CN107695310B - 一种电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭的方法 - Google Patents

一种电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭的方法 Download PDF

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    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields

Abstract

本发明公开一种电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭方法，在结晶器外壳上分别设置三套独立的感应线圈，组装带卡口的引锭装置，并把引锭头伸至浇口下5mm处；当开始浇铸时，开启1区的感应线圈；当浇铸厚度H达2n+2倍时，开启2区感应线圈；当浇铸厚度H达2n+1倍时，开启3区感应线圈；当浇铸厚度H为n倍时，再次开启1区感应线圈；每个区域的通电时间间隔T为0.02Φ，通电电流正反向轮换交替；当浇铸长度H=4n时，开始与浇铸速度进行配对拉锭，如此循环即获得到锭长超过8m的细晶铸合金圆锭。本发明获得铸态铸锭成分均匀；铸锭组织细小；操作简便；能获得明显的经济效益。

Description

一种电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭的方法
技术领域
本发明涉及一种电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭方法，属于冶金工程技术领域。
背景技术
电子束冷床熔炼技术(EBCHMR)因可较好解决传统真空自耗电弧炉(VAR)熔炼钛及钛合金的容易存在高密度夹杂(HDI)及低密度夹杂(LDI)等问题而被广泛应用于高洁净钛及钛合金的熔炼生产，特别是航空、航天、海洋工程等应用条件极为苛刻的高品质钛及钛合金铸锭的生产。但也由于其浇铸方式及结晶器的强水冷作用，很容易在钛液与结晶器内壁接触区域，即后续铸锭的外表形成柱状晶系，而在铸锭中部，很容易形成等轴晶系。而在晶系的形成过程中，对钛合金的元素很容易形成晶间偏析，加上合金元素熔点不一，低熔点合金元素很容易被高熔点合金元素排挤在中合金铸锭的中部，使得合金铸锭内部元素偏析加剧。虽然采用不同的电子束扫描花样可使偏析程度得以改善，但仍不能满足航空、航天及海洋工程等苛刻条件下的使用要求。
为了提高电子束冷床炉浇铸钛合金铸锭的内部合金元素的均匀性，生产出符合相关使用要求的铸锭，在前期研究工作中发现导入磁感应线圈可引起顺磁性或逆磁性金属进行特定的扭转，而扭转的幅度与磁通量及交转时间存在一定的比例关系，因此，引入磁感应线圈对熔融金属进行搅拌试验，在试验过程中发现磁感应线圈产生的磁会对电子束的扫描产生巨大的影响，甚至改变电子束的扫描轨迹。给熔炼设备带来极大的安全隐患。为此，有必要引进间歇式通磁场搅拌模式，实现浇铸、浇铸扫描、搅拌及保温同步进行，有效抑制了电子束冷床炉浇铸铸锭的元素偏析。
通过对现有技术文献的检索，关于电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭的方法，尚未发现相关报导。
发明内容
针对上述出现的不足，本发明提供一种电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭方法，能有效控制合金元素的偏析，使钛合金元素偏析控制在可接受范围的同时实现晶粒的细化。本发明在电子束冷床炉结晶器外侧添加磁感应线圈后对铸锭可实现在线浇铸的同时实现搅拌，使电子束冷床炉浇铸铸锭的品质大为提高。
为了达上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭方法，经过下列各步骤：
步骤一、采用腊模法进行浇铸带支撑边缘的内径D为60～240mm的T型结晶器，T型结晶器中间为空心，并可使用循环水冷却，循环水的进出的方式为下进上出；
步骤二、在步骤一的T型结晶器外壳上分别设置三套独立的磁感应线圈，第一套磁感应线圈设置于T型结晶器浇口位置下距浇口10mm处，磁感应线圈匝数为N1，N1＝M/(100～150)百匝，M为浇铸速度(该浇铸速度的单位是kg/h)，保持电磁场力方向向上为正，并定义为1区；第二套磁感应线圈匝数为N2，N2＝M/(150～300)百匝，保持电磁力方向向下为负，并定义为2区；第三套磁感应线圈匝数为N3＝(N1+N2)/2百匝，磁感应线圈磁力方向为上，并定义为3区；
步骤三、将带水冷的引锭头卡块固定在引锭平台上，再将另一卡块固定在带水冷的引锭头卡块上，即组成带卡口的引锭装置，并把引锭头伸至浇口下5mm处；
步骤四、当开始浇铸时，开启1区的磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+2倍时，开启2区磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+1倍时，开启3区磁感应线圈；当浇铸厚度H为n倍时，再次开启1区磁感应线圈；其中，n为自然数，如0，1，2，3……；
步骤五、每个区域的通电时间间隔T为0.02Φ、单位为秒，通电电流正反向轮换交替；当浇铸长度H＝4n时，开始与浇铸速度进行配对拉锭，如此循环即获得到锭长超过8m的细晶铸合金圆锭。
所述步骤一的支撑边缘与外壁之间的距离≥3cm，厚度≥1cm，内壁厚度≥4cm，外壁厚度≥3cm，底部安装3个进水口，每个进水口间隔120°，进水口与底坐呈30°，上部在进水口的正上方安装相应的出水口。
所述步骤五磁感应线圈的磁通量Φ通过下列公式计算：
Φ＝(E·t1)/N
其中，磁通量Φ的单位为特斯拉T，E为6～250V；N为磁感应线圈匝数，单位为匝，即N＝N1×100、N2×100或N3×100；t1＝k*0.02，k为电子枪发射电子常数。
所述步骤四、五中的H通过下列公式计算：
H＝4Mt2/(ρπD2)+5
其中，D为浇铸坩埚直径内径，ρ为钛液的密度、单位为kg/m3，t2为熔炼开始的计算时间，5为引锭头伸至浇口下的距离。
本发明具有以下优点：
1、获得铸态铸锭成分均匀；
2、铸锭组织细小；
3、操作简便；
4、能获得明显的经济效益。
附图说明
图1为结晶器磁感应线圈分区及水冷管道示意图；
图2为结晶器磁感应线圈分区及水冷管道的立体结构示意图；
图3为引锭杆装配的主视结构示意图；
图4为引锭杆装配的立体结构示意图；
图5为拉锭的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例1
步骤一、采用腊模法进行浇铸带支撑边缘的内径D为240mm的T型结晶器，T型结晶器中间为空心，并可使用循环水冷却，循环水的进出的方式为下进上出；支撑边缘与外壁之间的距离≥3cm，厚度≥1cm，内壁厚度≥4cm，外壁厚度≥3cm，底部安装3个进水口，每个进水口间隔120°，进水口与底坐呈30°，上部在进水口的正上方安装相应的出水口；
步骤二、如图1、2所示，在步骤一的T型结晶器外壳上分别设置三套独立的磁感应线圈，第一套磁感应线圈设置于T型结晶器浇口位置下距浇口10mm处，磁感应线圈匝数为N1，N1＝M/(100～150)百匝＝1000/(100～150)＝6.7～10百匝，取N1＝10百匝，M为浇铸速度，浇铸的过程中采用1000kg/h的浇速，保持电磁场力方向向上为正，并定义为1区；第二套磁感应线圈匝数为N2，N2＝M/(150～300)百匝＝1000/(150～300)＝3.3～6.7百匝，取N2＝5百匝，保持电磁力方向向下为负，并定义为2区；第三套磁感应线圈匝数为N3＝(N1+N2)/2百匝＝5～8.4百匝，取N3＝8百匝，磁感应线圈磁力方向为上，并定义为3区；
步骤三、将带水冷的引锭头卡块固定在引锭平台上(见图4中右侧的三分之二卡块)，再将另一卡块用螺栓固定在带水冷的引锭头卡块上(见图4中左侧三分之一的卡块)，即组成带卡口的引锭装置，并把引锭头伸至浇口下5mm处；
步骤四、当开始浇铸时，开启1区的磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+2倍时，开启2区磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+1倍时，开启3区磁感应线圈；当浇铸厚度H为n倍时，再次开启1区磁感应线圈；其中，n为自然数，如0，1，2，3……；
所述磁感应线圈的磁通量Φ通过下列公式计算：
Φ＝(E·t1)/N
其中，电压E取24V；k取50；
则，Φ1＝0.024，Φ2＝0.048，Φ3＝0.03；
H通过下列公式计算：
H＝4Mt2/(ρπD2)+5＝4.9t2+5
其中，D为浇铸坩埚直径内径0.24m，ρ为钛液的密度4.51×1000kg/m3，t2为熔炼开始的计算时间；
步骤五、每个区域的通电时间间隔T为0.02Φ、单位为秒，则三个区域通电时间间隔T分别为0.00048s，0.00096s，0.00006s通电电流正反向轮换交替；当浇铸长度H＝4n时，开始与浇铸速度进行配对拉锭，如此循环即获得到锭长超过8m的细晶铸合金圆锭。本例中铸锭熔炼各工序的关联关系见表1。
采用该方法获得的晶粒为传统没有搅拌的晶粒(约为10～25mm)的四分之一，合金元素的成分偏差可控制在±0.5以内。
表1铸锭熔炼各工序的关联关系
备注：铸锭长度计算出来取整数
实施例2
步骤一、采用腊模法进行浇铸带支撑边缘的内径D为60mm的T型结晶器，T型结晶器中间为空心，并可使用循环水冷却，循环水的进出的方式为下进上出；支撑边缘与外壁之间的距离≥3cm，厚度≥1cm，内壁厚度≥4cm，外壁厚度≥3cm，底部安装3个进水口，每个进水口间隔120°，进水口与底坐呈30°，上部在进水口的正上方安装相应的出水口；
步骤二、如图1、2所示，在步骤一的T型结晶器外壳上分别设置三套独立的磁感应线圈，第一套磁感应线圈设置于T型结晶器浇口位置下距浇口10mm处，磁感应线圈匝数为N1，N1＝M/(100～150)百匝＝1000/(100～150)＝6.7～10百匝，取N1＝6.7百匝，M为浇铸速度，浇铸的过程中采用1000kg/h的浇速，保持电磁场力方向向上为正，并定义为1区；第二套磁感应线圈匝数为N2，N2＝M/(150～300)百匝＝1000/(150～300)＝3.3～6.7百匝，取N2＝3.3百匝，保持电磁力方向向下为负，并定义为2区；第三套磁感应线圈匝数为N3＝(N1+N2)/2百匝＝5～8.4百匝，取N3＝5百匝，磁感应线圈磁力方向为上，并定义为3区；
步骤三、将带水冷的引锭头卡块固定在引锭平台上(见图4中右侧的三分之二卡块)，再将另一卡块用螺栓固定在带水冷的引锭头卡块上(见图4中左侧三分之一的卡块)，即组成带卡口的引锭装置，并把引锭头伸至浇口下5mm处；
步骤四、当开始浇铸时，开启1区的磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+2倍时，开启2区磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+1倍时，开启3区磁感应线圈；当浇铸厚度H为n倍时，再次开启1区磁感应线圈；其中，n为自然数，如0，1，2，3……；
所述磁感应线圈的磁通量Φ通过下列公式计算：
Φ＝(E·t1)/N
其中，电压E取6V；k取80；
则，Φ1＝0.0143，Φ2＝0.029，Φ3＝0.0192；
H通过下列公式计算：
H＝4Mt2/(ρπD2)+5＝78.5t2+5
其中，D为浇铸坩埚直径内径0.06m，ρ为钛液的密度4.51×1000kg/m3，t2为熔炼开始的计算时间；
步骤五、每个区域的通电时间间隔T为0.02Φ，则三个区域通电时间间隔T分别为0.000286，0.00058，0.000384通电电流正反向轮换交替；当浇铸长度H＝4n时，开始与浇铸速度进行配对拉锭，如此循环即获得到锭长超过8m的细晶铸合金圆锭。本例中铸锭熔炼各工序的关联关系见表2。
采用该方法获得的晶粒为传统没有搅拌的晶粒(约为10～25mm)的四分之一，合金元素的成分偏差可控制在±0.3以内。
表2铸锭熔炼各工序的关联关系
备注：铸锭长度计算出来取整数
实施例3
步骤一、采用腊模法进行浇铸带支撑边缘的内径D为120mm的T型结晶器，T型结晶器中间为空心，并可使用循环水冷却，循环水的进出的方式为下进上出；支撑边缘与外壁之间的距离≥3cm，厚度≥1cm，内壁厚度≥4cm，外壁厚度≥3cm，底部安装3个进水口，每个进水口间隔120°，进水口与底坐呈30°，上部在进水口的正上方安装相应的出水口；
步骤二、如图1、2所示，在步骤一的T型结晶器外壳上分别设置三套独立的磁感应线圈，第一套磁感应线圈设置于T型结晶器浇口位置下距浇口10mm处，磁感应线圈匝数为N1，N1＝M/(100～150)百匝＝1000/(100～150)＝6.7～10百匝，取N1＝8百匝，M为浇铸速度，浇铸的过程中采用1000kg/h的浇速，保持电磁场力方向向上为正，并定义为1区；第二套磁感应线圈匝数为N2，N2＝M/(150～300)百匝＝1000/(150～300)＝3.3～6.7百匝，取N2＝6.7百匝，保持电磁力方向向下为负，并定义为2区；第三套磁感应线圈匝数为N3＝(N1+N2)/2百匝＝5～8.4百匝，取N3＝8.4百匝，磁感应线圈磁力方向为上，并定义为3区；
步骤三、将带水冷的引锭头卡块固定在引锭平台上(见图4中右侧的三分之二卡块)，再将另一卡块用螺栓固定在带水冷的引锭头卡块上(见图4中左侧三分之一的卡块)，即组成带卡口的引锭装置，并把引锭头伸至浇口下5mm处；
步骤四、当开始浇铸时，开启1区的磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+2倍时，开启2区磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+1倍时，开启3区磁感应线圈；当浇铸厚度H为n倍时，再次开启1区磁感应线圈；其中，n为自然数，如0，1，2，3……；
所述磁感应线圈的磁通量Φ通过下列公式计算：
Φ＝(E·t1)/N
其中，电压E取250V；k取50；
则，Φ1＝0.312，Φ2＝0.373，Φ3＝0.297；
H通过下列公式计算：
H＝4Mt2/(ρπD2)+5＝19.6t2+5
其中，D为浇铸坩埚直径内径0.12m，ρ为钛液的密度4.51×1000kg/m3，t2为熔炼开始的计算时间；
步骤五、每个区域的通电时间间隔T为0.02Φ，则三个区域通电时间间隔T分别为0.00624，0.00746，0.00594通电电流正反向轮换交替；当浇铸长度H＝4n时，开始与浇铸速度进行配对拉锭，如此循环即获得到锭长超过8m的细晶铸合金圆锭。本例中铸锭熔炼各工序的关联关系见表3。
采用该方法获得的晶粒为传统没有搅拌的晶粒(约为10～25mm)的四分之一，合金元素的成分偏差可控制在±0.4以内。
表3铸锭熔炼各工序的关联关系
备注：铸锭长度计算出来取整数
以上所述，仅是本发明较佳的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例进行简单的修改、变更以及等效结构的变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭方法，其特征在于经过下列各步骤：
步骤一、采用腊模法进行浇铸带支撑边缘的内径D为60~240mm的T型结晶器，T型结晶器中间为空心，并可使用循环水冷却，循环水的进出的方式为下进上出；
步骤二、在步骤一的T型结晶器外壳上分别设置三套独立的磁感应线圈，第一套磁感应线圈设置于T型结晶器浇口位置下距浇口10mm处，磁感应线圈匝数为N1，N1=M/（100~150）百匝，M为浇铸速度，单位为kg/h，保持电磁场力方向向上为正，并定义为1区；第二套磁感应线圈匝数为N2，N2=M/(150~300)百匝，保持电磁力方向向下为负，并定义为2区；第三套磁感应线圈匝数为N3=(N1+N2)/2百匝，磁感应线圈磁力方向为上，并定义为3区；
步骤三、将带水冷的引锭头卡块固定在引锭平台上，再将另一卡块固定在带水冷的引锭头卡块上，即组成带卡口的引锭装置，并把引锭头伸至浇口下5mm处；
步骤四、当开始浇铸时，开启1区的磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+2倍时，开启2区的磁感应线圈；当浇铸厚度H达2n+1倍时，开启3区的磁感应线圈；当浇铸厚度H为n倍时，再次开启1区的磁感应线圈；其中，n为自然数；
步骤五、每个区域的通电时间间隔T为0.02Φ、单位为秒，通电电流正反向轮换交替；当浇铸长度H=4n时，开始与浇铸速度进行配对拉锭，如此循环即获得到锭长超过8m的细晶铸合金圆锭。
2.根据权利要求1所述的电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭方法，其特征在于：所述步骤一的支撑边缘与外壁之间的距离≥3cm，厚度≥1cm，内壁厚度≥4cm，外壁厚度≥3cm，底部安装3个进水口，每个进水口间隔120°，进水口与底坐呈30°，上部在进水口的正上方安装相应的出水口。
3.根据权利要求1所述的电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭方法，其特征在于：所述步骤五磁感应线圈的磁通量Φ通过下列公式计算：
Φ=(E·t1)/N
其中，磁通量Φ的单位为特斯拉T，E为6~250V；N为磁感应线圈匝数，单位为匝，即N=N1×100、N2×100或N3×100；t1=k*0.02，t1单位为秒，k为电子枪发射电子常数。
4.根据权利要求1所述的电子束冷床炉浇铸细晶钛合金圆锭方法，其特征在于：所述步骤四、五中的H通过下列公式计算：
其中，D为浇铸坩埚直径内径、单位为mm，ρ为钛液的密度、单位为kg/m3，t2为熔炼开始的计算时间、单位为秒，5为引锭头伸至浇口下的距离、单位为mm。
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