一种钛及钛合金的单或者多电极真空自耗电弧熔炼装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种熔铸装置，用于钛及钛合金熔铸过程，属于有色金属加工技术领域，尤其涉及一种钛及钛合金的单或者多电极真空自耗电弧熔炼装置。


背景技术：

[0002]
钛是难熔的活性金属，熔点为1668℃，熔炼温度一般在1800-2000℃，常用的燃料火焰炉的火焰温度无法满足钛及钛合金的熔炼工艺要求。钛及钛合金的熔炼温度超过了常用的硅质、镁质、高铝质耐火材料的极限使用温度，常用的耐火炉衬无法盛放钛及钛合金熔体。在高温下，钛的化学活性极强，能从耐火材料炉衬氧化物中夺取氧，能与周围环境中的碳、氮、氧、水等介质发生剧烈的化学反应，形成钛的氧化物、氮化物和碳化物污染钛熔体，并使钛及钛合金增氢，使合金产生氢脆。常用的熔炼装置、熔炼技术和熔化方法无法熔炼也无法得到合格的钛合金铸锭。


技术实现要素：

[0003]
本实用新型就是针对上述不足，提出一种钛及钛合金的单或者多电极真空自耗电弧熔炼装置。
[0004]
上述目的是通过下述方案实现的：以待熔化的钛及钛合金原料配料、压制、焊接成符合工艺要求的小规格尺寸的自耗电极，以小尺寸自耗电极为阴极，以水冷结晶器为阳极，通过加料口向自耗电极之间加入散碎的回炉料，通入直流电流，在直流电弧高温作用下，散碎的回炉料和自耗金属电极的下端迅速熔化形成金属液滴，当液态金属以液滴的形式通过4000-5000℃的电弧区时，金属液滴在高温、真空状况下实现脱气、除杂的净化过程，经过净化精炼的金属液滴汇集在水冷结晶器中凝固，在合金凝固过程中，依据溶解度差、密度差和分凝效应，合金得到进一步净化、提纯，最终得到成分均匀的钛及钛合金铸锭。
[0005]
钛及钛合金的多电极真空自秏电弧熔炼铸造装置由水冷坩埚1、水套2、坩埚进水口3、坩埚出水口4、稳弧线卷5、坩埚托架6、铸锭7、液态金属8、弧区9、自耗电极10、阳极电缆11、炉体12、检修人孔13、真空系统抽气口14、观察口15、阴极电缆16、电缆夹头17、极距调节装置18、电极支架19、电极导杆20、动密封盒21、电极夹头22、电极升降装置23、炉坑24等部分组成。钛及钛合金单电极真空自耗电弧熔炼装置的结构示意图见图1，钛及钛合金多电极真空自耗电弧熔炼装置的结构示意图见图2。
[0006]
根据上述装置，其特征在于，该电弧熔炼装置可以使用单电极熔铸钛及钛合金铸锭，也可以使用多电极熔铸钛及钛合金铸锭。熔铸直径低于100mm的小规格铸锭时使用单电极，熔铸直径超过100mm的大规格铸锭时使用多电极。可以使用小型的电极制备装置制备小规格电极，熔铸生产大型、超大型铸锭。
[0007]
根据上述装置，其特征在于，该自耗电弧熔炼装置可以直接以散碎的回炉料为原料，直接熔铸大规格铸锭。克服传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂，设备投资大，不能直接回收钛及钛合金回炉料的难题。
[0008]
根据上述装置，其特征在于，炉体12的作用是容纳自耗电极10，形成与周围大气隔离的密闭的真空空间。炉体12要求具有良好的气密性，且与下部水冷坩埚1联接和拆卸方便，便于操作。在炉体12上开设有检修人孔13和真空系统抽气口14。观察口15安装在炉体12上，一般每台炉至少对称安装2套观察装置和远程观察装置，用于观察电弧燃烧情况、熔炼情况和电极焊接情况。
[0009]
根据上述装置，其特征在于，真空系统一般由3-8级真空泵组成（图中未示出），其作用是对由炉体12和水冷坩埚1构成的密闭空间始终保持真空，正常熔炼过程的真空度为0.001-1.3pa。
[0010]
根据上述装置，其特征在于，电极装置由自耗电极10、电缆夹头17、极距调节装置18、电极支架19、电极导杆20、动密封盒21、电极夹头22、电极升降装置23组成，电极装置用于夹持自耗电极，并在熔炼、加料过程调节电极的升降，控制熔炼电压。熔炼电源系统一般采用直流电源，以保持熔炼过程中电弧稳定（图中未示出）。
[0011]
根据上述装置，其特征在于，水冷坩埚1由坩埚铜套1a、水套2、坩埚进水口3、坩埚出水口4、稳弧线卷5、坩埚托架6、阳极电缆11等部分组成。坩埚铜套1a一般由厚壁铜管组成，坩埚水冷装置（图中未示出）一般包括一套工艺冷却水系统，一套应急安保冷却系统。冷却水系统除对水冷坩埚1提供冷却，还对炉体12、电极夹持、电缆夹头17、电极导杆20、动密封盒21、电极夹头22等部件提供冷却，应急安保冷却系统所储备的应急水必须足以将钛锭冷却到安全温度以下。
[0012]
根据上述装置，其特征在于，稳弧线卷5中通入直流电流或者交流电流，利用线圈中产生的轴向磁场，减少主弧区9的边弧，起到稳定主弧区9电弧的作用。还能使熔池中的液态金属8旋转，起到搅拌作用，有利于杂质扩散，有利于均匀合金组元。搅拌还能破碎枝晶，起到细化铸锭组织的作用。稳弧线卷5通常浸泡在水套2的冷却水中，以减少发热。
[0013]
根据上述装置，其特征在于，电弧区9是该熔炼装置的热能来源，一般电弧由阴极区、弧柱区、阳极区三部分组成。阴极区由电极端面附近的正离子层和阴极斑点组成，在正离子层电场的作用下，电子集中在阴极斑点处向外发射，产生电弧放电，阴极区的温度一般在1750-1800℃。弧柱区位于阴极区和阳极区之间，是由电子和离子组成的中性、高温等离子体区，该区温度在4500-4900℃之间，熔炼过程中，自耗电极10和回炉料28中的杂质分解和挥发过程都在此区进行。阳极区位于阳极表面，升温作用主要依靠由阴极区发射的高速电子和负离子流的连续、高速轰击，温度在1800-1900℃之间，阳极区的温度影响熔池8的深浅、铸锭7凝固结晶过程和铸锭提纯效果。
[0014]
根据上述装置，其特征在于，熔炼过程是一个定向的连续过程，在自耗电极10下端部的金属液滴受重力、电磁力、电弧放电冲击力的作用下，向下运动进入弧柱区9，金属液滴在弧柱区4500-4900℃的高温作用下，液滴中的低熔点夹杂和溶入的气体挥发，并被真空系统抽走，对金属起到净化、提纯作用，提纯后的金属汇入液态金属熔池8。
[0015]
根据上述装置，其特征在于，经过高温弧柱区9净化的金属液，汇入阳极区的金属熔池8中，在熔池8的底部发生金属液的凝固过程，受迅速冷却作用气体溶解度减小等因素的影响，原来溶解在金属液中未被脱除的气体，继续从金属液和结晶前沿中溢出。金属液中的非金属夹杂受密度差的作用上浮脱除。通过提纯作用可以去除原料中带入的水、金属镁、氯化镁、钛的低价氯化物、溶解于钛中的大部分氢、部分脱除钛中的铁和硅。
[0016]
根据上述装置，其特征在于，钛及钛合金的凝固是从铸锭7的底部依顺序向上凝固的，依据分凝效益，合金中的v、cr、mn、fe、ni、cu、zr、mg等杂质元素富集于铸锭7的浇口部位，而c、n、o、nb、mo等杂质元素富集于铸锭7的头部，通过扒皮和切除铸锭的头尾部，可以保证中部铸锭7的质量。
[0017]
根据上述装置，其特征在于，采用钛及钛合金的多电极真空自耗电弧熔炼铸造装置具有电耗低，金属损耗少的优点，钛金属损耗一般不超过1%。
[0018]
根据上述装置，其特征在于，电弧熔炼是在真空条件下进行，熔炼过程具有高温、低压的特点，可以利用蒸发作用，实现液态金属的脱气、脱氧、除杂等精炼过程，实现对金属液提纯。
[0019]
使用本实用新型的钛及钛合金的多电极真空自耗电弧熔炼装置，可以利用顺序结晶和分凝效益，脱除铸锭中分配系数不等于1的金属杂质，可以利用电弧熔炼具有高温、真空的特点，脱除液态金属中的氢、氧、杂质，可以生产满足后道加工工艺要求的、优质的钛及钛合金铸锭。可以使用单电极、多电极熔铸钛及钛合金铸锭，可以使用小型的电极制备装置制备小规格电极，熔铸生产大型、超大型铸锭。可以直接以散碎的回炉料为原料，直接熔铸大规格铸锭。克服传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂，设备投资大，不能直接回收钛及钛合金回炉料的难题。本装置具有熔铸生产效率高、设备投资相对较小，生产操作简便，生产过程中金属损耗小，能耗低的优点。
附图说明
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图1钛及钛合金的单电极真空自耗电弧熔炼装置示意图
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图2钛及钛合金的多电极真空自耗电弧熔炼装置示意图。
具体实施方式
[0022]
钛及钛合金的单或者多电极真空自秏电弧熔炼铸造装置的工作原理是：以待熔化的钛及钛合金原料配料、压制、焊接成符合工艺要求的小规格尺寸的自耗电极，以小尺寸自耗电极为阴极，以水冷结晶器为阳极，通过加料口向自耗电极之间加入散碎的回炉料，通入直流电流，在直流电弧高温作用下，散碎的回炉料和自耗金属电极的下端迅速熔化形成金属液滴，当液态金属以液滴的形式通过4000-5000℃的电弧区时，金属液滴在高温、真空状况下实现脱气、除杂的净化过程，经过净化精炼的金属液滴汇集在水冷结晶器中凝固，在合金凝固过程中，依据溶解度差、密度差和分凝效应，合金得到进一步净化、提纯，最终得到成分均匀的钛及钛合金铸锭。
[0023]
钛及钛合金的单或者多电极真空自秏电弧熔炼铸造装置由水冷坩埚1、水套2、坩埚进水口3、坩埚出水口4、稳弧线卷5、坩埚托架6、铸锭7、液态金属8、弧区9、自耗电极10、阳极电缆11、炉体12、检修人孔13、真空系统抽气口14、观察口15、阴极电缆16、电缆夹头17、极距调节装置18、电极支架19、电极导杆20、动密封盒21、电极夹头22、电极升降装置23、炉坑24等部分组成。钛及钛合金单电极真空自耗电弧熔炼装置的结构示意图见图1，钛及钛合金多电极真空自耗电弧熔炼装置的结构示意图见图2。
[0024]
该装置可以使用单电极熔铸钛及钛合金铸锭，也可以使用多电极熔铸钛及钛合金铸锭。熔铸直径低于100mm的小规格铸锭时使用单电极，熔铸直径超过100mm的大规格铸锭
时使用多电极。可以使用小型的电极制备装置制备小规格电极，熔铸生产大型、超大型铸锭。可以直接以散碎的回炉料为原料，直接熔铸大规格铸锭。克服传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂，设备投资大，不能直接回收钛及钛合金回炉料的难题。
[0025]
炉体12的作用是容纳自耗电极10，形成与周围大气隔离的密闭真空空间。炉体12要求具有良好的气密性，且与下部水冷坩埚1联接和拆卸方便，便于操作。在炉体12上开设有检修人孔13和真空系统抽气口14。观察口15安装在炉体12上，一般每台炉至少对称安装2套观察装置和远程观察装置，用于观察电弧燃烧情况、熔炼情况和电极焊接情况。
[0026]
真空系统一般由3-8级真空泵组成（图中未示出），其作用是对由炉体12和水冷坩埚1构成的密闭空间始终保持真空，正常熔炼过程的真空度为0.001-1.3pa。
[0027]
电极装置由自耗电极10、电缆夹头17、极距调节装置18、电极支架19、电极导杆20、动密封盒21、电极夹头22、电极升降装置23组成，电极装置用于夹持自耗电极，并在熔炼、加料过程调节电极的升降，控制熔炼电压。熔炼电源系统一般采用直流电源，以保持熔炼过程中电弧稳定（图中未示出）。
[0028]
水冷坩埚1由坩埚铜套1a、水套2、坩埚进水口3、坩埚出水口4、稳弧线卷5、坩埚托架6、阳极电缆11等部分组成。坩埚铜套1a一般由厚壁铜管组成，坩埚水冷装置（图中未示出）一般包括一套工艺冷却水系统，一套应急安保冷却系统。冷却水系统除对水冷坩埚1提供冷却，还对炉体12、电极夹持、电缆夹头17、电极导杆20、动密封盒21、电极夹头22等部件提供冷却，应急安保冷却系统所储备的应急水必须足以将钛锭冷却到安全温度以下。
[0029]
稳弧线卷5中通入直流电流或者交流电流，利用线圈中产生的轴向磁场，减少主弧区9的边弧，起到稳定主弧区9电弧的作用。还能使熔池中的液态金属8旋转，起到搅拌作用，有利于杂质扩散，有利于均匀合金组元。搅拌还能破碎枝晶，起到细化铸锭组织的作用。稳弧线卷5通常浸泡在水套2的冷却水中，以减少发热。
[0030]
电弧区9是该熔炼装置的热能来源，一般电弧由阴极区、弧柱区、阳极区三部分组成。阴极区由电极端面附近的正离子层和阴极斑点组成，在正离子层电场的作用下，电子集中在阴极斑点处向外发射，产生电弧放电，阴极区的温度一般在1750-1800℃。弧柱区位于阴极区和阳极区之间，是由电子和离子组成的中性、高温等离子体区，该区温度在4500-4900℃之间，熔炼过程中，自耗电极10和回炉料28中的杂质分解和挥发过程都在此区进行。阳极区位于阳极表面，升温作用主要依靠由阴极区发射的高速电子和负离子流的连续、高速轰击，温度在1800-1900℃之间，阳极区的温度影响熔池8的深浅、铸锭7凝固结晶过程和铸锭提纯效果。
[0031]
熔炼过程是一个定向的连续过程，在自耗电极10下端部的金属液滴受重力、电磁力、电弧放电冲击力的作用下，向下运动进入弧柱区9，金属液滴在弧柱区4500-4900℃的高温作用下，液滴中的低熔点夹杂和溶入的气体挥发，并被真空系统抽走，对金属起到净化、提纯作用，提纯后的金属汇入液态金属熔池8。
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经过高温弧柱区9净化的金属液，汇入阳极区的金属熔池8中，在熔池8的底部发生金属液的凝固过程，受迅速冷却作用气体溶解度减小等因素的影响，原来溶解在金属液中未被脱除的气体，继续从金属液和结晶前沿中溢出。金属液中的非金属夹杂受密度差的作用上浮脱除。通过提纯作用可以去除原料中带入的水、金属镁、氯化镁、钛的低价氯化物、溶解于钛中的大部分氢、部分脱除钛中的铁和硅。
[0033]
钛及钛合金的凝固是从铸锭7的底部依顺序向上凝固的，依据分凝效益，合金中的v、cr、mn、fe、ni、cu、zr、mg等杂质元素富集于铸锭7的浇口部位，而c、n、o、nb、mo等杂质元素富集于铸锭7的头部，通过扒皮和切除铸锭的头尾部，可以保证中部铸锭7的质量。
[0034]
采用钛及钛合金的多电极真空自耗电弧熔炼铸造装置具有电耗低，金属损耗少的优点，钛金属损耗一般不超过1%。
[0035]
电弧熔炼是在真空条件下进行，熔炼过程具有高温、低压的特点，可以利用蒸发作用，实现液态金属的脱气、脱氧、除杂等精炼过程，实现对金属液提纯。
[0036]
钛及钛合金的多电极真空自耗电弧熔炼装置工作过程如下：
[0037]
将经过烘干的海绵钛、经过挑选和净化处理的钛残料和合金元素或者中间合金，按照配料要求的比例混合均匀，所有原料中的碳、氮、氧的含量必须要低。
[0038]
将配制的炉料在模压机上压制成块状电极，要求块状电极要有足够的强度、导电性、保持平直、合金元素在电极中分布均匀，且不受潮、未污染，将块状电极组焊成自耗电极。将自秏电极作为负极安装在电极杆上。在水冷结晶器的底部铺上引弧料，在真空或者惰性气体保护下，使自耗电极与引弧料之间产生电弧，调整电极与结晶器底部之间的距离，直到在电极之间形成稳定的弧柱区。依靠电弧的热量使自秏电极熔化，阴极熔化的金属以液滴形式通过弧柱区，在弧柱区的高温、真空环境作用下，发生气体和易蒸发杂质的去除，经过净化的金属液进入坩埚并凝固成铸锭。
[0039]
进入熔炼后期，即进入铸锭封顶补缩阶段，目的是减少铸锭头部的缩尾和疏松，减少铸锭的切头量。进入封顶期，将电流调整到正常电流的三分之一，逐步调整到正常电流的十分之一。封顶结束后，将铸锭冷却到400℃以下出炉。
[0040]
使用本实用新型的钛及钛合金的多电极真空自耗电弧熔炼装置，可以利用顺序结晶和分凝效益，脱除铸锭中分配系数不等于1的金属杂质，可以利用电弧熔炼具有高温、真空的特点，脱除液态金属中的氢、氧、杂质，可以生产满足后道加工工艺要求的、优质的钛及钛合金铸锭。可以使用单电极、多电极熔铸钛及钛合金铸锭，可以使用小型的电极制备装置制备小规格电极，熔铸生产大型、超大型铸锭。可以直接以散碎的回炉料为原料，直接熔铸大规格铸锭。克服传统自耗电弧炉电极制备工序繁杂，设备投资大，不能直接回收钛及钛合金回炉料的难题。本装置具有熔铸生产效率高、设备投资相对较小，生产操作简便，生产过程中金属损耗小，能耗低的优点。

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