CN109536735B - 一种减少eb炉熔炼钛及钛合金扁锭凝固缺陷的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种减少EB炉熔炼钛及钛合金扁锭凝固缺陷的方法及装置，属于熔炼技术领域。本发明通过改变结晶器内壁和冷却系统结构，将结晶器分为四个冷却区间，其内壁采用不同的锥度，并配备不同的冷却系统，一冷系统的位置对应结晶器中的金属液相区，二冷系统的位置对应金属的半固态区间，三冷系统的位置对应金属的高温固相区，四冷系统的位置对应金属的低温固相区，四个冷却系统共同构成结晶器的冷却系统。在不同温度区间采用不同冷却条件和不同锥度的内壁，缩小固液两相区间，进而减少大规格钛合金扁锭连续铸造的凝固过程中裂纹、缩孔缩松等缺陷的产生，提高组织的致密性，减少了扁锭表面铣去的材料，降低钛合金铸造成本，最终获得高品质、低成本的钛合金铸锭，使企业效益得到提高。
Description
技术领域
本发明公开一种减少EB炉熔炼钛及钛合金扁锭凝固缺陷的方法及装置，属于熔炼技术领域。
背景技术
电子束冷床炉（EB炉）熔炼一种先进的金属熔炼技术，能够有效的去除熔炼过程中的杂质，提高冶炼质量，原料使用更加广泛，经过一次熔炼即可得到质量合格的铸锭，大幅降低生产成本。在EB炉熔炼大规格铸锭过程中，熔融的金属滴入冷床，经过精炼，缓缓流入带有拉锭装置的水冷结晶器中，并不断由下而上逐步凝固成锭，拉锭机构慢慢将锭从坩埚中拉出。
图1所示为结晶器内固液界面形貌示意图，其中在完全液相区内连接所有枝晶前端的等温线为液相线(见图1中黑色显示)，在完全没有液相时的临界点的连线为固相线(见图1中白色显示)。在液相线之上，为合金液相单相区；在固相线以下，合金全部已结晶完毕，为固相单相区；在液相线和固相线之间，合金已经开始结晶，但结晶过程尚未结束，为固液两相共存区(半固态区)。而半固态区越宽，靠近固相线的小晶体越易发展成为发达的树枝晶，从而在半固态区内形成一定数量的晶体骨架以及有少量液体残留在枝晶中，随着冷却的继续进行，未凝固的液体将发生液态收缩和凝固收缩，已凝固的枝晶则发生固态收缩。由于熔池金属的液态收缩和凝固收缩之和大于其固态收缩，两者之差引起的细小空洞又得不到外部液体的补充，因而形成缩孔缩松。因此，合金的半固态区越宽，产生的缩孔缩松倾向就越大。
发明内容
本发明的目的是针对现有结晶器凝固的拉锭存在裂纹、缩孔缩松等缺陷问题，提供一种减少EB炉熔炼钛及钛合金扁锭凝固缺陷的方法：在钛及钛合金扁锭凝固过程中，不同温度区间采用不同冷却条件和内壁角度，即金属液相区、半固态区间、高温固相区、低温固相区所对应的冷却速度逐渐降低，内壁角度逐渐减小，铸锭出结晶器后再进行喷水冷却。
本发明的另一目的在于提供所述方法所用装置，该装置在现有EB炉的基础上，改变结晶器冷却系统结构，在不同温度区间采用不同冷却条件，缩小固液两相区间；同时改变结晶器内壁结构，使金属在凝固过程中受到挤压从而更加致密，实现对大规格扁锭缩松缩孔等缺陷的有效调控。
所述结晶器侧壁上的冷却系统分为四个冷却区间，并对应不同的冷却系统，从上到下依次为一冷系统、二冷系统、三冷系统、四冷系统，一冷系统的位置对应结晶器中的金属液相区，二冷系统的位置对应金属的半固态区间，三冷系统的位置对应金属的高温固相区，四冷系统的位置对应金属的低温固相区，四个冷却系统共同构成结晶器的冷却系统，结晶器四个侧壁上的冷却系统为相同设置。
优选的，本发明所述一冷系统包括进水管Ⅰ1、出水管Ⅰ8、腔体Ⅰ9，腔体Ⅰ9位于结晶器的侧壁上，进水管Ⅰ1、出水管Ⅰ8均与腔体Ⅰ9连通；二冷系统包括进水管Ⅱ2、出水管Ⅱ7、腔体Ⅱ10，腔体Ⅱ10位于腔体Ⅰ9的下方，腔体Ⅰ9和腔体Ⅱ10之间通过隔板隔开，进水管Ⅱ2、出水管Ⅱ7均与腔体Ⅱ10连通；三冷系统包括进水管Ⅲ3、出水管Ⅲ6、腔体Ⅲ11，腔体Ⅲ11位于腔体Ⅱ10的下方，腔体Ⅱ10和腔体Ⅲ11之间通过隔板隔开，进水管Ⅲ3、出水管Ⅲ6均与腔体Ⅲ11连通；四冷系统包括进水管Ⅳ4、出水管Ⅳ5、腔体Ⅳ12，腔体Ⅳ12位于腔体Ⅲ11的下方，腔体Ⅲ11和腔体Ⅳ12之间通过隔板隔开，进水管Ⅳ4、出水管Ⅳ5均与腔体Ⅳ12连通，结晶器四个侧壁上对应的一冷系统、二冷系统、三冷系统、四冷系统的结构相同。
优选的，本发明所述腔体Ⅰ9的深度为20～30mm，腔体Ⅰ9顶部和溢流口平齐；腔体Ⅱ10的深度为150~200mm；腔体Ⅲ11的深度为150~200mm；腔体Ⅳ12的深度为50~100mm。。
优选的，与一冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为91.5~92.5°，与二冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为90.5~91.5°，与三冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为90°，与四冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为80~85°。
优选的，一冷系统进水和出水速率为2200L/min~2500L/min，二冷系统进水和出水速率为1900L/min~2100L/min，三冷系统进水和出水速率为1600L/min~1800 L/min，四冷系统进水和出水速率为1200L/min~1600L/min。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述结晶器能通过调控不同区域冷却水的流量以及流速，提供不同的冷却温度，缩小金属固液两相区间，大幅度降低缩孔缩松的产生，提高产品的组织致密性，降低铸造成本。
（2）本发明所述结晶器在金属固液两相区间提供极大的温度差，使得金属液温度迅速降低，减少凝固过程中裂纹的产生，提高产品综合力学性能。
（3）本发明所述结晶器通过改变其内壁结构使之与水平面成一定角度，金属在凝固过程中受到挤压从而更加致密，实现对大规格扁锭缩松缩孔等缺陷的有效调控。
（4）本发明所述结晶器结构合理，操作简单方便，可实现机械化和自动化控制，减少了扁锭表面铣去的材料，节约了成本，有利于无锻直轧工艺、减少后续加工步骤，可实现钛合金连续批量生产，提高了效率。
附图说明
图1是结晶器固液界形貌示意图。
图2是电子束冷床炉工作示意图。
图3是本发明所述结晶器正视图。
图4是本发明所述结晶器俯视图。
图5是本发明所述结晶器侧视图
图6是本发明所述结晶器A-A面的剖视图。
图7是本发明所述结晶器B-B面的剖视图。
图8是未使用本发明所述结晶器处理的TC4钛合金扁锭照片。
图9是使用了本发明所述结晶器处理过的TC4钛合金扁锭照片。
图10是未使用本发明所述结晶器处理的TA1钛合金扁锭照片。
图11是使用了本发明所述结晶器处理过的TA1钛合金扁锭照片。
图中：1-进水管Ⅰ；2-进水管Ⅱ；3-进水管Ⅲ；4-进水管Ⅳ；5-出水管Ⅳ；6-出水管Ⅲ；7-出水管Ⅱ；8-出水管Ⅰ；9-腔体Ⅰ；10-腔体Ⅱ；11-腔体Ⅲ；12-腔体Ⅳ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例以在EB炉熔炼大规格TC4扁锭过程为例进行说明，本实施例所使用的电子束冷床炉为美国RETECH公司生产的大型EB炉，总功率为3200kW，共有4支电子枪，工艺流程如图2所示。
所使用的结晶器为本发明设计的结晶器，所述结晶器侧壁上的冷却系统分为四个冷却区间，并对应不同的冷却系统，从上到下依次为一冷系统、二冷系统、三冷系统、四冷系统，一冷系统的位置对应结晶器中的金属液相区，二冷系统的位置对应金属的半固态区间，三冷系统的位置对应金属的高温固相区，四冷系统的位置对应金属的低温固相区，四个冷却系统共同构成结晶器的冷却系统，结晶器四个侧壁上的冷却系统为相同设置；所述一冷系统包括进水管Ⅰ1、出水管Ⅰ8、腔体Ⅰ9，腔体Ⅰ9位于结晶器的侧壁上，进水管Ⅰ1、出水管Ⅰ8均与腔体Ⅰ9连通；二冷系统包括进水管Ⅱ2、出水管Ⅱ7、腔体Ⅱ10，腔体Ⅱ10位于腔体Ⅰ9的下方，腔体Ⅰ9和腔体Ⅱ10之间通过隔板隔开，进水管Ⅱ2、出水管Ⅱ7均与腔体Ⅱ10连通；三冷系统包括进水管Ⅲ3、出水管Ⅲ6、腔体Ⅲ11，腔体Ⅲ11位于腔体Ⅱ10的下方，腔体Ⅱ10和腔体Ⅲ11之间通过隔板隔开，进水管Ⅲ3、出水管Ⅲ6均与腔体Ⅲ11连通；四冷系统包括进水管Ⅳ4、出水管Ⅳ5、腔体Ⅳ12，腔体Ⅳ12位于腔体Ⅲ11的下方，腔体Ⅲ11和腔体Ⅳ12之间通过隔板隔开，进水管Ⅳ4、出水管Ⅳ5均与腔体Ⅳ12连通，结晶器四个侧壁上对应的一冷系统、二冷系统、三冷系统、四冷系统的结构相同，如图3~7所示。
本实施例中腔体Ⅰ9的深度为20mm，腔体Ⅰ9顶部和溢流口平齐；腔体Ⅱ10的深度为150mm；腔体Ⅲ11的深度为200mm；腔体Ⅳ12的深度为100mm。
本实施例中，与一冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为91.5°，与二冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为90.5°，与三冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为90°，与四冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为80°。
本实施例中，一冷系统进水和出水速率为2200L/min，二冷系统进水和出水速率为1900L/min，三冷系统进水和出水速率为1700 L/min，四冷系统进水和出水速率为1500L/min。
具体使用过程为：熔融的TC4金属滴入水冷铜床，经过精炼，缓缓流入带有拉锭装置的水冷结晶器中，依次经过一冷系统、二冷系统、三冷系统和四冷系统；一冷系统的冷却水从进水管Ⅰ1进入，流经腔体Ⅰ9，然后从出水管Ⅰ8流出，二冷系统的冷却水从进水管Ⅱ2进入，流经腔体Ⅱ10，然后从出水管Ⅱ7流出，三冷系统的冷却水从进水管Ⅲ3进入，流经腔体Ⅲ11，然后从出水管Ⅲ6流出，四冷系统的冷却水从进水管Ⅳ4进入，流经腔体Ⅳ12位，然后从出水管Ⅳ5流出。金属在快冷区域属于高温区，以液相区和糊状区为主，温度在快冷区迅速得到降低，随着拉锭机构的缓缓下拉，进入慢冷区域，由下而上逐步凝固成锭，直至从结晶器中完全拉出。
本实施例中拉锭速度为1000 kg/h 即2.85×10-4m/s。
未使用本发明处理过的TC4钛合金扁锭照片如图8所示，可见表面裂纹较多，表面质量较差。
使用了本发明处理过的TC4钛合金扁锭照片如图9所示，可见明显裂纹减少，表面质量优异。
综上所述，本实施例制备得到的TC4扁锭表面质量比未使用本发明结晶器得到的扁锭表面质量优异、裂纹明显减少，说明本发明结晶器确实能在一定层度上减少裂纹、缩孔缩松等缺陷，提高组织的致密性，降低钛合金铸造成本。
实施例2
本实施例以在EB炉熔炼大规格TA1扁锭过程为例进行说明，本实施例所使用的电子束冷床炉为美国RETECH公司生产的大型EB炉，总功率为3200kW，共有4支电子枪，工艺流程如图2所示。
本实施例所使用的结晶器结构与实施例1相同，不同在于：
本实施例中腔体Ⅰ9的深度为30mm，腔体Ⅰ9顶部和溢流口平齐；腔体Ⅱ10的深度为200mm；腔体Ⅲ11的深度为150mm；腔体Ⅳ12的深度为50mm。
与一冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为92°，与二冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为91°，与三冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为90°，与四冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为85°。
本实施例中，一冷系统进水和出水速率为2400L/min，二冷系统进水和出水速率为2100L/min，三冷系统进水和出水速率为1700 L/min，四冷系统进水和出水速率为1200L/min。
本实施例中拉锭速度为1000 kg/h 即2.85×10-4m/s。
未使用本发明处理过的TA1钛合金扁锭照片如图10所示，使用了本发明处理过的TA1钛合金扁锭照片如图11所示，可见明显裂纹减少，表面质量优异。
本实施例制备得到的TA1扁锭表面质量比未使用本发明结晶器得到的扁锭表面质量优异、裂纹明显减少。
Claims (2)
1.一种减少EB炉熔炼钛及钛合金扁锭凝固缺陷的方法，其特征在于：在钛及钛合金扁锭凝固过程中，结晶器的不同温度区间采用不同冷却条件和不同的结晶器内壁与水平方向的角度，即金属液相区、半固态区间、高温固相区、低温固相区所对应的冷却速度逐渐降低，结晶器内壁与水平方向的角度逐渐减小，铸锭出结晶器后再进行喷水冷却；
所用装置为EB炉，在EB炉的结晶器侧壁上的冷却系统分为四个冷却区间，并对应不同的冷却系统，从上到下依次为一冷系统、二冷系统、三冷系统、四冷系统，一冷系统的位置对应金属的金属液相区，二冷系统的位置对应金属的半固态区间，三冷系统的位置对应金属的高温固相区，四冷系统的位置对应金属的低温固相区，四个冷却系统共同构成结晶器的冷却系统，结晶器四个侧壁上的冷却系统为相同设置；
一冷系统包括进水管Ⅰ（1）、出水管Ⅰ（8）、腔体Ⅰ（9），腔体Ⅰ（9）位于结晶器的侧壁上，进水管Ⅰ（1）、出水管Ⅰ（8）均与腔体Ⅰ（9）连通；二冷系统包括进水管Ⅱ（2）、出水管Ⅱ（7）、腔体Ⅱ（10），腔体Ⅱ（10）位于腔体Ⅰ（9）的下方，腔体Ⅰ（9）和腔体Ⅱ（10）之间通过隔板隔开，进水管Ⅱ（2）、出水管Ⅱ（7）均与腔体Ⅱ（10）连通；三冷系统包括进水管Ⅲ（3）、出水管Ⅲ（6）、腔体Ⅲ（11），腔体Ⅲ（11）位于腔体Ⅱ（10）的下方，腔体Ⅱ（10）和腔体Ⅲ（11）之间通过隔板隔开，进水管Ⅲ（3）、出水管Ⅲ（6）均与腔体Ⅲ（11）连通；四冷系统包括进水管Ⅳ（4）、出水管Ⅳ（5）、腔体Ⅳ（12），腔体Ⅳ（12）位于腔体Ⅲ（11）的下方，腔体Ⅲ（11）和腔体Ⅳ（12）之间通过隔板隔开，进水管Ⅳ（4）、出水管Ⅳ（5）均与腔体Ⅳ（12）连通，结晶器四个侧壁上对应的一冷系统、二冷系统、三冷系统、四冷系统的结构相同；
与一冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为91.5~92.5°，与二冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为90.5~91.5°，与三冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为90°，与四冷系统位置对应的结晶器内壁与水平方向的角度为80~85°；
一冷系统进水和出水速率为2200L/min~2500L/min，二冷系统进水和出水速率为1900L/min~2100L/min，三冷系统进水和出水速率为1600L/min~1800 L/min，四冷系统进水和出水速率为1200L/min~1600L/min。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：腔体Ⅰ（9）的深度为20～30mm，腔体Ⅰ（9）顶部和溢流口平齐；腔体Ⅱ（10）的深度为150~200mm；腔体Ⅲ（11）的深度为150~200mm；腔体Ⅳ（12）的深度为50~100mm。
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