一样，可极大提高生产效率和产品质量，降低生产成本。

2.现有改进技术真空冶炼后的钢液需要在连续充氩或充氮并接近大气压条件下进行水平连铸作业，以阻止大气进入真空室污染钢液。因此，需要消耗大量的高纯气体，同时所进入的气体同样会对钢液进行污染，使合金的纯度受到损害。而本发明可以在保持真空炉的真空度不变的状态下进行水平连铸作业，完全不用向炉内充高纯气体，有效地防止高温合金中所含有最重要并且极易氧化的合金元素如Al、Ti、Zr、Hf等元素在连铸过程中的动态氧化或烧损，极大地提高了高温合金的纯净度，使高温合金的质量得到保证，同时也极大地节约了资源。减少了资源的消耗。

3.本发明将熔炼炉、中间包、结晶器共同设置在一个真空环境下，使真空连铸中间包能得到钢液补充，可实现多炉连浇与连铸；本发明可实现圆坯、方坯和板坯的真空水平连铸成型，可采用一机一流或一机多流进行真空连铸，提高高温合金的生产效率和连铸产能，以满足航空航天部件对产量的需求，最大限度地发挥本发明的优势。

4、本发明的出现，将可替代传统金属模铸和气体保护下的连铸技术，既可减少模铸生产对环境的污染，又节省材料和气体资源，并可显著提高材料的质量和成品率，降低生产成本。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改，这些变化和修改均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高温合金真空连铸装置，其特征在于该装置的熔炼炉、中间包和水平连铸结晶器均设置在真空炉内，高温合金的冶炼、浇铸和结晶成型均在真空状态下完成；

所述水平连铸结晶器的下方设置有水平连铸结晶器固定装置，该固定装置同时将所述水平连铸结晶器与所述中间包和所述真空炉的位置固定；

所述真空炉上部为熔炼室，设置有所述熔炼炉和导液槽，导液槽位于所述熔炼炉的下方；真空炉下部为熔铸室，设置有所述中间包和所述水平连铸结晶器，所述水平连铸结晶器设置在所述中间包外部并与所述中间包相连；所述熔炼室和所述熔铸室之间设置有隔板阀；

在所述真空炉炉体上设置有滑动密封装置并与真空炉内的水平连铸结晶器出口相连，在所述水平连铸结晶器中成型的铸坯从该滑动密封装置中通过；所述真空炉外部设置有拉坯机，该拉坯机通过滑动密封装置与所述水平连铸结晶器相连，将所述水平连铸结晶器中成型的铸坯通过所述滑动密封装置拉出；所述滑动密封装置能保证在冶炼状态下和在拉坯状态下外面的空气不能进入所述真空炉中；

所述熔炼室和所述熔铸室共用一套真空系统或独立使用该真空系统，通过设置在所述熔炼室和所述熔铸室之间的所述隔板阀的关闭或打开实现；

在所述中间包的底部设置有导流孔，该导流孔通向所述真空炉外部，在所述导流孔下方设置有盛钢桶，所述导流孔在正常工作下为密封状态；该真空连铸装置还设置有必要的密封装置、测温装置、阀门部件或其它支撑机构；

由于熔炼炉、中间包和水平连铸结晶器均设置在真空炉内，连铸作业的冶炼、浇铸、结晶成型完全在真空条件下进行，因此，无需向炉内充入保护气体，并始终保持真空炉内的真空度不变，从而保证在连铸作业过程中高温合金熔体不被污染，最终得以实现高温合金的真空冶炼和多炉连续真空连铸近净成型。

Images