[发明专利]熔炼钛或钛合金的冷坩埚感应熔炼设备及熔炼拉锭方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种熔炼钛或钛合金的冷坩埚感应熔炼设备及熔炼拉锭方法，属于用冷坩埚感应熔炼的拉锭技术领域。

背景技术

钛和钛合金以其比重小，塑性好，比强度和热强性高，低温性能好，抗腐蚀性优良，以及同人体组织有良好的亲合性等优越的性能，成为最重要的工程材料之一。近几十年以来，随着技术的发展，钛和钛合金的作用越来越加重要，在航天、航空、航海等部门它们是产业发展的基础材料、关键材料，在化工、石化、医疗、机械等行业它们也有重要作用。全世界海绵钛的产量在1947年时仅2吨，到2007年时激增到16.64万吨。现在，钛和钛合金已大量用于制作导弹、火箭、飞船等航天器的壳体，飞机的壳体、机翼和发动机叶片，轮船、军舰、潜艇的壳体，海水淡化装置、化工反应器、管道、容器，人造牙齿、骨骼、关节、夹板，以及仪表、精密机械、高尔夫球头、眼镜框、钟表、首饰和装饰品。此外，钛还用于制作超导材料、贮氢材料、吸气材料、压电材料和形状记忆合金等重要的功能材料。

但是，钛在高温下能与氧、氮、碳等许多元素发生激烈的反应，这为钛和钛合金的熔炼带来严重困难——几乎没有一种常规的坩埚可以被使用。因此，熔炼钛和钛合金的各种手段——熔炼海绵钛的真空自耗电弧炉、铸造钛铸件的真空凝壳炉，熔炼钛合金的等离子冷床炉，等等，它们都要使用水冷铜坩埚。目前，这些技术虽然已经相当成熟，但是它们仍然有一些缺点，例如工艺复杂，设备昂贵，生产成本高，等等。以非自耗电弧炉为例，它需要先将海绵钛和合金料混合并压制成棒，并把它们焊接成长棒，再把长棒安装到设备上作为电极，然后通过电极与铜坩埚中的溶池表面放电形成电弧，使电极的尖端形成液滴进入溶池，溶池下部的钛液在坩埚的冷却作用下凝固，直至电极全部熔入溶池形成钛锭。

冷坩埚感应熔炼技术是上世纪末发展的新技术，它的结构与普通的真空中频感应炉相似，只是用水冷铜坩埚代替了陶瓷坩埚和耐火材料坩埚。这种熔炼方法与前面提到的钛和钛合金的传统熔炼方法相比有以下优点：原料可以是比较任意的形式：块状、颗粒状、边角料、回收料，基本不需要专门进行加工；容易添加合金元素，可以熔炼成分比较复杂的钛合金；在熔炼过程能通过电磁搅拌实现精练过程和合金化过程，获得质量较高的产品；能把铸造工序与熔炼工序安排在同一个设备之中一并完成，能采用多种特种铸造技术，等等。

但是，冷坩埚感应熔炼技术在钛和钛合金的规模化生产中尚没有得到广泛应用。其原因在于，过去的设备是按照单炉熔炼，单炉铸造的模式设计的，按照这种方式进行生产时，其效率低、耗电大、成本高，无法与连续化运行的真空自耗电弧炉等技术相比。

发明内容

本发明的目的是提供一种在保留用冷坩埚感应熔炼技术熔炼钛和钛合金优点的基础上，通过采用拉锭技术，其生产效率和生产成本降低到不高于真空自耗电弧熔炼等传统技术的熔炼钛或钛合金的冷坩埚感应熔炼设备及熔炼拉锭方法。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

本发明的感应熔炼设备包括真空室，其特征是：真空室从上到下由加料仓熔炼仓和拉锭仓三个部分组成，在熔炼仓内部装有水冷铜坩埚和环绕坩埚的感应器，感应器与真空室外的中频电源连接，在拉锭仓内装有拉杆，拉杆一端与坩埚底结合，另一端与驱动机构结合；在加料仓内装有加料器。

所述水冷铜坩埚采用坩埚底的局部或全部能够沿坩埚高度方向移动的水冷活底铜坩埚。

所述水冷铜坩埚是小径底孔坩埚，或等径底孔坩埚。

本发明的熔炼拉锭方法是：将坩埚底定位于坩埚壁内熔化区的下缘，向坩埚和加料器加料，对三个真空仓同时抽真空和充入惰性气体，然后启动电源加热坩埚中的炉料，待炉料完全熔化和均匀后操纵拉杆向下牵引坩埚底，使炉料液柱跟随坩埚底进入坩埚壁下部温度较低的凝固区凝固成料棒，并继续跟随坩埚底向下移动进入拉锭仓，在拉锭开始时同时启动加料器向坩埚加料，使坩埚中炉料液面的高度保持不变，直至坩埚底达到拉锭仓的仓底，由此完成一支钛锭的制备工作。

当完成一支钛锭的制备工作时，在凝固区的下方夹持料棒，在夹持点的下方切断钛锭，并从坩埚底的表面将成品钛锭移到拉锭仓内的旁侧区。然后，上移坩埚底接纳被夹持的钛锭，再重新启动加料、熔炼和拉锭过程。切断料棒的方法可以是各种切料方式，但是本发明更加推荐用等离子束或激光束切断料棒。