CN113061742A - 电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，包括熔炼冷床、熔炼电子枪、水冷铜结晶器以及水冷铜柱，所述水冷铜结晶器竖直设置，所述水冷铜柱设置于水冷铜结晶器的内部，且水冷铜结晶器的中心线与水冷铜柱的中心线重合，水冷铜结晶器与水冷铜柱之间设置有圆环形的成型腔，水冷铜柱的端部设置有进水口和出水口；所述熔炼冷床设置在水冷铜结晶器的上方，所述熔炼电子枪设置在熔炼冷床的上方。本发明将水冷铜结晶器和水冷铜柱竖直设置，且利用水冷铜结晶器和水冷铜柱围成一个圆环形的成型腔，利用成型腔直接将管坯成型，替代离心成型技术，不需要采用大功率的电机，保证生产效率的同时可降低能耗，节省生产成本。

Description

电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备与方法
技术领域
本发明涉及钛金属及钛合金管的制备技术领域，尤其是一种电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备与方法。
背景技术
厚壁钛金属及钛合金管一般是通过锻造和旋压制得，工序较多，效率较低，且成本高。申请号为201811630141.6的发明专利申请公开了一种电子束离心铸造大尺寸钛合金管设备，包括输料仓，输料仓的出口处设置有水冷铜床，水冷铜床的一侧紧贴输料仓的出口，用于承接原料，水冷铜床的一端还设置有开口，开口处连接有浇道，还包括水冷铜坩埚，水冷铜坩埚的外部包裹有旋转水套，浇道伸入水冷铜坩埚内，且与水冷铜坩埚不接触。其采用电子束使原料熔化，利用离心力使液态钛合金在水冷铜坩埚中形成管坯。这种设备和方法可以直接制得钛金属或者钛合金管，效率得到提升，但在运行时由于需要采用电机等设备带动旋转水套、水冷铜坩埚及内部的钛合金熔炼液高速转动，会消耗大量的电能，且由于水冷铜坩埚水平设置，钛合金熔炼液受到重力的影响，水冷铜坩埚下部的管坯厚度会大于顶部的管坯厚度，导致管坯的厚度不均匀，特别是制备厚度大于10mm的厚壁管时，管坯壁厚的差异较大。此外，由于是在真空条件下铸管，旋转水套的外部压强低，内部需要一定的压力通入冷却水，内外压差较大，对旋转动密封的要求较高，增加了设备的制造以及装配难度。最后，冷却水通入水冷夹套后，难以循环，冷却效率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备与方法，保证生产效率的同时降低生产成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，包括熔炼冷床、熔炼电子枪、水冷铜结晶器以及水冷铜柱，所述水冷铜结晶器竖直设置，所述水冷铜柱设置于水冷铜结晶器的内部，且水冷铜结晶器的中心线与水冷铜柱的中心线重合，水冷铜结晶器与水冷铜柱之间设置有圆环形的成型腔，水冷铜柱的端部设置有进水口和出水口；所述熔炼冷床设置在水冷铜结晶器的上方，所述熔炼电子枪设置在熔炼冷床的上方。
进一步地，所述成型腔上端口的上方设置有多个电子枪。
进一步地，所述水冷铜柱与水冷铜结晶器可拆卸连接。
进一步地，所述成型腔的厚度为10～50mm。
进一步地，所述进水口和出水口均设置在水冷铜柱的下端，所述水冷铜柱内部设置有隔热筒，隔热筒与水冷铜柱的侧壁之间设置有冷却腔，隔热筒的下端与水冷铜柱的底板固定连接，上端与水冷铜柱的顶板之间设置有间距，所述进水口与冷却腔连通，出水口与隔热筒的内腔连通。
进一步地，熔炼冷床的边缘位于成型腔的上方，所述熔炼冷床连接有用于驱动熔炼冷床倾斜的驱动装置。
采用上述设备的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的方法，包括以下步骤
S1：将原料放入熔炼冷床；
S2：抽真空；
S3：利用熔炼电子枪将熔炼冷床中的原料熔化；
S4：将熔化后的原料注入成型腔，同时通过进水口向水冷铜柱内通入冷却水，冷却水将原料冷却形成管坯，水冷铜柱不断往下拉锭得到管材。
进一步地，步骤S1中，原料包括0A级的海绵钛或者牌号为TC4的钛合金，利用有机溶剂将原料清洗干净，并在100～120℃的真空环境中干燥后，再将原料放入熔炼冷床。
进一步地，步骤S2中，以滑阀泵、罗茨泵和扩散泵逐次抽真空，使工作腔真空度到达10-2～10-3Pa。
进一步地，步骤S4中，利用电子枪不断地在成型腔上端口做弧形扫描，用于熔化成型腔上端口凝固的原料以及保持成型腔上端口的原料的流动性。
本发明的有益效果是：本发明将水冷铜结晶器和水冷铜柱竖直设置，且利用水冷铜结晶器和水冷铜柱围成一个圆环形的成型腔，利用成型腔直接将管坯成型，替代离心成型技术，不需要采用大功率的电机，保证生产效率的同时可降低能耗，节省生产成本。此外，由于水冷铜柱不需要转动，进水口和出水口可固定连接在水冷铜柱的端部，不需要采用动密封，降低设备的制造和装配难度。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图2是水冷铜柱的剖视示意图；
附图标记：1—熔炼电子枪；2—电子束；3—水冷铜柱；31—隔热筒；4—水冷铜结晶器；5—进水口；6—出水口；7—熔化钛金属或合金液；8—熔炼冷床；9—成型腔；10—电子枪。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，包括熔炼冷床8、熔炼电子枪1、水冷铜结晶器4以及水冷铜柱3，所述水冷铜结晶器4竖直设置，所述水冷铜柱3设置于水冷铜结晶器4的内部，且水冷铜结晶器4的中心线与水冷铜柱3的中心线重合，水冷铜结晶器4与水冷铜柱3之间设置有圆环形的成型腔9，水冷铜柱3的端部设置有进水口5和出水口6；所述熔炼冷床8设置在水冷铜结晶器4的上方，所述熔炼电子枪1设置在熔炼冷床8的上方。
熔炼冷床8用于盛装原料，以便于利用熔炼电子枪1将原料加热、精炼成为熔化钛金属或合金液7。水冷铜结晶器4和水冷铜柱3用于管坯的成型，水冷铜结晶器4具有圆形的通孔，水冷铜柱3位于通孔内，使得水冷铜柱3与水冷铜结晶器4之间形成成型腔9。水冷铜柱3的下端设置有底板，水冷铜结晶器4的下端位于底板上。水冷铜柱3内部具有空腔，用于通入冷却水，使得熔化钛金属或合金液7快速冷却形成管坯。
采用上述设备的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管方法，将整个设备放入电子束炉中，具体包括以下步骤：
S1：将原料放入熔炼冷床8；具体地，原料包括0A级的海绵钛或者牌号为TC4的钛合金，利用酒精、丙酮等有机溶剂在超声波环境中对原料进行清洗，将原料上的油脂、杂质清洗干净，以保证管坯的质量，并在100～120℃的真空环境中干燥后，再将原料放入熔炼冷床8。
S2：抽真空，具体地，以滑阀泵、罗茨泵和扩散泵逐次抽真空，使工作腔真空度到达10-2～10-3Pa，以达到电子枪的工作要求。
S3：利用熔炼电子枪1将熔炼冷床8中的原料熔化。熔炼电子枪1向原料发出电子束2，使得原料熔化，控制熔炼电子枪1的功率为60KW。可利用电子束2对原料进行多次精炼，减少原料中杂质元素的含量，提升管坯质量。
S4：将熔化后的原料通过浇口注入成型腔9，同时通过进水口5向水冷铜柱3内通入冷却水，冷却水将原料冷却形成管坯，水冷铜柱3不断往下拉锭得到管材。水冷铜柱3的高度大于水冷铜结晶器4的高度，拉锭时水冷铜柱3向下移动的同时保证水冷铜柱3的上端高于或齐平于水冷铜结晶器4的上端口，确保冷却水的冷却效果。
本发明利用成型腔9即可将管坯成型，不需要采用离心成型技术，避免了采用大功率电机，降低了设备成本和能耗，从而节省了生产成本。此外，进水口5和出水口6通过固定式的密封接头与供水管和排水管相连，密封性较好，不需要采用动密封结构，制造和装配的难度降低。另外，水冷铜柱3不仅具有拉锭的功能，还可通过拉动水冷铜柱3向下移动实现拉锭，直接得到长度较大的管材，不需要另外的拉锭设备，进一步地简化了设备结构，降低设备的体积和成本。
熔化钛金属或合金液7从成型腔9的上端口注入成型腔9时，熔化钛金属或合金液7与成型腔9侧壁接触时遇冷凝固，在成型腔9侧壁形成不规则的凸起，导致管坯中产生空隙和裂纹等缺陷，为了解决这一问题，所述成型腔9上端口的上方设置有多个电子枪10，在步骤S4中，将熔化钛金属或合金液7注入成型腔9的同时利用电子枪10不断地在成型腔9上端口做弧形扫描，对熔化钛金属或合金液7以及凝固后的熔化钛金属或合金液7加热保温，用于熔化成型腔9上端口凝固的原料以及保持成型腔9上端口的原料的流动性，促进熔化钛金属或合金液7向下流动，防止熔化钛金属或合金液7在成型腔9侧壁冷却形成凸起而影响管坯质量。电子枪10可以是两个，分别沿着成型腔9上端口做半圆形扫描。
所述水冷铜柱3与水冷铜结晶器4可拆卸连接，以便于更换不同尺寸的水冷铜柱3或水冷铜结晶器4，从而制备不同内外径以及厚度的管材。具体地，水冷铜结晶器4可自然放置于水冷铜柱3的底板上，为了提高密封性，且便于安装时控制水冷铜柱3与水冷铜结晶器4的同轴度，以及便于拉锭时底板从水冷铜结晶器4脱离，可在底板上设置圆环形的定位槽，定位槽与水冷铜柱3同轴，水冷铜结晶器4的下端插接于定位槽。
所述成型腔9的厚度为10～50mm，可制备壁厚为10～50mm的厚壁钛金属及钛合金管。
为了确保冷却水的冷却效果，如图2所示，所述进水口5和出水口6均设置在水冷铜柱3的下端，所述水冷铜柱3内部设置有隔热筒31，隔热筒31与水冷铜柱3的侧壁之间设置有冷却腔，隔热筒31的下端与水冷铜柱3的底板固定连接，上端与水冷铜柱3的顶板之间设置有间距，所述进水口5与冷却腔连通，出水口6与隔热筒31的内腔连通。
冷却水从水冷铜柱3下端进入冷却腔，并在冷却腔中从下至上流动，而熔化钛金属或合金液7在成型腔9中从上至下流动，冷却水的温度逐渐升高，熔化钛金属或合金液7的温度逐渐降低，使得熔化钛金属或合金液7的温度逐渐降低，降温速度比较均匀，保证结晶质量。此外，由于最下方的熔化钛金属或合金液7最先冷成为管坯，可以在成型腔9的下端对管坯进行拉锭，而成型腔9的上端继续浇注，实现连续铸造，可灵活控制管坯的长度。冷却水运动至冷却腔的顶部时，从隔热筒31与水冷铜柱3的顶板之间的间距流入隔热筒31，然后向下流动至出水口6并从出水口6排出，实现循环。隔热筒31采用隔热效果好的材质，降低冷却腔和隔热筒31内的水的热传递速度，确保良好的冷却效果。
熔炼冷床8的边缘位于成型腔9的上方，所述熔炼冷床8连接有用于驱动熔炼冷床8倾斜的驱动装置。驱动装置可以是液压缸，也可以是电机驱动的凸轮机构等，驱动装置能够推动熔炼冷床8倾斜5至15°，使得熔炼冷床8内的熔化钛金属或合金液7能够流入成型腔9。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，包括熔炼冷床(8)、熔炼电子枪(1)、水冷铜结晶器(4)以及水冷铜柱(3)，其特征在于：所述水冷铜结晶器(4)竖直设置，所述水冷铜柱(3)设置于水冷铜结晶器(4)的内部，且水冷铜结晶器(4)的中心线与水冷铜柱(3)的中心线重合，水冷铜结晶器(4)与水冷铜柱(3)之间设置有圆环形的成型腔(9)，水冷铜柱(3)的端部设置有进水口(5)和出水口(6)；所述熔炼冷床(8)设置在水冷铜结晶器(4)的上方，所述熔炼电子枪(1)设置在熔炼冷床(8)的上方。
2.如权利要求1所述的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，其特征在于：所述成型腔(9)上端口的上方设置有多个电子枪(10)。
3.如权利要求1所述的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，其特征在于：所述水冷铜柱(3)与水冷铜结晶器(4)可拆卸连接。
4.如权利要求3所述的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，其特征在于：所述成型腔(9)的厚度为10～50mm。
5.如权利要求1所述的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，其特征在于：所述进水口(5)和出水口(6)均设置在水冷铜柱(3)的下端，所述水冷铜柱(3)内部设置有隔热筒(31)，隔热筒(31)与水冷铜柱(3)的侧壁之间设置有冷却腔，隔热筒(31)的下端与水冷铜柱(3)的底板固定连接，上端与水冷铜柱(3)的顶板之间设置有间距，所述进水口(5)与冷却腔连通，出水口(6)与隔热筒(31)的内腔连通。
6.如权利要求1所述的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备，其特征在于：熔炼冷床(8)的边缘位于成型腔(9)的上方，所述熔炼冷床(8)连接有用于驱动熔炼冷床(8)倾斜的驱动装置。
7.采用如权利要求1至6所述电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的设备的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的方法，其特征在于，包括以下步骤
S1：将原料放入熔炼冷床(8)；
S2：抽真空；
S3：利用熔炼电子枪(1)将熔炼冷床(8)中的原料熔化；
S4：将熔化后的原料注入成型腔(9)，同时通过进水口(5)向水冷铜柱(3)内通入冷却水，冷却水将原料冷却形成管坯，水冷铜柱(3)不断往下拉锭得到管材。
8.如权利要求7所述的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的方法，其特征在于，步骤S1中，原料包括0A级的海绵钛或者牌号为TC4的钛合金，利用有机溶剂将原料清洗干净，并在100～120℃的真空环境中干燥后，再将原料放入熔炼冷床(8)。
9.如权利要求7所述的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的方法，其特征在于，步骤S2中，以滑阀泵、罗茨泵和扩散泵逐次抽真空，使工作腔真空度到达10-2～10-3Pa。
10.如权利要求7所述的电子束铸造厚壁钛金属及钛合金管的方法，其特征在于，步骤S4中，利用保温电子枪(10)不断地在成型腔(9)上端口做弧形扫描，用于熔化成型腔(9)上端口凝固的原料以及保持成型腔(9)上端口的原料的流动性。
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