CN102183144A - 带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备 - Google Patents

Abstract

一种带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其包括一真空室、一冷坩埚、一感应圈、一给该感应圈提供电能的高频或中频感应电源、一真空-充氩***、一控制柜、一用来冷却该冷坩埚的冷却***、一能量束发射头和一能量束发生器；该冷坩埚安装在该真空室内部，该感应圈安装在该真空室的内部，该感应圈环绕地安装在该冷坩埚的外部；该能量束发射头安装在该真空室的顶部，并位于该冷坩埚的上方；该能量束发生器连接该能量束发射头，该能量束发生器产生能量束并传输到该能量束发射头。本发明设备能够制备出成分准确、均匀、组织一致、材质致密的难熔金属和合金。

Description

带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备

技术领域

本发明涉及一种熔炼难熔金属及其合金的设备，尤其涉及一种用来熔炼难熔金属及其合金的带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备。

背景技术

难熔金属(见下表)一般指熔点在1800～3400℃的金属，如钨、铼、钽、钼、铌、铪、钒、铬、锆等金属，有时，将熔点为1660℃的钛也归入此类。

金属	钨W	铼Re	钽Ta	钼Mo	铌Nb	铪Hf	钒V	铬Cr	锆Zr	钛Ti
											熔点（℃）	3410	3180	2996	2610	2468	2227	1890	1857	1852	1660

上述金属和以它们为基础的合金（即难熔金属及其合金）在工程、军事和高科技领域有重要用途。

例如，金属钨用于电光源和电子管元件，冶金、焊接的电极，以及硬质合金和表面硬化层；钨铜和钨银合金用作电接触点材料；钨与镍、铁、铜等元素组成的高比重合金则用于制造航空和航天器的陀螺仪转子、导向装置和减震装置，机械制造的压铸模、刀夹、镗杆和自动手表重锤，以及武器用的穿甲弹弹芯和防辐射的防护屏。

金属钼用于制作电子器材和电极，也用于制造合金钢和航空、航天用的耐高温超合金；钼合金则用于原子能、航空和航天技术等领域。

金属钽主要用于电容器、电子管和高温合金，以及化工、原子能工业中的抗腐蚀器材，钽钨合金和钽钨铪合金用于化学工业的耐腐蚀材料，航天工业的高温结构材料，以及火箭喷嘴和航天器零件。

铌和铌合金用作宇宙飞船的耐高温结构材料、原子反应堆的结构材料和化学工业中的耐酸器材，铌还用于制作高强度低合金钢和耐高温的超合金，铌同钛、锡、锆、铝、锗的合金则是超导体。

锆和锆合金用作核反应堆的堆芯结构材料，贮氢材料和耐腐蚀材料，以及防弹合金钢。

铪用于核反应堆中的控制棒、 X 射线管的阴极材料及硬质合金的添加剂。铬用于制造不锈钢、高温合金、电热合金、合金结构钢和钢的表面改性层，高硬度的铬钴合金用于制作切削工具。

钒主要用于制造不锈钢、结构钢、弹簧钢、工具钢、装甲钢和钢轨，还用于制造高温合金，钒镓合金则是重要的超导材料。

钛和钛合金具有比重小，比强度高，抗腐蚀性能优异等特性，是用量最大的难熔金属和合金，用于制作飞机、火箭、导弹 、船舶、汽车和火车车厢的结构材料，以及化工器材和海水淡化装置。此外，钛还是一种重要的贮氢材料。

这些材料在经济和国防方面有重要的用途，但是制造这些材料的技术相当复杂。首先，只有采用特别的加热技术才能达到使这些材料熔化的温度；第二，在这样高的温度下必须有防止金属与气氛、坩埚、模具等环境条件发生强烈反应的特别技术手段。

目前，制备难熔金属和合金的技术有三类：

第一类是高温真空烧结技术，其工艺流程包括：将金属制成粒度合适的粉末，将粉末的混合物压制成型，在等静压设备中增大坯料的致密度，在低于材料熔点的温度和真空的条件下将坯料烧结或热压成致密度比较高的材料。在需要板、棒、带、丝等产品的情况下，还需要通过热加工、冷加工改变材料的形状并进一步提高材料的致密性。这种技术的缺点是材料中有孔隙，致密性不理想，气体的含量比较高，而且工艺流程比较长。

第二类是真空能量束冷坩埚熔炼技术，这儿所指的能量束包括电弧束、等离子束、电子束和激光束等。这种技术通过采用上述各种能量束获得特别高的温度。由于陶瓷材料在这么高的温度下会同金属熔体产生强烈反应，所以这些技术都使用水冷铜坩埚，冷坩埚是不分瓣的。这种技术的缺点在于能量束集中，炉料在其聚焦位置熔化，但是当能量束转移到其它位置熔化炉料时，在强烈水冷的条件下，刚才熔化的炉料立即就凝固了。因此，用能量束技术熔炼难熔金属，特别是难熔金属的合金时，难以得到成分准确、均匀、组织一致、材质致密的产品。

第三类是真空冷坩埚感应熔炼技术（以下简称为感应冷坩埚技术），这是当代最先进的熔炼技术。

如图1所示，现有的真空冷坩埚感应熔炼设备由冷坩埚11、感应圈12、真空室13、高频或中频感应电源14、真空-充氩***15、控制柜16和冷却***17组成。

炉料置于冷坩埚11中，由感应电源14送达感应圈12的高频或中频电流所产生的电磁场穿过坩埚壁加热炉料产生熔炼作用。冷坩埚11一般用紫铜制作，电磁场能穿过金属坩埚壁的原因在于它有若干平行于坩埚轴的缝隙。为了使冷坩埚11在熔炼温度下不熔化，坩埚壁通水冷却。在每一坩埚瓣中通有冷却水。

在真空冷坩埚感应熔炼设备中，作为加热源的电磁场对炉料的作用范围是整体的，而且能产生强烈的搅拌作用。所以炉料得到了整体熔化、整体悬浮、整体搅拌。这个条件是获得成分准确、均匀、材质致密的产品所必须的。

但是，在坩埚水冷的条件下，炉料的温度很难达到2000℃以上的高温。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：克服了现有的真空冷坩埚感应熔炼设备的温度很难达到2000℃以上，无法熔炼优质的难熔金属和合金的缺陷，提供一种能够制备出成分准确、均匀、组织一致、材质致密的难熔金属和合金的带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其包括一真空室、一冷坩埚、一感应圈、一给该感应圈提供电能的高频或中频感应电源、一真空-充氩***、一控制柜、一用来冷却该冷坩埚的冷却***、一能量束发射头和一能量束发生器；该冷坩埚安装在该真空室内部，该感应圈安装在该真空室的内部，该感应圈环绕地安装在该冷坩埚的外部；该能量束发射头安装在该真空室内的顶部，并位于该冷坩埚的上方；该能量束发生器连接该能量束发射头，该能量束发生器产生能量束并传输到该能量束发射头。

优选地，该冷坩埚使用致密的紫铜制成，该冷坩埚由若干的坩埚瓣组成，坩埚瓣之间的间隙平行于冷坩埚的轴线。

优选地，该能量束发生器可以是非自耗电弧发生装置，或者是等离子束发射装置，或者是电子束发射装置，或者是激光发射装置。

优选地，上述能量束是电弧束、等离子束、电子束或激光束。

优选地，该冷坩埚真空感应熔炼设备还包括一连续加料-拉锭机构。

本发明的有益效果包括以下几点：

1、本发明在感应冷坩埚技术的基础上配备能量束装置作为辅助热源，使炉料的局部温度超过难熔金属和合金的熔点形成熔池；同时，高频电源的加热作用和电磁搅拌作用逐步扩大熔池范围，最后使全部炉料熔化成均匀的熔体。该技术克服了真空能量束冷坩埚熔炼技术只能产生局部熔池的缺点，能获得成分准确、均匀、组织一致、材质致密的难熔金属和合金。

2、对于难熔金属及其合金的而言，本发明克服了在能量束熔炼技术中炉料只能形成局部熔池，难以得到搅拌的缺点，使炉料能得到整体熔化和充分搅拌，所以产品的成分准确、均匀。这个优点对于制备难熔金属的合金特别重要。

3、炉料的整体熔化和充分搅拌使熔池的温度比较均匀，这对凝固后的形成的组织的致密性和一致性有利。

4、炉料的整体熔化是进行铸造过程的前提，采用本发明的技术，难熔金属和合金容易铸造成不同形状、尺寸的产品，可以采取一些辅助措施改进产品的质量。例如，压力铸造、离心铸造、连续铸造、定向凝固等。

5、能量束熔炼设备的规格一般都比较小，而本发明的设备可以达到几十公斤/炉至几百公斤/炉的规模。所以，利用本发明的技术可以大幅度的提高生产效率，可以生产大尺寸的难熔金属和合金产品。

附图说明

图1是真空冷坩埚感应设备的基本结构。

图2是本发明带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备的示意图。

图3表示采用本发明设备熔炼金属或合金时炉料的状态。

图4是在本发明的设备中进行倾转浇注的示意图。

图5是在本发明的设备中进行底铸铸造的示意图。

图6是在本发明的设备中进行连续加料和连续拉锭的示意图。

在以上各图中，真空室21、冷坩埚22、感应圈23、高频或中频感应电源24、真空-充氩***25、控制柜26、冷却***27、能量束发射头28、能量束发生器29、炉料或炉料熔体30、铸造模具31、下注口32、拉杆33、结晶器34、连铸坯35、加料器36。

具体实施方式

请参阅图2，一种冷坩埚真空感应熔炼设备，其包括一真空室21、一冷坩埚22、一感应圈23、一高频或中频感应电源24、一真空-充氩***25、一控制柜26、一冷却***27、一能量束发射头28、一能量束发生器29和一连续加料-拉锭机构（图未示）。

该冷坩埚22安装在该真空室21内部。

该冷坩埚22使用致密的紫铜制成，该冷坩埚22由若干的坩埚瓣（图未示）组成，坩埚瓣之间的间隙平行于冷坩埚22的轴线。每一坩埚瓣中都通入冷却水进行充分冷却。

该感应圈23安装在该真空室21的内部，该感应圈23环绕地安装在该冷坩埚22的外部。

该高频或中频感应电源24安装在该真空室21的外侧，该高频或中频感应电源24给该感应圈23提供电能。

该真空-充氩***25安装在该真空室21的外侧，给该真空室25充入氩气。

该控制柜26连接该真空室21、感应圈23、高频或中频感应电源24、真空-充氩***25，并对它们进行控制。

该冷却***27用来对冷坩埚22进行冷却。

该能量束发射头28安装在该真空室21内的顶部，并位于该冷坩埚22的上方，从该能量束发射头28发射出能量束到达该冷坩埚22中，并对其中的难熔金属进行加热。

上述能量束包括电弧束、等离子束熔炼技术、电子束熔炼技术和激光束等。

该能量束发生器29连接该能量束发射头28，该能量束发生器29能够产生能量束并传输到该能量束发射头28。

该能量束发生器29可以是非自耗电弧发生装置，或者是等离子束发射装置，或者是电子束发射装置，或者是激光发射装置。

该连续加料-拉锭机构可以连续加入原料并进行拉锭技术处理。

本发明的核心是结合真空冷坩埚感应熔炼技术和真空能量束冷坩埚熔炼技术来熔炼难熔金属和合金。本发明设备的主体是真空冷坩埚感应熔炼炉，并增加了能量束发射头28和能量束发生器29。能量束技术的特点是温度高，它们能够实现5000℃甚至数万度的高温，所以用这类技术可以熔炼各种难熔金属，包括熔点为3400℃的钨。

熔炼过程中，由感应电源24通过感应圈23产生的电磁场B和能量束发射头28发出的能量束N共同完成：电磁场B使炉料整体受热，能量束N则使局部炉料达到高温和熔化，电磁场的加热和搅拌作用使熔化区逐渐扩大，最后使炉料全部熔化。由于有电磁场的搅拌作用，熔体的成分是均匀的(图3)。在一般的情况下，可以先启动感应加热***，使炉料得到整体预热，然后再启动能量束装置，在炉料中形成局部熔池。但是，两种热源也可以同时启动，同时结束；或者是交替工作；或者是有时共同工作，有时单独工作。

本发明设备，其熔炼和铸造的的模式(图4、5、6)包括：单炉熔炼，倾转浇注；单炉熔炼，坩埚底底注；连续加料，连续拉锭，等等。

本发明设备可以装备一些操作机构，例如加料机构、搅拌机构、翻锭机构、铸造机构、拉锭机构、测温-控温***、氩气净化***等。

下面结合具体制备实施例来详细介绍利用本发明设备熔炼难熔金属的过程。

制备实施例一：金属钨的熔炼

将10kg压结的钨粉坯料放入图2所示的冷坩埚真空感应熔炼炉的冷坩埚22中，中频电源的功率为250kw，频率为15kHz。在该熔炼炉中，作为辅助热源的能量束发射头28和能量束发生器29采用了电弧束——钨电极装在冷坩埚22的上方，供应电极的直流电源的功率为100kw。

设备启动后先抽真空，真空度达到5×10^-3Pa后充入0.05MPa的高纯氩，然后启动中频电源24，将炉料加热到1200℃。这时，启动直流电源向电极供电，在炉料中形成温度超过3600℃的熔池。增大中频电源24向感应圈23输送的功率，并摇动冷坩埚22，使熔池的范围逐步增大，最后使全部炉料熔化。

制备实施例二

请参阅图4，该实施例在实施例一的基础上增加了倾转浇注机构。在熔炼结束时，停止能量束发射，但是电磁场仍然继续工作，同时倾转冷坩埚22，将熔体30浇注到铸造模具31之中。

制备实施例三

请参阅图5，该实施例在实施例一的基础上增加了底注机构。在熔炼结束时，能量束N和电磁场B均继续工作，同时打开冷坩埚22底部的下注口32，使熔体30通过下注口32注入铸造模具31。

制备实施例四

请参阅图6，该实施例在实施例一的基础上增加了加料机构和拉锭机构。当坩埚中的炉料30全部熔化和成分均匀之后，拉锭机构的拉杆33向下移动，炉料熔体30随着与拉杆33相连的结晶器34向下移出冷坩埚22并同时凝固形成连铸坯35。随着熔体液面下落，加料机构36连续地向冷坩埚22补料。在这个过程中，能量束N和电磁场B均持续工作。

Claims (5)

1.一种带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其包括一真空室、一冷坩埚、一感应圈、一给该感应圈提供电能的高频或中频感应电源、一真空-充氩***、一控制柜、一用来冷却该冷坩埚的冷却***，该冷坩埚安装在该真空室内部，该感应圈安装在该真空室的内部，该感应圈环绕地安装在该冷坩埚的外部；

其特征在于：该冷坩埚真空感应熔炼设备还包括一能量束发射头和一能量束发生器；该能量束发射头安装在该真空室内的顶部，并位于该冷坩埚的上方；该能量束发生器连接该能量束发射头，该能量束发生器产生能量束并传输到该能量束发射头。

2.根据权利要求1所述的带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于：该冷坩埚使用致密的紫铜制成，该冷坩埚由若干的坩埚瓣组成，坩埚瓣之间的间隙平行于冷坩埚的轴线。

3.根据权利要求1所述的带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于：该能量束发生器可以是非自耗电弧发生装置，或者是等离子束发射装置，或者是电子束发射装置，或者是激光发射装置。

4.根据权利要求1所述的带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于：上述能量束是电弧束、等离子束、电子束或激光束。

5.根据权利要求1所述的带有能量束辅助热源的冷坩埚真空感应熔炼设备，其特征在于：该冷坩埚真空感应熔炼设备还包括一连续加料-拉锭机构。

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