CN113249587B - 一种用于eb炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩 - Google Patents

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Abstract

一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，包括耐高温钢结构框架和壳体板，耐高温钢结构框架为通过钢管和/或钢板组合构成的立体中空框架结构，壳体板贴设在耐高温钢结构框架的内侧表面，壳体板的内表面上间隔安装有多个钛金属块，使冷凝物能够同时附着于壳体板的内表面和钛金属块的表面，钛金属块可将原本大尺寸冷凝物隔离为小尺寸冷凝物，降低热胀冷缩作用对冷凝物的不利影响，并且钛金属块与壳体板之间必然会存在一定的缝隙，冷凝物生长过程中也会内嵌至缝隙中，使冷凝物能够牢固附着于冷凝罩内壁，并数倍提高冷凝罩能够承受的冷凝物重量极限，大幅改善冷凝物掉落问题，避免由此导致的成分偏析及夹杂风险，提高铸锭质量、设备熔炼时间及产量。

Description

一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩
技术领域
本发明涉及用于EB炉的冷凝罩领域，尤其涉及一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩。
背景技术
电子束冷床熔炼炉，简称EB炉是在真空环境下，利用高压电场将阴极块发射的热电子束加速并轰击待熔化金属，将电子的动能转换成热能作为热源，将金属熔化成铸锭。与传统“VAR多次熔炼+锻造”制坯工艺方法相比， EB熔炼真空度高、金属熔液过热度大，精炼提纯效果好，可有效去除高低密度夹杂；可散料装炉熔炼，原材料适用能力强，非常适合钛残料熔炼回收；此外，EB熔炼可一次生产出用于直轧的扁锭和异形截面锭坯，解决了传统VAR熔炼仅能生产圆锭，且需要多次熔炼及多火次锻造制造扁锭及异型截面锭坯料问题，具有显著的短流程、低成本、高质量优势，应用前景广阔。
但是由于EB炉熔炼真空度高、金属熔体过热度大，导致在利用EB炉熔炼钛合金的过程中钛金属、合金元素及杂质元素挥发、喷溅损失较多，大量挥发物冷凝后附着于冷凝罩上形成冷凝物，当EB炉无冷凝罩时，一般在熔炼室内部上附着形成冷凝物，这一损耗约占熔炼原材料比重高达2~8%。为了收集冷凝物，通常会在EB炉熔炼室内安装冷凝罩(即冷凝罩置于熔化、精炼冷床及结晶器上方)，不仅可避免冷凝物大量附着于熔炼室导致难以清理，同时熔炼周期结束后，更换冷凝罩壳大幅节省清炉时间，提高设备熔炼产能，此外冷凝罩对熔池具有保温有利作用。与纯钛不同，钛合金中普遍存在低熔点、高饱和蒸气压Al等合金元素，而Al与Ti熔炼相差1000℃，且饱和蒸汽压相差数倍，导致钛合金EB熔炼过程中，冷凝物形成速率及重量是纯钛熔炼的数倍，由于冷凝物与炉壁或冷凝罩衬板冷热膨胀系数不同、结合不牢，在热胀冷缩、重力作用下，当冷凝物重力大于与接触物界面结合力时，冷凝物极易掉落至冷床或结晶器熔体内，而冷凝物中富含Al、O、N、C等合金及杂质元素，从而影响到铸锭质量。此外，由于钛合金EB熔炼过程中冷凝物形成速率快，为减少冷凝物对铸锭质量的影响，需大幅减少熔炼周期内生产量，导致开炉清炉频率增加，而开炉清炉需要1~3天，严重影响设备产能。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，改善EB炉钛合金熔炼过程中冷凝物掉落问题，并大幅延长清炉周期，提高一个熔炼周期内钛合金产量，具有显著的质量优势和经济效益。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，包括耐高温钢结构框架和壳体板，所述耐高温钢结构框架为通过钢管和/或钢板组合构成的立体中空框架结构，所述壳体板贴设在耐高温钢结构框架的内侧表面，通过壳体板对耐高温钢结构框架的顶面和侧面进行密封，从而构成底面开口结构的冷凝罩外壳，壳体板的内表面上间隔安装有多个钛金属块，使冷凝物能够同时附着于壳体板的内表面和钛金属块的表面，位于顶面的相邻两个钛金属块之间沿耐高温钢结构框架长度方向的间距不大于100mm，且沿耐高温钢结构框架宽度方向的间距不大于150mm；位于侧面的相邻两个钛金属块之间沿耐高温钢结构框架长度或宽度方向的间距不大于150mm，且沿耐高温钢结构框架高度方向的间距不大于250mm。
优选的，所述钛金属块的外形为矩形体。
优选的，所述钛金属块的长×宽×高尺寸规格不小于50mm×50mm×50mm。
优选的，所述钛金属块通过板式销钉组件或管式销钉组件安装在壳体板的内表面；
所述板式销钉组件包括销钉、挡片和弹簧销，销钉贯穿壳体板且销钉位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与钛金属块连接，以限制钛金属块沿销钉径向的位移，销钉位于冷凝罩外部的一端贯穿挡片，挡片靠近冷凝罩一侧的表面压设在耐高温钢结构框架的钢管或钢板上，弹簧销穿设在销钉上并卡设挡片远离冷凝罩一侧的表面，以限制钛金属块沿销钉轴向的位移；
所述管式销钉组件包括销钉、定位管和弹簧销，销钉贯穿壳体板且销钉位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与钛金属块连接，以限制钛金属块沿销钉径向的位移，销钉位于冷凝罩外部的一端贯穿定位管的内孔，定位管的侧壁与耐高温钢结构框架的钢管或钢板固定连接，弹簧销穿设在销钉上并卡设定位管远离冷凝罩一侧的端部，以限制钛金属块沿销钉轴向的位移。
优选的，一个钛金属块同时与两个销钉通过螺纹连接，且与同一个钛金属块连接的两个销钉贯穿同一个挡片。
优选的，位于耐高温钢结构框架顶面的多个钛金属块均通过板式销钉组件安装。
优选的，位于耐高温钢结构框架侧面的多个钛金属块分别通过板式销钉组件或管式销钉组件安装。
优选的，所述壳体板为分体式结构，由多个厚度1 mm～3mm的分体钛板拼接而成。
优选的，所述壳体板上开设有进料孔、观察孔和取样口。
根据上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中在壳体板的内表面上间隔安装有多个钛金属块，使冷凝物能够同时附着于壳体板的内表面和钛金属块的表面，钛金属块可将原本大尺寸冷凝物隔离为小尺寸冷凝物，降低热胀冷缩作用对冷凝物的不利影响，并且钛金属块与壳体板之间必然会存在一定的缝隙，冷凝物生长过程中也会内嵌至缝隙中，使冷凝物能够牢固附着于冷凝罩内壁，而且冷凝物大部分重量都是由强度及刚度较高的耐高温钢结构框架承受，大大减轻了冷凝物作用于壳体板的重量，使冷凝物在冷凝罩内侧附着面平整，无翻起或起皮剥落现象，与传统EB炉熔炼钛合金无冷凝罩或冷凝罩内壁采用光面板结构相比，本发明可牢固固定冷凝物，并数倍提高冷凝罩能够承受的冷凝物重量极限，进而大幅改善冷凝物掉落问题，避免由此导致的成分偏析及夹杂风险，提高铸锭质量。
2、由于本发明冷凝罩可牢固固定冷凝物，并数倍提高承受冷凝物重量极限，因此可有效延长熔炼周期，能够显著提高一个熔炼周期内钛合金产量。
3、本发明在熔炼周期结束后开炉清炉过程中，可将冷凝罩整体吊离，更换为已清理可重复使用的备件冷凝罩，冷凝罩可重复使用，清炉时更换简便，缩短清炉时间，从而提高设备熔炼时间及产量。
4、本发明可有效延长熔炼周期，显著提高EB炉熔炼时间及钛合金产量，降低设备折旧及人员成本均摊，且冷凝罩可重复使用，因此可大幅降低EB炉钛合金生产成本，并提高产值及经济效益。
附图说明
图1为本发明的立体示意图；
图2为顶部壳体板内表面的示意图；
图3为A处板式销钉组件的局部放大图；
图4为图3的剖视示意图；
图5为B处管式销钉组件的局部放大图；
图6为图5的剖视示意图。
图中标记：1、耐高温钢结构框架，2、壳体板，3、钛金属块，4、销钉，5、挡片，6、弹簧销，7、定位管，8、进料孔，9、观察孔，10、取样口。
具体实施方式
参见附图，具体实施方式如下：
一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，包括耐高温钢结构框架1和壳体板2，耐高温钢结构框架1为通过钢管和/或钢板组合构成的立体中空框架结构，壳体板2为分体式结构，由多个厚度1 mm～3mm的分体钛板拼接而成，壳体板2贴设在耐高温钢结构框架1的内侧表面，通过壳体板2对耐高温钢结构框架1的顶面和侧面进行密封，从而构成底面开口结构的冷凝罩外壳，壳体板2上开设有进料孔8、观察孔9和取样口10。
壳体板2的内表面上间隔安装有多个钛金属块3，使冷凝物能够同时附着于壳体板2的内表面和钛金属块3的表面，钛金属块3的外形为矩形体，钛金属块3的长×宽×高尺寸规格不小于50mm×50mm×50mm。
位于顶面的相邻两个钛金属块3之间沿耐高温钢结构框架1长度方向的间距不大于100mm，且沿耐高温钢结构框架1宽度方向的间距不大于150mm；位于侧面的相邻两个钛金属块3之间沿耐高温钢结构框架1长度或宽度方向的间距不大于150mm，且沿耐高温钢结构框架1高度方向的间距不大于250mm。
钛金属块3通过板式销钉组件或管式销钉组件安装在壳体板2的内表面，位于耐高温钢结构框架1顶面的多个钛金属块3均通过板式销钉组件安装，位于耐高温钢结构框架1侧面的多个钛金属块3分别通过板式销钉组件或管式销钉组件安装。
板式销钉组件包括销钉4、挡片5和弹簧销6，销钉4贯穿壳体板2且销钉4位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与钛金属块3连接，以限制钛金属块3沿销钉4径向的位移，销钉4位于冷凝罩外部的一端贯穿挡片5，挡片5靠近冷凝罩一侧的表面压设在耐高温钢结构框架1的钢管或钢板上，弹簧销6穿设在销钉4上并卡设挡片5远离冷凝罩一侧的表面，以限制钛金属块3沿销钉4轴向的位移。
管式销钉组件包括销钉4、定位管7和弹簧销6，销钉4贯穿壳体板2且销钉4位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与钛金属块3连接，以限制钛金属块3沿销钉4径向的位移，销钉4位于冷凝罩外部的一端贯穿定位管7的内孔，定位管7的侧壁与耐高温钢结构框架1的钢管或钢板固定连接，弹簧销6穿设在销钉4上并卡设定位管7远离冷凝罩一侧的端部，以限制钛金属块3沿销钉4轴向的位移。
采用本发明的冷凝罩进行TC4(即Ti-6Al-4V)钛合金EB熔炼，由于TC4钛合金中富含低熔点、高饱和蒸气压、易挥发Al元素6%(质量百分比)，因此相比于纯钛熔炼，熔炼过程中冷凝物生产迅速，但由于本发明冷凝罩可以牢固固定冷凝物，并显著提高承受冷凝物重量极限，因此不仅可以大幅改善EB炉钛合金熔炼过程中冷凝物掉落问题，同时还可以有效延长熔炼周期，提高钛合金产量。使用本专利冷凝罩，一个熔炼周期可熔炼60吨TC4板坯，熔炼过程中无影响铸锭质量的冷凝物掉落。
对比例1：EB炉熔炼TC4过程中不使用冷凝罩，熔炼过程中产生的大量挥发物在熔炼室顶部、侧壁冷凝形成冷凝物，由于熔炼室内壁通有冷却水，冷凝物层在强烈激冷作用下，极易开裂翘曲，加之内壁光滑，与冷凝物结合力差，在重力及热辐射、内壁激冷复合作用下，熔炼至6吨时，即发生薄片状冷凝物掉落至熔池；当熔炼至10吨时，冷凝物掉落频率及体积大幅增加，需要开炉清炉后再进行熔炼，一个熔炼周期TC4钛合金产量仅为10吨。
对比例2：EB炉熔炼TC4过程中使用冷凝罩，冷凝罩内壁为平面状衬板，无固定冷凝物密集销钉或其它装置。尽管冷凝罩内壁衬板无冷却水通道，在熔池热辐射作用下具有一定温度，但由于其内壁无冷凝物固定装置，因此与冷凝物结合力也较弱，熔炼过程中，冷凝物容易掉落。当熔炼至8吨时，开始有少量薄片状冷凝物掉落至冷床熔池，当熔炼至16吨时，冷凝物掉落频率及体积大幅增加，需要开炉清炉后再进行熔炼，一个熔炼周期TC4钛合金产量为16吨。
通过将本发明与对比例1、对比例2的对比可知，采用本发明的冷凝罩进行TC4钛合金EB熔炼，可大幅改善EB炉钛合金熔炼过程中冷凝物掉落问题，与无冷凝罩EB熔炼相比，本发明使得一个周期内TC4钛合金产量由10吨提高至60吨，产量提高6倍；与使用无固定冷凝物密集销钉或其它装置的冷凝罩相比，本发明使得一个周期内TC4钛合金产量由16吨提高至60吨，产量提高3.8倍，提高了铸锭质量及产量，质量及经济效益显著。

Claims (8)

1.一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，包括耐高温钢结构框架(1)和壳体板(2)，所述耐高温钢结构框架(1)为通过钢管和/或钢板组合构成的立体中空框架结构，所述壳体板(2)贴设在耐高温钢结构框架(1)的内侧表面，通过壳体板(2)对耐高温钢结构框架(1)的顶面和侧面进行密封，从而构成底面开口结构的冷凝罩外壳，其特征在于：壳体板(2)的内表面上间隔安装有多个钛金属块(3)，使冷凝物能够同时附着于壳体板(2)的内表面和钛金属块(3)的表面，位于顶面的相邻两个钛金属块(3)之间沿耐高温钢结构框架(1)长度方向的间距不大于100mm，且沿耐高温钢结构框架(1)宽度方向的间距不大于150mm；位于侧面的相邻两个钛金属块(3)之间沿耐高温钢结构框架(1)长度或宽度方向的间距不大于150mm，且沿耐高温钢结构框架(1)高度方向的间距不大于250mm；
所述钛金属块(3)通过板式销钉组件或管式销钉组件安装在壳体板(2)的内表面；
所述板式销钉组件包括销钉(4)、挡片(5)和弹簧销(6)，销钉(4)贯穿壳体板(2)且销钉(4)位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与钛金属块(3)连接，以限制钛金属块(3)沿销钉(4)径向的位移，销钉(4)位于冷凝罩外部的一端贯穿挡片(5)，挡片(5)靠近冷凝罩一侧的表面压设在耐高温钢结构框架(1)的钢管或钢板上，弹簧销(6)穿设在销钉(4)上并卡设挡片(5)远离冷凝罩一侧的表面，以限制钛金属块(3)沿销钉(4)轴向的位移；
所述管式销钉组件包括销钉(4)、定位管(7)和弹簧销(6)，销钉(4)贯穿壳体板(2)且销钉(4)位于冷凝罩内部的一端通过螺纹与钛金属块(3)连接，以限制钛金属块(3)沿销钉(4)径向的位移，销钉(4)位于冷凝罩外部的一端贯穿定位管(7)的内孔，定位管(7)的侧壁与耐高温钢结构框架(1)的钢管或钢板固定连接，弹簧销(6)穿设在销钉(4)上并卡设定位管(7)远离冷凝罩一侧的端部，以限制钛金属块(3)沿销钉(4)轴向的位移。
2.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，其特征在于：所述钛金属块(3)的外形为矩形体。
3.根据权利要求2所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，其特征在于：所述钛金属块(3)的长×宽×高尺寸规格不小于50mm×50mm×50mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，其特征在于：一个钛金属块(3)同时与两个销钉(4)通过螺纹连接，且与同一个钛金属块(3)连接的两个销钉(4)贯穿同一个挡片(5)。
5.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，其特征在于：位于耐高温钢结构框架(1)顶面的多个钛金属块(3)均通过板式销钉组件安装。
6.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，其特征在于：位于耐高温钢结构框架(1)侧面的多个钛金属块(3)分别通过板式销钉组件或管式销钉组件安装。
7.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，其特征在于：所述壳体板(2)为分体式结构，由多个厚度1mm～3mm的分体钛板拼接而成。
8.根据权利要求1所述的一种用于EB炉熔炼钛合金的组合式冷凝罩，其特征在于：所述壳体板(2)上开设有进料孔(8)、观察孔(9)和取样口(10)。
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