一种钛基合金熔炼熔配的电磁感应真空装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钛基合金的冶炼和熔配技术的应用设备，具体涉及一种钛基合金熔炼 熔配的电磁感应真空装置。
【背景技术】
[0002] 钛合金是一种新型结构材料，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等，也具 有优异的综合性能，如密度小，强度和断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧 性良好，抗蚀性能优异特点而被广泛用于各个领域。钛合金最早主要用于制作飞机发动机 压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。而今钛及其合金已在一般工业中得到 了应用，钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用 作植入人体的植入物等。而且还能用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和 海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金 等，因此它在航空、航天、化工、医药、造船等工业部门获得日益广泛的应用和发展迅猛。
[0003] 然而，由于钛合金在液态下的化学性质极为活波，几乎与所有接触的气体和铸型 材料发生化学反应，会造成合金污染，并改变钛基合金的物理组织，消弱其化学和物理性 能。因而在钛基合金的熔炼和熔配过程中，正确控制合金熔体的温度和成分尤为关键，对于 获得性能良好的钛基合金尤为重要。而目前工业中广泛采用的是自耗电极式的电弧熔炼炉 或者电子束熔炼，虽然可以有效保证合金的溶液有一定的过热度和较为准确的合金熔体成 份，但这种方法对于原料和电极的质量要求极高，并且熔池的表面积大，深度小，易造成高 蒸气压元素（如铝元素）的挥发损失较大，电子束熔炼会使钛合金尤其是钛铝合金中含氧 量明显降低，同时也使得合金中铝含量明显降低。而且溶液和坩埚也极易发生合金的变异， 对合金成分的精度还达不到要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种钛基合金熔炼熔配 的电磁感应真空装置。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括炉体，所述炉体内设置有水冷铜 坩埚，所述水冷铜坩埚下方依次设置有浇铸漏斗和铸型；
[0006] 所述水冷铜坩埚包括若干个相互绝缘设置的弧形铜块，相邻的弧形铜块之间设置 有不泄露熔体的铜块间隙；所述各弧形铜块采用内循环水冷却；所述水冷铜坩埚外侧设置 有电磁感应线圈，所述电磁感应线圈与中频电源输入端连接。
[0007] 进一步的，所述各弧形铜块内开有冷却水槽，并在底部设置有进水口和出水口，所 述各弧形铜块的底端连接有基座，所述基座内开有水槽，并设置有进水管路和出水管路；所 述各弧形铜块的进水口与进水管路连通，出水口与出水管路连通；所述进水管路与冷却水 源相连接。
[0008] 进一步的，所述基座包括开有循环水槽的水槽板；所述水槽板上固定有水槽盖板； 所述水槽板内的循环水槽分别与各弧形铜块内的冷却水槽相连通。
[0009] 进一步的，所述相邻弧形铜块之间的铜块间隙为2-4_。
[0010] 进一步的，所述弧形铜块的数量为4-20。
[0011] 进一步的，所述电磁感应线圈采用空心异形铜管。
[0012] 进一步的，所述电磁感应线圈的尺寸满足：
[0013]感应器内径dl = d2+2 Δ c ;
[0014] 感应器高度hl=bdl;
[0015] 其中：dl为感应器内径，d2为坩埚外径，Δc为炉衬厚度，hi为感应器高度，b取 值为1.0至1.2。
[0016] 进一步的，所述弧形铜块采用半圆形铜块，或采用D型异形铜块。
[0017] 进一步的，所述炉体上还设置有熔配加料机构、翻转机构、电源系统接口、真空系 统接口、反充惰性气体系统、观察窗和测温窗。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：与传统熔炼方法相比，钛基合 金熔配的电磁感应真空装置加热温度不受坩埚材料限制，可以达到2000°c以上；熔体与坩 埚完全分离，避免了熔炼过程中坩埚材料带来的污染。通过磁力搅拌产生的对流作用，还 可以在高温下有效地去除熔体表面漂浮的氧化物等杂质，非常适合于高纯钛金属材料与合 金的熔炼与合成；不需要附加搅拌设备，在电磁力作用下熔体可以被充分的搅拌，有利于提 高熔炼材料的组分均匀性；钛合金中的间隙元素得到了有效控制保持钛基合金金的优良性 能。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明整体设备简化示意图；
[0020] 图2为本发明水冷铜坩埚结构示意图；
[0021] 图3为本发明水冷铜坩埚分布及电磁特性示意图；
[0022] 图4为本发明电磁感应真空状态下钛基合金熔炼熔配过程示意图；
[0023] 图5为i甘埚水冷却工作示意图；
[0024] 其中：1为弧形铜块；2为铜块间隙；3为坩埚熔池；4为电磁感应线圈；5为金属凝 壳；6为进水管路；7为出水管路；8为水冷铜坩埚；9为浇铸漏斗；10为铸型；11为炉体；12 为水槽板；13为水槽盖板；14为熔配加料机构；15为翻转机构；16为电源系统接口； 17为 真空系统接口； 18为反充惰性气体系统；19为观察窗；20为侧温窗；21为冷却水槽。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0026] 参见图1、图2,本发明包括炉体11，炉体11上设置有熔配加料机构14、翻转机构 15、电源系统接口 16、真空系统接口 17、反充惰性气体系统18、观察窗19和测温窗20。
[0027] 所述炉体11内设置有水冷铜坩埚8,所述水冷铜坩埚8下方依次设置有浇铸漏斗 9和铸型10;所述水冷铜坩埚11包括若干个相互绝缘设置的弧形铜块1，相邻的弧形铜块1 之间设置有不泄露熔体的铜块间隙2;弧形铜块1的数量为4-20。所述各弧形铜块1采用 内循环水冷却；所述水冷铜坩埚8外侧设置有电磁感应线圈4,所述电磁感应线圈4与中频 电源输入端连接。
[0028] 参见图5,所述各弧形铜块1内开有冷却水槽21，并在底部设置有冷却水槽21的 进水口和出水口，所述弧形铜块1的一端设置有基座，所述基座内开有循环水槽，并设置有 进水管路6和出水管路7 ;所述各弧形铜块1的进水口通过基座内的循环水槽与进水管路 6连通，出水口通过基座内的循环水槽与出水管路7连通；所述进水管路6与冷却水源相连 接。所述基座包括开有循环水槽的水槽板12 ;所述水槽板12上固定有水槽盖板13 ;所述水 槽板12内的循环水槽分别与各弧形铜块1内的冷却水槽相连通。图5中箭头指向为冷却 水工作流向，向上为进水方向，向下为出水方向。进水用圆形铜管把进水槽和坩埚内部冷却 水槽联结到坩埚顶部，然后开放式自然压力流落下来，到坩埚内部冷却水槽，进行给坩埚铜 瓣降温，再流回到坩埚底部出水水槽，和出水管道连接。基座和坩埚底部密封处理，进水出 水和炉体基座联结密封后引出。
[0029] 相邻弧形铜块1之间的铜块间隙2为2-4_;弧形铜块1采用半圆形铜块，或采用 D型异形铜块。
[0030] 所述电磁感应线圈5采用空心异形铜管。电磁感应线圈5的尺寸满足：
[0031]感应器内径dl=d2+2Δc ;
[0032]感应器高度hi=bdl(b=hl/dl);
[0033]其中：dl为感应器内径，d2为坩埚外径，Δc为炉衬厚度，hi为感应器高度，b取 值为1.0至1.2。
[0034] 本发明提供的电磁感应真空装置由炉体、真空系统、气动液压系统、冷却水系统、 反充惰性气体系统、中频电源及其控制系统组成。炉体包含真空感应熔炼炉和冶炼熔配以 及生产场所和空间，由熔配加料机构、观察窗、取样装置、测温窗、翻炉机构、水冷铜坩埚、感 应器及进电装置、真空室壳体等组成。真空系统包含真空栗机组、真空阀、检测仪器等，它的 职能是提供冶炼和熔配过程中的必须条件，如极限真空度、工作真空度、抽气时间控制、升 压率；气动液压系统除真空组外的满足真空加料等机械动作的系统；冷却水系统是为电磁 感应线圈和水冷铜坩埚进行降温系统，反充惰性气体系统是为保护在冶炼和熔配过程中减 少杂质和合金成分的纯度的系统；变频电源及电控系统是负责供给冶炼和熔配过程中所必 需的电能，以实现电压、电流、功率，电流频率等电气参数的控制系统。
[0035] 工作原理：把装有钛或钛基合金材料作为炉料的特制水冷铜坩埚内，利用电磁感 应原理产生的强涡流作为热源，在真空状态下进行钛或钛基合金材料的熔炼熔配，从而得 到高质量无污染的高纯度新钛基合金材料。工作过程中由于特制的水冷铜坩埚进行水冷 却，在熔炼钛合金时，坩埚和熔体之间形成有钛合金熔体遇冷凝固的固