CN113249586B - 一种用于eb炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩 - Google Patents

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Abstract

一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，包括耐高温钢结构框架和壳体板，耐高温钢结构框架为通过钢管和/或钢板组合构成的立体中空框架结构，壳体板贴设在耐高温钢结构框架的内侧表面，壳体板的内表面上贴设有供冷凝物附着的内衬层，内衬层上间隔开设有多个与冷凝罩内腔相通的孔洞结构或缝隙结构，使冷凝物能够嵌入内衬层中。当内层采用具有孔洞结构的金属板时，冷凝物在生长过程中嵌入金属板的孔洞中，冷凝物与衬板形成类似铆接固定作用，可牢固固定冷凝物；当内层采用编制结构的耐高温柔性碳纤维布时，由于编制结构存在空隙，因此也可牢固固定冷凝物，从而大幅改善钛合金EB熔炼过程冷凝物掉落问题，提高铸锭熔炼质量、产值及经济效益。

Description

一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩
技术领域
本发明涉及用于EB炉的冷凝罩领域，尤其涉及一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩。
背景技术
电子束冷床熔炼炉，简称EB炉使用电子束作为热源熔化金属，通过一次熔炼即可获得用于直轧的扁锭，具有生产流程短、成本低优点，是目前最为先进的一种的钛及钛合金熔炼技术和主流发展方向。与传统“VAR多次熔炼+锻造”制坯方法相比，EB炉熔炼具有O、N等杂质元素增量少，可有效去除高低密度夹杂，能够实现散料装炉，原材料适应能力强等优点；同时，EB炉熔炼可获得扁锭，解决了传统VAR熔炼仅能生产圆锭问题。由于以上成本、质量及短流程优势，近年来EB炉熔炼纯钛及钛合金获得了较大发展。
由于EB炉熔炼钛及钛合金真空度高、钛液过热度大，因此熔炼过程金属及合金元素挥发较多，根据熔炼设备、工艺及牌号不同，挥发损耗约占原材料比重高达2～8％，挥发物随后在冷凝罩内部或熔炼室内部形成冷凝物。与纯钛不同，钛合金中普遍存在低熔点、高饱和蒸气压Al等合金元素，而Al与Ti熔炼相差1000℃，且饱和蒸汽压相差数倍，冷凝物形成速率及重量是纯钛熔炼的数倍，由于冷凝物与炉壁或冷凝罩衬板冷热膨胀系数不同、结合不牢，在热胀冷缩、重力作用下，当冷凝物重力大于与接触物界面结合力时，极易掉落至冷床或结晶器熔体内，而冷凝物中富含Al、O、N、C等合金及杂质元素，从而影响到铸锭质量；此外，由于EB炉熔炼钛合金，冷凝物形成速率快，需要频繁开炉清理冷凝物，一般每次开炉清炉需要1～3天才能再次进行熔炼，严重影响设备产能及生产效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，显著改善EB炉钛合金熔炼过程中冷凝物掉落问题，并大幅延长清炉周期，提高一个熔炼周期内钛合金产量，具有显著的质量优势和经济效益
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，包括耐高温钢结构框架和壳体板，所述耐高温钢结构框架为通过钢管和/或钢板组合构成的立体中空框架结构，所述壳体板贴设在耐高温钢结构框架的内侧表面，通过壳体板对耐高温钢结构框架的顶面和侧面进行密封，从而构成底面开口结构的冷凝罩外壳，壳体板的内表面上贴设有用于供冷凝物附着的内衬层，内衬层上间隔开设有多个与冷凝罩内腔相通的孔洞结构或缝隙结构，使冷凝物能够沿内衬层的厚度方向嵌入内衬层中。
优选的，所述内衬层为金属冲孔板或金属网格板。
优选的，所述内衬层为厚度1mm～3mm的钛板或不锈钢板。
优选的，所述内衬层为耐热碳纤维编织布。
优选的，所述内衬层通过多个间隔设置的板式销钉组件或管式销钉组件安装在壳体板的内表面；
所述板式销钉组件包括卡块、销钉、挡片和弹簧销，销钉同时贯穿壳体板和内衬层，销钉位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与卡块连接，销钉位于冷凝罩外部的一端贯穿挡片，挡片靠近冷凝罩一侧的表面压设在耐高温钢结构框架的钢管或钢板上，弹簧销穿设在销钉上并卡设挡片远离冷凝罩一侧的表面，从而使卡块能够压设在内衬层上，以限制内衬层与壳体板分离；
所述管式销钉组件包括卡块、销钉、定位管和弹簧销，销钉贯穿壳体板和内衬层，销钉位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与卡块连接，销钉位于冷凝罩外部的一端贯穿定位管的内孔，定位管的侧壁与耐高温钢结构框架的钢管或钢板固定连接，弹簧销穿设在销钉上并卡设定位管远离冷凝罩一侧的端部，从而使卡块能够压设在内衬层上，以限制内衬层与壳体板分离。
优选的，一个卡块同时与两个销钉通过螺纹连接，且与同一个卡块连接的两个销钉贯穿同一个挡片。
优选的，位于耐高温钢结构框架顶面的内衬层通过多个板式销钉组件配合安装，位于耐高温钢结构框架侧面的内衬层通过多个管式销钉组件配合安装。
优选的，所述壳体板为分体式结构，由多个厚度1mm～3mm的分体钛板拼接而成。
优选的，所述壳体板上开设有进料孔、观察孔和取样口。
根据上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明冷凝罩采用双层结构，通过耐高温钢结构框架承重并起到固定壳体板和内衬板的作用，内衬层上间隔开设有多个与冷凝罩内腔相通的孔洞结构或缝隙结构，当内层采用具有孔洞结构的金属板时，冷凝物在生长过程中嵌入金属板的孔洞中，冷凝物与衬板形成类似铆接固定作用，可牢固固定冷凝物；当内层采用编制结构的耐高温柔性碳纤维布时，由于编制结构同样存在空隙，且表面粗糙度大，同时柔性碳纤维布能够适应冷凝物收缩变形，因此同样可牢固固定冷凝物，从而大幅改善钛合金EB熔炼过程冷凝物掉落问题，提高铸锭质量。
2、由于本发明冷凝罩可牢固固定冷凝物，并数倍提高承受冷凝物重量极限，因此可有效延长熔炼周期，能够显著提高一个熔炼周期内钛合金产量。
3、本发明可有效延长熔炼周期，减少开炉清理冷凝物频次及时间，显著提高EB炉熔炼时间及钛合金产量，降低设备折旧及人员成本均摊，且冷凝罩可重复使用，清炉时更换简便，缩短清炉时间，从而提高设备熔炼时间及产量，可大幅降低EB炉钛合金生产成本，并提高产值及经济效益。
附图说明
图1为本发明的立体示意图；
图2为侧部内衬层的示意图；
图3为A处板式销钉组件的局部放大图；
图4为图3的剖视示意图；
图5为B处管式销钉组件的局部放大图；
图6为图5的剖视示意图。
图中标记：1、耐高温钢结构框架，2、壳体板，3、内衬层，4、卡块，5、销钉，6、挡片，7、弹簧销，8、定位管，9、进料孔，10、观察孔，11、取样口。
具体实施方式
参见附图，具体实施方式如下：
一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，包括耐高温钢结构框架1和壳体板2，耐高温钢结构框架1为通过钢管和/或钢板组合构成的立体中空框架结构，壳体板2为分体式结构，由多个厚度1mm～3mm的分体钛板拼接而成，壳体板2贴设在耐高温钢结构框架1的内侧表面，通过壳体板2对耐高温钢结构框架1的顶面和侧面进行密封，从而构成底面开口结构的冷凝罩外壳，壳体板2上开设有进料孔9、观察孔10和取样口11。
壳体板2的内表面上贴设有用于供冷凝物附着的内衬层3，内衬层3上间隔开设有多个与冷凝罩内腔相通的孔洞结构或缝隙结构，使冷凝物能够沿内衬层3的厚度方向嵌入内衬层3中。内衬层3可以采用金属冲孔板或金属网格板，具体为厚度1mm～3mm的钛板或不锈钢板；内衬层3也可以采用耐热碳纤维编织布，碳纤维编织布的编织结构同样存在空隙，可以使冷凝物嵌入碳纤维编织布内部。
内衬层3通过多个间隔设置的板式销钉组件或管式销钉组件安装在壳体板2的内表面，位于耐高温钢结构框架1顶面的内衬层3通过多个板式销钉组件配合安装，位于耐高温钢结构框架1侧面的内衬层3通过多个管式销钉组件配合安装。
板式销钉组件包括卡块4、销钉5、挡片6和弹簧销7，销钉5同时贯穿壳体板2和内衬层3，销钉5位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与卡块4连接，销钉5位于冷凝罩外部的一端贯穿挡片6，挡片6靠近冷凝罩一侧的表面压设在耐高温钢结构框架1的钢管或钢板上，弹簧销7穿设在销钉5上并卡设挡片6远离冷凝罩一侧的表面，从而使卡块4能够压设在内衬层3上，以限制内衬层3与壳体板2分离。
管式销钉组件包括卡块4、销钉5、定位管8和弹簧销7，销钉5贯穿壳体板2和内衬层3，销钉5位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与卡块4连接，销钉5位于冷凝罩外部的一端贯穿定位管8的内孔，定位管8的侧壁与耐高温钢结构框架1的钢管或钢板固定连接，弹簧销7穿设在销钉5上并卡设定位管8远离冷凝罩一侧的端部，从而使卡块4能够压设在内衬层3上，以限制内衬层3与壳体板2分离。
实施例1：内衬层3采用表面冲孔的纯钛金属板，板厚3.0mm,表面冲直径20mm圆孔，圆孔中心距100mm。采用该冷凝罩进行TC4(即Ti-6Al-4V)钛合金EB熔炼，由于TC4钛合金中富含低熔点、高饱和蒸气压、易挥发Al元素6％(质量百分比)，因此相比于纯钛熔炼，熔炼过程中冷凝物生产迅速，但由于本专利冷凝罩可以牢固固定冷凝物，并显著提高承受冷凝物重量极限，因此不仅可以大幅改善EB炉钛合金熔炼过程中冷凝物掉落问题，同时还可以有效延长熔炼周期，提高钛合金产量。实施例1的冷凝罩在一个熔炼周期可熔炼60吨TC4板坯，熔炼过程中无影响铸锭质量的冷凝物掉落。
实施例2：与实施例1的区别为内衬层3采用编制结构的耐高温柔性碳纤维布。采用该冷凝罩进行TC4(即Ti-6Al-4V)钛合金EB熔炼，由于TC4钛合金中富含低熔点、高饱和蒸气压、易挥发Al元素6％(质量百分比)，因此相比于纯钛熔炼，熔炼过程中冷凝物生长迅速且固定不牢固，易掉落，但由于本专利冷凝罩可以牢固固定冷凝物，并显著提高承受冷凝物重量极限，因此不仅可以大幅改善EB炉钛合金熔炼过程中冷凝物掉落问题，同时还可以有效延长熔炼周期，提高钛合金产量。实施例2的冷凝罩在一个熔炼周期可熔炼48吨TC4板坯，熔炼过程中无影响铸锭质量的冷凝物掉落。
对比例：EB炉熔炼TC4过程中使用单层结构的冷凝罩，冷凝罩内壁为表面光滑的纯钛薄板，而TC4冷凝物中Al含量高且TC4冷凝物与冷凝罩薄钛板接触的面同样较平整光滑，因此相互之间的结合力也较弱，熔炼过程中，由于热胀冷缩和重力的作用下，冷凝物容易掉落。当熔炼至8吨时，开始有少量薄片状冷凝物掉落至冷床熔池，当熔炼至16吨时，冷凝物掉落频率及体积大幅增加，需要开炉清炉后再进行熔炼，一个熔炼周期TC4钛合金产量为16吨。
由实施例1、2与对比例的对比可知，采用本发明的冷凝罩进行TC4钛合金EB熔炼，可大幅改善EB炉钛合金熔炼过程中冷凝物掉落问题，与采用传统内壁光滑单层结构冷凝罩相比，本发明使得一个周期内TC4钛合金产量由16吨提高至48～60吨，产量提高3倍以上，并降低生产成本，具有显著的质量、经济效益。

Claims (6)

1.一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，包括耐高温钢结构框架(1)和壳体板(2)，所述耐高温钢结构框架(1)为通过钢管和/或钢板组合构成的立体中空框架结构，所述壳体板(2)贴设在耐高温钢结构框架(1)的内侧表面，通过壳体板(2)对耐高温钢结构框架(1)的顶面和侧面进行密封，从而构成底面开口结构的冷凝罩外壳，其特征在于：壳体板(2)的内表面上贴设有用于供冷凝物附着的内衬层(3)，内衬层(3)上间隔开设有多个与冷凝罩内腔相通的孔洞结构或缝隙结构，使冷凝物能够沿内衬层(3)的厚度方向嵌入内衬层(3)中；所述内衬层(3)为金属冲孔板或金属网格板或耐热碳纤维编织布，通过多个间隔设置的板式销钉组件或管式销钉组件安装在壳体板(2)的内表面；
所述板式销钉组件包括卡块(4)、销钉(5)、挡片(6)和弹簧销(7)，销钉(5)同时贯穿壳体板(2)和内衬层(3)，销钉(5)位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与卡块(4)连接，销钉(5)位于冷凝罩外部的一端贯穿挡片(6)，挡片(6)靠近冷凝罩一侧的表面压设在耐高温钢结构框架(1)的钢管或钢板上，弹簧销(7)穿设在销钉(5)上并卡设挡片(6)远离冷凝罩一侧的表面，从而使卡块(4)能够压设在内衬层(3)上，以限制内衬层(3)与壳体板(2)分离；
所述管式销钉组件包括卡块(4)、销钉(5)、定位管(8)和弹簧销(7)，销钉(5)贯穿壳体板(2)和内衬层(3)，销钉(5)位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与卡块(4)连接，销钉(5)位于冷凝罩外部的一端贯穿定位管(8)的内孔，定位管(8)的侧壁与耐高温钢结构框架(1)的钢管或钢板固定连接，弹簧销(7)穿设在销钉(5)上并卡设定位管(8)远离冷凝罩一侧的端部，从而使卡块(4)能够压设在内衬层(3)上，以限制内衬层(3)与壳体板(2)分离。
2.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，其特征在于：所述内衬层(3)为厚度1mm～3mm的钛板或不锈钢板。
3.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，其特征在于：一个卡块(4)同时与两个销钉(5)通过螺纹连接，且与同一个卡块(4)连接的两个销钉(5)贯穿同一个挡片(6)。
4.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，其特征在于：位于耐高温钢结构框架(1)顶面的内衬层(3)通过多个板式销钉组件配合安装，位于耐高温钢结构框架(1)侧面的内衬层(3)通过多个管式销钉组件配合安装。
5.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，其特征在于：所述壳体板(2)为分体式结构，由多个厚度1mm～3mm的分体钛板拼接而成。
6.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的双层式冷凝罩，其特征在于：所述壳体板(2)上开设有进料孔(9)、观察孔(10)和取样口(11)。
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