CN115109938A - 一种消除钛合金铸锭冷隔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金制备技术领域，涉及一种消除钛合金铸锭冷隔的方法，通过控制底垫的材质、厚度、峰值电流大小、稳弧、电流上升时间、进水温度和水流量等参数，来消除铸锭冷隔，抑制反复重熔现象，具体为：通过提升起弧峰值电流，保证熔液铺开后具有持续且高能量的电弧输入，有效提高输入热量；通过选厚度为200～400mm的黄铜底垫，降低底垫的导热性，有效削弱底部的过冷效应，抑制铸锭冷隔和反复凝固；通过控制进水温度和水流量的大小，有效降低强冷却，尽可能避免或弱化过冷；通过弧距、稳弧和电流上升时间来稳定电压，使电弧能量在铸锭端面分布更加合理均匀，降低局部因过冷导致的冷隔和反复重熔。

Description

一种消除钛合金铸锭冷隔的方法

技术领域

本发明属于钛合金制备技术领域，涉及冷隔的消除，尤其涉及一种消除钛合金铸锭冷隔的方法。

背景技术

业内悉知，钛及钛合金铸锭应用最为广泛的生产方式是真空自耗电弧熔炼(即VAR熔炼)。真空自耗电弧熔炼是在真空条件下，通过低电压、大电流形成的电弧作为热源来熔炼铸锭的过程。金属在直流电弧的高温作用下，迅速熔化至结晶器中(即坩埚)，完成边熔化、边凝固的过程。VAR熔炼过程分为三个阶段：起弧期、正常熔炼期、补缩期；起弧期主要目的是稳定电弧、建立稳定的熔池；正常熔炼期主要目的是稳定熔炼，充分合金化、均匀化；补缩期主要目的是减小缩孔疏松，降低切头量。

起弧期是一个非常关键和重要的过程，直接影响着铸锭底部冶金质量的好坏。一方面，坩埚底垫位置的冷却最强，底部散热快；另一方面，起弧初期物料为冷料，工模具为冷态，起弧电流小，热输入量小，因此起弧初期会存在反复重熔(即已经熔化的金属液体，由于接触到强冷的结晶器后瞬间凝固，当再次有熔化的金属液体接触时，已凝固的金属又重新熔化的现象)的过程。而反复重熔在冶金过程是一个有害的过程，最容易产生明显的铸锭冷隔。就钛及钛合金铸锭而言，对于反复凝固和铸锭底部冷隔的研究很少。实际生产中反复凝固和底部冷隔一旦产生不仅具有遗传性，而且直接影响着铸锭的冶金质量，因此工业应用中常通过切除的方式进行去除。

为了消除铸锭冷隔和反复凝固对冶金质量带来的不利影响，目前钛合金铸锭常用的方式就是通过提升起弧电流来达到快速建立熔池目的。当溶液越早铺开，积攒的热量越多，反复重熔现象就会得到一定程度的缓解。经过长期实践验证，该方法虽然在一定程度上可以缓解，但效果甚微，而且几乎对柱状晶的影响区域不起作用。当铸锭纵剖后，仍能观察到明显的冷隔条纹，柱状晶组织尺寸较大，且平行排列。此外，铸锭合金元素越多、铸锭规格越大，铸锭的冷隔和反复凝固一般也越明显。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种消除钛合金铸锭冷隔的方法，主要通过控制底垫的材质、厚度、峰值电流大小、稳弧、电流上升时间、进水温度和水流量等参数，来消除铸锭冷隔，抑制反复重熔现象。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

这种消除钛合金铸锭冷隔的方法，应用在真空自耗电弧炉熔炼过程中：结晶器内的底垫材质选用黄铜、且厚度为200～400mm，通过降低底垫的导热性来抑制铸锭冷隔和反复凝固；设定起弧峰值电流比稳定熔炼期电流至少大5kA～10kA，保证熔液铺开后具有持续且高能量的电弧输入；设定水冷系统中的进水温度控制在27℃～35℃范围内，水流量控制在300L/min～500L/min范围内，有效降低强冷却。

进一步，设定起弧弧距在30mm～35mm范围内。

进一步，控制攀升阶段的稳弧电流在8A～12A范围内。

进一步，所述方法具体包括以下步骤：

1)在铜坩埚内放置厚度为200～400mm的黄铜底垫并进行组装固定；

2)将准备好的自耗电极放入组装好的坩埚中；

3)将组装好的坩埚和待熔自耗电极放至熔化站中，并利用电极杆夹头夹紧辅助电极，然后封炉；

4)打开水冷系统和真空系统，抽空至真空度≤5Pa，漏率≤3.0Pa/min，进行炉内焊接操作，将辅助电极与自耗电极焊接在一起；冷却至少30min后开炉检查，清理焊接过程产生的浮灰和喷溅；

5)重新封炉，抽空至真空度≤0.8Pa，进行侧漏，保证漏率≤1.0Pa/min；

6)设定水冷系统中的进水温度在27℃～35℃范围内，水流量在300L/min～500L/min范围内，起弧弧距在30mm～35mm范围内；

7)设定熔炼参数：设定攀升阶段的稳弧电流在8A～12A范围内，起弧峰值电流比稳定熔炼期电流至少大5kA～10kA；

8)打开设备电源，起弧熔炼直至熔炼结束；

9)关闭电源，冷却至少6.0h，出炉。

进一步，所述步骤1)中的铜坩埚和黄铜底垫利用压板配合紧固件进行组装固定。

进一步，所述步骤2)中钛合金自耗电极需要通过平头车削处理，以去除锭冠。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：通过控制底垫的材质、厚度、峰值电流大小、稳弧、电流上升时间、进水温度和水流量等参数，来消除铸锭冷隔，抑制反复重熔现象，具体为：通过提升起弧峰值电流，保证熔液铺开后具有持续且高能量的电弧输入，有效提高输入热量；通过选厚度为200～400mm的黄铜底垫，降低底垫的导热性，有效削弱底部的过冷效应，抑制铸锭冷隔和反复凝固；通过控制进水温度和水流量的大小，有效降低强冷却，尽可能避免或弱化过冷；通过弧距、稳弧和电流上升时间来稳定电压，使电弧能量在铸锭端面分布更加合理均匀，降低局部因过冷导致的冷隔和反复重熔。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1制备的TC4铸锭尾部50mm附近的纵剖低倍组织图；

图2为对比实施例制备的TC4铸锭尾部50mm附近的纵剖低倍组织图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。

目前，当采用真空自耗电弧熔炼方法制备钛及钛合金铸锭时，坩埚底垫的材质通常选择导热性极好的紫铜，但在铸锭起弧阶段，由于坩埚冷却强烈，起弧初期均会产生一定程度的反复凝固。而反复凝固过程会导致铸锭冷隔的形成，不利于后续加工，且随着铸锭规格不断增加，铸锭冷隔的影响区域也不断增加，直接影响铸锭后续加工过程中的组织演变。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种消除钛合金铸锭冷隔的方法，针对TC4钛合金铸锭真空自耗电弧炉熔炼，具体方法如下：

步骤一、准备一支直径为

规格铜坩埚，底垫材质为黄铜(推荐国标GB/T5231-2012中的H95)，厚度为200mm(取决于铸锭规格，铸锭规格越大使用厚度越大)；

步骤二、准备一支直径为

规格的TC4钛合金自耗电极，平头车削去除锭冠；

步骤三、准备一支直径为

规格的TC4钛合金辅助电极；

步骤四、将步骤一的坩埚筒体、底垫利用压板、螺栓等进行固定组装；

步骤五、将步骤二的自耗电极，放入组装的坩埚中；

步骤六、将组装的坩埚和待熔自耗电极放入至熔化站中，并且利用电极杆气动夹头加紧步骤三中的辅助电极，然后封炉；

步骤七、打开水冷系统和真空系统：抽空至真空度≤5Pa，漏率≤3.0Pa/min，进行炉内焊接操作，将辅助电极与自耗电极焊接在一起；冷却至少30min后开炉检查，清理焊接过程产生的浮灰和喷溅；

步骤八、重新封炉，抽空至真空度≤0.8Pa，进行侧漏，需保证漏率≤1.0Pa/min；

步骤九、控制水冷系统中的进水温度在27℃～35℃范围内，水流量为300L/min，起弧弧距在30mm～35mm范围内(铸锭规格越大弧距越高)；

步骤十、设定起弧电流4±2kA，稳弧电流4A±2A，起弧电压25±3V等参数；

步骤十一、设定攀升阶段的稳弧电流为9A±1A(铸锭规格越大稳弧越大)，起弧峰值电流为29±5KA，稳定熔炼期电流为24±5kA，起弧峰值电流比稳定熔炼期电流大5kA；

步骤十二、打开设备电源，起弧起弧熔炼，直至熔炼结束；

步骤十三、关闭电源，冷却至少6.0h，出炉。

图1为本实施例1制备的TC4铸锭尾部50mm附近的纵剖低倍组织图，由图可知，该铸锭尾部无冷隔产生。

实施例2

本实施例提供了一种消除钛合金铸锭冷隔的方法，针对TC4钛合金铸锭真空自耗电弧炉熔炼，具体方法如下：

步骤一、准备一支直径为

规格铜坩埚，底垫材质为黄铜，厚度为300mm；

步骤二、准备一支直径为

规格的TC4钛合金自耗电极，平头车削去除锭冠；

步骤三、准备一支直径为

规格的TC4钛合金辅助电极；

步骤四、将步骤一的坩埚筒体、底垫利用压板、螺栓等进行固定组装；

步骤五、将步骤二的自耗电极，放入组装的坩埚中；

步骤六、将组装的坩埚和待熔自耗电极放入至熔化站中，并且利用电极杆气动夹头加紧步骤三中的辅助电极，然后封炉；

步骤七、打开水冷系统和真空系统：抽空至真空度≤5Pa，漏率≤3.0Pa/min，进行炉内焊接操作，将辅助电极与自耗电极焊接在一起；冷却至少40min后开炉检查，清理焊接过程产生的浮灰和喷溅；

步骤八、重新封炉，抽空至真空度≤0.8Pa，进行侧漏，需保证漏率≤1.0Pa/min；

步骤九、控制水冷系统中的进水温度在27℃～35℃范围内，水流量为400L/min，起弧弧距在30mm～35mm范围内；

步骤十、设定起弧电流5±2kA，稳弧电流5A±2A，起弧电压27±3V等参数；

步骤十一、设定攀升阶段的稳弧电流为10A±2A，起弧峰值电流为31±5KA，稳定熔炼期电流为24±5kA，起弧峰值电流比稳定熔炼期电流大6kA；

步骤十二、打开设备电源，起弧起弧熔炼，直至熔炼结束；

步骤十三、关闭电源，冷却至少6.5h，出炉。

实施例3

本实施例提供了一种消除钛合金铸锭冷隔的方法，针对TC4钛合金铸锭真空自耗电弧炉熔炼，具体方法如下：

步骤一、准备一支直径为

规格铜坩埚，底垫材质为黄铜，厚度为400mm；

步骤二、准备一支直径为

规格的TC4钛合金自耗电极，平头车削去除锭冠；

步骤三、准备一支直径为

规格的TC4钛合金辅助电极；

步骤四、将步骤一的坩埚筒体、底垫利用压板、螺栓等进行固定组装；

步骤五、将步骤二的自耗电极，放入组装的坩埚中；

步骤六、将组装的坩埚和待熔自耗电极放入至熔化站中，并且利用电极杆气动夹头加紧步骤三中的辅助电极，然后封炉；

步骤七、打开水冷系统和真空系统：抽空至真空度≤5Pa，漏率≤3.0Pa/min，进行炉内焊接操作，将辅助电极与自耗电极焊接在一起；冷却至少50min后开炉检查，清理焊接过程产生的浮灰和喷溅；

步骤八、重新封炉，抽空至真空度≤0.8Pa，进行侧漏，需保证漏率≤1.0Pa/min；

步骤九、控制水冷系统中的进水温度在27℃～35℃范围内，水流量为500L/min，起弧弧距在30mm～35mm范围内；

步骤十、设定起弧电流6±2kA，稳弧电流6A±2A，起弧电压29±3V等参数；

步骤十一、设定攀升阶段的稳弧电流为10A±2A，起弧峰值电流为35±5KA，稳定熔炼期电流为25±5kA，起弧峰值电流比稳定熔炼期电流大10kA；

步骤十二、打开设备电源，起弧起弧熔炼，直至熔炼结束；

步骤十三、关闭电源，冷却至少6.5h，出炉。

对比例

为了论证本发明消除冷隔的可行性，选用了典型的

规格的TC4铸锭进行对比试验，其制备方法如下：

步骤一、准备一支直径为

规格的铜坩埚，底垫材质为紫铜，厚度为90±10mm；

步骤二、准备一支直径为

规格的TC4钛合金自耗电极，平头车削去除锭冠；

步骤三、准备一支直径为

规格的TC4钛合金辅助电极；

步骤四、将步骤一的坩埚筒体、底垫利用压板、螺栓等进行固定组装；

步骤五、将步骤二的自耗电极，放入组装的坩埚中；

步骤六、将组装的坩埚和待熔自耗电极放入至熔化站中，并且利用电极杆气动夹头加紧步骤三中的辅助电极，然后封炉；

步骤七、打开水冷系统和真空系统：抽空至真空度≤5Pa，漏率≤3.0Pa/min，进行炉内焊接操作，将辅助电极与自耗电极焊接在一起；冷却至少30min后开炉检查，清理焊接过程产生的浮灰和喷溅；

步骤八、重新封炉，抽空至真空度≤0.8Pa，进行侧漏，需保证漏率≤1.0Pa/min；

步骤九、使用默认的进水温度、水流量控制参数、弧距参数等；

步骤十、设定起弧电流4±2kA，稳弧电流4A±2A，起弧电压25±3V等参数；

步骤十一、设定攀升阶段的稳弧电流为5A±2A，起弧峰值电流为25±5KA，正常熔炼期为24±5kA；

步骤十二、打开设备电源，起弧起弧熔炼，直至熔炼结束；

步骤十三、关闭电源，冷却至少6.0h，出炉。

图2为该对比例制备的TC4铸锭尾部50mm附近的纵剖低倍组织图，可以观察到明显的铸锭冷隔条纹。

综上，本发明提供的这种消除冷隔的方法，需应用于真空自耗电弧炉熔炼，除消除上述实施例描述的TC4钛合金铸锭冷隔外，还可适用于TA15、TC18、TC21、TA12、TC17、TA5等其他牌号的钛合金或铝合金等其他适用于真空自耗电弧熔炼等合金铸锭冷隔的消除。该方法，可彻底消除铸锭底部冷隔，改善铸锭组织形貌特征；可降低击穿底垫的风险，增加熔炼的安全性；可提高坩埚底垫的使用寿命，降低成本。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种消除钛合金铸锭冷隔的方法，其特征在于，应用在真空自耗电弧炉熔炼过程中：结晶器内的底垫材质选用黄铜、且厚度为200～400mm，通过降低底垫的导热性来抑制铸锭冷隔和反复凝固；设定起弧峰值电流比稳定熔炼期电流至少大5kA～10kA，保证熔液铺开后具有持续且高能量的电弧输入；设定水冷系统中的进水温度控制在27℃～35℃范围内，水流量控制在300L/min～500L/min范围内，有效降低强冷却。

2.根据权利要求1所述的消除钛合金铸锭冷隔的方法，其特征在于，设定起弧弧距在30mm～35mm范围内。

3.根据权利要求1所述的消除钛合金铸锭冷隔的方法，其特征在于，设定攀升阶段的稳弧电流在8A～12A范围内。

4.根据权利要求1所述的消除钛合金铸锭冷隔的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

1)在铜坩埚内放置厚度为200～400mm的黄铜底垫并进行组装固定；

2)将准备好的自耗电极放入组装好的坩埚中；

3)将组装好的坩埚和待熔自耗电极放至熔化站中，并利用电极杆夹头夹紧辅助电极，然后封炉；

4)打开水冷系统和真空系统，抽空至真空度≤5Pa，漏率≤3.0Pa/min，进行炉内焊接操作，将辅助电极与自耗电极焊接在一起；冷却至少30min后开炉检查，清理焊接过程产生的浮灰和喷溅；

5)重新封炉，抽空至真空度≤0.8Pa，进行侧漏，保证漏率≤1.0Pa/min；

6)设定水冷系统中的进水温度在27℃～35℃范围内，水流量在300L/min～500L/min范围内，起弧弧距在30mm～35mm范围内；

7)设定熔炼参数：设定攀升阶段的稳弧电流在8A～12A范围内，起弧峰值电流比稳定熔炼期电流至少大5kA～10kA；

8)打开设备电源，起弧熔炼直至熔炼结束；

9)关闭电源，冷却至少6.0h，出炉。

5.根据权利要求4所述的消除钛合金铸锭冷隔的方法，其特征在于，所述步骤1)中的铜坩埚和黄铜底垫利用压板配合紧固件进行组装固定。

6.根据权利要求4所述的消除钛合金铸锭冷隔的方法，其特征在于，所述步骤2)中钛合金自耗电极需要通过平头车削处理，以去除锭冠。

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