CN111334674A - 制备钛棒的装置、钛棒、钛合金及钛合金器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备钛棒的装置、钛棒、钛合金及钛合金器件。涉及金属熔炼提纯技术领域。本申请所述装置和方法将氧化钛或者金红石投入到氩氢等离子电弧高温熔炼钛的熔池中，高温下氧化钛或者金红石溶解在纯钛熔体中，然后利用氢去除氧等非金属元素，随着投放还原熔炼的进行，熔池中的熔体流入感应水冷铜坩埚中进行定向凝固，然后经区域熔炼后结合感应水冷铜坩埚再次进行定向凝固。通过区域熔炼和感应水冷铜坩埚中的定向凝固反复进行分离提纯去除杂质元素，所述装置通过多次提纯，最后钛棒经过真空脱氢，制备的钛棒纯度较高。

Description

制备钛棒的装置、钛棒、钛合金及钛合金器件

技术领域

本发明涉及金属的提纯及熔炼技术领域，尤其涉及一种制备钛棒的装置、钛棒、钛合金及钛合金器件。

背景技术

金属钛及其合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀、生物相容性强等特点，广泛应用于航天、航空、航海、兵器、石油、化工、冶金、医学等行业，金属钛已经成为国民经济中不可或缺的战略资源。我国钛的储量占世界第一，但是生产能力严重不足，尤其是纯度较高的纯钛。在高端结构材料中，钛合金中的氧含量会严重影响钛合金的性能，对纯度较高钛合金的需求巨大。

传统的金属钛的提炼方法为Kroll法，主要通过镁或者钠来从氯化钛熔体中还原钛，该方法能耗高，污染重，目前该方法需要向大型化、自动化、更加节能的方向发展。目前新的提炼方法有20多种，例如TiO₂的直接还原法（FFC）、钙热还原电解法（OS）、金属氢化物还原法（MHR）、Armstrang法（ITP）。TiO₂的直接还原法（FFC）由于TiO₂不导电，在电解初期需要很大的电流使得氧原子离子化，在钛还原过程中如何使得其他杂质原子不被还原是一个难题，另外还存在阳极烧损。钙热还原电解法（OS）与Kroll法相比具有节能的优点，但是钛产物与电解液分离难度极大。金属氢化物还原法（MHR）是利用金属氢化物还原生产钛粉，产物为钛、金属氧化物及氢气。Armstrang法（ITP）主要将TiCl₄蒸汽喷入过量的熔化金属钠中，该方法属于Kroll法的升级，获得的钛的纯度较高，是新的提炼方法成熟度最高的一种，如何进一步降低氧的含量有待进一步提高。

上述方法或者能耗大、污染大；或者杂质较多；或者分离困难，而且通常只能单一提炼氧化钛或者要先制备出钛盐，工艺复杂，不利于提炼及提纯钛的产业化和降低成本的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单，环保，节能的制备钛棒棒的装置和方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种制备钛棒的装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体内充有氩/氢混合气体，所述炉体的顶部设置有氩氢等离子炬和送料管，所述等离子炬的电源输入端位于所述炉体的外侧，高频直流电源用于为所述等离子炬提供工作电源，所述等离子炬的下端位于所述炉体内，且所述等离子炬下方的炉体内设置有电极熔炼水冷铜坩埚，所述等离子炬与所述电极熔炼水冷铜坩埚内的原料之间能够产生等离子电弧，通过等离子电弧对原料进行熔炼，形成钛熔体；所述送料管的一端位于所述炉体的外侧，所述送料管的另一端位于所述电极熔炼水冷铜坩埚的上侧，用于向所述电极熔炼水冷铜坩埚内输送原料；

所述电极熔炼水冷铜坩埚的出液口的下方设置有第一感应熔炼水冷铜坩埚且所述第一感应熔炼水冷铜坩埚的下端具有开口，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚的外侧设置有第一感应线圈，第一交流电源用于为所述第一感应线圈提供工作电源，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚的下端设置有两个第一辅助轮，所述第一辅助轮的下侧设置有两个第一夹持导向轮，两个所述第一辅助轮的内侧距离以及两个所述第一夹持导向轮的内侧距离与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚的内径相适配，所述第一夹持导向轮的下侧设置有第二感应线圈，所述第二感应线圈通过独立的交流电源为其供电；

所述第二感应线圈的下方设置有第二感应熔炼水冷铜坩埚，且所述第二感应线圈下端与第二感应熔炼水冷铜坩埚上端之间的距离为D-2D之间，D为应熔炼水冷铜坩埚的内径，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚的下端具有开口，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚的外侧设置有第三感应线圈，第二交流电源用于为所述第三感应线圈提供工作电源，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚的下端设置有两个第二辅助轮，所述第二辅助轮的下侧设置有两个第二夹持导向轮，两个所述第二辅助轮的内侧距离以及两个所述第二夹持导向轮的内侧距离与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚的内径相适配，所述第二夹持导向轮的下侧设置有第四感应线圈，所述第四感应线圈通过独立的交流电源为其供电；

所述第四感应线圈的下方设置有第三感应熔炼水冷铜坩埚，且所述第四感应线圈与第三感应熔炼水冷铜坩埚之间具有一段距离，所述第三感应熔炼水冷铜坩埚的下端具有开口，所述第三感应熔炼水冷铜坩埚的外侧设置有第五感应线圈，第三交流电源用于为所述第五感应线圈提供工作电源，高纯钛支撑杆位于所述炉体内，且其下端与下拉杆的上端连接，所述下拉杆的下端延伸至所述炉体外并与下拉杆升降装置的动力输出端连接，所述高纯钛支撑杆在所述下拉杆的带动下能够进入到所述第一感应熔炼水冷铜坩埚内。

进一步的技术方案在于：所述炉体上设置有压力平衡阀以及排气系统。

进一步的技术方案在于：所述炉体的顶部设置有第一观察管，所述第一观察管的视野覆盖电极熔炼水冷铜坩埚的上端开口、送料管的下端开口以及第一感应熔炼水冷铜坩埚的上端口。

进一步的技术方案在于：所述炉体的侧壁上设置有第二观察管，所述第二观察管的视野覆盖第二感应线圈区域及第二感应熔炼水冷铜坩埚的上端口。

进一步的技术方案在于：所述炉体的侧壁上设置有第三观察管，所述第二观察管的视野覆盖第四感应线圈区域及第三感应熔炼水冷铜坩埚的上端口。

进一步的技术方案在于：与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚以及第二感应熔炼水冷铜坩埚相对应的炉体的侧壁上设置有水冷铜坩埚支撑杆，所述水冷铜坩埚支撑杆的内侧端部固定有旋转驱动电机，两个所述旋转驱动电机的动力输出端分别与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚以及第二感应熔炼水冷铜坩埚的外侧固定连接，通过所述旋转驱动电机的作用可使第一感应熔炼水冷铜坩埚以及第二感应熔炼水冷铜坩埚水平旋转90°，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚以及第二感应熔炼水冷铜坩埚的外侧固定有导向轮驱动电机，所述导向轮驱动电机用于驱动相应的导向轮动作。

进一步的技术方案在于：与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚相对应的炉体的侧壁上设置有第一集渣池，与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚相对应的炉体的侧壁上设置有第二集渣池，当所述第一感应熔炼水冷铜坩埚或第二感应熔炼水冷铜坩埚在旋转驱动电机的作用下转动的过程中第一感应熔炼水冷铜坩埚内的富含杂质的钛熔体流入到第一集渣池内，第二感应熔炼水冷铜坩埚内的富含杂质的钛熔体流入到第二集渣池内。

本发明还公开了一种钛棒，其特征在于：使用所述制备钛棒的装置进行制备。

本发明还公开了一种钛合金材料，其特征在于：使用所述钛棒进行制备。

本发明还公开了一种钛合金器件，其特征在于：使用所述钛合金材料进行制备。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请所述装置将氧化钛或者金红石投入到氩氢等离子电弧高温熔炼钛的熔池中，然后经过氢还原氧化钛或者金红石，随着投放还原熔炼的进行，熔池中的熔体流入感应水冷铜坩埚中进行定向凝固，然后经区域熔炼后结合感应水冷铜坩埚再次进行定向凝固。通过区域熔炼和感应水冷铜坩埚中的定向凝固反复进行分离提纯制备钛棒棒，所述装置和方法通过多次提纯，使得制备的钛棒纯度较高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述装置首次熔炼后的结构示意图；

图2是本发明实施例所述装置中感应水冷铜坩埚的部分结构示意图；

图3是本发明实施例所述装置在分离提纯制备钛棒初始阶段的结构示意图；

图4是本发明实施例所述装置在分离提纯制备钛棒结束阶段的结构示意图（除渣）；

图5是本发明实施例所述装置导向轮的结构示意图；

图6是本发明实施例所述装置辅助轮的结构示意图；

其中：1：氩氢等离子炬；2：送料管；3：等离子电弧；4：电极熔炼水冷铜坩埚；5：钛熔体；6：第一交流电源；7：第二交流电源；8：第三交流电源；9：第一感应熔炼水冷铜坩埚；10：第二感应熔炼水冷铜坩埚；11：第三感应熔炼水冷铜坩埚；12：第一夹持导向轮；13：第二夹持导向轮；14：第一感应线圈；15：第二感应线圈；16：第一积渣池；17：第二积渣池；18：高纯钛支撑杆；19：下拉杆；20：高频直流电源；21：第二观察管；22：第三观察管；23：第一观察管；24：一次提纯棒；25：二次提纯棒；26：三次提纯棒；27-1：压力平衡阀；27-2：排气系统；28：熔炼驼峰；29：钛熔体液滴；30：水冷铜坩埚感应线圈；31：旋转驱动电机；32：旋转轴；33：导向轮驱动电机；34辅助轮；35：水冷铜坩埚熔炼系统支撑杆。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图6所示，本发明实施例公开了一种制备钛棒的装置，包括炉体，所述炉体内充有氩/氢混合气体，所述炉体的顶部设置有氩氢等离子炬1和送料管2，所述等离子炬1的电源输入端位于所述炉体的外侧，高频直流电源20用于为所述等离子炬提供工作电源，所述等离子炬的下端位于所述炉体内，且所述等离子炬下方的炉体内设置有电极熔炼水冷铜坩埚4，所述等离子炬与所述电极熔炼水冷铜坩埚4内的原料之间能够产生等离子电弧3，通过等离子电弧3对原料进行熔炼，形成钛熔体；所述送料管2的一端位于所述炉体的外侧，所述送料管的另一端位于所述电极熔炼水冷铜坩埚4的上侧，用于向所述电极熔炼水冷铜坩埚4内输送原料；

所述电极熔炼水冷铜坩埚4的出液口的下方设置有第一感应熔炼水冷铜坩埚9且所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9的下端具有开口，使得相应的物料能够从其上端开口进入，再从下端开口排出。所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9的外侧设置有第一感应线圈，第一交流电源6用于为所述第一感应线圈提供工作电源，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9的下端设置有两个第一辅助轮34，所述第一辅助轮34的下侧设置有两个第一夹持导向轮12，两个所述第一辅助轮34的内侧距离以及两个所述第一夹持导向轮12的内侧距离与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚10的内径相适配，所述第一夹持导向轮12的下侧设置有第二感应线圈14，所述第二感应线圈14通过独立的交流电源为其供电，所述第二感应线圈14的上沿与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9的下沿之间保持有一段距离，该段距离使得当第一感应熔炼水冷铜坩埚9内的钛熔体排出时先凝固。

所述第二感应线圈14的下方设置有第二感应熔炼水冷铜坩埚11，且所述第二感应线圈14下端与第二感应熔炼水冷铜坩埚10上端之间的距离为D-2D之间，D为应熔炼水冷铜坩埚的内径，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚11的下端具有开口，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚10的外侧设置有第三感应线圈，第二交流电源7用于为所述第三感应线圈提供工作电源，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚10的下端设置有两个第二辅助轮，所述第二辅助轮的下侧设置有两个第二夹持导向轮13，两个所述第二辅助轮的内侧距离以及两个所述第二夹持导向轮13的内侧距离与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚10的内径相适配，所述第二夹持导向轮13的下侧设置有第四感应线圈15，所述第四感应线圈15通过独立的交流电源为其供电；所述第四感应线圈15的上沿与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚10的下沿之间保持有一段距离，该段距离使得当第二感应熔炼水冷铜坩埚10内的钛熔体排出时先凝固。

所述第四感应线圈15的下方设置有第三感应熔炼水冷铜坩埚11，且所述第四感应线圈15与第三感应熔炼水冷铜坩埚11之间具有一段距离，所述第三感应熔炼水冷铜坩埚11的下端具有开口，所述第三感应熔炼水冷铜坩埚11的外侧设置有第五感应线圈，第三交流电源8用于为所述第五感应线圈提供工作电源，高纯钛支撑杆18位于所述炉体内，且其下端与下拉杆19的上端连接，所述下拉杆19的下端延伸至所述炉体外并与下拉杆升降装置的动力输出端连接，所述高纯钛支撑杆18在所述下拉杆的带动下能够进入到所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9内。钛棒首次熔炼结束后，第一感应熔炼水冷铜坩埚9内会保留一段钛棒，且该段钛棒的下端延伸至两个第一夹持导向轮12之间；同样，第二感应熔炼水冷铜坩埚10内会保留一段钛棒，且该段钛棒的下端延伸至两个第二夹持导向轮13之间；第三感应熔炼水冷铜坩埚11内不会保留熔化的钛，熔化的钛将全部从第三感应熔炼水冷铜坩埚11的底部排出形成钛棒。

所述炉体上设置有压力平衡阀27-1以及排气系统27-2，排气系统（27-2）用于将炉体内含有的杂质气体、水蒸气、甲烷气体、氨气等被还原的气体排出熔炼系统，由于氩氢等离子炬1排入氩氢混合气体，这样同时能够保证系统内的压力稳定。

如图1、3和4所示，所述炉体的顶部设置有第一观察管23，所述第一观察管23的视野覆盖电极熔炼水冷铜坩埚4的上端开口、送料管2的下端开口以及第一感应熔炼水冷铜坩埚9的上端口，通过第一观察管23观察电极熔炼水冷铜坩埚4以及第一感应熔炼水冷铜坩埚9内的物料情况；所述炉体的侧壁上设置有第二观察管21，所述第二观察管21的视野覆盖第二感应线圈12区域及第二感应熔炼水冷铜坩埚10的上端口，通过第二观察管21观察第二感应线圈12内的钛棒的熔化情况以及第二感应熔炼水冷铜坩埚10内物料的情况；所述炉体的侧壁上设置有第三观察管22，所述第二观察管22的视野覆盖第四感应线圈15区域及第三感应熔炼水冷铜坩埚11的上端口。

进一步的，如图2所示，与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9以及第二感应熔炼水冷铜坩埚10相对应的炉体的侧壁上设置有水冷铜坩埚支撑杆35，所述水冷铜坩埚支撑杆35的内侧端部固定有旋转驱动电机31，两个所述旋转驱动电机31的动力输出端分别与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9以及第二感应熔炼水冷铜坩埚10的外侧的保护罩固定连接，通过所述旋转驱动电机31的作用可使第一感应熔炼水冷铜坩埚9以及第二感应熔炼水冷铜坩埚10水平旋转90°，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9以及第二感应熔炼水冷铜坩埚10的外侧固定有导向轮驱动电机33，所述导向轮驱动电机33用于驱动相应感应熔炼水冷铜坩埚下侧的导向轮动作。

进一步的，如图1-图3所示，与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9相对应的炉体的侧壁上设置有第一集渣池16，与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚10相对应的炉体的侧壁上设置有第二集渣池17，当所述第一感应熔炼水冷铜坩埚9或第二感应熔炼水冷铜坩埚10在旋转驱动电机31的作用下转动的过程中第一感应熔炼水冷铜坩埚9内的富含杂质的钛熔体流入到第一集渣池16内，第二感应熔炼水冷铜坩埚10内的富含杂质的钛熔体流入到第二集渣池17内。

本发明还公开了一种制备钛棒的方法，包括如下步骤：

首先给整体体系通入循环水，抽真空至10^-1Pa至10^-3Pa，然后将高纯钛支撑杆18顶端置于第一感应熔炼水冷铜坩埚9内的平衡界面位置处，高纯钛支撑杆18与下拉杆19相连，在电极熔炼水冷铜坩埚4内放置初始纯钛料，启动氩氢等离子炬1，使其工作，待初始纯钛料熔炼平衡后，通过送料管2不断的将氧化钛或者金红石投入到电极熔炼水冷铜坩埚4中，此时的钛熔体表层部分的温度达到2400℃，高温下氧化钛或者金红石溶解在纯钛熔体中，氧及铁等杂质以原子形式进入钛熔体中，炉体内气氛中的氢原子在高温下溶解在钛熔池5中，溶解到钛熔体中的氢元素将熔体中的氧元素、氮元素和碳元素除去；随着熔炼的进行电极熔炼水冷铜坩埚4中的钛元素的不断增加，钛熔池5中的钛熔体溢出流入到第一感应熔炼水冷铜坩埚9中，通过第一观察管23观察第一感应熔炼水冷铜坩埚9，当溢入第一感应熔炼水冷铜坩埚9中的钛熔体达到其内部空间的一半时，启动第一感应熔炼水冷铜坩埚9周围的水冷铜坩埚感应线圈，在电磁感应的作用下，流入的熔体继续处于熔化状态，高纯钛支撑杆18上的钛熔体与其熔接在一起；

待第一感应熔炼水冷铜坩埚9中的熔体驼峰与第一感应熔炼水冷铜坩埚9的上沿平齐以后，下拉杆19不断的向下运动，随着下拉杆19的运动，从第一感应熔炼水冷铜坩埚9的底部排出的钛熔体凝固成钛棒，根据下拉杆19运动距离，当高纯钛支撑杆18的原有上端面位置位于第二感应熔炼水冷铜坩埚10的上端面时，停止下拉杆19的运动，同时停止送料管2中的投料，启动第二感应线圈14对钛棒进行感应加热直至其熔化并熔断，然后驱动下拉杆19运动，待下拉杆19上熔断钛棒的上表面与第二感应熔炼水冷铜坩埚9内的平衡界面相齐平后，停止下拉杆运动，启动第二感应熔炼水冷铜坩埚10外侧的水冷铜坩埚感应线圈，然后向送料管2中投料同时启动第一夹持导向轮12使得第一感应熔炼水冷铜坩埚9内的钛棒不断边凝固边进入第二感应线圈14区域内，并通过第二感应线圈14对其加热形成稳定的钛熔体液滴29，钛熔体液滴29滴落入第二感应熔炼水冷铜坩埚10内；

通过第二观察管21观察钛棒的熔化情况以及第二感应熔炼水冷铜坩埚10内的情况，待第二感应熔炼水冷铜坩埚10中的熔体驼峰与第二感应熔炼水冷铜坩埚10的上沿平齐以后，下拉杆19不断的向下运动，从第二感应熔炼水冷铜坩埚10的底部排出的钛熔体凝固成钛棒，根据下拉杆19运动距离，当高纯钛支撑杆18的原有上端面位置位于第三感应熔炼水冷铜坩埚11的上端面时，停止下拉杆19的运动，同时停止送料管2中的投料并停止第二感应线圈14的感应加热以及第一夹持导向轮12的驱动；启动第四感应线圈15对钛棒进行感应加热直至其熔化并熔断，然后驱动下拉杆19运动，待下拉杆19上熔断钛棒的上表面与第三感应熔炼水冷铜坩埚11内的平衡界面相齐平后，停止下拉杆运动，启动第三感应熔炼水冷铜坩埚11外侧的水冷铜坩埚感应线圈；然后向送料管2中投料同时启动第一夹持导向轮12使得第一感应熔炼水冷铜坩埚9内的钛棒不断边凝固边进入第二感应线圈14区域内，并同时启动第二夹持导向轮13使得第二感应熔炼水冷铜坩埚10内的钛棒不断边凝固边进入第四感应线圈15区域内，通过第二感应线圈14对第一感应熔炼水冷铜坩埚9排出的钛棒进行加热形成稳定的钛熔体液滴29，钛熔体液滴29滴落入第二感应熔炼水冷铜坩埚10内，同时通过第四感应线圈15对第二感应熔炼水冷铜坩埚10排出的钛棒进行加热形成稳定的钛熔体液滴29，钛熔体液滴29滴落入第三感应熔炼水冷铜坩埚11内；

通过第三观察管22观察钛棒的熔化情况以及第三感应熔炼水冷铜坩埚11内的情况，待第三感应熔炼水冷铜坩埚11中的熔体驼峰与第三感应熔炼水冷铜坩埚11的上沿平齐以后，下拉杆19开始向下运动，伴随着下拉杆19的向下运动，第三感应熔炼水冷铜坩埚11内的钛熔体将被以钛棒的形式拉出，实现了从氢去除氧等非金属杂质，到第一感应熔炼水冷铜坩埚9、第二感应熔炼水冷铜坩埚10及第三感应熔炼水冷铜坩埚11中的分级凝固排杂过程，当第一感应熔炼水冷铜坩埚9和第二感应熔炼水冷铜坩埚10内部熔池的杂质过多时，将其倾倒至第一积渣池16和第二积渣池17中，然后重复上述整个过程，最后获得的钛棒经过高温真空除氢，实现钛棒的制备。

进一步的，所述方法还包括如下步骤：随着第一感应熔炼水冷铜坩埚9和第二感应熔炼水冷铜坩埚10内的钛棒定向凝固，第一感应熔炼水冷铜坩埚9和第二感应熔炼水冷铜坩埚10内部熔池的杂质越来越多，通过停止送料管2的投料、下拉杆19、第一夹持导向轮12、第二夹持导向轮13的运动，停止第二感应线圈14、第四感应线圈15的加热，待钛熔池5、第二感应线圈14、第四感应线圈15区域内无熔滴滴下后，通过旋转驱动电机31，将第一感应熔炼水冷铜坩埚9和第二感应熔炼水冷铜坩埚10内含杂质较多的熔体倾倒至第一积渣池16和第二积渣池17中；而倾倒的时机，主要根据某一杂质含量的氧化钛或者金红石的情况进行选择，选择的方案为：在高纯钛支撑杆18运动运至第三感应熔炼水冷铜坩埚11中的平衡界面位置时，运动距离为L，进行熔体倾倒；或者在高纯钛支撑杆18运动2L，3L，.....或者nL（n为整数）时，进行熔体倾倒。

熔体倾倒完毕后，通过水冷铜坩埚支撑杆35将第一感应熔炼水冷铜坩埚9以及第二感应熔炼水冷铜坩埚10旋转竖起；启动送料管2的投料，同时启动第二感应线圈14和第四感应线圈15给第一感应熔炼水冷铜坩埚9和第二感应熔炼水冷铜坩埚10下部夹持的剩余的钛棒加热至开始熔化，通过送料管2再次不断的将氧化钛或者金红石投入到电极熔炼水冷铜坩埚4中，炉体内气氛中的氢原子在高温下溶解在钛熔池5中，随着熔炼的进行电极熔炼水冷铜坩埚4中的钛元素的不断增加，钛熔池5中的钛熔体溢出流入到第一感应熔炼水冷铜坩埚9中，通过第一观察管23观察第一感应熔炼水冷铜坩埚9，当驼峰的最高点与第一感应熔炼水冷铜坩埚9上沿平齐时，启动第一夹持导向轮12的驱动，使得第一感应熔炼水冷铜坩埚9下部夹持的剩余的钛棒开始向下运动，同时滴下熔滴至第二感应熔炼水冷铜坩埚10；当驼峰的最高点与第二感应熔炼水冷铜坩埚10上沿平齐时，启动第二夹持导向轮13的驱动，使得第二感应熔炼水冷铜坩埚10下部夹持的剩余的钛棒开始向下运动，同时滴下熔滴至第三感应熔炼水冷铜坩埚10中，启动下拉杆19的运动，使得整个过程平稳进行；

制备钛棒完毕后，停止氩氢等离子炬1、同时停止送料管2中的投料并停止第二感应线圈14的感应加热、第一夹持导向轮12的驱动、第四感应线圈14的感应加热以及第二夹持导向轮13的驱动，停止第一感应熔炼水冷铜坩埚9和第二感应熔炼水冷铜坩埚10周围的水冷铜坩埚感应线圈再次将第一感应熔炼水冷铜坩埚9以及第二感应熔炼水冷铜坩埚10内的熔体倾倒至第一积渣池16和第二积渣池17中，第三感应熔炼水冷铜坩埚11外侧的水冷铜坩埚感应线圈用于对其内的钛熔体进行加热防止其在下拉杆下拉的过程中凝固到所述第三感应熔炼水冷铜坩埚11内，随着下拉杆的下拉，第三感应熔炼水冷铜坩埚11内的钛熔体将被全部排出形成钛棒，然后拆炉取出钛棒。

首次制备外钛棒后，再次制备钛棒时包括如下步骤：

首先将高纯钛支撑杆18顶端置于第三感应熔炼水冷铜坩埚11内的平衡界面位置处，在电极熔炼水冷铜坩埚4内放置初始纯钛料，启动氩氢等离子炬1，使其工作，待初始纯钛料熔炼平衡后，通过送料管2不断的将氧化钛或者金红石投入到电极熔炼水冷铜坩埚4中，此时的钛熔体表层部分的温度达到2400℃，高温下氧化钛或者金红石溶解在纯钛熔体中，氧及铁等杂质以原子形式进入钛熔体中，炉体内气氛中的氢原子在高温下溶解在钛熔池5中，溶解到钛熔体中的氢元素将熔体中的氧元素、氮元素和碳元素除去；随着熔炼的进行电极熔炼水冷铜坩埚4中的钛元素的不断增加，钛熔池5中的钛熔体溢出流入到第一感应熔炼水冷铜坩埚9中，启动第一感应熔炼水冷铜坩埚9周围的水冷铜坩埚感应线圈，在电磁感应的作用下，流入的熔体继续处于熔化状态，首次熔炼钛棒后剩余的钛棒与第一感应熔炼水冷铜坩埚9内的钛熔体熔接在一起；

启动第二感应线圈14对钛棒进行感应加热直至其熔化，同时启动第一夹持导向轮12使得第一感应熔炼水冷铜坩埚9内的钛棒不断边凝固边进入第二感应线圈14区域内，并通过第二感应线圈14对其加热形成稳定的钛熔体液滴29，钛熔体液滴29滴落入第二感应熔炼水冷铜坩埚10内；并同时启动第二夹持导向轮13使得第二感应熔炼水冷铜坩埚10内的钛棒不断边凝固边进入第四感应线圈15区域内，通过第四感应线圈14对第二感应熔炼水冷铜坩埚10排出的钛棒进行加热形成稳定的钛熔体液滴29，钛熔体液滴29滴落入第三感应熔炼水冷铜坩埚11内；

通过第三观察管22观察第二感应熔炼水冷铜坩埚10下端钛棒的熔化情况以及第三感应熔炼水冷铜坩埚11内的情况，当第三感应熔炼水冷铜坩埚11中的熔体驼峰与第三感应熔炼水冷铜坩埚11的上沿平齐以后，驱动下拉杆19向下运动，随着下拉杆的下拉，当钛棒达到预设长度之前，停止投料管的投料、停止氩气等离子炬的工作、并停止第一感应熔炼水冷铜坩埚9和第二感应熔炼水冷铜坩埚10周围的水冷铜坩埚感应线圈、第一感应线圈14、第二感应线圈15的加热，以及第一夹持导向轮以及第二夹持导向轮的转动；

保持第三感应熔炼水冷铜坩埚11周围的水冷铜坩埚感应线圈工作，直到第三感应熔炼水冷铜坩埚11内的钛熔体全部排出形成钛棒为止。

进一步的，所述炉体内充有氩/氢混合气体，氩/氢混合气体的压力为0.05MPa-5MPa，氢气所占的体积比例为5%-40%高纯钛支撑杆（18）顶端所处的初始位置，可防止其被熔掉，在熔炼分离纯钛前，要首先经过纯钛的测试熔炼，找到固液界面的位置，该位置即为高纯钛支撑杆18顶端所处的初始位置；高纯钛支撑杆18的材质为高纯钛经过铸造或者锻造制备，其在初始阶段经过第一感应熔炼水冷铜坩埚9、第二感应熔炼水冷铜坩埚10、第三感应熔炼水冷铜坩埚11的初始熔炼阶段时，向下预留出30%的熔炼界面控制误差，以免出现过熔现象。

第一感应熔炼水冷铜坩埚9、第二感应熔炼水冷铜坩埚10以及第三感应熔炼水冷铜坩埚11的内部直径尺寸依次变大10%-20%，使得钛棒能够方便的从第一感应熔炼水冷铜坩埚9进入到第二感应熔炼水冷铜坩埚10，从第二感应熔炼水冷铜坩埚10进入到第三感应熔炼水冷铜坩埚11。所述下拉杆19内通入循环水进行冷却，防止其温度过高。

进一步的，本申请还可以通过制备的钛棒进行钛合金的制备，再通过制备的钛合金制备相关的器件，其制作装置和方法在此不做赘述。

本申请所述装置和方法将氧化钛或者金红石投入到氩氢等离子电弧高温熔炼钛的熔池中，高温下氧化钛或者金红石溶解在纯钛熔体中，然后利用氢去除氧等非金属元素，随着投放还原熔炼的进行，熔池中的熔体流入感应水冷铜坩埚中进行定向凝固，然后经区域熔炼后结合感应水冷铜坩埚再次进行定向凝固。通过区域熔炼和感应水冷铜坩埚中的定向凝固反复进行分离提纯制备钛棒棒，所述装置和方法通过多次提纯，最后钛棒经过真空脱氢，制备出的钛棒纯度较高。

Claims (10)

1.一种制备钛棒的装置，其特征在于：包括炉体，所述炉体内充有氩/氢混合气体，所述炉体的顶部设置有氩氢等离子炬（1）和送料管（2），所述等离子炬（1）的电源输入端位于所述炉体的外侧，高频直流电源（20）用于为所述等离子炬提供工作电源，所述等离子炬的下端位于所述炉体内，且所述等离子炬下方的炉体内设置有电极熔炼水冷铜坩埚（4），所述等离子炬与所述电极熔炼水冷铜坩埚（4）内的原料之间能够产生等离子电弧（3），通过等离子电弧（3）对原料进行熔炼，形成钛熔体；所述送料管（2）的一端位于所述炉体的外侧，所述送料管的另一端位于所述电极熔炼水冷铜坩埚（4）的上侧，用于向所述电极熔炼水冷铜坩埚（4）内输送原料；

所述电极熔炼水冷铜坩埚（4）的出液口的下方设置有第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）且所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的下端具有开口，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的外侧设置有第一感应线圈，第一交流电源（6）用于为所述第一感应线圈提供工作电源，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的下端设置有两个第一辅助轮（34），所述第一辅助轮（34）的下侧设置有两个第一夹持导向轮（12），两个所述第一辅助轮（34）的内侧距离以及两个所述第一夹持导向轮（12）的内侧距离与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（10）的内径相适配，所述第一夹持导向轮（12）的下侧设置有第二感应线圈（14），所述第二感应线圈（14）通过独立的交流电源为其供电；

所述第二感应线圈（14）的下方设置有第二感应熔炼水冷铜坩埚（11），且所述第二感应线圈（14）下端与第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）上端之间的距离为D-2D之间，D为应熔炼水冷铜坩埚的内径，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（11）的下端具有开口，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的外侧设置有第三感应线圈，第二交流电源（7）用于为所述第三感应线圈提供工作电源，所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的下端设置有两个第二辅助轮，所述第二辅助轮的下侧设置有两个第二夹持导向轮（13），两个所述第二辅助轮的内侧距离以及两个所述第二夹持导向轮（13）的内侧距离与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的内径相适配，所述第二夹持导向轮（13）的下侧设置有第四感应线圈（15），所述第四感应线圈（15）通过独立的交流电源为其供电；

所述第四感应线圈（15）的下方设置有第三感应熔炼水冷铜坩埚（11），且所述第四感应线圈（15）与第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）之间具有一段距离，所述第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）的下端具有开口，所述第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）的外侧设置有第五感应线圈，第三交流电源（8）用于为所述第五感应线圈提供工作电源，高纯钛支撑杆（18）位于所述炉体内，且其下端与下拉杆（19）的上端连接，所述下拉杆（19）的下端延伸至所述炉体外并与下拉杆升降装置的动力输出端连接，所述高纯钛支撑杆（18）在所述下拉杆的带动下能够进入到所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）内。

2.如权利要求1所述的制备钛棒的装置，其特征在于：所述炉体上设置有压力平衡阀（27-1）以及排气系统（27-2）。

3.如权利要求1所述的制备钛棒的装置，其特征在于：所述炉体的顶部设置有第一观察管（23），所述第一观察管（23）的视野覆盖电极熔炼水冷铜坩埚（4）的上端开口、送料管（2）的下端开口以及第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）的上端口。

4.如权利要求1所述的制备钛棒的装置，其特征在于：所述炉体的侧壁上设置有第二观察管（21），所述第二观察管（21）的视野覆盖第二感应线圈（12）区域及第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的上端口。

5.如权利要求1所述的制备钛棒的装置，其特征在于：所述炉体的侧壁上设置有第三观察管（22），所述第二观察管（22）的视野覆盖第四感应线圈（15）区域及第三感应熔炼水冷铜坩埚（11）的上端口。

6.如权利要求1所述的制备钛棒的装置，其特征在于：与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）以及第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）相对应的炉体的侧壁上设置有水冷铜坩埚支撑杆（35），所述水冷铜坩埚支撑杆（35）的内侧端部固定有旋转驱动电机（31），两个所述旋转驱动电机（31）的动力输出端分别与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）以及第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的外侧的保护罩固定连接，通过所述旋转驱动电机（31）的作用可使第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）以及第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）水平旋转90°，所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）以及第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）的外侧固定有导向轮驱动电机（33），所述导向轮驱动电机（33）用于驱动相应感应熔炼水冷铜坩埚下侧的导向轮动作。

7.如权利要求6所述的制备钛棒的装置，其特征在于：与所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）相对应的炉体的侧壁上设置有第一集渣池（16），与所述第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）相对应的炉体的侧壁上设置有第二集渣池（17），当所述第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）或第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）在旋转驱动电机（31）的作用下转动的过程中第一感应熔炼水冷铜坩埚（9）内的富含杂质的钛熔体流入到第一集渣池（16）内，第二感应熔炼水冷铜坩埚（10）内的富含杂质的钛熔体流入到第二集渣池（17）内。

8.一种钛棒，其特征在于：使用如权利要求1-7中任意一项所述装置进行制备。

9.一种钛合金材料，其特征在于：使用如权利要求8制备的钛棒进行制备。

10.一种钛合金器件，其特征在于：使用如权利要求9制备的钛合金材料进行制备。

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