CN105238936B - 一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，该设备从上至下包括电极杆及其驱动机构、上炉室、真空闭锁阀、水冷结晶器、下炉室、拉锭杆及其驱动机构等，此外，本设备还需要配套直流电源系统和真空机组系统，但这两个系统不涉及本发明的保护范围。本设备的优点如下：1、下炉室设计了加热功能，可以实现结晶铸锭在真空下进行去应力退火，有效消除铸锭的热应力。2、降低真空电弧熔炼过程发生的坩埚击穿及爆炸风险。3、降低了坩埚的制造成本。4、坩埚许用直径的范围比较宽，单台设备可覆盖几公斤到上吨级的铸锭熔炼。5、本设备在熔炼过程中可进行多次装炉并连续拉锭，减少了电极焊接工序。

Description

一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置

技术领域：

本发明是一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，属于金属材料真空熔炼技术领域。

背景技术：

钛及钛合金以其比重小、比强度高、抗腐蚀等优良的性能，近几十年已经被广泛应用于航天、航空、石油、化工、医疗、汽车制造、体育休闲等领域，被人们美誉为“太空金属”、“海洋金属”、“全能金属”。从国内外技术现状来看，钛及钛合金的熔炼主要依靠真空自耗电极电弧炉(VAR)设备完成，此外还有等离子冷床炉(PAM)、电子束熔炼炉(EB)、冷壁坩埚真空感应熔炼炉等金属熔炼设备可用于钛及钛合金的熔炼。与VAR设备相比，其它类设备的使用数量及其熔炼产能不足1％。VAR设备不仅用于钛及钛合金的熔炼，还适用于高温合金等特种金属材料的熔炼，以达到材料提纯和成分均匀化的目的。VAR设备具有技术成熟度高、使用和维护方便、生产效率高等优点，是国内外钛材生产企业的必选熔炼设备。但是，VAR设备也存在某些技术上的不足，主要包括：(1)金属铸锭在凝固冷却过程中存在很大的温度梯度，造成铸锭内部的热应力较强，对TiAl、TiAlNb等脆性金属材料而言，经常会出现铸锭内部裂纹或开裂；(2)熔炼过程的异常侧弧检测困难，而异常侧弧是引发设备爆炸的重要原因之一；(3)铜坩埚制造成本较高，在VAR设备的初期投产阶段，铜坩埚的制造成本占设备总投资的15％～30％，在后期使用过程中，坩埚的累计投入成本甚至会超过设备原值。

发明内容：

本发明正是针对现有VAR设备存在的不足而设计提供了一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其目的是在VAR设备的基础上，克服3个技术不足：(1)熔炼过程中的金属铸锭可以在下炉室完成真空去应力退火，显著消除铸锭的内部热应力，解决TiAl、TiAlNb等脆性金属材料的熔炼技术难点；(2)熔炼过程中熔池的位置基本固定，易于侧弧检测，可显著降低真空自耗熔炼的爆炸风险；(3)通过固定高度的短坩埚设计方案，可以显著降低坩埚制造成本方面的投入。此外，还具有其他一些优点，包括：炉内观察范围宽；坩埚最小直径无限制；单台设备可以覆盖的铸锭规格范围很宽；电极焊接工序减少等。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：该装置包括一个电极杆(1)，电极杆(1)从上炉室(3)的顶部中间穿过并伸入上炉室(3)内，电极杆(1)与上炉室(3)的顶部之间为动密封(17)接触形式，电极杆(1)在驱动机构的带动下可上下移动，上炉室(3)的底部连接到真空闭锁阀(4)的一端，真空闭锁阀(4)的另一端连接水冷结晶器(5)的上端，水冷结晶器(5)的下端与下炉室(6)的顶部连接，上述连接均通过法兰对接完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆(8)从下炉室(6)的底部中间穿过并伸入下炉室(6)内，下炉室(6)固定在一个钢结构的平台(9)上，拉锭杆(8)与下炉室(6)的底部之间为动密封(17)接触形式，拉锭杆(8)在驱动机构的带动下可上下移动，在拉锭杆(8)的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载冷却后金属铸锭的底垫(7)；

上述水冷结晶器(5)为筒形结构，水冷结晶器(5)的内层是一个铜制的结晶坩埚(10)，结晶坩埚(10)是一个上下敞口的圆柱形空腔零件，腔体内部呈上口小、下口大的锥形，结晶坩埚(10)的高度为300～900mm，壁厚为15～35mm，结晶坩埚(10)的最大直径为200～1200mm，水冷结晶器(5)的外层是一个水套(11)，在结晶坩埚(10)和水套(11)之间设置有搅拌线圈(12)。

下炉室(6)是一个圆柱形腔体结构，腔体外壳(15)和腔体内壳(16)是双层不锈钢结构，中间通冷却介质，腔体内表面上安装电阻加热体或感应加热线圈(18)。

本发明技术方案的有益效果包括以下几点：

1.下炉室设计了加热功能，确保钛合金铸锭结晶后处于恒温状态，有效消除钛合金铸锭的热应力，使整支钛合金铸锭可以在真空状态下完成去应力退火后出炉；

2.水冷结晶器的内部安装了多点温度传感器，用于监测坩埚内的熔池工况，并及时检测出异常侧弧，从而显著降低自耗熔炼作业过程的爆炸风险；

3.水冷结晶器的结晶坩埚高度通常不大于900mm，与传统的真空自耗电弧炉相比的制造成本可以显著降低；

4.在熔炼过程中，熔池位于水冷结晶器(5)内，位置相对固定，易于观察，因此对于水冷结晶器的最小结晶坩埚(10)的直径几乎没有限制，单台设备可以覆盖更大范围的熔炼锭型；

5.在一次拉锭过程中，可以进行多次装炉的接续式熔炼作业，显著减少了电极间的焊接工序。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图

图2为本发明所述装置的水冷结晶器的结构示意图

图3为本发明所述装置的下炉室的结构示意图

图4为本发明所述装置实施例的ZHLD-1000真空自耗拉锭炉的整体结构图

图5为本发明所述装置的实施例的ZHLD-1000真空自耗拉锭炉的立体结构示意图

图6为本发明所述装置的工艺流程图，流程方向为从左至右

图7为图6的工艺流程的延续

图8为本发明所述装置的典型工艺参数说明图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图1～3所示，该种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：该装置包括一个电极杆1，可以通水冷却。电极杆1从上炉室3的顶部中间穿过并伸入上炉室3内，电极杆1与上炉室3的顶部之间为动密封17接触形式，其有真空密封和电绝缘的双重功能。电极杆1在驱动机构的带动下可上下移动，驱动机构通常由伺服电机、减速器、丝杆等部件实现。电极杆1下端的气动卡头可以装夹辅助电极2，且连接直流电源的负极。上炉室3的底部连接到真空闭锁阀4的一端，真空闭锁阀4的另一端连接水冷结晶器5的上端，水冷结晶器5的下端与下炉室6的顶部连接，上述连接均通过法兰对接完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆8从下炉室6的底部中间穿过并伸入下炉室6内，下炉室6固定在一个钢结构的平台9上，下炉室6相当于一个立式的真空热处理炉，在熔炼作业过程中实现结晶铸锭的贮存和加热保温。在熔炼完成后，下炉室6中的金属铸锭可以受控缓慢冷却，达到消除热应力的目的。为实现下炉室6的温度控制功能，还需要配套相应的自动控温系统，该自控系统可使用市场成熟产品，不属于本发明的涉及范围。电阻加热体19的最高加热温度可按900～1100℃设计，精确度为±15℃。拉锭杆8与下炉室6的底部之间为动密封17接触形式，其有真空密封和电绝缘的双重功能。拉锭杆8在驱动机构的带动下可上下移动，且推动速度可控，拉锭杆8驱动机构可以采用液压伺服方式实现，也可采用伺服电机、减速器、丝杆等部件实现。此外，拉锭杆8应设计为可以通水冷却。在拉锭杆8的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载冷却后金属铸锭的底垫7，底垫7是一个圆饼状铜质部件，其直径与铜坩埚内径配合，底垫7上加工了燕尾形凹槽，在熔炼起弧阶段，液态金属流入凹槽，结晶之后，上方铸锭与底垫7通过燕尾形凹槽可靠连接，确保拉锭杆可以牵引铸锭向下移动。

上述水冷结晶器5为筒形结构，水冷结晶器5的内层是一个铜制的结晶坩埚10，结晶坩埚10是一个上下敞口的圆柱形空腔零件，腔体内部呈上口小、下口大的锥形，结晶坩埚10的高度为300～900mm，壁厚为15～35mm，结晶坩埚10的最大直径为200～1200mm，水冷结晶器5的外层是一个水套11，在结晶坩埚10和水套11之间设置有搅拌线圈12，在结晶坩埚10的外侧安装多点温度传感器14，如图2所示，两侧对称的上中下三点各安装一个温度传感器。在熔炼过程中金属熔池液位基本保持在结晶坩埚10的1/2高度处，结晶坩埚10上部留出250～300mm的空间。

下炉室6是一个圆柱形腔体结构，腔体外壳15和腔体内壳16是双层不锈钢结构，中间通冷却介质，腔体内表面上安装电阻加热体或感应加热线圈18。

参见附图4～5所示，将本发明装置设计成一吨级的真空自耗电极电弧熔炼拉锭炉，其型号命名为ZHLD-1000，该设备的主要技术参数为：

(1)电极杆全行程：2150mm

(2)拉锭杆全行程：2400mm

(3)真空闭锁阀高度：400mm

(4)水冷结晶器高度：500mm

(5)上炉室内腔净空高：2000mm

(6)下炉室内腔净空高：2400mm

(7)上炉室最大提升高度：400mm

(8)结晶坩埚最大许用直径：450mm

(9)结晶坩埚最小许用直径：80mm

(10)熔炼电流：500A～16000A连续可调(空载电压50～80V)

(11)空炉极限真空度：0.1Pa

(12)空炉漏气率：0.2Pa/min

(13)电极杆移动速度：0～±300mm/min连续可调

(14)拉锭杆移动速度：0～±150mm/min连续可调

(15)下炉室最高加热温度：1000℃

(16)下炉室加热功率：30kw

(17)下炉室控温精度：±15℃

(18)下炉室均温区尺寸：

(19)搅拌磁场强度：0～70高斯连续可调

(20)搅拌方式1：直流单向或1-300秒正反向交替

(21)搅拌方式2：交流20～100Hz连续可调(交流变频)

参见附图6～7所示，该真空自耗电极电弧熔炼拉锭炉的作业流程如下：

装炉。动作1：将上炉室3整体提升、旋转，移至下炉室6的侧上方，再将拉锭杆8上推至合适位置；动作2：将待熔化电极(如海绵钛电极)竖直放置在底垫7之上，使海绵钛电极轴线与底垫7轴线保持在一条直线；动作3：下推拉锭杆，确保熔化电极沉降到真空闭锁的法兰面以下；动作4：上炉室3旋转归位并下降，确保上炉室3与真空闭锁竖直同轴且紧密贴合。

焊接。整个炉体抽真空至5Pa，启动熔炼电源。下降电极杆1，使辅助电极2与熔化电极间产生熔炼电弧，当融化的金属钛液足够将辅助电极2与熔化电极粘在一起时，切断熔炼电源，同时快速下降电极杆1，使辅助电极2与熔化电极紧密贴合。待熔化金属液冷却凝固后，辅助电极2与熔化电极即可焊接为一体。

熔炼。动作1：提升电极杆1，确保熔化电极升至上炉室3内部；动作2：上推拉锭杆8，确保底垫7上升至与水冷结晶器5的中间位置，此时底垫7与结晶坩埚10内腔处于无间隙配合状态；动作3：启动下炉室6加热功能，使下炉室温度达到工艺要求；动作4：拉锭杆8和电极杆1分别连接直流电源系统的正负极，启动熔炼电源，下降电极杆1，使熔化电极与底垫7之间产生熔炼电弧；动作5：当水冷结晶器5内腔的金属钛液足够多，且底部完全结晶时，应适时下拉拉锭杆8，确保金属熔池的液面处于相对固定的位置，金属的高温电弧熔化区及金属熔池限制在结晶坩埚10的内部空腔中，由于结晶坩埚10的腔壁受强制水冷，靠近坩埚壁的液态金属会快速结晶并形成金属铸锭19；动作6：在稳定熔炼过程中，上方电极杆1的下降速度(速度通常为0～300毫米/分钟)和下方拉锭杆8的下拉速度(速度通常为0～150mm毫米/分钟)基本恒定，且具有可计算的匹配关系；动作7：待电极杆上悬挂的电极全部熔化完毕，应及时切断熔炼电源，并继续下拉拉锭杆8，直至金属铸锭19全部沉降到下炉室6腔体中，以确保金属铸锭19整体处于恒温状态。

炉内退火。根据退火工艺要求，金属铸锭19在下炉室6经过保温、缓慢冷却等过程，下炉室6可以进行加热控制，确保金属铸锭19处于恒温状态，通常为800℃～1050℃，下炉室6的加热功能也可以不使用，仅作为熔炼过程中结晶铸锭的贮存仓。

出炉。待下炉室6和结晶金属铸锭19完全冷却后，可以进行出炉操作：动作1：将上炉室3整体提升、旋转，移至下炉室6的侧上方；动作2：将真空闭锁阀4、水冷结晶器5整体移开；动作3：上推拉锭杆8，确保金属铸锭19及底垫7全部提升到下炉室6上方；动作4：脱开底垫7和金属铸锭19之间的榫连部分，确保底垫7和金属铸锭19安全分离；动作5：通过吊运方式将金属铸锭19转移至产品存放区域。

接续起弧过程。真空自耗拉锭炉具备接续起弧能力，接续起弧不适用于成品锭的熔炼，仅适用于中间产品的熔炼，通常是一次锭或二次锭的熔炼过程。真空闭锁阀4是实现接续起弧的关键部件。当电极杆1上悬挂的熔化电极全部熔完，且拉锭杆8的下推行程还足够长，则适合进行接续起弧操作。具体步骤包括，动作1：如果需要进行接续起弧，应在熔炼操作停弧之后，保持拉锭杆8位置不动，确保金属铸锭19仍然处于水冷结晶器5的内腔；动作2：关闭真空闭锁阀4，再提升上炉室3，真空闭锁阀4的功能是确保上炉室3提升以后，下方的水冷结晶器5和下炉室6仍然能够保持真空状态；动作3：上炉室3打开之后，可将另一根熔化电极装夹到电极杆1的下方，再提升电极杆1，确保悬挂的电极全部缩进到上炉室3内部；动作4：上炉室3旋转归位，下降闭合；动作5：上炉室3抽真空；动作6：打开真空闭锁阀4，完成后续的起弧及熔炼过程。接续起弧操作可以重复进行，主要取决于每次熔炼完成后，拉锭杆8的下拉行程是否还足够长。在进行接续起弧之前，辅助电极2和待熔化电极需要预先焊接在一起，接续起弧无法进行熔化电极的炉内焊接。

该设备在具体设计实现时，各个部件都有确定的几何尺寸，随着设计规格的变化，部件的几何尺寸也会发生显著变化。如果设备的结构及工作原理符合上述所述，则任何部件在几何尺寸方面的变化仍然属于本发明的权利要求范围。

典型工艺实施

使用本发明阐述的ZHLD-1000真空自耗拉锭炉，可熔炼的三次成品锭的最小重量约为40kg(密度按4.4g/cm³计算)，其典型工艺可结合附图8说明如下：

电极制备。压制的电极块25块，每块重量为1.7kg，电极的原材料配方根据实际合金成分确定。在真空等离子焊箱中把4块海绵钛电极焊接成一根1400mm长的整体电极，其重量为6.8kg，共制备5根，此外，还需制备一根1750mm长的整体电极，其重量为8.5kg。

一次锭熔炼。6根焊接整体电极经过1次装炉熔炼及5次接续起弧熔炼过程，可熔炼出1根42.5kg钛合金一次锭一次锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为电极杆的行程为1750mm和1400mm，拉锭杆的总行程为1910mm(380mm+306mm×5次)，熔炼电流1000A～1500A。

二次锭熔炼。1根钛合金一次锭经过1次装炉熔炼过程，可熔炼出1根钛合金二次锭其重量为42.5kg。二次锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为电极杆的行程为1910mm，拉锭杆的一次行程为850mm，熔炼电流1500A～2000A。

三次锭熔炼。1根钛合金二次锭经过1次装炉熔炼过程，制备出1根钛合金三次锭重量为42.5kg。三次锭为成品铸锭，不允许使用接续起弧熔炼。三次锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为电极杆的行程为850mm，拉锭杆的一次行程为480mm，熔炼电流2000A～4000A。

ZHLD-1000真空自耗拉锭炉能够生产的最大锭型为1吨级钛合金三次锭(密度按4.4g/cm³计算)，其典型工艺路线说明如下：

电极制备。压制的电极块40块，每块重量为27kg，电极的原材料配方根据实际合金成分确定。在真空等离子焊箱中把5块海绵钛电极焊接成一根1750mm长的整体电极，其重量为135kg，整体电极共制备8根。

一次锭熔炼。6根焊接整体电极经过1次装炉熔炼及5次接续起弧熔炼过程，可熔炼出1根648kg钛合金一次锭4根焊接整体电极经过1次装炉熔炼及3次接续起弧熔炼过程，可熔炼出1根432kg钛合金一次锭一次锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为电极杆的行程为1750mm，拉锭杆的总行程为1817mm(303mm×6次)和1211mm(303mm×4次)，熔炼电流5000A～7000A。

二次锭熔炼。2根钛合金一次锭经过1次装炉熔炼及1次接续起弧熔炼过程，可熔炼出1根钛合金二次锭重量为1080kg。二次锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为电极杆的行程为1817mm和1211mm，拉锭杆的总行程为1986mm(1192mm+794mm)，熔炼电流8000A～12000A。

三次锭熔炼。1根钛合金二次铸锭经过1次装炉熔炼过程，制备出1根钛合金三次锭重量为1080kg。三次锭为成品铸锭，不允许使用接续起弧熔炼。三次锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为电极杆的行程为1986mm，拉锭杆的一次行程为1600mm，熔炼电流8000A～12000A。

上述的两条工艺路线也可以用于TiAl、Ti₃Al、Ti₂AlNb等金属间化合物材料的熔炼。对于这类脆性合金，其工艺特征为：在熔炼拉锭过程中以及熔炼完成之后，结晶铸锭可以在下炉室进行去应力退火。退火参考工艺为900～1000℃保温4～6小时，再以0.5℃/min～1.0℃/min的冷却速度缓慢冷却到50℃以下，然后出炉。这种在熔炼炉内直接完成去应力退火的工艺是本设备的独创功能之一，可以确保整支铸锭从结晶到冷却出炉过程中不产生显著的内外及上下温度梯度，有效消除了铸锭的内部热应力，从而制备出无裂纹的脆性合金优质铸锭。

Claims (2)

1.一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：该装置包括一个电极杆(1)，电极杆(1)从上炉室(3)的顶部中间穿过并伸入上炉室(3)内，电极杆(1)与上炉室(3)的顶部之间为动密封(17)接触形式，电极杆(1)在驱动机构的带动下可上下移动，上炉室(3)的底部连接到真空闭锁阀(4)的一端，真空闭锁阀(4)的另一端连接水冷结晶器(5)的上端，水冷结晶器(5)的下端与下炉室(6)的顶部连接，上述连接均通过法兰对接完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆(8)从下炉室(6)的底部中间穿过并伸入下炉室(6)内，下炉室(6)固定在一个钢结构的平台(9)上，拉锭杆(8)与下炉室(6)的底部之间为动密封(17)接触形式，拉锭杆(8)在驱动机构的带动下可上下移动，在拉锭杆(8)的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载冷却后金属铸锭的底垫(7)；

上述水冷结晶器(5)为筒形结构，水冷结晶器(5)的内层是一个铜制的结晶坩埚(10)，结晶坩埚(10)是一个上下敞口的圆柱形空腔零件，腔体内部呈上口小、下口大的锥形，结晶坩埚(10)的高度为300～900mm，壁厚为15～35mm，结晶坩埚(10)的下口内径为200～1200mm，水冷结晶器(5)的外层是一个水套(11)，在结晶坩埚(10)和水套(11)之间设置有搅拌线圈(12)，在结晶坩埚(10)的外侧安装多点温度传感器(14)，两侧对称的上中下三点各安装一个温度传感器。

2.根据权利要求1所述的熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：下炉室(6)是一个圆柱形腔体结构，腔体外壳(15)和腔体内壳(16)是双层不锈钢结构，中间通冷却介质，腔体内表面上安装电阻加热体或感应加热线圈(18)。