一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置的制造方法
【技术领域】：
[0001] 本发明是一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，属于金属材料真 空熔炼技术领域。
【背景技术】：
[0002] 钛及钛合金以其比重小、比强度高、抗腐蚀等优良的性能，近几十年已经被广泛应 用于航天、航空、石油、化工、医疗、汽车制造、体育休闲等领域，被人们美誉为"太空金属"、 "海洋金属"、"全能金属"。从国内外技术现状来看，钛及钛合金的熔炼主要依靠真空自耗电 极电弧炉（VAR)设备完成，此外还有等离子冷床炉（PAM)、电子束熔炼炉（EB)、冷壁坩埚真 空感应熔炼炉等金属熔炼设备可用于钛及钛合金的熔炼。与VAR设备相比，其它类设备的 使用数量及其熔炼产能不足1 %。VAR设备不仅用于钛及钛合金的熔炼，还适用于高温合 金等特种金属材料的熔炼，以达到材料提纯和成分均匀化的目的。VAR设备具有技术成熟 度高、使用和维护方便、生产效率高等优点，是国内外钛材生产企业的必选熔炼设备。但是， VAR设备也存在某些技术上的不足，主要包括：（1)金属铸锭在凝固冷却过程中存在很大的 温度梯度，造成铸锭内部的热应力较强，对TiAl、TiAlNb等脆性金属材料而言，经常会出现 铸锭内部裂纹或开裂；(2)熔炼过程的异常侧弧检测困难，而异常侧弧是引发设备爆炸的 重要原因之一；（3)铜坩埚制造成本较高，在VAR设备的初期投产阶段，铜坩埚的制造成本 占设备总投资的15%~30%，在后期使用过程中，坩埚的累计投入成本甚至会超过设备原 值。
【发明内容】
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[0003] 本发明正是针对现有VAR设备存在的不足而设计提供了一种熔炼金属材料的真 空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其目的是在VAR设备的基础上，克服3个技术不足：（1)熔 炼过程中的金属铸锭可以在下炉室完成真空去应力退火，显著消除铸锭的内部热应力，解 决TiAl、TiAlNb等脆性金属材料的熔炼技术难点；(2)熔炼过程中熔池的位置基本固定，易 于侧弧检测，可显著降低真空自耗熔炼的爆炸风险；（3)通过固定高度的短坩埚设计方案， 可以显著降低坩埚制造成本方面的投入。此外，还具有其他一些优点，包括：炉内观察范围 宽；坩埚最小直径无限制；单台设备可以覆盖的铸锭规格范围很宽；电极焊接工序减少等。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0005] -种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：该装置包括 一个电极杆（1)，电极杆（1)从上炉室（3)的顶部中间穿过并伸入上炉室（3)内，电极杆（1) 与上炉室（3)的顶部之间为动密封（17)接触形式，电极杆（1)在驱动机构的带动下可上下 移动，上炉室（3)的底部连接到真空闭锁阀（4)的一端，真空闭锁阀（4)的另一端连接水冷 结晶器（5)的上端，水冷结晶器（5)的下端与下炉室（6)的顶部连接，上述连接均通过法兰 对接完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆（8)从下炉室（6)的底部 中间穿过并伸入下炉室（6)内，下炉室（6)固定在一个钢结构的平台（9)上，拉锭杆（8)与 下炉室（6)的底部之间为动密封（17)接触形式，拉锭杆（8)在驱动机构的带动下可上下移 动，在拉锭杆（8)的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载冷却后金属铸锭的底垫（7);
[0006] 上述水冷结晶器（5)为筒形结构，水冷结晶器（5)的内层是一个铜制的结晶坩埚 (10)，结晶坩埚（10)是一个上下敞口的圆柱形空腔零件，腔体内部呈上口小、下口大的锥 形，结晶坩埚（10)的高度为300~900mm，壁厚为15~35mm，结晶坩埚（10)的最大直径为 200~1200mm，水冷结晶器（5)的外层是一个水套（11)，在结晶坩埚（10)和水套（11)之间 设置有搅拌线圈（12)。
[0007] 下炉室（6)是一个圆柱形腔体结构，腔体外壳（15)和腔体内壳（16)是双层不锈 钢结构，中间通冷却介质，腔体内表面上安装电阻加热体或感应加热线圈（18)。
[0008] 本发明技术方案的有益效果包括以下几点：
[0009] 1.下炉室设计了加热功能，确保钛合金铸锭结晶后处于恒温状态，有效消除钛合 金铸锭的热应力，使整支钛合金铸锭可以在真空状态下完成去应力退火后出炉；
[0010] 2.水冷结晶器的内部安装了多点温度传感器，用于监测坩埚内的熔池工况，并及 时检测出异常侧弧，从而显著降低自耗熔炼作业过程的爆炸风险；
[0011] 3.水冷结晶器的结晶坩埚高度通常不大于900_，与传统的真空自耗电弧炉相比 的制造成本可以显著降低；
[0012] 4.在熔炼过程中，熔池位于水冷结晶器（5)内，位置相对固定，易于观察，因此对 于水冷结晶器的最小结晶坩埚（10)的直径几乎没有限制，单台设备可以覆盖更大范围的 熔炼锭型；
[0013] 5.在一次拉锭过程中，可以进行多次装炉的接续式熔炼作业，显著减少了电极间 的焊接工序。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明所述装置的结构示意图
[0015] 图2为本发明所述装置的水冷结晶器的结构示意图
[0016] 图3为本发明所述装置的下炉室的结构示意图
[0017] 图4为本发明所述装置实施例的ZHLD-1000真空自耗拉锭炉的整体结构图
[0018] 图5为本发明所述装置的实施例的ZHLD-1000真空自耗拉锭炉的立体结构示意图
[0019] 图6为本发明所述装置的工艺流程图，流程方向为从左至右
[0020] 图7为图6的工艺流程的延续
[0021] 图8为本发明所述装置的典型工艺参数说明图
【具体实施方式】
[0022] 以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
[0023] 参见附图1~3所示，该种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其 特征在于：该装置包括一个电极杆1，可以通水冷却。电极杆1从上炉室3的顶部中间穿过 并伸入上炉室3内，电极杆1与上炉室3的顶部之间为动密封17接触形式，其有真空密封 和电绝缘的双重功能。电极杆1在驱动机构的带动下可上下移动，驱动机构通常由伺服电 机、减速器、丝杆等部件实现。电极杆1下端的气动卡头可以装夹辅助电极2,且连接直流 电源的负极。上炉室3的底部连接到真空闭锁阀4的一端，真空闭锁阀4的另一端连接水 冷结晶器5的上端，水冷结晶器5的下端与下炉室6的顶部连接，上述连接均通过法兰对接 完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆8从下炉室6的底部中间穿过 并伸入下炉室6内，下炉室6固定在一个钢结构的平台9上，下炉室6相当于一个立式的真 空热处理炉，在熔炼作业过程中实现结晶铸锭的贮存和加热保温。在熔炼完成后，下炉室6 中的金属铸锭可以受控缓慢冷却，达到消除热应力的目的。为实现下炉室6的温度控制功 能，还需要配套相应的自动控温系统，该自控系统可使用市场成熟产品，不属于本发明的涉 及范围。电阻加热体19的最高加热温度可按900~1100°C设计，精确度为±15°C。拉锭 杆8与下炉室6的底部之间为动密封17接触形式，其有真空密封和电绝缘的双重功能。拉 锭杆8在驱动机构的带动下可上下移动，且推动速度可控，拉锭杆8驱动机构可以采用液压 伺服方式实现，也可采用伺服电机、减速器、丝杆等部件实现。此外，拉锭杆8应设计为可以 通水冷却。在拉锭杆8的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载冷却后金属铸锭的底垫7,底 垫7是一个圆饼状铜质部件，其直径与铜坩埚内径配合，底垫7上加工了燕尾形凹槽，在熔 炼起弧阶段，液态金属流入凹槽，结晶之后，上方铸锭与底垫7通过燕尾形凹槽可靠连接， 确保拉锭杆可以牵引铸锭向下移动。
[0024] 上述水冷结晶器5为筒形结构，水冷结晶器5的内层是一个铜制的结晶坩埚10,结 晶坩埚10是一个上下敞口的圆柱形空腔零件，腔体内部呈上口小、下口大的锥形，结晶坩 埚10的高度为300~900mm，壁厚为15~35mm，结晶坩埚10的最大直径为200~1200mm， 水冷结晶器5的外层是一个水套11，在结晶坩埚10和水套11之间设置有搅拌线圈12,在 结晶坩埚10的外侧安装多点温度传感器14,如图2所示，两侧对称的上中下三点各安装一 个温度传感器。在熔炼过程中金属熔池液位基本保持在结晶坩埚10的1/2高度处，结晶坩 埚10上部留出250~300mm的空间。
[0025] 下炉室6是一个圆柱形腔体结构，腔体外壳15和腔体内壳16是双层不锈钢结构， 中间通冷却介质，腔体内表面上安装电阻加热体或感应加热线圈18。
[0026] 参见附图4~5所示，将本发明装置设计成一吨级的真空自耗电极电弧熔炼拉锭 炉，其型号命名为ZHLD-1000,该设备的主要技术参数为：
[0027] (1)电极杆全行程：2l5〇mm
[0028] ⑵拉锭杆全行程：2400mm
[0029] ⑶真空闭锁阀高度：400mm
[0030] ⑷水冷结晶器高度：500mm
[0031] (5)上炉室内腔净空高：2000mm
[0032] (6)下炉室内腔净空高：2400mm
[0033] (7)上炉室最大提升高度：400mm
[0034] (8)结晶坩埚最大许用直径：450mm
[0035] (9)结晶谢祸最小许用直径：80mm
[0036] (10)熔炼电流：500A~16000A连续可调（空载电压50~80V)
[0037] (11)空炉极限真空度：0·IPa
[0038] (12)空炉漏气率：0· 2Pa/min
[0039] (13)电极杆移动速度：0~±300mm/min连续可调
[0040] (14)拉锭杆移动速度：0~± 150mm/min连续可调
[0041] (15)下炉室最高加热温度：1000°C
[0042] (16)下炉室加热功率：30kw
[0043] (17)下炉室控温精度：±15°C
[0044] (18)下炉室均温区尺寸：05OOmmX2000mm
[0045] (19)搅拌磁场强度：0~70高斯连续可调
[0046] (20)搅拌方式1 :直流单向或1-300秒正反向交替
[0047] (21)搅拌方式2 :交流20~100Hz连续可调（交流变频）
[0048] 参见附图6~7所示，该真空自耗电极电弧熔炼拉锭炉的作业流程如下：
[0049] 装炉。动作1 :将上炉室3整体提升、旋转，移至下炉室6的侧上方，再将拉锭杆8 上推至合适位置；动作2 :将待熔化电极（如海绵钛电极）竖直放置在底垫7之上，使海绵 钛电极轴线与底垫7轴线保持在一条直线；动作3 :下推拉锭杆，确保熔化电极沉降到真空 闭锁的法兰面以下；动作4 :上炉室3旋转归位并下降，确保上炉室3与真空闭锁竖直同轴 且紧密贴合。
[0050] 焊接。整个炉体抽真空至5P