一种真空自耗电极熔炼的水冷模具

本实用新型属于钛合金冶金技术领域，特别是涉及需要高密封度的活性金属冶炼过程中真空自耗电极熔炼(var)的密封保护底托。

背景技术：

真空自耗熔炼是钛合金等高温活性金属的普遍熔炼工艺，该技术的基本工艺是采用感应熔炼炉产生可控交流电弧加热熔化自耗电极，熔融金属进入水冷模具中，形成铸锭的熔炼方法。目前，var是生产钛及钛合金铸锭的基本方法。var技术广泛用于优质航空钛合金铸锭的生产，是一种成熟的工业熔炼方法。其特点是熔炼速度快，可生产大型铸锭，生产的铸锭基本上可满足一般工业的要求。但是，钛及钛合金为活泼金属，熔融状态下极易与氧气发生反应。更有甚者，冷却水一旦进入熔炼坩埚中，就会与金属液发生反应导致爆炸事故。因此，在熔炼过程中，保持高真空对合金锭质量及熔炼过程安全尤为重要。目前，在var模具(包括铸模和底托)中的铸模(其为上下二端开口的筒状结构)及底托之间采用密封圈法对模具底部整体进行密封。密封圈的密封程度对温度非常敏感，在铸锭温度较高时，密封圈会由于软化、变质及膨胀变形而导致模具整体密封度下降，最终降低钛合金锭的整体质量。因此，有必要设计一种可有效保持密封圈工作温度的钛合金var熔炼底托。

var工艺部件结构如图1所示，包括铸模、铸锭、密封圈及底托。熔炼过程中，铸模(外壁面)及底托(侧壁面和底面)通过冷却水冷却，促进熔融铸锭凝固。密封圈处于铸模与底托接合位置，保证熔炼过程在一定真空度条件下进行。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种var密封保护底托，其和铸模构成水冷模具。一种真空自耗电极熔炼(var)的密封保护底托，包括密封圈槽，散热环及十字散热块。散热环及十字散热块宽度为5-10mm，高度为10-20mm。通过散热环及十字散热块促进底托整体散热效果。

本实用新型首次将模具底托改进为平面加冷却块的高效散热式，以保护模具整体的密封性，从而解决了传统平面式底托散热效果不佳，导致密封性下降，影响合金锭整体质量的弊端。

本实用新型采用的技术方案为：

一种真空自耗电极熔炼的水冷模具，包括铸模和平板状底托，铸模为上下二端开口的筒状结构，用于密封铸模下开口端的底托设置于铸模下开口端，于平板状底托上表面靠近四周边缘处设有一环状凹槽，于环状凹槽内设有密封圈，底托通过密封圈与铸模下开口端密封连接；于平板状底托下表面靠近四周边缘处设有一作为散热环的环状凸起，于平板状底托下表面中部设有二条成十字形交叉的长条状凸起，作为十字散热块。

环状凸起和环状凹槽分别于平板状底托的上下表面相对设置，即环状凹槽于平板状底托的下表面的投影位于环状凸起与平板状底托下表面相交的区域上。

底托为圆形平板，铸模为上下二端开口的圆筒；环状凹槽为圆环状凹槽，环状凸起为圆环状凸起，底托、铸模、环状凹槽、环状凸起同轴。

十字形交叉的长条状凸起二端与环状凸起内壁面连接。

散热环的厚度和十字散热块的厚度(垂直于长度方向的宽度)分别为5-10mm，垂直于底托表面方向的高度为10-20mm。

于环状凸起上开设有多个作为通水槽的贯穿环状凸起内外壁面的通孔，通水槽垂直于底托表面方向的高度为10-20mm，通水槽沿环状凸起周向方向的宽度为5-10mm，相邻通水槽间环状凸起周向方向的距离为5-10mm。于长条状凸起上开设有多个作为通水槽的贯穿长条状凸起二侧壁面的通孔，通水槽垂直于底托表面方向的高度为10-20mm，通水槽沿长条状凸起长度方向的宽度为5-10mm，相邻通水槽间的距离为5-10mm。

二条长条状凸起中的一条垂直于冷却水流动方向设置，于垂直于冷却水流动方向的长条状凸起上开设有多个作为通水槽的贯穿长条状凸起二侧壁面的通孔，通水槽垂直于底托表面方向的高度为10-20mm，通水槽沿长条状凸起长度方向的宽度为5-10mm，相邻通水槽间的距离为5-10mm。

于平板状底托上表面中部设有一凸台，凸台径向截面的形状和尺寸与铸模靠近下开口端处内部空腔的径向截面的形状和尺寸相同或相匹配，凸台从铸模下开口端伸入铸模内部。

一种真空自耗电极熔炼的水冷模具，包括铸模和平板状底托，铸模为上下二端开口的筒状结构，用于密封铸模下开口端的底托设置于铸模下开口端，于平板状底托上表面靠近四周边缘处设有一环状凹槽，于环状凹槽内设有密封圈，底托通过密封圈与铸模下开口端密封连接；于平板状底托侧壁面上设有一作为散热环的围绕底托的环状凸起；底托处于散热环所围绕的区域内。

本实用新型在底托外部有冷却水进行水冷换热，以降低密封圈槽中密封圈的使用温度，起到提高整体密封性的作用。

附图说明

图1现有技术var工艺部件图；

图2本实用新型带散热环的底托设计剖面图；

图3本实用新型带散热环的底托；

图4本实用新型带散热环及十字冷却块底托剖切图；

图5本实用新型带散热环及十字冷却块底托；

图6本实用新型带单方向通水槽的底托设计剖面图；

图7本实用新型带单方向通水槽的底托；

图8本实用新型带环向通水槽的底托设计剖面图；

图9本实用新型带环向通水槽的底托；

图10本实用新型密封圈上的测温点；

图11本实用新型各种底托设计条件下测温点温度分布；

图中标号分别为：1铸模、2铸锭、3密封圈、4底托、5散热环、6十字散热块、7通水槽。

具体实施方式

实施例1

如图2和3所示，一种真空自耗电极熔炼的水冷模具，包括铸模和平板状底托，铸模为上下二端开口的圆筒状结构，用于密封铸模下开口端的底托设置于铸模下开口端，于平板状底托侧面上表面靠近四周边缘处设有一圆环状凹槽，于环状凹槽内设有密封圈，底托通过密封圈与铸模下开口端密封连接；于平板状底托侧表面设有一作为散热环的、围绕底托的圆环状凸起。底托、铸模、环状凹槽、散热环同轴；底托处于散热环所围绕的区域内。

散热环的截面(垂直于底托表面方向)长度和宽度(平行底托表面方向)分别为10mm和15mm。

实施例2

如图4和5所示，一种真空自耗电极熔炼的水冷模具，包括铸模和平板状底托，铸模为上下二端开口的圆筒状结构，用于密封铸模下开口端的底托设置于铸模下开口端，于平板状底托上表面靠近四周边缘处设有一圆环状凹槽，于环状凹槽内设有密封圈，底托通过密封圈与铸模下开口端密封相连接；于平板状底托下表面靠近四周边缘处设有一作为散热环的圆环状凸起，于平板状底托下表面中部设有二条成十字形交叉的长条状凸起，作为十字散热块，十字形交叉的长条状凸起二端与圆环状凸起内壁面连接。底托、铸模、环状凹槽、环状凸起同轴。

环状凸起和环状凹槽分别于平板状底托的上下表面相对设置，即环状凹槽于平板状底托的下表面的投影位于环状凸起与平板状底托下表面相交的区域上。

散热环的厚度和十字散热块的厚度(垂直于长度方向的宽度)分别为8mm，垂直于底托表面方向的高度为15mm。

实施例3

结构同实施例2所示，与实施例2不同之处在于，为了提高底托冷却水通过性，将上述设计进一步改进如下图6和7所示。在散热环及十字散热块上开8mm宽的通水槽，一方面方便冷却水的流动，另外增加底托与冷却水的接触面积，进一步增加其冷却效果。

于环状凸起上开设有多个作为通水槽的贯穿环状凸起内外壁面的通孔，通水槽垂直于底托表面方向的高度为15mm，通水槽沿环状凸起周向方向的宽度为8mm，相邻通水槽间环状凸起周向方向的距离为8mm。

通水槽方向为单方向通水：二条长条状凸起中的一条垂直于冷却水流动方向设置，于垂直于冷却水流动方向的长条状凸起上开设有多个作为通水槽的贯穿长条状凸起二侧壁面的通孔，通水槽垂直于底托表面方向的高度为15mm，通水槽沿长条状凸起长度方向的宽度为8mm，相邻通水槽间的距离为8mm。

实施例4

结构同实施例2所示，与实施例2不同之处在于，为了提高底托冷却水通过性，将上述设计进一步改进如下图8和9所示。在散热环及十字散热块上开8mm宽的通水槽，一方面方便冷却水的流动，另外增加底托与冷却水的接触面积，进一步增加其冷却效果。

于环状凸起上开设有多个作为通水槽的贯穿环状凸起内外壁面的通孔，通水槽垂直于底托表面方向的高度为15mm，通水槽沿环状凸起周向方向的宽度为8mm，相邻通水槽间环状凸起周向方向的距离为8mm。

通水槽方向分为环向通水槽(图8和9)：于二条长条状凸起上开设有多个作为通水槽的贯穿长条状凸起二侧壁面的通孔，通水槽垂直于底托表面方向的高度为15mm，通水槽沿长条状凸起长度方向的宽度为8mm，相邻通水槽间的距离为8mm。

本实用新型真空自耗电极熔炼(var)的密封保护底托，包括密封圈槽，散热环及十字散热块；在底托外部有冷却水进行水冷换热，以降低密封圈槽中密封圈的使用温度，起到提高整体密封性的作用。

分别对现有技术中的平面底托(图1)及本实用新型设计的实施例1-4四种带冷却系统的底托进行有限元模拟分析，考察密封环温度分布情况。水冷条件是温度15℃，换热系数5000w/m²·k。取密封圈最靠近铸锭位置一点为测温点，如图10所示。各设计下，该测温点的温度随时间变化如图11所示。1号曲线为传统底托，2号为带侧壁散热环底托(实施例1)，3号为带散热环及十字冷却块底托(实施例2)，4号为带单方向通水槽的底托(实施例3)，5号为带环向通水槽的底托(实施例4)。由模拟结果可以看出，1-5号温度曲线整体温度依次逐渐减小。散热环及十字冷却块可将测温点的最高温度降低近10-20度，可有效降低密封圈的整体温度。