帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備的製作方法

2023-05-15 09:58:06 1

專利名稱：帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熔煉難熔金屬及其合金的設備，尤其涉及一種用來熔煉難熔金屬及其合金的帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備。
背景技術：
難熔金屬(見下表)一般指熔點在1800 3400°C的金屬，如鎢、錸、鉭、鉬、鈮、鉿、 釩、鉻、鋯等金屬，有時，將熔點為1660 0C的鈦也歸入此類。
金屬鎢W錸Re鉭Ta鉬Mo鈮Nb鉿Hf釩V鉻Cr錯Zr鈦Ti熔點rc)3410318029962610246822271890185718521660上述金屬和以它們為基礎的合金(即難熔金屬及其合金)在工程、軍事和高科技領域有重要用途。例如，金屬鎢用於電光源和電子管元件，冶金、焊接的電極，以及硬質合金和表面硬化層；鎢銅和鎢銀合金用作電接觸點材料；鎢與鎳、鐵、銅等元素組成的高比重合金則用於製造航空和太空飛行器的陀螺儀轉子、導向裝置和減震裝置，機械製造的壓鑄模、刀夾、鏜杆和自動手錶重錘，以及武器用的穿甲彈彈芯和防輻射的防護屏。金屬鉬用於製作電子器材和電極，也用於製造合金鋼和航空、航天用的耐高溫超合金；鉬合金則用於原子能、航空和航天技術等領域。金屬鉭主要用於電容器、電子管和高溫合金，以及化工、原子能工業中的抗腐蝕器材，鉭鎢合金和鉭鎢鉿合金用於化學工業的耐腐蝕材料，航天工業的高溫結構材料，以及火箭噴嘴和太空飛行器零件。鈮和鈮合金用作宇宙飛船的耐高溫結構材料、原子反應堆的結構材料和化學工業中的耐酸器材，鈮還用於製作高強度低合金鋼和耐高溫的超合金，同鈦、錫、鋯、鋁、鍺的合金則是超導體。鋯和鋯合金用作核反應堆的堆芯結構材料，貯氫材料和耐腐蝕材料，以及防彈合金鋼。鉿用於核反應堆中的控制棒、X射線管的陰極材料及硬質合金的添加劑。鉻用於製造不鏽鋼、高溫合金、電熱合金、合金結構鋼和鋼的表面改性層，高硬度的鉻鈷合金用於製作切削工具。釩主要用於製造不鏽鋼、結構鋼、彈簧鋼、工具鋼、裝甲鋼和鋼軌，還用於製造高溫合金，釩鎵合金則是重要的超導材料。鈦和鈦合金具有比重小，比強度高，抗腐蝕性能優異等特性，是用量最大的難熔金屬和合金，用於製作飛機、火箭、飛彈、船舶、汽車和火車車廂的結構材料，以及化工器材和海水淡化裝置。此外，鈦還是一種重要的貯氫材料。這些材料在經濟和國防方面有重要的用途，但是製造這些材料的技術相當複雜。 首先，只有採用特別的加熱技術才能達到使這些材料熔化的溫度；第二，在這樣高的溫度下必須有防止金屬與氣氛、坩堝、模具等環境條件發生強烈反應的特別技術手段。目前，製備難熔金屬和合金的技術有三類第一類是高溫真空燒結技術，其工藝流程包括將金屬製成粒度合適的粉末，將粉末的混合物壓製成型，在等靜壓設備中增大坯料的緻密度，在低於材料熔點的溫度和真空的條件下將坯料燒結或熱壓成緻密度比較高的材料。在需要板、棒、帶、絲等產品的情況下，還需要通過熱加工、冷加工改變材料的形狀並進一步提高材料的緻密性。這種技術的缺點是材料中有孔隙，緻密性不理想，氣體的含量比較高，而且工藝流程比較長。第二類是真空能量束冷坩堝熔煉技術，這兒所指的能量束包括電弧束、等離子束、 電子束和雷射束等。這種技術通過採用上述各種能量束獲得特別高的溫度。由於陶瓷材料在這麼高的溫度下會同金屬熔體產生強烈反應，所以這些技術都使用水冷銅坩堝，冷坩堝是不分瓣的。這種技術的缺點在於能量束集中，爐料在其聚焦位置熔化，但是當能量束轉移到其它位置熔化爐料時，在強烈水冷的條件下，剛才熔化的爐料立即就凝固了。因此，用能量束技術熔煉難熔金屬，特別是難熔金屬的合金時，難以得到成分準確、均勻、組織一致、材質緻密的產品。第三類是真空冷坩堝感應熔煉技術(以下簡稱為感應冷坩堝技術)，這是當代最先進的熔煉技術。如圖1所示，現有的真空冷坩堝感應熔煉設備由冷坩堝11、感應圈12、真空室13、 高頻或中頻感應電源14、真空-充氬系統15、控制櫃16和冷卻系統17組成。爐料置於冷坩堝11中，由感應電源14送達感應圈12的高頻或中頻電流所產生的電磁場穿過坩堝壁加熱爐料產生熔煉作用。冷坩堝11 一般用紫銅製作，電磁場能穿過金屬坩堝壁的原因在於它有若干平行於坩堝軸的縫隙。為了使冷坩堝11在熔煉溫度下不熔化， 坩堝壁通水冷卻。在每一坩堝瓣中通有冷卻水。在真空冷坩堝感應熔煉設備中，作為加熱源的電磁場對爐料的作用範圍是整體的，而且能產生強烈的攪拌作用。所以爐料得到了整體熔化、整體懸浮、整體攪拌。這個條件是獲得成分準確、均勻、材質緻密的產品所必須的。但是，在坩堝水冷的條件下，爐料的溫度很難達到2000°C以上的高溫。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服了現有的真空冷坩堝感應熔煉設備的溫度很難達到2000°C以上，無法熔煉優質的難熔金屬和合金的缺陷，提供一種能夠製備出成分準確、均勻、組織一致、材質緻密的難熔金屬和合金的帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備。為了解決上述技術問題，本發明提出以下技術方案一種帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備，其包括一真空室、一冷坩堝、一感應圈、一給該感應圈提供電能的高頻或中頻感應電源、一真空-充氬系統、一控制櫃、一用來冷卻該冷坩堝的冷卻系統、 一能量束髮射頭和一能量束髮生器；該冷坩堝安裝在該真空室內部，該感應圈安裝在該真空室的內部，該感應圈環繞地安裝在該冷坩堝的外部；該能量束髮射頭安裝在該真空室內的頂部，並位於該冷坩堝的上方；該能量束髮生器連接該能量束髮射頭，該能量束髮生器產生能量束並傳輸到該能量束髮射頭。優選地，該冷坩堝使用緻密的紫銅製成，該冷坩堝由若干的坩堝瓣組成，坩堝瓣之間的間隙平行於冷坩堝的軸線。
優選地，該能量束髮生器可以是非自耗電弧發生裝置，或者是等離子束髮射裝置， 或者是電子束髮射裝置，或者是雷射發射裝置。優選地，上述能量束是電弧束、等離子束、電子束或雷射束。優選地，該冷坩堝真空感應熔煉設備還包括一連續加料-拉錠機構。本發明的有益效果包括以下幾點
1、本發明在感應冷坩堝技術的基礎上配備能量束裝置作為輔助熱源，使爐料的局部溫度超過難熔金屬和合金的熔點形成熔池；同時，高頻電源的加熱作用和電磁攪拌作用逐步擴大熔池範圍，最後使全部爐料熔化成均勻的熔體。該技術克服了真空能量束冷坩堝熔煉技術只能產生局部熔池的缺點，能獲得成分準確、均勻、組織一致、材質緻密的難熔金屬和合金。2、對於難熔金屬及其合金的而言，本發明克服了在能量束熔煉技術中爐料只能形成局部熔池，難以得到攪拌的缺點，使爐料能得到整體熔化和充分攪拌，所以產品的成分準確、均勻。這個優點對於製備難熔金屬的合金特別重要。3、爐料的整體熔化和充分攪拌使熔池的溫度比較均勻，這對凝固後的形成的組織的緻密性和一致性有利。4、爐料的整體熔化是進行鑄造過程的前提，採用本發明的技術，難熔金屬和合金容易鑄造成不同形狀、尺寸的產品，可以採取一些輔助措施改進產品的質量。例如，壓力鑄造、離心鑄造、連續鑄造、定向凝固等。5、能量束熔煉設備的規格一般都比較小，而本發明的設備可以達到幾十公斤/爐至幾百公斤/爐的規模。所以，利用本發明的技術可以大幅度的提高生產效率，可以生產大尺寸的難熔金屬和合金產品。


圖1是真空冷坩堝感應設備的基本結構。圖2是本發明帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備的示意圖。圖3表示採用本發明設備熔鍊金屬或合金時爐料的狀態。圖4是在本發明的設備中進行傾轉澆注的示意圖。圖5是在本發明的設備中進行底鑄鑄造的示意圖。圖6是在本發明的設備中進行連續加料和連續拉錠的示意圖。在以上各圖中，真空室21、冷坩堝22、感應圈23、高頻或中頻感應電源M、真空-充氬系統25、控制櫃沈、冷卻系統27、能量束髮射頭觀、能量束髮生器四、爐料或爐料熔體30、鑄造模具31、下注口 32、拉杆33、結晶器34、連鑄坯35、加料器36。
具體實施例方式請參閱圖2，一種冷坩堝真空感應熔煉設備，其包括一真空室21、一冷坩堝22、一感應圈23、一高頻或中頻感應電源M、一真空-充氬系統25、一控制櫃沈、一冷卻系統27、 一能量束髮射頭觀、一能量束髮生器四和一連續加料-拉錠機構(圖未示)。該冷坩堝22安裝在該真空室21內部。該冷坩堝22使用緻密的紫銅製成，該冷坩堝22由若干的坩堝瓣(圖未示)組成，坩堝瓣之間的間隙平行於冷坩堝22的軸線。每一坩堝瓣中都通入冷卻水進行充分冷卻。該感應圈23安裝在該真空室21的內部，該感應圈23環繞地安裝在該冷坩堝22 的外部。該高頻或中頻感應電源M安裝在該真空室21的外側，該高頻或中頻感應電源M 給該感應圈23提供電能。該真空-充氬系統25安裝在該真空室21的外側，給該真空室25充入氬氣。該控制櫃沈連接該真空室21、感應圈23、高頻或中頻感應電源M、真空-充氬系統25，並對它們進行控制。該冷卻系統27用來對冷坩堝22進行冷卻。該能量束髮射頭28安裝在該真空室21內的頂部，並位於該冷坩堝22的上方，從該能量束髮射頭觀發射出能量束到達該冷坩堝22中，並對其中的難熔金屬進行加熱。上述能量束包括電弧束、等離子束熔煉技術、電子束熔煉技術和雷射束等。該能量束髮生器四連接該能量束髮射頭觀，該能量束髮生器四能夠產生能量束並傳輸到該能量束髮射頭觀。該能量束髮生器四可以是非自耗電弧發生裝置，或者是等離子束髮射裝置，或者是電子束髮射裝置，或者是雷射發射裝置。該連續加料-拉錠機構可以連續加入原料並進行拉錠技術處理。本發明的核心是結合真空冷坩堝感應熔煉技術和真空能量束冷坩堝熔煉技術來熔煉難熔金屬和合金。本發明設備的主體是真空冷坩堝感應熔煉爐，並增加了能量束髮射頭觀和能量束髮生器四。能量束技術的特點是溫度高，它們能夠實現5000°C甚至數萬度的高溫，所以用這類技術可以熔煉各種難熔金屬，包括熔點為3400°C的鎢。熔煉過程中，由感應電源M通過感應圈23產生的電磁場B和能量束髮射頭28發出的能量束N共同完成電磁場B使爐料整體受熱，能量束N則使局部爐料達到高溫和熔化，電磁場的加熱和攪拌作用使熔化區逐漸擴大，最後使爐料全部熔化。由於有電磁場的攪拌作用，熔體的成分是均勻的(圖3)。在一般的情況下，可以先啟動感應加熱系統，使爐料得到整體預熱，然後再啟動能量束裝置，在爐料中形成局部熔池。但是，兩種熱源也可以同時啟動，同時結束；或者是交替工作；或者是有時共同工作，有時單獨工作。本發明設備，其熔煉和鑄造的的模式(圖4、5、6)包括單爐熔煉，傾轉澆注；單爐熔煉，坩堝底底注；連續加料，連續拉錠，等等。本發明設備可以裝備一些操作機構，例如加料機構、攪拌機構、翻錠機構、鑄造機構、拉錠機構、測溫-控溫系統、氬氣淨化系統等。下面結合具體製備實施例來詳細介紹利用本發明設備熔煉難熔金屬的過程。製備實施例一金屬鎢的熔煉
將IOkg壓結的鎢粉坯料放入圖2所示的冷坩堝真空感應熔煉爐的冷坩堝22中，中頻電源的功率為250kw，頻率為15kHz。在該熔煉爐中，作為輔助熱源的能量束髮射頭觀和能量束髮生器四採用了電弧束——鎢電極裝在冷坩堝22的上方，供應電極的直流電源的功率為lOOkw。設備啟動後先抽真空，真空度達到5X 10_3Pa後充入0. 05MPa的高純氬，然後啟動中頻電源M，將爐料加熱到1200°C。這時，啟動直流電源向電極供電，在爐料中形成溫度超過3600°C的熔池。增大中頻電源M向感應圈23輸送的功率，並搖動冷坩堝22，使熔池的範圍逐步增大，最後使全部爐料熔化。製備實施例二
請參閱圖4，該實施例在實施例一的基礎上增加了傾轉澆注機構。在熔煉結束時，停止能量束髮射，但是電磁場仍然繼續工作，同時傾轉冷坩堝22，將熔體30澆注到鑄造模具31 之中。製備實施例三
請參閱圖5，該實施例在實施例一的基礎上增加了底注機構。在熔煉結束時，能量束N 和電磁場B均繼續工作，同時打開冷坩堝22底部的下注口 32，使熔體30通過下注口 32注入鑄造模具31。製備實施例四
請參閱圖6，該實施例在實施例一的基礎上增加了加料機構和拉錠機構。當坩堝中的爐料30全部熔化和成分均勻之後，拉錠機構的拉杆33向下移動，爐料熔體30隨著與拉杆33 相連的結晶器34向下移出冷坩堝22並同時凝固形成連鑄坯35。隨著熔體液面下落，加料機構36連續地向冷坩堝22補料。在這個過程中，能量束N和電磁場B均持續工作。
權利要求
1.一種帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備，其包括一真空室、一冷坩堝、 一感應圈、一給該感應圈提供電能的高頻或中頻感應電源、一真空-充氬系統、一控制櫃、 一用來冷卻該冷坩堝的冷卻系統，該冷坩堝安裝在該真空室內部，該感應圈安裝在該真空室的內部，該感應圈環繞地安裝在該冷坩堝的外部；其特徵在於該冷坩堝真空感應熔煉設備還包括一能量束髮射頭和一能量束髮生器； 該能量束髮射頭安裝在該真空室內的頂部，並位於該冷坩堝的上方；該能量束髮生器連接該能量束髮射頭，該能量束髮生器產生能量束並傳輸到該能量束髮射頭。
2.根據權利要求1所述的帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備，其特徵在於該冷坩堝使用緻密的紫銅製成，該冷坩堝由若干的坩堝瓣組成，坩堝瓣之間的間隙平行於冷坩堝的軸線。
3.根據權利要求1所述的帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備，其特徵在於該能量束髮生器可以是非自耗電弧發生裝置，或者是等離子束髮射裝置，或者是電子束髮射裝置，或者是雷射發射裝置。
4.根據權利要求1所述的帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備，其特徵在於上述能量束是電弧束、等離子束、電子束或雷射束。
5.根據權利要求1所述的帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備，其特徵在於該冷坩堝真空感應熔煉設備還包括一連續加料-拉錠機構。
全文摘要
一種帶有能量束輔助熱源的冷坩堝真空感應熔煉設備，其包括一真空室、一冷坩堝、一感應圈、一給該感應圈提供電能的高頻或中頻感應電源、一真空-充氬系統、一控制櫃、一用來冷卻該冷坩堝的冷卻系統、一能量束髮射頭和一能量束髮生器；該冷坩堝安裝在該真空室內部，該感應圈安裝在該真空室的內部，該感應圈環繞地安裝在該冷坩堝的外部；該能量束髮射頭安裝在該真空室的頂部，並位於該冷坩堝的上方；該能量束髮生器連接該能量束髮射頭，該能量束髮生器產生能量束並傳輸到該能量束髮射頭。本發明設備能夠製備出成分準確、均勻、組織一致、材質緻密的難熔金屬和合金。
文檔編號F27B14/14GK102183144SQ201110093800
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月14日 優先權日2011年4月14日
發明者張森, 李碚 申請人:張森