本发明涉及金属熔炼技术领域，特别涉及一种含钛金属的熔炼铸造方法。
背景技术：
钛及钛合金具有耐腐蚀、比强度高、耐热性好、无磁性等优点，广泛用于航空航天、化工、海洋工程等领域。钛铝金属间化合物又称钛铝合金或钛铝基合金，具有高的比强度、比模量、高温强度、刚度，抗蠕变氧化性能佳等特点，应用目标为航空发动机、航天发动机、燃气轮机、内燃机等动力系统中750℃以下使用的耐温构件。两者的冶炼均属于钛冶炼工业，其熔液均有较高活性，即在熔炼时，熔融状态的金属液极为活泼，能够和空气中的氧、氮发生剧烈反应，与绝大多数耐火材料发生剧烈反应。
当前工业化钛冶炼工艺均采用真空环境和冷壁结晶器技术，以强冷却的冷壁与熔融金属液接触使金属液形成凝壳作为容器来容纳活泼金属熔体；而凝壳的形成和维持，需要通过高功率热源和大量冷却介质建立动态热平衡，能源消耗巨大。其采用的热源主要有电弧(ea)、电子束(eb)、等离子束(pb)、感应电磁场(iemf)，其中以电弧做热源的真空电弧重熔(var)技术在当前钛冶金工业生产中应用最为广泛。
以var技术为例，其熔炼钛合金二次锭需要10个工序，分别是：配料计算、包制合金包、压电极、焊电极、一次熔炼、平头、焊一次锭、二次熔炼、平头及取样、化学分析；若需要完成铸件生产，则需再加3个工序，分别是：焊假电极、凝壳熔炼浇铸、取样理化分析；并且需要更换设备为真空自耗电极凝壳炉进行，金属锭至少需要熔化两次，平均每千克钛合金每重熔一次至少需要消耗4kwh电能、约1.5kg冷却水。钛及钛合金、钛铝金属间化合物铸件冶金受工艺复杂、流程长、周期长、能耗高等特点的限制，成本难以降低。
随着感应凝壳熔炼(ism)技术发展，出现了真空感应凝壳熔炼(vism)散布料熔炼工艺，其流程如下：配料计算、称量、布料、熔炼、浇铸、取样分析。传统的vism散布料熔炼工艺，要么无法通过一次熔炼获得足够用于浇铸的金属量，对工业生产无实际意义，要么采用多次熔炼获得均匀成分合金锭，不能缩短流程、节省能耗。
电子束(eb)、等离子束(pb)等高能束熔炼技术，可以缩短制造流程，但电子束炉真空度较高，会造成钛铝合金中铝元素挥发烧损，导致成分严重偏离，因而无法熔炼钛铝合金。等离子束炉虽然可以实现钛铝合金的冶炼，但其高效工作气体一般为氦气，成本较高。另外，电子束炉、等离子束炉投资成本高、技术门槛高，亦不利于合金成本的降低。
随着航空航天、汽车等工业的发展，短流程、低成本、高质量的钛及钛合金、钛铝金属间化合物的冶金新工艺新技术的开发倍受关注。
技术实现要素：
本发明的目的是为解决以上问题，本发明提供一种含钛金属的熔炼铸造方法。
一种含钛金属的熔炼铸造方法，包括以下步骤：配料计算，根据合金的成分要求和各原材料中的组分含量进行配料计算；包制合金包，根据配料计算结果，称量所需的中间合金和单质，并进行合金包包制；压电极，使用主原料包裹合金包压制成电极，保证合金包靠近电极一端的端部，或者露头，将压制的电极暂存于烘箱中；感应熔炼，将压制成的电极置于坩埚正中，按照匹配的真空和/或充氩条件以及感应功率加载曲线感应熔炼成含钛金属液；浇铸，浇铸前增加熔炼功率提高含钛金属液的过热度，并进行浇铸，形成含钛金属铸锭或铸件。
其中，配料计算步骤为：
a、确定第i种烧损元素补偿系数kei：kei＝ki％，kei依据经验设定初值，经由试验确定最终数值。
b、确定凝壳占用主量元素(重量百分比超过10％)的金属量wsem：wsem＝ks×d2×h×dens，wsem单位为kg；ks＝7.85×10-7,d为电极直径，h为凝壳平均厚度，单位取mm，dens为密度，单位取g/cm3。对于钛合金，主量元素为钛元素，对于钛铝合金，主量元素为钛元素和铝元素。
c、计算凝壳扣除之后的电极重量wm：wm＝wb-wsem，wb为压制电极块总重量，wsem为电极主量元素凝壳占用金属量。
d、计算第i种高蒸气压挥发烧损元素ei的含量wei：wei＝wm×(eei％+kei)，wm为凝壳扣除后的电极块重量；eei％为待配含钛金属中第i种烧损元素的目标重量百分比；kei为第i种烧损元素的补偿量。
e、计算补偿后其它元素金属计算基本重量w：
f、计算其它元素重量：wez＝w×ez％，wez为某非烧损元素z的配方含量，w为补偿后其它元素计算基本重量，ez％为待配含钛金属中元素z的目标重量百分比。
g、计算中间合金需求量：对烧损元素i和非烧损元素z组成的中间合金，waj＝wez÷ajz％，waj为第j种中间合金配料重量；wez为某非烧损元素z的配方含量；ajz％为第j种中间合金中非烧损z元素的重量百分比。
中间合金中的i元素：wai＝waj×aji％，wai为满足wez含量的中间合金中i元素的含量；aji％为第j种中间合金中i元素的重量百分比。
h、计算单质需求量：对于中间合金元素无法满足待配合金需求的情况(wei<wai)，需要对需求重量较大的该种元素用单质补齐，weei＝wei-wai，weei+1是配料中需要补足的中间合金中i元素的单质重量；
i、计算主量元素需求量:weem＝wem+wsem，式中，weem是配方中主元素的重量；对于钛合金，将wsem计入钛单质重量中；对于钛铝合金，将wsem按合金中钛铝的重量比分配给钛单质和铝单质。
其中，感应熔炼步骤中，首先施加一较低功率保持一定时间烘烤电极，然后按特定速率升功率至某一功率范围使电极反应，并视反应剧烈程度调节输入功率，反应结束后，按照另一特定速率加功率至电极熔化，继续升功率对电极均匀化精炼；
以上电极重量为10kg至55kg，烘烤电极功率为30kw至80kw，时间2min至5min；电极反应的某一功率范围对钛合金为140kw至480kw，对钛铝合金为120kw至400kw，功率特定加载速率钛合金钛铝合金通用，反应前为20kw/min至60kw/min，反应后为30kw/min至80kw/min；反应阶段实时观察反应情况，若反应剧烈，则降低功率10kw到50kw；直至反应完全，其标志为金属平稳熔化，飞溅量大幅降低；精炼功率和时间为钛合金400kw至820kw，3min至5min，钛铝合金450kw至910kw，2min至5min；
其中，感应熔炼步骤中，当含钛金属为钛合金时，不充入氩气，真空条件为6pa以下；当含钛金属为钛铝合金时，先抽真空至6pa以下，然后充氩气到5000pa至15000pa之间，然后再抽真空到6pa以下，保持抽真空至感应烘烤电极结束，熔炼加功率前充氩气15000pa到30000pa之间，保持此压力直至精炼开始，再次抽真空至浇铸结束。
其中，浇铸步骤中，感应电源在精炼基础上再次升功率以增加过热度，提高流动性，在坩埚翻转至坩埚轴线与水平面平行时停止感应电源。
其中，压电极步骤中，先在压机下模内倒入用量一半的主原料，然后铲出浅v形沟，将合金包放入v形沟内，放置时合金包纵向一头尽量接近下模的一端，或者露头，横向尽量居中，再倒入另一半的主原料，启动压机压制。
其中，含钛金属包括纯钛、钛合金或钛铝金属间化合物。
本发明的含钛金属的熔炼铸造方法，将冶炼工序由13道缩短至6道，缩短了含钛金属的熔炼工艺流程，使用的配料算法，根据配料的类型加入了适当的凝壳扣除、凝壳补偿和烧损补偿等计算，提升了配料效率和熔炼含钛金属成分的准确性，并能够获得具有工业化应用价值的金属量。此外，本方法单次熔炼即能够获得高成分准确性和均匀性、高力学性能的合金锭，亦可直接用于铸造。
具体实施方式
下面将根据实施例更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然说明书中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1zta2纯钛的熔炼铸造方法
纯钛冶炼仅需简单计算氧含量进行配入二氧化钛，无合金成分均匀性问题，无需按本专利算法进行计算，故该实施例重点介绍熔炼部分。
配料计算：电极重量w＝22.000kg，海绵钛氧含量oti％＝0.11％，zta2合金ozta2％＝0.20％；需要氧元素量：wo＝w×(ozta2％-oti％)＝22.000kg×(0.20％-0.11％)＝0.0198kg，氧包量：wtio2＝wo÷40％＝0.0495kg，海绵钛量：wti＝w-wtio2＝22.000kg-0.0495kg＝21.950kg.
合金包包制：称量49.5g分析纯二氧化钛，用铝箔包称雪茄状小包。
电极压制：称量21.950kg海绵钛，先在压机下模内倒入约一半，然后铲出浅v形沟，将用铝箔包好的合金包放入v形沟内，放置时合金包纵向一头尽量接近下模的一端，横向尽量居中，再倒入另一半海绵钛，启动压机压制。压制完毕，称量电极重量为22.005kg。压制好的电极存入烘箱，烘箱温度设为150℃。
感应熔炼：将电极放置在坩埚正中，合金包一端向上，抽真空至2.8pa，启动感应电源，加功率至60kw，保持2min，然后按30kw/min速率加功率，至160kw，等待电极变红，并有局部熔化后，按同速率加功率，至240kw保持，直到电极完全熔化，之后按50kw/min加功率至400kw开始精炼，精炼2min后，提升功率至450kw保持30s后浇铸。
浇铸：坩埚翻转至其轴线与水平面平行时断开感应电源，至其轴线与水平面夹角为-10°时停止翻转，浇铸完毕。
取样分析：铸锭上取上中下三处，分析氧含量分别为：0.21％、0.20％、0.21％。
实施例2ztc4钛合金的熔炼铸造方法
ztc4合金名义成分与tc4合金相同，名义成分重量百分比al％为5.50％至6.75％，v％为3.50％至4.50％，o％小于0.20％。其中，仅有al为高蒸气压挥发烧损元素。
配料计算：
目标配料成分为：eal％＝6.50％，ev％＝4.25％，eo％＝0.18％，eti％＝其余；所用中间合金为铝钒合金alv55，其中aal％＝45.82％，av％＝54.16％；所用铝单质为铝粒和铝条；所用氧添加剂为二氧化钛otio2％＝40％；海绵钛氧含量oti％＝0.12％；电极重量为wb＝22.000kg；先根据经验先设定al烧损补偿为k％＝0.50％，根据电极直径185mm、凝壳平均厚度7mm和待熔炼合金ztc4密度4.45g/ml计算凝壳补偿量为wsti＝0.839kg，然后根据分析结果进行修正后再次计算配料。
计算凝壳扣除之后的电极重量：wm＝wb-wsti＝22.000kg-0.839kg＝21.161kg
高蒸气压挥发元素al的含量：wal＝wm×(eal％+k％)＝21.161kg×(6.50％+0.50％)＝1.481kg
非挥发性元素计算重量：w＝wm×(1-k％)＝21.161kg×(1-0.50％)＝21.055kg
其它元素含量：wv＝w×ev％＝21.055kg×4.25％＝0.895kg
wo＝w×eo％＝21.055kg×0.18％＝0.038kg
wti＝w×eti％＝21.055kg×(1-6.5％-4.25％-0.18％)＝18.754kg
计算原料需求量：
中间合金：wav55＝wv÷av％＝0.895kg÷54.16％＝1.653kg
waal＝wav55×aal％＝1.653kg×45.82％＝0.757kg
铝粒铝条：weal＝wal-waal＝1.481kg-0.757kg＝0.724kg
woti＝wti×oti％＝18.754kg×0.12％＝0.015kg
二氧化钛：wtio2＝(wo-woti)÷otio2％＝(0.038kg-0.023kg)÷40％＝0.039kg
海绵钛：weti＝wti+wsti＝18.754kg+0.839kg＝19.593kg
可得配料单如下：
av55合金1.653kg，铝粒铝条0.724kg，二氧化钛0.039kg，海绵钛19.593kg。合金包包制：
将电子称清零，放置裁好的铝箔，加入铝粒铝条至0.742kg，取下将铝箔折为包袱状，将铝粒铝条置入铝箔包袱内不封口；称量av55合金1.653kg；将其倒入铝箔包袱内；称量二氧化钛0.039kg，亦倒入铝箔包袱后，将铝箔包袱封口压紧形成合金包。合金包长度方向和直径方向较电极块模具长度短约50-80mm，合金包包至完成后，在合金包上标记批次、合金种类等信息。
电极压制：
称量19.593kg海绵钛，先在压机下模内倒入约一半，然后铲出浅v形沟，将用铝箔包好的合金包放入v形沟内，放置时合金包纵向一头接近下模的一端并，横向尽量居中，然后再倒入另一半的海绵钛，启动压机压制。压制完毕，称量电极重量为21.997kg。在电极块内合金包靠近端部的位置做好标记，并在电极块上标记合金牌号、批号等信息。压制好的电极存入烘箱，烘箱温度设为150℃。
感应熔炼：
将电极块合金包靠近端部的一端向上，置于坩埚正中。关炉门，抽真空，到2.7pa时，继续抽真空同时启动感应电源加功率，在70kw烘烤2min，按50kw/min速率升功率，150kw保持，等待反应进行，电极块变红无飞溅，增加功率20kw，等待1min后，飞溅剧烈，下调功率40kw；等待2min反应结束，标志为无飞溅产生，电极块稳定变红，按50kw/min升功率至240kw,等待电极块完全融化后，按80kw/min升功率至400kw，进行均匀化精炼，精炼时间3min30s。
浇铸：
精炼完成后，浇铸入石墨锭模，浇铸工艺为：升功率至550kw,保持30s以增加过热度，然后翻转浇铸，坩埚翻转时间3s，翻转至坩埚轴线与水平面平行时断开加热功率，翻转至坩埚轴线与水平面夹角为-10°时，停止翻转。
取样分析：
经过一次熔炼，取浇铸铸锭分析上中下，得出分析结果如下：
上部：al％＝6.23％，v％＝4.27％，o％＝0.181％
中部：al％＝6.24％，v％＝4.28％，o％＝0.180％
下部：al％＝6.25％，v％＝4.26％，o％＝0.181％
由结果可见al％与目标值差异较大，为6.50％-6.24％＝0.26％，需根据此检测结果对铝烧损补偿系数k％进行修正，修正为k％＝0.50％+0.26％＝0.76％，按此系数重新进行配料计算，重复前述工序后，取得出分析结果如下：
上部：al％＝6.48％，v％＝4.25％，o％＝0.179％
中部：al％＝6.50％，v％＝4.26％，o％＝0.180％
下部：al％＝6.49％，v％＝4.25％，o％＝0.180％
按此系数重复多次熔炼，al％含量波动小于±0.18％，比较稳定。对本实施方案所用设备，可设定铝烧损修正系数为0.76％。若更换设备，则需要重新做此系数确认试验，确定修正系数。
实施例34822钛铝合金的熔炼
4822钛铝合金是ti-48al-2cr-2nb按原子比组成的金属间化合物，重量百分比为al％＝33.35％，cr％＝2.68％，nb％＝4.79％，ti％＝余量＝59.18％。本实施例中亦仅有al为烧损元素，且占比较大，烧损亦较多，存在al、ti两种主元素。
配料计算：目标成分为：al％＝33.35％，cr％＝2.68％，nb％＝4.79％，ti％＝余量＝59.18％，原料为00级海绵钛、alnb60中间合金(aal％＝39.25％，anb％＝60.70％)，铬粉，铝粒、铝箔。预估给定al烧损系数k＝2.50％。根据电极直径180mm、凝壳平均厚度5mm和待熔炼合金4822密度3.97g/ml计算凝壳补偿量为wstial＝0.505kg，电极总量20.000kg。
计算凝壳扣除之后的电极重量：wm＝wb-wstial＝20.000kg-0.505kg＝19.495kg
高蒸气压挥发元素al的含量：wal＝wm×(eal％+k％)＝19.495kg×(33.35％+2.50％)＝6.989kg
非挥发性元素计算重量：w＝wm×(1-k％)＝19.495kg×(1-2.50％)＝19.007kg
其它元素含量：wnb＝w×enb％＝19.007kg×4.79％＝0.910kg
wcr＝w×ecr％＝19.007kg×2.68％＝0.509kg
wti＝w×eti％＝19.007kg×59.18％＝11.249kg
主要元素分配：wsti＝wstial×ti％÷(al％+ti％)＝0.323kg
wsal＝wstial×al％÷(al％+ti％)＝0.182kg
计算原料需求量：
中间合金：walnb60＝wnb÷anb％＝0.910kg÷60.70％＝1.450kg
waal＝walnb60×aal％＝1.450kg×39.25％＝0.588kg
铝粒铝箔：weal＝wal-waal+wsal＝6.989kg-0.588kg+0.182kg＝6.583kg
铬粉：wcr＝0.509kg
海绵钛：weti＝wti+wsti＝11.249kg+0.323kg＝11.572kg
可得配料单如下：
alnb60合金1.450kg，铝粒铝箔6.583kg，铬粉0.509kg，海绵钛11.572kg。
合金包包制：按配料单称取原料，其中称量铝粒量时要扣除铝箔用量，将alnb60、铬粉包入和金包。对钛铝金属间化合物，仅将中间合金包入铝箔，合金包尺寸长度方向较电极块模具长度少约80～100mm，满足前述条件下，直径尽可能小。
压制电极：按配料单称量粒度适宜的铝粒与海绵钛，充分均匀混合后，将约配料重量一半的混合物倒入压机下模，沿长度方向铲出浅v形沟，在距离下模一端为25mm至35mm的位置放入合金包纵向的一头，使合金包平躺于v形沟底部，横向尽量居中；然后倒入另一半混合物，启动压机压制。电极块出模后，在合金包接近端做好标记，并在电极上标记合金牌号、编号等信息。压制好的电极块可入150℃烘箱暂存。
感应熔炼：将电极块有合金包标记一端向下，置于坩埚正中。关炉门，抽真空，到2.9pa，关闭真空泵组，充氩气到15000pa，关闭氩气，重开真空泵组，抽至3pa，启动感应电源加功率，50kw烘烤2min，关闭真空泵组，充氩气至30000pa，关闭氩气，按50kw/min速率升功率，120kw保持，等待反应进行，视反应剧烈程度，适当升或降功率20～40kw。待反应基本结束，按前述曲线升功率至180kw,待完全融化，按80kw/min升功率至450kw，进行均匀化精炼，精炼时间3.5min，
浇铸：精炼开始同时开启真空泵，之后一直保持抽真空状态，再之后执行浇铸，浇铸工艺为：增加功率至580kw,保持45s以增加过热度，然后翻转浇铸，坩埚翻转时间2s，翻转至坩埚轴线与水平面平行时断开加热功率，翻转二者夹角为-10°停止翻转。
理化分析：经过一次熔炼，取浇铸铸锭分析上中下，得出分析结果如下：
上部：al％＝32.35％，cr％＝2.72％，nb％＝4.92％
中部：al％＝32.28％，cr％＝2.75％，nb％＝4.89％
下部：al％＝32.30％，cr％＝2.73％，nb％＝4.91％
由结果可见al％与目标值差异较大，为33.35％-32.31％＝1.01％，需根据此检测结果对铝烧损补偿系数k％进行修正，修正为k％＝2.50％+1.01％＝3.51％，按此系数重新进行配料计算，重复前述工序后，取得出分析结果如下：
上部：al％＝33.33％，cr％＝2.62％，nb％＝4.75％
中部：al％＝33.29％，cr％＝2.73％，nb％＝4.80％
下部：al％＝33.31％，cr％＝2.68％，nb％＝4.83％
按此系数重复多次熔炼，al％含量波动在±0.35％，比较稳定。对本实施方案所用设备，可用铝烧损修正系数3.51％。若更换设备，则需要重新做此系数确认试验，确定修正系数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。