CN117737444A - 一种改进型真空自耗装置及真空自耗冶炼方法 - Google Patents

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刘学卉
张连嵩
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Abstract

本发明公开一种改进型真空自耗装置及真空自耗冶炼方法,改进设备:在真空自耗炉内设置了电磁感应线圈⑼,过渡电极(7)与拉杆(3)间有耐高温密封圈(6)密封形成氦冷却通道;工艺优化:降低起弧阶段及后续熔炼阶段自耗电极内部温度差,减小头部缩孔区域高度和下部熔池不稳定区域高度;起弧阶段可加速自耗电极的熔化速度,减少铸锭底部凝固质量较差的高度;氦气冷却通道调节自耗电极温度进而使电压、电流、熔速和熔滴数保持恒定,使弧光和弧长保持稳定。本发明的有益处在于:铸锭顶部补缩效果明显改善,缩孔区域上移或基本消除,进而减小切削量,提高材料的成材率;降低因温差导致自耗电极开裂,进而降低了白斑的形成概率,提高了材料的纯净度和性能。

Description

一种改进型真空自耗装置及真空自耗冶炼方法
技术领域
本发明涉及真空自耗冶炼装置及特种冶炼领域,具体为一种改进型真空自耗装置及真空自耗冶炼方法。
技术背景
真空电弧重熔作为一种二次精炼手段,一方面使金属合金提纯,即在真空条件下除去杂质;另一方面还能将材料铸成致密的成分均匀的金属锭,满足进一步加工的需求。在航空、航天、军工、核电、能源和化工等领域的所用材料生产中起着重要作用。
真空自耗冶炼起弧阶段,自耗电极作为阴极与结晶器底垫阳极接触产生电弧,由于自耗电极由室温装入真空自耗炉内其温度较低,电弧产生的热量密度大,加热自耗电极速度快,电极底部温度快速升高并且超过液相线,形成熔滴。由于电弧对自耗电极底部的加热速度极快,电极底部与其相邻区域温差极大,温度应力导致电极底部开裂,造成后续熔速波动,引发自动调节系统“错误操作”,弧长、电流、电压和熔速均发生变化,会产生两方面较差影响:1.质量较大的电极块掉入熔池,难以完全熔化,破坏铸锭的凝固质量;2异常的电弧扫落锭冠,锭冠落入金属熔池,在糊状区的凝固前沿被捕获,形成脏白斑缺陷,脏白斑缺陷严重降低高温合金的力学性能。另外,冷自耗电极起弧底部熔池浅,不稳定,凝固质量差,在后续锻造过程中需要切除,降低材料利用率。自耗电极的补缩阶段,尽管采用小功率、低熔速工艺填充,但是铸锭的顶部依然存在较大缩孔区域,头尾切除量大,材料利用率低,不仅造成合金资源的浪费,同时增加了企业的制造成本。真空自耗锭的白斑缺陷会引发材料的提前失效,增加航空、航天发动机、燃气轮机的出现事故的风险。
发明内容
本发明公开一种改进型真空自耗装置及真空自耗冶炼方法,通过设备改进和工艺优化,减小头部缩孔区域高度和下部熔池不稳定区域高度进而减小切削量,提高材料的成材率;同时提高自耗电极内部温度均匀性,降低因温差导致自耗电极开裂,提高工艺稳定性,进而降低了白斑的形成概率,提高了材料的纯净度和性能。
本发明的具体技术方案如下:
1、改进型真空自耗装置
㈠在真空自耗炉内设置了电磁感应线圈。
㈡过渡电极与自耗电极间采用同轴对中布置,过渡电极与自耗电极之间采用真空自耗炉内焊接、搅拌摩擦焊接或电渣重熔焊接实现冶金结合。
㈢清理过渡电极和自耗电极表面、结晶器内表面及真空室内表面挥发物和沉积物;
㈣结晶器安装到工位上,将过渡电极与自耗电极组成的整体放入结晶器内,过渡电极与拉杆卡头进行连接,其中,过渡电极与拉杆间有耐高温密封圈密封形成氦冷却通道;拉杆上配备拉杆内部氦气入口和拉杆内部氦气出口;通过向拉杆内部氦气入口内充入氦气,关闭拉杆内部氦气出口,监测漏气度及压力,若经过5min后,压力无变化,证明密封性良好。
2、真空自耗冶炼方法
㈠待过渡电极与拉杆卡头连接好,且过渡电极与拉杆间耐高温密封圈密封性良好,下降真空室,使其与结晶器紧密接触,真空室⑽与结晶器⑾间有耐高温绝缘线圈进行密封;对真空室抽真空,将真空度降低至10Pa~1Pa及以下。
㈡开启电磁感应加热线圈,缓慢加热自耗电极,使自耗电极温度缓慢升高,自耗电极的加热温度在1000℃以下,加热过程中,自耗电极的周向、径向和轴向温度差不超过20℃;电磁感应加热过程中,向拉杆内部氦气入口通入氦气,以降低拉杆温度,防止拉杆温度过高引起的拉杆变形。
㈢待自耗电极加热至预设温度后,停止电磁感应加热,下降自耗电极,自耗电极与结晶器底部的底水箱接触起弧,起弧阶段采用大电流加热,快速形成金属熔池,减少底部到边率差的铸锭高度;金属熔池形成后,通过氦气入口充入氦气对铸锭进行强冷却,氦气压力检测出口⒀用来检测氦气压力。
㈣转入正常熔炼阶段,调节氦气入口的流量来调节自耗电极的温度,使整个冶炼过程的电流、电压、熔滴数和熔化率均不发生变化,保持弧长和弧光的稳定性。
㈤进入填充阶段采用大功率、大电流和低熔速填充工艺,通过增大氦气入口的流量降低自耗电极的温度,降低熔速,提高供电电流和功率来维持电极熔化,大电流搅动熔池,加强熔池流动,增强补缩效果,可将补缩区域上移动20mm~50mm。
本发明的创新点说明:
⑴在真空自耗炉内设置了电磁感应加热线圈,在真空自耗冶炼起弧前,通过电磁感应加热线圈缓慢加热自耗电极,使自耗电极温度缓慢升高至100℃~1100℃,降低真空自耗冶炼起弧阶段及后续正常熔炼阶段自耗电极内部温度差,产生裂纹的风险降低,进而降低白斑形成的概率。
⑵在真空自耗冶炼起弧阶段,可加速自耗电极的熔化速度,使熔池快速形成,提高到边率,使冶炼过程快速进入正常熔炼阶段,减少铸锭底部凝固质量较差的高度,进而提高材料的利用率。
⑶在过渡电极与拉杆间有耐高温的密封圈密封形成氦气冷却通道,在正常熔炼阶段,通过调整拉杆上氦气入口的流量,经过氦冷却通道,调节自耗电极温度进而使电压、电流、熔速和熔滴数保持恒定,使弧光和弧长保持稳定。
(4)在补缩充填阶段,通过调整拉杆内部氦气入口的流量,降低自耗电极温度,可实现大功率,大电流,低熔速填充工艺,增加熔池搅拌,提高熔池温度。铸锭顶部补缩效果明显改善,缩孔区域上移或基本消除,且缩孔位于电极顶部,减小铸锭顶部的切除量,提高材料利用率。
本发明的有益之处:
⑴降低起弧阶段及后续正常熔炼阶段自耗电极内部温度差,降低产生裂纹风险,降低白斑形成概率;⑵起弧阶段可加速自耗电极的熔化速度,减少铸锭底部凝固质量较差的高度,进而提高利用率;⑶氦气冷却通道调节自耗电极温度进而使电压、电流、熔速和熔滴数保持恒定,使弧光和弧长保持稳定;(4)铸锭顶部补缩效果明显改善,缩孔区域上移或基本消除,提高材料利用率。
附图说明
图1改进型真空自耗装置;
图标:1-电源、2-拉杆内部氦气出口1、3-拉杆、4-拉杆内部氦气入口1、5-拉杆卡头、6-耐高温密封圈、7-过渡电极、8-自耗电极、9电磁感应线圈、10-真空室、11-结晶器、12-氦气入口2、13-氦气压力检测出口。
具体实施方式
实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5均采用改进型真空自耗装置。
如图1所示,在真空自耗炉真空室10内设置了电磁感应线圈9;结晶器11安装到工位上,将过渡电极7与自耗电极8组成的整体放入结晶器11内,过渡电极7与自耗电极8间采用同轴对中布置,之间采用真空自耗炉内焊接、搅拌摩擦焊接或电渣重熔焊接结合;过渡电极7与拉杆卡头5进行连接,过渡电极7与拉杆3间有耐高温密封圈6密封形成氦冷却通道;拉杆3上配备拉杆内部氦气入口1-4和拉杆内部氦气出口1-2;结晶器⑾外部设置氦气入口2-12和氦气压力检测出口13。
实施例1
采用上述改进型真空自耗装置及真空自耗方法制备GH4169合金铸锭,自耗电极直径φ370mm~φ460mm,长度2000mm~5000mm;结晶器的内径为508mm。采用常规冶炼方式,电压20V~30V,电流2000A~10000A,熔速1.5kg/min~4.5kg/min,弧长2mm~20mm。真空自耗起弧前未对自耗电极进行预热,未开启拉杆内部氦气入口1的气体流量。
起弧阶段,铸锭底部建立熔池速度慢,到边率低且凝固质量较差,切除的铸锭高度为100mm~140mm;熔炼过程中,由于自耗电极内较大温度差导致熔速微小波动,弧光和弧长波动,白斑形成概率为10%。填充阶段,只能采用小功率、小电流和小熔速进行填充,填充效果差,铸锭缩孔距铸锭顶部50mm~120mm,顶部需要切除的高度为100mm~150mm。
实施例2
采用上述改进型真空自耗装置及真空自耗方法制备GH4169合金铸锭,自耗电极直径φ370mm~φ460mm,长度2000mm~5000mm;结晶器的内径为508mm。采用改进型真空自耗装置,电压20V~30V,电流2000A~10000A,熔速1.5kg/min~4.5kg/min,弧长2mm~20mm,拉杆内部氦气流量10mL/min~1000L/min。真空自耗起弧前将自耗电极预热至300℃~900℃,自耗电极内温度差低于20℃;正常熔炼阶段,通过调整拉杆内部氦气入口1的气体流量调节自耗电极温度进而使电压、电流、熔速和熔滴数保持恒定,使弧光和弧长保持稳定;在填充阶段,增加拉杆内部氦气入口1的气体流量,降低自耗电极温度,进行大功率、大电流及低熔速填充,增加熔池搅拌,提高熔池温度。
起弧阶段,铸锭底部快速建立熔池,到边率低且凝固质量较差需要切除的铸锭高度降低至70mm~130mm;熔炼过程中,由于自耗电极内较小温度差,熔速稳定,弧光和弧长较为稳定,白斑形成概率降低至7%;填充阶段,采用大功率、大电流和小熔速进行填充,填充效果好,铸锭缩孔距铸锭顶部40mm~90mm,顶部需要切除的高度为80mm~130mm。
实施例3
采用上述改进型真空自耗装置及真空自耗方法制备GH4169合金铸锭,自耗电极直径φ480mm~φ560mm,长度2000mm~5000mm;结晶器的内径为660mm。采用改进型真空自耗装置,电压20V~30V,电流2000A~10000A,熔速1.5kg/min~5.5kg/min,弧长2mm~20mm,拉杆内部氦气流量10mL/min~1000L/min。真空自耗起弧前将自耗电极预热至300℃~900℃,自耗电极内温度差低于20℃。正常熔炼阶段,通过调整拉杆内部氦气入口1的气体流量调节自耗电极温度进而使电压、电流、熔速和熔滴数保持恒定,使弧光和弧长保持稳定;在填充阶段,增加拉杆内部氦气入口1的气体流量,降低自耗电极温度,进行大功率、大电流及低熔速工艺填充,增加熔池搅拌,提高熔池温度。
起弧阶段,铸锭底部快速建立熔池,到边率低且凝固质量较差需要切除的铸锭高度降低至70mm~100mm;熔炼过程中,由于自耗电极内较小温度差低,熔速稳定,弧光和弧长较为稳定,白斑形成概率降低至7%;填充阶段,采用大功率、大电流和小熔速进行填充,填充效果好,铸锭缩孔距铸锭顶部40mm~80mm,顶部需要切除的高度为80mm~150mm。
实施例4
采用上述改进型真空自耗装置及真空自耗方法制备GH4175/GH4251/GH4151难变形合金铸锭,自耗电极直径φ370mm~
φ460mm,长度2000mm~5000mm;结晶器的内径为508mm。采用常规冶炼方式,电压20V~30V,电流2000A~10000A,熔速1.5kg/min~4.5kg/min,弧长2mm~20mm。真空自耗起弧前未对自耗电极进行预热,未开启拉杆内部氦气入口1的气体流量。
起弧阶段,铸锭底部建立熔池速度慢,到边率低且凝固质量较差,切除的铸锭高度为100mm~150mm;熔炼过程中,由于自耗电极内较大温度差导致熔速微小波动,弧光和弧长波动,白斑形成概率为30%。填充阶段,只能采用小功率、小电流和小熔速工艺进行填充,填充效果差,铸锭缩孔距铸锭顶部70mm~110mm,顶部需要切除的高度为100mm~150mm。
实施例5
采用上述改进型真空自耗装置及真空自耗方法制备GH4175/GH4251/GH4151难变形合金铸锭,自耗电极直径φ370mm~φ460mm,长度2000mm~5000mm;结晶器的内径为508mm。采用改进型真空自耗装置,电压20V~30V,电流2000A~10000A,熔速1.5kg/min~4.5kg/min,弧长2mm~20mm,拉杆内部氦气流量10mL/min-1000L/min。真空自耗起弧前将自耗电极预热至300℃~900℃,自耗电极内温度差低于20℃;正常熔炼阶段,通过调整拉杆内部氦气入口1的气体流量调节自耗电极温度进而使电压、电流、熔速和熔滴数保持恒定,使弧光和弧长保持稳定;在填充阶段,增加拉杆内部氦气入口1的气体流量,降低自耗电极温度,进行大功率、大电流及低熔速工艺填充,增加熔池搅拌,提高熔池温度。
起弧阶段,铸锭底部快速建立熔池,到边率低且凝固质量较差需要切除的铸锭高度降低至70mm~100mm;熔炼过程中,由于自耗电极内较小温度差低,熔速稳定,弧光和弧长较为稳定,白斑形成概率降低至15%;填充阶段,采用大功率、大电流和小熔速进行填充,填充效果好,铸锭缩孔距铸锭顶部50mm~90mm,顶部需要切除的高度为90mm~150mm。

Claims (4)

1.一种改进型真空自耗装置,其特征在于,
㈠在真空自耗炉内设置了电磁感应线圈⑼;
㈡过渡电极⑺与自耗电极⑻采用同轴对中布置,过渡电极⑺与自耗电极⑻间采用真空自耗炉内焊接、搅拌摩擦焊接或电渣重熔焊接实现冶金结合;
㈢过渡电极(7)和自耗电极(8)表面清洁,清除结晶器(11)内表面及真空室(12)内表面挥发物和沉积物;
㈣结晶器⑾安装到工位上,将过渡电极(7)与自耗电极(8)组成的整体放入结晶器⑾内,过渡电极(7)与拉杆卡头(5)进行连接,其中,过渡电极(7)与拉杆(3)间有耐高温密封圈(6)密封,形成氦冷却通道;拉杆(3)上配备拉杆内部氦气入口1(4)和拉杆内部氦气出口1(2)。
2.根据权利要求1所述一种改进型真空自耗装置,其特征在于,向所述拉杆内部氦气入口1(4)内充入氦气,关闭拉杆内部氦气出口1(2),监测漏气度及压力,若经过5min后,压力无变化,证明密封性良好。
3.根据权利要求1所述一种改进型真空自耗装置的真空自耗冶炼方法,其特征在于,
㈠待过渡电极(7)与拉杆卡头(5)连接好,且过渡电极(7)与拉杆(3)间耐高温密封圈(6)密封性良好,下降真空室⑽,使其与结晶器⑾紧密接触,真空室⑽与结晶器⑾间有耐高温绝缘线圈进行密封;对真空室抽真空,将真空度降低至10Pa~1Pa及以下;
㈡开启电磁感应加热线圈(9),缓慢加热自耗电极(8),使自耗电极(8)温度缓慢升高,自耗电极(8)的加热温度在1000℃以下,加热过程中,自耗电极(8)的周向、径向和轴向温度差不超过20℃;电磁感应加热过程中,向拉杆内部氦气入口1(4)通入氦气,以降低拉杆(3)温度,防止拉杆(3)温度过高引起的拉杆(3)变形;
㈢待自耗电极(8)加热至预设温度后,停止电磁感应加热,下降自耗电极(8),自耗电极(8)与结晶器⑾底部的底水箱接触起弧,起弧阶段采用大电流加热,快速形成金属熔池,减少底部到边率差的铸锭高度;
㈣转入正常熔炼阶段,调节拉杆内部氦气入口1(4)的流量来调节自耗电极(8)的温度,使整个冶炼过程的电流、电压、熔滴数和熔化率均不发生变化,保持弧长和弧光的稳定性;
㈤进入填充阶段采用大功率、大电流和低熔速填充工艺,通过增大拉杆内部氦气入口1(4)的流量降低自耗电极的温度,降低熔速,提高供电电流和功率来维持电极熔化,大电流搅动熔池,加强熔池流动,增强补缩效果,可将补缩区域上移动20mm~50mm。
4.根据权利要求3所述真空自耗冶炼方法,其特征在于,所述金属熔池形成后,通过氦气入口2⑿充入氦气对铸锭进行强冷却;氦气压力检测出口⒀用来检测氦气压力。
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