CN211057208U - 一种钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，属于铸锭生产技术领域。该装置包括括炉体、抽真空系统、铸锭传送系统和电子枪系统等结构。本实用新型采用高能电子束扫描钛或者钛合金扁锭表面，使其快速熔化形成熔池，在重力的作用下自行形成水平面后凝固，达到消除铸锭表面缺陷并实现平整的目的，提高了钛及钛合金扁锭的成材率。本实用新型对具有缩颈、裂纹、裂口、豁口等缺陷程度较大的铸锭，通过高能电子束将补充的物料与铸锭熔化为一体，避免了现有技术中对整块铸锭进行锯切分割和深度修磨，保证了铸锭的整体性。

Description

一种钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置

技术领域

本实用新型属于铸锭生产技术领域，具体涉及一种钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置。

背景技术

目前，主要采用真空自耗电弧熔炼炉和大型电子束冷床熔炼炉来生产钛及钛合金铸锭，真空自耗电弧熔炼炉只能生产圆锭，大型电子束冷床熔炼炉可用来生产钛及钛合金的圆锭和扁锭。大型电子束冷床炉生产铸锭的过程中，由于受熔铸工艺或者结晶器内表面粗糙度的影响，通常铸锭表面凹凸不平，具有折层、冷隔、溢流片、孔洞、缩颈、裂纹、裂口、豁口等缺陷。当缺陷程度较小时，需要采用机加工设备进行铣削处理，获得较平整的表面以便后续锻造、轧制等延伸加工；当缺陷程度严重时，需要将整个铸锭进行分割处理，将缺陷严重的部位锯切掉，这样一来铸锭长度减短，有可能不够轧制板卷，只能将用途进行改变。铣削加工会导致钛及钛合金铸锭的成材率降低5%～10%，分割处理不仅造成铸锭成材率降低，而且导致铸锭的用途改变，从而导致资源的浪费以及铸锭成本升高。因此如何克服现有技术的不足是目前铸锭生产技术领域亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，包括炉体、抽真空系统、铸锭传送系统和电子枪系统；

所述的炉体通过管路直接与抽真空系统连接；电子枪系统安装在炉体的上方；

所述铸锭传送系统包括炉体外轨道和炉体内传送系统，所述炉体内传送系统包括伺服电机驱动的丝杆和传送小车，丝杆固定在炉体内中，所述传送小车通过丝杆在炉体内行驶；传送小车通过炉体外轨道在炉体外行驶。

进一步，优选的是，所述的炉体安装有前门和后门，且炉体上方安装有观察窗。

进一步，优选的是，传送小车上有铸锭夹持机构。

进一步，优选的是，所述铸锭夹持机构能够固定1个平放的扁锭或者2个侧立的扁锭；传送小车在炉内的运行速度在0mm/min至300mm/min之间连续可调。

进一步，优选的是，所述电子枪系统包括左电子枪和右电子枪，并且并排排列。

进一步，优选的是，所述左电子枪和右电子枪为热阴极电子枪或者冷阴极电子枪，额定功率为80kW至350kW。

一种钛及钛合金扁锭电子束表面熔整工艺，采用上述钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，包括以下步骤：

S1、准备钛或者钛合金扁锭；

S2、将扁锭装载在传送小车上并送入炉体；

S3、启动抽真空系统，将炉内抽成预设的真空环境；

S4、启动电子枪系统，以预设的电子束扫描图形对扁锭表面进行扫描，使扫描区域的表面熔化形成熔池，在重力的作用下自行形成水平面；

S5、传送小车按预设速度移动，实现整个扁锭表面的顺序扫描熔化和凝固，达到扁锭表面熔整的目的；

S6、单面熔整完将扁锭送出炉体；

S7、扁锭在炉外翻转后，重复S1～S6的步骤对扁锭其余表面的熔整。

进一步，优选的是，步骤S1所述的钛或者钛合金扁锭的规格尺寸为：长度1000mm至9000mm，宽度1000mm至1600mm，厚度200mm至500mm。

进一步，优选的是，若钛或者钛合金扁锭为具有折层、冷隔、溢流片、孔洞的扁锭，对其表面清洁后即可装载在传送小车上并送入炉体；

若钛或者钛合金扁锭为具有缩颈、裂纹、裂口、豁口的扁锭，在对其表面清洁后，须在缺陷位置放置与缺陷体积相近、成分相同的物料，之后装载在传送小车上并送入炉体。

进一步，优选的是，步骤S3中，所述的预设的真空环境为真空度小于1×10^-2Pa的真空环境；

步骤S4中，所述的扫描图形为长方形或者圆形；

步骤S5中，所述的预设移动速度在0mm/min至300mm/min之间。

本实用新型涉及原理：电子束由电子枪发射，在高真空条件下，电子枪的阴极由于高压电场的作用被加热而发射出电子，电子汇集成束，电子束在加速电压的作用下，以极高的速度向阳极运动，穿过阳极后，在聚焦线圈和偏转线圈的作用下，准确地轰击到物料上，使物料被熔化形成熔池。电子束具有轰击可实现超过3000℃的局部高温，可以熔化绝大多数常用材料，因此本实用新型采用此原理对钛及钛合金扁锭表面进行熔整，并设计了熔整装置。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果为：

（1）本实用新型利用高能电子束将不平整的钛或者钛合金铸锭表面快速熔化形成熔池，在重力的作用下形成平面后凝固，实现了铸锭表面的平整，省去现有技术中铣面、修磨工序，提高了铸锭的成材率5~10%。

（2）本实用新型对具有缩颈、裂纹、裂口、豁口等缺陷程度较大的铸锭，通过高能电子束将补充的物料与铸锭熔化为一体，避免了现有技术中对整块铸锭进行锯切分割和深度修磨，保证了铸锭的整体性。

（3）本实用新型使用两把电子枪，提高了熔整效率，并排安装使得电子束扫描的范围更宽，能够处理的扁锭尺寸范围更宽。

附图说明：

图1为本实用新型装置的主视结构示意图；

图2为炉体的侧视结构示意图；

图3为采用实用新型装置进行钛及钛合金扁锭表面熔整工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限定本实用新型的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例1

如图1和图2所示，一种钛及钛合金扁锭表面电子束熔整装置，主要包括炉体1、抽真空系统2、传送小车3、丝杆4、炉前轨道5、炉后轨道6、右电子枪7和左电子枪8；

炉前轨道5、炉后轨道6共同构成炉体外轨道；所述铸锭传送系统包括炉体外轨道和炉体内传送系统，所述炉体内传送系统包括伺服电机驱动的丝杆4和传送小车3，丝杆4固定在炉体1内中，所述传送小车3通过丝杆4在炉体内行驶；传送小车3通过炉体外轨道在炉体外行驶。

炉体1与抽真空系统2通过管道连接，右电子枪7和左电子枪8安装在炉体1内的上方，扁锭9装载在传送小车3上，通过炉前轨道5、丝杆4、炉后轨道6实现传送，伺服电机控制的丝杆4可以实现一定速度的稳定移动，丝杆4安装在炉体1内，本实用新型对于丝杆4的具体安装位置没有限制，只要能实现其功能即可。

所述炉体1为钢结构炉体。

所述炉体1安装有前门和后门，并能够保持真空度小于1×10^-2Pa的真空环境。

所述炉体1上方安装有铅玻璃观察窗。

所述炉体1长度为20m，宽度为2m，高2.6米。

所述抽真空系统2由水环泵、罗茨泵和扩散泵组合形成，通过并联模式与炉体相连，所述扩散泵安装有变频调节装置。

所述抽真空系统2能够在2小时以内实现炉体内真空度小于1×10^-2Pa的真空环境。

所述传送小车3上有铸锭夹持机构，所述夹持机构能够固定1个平放的扁锭或者2个侧立的扁锭。

所述传送小车3在炉内的运行速度在0mm/min至300mm/min连续可调。

所述左电子枪8和右电子枪7均安装在炉体1上方并且安装在同一排。

所述左电子枪8和右电子枪7为冷阴极电子枪。

所述左电子枪8和右电子枪7额定功率为80kW至350kW，本实施例采用200kW。

所述左电子枪8和右电子枪7的扫描图形可以编辑为长方形和圆形。

图3是电子束熔整工艺的流程图，为了更好地说明本实施例钛或者钛合金扁锭的表面熔整工艺，以下结合图1和图2，对熔整工艺详细描述。

首先执行步骤S1，准备钛或者钛合金扁锭9。

本实施例中，所述的扁锭9的牌号为TA1、TA2或者TA10，尺寸规格为:长度1000mm至9000mm，宽度1000mm至1600mm，厚度200mm至500mm。为了避免扁锭9表面落尘及粘附油污导致在熔整过程中引入杂质，要对即将熔整的扁锭9表面上的灰尘和油污进行清理。

需要说明的是，对具有折层、冷隔、溢流片、孔洞等缺陷程度较小的扁锭9，对其表面清洁后即可，对具有缩颈、裂纹、裂口、豁口等缺陷程度较大的扁锭9，对其表面进行清洁处理后，在相应缺陷位置放置与缺陷体积相近、成分相同的散料，同时对缺陷位置的坐标进行记录。

接着执行步骤S2，装载扁锭9并送入炉体1。

本实施例中，将传送小车3开到炉前轨道5上，将扁锭9平载在传送小车3上，开动传送小车3将扁锭9送入炉体1内。

需要说明的是，为了简化操作电子束的扫描工艺，当熔整扁锭9的宽面时，扁锭9要居中摆放在传送小车3上，长度方向与传送小车3的长边平行；当熔整扁锭9的窄面时，扁锭9要摆放在电子枪7或者电子枪的8正下方，或者可以在电子枪7或者电子枪的8下发各摆放一个侧立的扁锭。为了防止扁锭9在传送小车3运行过程中发生移动，需要将扁锭9固定在传送小车3上。

接着执行步骤S3，启动抽真空系统2，将炉内抽成预设的真空环境。

本实施例中，启动抽真空系统2，将炉内抽成真空度小于1×10^-1Pa的真空环境并保持。

需要说明的是，电子束的稳定性显著受真空度的稳定性影响，由于真空泵组会持续对炉体1内抽气，炉体1内的真空度会越来越低，要通过抽真空系统2的变频调节装置进行抽速调节，使炉体1真空度保持基本稳定。

接着执行步骤S4，启动电子枪系统，以预设的电子束扫描图形对扁锭表面进行扫描，使扫描区域的表面熔化形成熔池，在重力的作用下自行形成水平面。

本实施例中，启动左电子枪8和右电子枪7，电子枪扫描图形切换成长方形。为了提高熔整效率，左电子枪8和右电子枪7的工作电压控制在28KV至32KV，工作电流控制在3A至8A，扫描频率设定为10HZ。当扫描扁锭9宽面时，左电子枪8和右电子枪7长方形扫描图形的宽度为200mm，单枪长度能够刚好覆盖锭宽的一半，两枪合起来的扫描长度能够覆盖整个锭宽；当扫描扁锭9窄面时，单枪扫描宽度刚好覆盖整个锭宽，扫描长度为80~250mm。

需要说明的是，对于缺陷程度严重的锭面，要结合步骤S1测定的坐标位置，进行针对性熔整修复，扫描图形要根据缺陷大小，电子枪要采用长方形图形和圆形图形切换扫描修复，通过观察口观察直至缺陷熔整修复。

接着执行步骤S5，传送小车3可按预设速度移动，实现整个铸锭表面的顺序扫描熔化和凝固，达到铸锭表面熔整的目的。

本实施例中，传送小车3按150mm/min速度移动，实现整个铸锭表面的顺序扫描熔化和凝固，达到铸锭表面熔整的目的。

需要说明的是，在熔整缺陷程度严重的锭面时，传送小车3的移动速度要根据观察到的熔整效果及时调整。

接着执行步骤S6，单面熔整完将扁锭送出炉体。

本实施例中，扁锭9单面熔整完后，要在真空状态下冷却30min再破真空，避免表面温度高，空气进入后造成氧化和氮化。

接着执行步骤S7，扁锭9在炉外翻转后，重复S1～S6的步骤，可实现其余扁锭9表面的熔整。

本实施例中，先进行扁锭9两个宽面的熔整，再进行两个窄面的熔整。

实施例2

如图1和图2所示，一种钛及钛合金扁锭表面电子束熔整装置，主要包括炉体1、抽真空系统2、传送小车3、丝杆4、炉前轨道5、炉后轨道6、右电子枪7和左电子枪8；

炉前轨道5、炉后轨道6共同构成炉体外轨道；所述铸锭传送系统包括相互连接的炉体外轨道和炉体内传送系统，所述炉体内传送系统包括伺服电机驱动的丝杆4和传送小车3，丝杆4固定在炉体1内中，所述传送小车3通过丝杆4在炉体内行驶；丝杆4与炉体外轨道相连，传送小车3通过炉体外轨道在炉体外行驶。

炉体1与抽真空系统2通过管道连接，右电子枪7和左电子枪8安装在炉体1内的上方，扁锭9装载在传送小车3上，通过炉前轨道5、丝杆4、炉后轨道6实现传送，伺服电机控制的丝杆4可以实现一定速度的稳定移动，丝杆4安装在炉体1内，本实用新型对于丝杆4的具体安装位置没有限制，只要能实现其功能即可。

所述炉体1为钢结构炉体。

所述炉体1安装有前门和后门，并能够保持真空度小于1×10^-2Pa的真空环境，传送小车3从前门进入，后门出去。

所述炉体1上方安装有铅玻璃观察窗。

所述炉体1长度为20m，宽度为2m，高度为2.6m。

所述抽真空系统2由水环泵、罗茨泵和扩散泵组合形成，通过并联模式与炉体相连，所述扩散泵安装有变频调节装置。

所述抽真空系统2能够在2小时以内实现炉体内真空度小于1×10^-2Pa的真空环境。

所述传送小车3上有铸锭夹持机构，所述夹持机构能够固定1个平放的扁锭或者2个侧立的扁锭。

所述传送小车3在炉内的运行速度在0mm/min至300mm/min连续可调。

所述左电子枪8和右电子枪7均安装在炉体1上方并且安装在同一排。

所述左电子枪8和右电子枪7为冷阴极电子枪。

所述左电子枪8和右电子枪7额定功率为80kW至350kW。

所述左电子枪8和右电子枪7的扫描图形可以编辑为长方形和圆形。

由于电子束是在高真空环境下运行，熔整过程中会导致易挥发元素的损失，造成含易挥发元素的钛合金扁锭成分变动。TC4合金是典型的钛合金，含有5.5%至6.75%的Al元素，Al元素的熔点约为660℃，在真空条件下容易挥发，本实施例以TC4合金扁锭的熔整为例进行工艺描述。

图3是电子束熔整工艺的流程图，为了更好地说明本实施例TC4合金扁锭的表面熔整工艺，以下结合图1和图2，对熔整工艺详细描述如下。

首先执行步骤S1，准备TC4合金扁锭9。

本实施例中，所述的TC4扁锭9的尺寸规格为：长度1000mm至9000mm，宽度1000mm至1600mm，厚度200mm至500mm。为了避免TC4扁锭9表面落尘及粘附油污导致在熔整过程中引入杂质，要对即将熔整的TC4扁锭9表面上的灰尘和油污进行清理。

需要说明的是，为了补充TC4扁锭9表面熔整过程中Al元素的损失以及提高炉体1内的Al蒸汽分压，需要在TC4扁锭表面涂覆一层合金粉末。所述合金粉末由TiAl₃中间合金粉末和单质Al粉末组成，质量分数分别为90%和10%，涂覆量为950g至1150g/m²。

还需要说明的是，对具有缩颈、裂纹、裂口、豁口等缺陷程度较大的TC4扁锭9，对其表面进行清洁处理后，在相应缺陷位置放置与缺陷体积相近的混合料。所述混合料由细粒海绵钛、Al-55V合金粉末和纯Al豆组成，质量分数分别为76%、7.3%和16.7%。同时对填补缺陷位置的坐标进行记录。

接着执行步骤S2，装载TC4扁锭9并送入炉体1。

本实施例中，将传送小车3开到炉前的轨道5上，将TC4扁锭9平载在传送小车3上，开动传送小车3将TC4扁锭9送入炉体1内。

需要说明的是，为了简化操作电子束的扫描工艺，当熔整TC4扁锭9的宽面时，TC4扁锭9要居中摆放在传送小车3上，长度方向与传送小车3的长边平行；当熔整TC4扁锭9的窄面时，TC4扁锭9要摆放在电子枪7或者电子枪的8正下方，或者可以在电子枪7或者电子枪的8下发各摆放一个侧立的TC4扁锭。为了防止TC4扁锭9在传送小车3运行过程中发生移动，需要将TC4扁锭9固定在传送小车3上。

接着执行步骤S3，启动抽真空系统2，将炉内抽成预设的真空环境。

本实施例中，启动抽真空系统2，将炉内抽成真空度小于1×10^-1Pa的真空环境并保持。

需要说明的是，电子束的稳定性显著受真空度的稳定性影响，由于真空泵组会持续对炉体1内抽气，炉体1内的真空度会越来越低，要通过抽真空系统2的变频调节装置进行抽速调节，使炉体1真空度保持基本稳定。

接着执行步骤S4，启动电子枪系统，以预设的电子束扫描图形对TC4扁锭表面进行扫描，使扫描区域的表面熔化形成熔池，在重力的作用下自行形成水平面。

本实施例中，启动左电子枪8和右电子枪7，电子枪扫描图形切换成长方形。为了提高熔整效率，左电子枪8和右电子枪7的工作电压控制在28KV至32KV，工作电流控制在5A至8A，扫描频率设定为15HZ。当扫描TC4扁锭9宽面时，左电子枪8和右电子枪7长方形扫描图形的宽度为200mm，单枪长度能够刚好覆盖锭宽的一半，两枪合起来的扫描长度能够覆盖整个锭宽；当扫描TC4扁锭9窄面时，单枪扫描宽度刚好覆盖整个锭宽，扫描长度为80~250mm。

需要说明的是，对于缺陷程度严重的锭面，要结合步骤S1测定的坐标位置，进行针对性熔整修复，扫描图形要根据缺陷大小，电子枪要采用长方形图形和圆形图形切换扫描修复，通过观察口观察直至缺陷熔整修复。

接着执行步骤S5，传送小车3可按预设速度移动，实现整个铸锭表面的顺序扫描熔化和凝固，达到铸锭表面熔整的目的。

本实施例中，传送小车3按200mm/min速度移动，实现整个铸锭表面的顺序扫描熔化和凝固，达到铸锭表面熔整的目的。

需要说明的是，在熔整缺陷程度严重的锭面时，传送小车3的移动速度要根据观察到的熔整效果及时调整。

接着执行步骤S6，单面熔整完将TC4扁锭送出炉体。

本实施例中，TC4扁锭9单面熔整完后，要在真空状态下冷却30min在破真空，避免表面温度高，空气进入后造成氧化和氮化。

接着执行步骤S7， TC4扁锭9在炉外翻转后，重复S1～S6的步骤，可实现其余TC4扁锭9表面的熔整。

本实施例中，先进行TC4扁锭9两个宽面的熔整，再进行两个窄面的熔整。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，其特征在于，包括炉体、抽真空系统、铸锭传送系统和电子枪系统；

所述的炉体通过管路直接与抽真空系统连接；电子枪系统安装在炉体的上方；

所述铸锭传送系统包括炉体外轨道和炉体内传送系统，所述炉体内传送系统包括伺服电机驱动的丝杆和传送小车，丝杆固定在炉体内中，所述传送小车通过丝杆在炉体内行驶；传送小车通过炉体外轨道在炉体外行驶。

2.根据权利要求1所述的钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，其特征在于，所述的炉体安装有前门和后门，且炉体上方安装有观察窗。

3.根据权利要求1所述的钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，其特征在于，传送小车上有铸锭夹持机构。

4.根据权利要求3所述的钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，其特征在于，所述铸锭夹持机构能够固定1个平放的扁锭或者2个侧立的扁锭；传送小车在炉内的运行速度在0mm/min至300mm/min之间连续可调。

5.根据权利要求1所述的钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，其特征在于，所述电子枪系统包括左电子枪和右电子枪，并且并排排列。

6.根据权利要求5所述的钛及钛合金扁锭电子束表面熔整装置，其特征在于，所述左电子枪和右电子枪为热阴极电子枪或者冷阴极电子枪，额定功率为80kW至350kW。

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