冷爐床熔煉的設備結構和方法
2023-07-17 15:29:36 2
專利名稱:冷爐床熔煉的設備結構和方法
本發明涉及液態鈦(或鈦合金)底注過程中所遇到的問題。
液態鈦或鈦合金的高度化學反應活性使這種液體與所有的氧化物、硫氧化物、硫化物、硼化物或其他複合陶瓷都會發生化學反應。另外，所有熔點高於鈦的金屬都會溶解在液態鈦中。簡言之，除了鈦本身以外，還沒有任何已知的惰性容器材料可用於盛裝熔融鈦或鈦合金。受這種條件的限制，鈦和鈦合金都是用稱為冷爐床或結殼熔煉的工藝進行熔煉。
這種工藝方法是將固體鈦塊放入通常是用銅製成的冷卻式金屬爐床中，用一個非常強烈的熱源，例如電弧或等離子體，在惰性氣氛中進行熔煉。在熔煉過程中，在金屬爐料的內部和表面層首先形成一個熔池，而貼近銅爐床封閉壁處的鈦仍保持為固體。此後逐漸形成的固體鈦「結殼」內就容納了未受汙染的液態鈦金屬。目前此技術結合使用一種自耗式鈦或鈦合金電極，使實際上主要全部是鈦被熔煉和鑄造。
在製備鈦鑄件時，熔煉過程通常是用自耗電弧熔煉法完成的，這樣產生的液態金屬經結殼狀坩堝的溢口注入鑄模。液態金屬滿溢出溢口的過程，其特徽是有一薄層液體滯留在溢口上。當液體滿溢出溢口時，液體的熱損耗會降低液態金屬的過熱程度，一般就因而形成固體一液體的混合物而不是所期望的液體狀態。儘管在製備鑄件時尚可以允許採用這種滿溢出溢口的澆注法，但是在那些需要較低的液體流速或最低的穩定液體流速(例如快速固化)的應用中，唯一可行的解決辦法是採用冷爐床熔煉法，通過底部的噴嘴進行底注。
對於具有反應活性的金屬，冷爐床熔煉和底注法的主要缺點是(a)熔料在噴嘴中凝結的問題，(b)液態金屬對噴嘴材料的腐蝕問題。
利用導熱性的爐床進行冷爐床電弧熔煉，使液態金屬經過鑲入的噴嘴從底部噴出，這類方法在文獻中已有所敘述。使用的典型噴嘴材料是銅或黃銅，這些材料是公認的良好熱傳導材料。也曾提及用石墨作為噴嘴材料。也有人建議在這種方法中用絕熱材料作噴嘴。但是，至今所提出過的一切嘗試中還沒有一個在提供所需的對液體流速控制和/或最小的腐蝕和/或對熔料的最少汙染等方面獲得成功。
因此，本發明的目的是找出一種具有充分抗腐蝕性能的噴嘴材料以及能成功地實現液態鈦和鈦合金的底注的冷爐床和噴嘴的結構形式。
文中所用術語「有效直徑」是在述及的特殊平面形狀(例如正方形)中內切圓的直徑。
「高」導熱率是指在700℃時超過約80瓦/米·℃的導熱率數值。
為測定各種材料對液態鈦的抗腐蝕性能而設計了一種試驗。試驗方法如下將少量工業純鈦在銅爐床中利用非自耗鎢電極電弧熔煉法進行熔煉，在熔煉中鈦的結殼-液體界面能夠貫穿至爐床底部並與安置在試驗噴嘴上的薄片擋板相互反應。擋板的作用是防止熔融鈦過早地進入噴嘴孔。擋板破裂或溶解，就使積聚的過熱液態金屬得以立即流出。在噴出的瞬間，擋板被熔化或溶解，熔融鈦靠在液態金屬上部通入的加壓惰性氣體產生的強大壓力噴出。
通過這種試驗發現了鎢和某些鎢合金對流動液態鈦的優良抗腐蝕性(相對於許多陶瓷和金屬材料而言)。適合於這種用途的含鎢合金是那些熔點至少高至約3000℃的合金。有意思的是，在試驗中發現有些難熔材料當液態金屬靜止地盛放在坩堝中時，而具有一定限度的抗液態鈦侵蝕的能力，但是當暴露在快速流動的液態金屬中時就不一定顯示出同樣的抗腐蝕性能。例如，鉬並不能認為是一種可行的噴嘴材料。
本發明的成功不僅是由於發現鎢(或鎢合金)對流動液態鈦的優良抗腐蝕性，而且還由於認清了必須建立這樣一種熱分布，即在澆注過程中噴嘴孔周圍區域的溫度實際上必須和液態金屬流過噴嘴孔的溫度相同。為了達到這個目的，決定用一種擋板式噴嘴取代通常的簡單噴嘴。
因此，本發明採用了一種擋板式噴嘴，並且至少在其中間部分(噴嘴孔位於此部位內)是由鎢(或鎢合金)構成。鑑於簡單的噴嘴其噴嘴外徑一般與噴嘴長度之比約等於1∶1，對於本發明擋板式噴嘴來說，擋板外部有效直徑與擋板厚度之比等於或大於約10∶1，而其最小的外徑約為1.5英寸。另外，擋板外部有效直徑與噴嘴孔直徑之比等於或大於約6∶1。
除了噴嘴材料和噴嘴結構的決定性作用以外，還發現在此工藝過程進行中，必須使液化的金屬在噴嘴上方至少保持有一個最小的深度，以防止噴嘴直接與實現熔煉過程用的強烈熱源，如電弧或等離子體接觸或與之接近。
鎢的腐蝕方式的一個特別重要特徵是，就腐蝕的發生而言，看來它是由於溶解或個別鎢晶粒脫落而發生的，而不是由於從噴嘴上掉下大的鎢粒。
噴嘴孔的直徑應在約0.020英寸至0.75英寸範圍內。因為，在此尺寸範圍內，易於選擇一個適用於使鈦或鈦合金快速固化的噴嘴直徑(例如0.030至0.100英寸)或者為進行氣體霧化而選擇更大些的噴嘴直徑。快速固化要求噴嘴孔在澆注過程中保持相當恆定的直徑。應用此指標是為了適應控制液體流速的特殊需要。
本發明的特點可以認為是新的，並且在現有技術中未見到過的，這些特點具體地列入附在後面的權利要求
中。然而發明本身，就其構造、操作方法以及發明的目的和優點來說，參照前面和後面的敘述連同附圖一起，可以清楚地了解。附圖為本發明冷爐床-噴嘴結構的剖面示意圖，它安置在加壓的上爐室內，通過噴嘴使流體同加壓的下爐室連通。
上面簡短提到的關於評定各種材料在實際噴嘴操作條件下對流動液態鈦的抗腐蝕性試驗對於本發明的形成是必不可少的。在所採用的試驗方法中，將鈦料(一般為100克)在冷爐床中利用電弧使之熔化，施加到電極的電流在25-35伏時可高至1800安培。用這樣的輸入功率可使鈦結殼-液體界面貫穿至爐床底部並與安置在簡單噴嘴結構上的擋板(金屬的或非金屬的)相互作用，這些簡單噴嘴結構包括了各種進行試驗的特殊材料。
對氧化鋁、銅、氮化硼和這些材料的許多複合物所進行的噴嘴材料試驗是不成功的，但看來可以確定，如使用絕熱材料作擋板可得到有益的效果。對於表1所列每一種噴嘴試驗材料，開始是用一個約0.020-0.040英寸厚的可溶性陶瓷(AI2O3)板作擋板，將噴嘴材料與熔融鈦隔開(即防止液態鈦金屬過早流出和凝結於噴嘴孔內)。為了保護陶瓷圓盤因熱衝擊而破裂，在其上又覆蓋一塊0.020英寸厚的鉬板。當液態鈦接觸鉬板時，鉬板被溶化，使正下方的陶瓷擋板溶化並使液流流動開始。對於那些使用多層材料製成噴嘴的情況，表中首先標出噴嘴上層的材料，其次是噴嘴下層的材料，依次列出。
表1試驗 噴嘴 厚度 孔的尺寸 結果編號 材料 (英寸) (英寸)1 AI2O3.036 .080 排出54克，氧化鋁嚴銅 .063 .125 重腐蝕。
2 AI2O3.103 .080 排出35克，氧化鋁腐銅 .063 0.18 蝕至3/16英寸直徑。
3 銅 .125 .089 銅腐蝕極輕，排出40.6克。
4 AI2O3.017 .089 僅噴出15克。
銅 .125 .0895 Lucalox
AI2O3.188 .060 噴出良好，氧化鋁嚴重銅 .031 .089 腐蝕。
6 氮化硼 .145 .090 噴出良好，氮化硼腐蝕，鎢 .020 .080 而鎢未腐蝕。
7 藍寶石 .013 .060 可噴出，氮化硼腐蝕，
試驗 噴嘴 厚度 孔的尺寸 結果編號 材料 (英寸) (英寸)7 氮化硼 .189 .090 而鎢未腐蝕。
鎢 .020 .0808 Y2O3Y2S3.223 .060 陶瓷溶化，鎢未腐蝕。
鎢 .020 .0759 50%(重量)Y2O3.187 .060 Y2O3·W(50%，重量).50%(重量)W 腐蝕，而鎢未腐蝕。
鎢 .020 .08010 Ce2O2S .250 .067 陶瓷腐蝕，而鎢未腐蝕。
鎢 .020 .07711 50%(重量)Y2O3.187 .058 陶瓷腐蝕，而鎢未腐蝕。
.50%(重量)W鎢12鎢 .020 .078 未腐蝕，加料137克，噴出57克。
13Y2O3.246 .063 氧化釔嚴重腐蝕，鎢 .020 .077 而鎢未腐蝕。
試驗 噴嘴 厚度 孔的尺寸 結果編號 材料 (英寸) (英寸)14 藍寶石 .013 .068 藍寶石溶化，鎢未腐蝕。
鎢 .020 .090 加料127克，噴出70克。
15藍寶石 .013 .086 加料量比試驗14加一鎢 .020 .090 倍，鎢未腐蝕。
在某些試驗中熔融鈦凝結在噴嘴中絲毫不噴出。關於這些噴嘴結構和評定結果示於表Ⅱ。
表Ⅰ和表Ⅱ所示結果的試驗所採用的是一種爐底擴展到鈦爐料之下的銅爐床，其噴嘴試驗材料是放在一種簡單的噴嘴結構中，它安置在銅質噴嘴支座上。
表Ⅱ試驗 噴嘴 厚度 孔的尺寸 結果編號 材料 (英寸) (英寸)1 AI2O3.036 .080 長的銅噴嘴，很早就凝結。
銅 .125 .0892 BN .249 .090 深的氮化硼噴嘴可能很早鎢 .020 .080 就已凝結。
試驗 噴嘴 厚度 孔的尺寸 結果編號 材料 (英寸) (英寸)3 鎢 .020 .090 深的鎢一氮化硼複合層，BN .063 .078 凝結在上層鎢塊上。
鎢 .020 .078BN .063 .078鎢 .020 .0784 鎢 .020 .078 凝結在上層板上。
BN .063 .078鎢 .020 .0785 鎢 .089 加料163克。
6 鎢 .090 加料153克。未噴出。
這些試驗的結果表明所有陶瓷材料當與流動的液態鈦接觸時，即使是短時間也都被腐蝕或完全溶化。可是，鎢部件未顯出受腐蝕。因此，可以認為鎢是一種良好的噴嘴材料，但是使用這種噴嘴材料時如何使液流開始流動是尚未解決的問題，這是一個還需要對此方法中熱傳導特性進行適當評價的問題。
其他候選材料的試驗結果示於表Ⅲ。
表Ⅲ試驗 噴嘴材料 結果編號1 Er2O3嚴重腐蝕。
2 75Y2O3·25CaS 嚴重腐蝕。
3 Mo3Al 嚴重腐蝕。
4 TiB2中等至嚴重腐蝕。裂縫和反應很顯著。
在噴嘴下反應產物堆積明顯。
5 TiN 中等至嚴重腐蝕。在噴嘴上部裂縫和相互擴散及反應都很明顯。
6 Mo 中等至嚴重腐蝕。腐蝕似乎至少比鎢快一個數量級。
7 50Y2O3·50W 中等腐蝕。明顯的裂縫和相互擴散，但侵蝕局限於噴嘴的上半部。
8 TaC 中等腐蝕。TaC似乎有數處被液態Ti穿透。看來長時間暴露後有可能會有更大的反應。
9 WC 中等腐蝕。液態Ti滲入WC的擴散區集中在上部噴嘴孔稜角處。
曾在二次試驗中試用熱解石墨作噴嘴材料，但是每一次嘗試中都是很早發生凝結。表Ⅲ中系列試驗的結果證實陶瓷材料如氧化釔(Y2O3)和氧化餌(Er2O3)等都腐蝕很快。Y2O3和Y2S3或Y2O3和CaS的複合物同硫氧化鈰一樣腐蝕迅速。前面已經表明，除氧化餌以外，所有上述的材料對熔融鈦或鈦合金都有一些抗腐蝕性能，因此可以認為適合於作坩堝外殼。
碳化鉭和粘結碳化鎢是相當可行的噴嘴材料，特別是後者，因為它具有良好的抗熱衝擊性和高熱容量。然而，就粘結碳化鎢來說，最好是用鉬或鎢替代鈷作粘結金屬。
在發現了鎢對流動液態鈦的優良抗腐蝕性以及重新確定了為成功地應用底注噴嘴對本方法在熱量流動方面的要求之後，改進了冷爐床的設計，這可通過附圖概略地說明。為適應液態金屬的過熱程度和液態金屬流速等苛刻的工藝參數，在設計中作了重大的改變使鎢噴嘴的抗腐蝕性能達到最佳。本發明冷爐床底注法的設計克服了由於噴嘴孔中的凝結引起的不可靠性問題，同時還能進行大量液態鈦合金的噴射並且對液態鈦無明顯的汙染。
下面參看附圖，底注冷爐床熔煉裝置10包括空心爐床11，爐床可以是水冷式(圖中未表示出水冷系統)或者是由整塊銅構成，以利用這樣一個爐體的熱容量達到冷卻的目的。在圖示的通常結構中，整體形狀(即外部結構)是矩形固體，內部有一正圓柱形的空心爐床。雖然爐床11的設計在這方面是通用的，但是對於那些無冷卻爐底的爐床是不通用的。在這種爐床的普通冷卻爐底部位，其爐底的結構部件是支撐在臺肩13上的擋板式噴嘴12。此擋板式噴嘴12可以象圖中所示那樣全部由鎢或合適的鎢合金製成，或者是由用鎢製造的中央部分組成，噴嘴上設有噴嘴孔14，噴嘴由環繞它的承重構件，例如一個由異種材料製造的環狀圓盤加以支撐。
擋板12相對於爐床11的位置是使噴嘴孔14基本上處於爐床中心。因而，冷爐床的爐底不再象採用冷卻式爐底時那樣地是一個熱穴，而相對爐壁11來說是有效的隔熱體。由於此種設計特點，放在爐床11中的鈦爐料是在爐內由上向下地被熔化，它能比在現有工藝的帶冷卻式爐底的銅爐床中進行熔煉的情況達到更高的液化深度。用這種新的結構，可以用任何給定的輸入功率產生較大體積的液態鈦或鈦合金，並可增加熔體的最大過熱程度。這樣改進的熱量流動型式的附加特性是當熔體的前沿接近爐底時，噴嘴擋板已被預熱使其中央部位(即噴嘴孔14周圍)的溫度接近被熔化金屬的熔點溫度。這個特性有助於保證液態金屬能可靠地發生流動。
在使用本發明冷爐床裝置熔煉鈦金屬時，將金屬塊堆放入爐床11中，爐床11位於雙室式構架的上爐室16中，有單獨的設備(圖中未表示)將上爐室16和下爐室17抽成真空。此外，上爐室16還應能實現把惰性氣體壓力施加到熔料的上表面，並把較低壓力的惰性氣體引入下爐室。
在典型的裝置中，熔煉過程是通過在電極18(如非自耗性敷釷鎢電極)和被熔鍊金屬之間形成電弧來完成。也可以使用通常的熔煉裝置。使用等離子體作為強烈熱源替代電弧電極18的優點是在液態金屬熔池中造成的湍流較小。
一旦電弧19已被引發，在鈦的上表面就開始熔化，隨後當更多的熱進入金屬，熔融區(略呈拋物線形)繼續擴展和加深，熔體前沿21逐漸向下移動至圖中22的位置。大部分熱損失是沿徑向向外傳導至銅爐壁，而向下傳導至(或通過)擋板12的熱量，相對來說是極少的。
在熔體前沿已達到一般的形狀22的條件下，在噴嘴孔14上面的鈦將剛好達到鈦的熔點。其餘在擋板12上面的鈦爐料則低於熔點(或者對鈦合金來說是固態線溫度)，因而可保護擋板式噴嘴12的大部分不被腐蝕。
在固體鈦料裝入爐床11以前，最好在擋板12上覆蓋一塊鈦薄板23。如果將這種熔煉技術應用於其他金屬系統應使用相應的不同組成的覆蓋板以減小在熔煉過程中對熔體的汙染。擋板23用來保護噴嘴孔免於被開始產生的液態金屬堵塞，否則液態金屬可能會在熔化的早期滴下。另外，擋板23靠它本身及部件23和12間的一層氣體層(在圖中以一定的厚度明顯表示)的存在，能在擋板12和最初到達爐床底部的液態鈦之間起隔熱的作用。由於初始產生的液態鈦在爐底凝固，所形成的固體結殼24可作為主要的熱屏障，以防止擋板12過早地暴露在鈦金屬爐料液化區的溫度下。
保護性金屬擋板23的厚度應儘可能薄，以免擋板23熔化變為總組成的一部分時改變爐料熔體的組成。雖然看起來用純的鈦金屬或相應的熔煉合金作擋板23最合適，但是，它的組成也可以改變以適應最終出爐的合金組成的要求。
這樣，當液態鈦同鈦板23接觸足夠長的時間後，鈦板熔化，使液態鈦到達噴嘴孔14，並在上爐室16中的惰性氣體壓力下流過噴嘴孔。出爐時間在實驗室規模的設備中一般約為3分鐘，而在工業性裝置中預期可以運轉長得多的時間。
在液態鈦出爐期間，隨著液態鈦的液面下降，電弧19繼續加熱剩餘的鈦液體。同時熔融的鈦和擋板12的接觸直徑逐漸增大。在那些沒有添加補充熔融鈦的試驗中(例如從放在上爐室16中的另外一個單獨的容器加入熔融鈦一圖中未表示一在這種情況下，爐床11將起澆注過程的中間包的作用，類似於通常的工業用金屬粉末霧化裝置中所用的方式)，由於出爐期間爐床11中液態鈦的液面下降，接觸鎢擋板12的熔融鈦的溫度隨著其過熱程度增加而增高。電弧等離子體和噴嘴孔之間的直接接觸或接近於直接接觸將會加速噴嘴的腐蝕。為了防止這種情況的發生，在爐床中熔融鈦應保持一個最小深度。在上述裝置中，這個最小深度應在約1/2至1英寸範圍內。如果採用不同的熔煉裝置，所需的最小的液體金屬深度可能不同。但通常是可以確定的。
在表Ⅳ中舉例說明了保持最小的液態金屬深度的必要性，表中的試驗使用0.02英寸厚的擋板式噴嘴，噴嘴孔直徑0.030英寸。
表Ⅳ試驗 噴出的液 最終熔 最終噴嘴 浸潤區的 總的徑編號 態鈦 體深度 孔直徑 直徑 向腐蝕(磅) (英寸) (英寸) (英寸) (英寸)1 0.22 0.68 0.034 0.6 .0022 1.15 0.84 0.040±0.003 .005(近似值)3 1.21 0.78 0.045 0.24 .00754 0.53 0.030 0.065 1.0 .01755 2.54 0.60 0.044 .007使用圖示的鎢擋板式噴嘴結構時，液態金屬流動的發生是可靠的和可預測的。來自擋板12上面的結殼24的熱量，將擋板預熱到其溫度剛好低於液態鈦的溫度。因此，首先流過噴嘴孔14的液體只經受中等程度的熱吸收，所以發生凝結的可能性不大。隨著液態金屬的噴射繼續進行，在擋板12的噴嘴孔14區域的溫度實際上應和流過噴嘴孔的液態金屬的溫度相同。
擋板的徑向外側部分保持在與其有熱接觸的鈦結殼24相近的溫度。在部件23和12之間的氣體層是對爐床底部進行隔熱的有效組成部分。這樣，即使當過熱的液態金屬流過噴嘴孔14時，鈦爐料也可緩和擋板12溫度的上升。由於鎢擋板的熱擴散率大於鈦結殼的熱擴散率，因此，熱量應從接近噴嘴孔14的擋板中央高溫區傳向其較冷的部位，而該部位依靠合金結殼又保持在接近合金熔點的溫度。
實施例在外部尺寸約9英寸寬×10英寸長×5英寸深的大型銅製爐床中，進行工業純鈦的冷爐床電弧熔煉，在上述爐床中央有一個直徑為5英寸的圓柱形空心爐芯容納熔料。在試驗1-4中，銅爐床的底部向內逐漸收縮成錐形遮住了中央空心爐芯底部的一部分。將一個外徑2英寸的鎢擋板式噴嘴置於其中心，支承在爐床底部的錐形部分，而試驗5中爐底沒有錐形部分，但配置一個直徑4 7/8英寸的鎢擋板式噴嘴。試驗1-5的結果總結於表Ⅴ。
表Ⅴ試 爐 擋 Ti 噴出 噴出的 最終熔 初始噴 最終噴床 板 裝驗 直 直 料 壓力 液態Ti 體深度 嘴孔徑 嘴孔徑編 徑 徑 量 (磅／平方英 英 磅 (磅) (英寸) (英寸) (英寸)號 寸 寸 英寸)
1 5 2 10 3 0.22 0.68 0.030 0.0342 5 2 48 … 0 … …… ……
續表Ⅴ3 5 2 3.4 9 1.15 0.84 0.030 0.0404 5 2 3.4 8 1.21 0.78 0.030 0.0455 5 4.875 6.0 12 2.54 0.60 0.030 0.044試驗1-4所述的爐床結構已適用於高達3.4磅鈦裝料的熔煉。裝料量大於此數時，由於熱量傳到爐底擋板周圍的爐床區域，因此裝入的鈦料就不能熔化至到達爐床底部。分析試驗2可知，當裝料量為約5磅時，總裝料量深度為約1 1/2英寸，在擋板上部的液體深度僅為1.2英寸，而在銅爐床錐形部上面的熔體深度則只有0.65英寸。由於熔化過程未貫穿到爐料底部，因而液態金屬未能噴出。試驗2的電弧熔煉條件為在電弧電壓25伏時，電弧電流1900安培。施加的總功率為48千瓦。
當用4.875英寸的擋板爐床結構替代2英寸擋板爐床結構時，就能很容易將6磅裝料量熔化至一直到達爐底，可噴出約2.5磅液態金屬。液體以穩定的液流從噴嘴孔14流出，流出時間大於40秒。用常速和高速的兩種錄象記錄的液流排出過程都表明液流是連續的和筆直的。在澆注開始後大約40秒停止供電，在電源切斷後液體繼續流出2秒左右，留下0.6英寸深的熔體，為鎢擋板提供必需的保護。在這次試驗中鎢擋板式噴嘴的腐蝕極輕微。在噴出2.5磅液態鈦後，噴嘴的徑向腐蝕量僅為0.007英寸。已知總的試驗時間大於40秒，因此其平均腐蝕速率僅為0.0008英寸/秒。
在全部試驗中，噴嘴擋板下的氬氣壓力均在-15至-25英寸汞柱的範圍內。熔煉室用氬氣增壓至比下爐室的壓力高2-12磅/平方英寸，產生越過噴嘴孔14所需之壓差，促使液態金屬噴出。試驗中發現壓差在3-8磅/平方英寸範圍內可產生最恆定的液流條件。低的噴射壓力有時可得到穩定的液流條件(如試驗1的情況)。然而，偶爾在壓差為2磅/平方英寸時，曾引起過從噴嘴孔流下一連串不穩定的金屬液滴。
用本發明中敘述的冷爐床結構，可以可靠地進行熔煉和噴出液體，曾使噴出的液態金屬沉積至一個熔料制帶旋轉輪上成功地生產半連續快速固化金屬帶。此外，由兩種材料組合的擋板(圖中未表示)在徑向外部的材料可以用耐熱但易於腐蝕的材料，如石墨，製成。
只要鎢不是以大塊散布於鈦合金中，少量的鎢的混入對鈦合金是有益的。為評定鎢受流動液態鈦腐蝕的均勻性和確定液態鈦對噴嘴的腐蝕是否能引起大量鎢夾雜物，檢驗了腐蝕後的鎢噴嘴，特別是那些暴露在象電弧等離子體那樣較苛刻條件下的噴嘴。用掃描電子顯微鏡檢驗，確定液態鈦的侵蝕發生在鎢的晶界。這種晶界侵蝕看來並不會造成使大群晶粒脫落的較深局部穿透，而只是顯示出所有晶界的均勻侵蝕。可看出這種侵蝕類型是屬於個別晶粒脫落，而不是掉下較大的噴嘴碎片。在有些情況下，當腐蝕繼續到更大的程度時，則在噴嘴孔的邊沿形成溝槽。即使是這種局部侵蝕的方式下，看起來腐蝕仍主要是均勻的晶間腐蝕。若由液體腐蝕形成的溝槽增大，看來也有可能有多晶粒簇狀物脫落。
在有些用途中，很重要的一點是要使具有高度方向性的液態金屬從噴嘴孔噴出，這時所用的噴嘴孔可帶有一個插入至擋板孔中的套管(圖中未表示)使形成一個較長的(即長度超過擋板厚度的)液體流出通路。
冷爐床結構具有能成功地適應對液態鈦進行底注的獨特能力，但這不應看成是此設備應用的局限性。正相反，使用此設備對鎳基合金進行底注也可看出明顯的優點。與加工這種合金的現有工藝相比，用這種設備熔煉出的熔融液態合金可完全不含陶瓷雜質。
權利要求
1.在底注式冷爐床熔煉方法中，用一個敞口的容器，上面裝有一個向下的強熱源，容器的側壁和底壁由具有高導熱率的材料製成，此底壁中心設置有一個貫穿底壁厚度的噴嘴孔，在其使用過程中，放在該容器中的固體金屬爐料可在爐料頂部被加熱以形成一個不斷加深的位於中心的該金屬的熔池，上述溶池被盛在該金屬的固化結塊中，該固化結塊位於上述熔池同上述側壁和底壁之間，直到不斷加深的熔池擴展至達到上述底壁噴嘴孔處，熔體即經過此噴嘴孔排出，在本發明中的改進至少是在於上述底壁結構的中央部分是一個難熔金屬的擋板，上述噴嘴孔即位於該擋板上，該金屬擋板的外部有效直徑至少為約1.5英寸，外部有效直徑與擋板厚度之比至少為約10∶1。
2.按照權利要求
1的改進，其中上述金屬擋板的材料是從鎢和熔點至少高達約3000℃的鎢合金中選用的。
3.按照權利要求
2的改進，其中噴嘴孔的直徑在約0.20至0.15英寸範圍內，擋板的外部有效直徑為至少約5英寸。
4.按照權利要求
2的改進，其中金屬擋板的厚度為約0.020英寸。
5.按照權利要求
1的改進，其中金屬擋板的外部有效直徑與噴嘴孔直徑之比為至少約6∶1。
6.權利要求
1的改進，其中金屬板上覆蓋一層由此金屬或其合金製成的無孔隙的固體薄層。
7.按照權利要求
1所述的改進，其中的強熱源為一個電弧電極。
8.按照權利要求
1所述的改進，其中的強熱源產生一個等離子體。
9.在金屬的底注式冷爐床熔煉方法中，將一大堆固體金屬放在由具有高導熱率的材料製成其側壁和底壁的容器內，在該金屬堆的頂部中心將金屬熔化使形成一個不斷加深的金屬熔池，上述熔池被盛在該金屬的固化結塊中，當該金屬熔池的深度擴展至達到上述底壁時，熔池中的熔融金屬在外加惰性氣體的壓力下經該底壁中央的噴嘴孔從該容器排出，在本發明中的改進包括至少是在上述底壁結構的中央部分採用一個帶有上述噴嘴孔的難熔金屬擋板，該金屬擋板的外部有效直徑至少為約1.5英寸，當該金屬擋板上面金屬熔池的深度降低至不小於1/2英寸時停止熔融金屬出料。
10.按照權利要求
9的改進，其中上述金屬板的材料是鎢或熔點至少高達約3000℃的鎢合金。
11.權利要求
9的改進，其中噴出的熔融金屬中所混入難熔金屬的數量是微不足道的。
12.權利要求
9的改進，其中被熔煉的金屬塊料為鈦或鈦合金。
13.權利要求
9的改進，其中被熔煉的金屬塊料為鎳基合金。
14.權利要求
9的改進，其中為排出熔融金屬而施加的氣體壓力比噴嘴孔下面的壓力高約2至約12磅/平方英寸。
15.在底注式冷爐床熔煉方法中，用一個敞口的容器，上面裝有一個向下的強熱源，容器的側壁和底壁由具有高導熱率的材料製成，此底壁中心設置有一個貫穿底壁厚度的噴嘴孔，在其使用過程中，放在該容器中的固體金屬爐料在爐料頂部被加熱，以形成一個不斷加深的位於中心的金屬熔池，上述熔池盛在該金屬的固化結塊中，該固化結塊位於上述金屬熔池同上述側壁和底壁之間，直到上述不斷加深的熔池擴展至達到上述底壁噴嘴孔處，熔體經過此噴嘴孔排出，在本發明中的改進至少是在於上述底壁結構的中央部分是一個上面有上述噴嘴孔的擋板，該金屬擋板是從鎢、熔點至少約3000℃的鎢合金、粘結的碳化鎢和碳化鉭中選擇的材料製成。
16.按照權利要求
15的改進，其中粘結碳化鎢的粘結劑是鎢或鉬。
專利摘要
本發明是一種冷爐床熔煉裝置，其側壁部分是由具有高導熱率的材料製成，其底部是一個帶有噴嘴孔的擋板，在冷爐床中熔煉的金屬經此噴嘴孔排出。擋板，至少是其帶有噴嘴孔的中央部分，是從鎢、熔點至少約3000℃的鎢合金、粘結碳化鎢和碳化鉭中選擇的材料製成。
文檔編號F27B14/00GK86102473SQ86102473
公開日1986年12月17日 申請日期1986年4月11日
發明者雷蒙德·格蘭特·羅 申請人:美國通用電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan