CN1923409A - 非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，炉体带有加热装置，炉体内部设有坩埚，炉盖带有进气口和加料口、并配有冷却机构，炉膛底部设有下浇口，坩埚底部配有底碗，底碗上的浇口与一根竖直方向的塞棒相接触，塞棒的底部与引锭头相连，引锭头对塞棒的上下位置进行调节；底碗的下方与结晶器相连，结晶器与炉体底板的冷却机构相固定，结晶器内配有石墨内套；结晶器中带有冷却水槽，以便在铸造过程中快速降低铸锭温度；引锭头上设有燕尾槽，浇铸时熔体凝固在燕尾槽中起到牵引作用，引锭头与调节机构相连。该设备的整个熔炼与铸造过程在保护气体下进行，烧损率低，脱氧脱氢效果好，易于实行大规模连续化作业，铸锭质量明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及易氧化金属及合金的熔炼铸造设备，尤其涉及易氧化金属及合金非真空条件下熔炼与连续铸造相结合的设备，属于有色金属加工技术领域。
背景技术
易氧化金属及合金一般采用真空熔炼和锭模铸锭(非连续铸锭)，其主要过程：先将合金元素按比例配好，装入真空炉中，同时将模具也放入真空炉内，抽真空至10-3Pa以下开始加热熔炼，熔炼结束之后直接在真空炉内浇铸。这种熔炼和铸造方法，由于炉内具有很高的真空度，氧的气体分压极低，从动力学上阻止了熔炼金属的氧化烧损。熔炼过程中，熔体中含有一定量的氧和氢，熔体内部与熔炼环境之间因浓度梯度产生很大的化学位，使得熔体中的氧和氢能够快速向熔炼环境扩散，可以有效脱氧脱氢。
真空熔炼和锭模铸锭方法存在以下问题：①由于真空炉在熔炼过程中需要较高的真空度，对炉体的密封性要求很高，熔炼时不能进行成分测量、成分调整和拔渣等操作，因此对原料的成分和杂质含量要求很高；②真空炉中一般采用生铁模铸锭而不用水冷，铸锭易发生晶体粗化，在变形工艺中很容易出现裂纹，降低了板带成品率；③真空炉熔炼和锭模铸锭本身都是不连续操作，使其只能进行小规模生产，不能进行连续化大规模生产，限制了其产业化前景。
因此，人们尝试研究开发非真空条件下熔炼和铸造易氧化金属及合金的技术，以取代真空熔炼和锭模铸锭法；而非真空熔炼技术的开发，非真空炉和铸造设备的设计非常关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种易氧化金属及合金非真空条件下熔炼与连续铸造相结合的设备，使得熔炼烧损率低、脱氧脱氢效果好，并能在线及时测量和调整合金成分，实现连续化大规模生产。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，包括炉体、炉盖、坩埚、塞棒、结晶器，炉体带有加热装置，给熔炼过程提供能量，炉体内部设有坩埚，易氧化金属及合金在坩埚中进行熔炼，炉盖带有一个进气口、一个观察窗和一个加料口、并配有冷却机构，炉体的炉膛底部设置有下浇口，其特征在于：坩埚底部配有底碗，底碗上的浇口与一根竖直方向的塞棒相接触，塞棒的底部与引锭头相连，引锭头对塞棒的上下位置进行调节，阻止或限制熔炼过程中金属熔体下流；底碗的下方与结晶器相连，结晶器与炉体底板的冷却机构相固定，结晶器内配有石墨内套，石墨内套的上部嵌入底碗中并与底碗内壁紧密配合，石墨内套下部与结晶器紧密配合；结晶器中带有冷却水槽，以便在铸造过程中快速降低铸锭温度；引锭头上设有燕尾槽，浇铸时熔体凝固在燕尾槽中起到牵引作用，引锭头与调节机构相连，调节机构带动引锭头上下运动。
进一步地，上述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，底碗与坩埚之间采用超高温修补剂粘结；塞棒的底部通过燕尾槽与引锭头相连；所述底碗的材质为石墨；所述坩埚、塞棒和下浇口的材质为石墨或氧化锆或氧化镁。
再进一步地，上述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，所述炉盖和炉体底板的冷却机构均为水冷机构。
更进一步地，上述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，所述调节机构为螺旋调节机构，包括平台、丝杆、导杠和底座，导杠连接固定在底座上，引锭头固定在平台上，丝杆带动平台上下移动，导杠引导平台上下移动并控制垂直度。
于是，本发明便提供出一种易氧化金属及合金非真空条件下熔炼与连续铸造相结合的设备，该设备在保护气体存在的非真空状态下操作，熔炼炉底部直接与结晶器相连，采用下浇方式铸锭，浇铸时，底碗充满熔体之后就不在与空气接触，从而减少氧化，并且铸锭表面质量较好。由于保护气体采用高纯度的氮气、氩气等惰性气体，其中氧和氢的分压很低，可以显著降低氧化烧损，加速熔体内部氧和氢的扩散，起到良好的熔炼与浇铸效果。本发明可采用感应加热方式供给热量，所有接触件都采用石棉绳密封，有很好的保温性；炉盖上面设置有观察窗，通过观察窗可以全程监控熔炼过程；也可在熔炼过程中将惰性气体通入熔体进行脱气，根据分析结果及时从加料口向设备内部加入原料，调节合金的成分配比；石墨塞棒不仅在熔炼过程中起到密封作用，而且在铸锭时具有一定的牵引作用；此外，下浇的铸锭方式对于拔渣操作非常方便，使得该设备易于实行大规模连续化作业，其经济效益十分显著。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1是本发明非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备结构示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
| 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 | 附图标记 | 含义 |
| 1 | 保护气体进口 | 2 | 观察窗 | 3 | 水冷炉盖 |
| 4 | 加料口 | 5 | 炉膛 | 6 | 感应线圈 |
| 7 | 水冷炉底 | 8 | 石墨坩埚 | 9 | 结晶器 |
| 10 | 石墨内套 | 11 | 引锭头 | 12 | 底碗 |
| 13 | 石墨塞棒 | 14 | 铸造平台 | 15 | 导杠 |
| 16 | 丝杠 |
具体实施方式
如图1，非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，包括炉体和水冷炉盖3，炉体带有感应线圈加热装置6，给熔炼过程提供热量，炉体内部设有坩埚8，易氧化金属及合金在坩埚8中进行熔炼；炉盖3带有一个进气口1、一个观察窗2和一个加料口4，并且配有水冷机构；坩埚8底部配有石墨底碗12，石墨底碗的上部有一浇口并与一根竖直方向的塞棒13相接触，塞棒13的底部通过燕尾槽与引锭头11相连，调节引锭头11来牵引塞棒13上下运动，阻止或限制熔炼过程中金属熔体下流；炉体底部设有水冷底板7，结晶器9固定在水冷底板7上，结晶器9内设有石墨内套10；石墨内套10与底碗12之间经过打磨后刚好紧密接触，石墨内套10下部与结晶器9紧密配合；结晶器9中带有冷却水槽，以便铸造过程快速降低铸锭温度；引锭头11上设有燕尾槽，浇铸时熔体凝固在燕尾槽中可以起到牵引作用；引锭头11固定在铸造平台14上，铸造平台14的上下移动带动引锭头11运动，铸造平台14由丝杠16牵引，导杠15引导上下移动并控制垂直度，导杠15与设备底座连接固定。坩埚8、塞棒13和下浇口的材质为石墨或氧化锆或氧化镁等，根据熔炼合金成分而定；底碗12的材质为石墨，石墨底碗12与坩埚8之间采用超高温修补剂粘结；炉盖和炉体底板的冷却机构均为水冷机构，避免了感应发热而带来炉盖和炉体底板温度的升高。
应用本发明提供的设备操作时，以高纯度的氮气、氩气等惰性气体作为保护气体，将熔炼原料装入炉膛5，打开气阀从进气口1通入保护气体，直至保护气体充满炉膛5，多余气体经由加料口4排出。然后关小保护气体阀门，维持炉内保护气体压力大于1.015×105Pa，在0～30KW功率下预热炉膛至100℃以上，进而增大功率将原料加热熔化，在熔炼金属熔点以上100～500℃，加入其它亲氧性较强的合金元素、脱氧剂和细化晶粒剂，保温一定时间，进行成分测定和脱氧脱氢。熔炼完毕，打开水冷阀，控制引锭头11快速下降，下降速度为7～8m/h，使熔体充满底碗12，之后减缓引锭的下降速度至3～4m/h，同时加大冷却水流量，直到铸锭过程结束。
下面结合图1以熔炼和浇铸Cu-Cr-Zr合金和Cu-Ti合金为例，对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
分别取原料电解铜、铜铬中间合金和锌，取料量见表1，从加料口4投入炉膛5，使其盛于坩埚8当中，也可以打开炉盖3直接加入原料；盖好盖子和观察窗2，打开保护气阀，从上部进气孔1通入氩气，直到空气从上部加料口4排出、保护气体充满炉膛5、在上部加料口4处点燃火柴会立即熄灭为止。打开感应加热装置6对感应炉体进行加热，功率10KW，时间10分钟，调功率为50KW，加热至熔化，整个加热过程可通过观察窗2进行观察。从加料口4加入铜包锆和镁，熔炼5分钟。然后，降低功率至30KW，保温10分钟；关掉电源，下降引锭头11进行浇铸。引锭头开始下降速度为7.2m/h，熔体充满石墨底碗之后，调整引锭头下降速度为3.3～3.5m/h，同时，加大结晶器的冷却水量。
上述过程中，所述铜锆中间合金主体成为Cu含量为0～90％，Cr含量为0～50％，Zr含量为0～50％。坩埚8、塞棒13和底碗12采用石墨。原料及铸锭的化学含量见表1，熔炼过程各金属损失率分别为Cu：≤1.0％、Cr：4.9％、Zr：8.18％。铸锭表面光滑，无裂纹，内部气孔和夹杂少，铸锭晶粒度为0.5um左右。
表1
| 原料 | 电解铜 | Cu-25Cr | 锆丝 | 镁 |
| 重量/g | 100Kg | 1784 | 165 | 55 |
| 铸锭 | Cu | Cr | Zr | Mg |
| 含量/W％ | 余量 | 0.42 | 0.15 | 0.04 |
| 熔损率/％ | ≤1.0 | 4.9 | 8.18 | 7.3 |
实施例2
以电解铜和海绵钛为原料，采用与实施例1相同的条件实施本发明。原料及铸锭的化学含量见表2，熔炼过程各金属损失率分别为：Cu：≤1.0％、Ti：3.4％。铸锭表面光滑，无裂纹，内部气孔和夹杂少，铸锭晶粒度为0.1um左右。
表2
| 原料 | 电解铜 | 海绵钛 |
| 重量/g | 100Kg | 4100 |
| 铸锭 | Cu | Ti |
| 含量/W％ | 余量 | 3.8 |
| 熔损率/％ | ≤1.0％ | 3.4 |
以上实施例表明，本发明采用非真空的方法即在保护气体气氛中对易氧化金属及合金进行熔炼及半连续铸造，在保护气层中，氧和氢气的分压很小，加速了熔体中氧和氢的扩散，氧和氢气的密度小，上浮至炉膛上部出气口并及时排出，脱氧脱氢效果好。而且，该设备可以及时在线测量和调整合金成分；结晶器采用快速水冷，使铸锭组织细化，气孔和夹杂少，铸锭表面光滑，无裂纹，彻底解决了真空熔炼和锭模铸造成本昂贵和难以规模化生产等问题。
以上通过具体实施例对本发明技术方案作了进一步说明，给出的例子仅是应用范例，不能理解为对本发明权利要求保护范围的一种限制。
Claims (7)
1.非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，包括炉体、炉盖、坩埚、塞棒、结晶器，炉体带有加热装置，给熔炼过程提供能量，炉体内部设有坩埚，易氧化金属及合金在坩埚中进行熔炼，炉盖带有一个进气口、一个观察窗和一个加料口、并配有冷却机构，炉体的炉膛底部设置有下浇口，其特征在于：坩埚底部配有底碗，底碗上部有浇口并与一根竖直方向的塞棒相接触，塞棒的底部与引锭头相连，引锭头对塞棒的上下位置进行调节，阻止或限制熔炼过程中金属熔体下流；底碗的下方与结晶器相连，结晶器与炉体底板的冷却机构相固定，结晶器内配有石墨内套，石墨内套的上部嵌入底碗中并与底碗内壁紧密配合，石墨内套下部与结晶器紧密配合；结晶器中带有冷却水槽，以便在铸造过程中快速降低铸锭温度；引锭头上设有燕尾槽，浇铸时熔体凝固在燕尾槽中起到牵引作用，引锭头与调节机构相连，调节机构带动引锭头上下运动。
2.根据权利要求1所述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，其特征在于：底碗与坩埚之间采用超高温修补剂粘结。
3.根据权利要求1所述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，其特征在于：塞棒的底部通过燕尾槽与引锭头相连。
4.根据权利要求1或2所述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，其特征在于：所述底碗的材质为石墨。
5.根据权利要求1所述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，其特征在于：所述坩埚、塞棒和下浇口的材质为石墨或氧化锆或氧化镁。
6.根据权利要求1所述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，其特征在于：所述炉盖和炉体底板的冷却机构均为水冷机构。
7.根据权利要求1所述的非真空熔炼铸造易氧化金属及合金的设备，其特征在于：所述调节机构为螺旋调节机构，包括平台、丝杆、导杠和底座，导杠连接固定在底座上，引锭头固定在平台上，丝杆带动平台上下移动，导杠引导平台上下移动并控制垂直度。
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