a，启动熔炼电源。下降电极杆1，使辅助电极2与熔 化电极间产生熔炼电弧，当融化的金属钛液足够将辅助电极2与熔化电极粘在一起时，切 断熔炼电源，同时快速下降电极杆1，使辅助电极2与熔化电极紧密贴合。待熔化金属液冷 却凝固后，辅助电极2与熔化电极即可焊接为一体。
[0051] 熔炼。动作1 :提升电极杆1，确保熔化电极升至上炉室3内部；动作2 :上推拉锭 杆8,确保底垫7上升至与水冷结晶器5的中间位置，此时底垫7与结晶坩埚10内腔处于无 间隙配合状态；动作3 :启动下炉室6加热功能，使下炉室温度达到工艺要求；动作4 :拉锭 杆8和电极杆1分别连接直流电源系统的正负极，启动熔炼电源，下降电极杆1，使熔化电极 与底垫7之间产生熔炼电弧；动作5 :当水冷结晶器5内腔的金属钛液足够多，且底部完全 结晶时，应适时下拉拉锭杆8,确保金属熔池的液面处于相对固定的位置，金属的高温电弧 熔化区及金属熔池限制在结晶坩埚10的内部空腔中，由于结晶坩埚10的腔壁受强制水冷， 靠近坩埚壁的液态金属会快速结晶并形成金属铸锭19 ;动作6 :在稳定熔炼过程中，上方电 极杆1的下降速度（速度通常为〇~300毫米/分钟）和下方拉锭杆8的下拉速度（速度 通常为0~150mm毫米/分钟）基本恒定，且具有可计算的匹配关系；动作7 :待电极杆上 悬挂的电极全部熔化完毕，应及时切断熔炼电源，并继续下拉拉锭杆8,直至金属铸锭19全 部沉降到下炉室6腔体中，以确保金属铸锭19整体处于恒温状态。
[0052] 炉内退火。根据退火工艺要求，金属铸锭19在下炉室6经过保温、缓慢冷却等过 程，下炉室6可以进行加热控制，确保金属铸锭19处于恒温状态，通常为800°C~1050°C， 下炉室6的加热功能也可以不使用，仅作为熔炼过程中结晶铸锭的贮存仓。
[0053] 出炉。待下炉室6和结晶金属铸锭19完全冷却后，可以进行出炉操作：动作1 :将 上炉室3整体提升、旋转，移至下炉室6的侧上方；动作2 :将真空闭锁阀4、水冷结晶器5整 体移开；动作3 :上推拉锭杆8,确保金属铸锭19及底垫7全部提升到下炉室6上方；动作 4 :脱开底垫7和金属铸锭19之间的榫连部分，确保底垫7和金属铸锭19安全分离；动作 5 :通过吊运方式将金属铸锭19转移至产品存放区域。
[0054] 接续起弧过程。真空自耗拉锭炉具备接续起弧能力，接续起弧不适用于成品锭的 熔炼，仅适用于中间产品的熔炼，通常是一次锭或二次锭的熔炼过程。真空闭锁阀4是实现 接续起弧的关键部件。当电极杆1上悬挂的熔化电极全部熔完，且拉锭杆8的下推行程还 足够长，则适合进行接续起弧操作。具体步骤包括，动作1 :如果需要进行接续起弧，应在熔 炼操作停弧之后，保持拉锭杆8位置不动，确保金属铸锭19仍然处于水冷结晶器5的内腔； 动作2 :关闭真空闭锁阀4,再提升上炉室3,真空闭锁阀4的功能是确保上炉室3提升以后， 下方的水冷结晶器5和下炉室6仍然能够保持真空状态；动作3 :上炉室3打开之后，可将 另一根熔化电极装夹到电极杆1的下方，再提升电极杆1，确保悬挂的电极全部缩进到上炉 室3内部；动作4 :上炉室3旋转归位，下降闭合；动作5 :上炉室3抽真空；动作6 :打开真 空闭锁阀4,完成后续的起弧及熔炼过程。接续起弧操作可以重复进行，主要取决于每次熔 炼完成后，拉锭杆8的下拉行程是否还足够长。在进行接续起弧之前，辅助电极2和待熔化 电极需要预先焊接在一起，接续起弧无法进行熔化电极的炉内焊接。
[0055] 该设备在具体设计实现时，各个部件都有确定的几何尺寸，随着设计规格的变化， 部件的几何尺寸也会发生显著变化。如果设备的结构及工作原理符合上述所述，则任何部 件在几何尺寸方面的变化仍然属于本发明的权利要求范围。
[0056] 典型工艺实施
[0057] 使用本发明阐述的ZHLD-1000真空自耗拉锭炉，可熔炼的三次成品锭的最小重量 约为40kg(密度按4. 4g/cm3计算），其典型工艺可结合附图8说明如下：
[0058] 电极制备。压制045nmX35Omm的电极块25块，每块重量为1.7kg，电极的原材 料配方根据实际合金成分确定。在真空等离子焊箱中把4块海绵钛电极焊接成一根1400mm 长的整体电极，其重量为6. 8kg，共制备5根，此外，还需制备一根1750mm长的整体电极，其 重量为8. 5kg。
[0059] -次锭熔炼。6根焊接整体电极经过1次装炉熔炼及5次接续起弧熔炼过程， 可熔炼出1根42. 5kg钛合金一次锭（08OmmX191O_)。一次锭熔炼的主要工艺参 数为：铜i甘埚的内径为080mm,电极杆的行程为1750mm和1400mm，拉锭杆的总行程为 1910mm(380mm+306mmX5 次），恪炼电流 1000A~1500A。
[0060] 二次锭熔炼。1根钛合金一次锭经过1次装炉熔炼过程，可熔炼出1根钛合金二次 锭（0120mmX850mm),其重量为42. 5kg。二次锭恪炼的主要工艺参数为：铜i甘埚的内径为 012〇丨_,电极杆的行程为191〇111111，拉锭杆的一次行程为85〇111111，熔炼电流15〇(^~2〇〇(^〇 [0061 ] 三次锭熔炼。1根钛合金二次锭经过1次装炉熔炼过程，制备出1根钛合金三次锭 (01 60mmX180mm)，重量为42. 5kg。三次锭为成品铸锭，不允许使用接续起弧熔炼。三次 锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为01 60mm，电极杆的行程为850mm，拉锭杆的一 次行程为480mm，熔炼电流2000A~4000A。
[0062] ZHLD-1000真空自耗拉锭炉能够生产的最大锭型为1吨级钛合金三次锭（密度按 4. 4g/cm3计算），其典型工艺路线说明如下：
[0063] 电极制备。压制017.5minX3；5Omm的电极块40块，每块重量为27kg，电极的原材 料配方根据实际合金成分确定。在真空等离子焊箱中把5块海绵钛电极焊接成一根1750_ 长的整体电极，其重量为135kg，整体电极共制备8根。
[0064] -次锭熔炼。6根焊接整体电极经过1次装炉熔炼及5次接续起弧熔炼过程，可熔 炼出1根648kg钛合金一次锭（032Onm丨X18〗7mm)。4根焊接整体电极经过1次装炉熔炼 及3次接续起弧熔炼过程，可熔炼出1根432kg钛合金一次锭（《320mmX12Πmtn)。一次 锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为032Oimii,电极杆的行程为1750_，拉锭杆的总 行程为 1817mm(303mmX6 次）和 1211mm(303mmX4 次），熔炼电流 5000A~7000A。
[0065] 二次锭熔炼。2根钛合金一次锭经过1次装炉熔炼及1次接续起弧熔炼过程，可 恪炼出1根钛合金二次锭（0395mmX1986min),重量为1080kg。二次锭恪炼的主要工艺 参数为：铜i甘埚的内径为039_5画1，电极杆的行程为1817mm和1211mm，拉锭杆的总行程为 1986mm(1192_+794mm)，恪炼电流 8000A~12000A。
[0066] 三次锭熔炼。1根钛合金二次铸锭经过1次装炉熔炼过程，制备出1根钛合金三 次锭（044〇丨'_X1600mm),重量为1080kg。三次锭为成品铸锭，不允许使用接续起弧熔炼。 三次锭熔炼的主要工艺参数为：铜坩埚的内径为i44:0mm，电极杆的行程为1986mm，拉锭杆 的一次行程为1600mm，熔炼电流8000A~12000A。
[0067] 上述的两条工艺路线也可以用于TiAl、Ti3Al、Ti2AlNb等金属间化合物材料的熔 炼。对于这类脆性合金，其工艺特征为：在熔炼拉锭过程中以及熔炼完成之后，结晶铸锭可 以在下炉室进行去应力退火。退火参考工艺为900~1000°C保温4~6小时，再以0. 5°C/ min~1. 0°C/min的冷却速度缓慢冷却到50°C以下，然后出炉。这种在熔炼炉内直接完成 去应力退火的工艺是本设备的独创功能之一，可以确保整支铸锭从结晶到冷却出炉过程中 不产生显著的内外及上下温度梯度，有效消除了铸锭的内部热应力，从而制备出无裂纹的 脆性合金优质铸锭。
【主权项】
1. 一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⑴从上炉室⑶的顶部中间穿过并伸入上炉室⑶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); 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~ 1200_，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)，两侧对称的上中下三点 各安装一个温度传感器。2. 根据权利要求1所述的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：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)。
【专利摘要】本发明涉及一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，该设备从上至下包括电极杆及其驱动机构、上炉室、真空闭锁阀、水冷结晶器、下炉室、拉锭杆及其驱动机构等，此外，本设备还需要配套直流电源系统和真空机组系统，但这两个系统不涉及本发明的保护范围。本设备的优点如下：1、下炉室设计了加热功能，可以实现结晶铸锭在真空下进行去应力退火，有效消除铸锭的热应力。2、降低真空电弧熔炼过程发生的坩埚击穿及爆炸风险。3、降低了坩埚的制造成本。4、坩埚许用直径的范围比较宽，单台设备可覆盖几公斤到上吨级的铸锭熔炼。5、本设备在熔炼过程中可进行多次装炉并连续拉锭，减少了电极焊接工序。
【IPC分类】C22B9/193, C22B9/187
【公开号】CN105238936
【申请号】CN201510661963
【发明人】郝孟一, 王资璐, 李臻熙, 傅宇飞
【申请人】中国航空工业集团公司北京航空材料研究院
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年10月14日