CN103143689A - 等离子丝材连铸工艺 - Google Patents
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Abstract
提供一种等离子丝材连铸工艺：1）将备好的金属物料通过螺旋加料器连续送入坩锅中；金属物料可以为钛合金、镍合金或锆合金等；2）启动主加热枪对坩锅中的金属物料进行连续加热至金属物料变为液态，加热温度为金属物料熔点以上50-150℃；3）液态金属从坩锅连续流入缓冲池中；4）进入缓冲池中的液态金属连续进入结晶器中，所述结晶器为二段式结构，结晶器上半部由耐高温低导热材料制成，其下半部为水冷铜结构，结晶器上半部和下半部内径一致；液压金属进入结晶器上半部入口时温度需保证在金属熔点以上，液压金属从结晶器下半部出口出来时温度需要在30℃左右；5）从结晶器下半部出口出来的丝材用收集器按序缠绕在圆鼓上即为成品。
Description
技术领域
本发明属金属铸造技术领域，具体涉及一种等离子丝材连铸工艺。
背景技术
在目前的钛合金、锆合金、镍合金、高温合金的生产中，还没有连铸成型设备在实际运行，传统工艺是熔炼、锻造、热挤压或者热轧、冷拔或冷轧，每个工序之间还会有不同的热处理环节；生产加工环节多带来巨大的金属损耗，例如板材的损耗在20%左右，管材在30%左右，丝材在40%到50%之间，巨大的金属损耗会带来产品的价格居高不下，限制了钛合金、镍合金、锆合金等的应用。钛合金、锆合金、镍合金和高温合金的连铸，比起铜材和铝材的连铸要复杂的多。首先是熔炼温度高，例如钛合金在1600度到1700度之间，镍合金在1200度到1400度之间；其次，要求纯净度较高包括较低的气体元素与高密度夹杂；最后，由于这些金属比较活泼，需要找到一种在高温条件下不与其反应的耐高温材料，所以，适用于铜材与铝材的连铸系统并不能应用在钛合金、锆合金、镍合金和高温合金材料的连铸上。目前所有钛合金、锆合金、镍合金和高温合金的加工，都是从大到小加工：熔炼尽可能大的锭子，然后一步一步向小尺寸加工，这种方式从20世纪80年代至今没有改变。目前随着近净制造和3D打印技术的日趋成熟，从小到大的制造方法的技术储备已日趋完善，极待爆发。3D打印技术需要大量的丝材原料，传统工艺加工的丝材由于金属损失巨大而成本过高，进而影响了稀贵金属的3D打印的推广和市场化，需要找到一种方法大大降低3D原料成本，因此有必要改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种加工成本低、熔炼质量高的可连续铸出丝材或棒材的等离子丝材连铸工艺。
本发明采用的技术方案：等离子丝材连铸工艺，包括下述步骤：
1）将备好的金属物料通过螺旋加料器连续送入坩锅中；金属物料可以为钛合金、镍合金或锆合金等；
2）启动主加热枪对坩锅中的金属物料进行连续加热至金属物料变为液态，加热温度为金属物料熔点以上50-150℃；
3）液态金属从坩锅连续流入缓冲池中；
4）进入缓冲池中的液态金属连续进入结晶器中，所述结晶器为二段式结构，结晶器上半部由耐高温低导热材料制成，其下半部为水冷铜结构，结晶器上半部和下半部内径一致；液压金属进入结晶器上半部入口时温度需保证在金属熔点以上，液压金属从结晶器下半部出口出来时温度需要在30℃左右；
5）从结晶器下半部出口出来的丝材用收集器按序缠绕在圆鼓上。
上述步骤3）中，液态金属从坩锅连续流到冷床上并启动副加热枪对流过冷床的液态金属继续加热，弥补液态金属流过冷床时热量损失，然后再连续流入缓冲池中。
上述步骤2）中，所述主加热枪为离子束加热枪、电子束加热枪或激光束加热枪。
上述步骤2）中，所述坩锅为水冷坩锅、氧化镁坩锅、氧化锆坩锅或者其他耐热材料坩锅。
所述副加热枪为离子束加热枪、电子束加热枪或激光束加热枪。
进一步地，所述结晶器上半部和下半部的长度尽可能取长一些，一般为成型丝材直径的10-20倍。
本发明与现有技术相比将钛合金、锆合金、镍合金和高温合金一步完成熔化、脱气、精炼、丝材成型、冷却的步骤，大大降低了金属加工损耗，省去了传统加工方式中的锻造、热轧、扒皮、热拉、冷拔等工艺环节，大大降低了加工成本；相比目前大量使用的真空自耗炉、感应炉和凝壳炉，等离子炉具有加热温度高，金属过热大的特点，熔炼质量更好，加入冷床环节后，可大大降低气体元素和高密度夹杂。
附图说明
图1为本发明第一实施例结构示意图；
图2为本发明第二实施例结构示意图；
图3为本发明第三实施例结构示意图；
图4为本发明第四实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1描述本发明的第一种实施例。
等离子丝材连铸工艺，包括下述步骤：
1）将备好的金属物料通过螺旋加料器1连续送入坩锅2中；所述坩锅2为水冷坩锅、氧化镁坩锅、氧化锆坩锅或者其他耐热材料坩锅；
2）启动主加热枪3对坩锅2中的金属物料进行连续加热至金属物料变为液态，加热温度为金属物料熔点以上100℃；所述主加热枪3为离子束加热枪、电子束加热枪或激光束加热枪；
3）液态金属从坩锅2连续流入缓冲池6中；
4）进入缓冲池6中的液态金属连续进入结晶器7中，所述结晶器7为二段式结构，结晶器7上半部由耐高温低导热材料制成，其下半部为水冷铜结构，结晶器7上半部和下半部内径一致；液压金属进入结晶器7上半部入口时温度需保证在金属熔点以上，液压金属从结晶器7下半部出口出来时温度需要在30℃左右；所述结晶器7上半部和下半部的长度尽可能取长一些，一般为成型丝材直径的10-20倍。
5）从结晶器7下半部出口出来的丝材用收集器8按序缠绕在圆鼓9上。
下面结合附图2描述本发明的第二种实施例。
与实施例一的不同之处在于：流到缓冲器6中的液态金属通过真空虹吸的方法成型，结晶器7下部分为耐热材料结构，上部分为水冷铜结构，上下部分内径一致。上部长度和下部长度需要通过热传导计算得出，需满足上部入口温度需要在熔点以上，下部出口温度需要在30度左右。如果不通过计算，那么需要将上部和下部长度尽可能取长一些，一般为成型丝材直径的10倍到20倍长度。结晶器7下端伸入缓冲池6金属液面以下，上部分连接一个真空箱。如果采用虹吸方式，需要利用主熔炼室和收集室10的压力差来工作，主熔炼室一般工作在正压。
下面结合附图3描述本发明的第三种实施例。
等离子丝材连铸工艺，包括下述步骤：
1）将备好的金属物料通过螺旋加料器1连续送入坩锅2中；所述坩锅2为水冷坩锅、氧化镁坩锅、氧化锆坩锅或者其他耐热材料坩锅；
2）启动主加热枪3对坩锅2中的金属物料进行连续加热至金属物料变为液态，加热温度为金属物料熔点以上150℃；所述主加热枪3为离子束加热枪、电子束加热枪或激光束加热枪；
3）液态金属从坩锅2连续流到冷床5上并启动副加热枪4对流过冷床5的液态金属继续加热，弥补液态金属流过冷床5时热量损失，然后再连续流入缓冲池6中；液态金属流入冷床5中，副等离子枪4在冷床5上加热弥补液态金属流过冷床5时的热量损失。冷床5的作用是使液态金属在高温下停留一段时间，有利于液态金属中的气体元素挥发和高密度杂质沉降；
4）进入缓冲池6中的液态金属连续进入结晶器7中，所述结晶器7为二段式结构，结晶器7上半部由耐高温低导热材料制成，其下半部为水冷铜结构，结晶器7上半部和下半部内径一致；液压金属进入结晶器7上半部入口时温度需保证在金属熔点以上，液压金属从结晶器7下半部出口出来时温度需要在30℃左右；所述结晶器7上半部和下半部的长度尽可能取长一些，一般为成型丝材直径的10-20倍。
5）从结晶器7下半部出口出来的丝材用收集器8按序缠绕在圆鼓9上。
下面结合附图4描述本发明的第四种实施例。
与实施例三的不同之处在于：启动主加热枪3对坩锅2中的金属物料进行连续加热至金属物料变为液态，加热温度为金属物料熔点以上50℃；流到缓冲器6中的液态金属通过真空虹吸的方法成型，结晶器7下部分为耐热材料结构，上部分为水冷铜结构，上下部分内径一致。上部长度和下部长度需要通过热传导计算得出，需满足上部入口温度需要在熔点以上，下部出口温度需要在30度左右。如果不通过计算，那么需要将上部和下部长度尽可能取长一些，一般为成型丝材直径的10倍到20倍长度。结晶器7下端伸入缓冲池6金属液面以下，上部分连接一个真空箱。如果采用虹吸方式，需要利用主熔炼室和收集室10的压力差来工作，主熔炼室一般工作在正压。
上述方案，也不仅仅限于丝材，也可以铸出相应的棒材或者其他型的连续材料，只要改变结晶器7内径的形状即可。对于目前流行的3D打印机，需要连续的材料才能打印出理想的物品，本工艺铸就的材料就可以和3D打印机结合使用，使用方式可以是使用冷却后的丝材作为打印材料，或者在合适的耐热材料和保温环境下使用高温金属液体喷出冷却成型。本发明是理想的钛合金、锆合金、镍合金和高温合金低成本3D打印系统的前端和供料设备。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。
Claims (6)
1.等离子丝材连铸工艺，其特征在于包括下述步骤：
1）将备好的金属物料通过螺旋加料器（1）连续送入坩锅（2）中；
2）启动主加热枪（3）对坩锅（2）中的金属物料进行连续加热至金属物料变为液态，加热温度为金属物料熔点以上50-150℃；
3）液态金属从坩锅（2）连续流入缓冲池（6）中；
4）进入缓冲池（6）中的液态金属连续进入结晶器（7）中，所述结晶器（7）为二段式结构，结晶器（7）上半部由耐高温低导热材料制成，其下半部为水冷铜结构，结晶器（7）上半部和下半部内径一致；液压金属进入结晶器（7）上半部入口时温度需保证在金属熔点以上，液压金属从结晶器（7）下半部出口出来时温度需要在30℃左右；
5）从结晶器（7）下半部出口出来的丝材用收集器（8）按序缠绕在圆鼓（9）上。
2.根据权利要求1所述的等离子丝材连铸工艺，其特征在于：上述步骤3）中，液态金属从坩锅（2）连续流到冷床（5）上并启动副加热枪（4）对流过冷床（5）的液态金属继续加热，弥补液态金属流过冷床（5）时热量损失，然后再连续流入缓冲池（6）中。
3.根据权利要求1所述的等离子丝材连铸工艺，其特征在于：上述步骤2）中，所述主加热枪（3）为离子束加热枪、电子束加热枪或激光束加热枪。
4.根据权利要求1所述的等离子丝材连铸工艺，其特征在于：上述步骤2）中，所述坩锅（2）为水冷坩锅、氧化镁坩锅、氧化锆坩锅或者其他耐热材料坩锅。
5.根据权利要求2所述的等离子丝材连铸工艺，其特征在于：所述副加热枪（4）为离子束加热枪、电子束加热枪或激光束加热枪。
6.根据权利要求1所述的等离子丝材连铸工艺，其特征在于：所述结晶器（7）上半部和下半部的长度尽可能取长一些，一般为成型丝材直径的10-20倍。
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