CN212443141U - 钛合金棒材高效率高通量结晶装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种钛合金棒材高效率高通量结晶装置，包括一主体部，所述主体部成竖直状态地设置并且位于金属液流流向的下方位置；所述主体部限定了内部的多个位置，所述位置被配置用于装配结晶器；多个结晶器设置一一对应地设置所述位置上，每个结晶器用于接收一路流入的金属液流并在结晶器内结晶成型；所述每个结晶器的内部还设置有一通过电机驱动的下拉机构，被设置成在电机的驱动下沿着结晶器的内壁在竖直方向移动，以下拉或者支撑钛合金坯棒；其中，所述多个结晶器之间等间隔地竖向排列，结晶器的外表面设置有7YSZ热障涂层，厚度相同并且厚度为5‑10mm。本实用新型可实现棒状钛合金高效率、高均匀性、低成本化的结晶成型。
Description
技术领域
本实用新型涉及钛合金制备技术领域，具体而言涉及一种钛合金棒材高效率高通量连铸连轧结晶装置。
背景技术
钛合金具有高比强度、良好的耐蚀性和可加工性等优点，经常被用作船舶与海洋工程中的结构件材料，在船舶上使用钛合金可以大幅度提高船舶的使用寿命，并实现减重和增载，降低船舶维护成本。在海洋工程上，可以使用钛合金棒材作为支撑，提高在海洋环境下的耐腐蚀性能，减少海水环境对于桥墩、护坡等建筑构件的腐蚀，提高使用寿命。然而，目前钛合金棒材的制备出了钛原料的成本意外，其加工的周期长同样限制了钛合金的应用。
现有的钛合金棒材加工制作过程一般分为熔炼、开坯锻造、成型锻造、轧制等工序。目前而言，传统设备和方法加工平均加工一根钛合金棒材大约需要50小时，效率较低。而且在这些加工过程中，坯料表面容易出现裂纹等缺陷，而表面缺陷必须在下一加工流程前去除，因此大量材料会被损耗，加工成本会受到不可避免的增加。
为了降低成本的同时提高效率，新型的连铸连轧技术成为了现如今钛合金研究领域的一大重点方向，连铸连轧技术具有短流程、效率高、低成本等一系列特性，与传统的加工方法相比，具有巨大的优势和实用潜力，是降低钛合金使用成本的方法之一。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种钛合金棒材高效率高通量连铸连轧系统的结晶装置，可针对现有的钛合金制备、加工的效率低、成本高的问题，实现缩短工艺流程和周期，实现棒状钛合金高效率、高均匀性、低成本化的结晶成型。
为实现上述目的，本实用新型第一方面提出一种钛合金棒材高效率高通量结晶装置，所述结晶装置被配置在用于接收熔炼的金属液流而结晶形成钛合金坯棒，所述的高通量结晶装置包括一主体部，所述主体部成竖直状态地设置并且位于金属液流流向的下方位置；
所述主体部限定了内部的多个位置，所述位置被配置用于装配结晶器；
多个结晶器一一对应地设置所述位置上，每个结晶器用于接收一路流入的金属液流并在结晶器内结晶成型；
所述每个结晶器的内部还设置有一通过电机驱动的下拉机构，被设置成在电机的驱动下沿着结晶器的内壁在竖直方向移动，以下拉或者支撑钛合金坯棒；
其中，所述多个结晶器之间等间隔地竖向排列，并且在每个结晶器的外表面设置有热障材料涂层；所述热障材料涂层为7YSZ热障涂层，每个结晶器外部附加设置的热障材料涂层的厚度相同，厚度为5-10mm。
进一步地，所述主体部内部设置有三个结晶器。
进一步地，所述多个结晶器的分布成一字排列，相互之间间隔开。
进一步地，所述多个结晶器的分布成三角形排列，相互之间间隔开。
进一步地，所述多个结晶器的结构相同，并且内径为5-20mm。
进一步地，所述多个结晶器的外部包围地设置了水冷装置。
进一步地，所述下拉机构采用纯钛材料制备，呈圆棒状结构，直径与单个结晶器的内径相同。
通过本实用新型的上述方案，本实用新型与现有技术相比的显著优点在于：
1)本实用新型实现一种短流程高通量的钛合金棒材的制备，一方面在结晶形成铸坯后快速进入轧制流程，减少热量损失，避免再二次工序中需要长时间的补热，或者只需要经过短时间的补热即可，另一方面针对海工领域使用的钛铁硼合金的棒材(5-20mm直径棒材)的制备，采用高通量的方式实现低成本、高效率的制备，避免传统单棒制备的时间耗费和成本；通过本实用新型的装置进行连铸连轧，单次铸造数量可以数倍增长，效率高，单位成本和时间均得到大幅降低；
2)在实现高通量结晶过程中，采用热障材料涂层分布在结晶器的表面，确保每个结晶器的热独立性，避免各个结晶器之间的热传导和辐射带来的内部热应力，造成性能下降的问题。同时在另一方面，在针对细长棒材的结晶过程中，传统的水冷流速比较高，容易造成不均匀，本实用新型利于热障材料涂层在一定程度上降低水冷结晶的速度，保障钛合金铸坯的均匀性，又不至于牺牲太多的工艺时间。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的实用新型主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的实用新型主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本实用新型教导的前述和其他方面、实施例和特征。本实用新型的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本实用新型教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
图1是根据本实用新型示例性实施例的钛合金棒材高效率高通量连铸连轧系统的结构图。
图2是根据本实用新型示例性实施例的钛合金棒材高效率高通量连铸连轧系统的多通道结晶机构的结构图
图3-图4分别是根据本实用新型示例性实施例的钛合金棒材高效率高通量连铸连轧系统的翻转式接料机构的正视图和立体图。
图5-图6分别是根据本实用新型示例性实施例的钛合金棒材高效率高通量连铸连轧系统的接料机构的接料管打开后的正视图和立体图。
图7是根据本实用新型示例性实施例的钛合金棒材高效率高通量连铸连轧系统制备得到的一个示例性实施例的钛坯的金相图。
具体实施方式
为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本实用新型的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本实用新型的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本实用新型所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本实用新型公开的一些方面可以单独使用，或者与本实用新型公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1-6所示，根据本实用新型实施例的钛合金棒材高效率高通量连铸连轧系统，包括进料机构1、熔炼室2、分流室3、接料室4、输送带5、轧制机构6、多通道结晶机构7、下拉机构12以及接料机构13。
分流室3与熔炼室2连通，分流室3内部设置与一个具有多个分流口11的分流机构。
结合图1，进料机构1，被设置用于向熔炼室2内输送海绵钛的原料。可选地，进料机构 1具有一个送料管道，例如螺旋送料管道。
进料机构1与熔炼室3之间设置有一个真空阀门8。
结合图1，熔炼室的内部底部支撑有水冷铜炉床(未标示)，并且位于进料机构的出口下方，接收输送的原料并堆积。
在加料阶段，海绵钛(或者海绵钛和中间合金混合物)从进料机构的送料管道进入熔炼室2。当进料阶段结束后打开粗抽真空泵，待真空度达到5Pa以下打开精抽阀，直到真空度达到0.5Pa后充入保护气体氩气。待保护气填充结束，打开熔炼室中的第一等离子枪18将原料炼成金属液体，金属熔液溢出从熔炼室流入分流室3。
在优选的实施例中，熔炼室中设置两个第一等离子枪18实现较佳的熔化。其中，第一个第一等离子枪设置位于熔炼室上方，第二个第一等离子枪设置在熔炼室与分流室的中间位置，实现补热。
优选地，第一个第一等离子枪的功率大于第二个第一等离子枪的功率，例如其中较高的功率为60-70KW，另一个较低为50-60KW。
分流室3优选采用圆形截面结构设计，以实现均匀的热量管理。
其中，在分流室3的上方还设置有至少一个用于补热的补热等离子枪9，用于对分流室内的金属液体进行补热。分流室3还设置有至少一个温度检测模块，例如热电偶用于检测金属液体的温度，并可通过可视的形式表征到分流室的外面。
如此，确保分流室的金属液体温度满足熔炼结晶条件，从而使金属液体有足够热量，保持液体形态。
如图1，熔炼室2内的水冷铜炉床内熔炼形成的金属液流导入分流室3，并通过分流机构的多个分流口11分流至多通道结晶机构7内，多通道结晶机构7接收熔炼的金属液流而结晶形成钛合金坯棒。结合图示，多通道结晶机构7设置在分流机构的正下方，并具有与分流口一一对应的结晶器7-1。
结合图1和图2所示，多通道结晶机构7包括一主体部，所述主体部成竖直状态地设置并且位于金属液流流向的下方位置。
如图2所示的结晶器的分布设计，主体部限定了其内部的多个位置，这些位置被配置用于装配结晶器7-1；如此，多个结晶器7-1一一对应地设置在这些位置上，每个结晶器用于接收一路流入的金属液流并在结晶器内结晶成型。
下拉机构12设置在每个结晶器的内部下方，通过电机驱动可在竖向移动以下拉或者支撑钛合金坯棒。结合图1所示，下拉装置12位于分流室3和储存室4之间，与多通道结晶机构 7下方相接。如此，下拉装置可由电机控制，形状为圆棒装，直径与单个结晶器7-1相同，材料优选采用纯钛，进而保证铸锭的成分。
如此，通过下拉装置在熔炼时可以起到固定支撑结晶器作用，在熔炼结束后可以起到将铸锭拉到储存室的作用。下拉的铸锭到达一定长度后，可由切割等离子体枪19切成指定尺寸 (如1m、2m或者其他定长尺寸)。
接料机构13设置在多通道结晶机构下方，位于接料室4内部。接料机构13具有与结晶器7-1一一对应的接料管13-2。下拉机构将从结晶器内拉下的钛合金坯棒到达预定长度进行切断后、保持到对应的接料管内，并通过翻转后打开接料管13-2，将钛合金坯棒滑动至输送带5上。其中，接料管13-2的底部封闭。
优选地，结合图3-6所示，接料机13构为翻转式接料机构，包括支撑在接料室内的翻转杆13-1以及驱动前述翻转杆13-1进行上下翻转的电机，多个接料管13-2为开口式接料管，多个接料管13-2等间隔地设置在翻转杆上。如此，通过电机的驱动使得接料管同步在接料位置和放料位置之间移动，并且在到达放料位置后打开接料管并倾斜一定角度，使得钛合金坯棒100滑入输送带5。输送带，被设置用于将钛合金坯棒输送至轧制机构6中，进行连续轧制成型。优选地，输送带为高温合金钢输送带，并且下部设置有滚轮。
在操作过程中，开口式接料管13位于结晶器正下方，铸锭拉到开口式接料管13后，旋转滑动翻转杆13-1，将竖直的样品旋转至水平方向，并朝向运输带稍微倾斜一定角度，例如在3-5°，并下降滑动翻转杆14至运输带5的上方0.2-0.3m后打开开口式接料管13，使得钛合金坯棒滑入输送带5上进行传输。
结合图1，优选地，结晶器7-1为水冷铜结晶器，结晶器之间等间隔地竖向排列，并且在每个结晶器的外表面设置有热障材料涂层。
结合图2所示，多个结晶器7-1的分布成一字排列，相互之间间隔开。在另外的实施例中，多个结晶器的分布成等边三角形排列，相互之间间隔开。在多通道结晶机构7内还设置有围绕多个结晶器的水冷通道。
以上实施例，均以优选的3个结晶器为例进行说明。
优选地，多个结晶器中，每个结晶器表面的热障材料涂层厚度相等。作为优选的方案，本实用新型的实施例中，热障材料涂层尤其采用7YSZ热障涂层，具有7wt％氧化钇Y2O3的氧化锆ZrO2材料，简称7YSZ，如此以尽可能的避免各个结晶器间的热传导和辐射效应影响内部的应力变化均匀，以保证样品凝固过程中的热稳定和均匀性。
金属熔液经过分流后进入结晶器7-1内，冷却后即可得到钛合金坯棒样品。单个水冷铜结晶器7-1的内径为5-20mm，外层附加的热障材料涂层的厚度优选为5-10mm。如此，在一定的涂层厚度控制下，既保证一定的热传导效率，同时通过涂层的热障作用，减少外部的水冷装置的流速可能造成的细长棒材的不均匀的热交换，以及减少结晶器之间的热辐射影响，从而减少由此带来的金属内部的热应力引起的微观组织异变和性质劣化。
结合图示，优选地，轧制机构包括轧制室以及设置在轧制室内的轧辊(16、17)，用于对钛合金坯棒进行多道次轧制，其中在进入轧制室前，还通过加热炉进行补热处理，例如通过加热炉进行补热。
下面结合更多的实施例来描述和说明TF400钛棒和Ti-6Al-4V棒材的短流程制备过程的实施。
【实施例1】
本实施例提供一种钛合金(TF400)钛棒高效高通量制备方法，包括以下步骤：
加料：将68.53kg的海绵钛、1.19kg的Fe颗粒、0.28kg的Fe-B中间合金沿着进料管道倒入熔炼室后关闭真空阀，经过粗抽和精抽至0.5Pa后充入氩气保护气。
合金熔炼并分流：启动等离子枪将原料熔化至液体状态。
分流凝固：待熔液流至分流室，开启补热装置，确保熔液温度在1200-1350℃间，避免熔液降温。高温熔液通过分流豁口分别流入3根结晶器中，每个结晶器外围包裹有7YSZ热障涂层，确保不同结晶器间没有热传导和热影响，保证了单根结晶器的热均匀性。经过6h冷却凝固后，可以一次得到3根直径12mm的铸锭。
下拉分离：待铸锭冷却结束，启用下拉装置以30mm/min拉出棒材，待试样长度达到2m 后，使用等离子枪将棒材切断。
储存并转动：接着将长度2m的铸锭拉到开口式接料管中，通过滑动翻转杆将铸锭水平放置在运输带上，以3m/min的速度传送至轧制室。
轧制成型：铸锭被传送到轧制室后经过多道次轧制，将棒材直径轧到10mm，得到最终适用于海洋工程用钛棒。
在本实用新型的各个实施例的制备过程中，水冷系统均保持运行，这里的水冷系统采用一般水冷系统即可。
【实施例2】
本实施例提供一种Ti-6Al-4V棒材高效高通量的制备方法，包括以下步骤：
加料：将63kg的海绵钛、7kg Al-V中间合金沿着进料管道倒入熔炼室后关闭真空阀，经过粗抽和精抽至0.5Pa后充入氩气保护气。
合金熔炼并分流：启动等离子枪将原料熔化至液体状态。
分流凝固：待熔液流至分流室，开启补热装置，确保熔液温度在1400-1500℃间，避免熔液降温。高温熔液通过分流豁口分别流入3根结晶器中，每个结晶器外围包裹有7YSZ热障涂层，确保不同结晶器间没有热传导和热影响，保证了单根结晶器的热均匀性。经过6h冷却凝固后，可以一次得到3根直径10mm的铸锭。
下拉分离：待铸锭冷却结束，启用下拉装置以30mm/min拉出棒材，待试样长度达到2m 后，使用等离子枪将棒材切断。
储存并转动：接着将长度2m的铸锭拉到开口式接料管中，通过滑动翻转杆将铸锭水平放置在运输带上，以3m/min的速度传送至轧制室。
轧制成型：铸锭被传送到轧制室后经过多道次轧制，将棒材直径轧到8mm，得到最终的Ti-6Al-4V棒材。
本实用新型的方案，即利用新型高效高通量连铸连轧装备取代传统生产设备，从而提高生产海洋工程用钛合金棒材和钛棒的生产效率，降低钛棒的使用成本。
为了确保其满足传统钛棒混凝土的海工环境下的性能要求和安全要求，我们利用前述实施例中用新型装备生产出的钛合金棒材，从拉伸性能、握裹力、耐蚀性以及弯曲性能进行了测试和对比，具体实验结果如下。
【成本对比】
将使用本实用新型高效高通量连铸连轧设备和传统方法制成3根TF400钛棒成品的价格和所需时间对比，结果如表1所示。
表1.两种钛棒的成本对比
| 成品规格 | 成品价格 | 制样所需时间 | |
| 传统法 | 10mm | 150元/kg | 150H |
| 实施例1 | 10mm | 130元/kg | 60H |
根据前述实施例的海洋工程用钛合金钛棒，将从拉伸性能、握裹力、耐蚀性以及弯曲性能进行测试，确保利用本实用新型生产的TF400钛棒达到传统钛棒在海洋环境下的相关性能要求。
【成分测试】
为了确保高效高通量连铸连轧设备生产的钛棒在实际成分上达到名义成分，选取了传统钛棒和本实施例样品的中心部位，分别测试了化学成分，结果如表2。
表2.两种钛合金的化学成分对比
| Fe | B | C | H | N | Ti | |
| 传统法 | 1.89 | 0.08 | 0.014 | 0.0012 | 0.004 | 余量 |
| 实施例1 | 1.96 | 0.07 | 0.020 | 0.0010 | 0.008 | 余量 |
【金相组织】
对经过高效高通量连铸连轧设备生产的TF400钛棒进行了微观组织表征，取了中心部位样品，金相组织如图7，本实用新型制备的TF400钛棒的合金组织包括多数的等轴α相和少量β相，属于等轴组织。其中α相比例达到了85％以上，保证钛合金的微观组织形态和力学性能。
【拉伸性能测试】
两种钛棒按照GB/T228.1-2010的要求进行室温力学性能测试，性能见表3所示。在本实施例中，本实用新型制备的TF400钛棒室温抗拉强度为645.37Mpa，室温屈服强度为449.09Mpa，塑性延伸率为23.55％，与传统法生产的TF400钛棒力学性能结近。
表3.两种TF400钛棒的力学性能对比
| R<sub>m</sub>(Mpa) | Rp<sub>0.2</sub>(Mpa) | A(％) | |
| 传统法 | 636.56 | 444.36 | 25.17 |
| 实施例1 | 645.37 | 449.09 | 23.55 |
【握裹力测试】
两种钛棒按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的要求进行握裹力性能实验，试样尺寸为长×宽×高＝150mm×150mm×150mm，有效锚固长度取80mm。试验时，将试件底部置于压力机平台上，试件顶部的钢筋与仪器上部平台轻微接触，之后在钢筋顶部逐级加压，直至压力表不再增长，表明钢筋与混凝土的接触面已经开始滑动或者钢筋与混凝土之间的黏结已经破坏。
表4.两种TF400钛棒的握裹力性能对比
两种钛棒的握裹力数据如表4所示，可以看出，实施例1的钛棒具有比传统钛棒更好的握裹强度，这也意味着新型设备生产的钛棒与混凝土的结合力更好，能够更好的防止混凝土和钛棒之间的滑移。与此同时，实施例1中钛棒混凝土的屈服强度等力学性能也超过传统钛棒混凝土。
【耐蚀性】
两种钛棒的耐腐蚀性能测试在3.5％NaCl溶液中完成，试样尺寸为14mm×450mm，实验时间为240h，具体的腐蚀率结果如表5所示。如表5所示，不管是何种方法制造的钛棒，都有着优异的耐蚀性能，这是由于在钛合金在海水环境中会形成稳定的TiO2钝化膜，对合金表面有更好保护作用。
表5.两种TF400钛棒的耐蚀性能对比
| 240h后的腐蚀率 | 480h后的腐蚀率 | |
| 传统法 | 0 | 0 |
| 实施例1 | 0 | 0 |
【弯曲性能测试】
两种钛棒的的弯曲性能采用四分点式的弯曲试验，梁跨中1/3部分即为纯弯段。试样采用钛棒混凝土，梁截面尺寸为100mm×100mm，梁长600mm，其中计算跨度400mm，深入支座部分两端各100mm。混凝土强度等级采用C30，保护层厚度为15mm，具体的弯曲数据如表6所示。可以看出，用新型设备生产的钛棒配合混凝土会有相近且更好的弯曲性能。
表6.两种TF400钛棒的弯曲性能对比
| 开裂荷载P<sub>α</sub>/KN | 屈服荷载P<sub>y</sub>/KN | 极限荷载P<sub>u</sub>/KN | |
| 传统法 | 21 | 88 | 132 |
| 实施例1 | 24 | 90 | 133 |
综合上述分析，用高效高通连铸连轧设备生产的钛棒成本更低，加工时长更短。而在拉伸性能、握裹力性能、耐蚀性能、弯曲性能等方面都与传统钛棒相似，并且在一些力学性能方面更优秀。
虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (7)
1.一种钛合金棒材高效率高通量结晶装置，其特征在于，所述结晶装置被配置在用于接收熔炼的金属液流而结晶形成钛合金坯棒，所述的高通量结晶装置包括一主体部，所述主体部成竖直状态地设置并且位于金属液流流向的下方位置；
所述主体部限定了内部的多个位置，所述位置被配置用于装配结晶器；
多个结晶器一一对应地设置所述位置上，每个结晶器用于接收一路流入的金属液流并在结晶器内结晶成型；
所述每个结晶器的内部还设置有一通过电机驱动的下拉机构，被设置成在电机的驱动下沿着结晶器的内壁在竖直方向移动，以下拉或者支撑钛合金坯棒；
其中，所述多个结晶器之间等间隔地竖向排列，并且在每个结晶器的外表面设置有热障材料涂层；所述热障材料涂层为7YSZ热障涂层，每个结晶器外部附加设置的热障材料涂层的厚度相同，厚度为5-10mm。
2.根据权利要求1所述的钛合金棒材高效率高通量结晶装置，其特征在于，所述主体部内部设置有三个结晶器。
3.根据权利要求1所述的钛合金棒材高效率高通量结晶装置，其特征在于，所述多个结晶器的分布成一字排列，相互之间间隔开。
4.根据权利要求1所述的钛合金棒材高效率高通量结晶装置，其特征在于，所述多个结晶器的分布成三角形排列，相互之间间隔开。
5.根据权利要求1所述的钛合金棒材高效率高通量结晶装置，其特征在于，所述多个结晶器的结构相同，并且内径为5-20mm。
6.根据权利要求1所述的钛合金棒材高效率高通量结晶装置，其特征在于，所述多个结晶器的外部包围地设置了水冷装置。
7.根据权利要求1所述的钛合金棒材高效率高通量结晶装置，其特征在于，所述下拉机构采用纯钛材料制备，呈圆棒状结构，直径与单个结晶器的内径相同。
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|---|---|---|---|---|
| CN113732260A (zh) * | 2021-07-21 | 2021-12-03 | 洛阳双瑞精铸钛业有限公司 | 一种钛合金或锆合金铸锭用的真空感应熔炼炉及铸锭方法 |
| CN114871431A (zh) * | 2022-05-10 | 2022-08-09 | 哈尔滨工业大学 | 一种棒材高通量制备装置及其使用方法 |
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- 2020-06-20 CN CN202021157461.7U patent/CN212443141U/zh active Active
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