钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备及控制方法

摘要

本发明公开了一种钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备及控制方法，涉及钛基合金熔炼吸铸技术领域，为解决现有钛基合金熔炼吸铸设备效率低、成本高、工艺复杂等问题而设计。本发明提供的钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备采用陶瓷坩埚对钛基合金进行真空感应熔炼，由于陶瓷对电磁力没有任何屏蔽，因此感应线圈产生的所有的电磁感应的能量能够全部作用于钛金属上，节能环保，金属原料的利用率高达60％-70％，极大的降低了金属成本。本发明提供的陶瓷坩埚在坩埚本体的内表面设置有隔离层，隔离层的制成材料里包含有氧化钇，其在高温下对钛金属具有很好的惰性，能够在熔炼过程中隔离可能与钛金属发生反应的陶瓷材料，保证钛基合金熔炼的可靠进行。

说明书

技术领域

本发明涉及钛基合金熔炼吸铸技术领域，尤其涉及一种钛基合金感应熔炼 底漏式真空吸铸设备及其控制方法。

背景技术

传统钛合金熔炼工艺经历了几个阶段变化。首先是真空电弧熔炼，这种熔 炼方式的原理是利用钛锭和水冷铜坩埚分别作为正负电极，在高电流状态下通 过相互放电产生的大量的热量熔化钛锭，从而在坩埚内形成熔融的金属液，进 而完成浇注。

其次是真空感应熔炼，原理是在分瓣式水冷铜坩埚的外部包裹感应线圈， 感应线圈产生的电磁力透过铜坩埚的分瓣之间的非金属隔离部分作用到坩埚内 部的金属上，进而熔化金属在坩埚内部形成熔融金属液并完成浇注。

上述的两种方法，均需要借助水冷铜坩埚，并形成厚重的凝壳，这会带走 大量的热量，导致实际的功率使用极低(仅20％--30％功率实际作用在了钛金属 上)。而且传统钛合金精密铸造的型壳由于型壳制备要求高，层数多，致使工 艺复杂，直接大幅提高了投资成本。传统工艺中，单炉的工作时间往往需要 60—80分钟，同时装出炉劳动强度高，需要多人配合，工序复杂。传统工艺 中，从蜡模制备开始到型壳清理完毕，最短需要10天。

钛本身是一种活性极强的金属，传统工艺在熔炼过程中，都需要有水冷环 境的介入，这使得一旦出现坩埚击穿，熔化的钛金属液就会直接接触水，在真 空环境下，直接会引发剧烈的反应，更会引发氢爆，这对生产安全有极大的威 胁。国内目前钛合金的生产单位都或大或小的出现过类似的安全事故，甚至是 伤亡事故。

为解决上述问题，亟需提出一种新的钛基合金感应熔炼真空吸铸设备，以 解决现有的钛基合金铸造中存在的效率低、成本高、工艺复杂、工作量大、难 以制备要求高的型壳、周期长、存在安全隐患等问题。

发明内容

本发明的第一个目的是提出一种结构简单、生产效率高、原料利用率高、 节能环保的钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备。

本发明的第二个目的是提出一种生产效率高、节能环保的钛基合金感应熔 炼底漏式真空吸铸设备的控制方法。

本发明的第三个目的是提出一种节能环保、生产成本低、对钛基合金有良 好惰性的用于钛基合金感应熔炼的陶瓷坩埚。

本发明的第四个目的是提出一种工艺简单、成本低的陶瓷坩埚的制备方 法。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备，包括外炉体以及设置于外炉体内 的至少一个真空吸铸装置，当外炉体的炉门关闭后，所述外炉体内形成密闭空 间，所述外炉体连接有真空机组；

所述外炉体内还设置有用于熔炼钛基合金的陶瓷坩埚，所述陶瓷坩埚的容 腔与所述真空吸铸装置的铸件型腔相连通；

还包括感应线圈，所述感应线圈通电后产生电磁力以对所述陶瓷坩埚内的 钛基合金进行熔炼。

优选的，还包括同轴进电系统，所述同轴进电系统包括相互绝缘设置的第 一电缆结构和第二电缆结构；

所述第一电缆结构一端接电源正极，另一端连接所述感应线圈的一端；

所述第二电缆结构一端接电源负极，另一端连接所述感应线圈的另一端；

所述第一电缆结构和所述第二电缆结构的轴线重合；

优选的，所述第一电缆结构与所述第二电缆结构套设在一起；

进一步优选的，所述第一电缆结构为铜材质的筒状结构，所述第二电缆结 构为铜材质的筒状结构，所述第二电缆结构的外径小于所述第一电缆结构的内 径，所述第一电缆结构套于所述第二电缆结构外，所述第一电缆结构与所述第 二电缆结构通过绝缘组件连接在一起。

优选的，所述真空吸铸装置与所述外炉体的炉门固定连接并可随炉门一起 运动；

优选的，所述外炉体的炉门为推拉式或翻转式；

优选的，所述外炉体的炉门设置于所述外炉体的顶部、侧部或底部；

优选的，所述同轴进电系统将所述感应线圈支撑于所述外炉体内，所述陶 瓷坩埚设置于所述真空吸铸装置上；

进一步优选的，所述同轴进电系统固定于所述外炉体的侧壁上，当所述外 炉体的炉门关闭后，所述陶瓷坩埚位于所述感应线圈内，或者所述同轴进电系 统为可移动设置，当所述外炉体的炉门关闭后，所述同轴进电系统带动所述感 应线圈移动至罩于所述陶瓷坩埚的外周；

优选的，所述真空吸铸装置包括内炉体、设置于内炉体内的型壳以及与所 述内炉体连接的真空机组，所述型壳内为所述铸件型腔，所述内炉体上开有连 通口，所述陶瓷坩埚的底部开有吸铸口，所述吸铸口经所述连通口与所述型壳 的型腔入口连接；

优选的，所述陶瓷坩埚与所述内炉体之间设置有密封隔离装置，所述密封 隔离装置用于在所述内炉体和所述外炉体之间形成隔离；

所述陶瓷坩埚通过连接件连接于内炉体的炉门上。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种如上所述钛基合金感应熔炼真空吸铸设备的控制方法，所述方法至少 包括如下步骤：

步骤A、将预装好钛基合金料的陶瓷坩埚以及真空吸铸装置装入外炉体 内，关闭外炉体的炉门；

步骤B、对外炉体进行抽真空，完成抽真空后向外炉体内充入保护气体；

步骤C、向感应线圈通电，进行钛基合金料的熔炼；

步骤D、熔炼一预定时间后，对真空吸铸装置抽真空，进行吸铸过程。

优选的，在步骤C中，向感应线圈通电的频率为20—50kHz，功率为 15—50kW。

再一方面，本发明采用以下技术方案：

一种用于钛基合金感应熔炼的陶瓷坩埚，包括坩埚本体以及附于所述坩埚 本体内表面的隔离层，所述隔离层的制成材料里包含有氧化钇。

优选的，所述坩埚的底部开有吸铸口，所述坩埚的内部容腔的直径为20至 70cm，高度为40至150cm，所述吸铸口的直径为5至40cm；

优选的，所述坩埚的内部容腔的直径为30—60cm，高度为50—100cm，所 述吸铸口的直径为10—30cm；

优选的，所述坩埚本体的制成材料里包含有二氧化硅；

优选的，所述隔离层的厚度为0.5—1.5mm；

所述坩埚本体的厚度为5—15mm。

还一方面，本发明采用以下技术方案：

一种如上述的陶瓷坩埚的制备方法，所述方法至少包括如下步骤：

步骤A、提供蜡件；

步骤B、在蜡件上涂覆含有氧化钇的料浆，然后进行干燥，获得涂覆含有 氧化钇的料浆的坯件；

步骤C、在步骤B获得的坯件上涂覆含有二氧化硅的料浆，然后进行干燥；

步骤D、重复步骤C设定次数后，将坯件进行煅烧获得成品。

优选的，所述含有氧化钇的料浆成分包括40％—60％的氧化钇和40％—60％的 醋酸锆溶液40％—60％；

所述含有二氧化硅的料浆的成分包括40％—70％的二氧化硅粉和30％—60％的 水；

所述步骤B中涂覆含有氧化钇的料浆厚度为0.5—1.5mm；

所述步骤C中涂覆含有二氧化硅的料浆厚度为1—2mm。

优选的，所述步骤D中的煅烧温度为900-1300℃，煅烧时间为1—3小 时。

本发明的有益效果为：

本发明提供的钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备采用陶瓷坩埚对钛基 合金进行真空感应熔炼，由于陶瓷对电磁力没有任何屏蔽，因此感应线圈产生 的所有的电磁感应的能量能够全部作用于钛金属上，节能环保，金属原料的利 用率高达60％-70％，极大的降低了金属成本；

本发明提供的上述钛基合金感应熔炼真空吸铸设备的控制方法操作简单， 工作效率高，降低了劳动强度，杜绝了传统工艺中可能出现的安全隐患，使得 钛基合金的熔炼工艺稳定、安全、可靠；

本发明提供的用于钛基合金感应熔炼的陶瓷坩埚在坩埚本体的内表面设置 有隔离层，隔离层的制成材料里包含有氧化钇，其在高温下对钛金属具有很好 的惰性，不会与之发生化学反应，能够在熔炼过程中隔离可能与钛金属发生反 应的陶瓷材料，保证钛基合金熔炼的可靠进行；

本发明提供的上述陶瓷坩埚的制备过程工艺简单，生产周期短，生产效率 高。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备的结 构示意图；

图2是图1中A部分的局部放大图；

图3是本发明实施例一提供的同轴进电系统与感应线圈的装配结构示意 图。

图中，1、炉体支架；2、外炉体；21、外炉体的炉门；22、第一抽真空 口；3、真空吸铸装置；31、内炉体；311、第二抽真空口；312、内炉体的炉 门；32、型壳；4、光学监控测温装置；5、升降架；6、升降驱动系统；7、水 平移动轨道；8、陶瓷坩埚；81、吸铸口；9、连接件；10、感应线圈；11、同 轴进电系统；111、第一电缆结构；112、第二电缆结构；113、套筒；114、端 盖；115、第一圆台；116、第二圆台；117、连接端子。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

本实施例提供了一种钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备，如图1和图2 所示，该设备包括炉体支架1、支撑于炉体支架1上的外炉体2以及设置于外炉 体2内的真空吸铸装置3。外炉体2上设置有光学监控测温装置4，用于监控外 炉体2内的温度。外炉体2的侧壁上开有第一抽真空口22，第一抽真空口22上 连接有真空机组，当外炉体的炉门21关闭后，外炉体2内形成密闭的空间，通 过真空机组可对外炉体2内进行抽真空。

于本实施例中，外炉体的炉门21设置在外炉体2的底部。外炉体的炉门21 下方连接有升降架5，升降架5由升降驱动系统6驱动，进而带动外炉体的炉门 21上下移动，实现炉门的开启和关闭。升降驱动系统6设置于水平移动轨道7 上，当外炉体的炉门21开启时，外炉体的炉门21、升降架5以及升降驱动系统 6可沿水平移动轨道7移动。其中，升降驱动系统6的具体驱动方式不限，能够 实现稳定传动的结构均可，如滚珠丝杠结构、气缸驱动结构等等。

真空吸铸装置3固定于外炉体的炉门21上并可随之一起运动。真空吸铸装 置3包括内炉体31以及设置于内炉体31内的型壳32，型壳32内为铸件型腔。 内炉体31的底部开有第二抽真空口311，第二抽真空口311上也连接有真空机 组，通过该真空机组可对内炉体31内进行抽真空。内炉体的炉门312设置于内 炉体31的顶部，内炉体的炉门312上通过连接件9固定有陶瓷坩埚8。连接件 9的具体形状不限，能够方便陶瓷坩埚8的安装即可。陶瓷坩埚8的尺寸根据实 际浇铸金属量进行调整，其内部容腔的直径通常在20至70cm，优选为 30—60cm，高度通常在40至150cm，优选为50—100cm。内炉体的炉门312上 开有连通口，陶瓷坩埚8的底部开有吸铸口81，吸铸口81经连通口与型壳32 的型腔入口连接。其中，吸铸口81的尺寸可根据铸件型腔的大小以及形状进行 设定，一般设置为5至40cm，优选为10—30cm。在陶瓷坩埚8与内炉体31之 间设置有密封隔离装置，密封隔离装置用于在内炉体31与外炉体2之间形成隔 离。密封隔离装置的具体形状不限，可根据陶瓷坩埚的具体形状进行设置，能 够实现隔离即可。经实验表明，采用上述的尺寸能够获得最优的熔炼效果和吸 铸效果。

本实施例中采用的是通过感应线圈10通电产生电磁力对陶瓷坩埚8内的钛 基合金进行熔炼的，感应线圈10设置于外炉体2内。当外炉体的炉门21打开 时，内炉体31随着外炉体的炉门21运动，从而移出外炉体2，方便获得型壳 32内的铸件；当外炉体的炉门21关闭时，内炉体31随外炉体的炉门21运动， 从而移入外炉体2内，当外炉体的炉门21完成关闭时，陶瓷坩埚8正好位于感 应线圈10内，便于对陶瓷坩埚8内的钛基合金进行熔炼。

由于钛基合金的熔炼过程必须在真空下进行，所以对于感应熔炼而言，从 电源到感应线圈10之间必须有相应的连接，普通的电缆连接往往对于功率和频 率的损失超过40％。而本实施例中采用的是特殊设计的同轴进电系统11，将两 条电缆的轴心重合，进而可以完全避免电缆的互感，将功率损失降低到5％以 内，将频率损失降低到10％以内。同轴进电系统11固定设置于外炉体2的侧壁 上，感应线圈10通过同轴进电系统11支撑于外炉体2内。

如图3所示，同轴进电系统11包括相互绝缘设置的第一电缆结构111和第 二电缆结构112以及连接第一电缆结构111和第二电缆结构112的绝缘组件。 第一电缆结构111为铜材质的筒状结构，其一端接电源正极，另一端通过连接 端子117与感应线圈10的一端连接；第二电缆结构112为铜材质的筒状结构， 第二电缆结构112的外径小于第一电缆结构111的内径，第一电缆结构111套 于第二电缆结构112外，且第一电缆结构111和第二电缆结构112的轴线重合。

绝缘组件包括套筒113和端盖114。套筒113的内径与第二电缆结构112的 外径基本相同，第二电缆结构112套于套筒113内，套筒113在一端设置有第 一圆台115以及与第一圆台115连接的第二圆台116，第二圆台116的外径大于 第一圆台115的外径大于套筒113的外径。第一电缆结构111的端面与第二圆 台116的圆台面相抵接，第一电缆结构111的内周面与第二圆台116的周面配 合。由于套筒113的外径小于第一圆台115的外径，因此在套筒113的外周面 与第一电缆结构111的内周面之间形成空腔。在套筒113的另一端，端盖114 穿过第二电缆结构112与第一电缆结构111的另一端面以及套筒113的另一端 面相配合，从而对第一电缆结构111和第二电缆结构112形成固定。端盖114 可以与第二电缆结构112的外周面过盈配合或者螺纹连接。套筒113和端盖114 均采用绝缘材料制成，保证第一电缆结构111与第二电缆结构112之间绝缘。 通过绝缘组件对第一电缆结构111和第二电缆结构112的限位，保证两者的轴 线重合，从而避免电缆的互感，减少能量损失。

本实施例提供的钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备采用陶瓷坩埚8对 钛基合金进行真空感应熔炼，由于陶瓷对电磁力没有任何屏蔽，因此感应线圈 10产生的所有的电磁感应的能量能够全部作用于钛金属上，节能环保，金属原 料的利用率高达60％-70％，极大的降低了金属成本。

其中，外炉体的炉门21不局限于设置在外炉体21的底部，其他能够方便 开关门的位置均可，如外炉体21的顶部和侧部，可将外炉体的炉门21可设置 为推拉式或翻转式；内炉体31与外炉体的炉门21的连接方式也不限，可以为 壁挂式、支架式等；一个外炉体2内不局限于设置一个真空吸铸装置3，也可根 据现场的具体需求设置多个真空吸铸装置3；同轴进电系统11不局限于上述结 构，只要能够实现同轴进电以避免功率损失的结构均可，另外，同轴进电系统 11也可设置为可移动的，当外炉体的炉门21关闭后，同轴进电系统11带动感 应线圈10移动至罩于陶瓷坩埚8的外周。

上述钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备的控制方法具体步骤如下：

步骤A、启动升降驱动系统6驱动升降架5带动外炉体的炉门21关闭，从 而将预装好钛基合金料的陶瓷坩埚8以及真空吸铸装置3装入外炉体2内；

步骤B、对外炉体2进行抽真空，当真空度达到要求后向外炉体2内充入一 定压力的保护气体，本实施例采用氩气作为保护气体；

步骤C、开启电源，通过同轴进电系统11向感应线圈10通电，在感应线圈 10的作用下进行钛基合金料的熔炼；

步骤D、当熔炼一预定时间后，第二次向外炉体内充入氩气，当氩气的压 力达到要求后，对内炉体31进行抽真空，当熔炼结束时，由于内外炉体之间的 压力差，陶瓷坩埚8内的钛基合金料进入型壳32的铸件型腔内，完成吸铸；

步骤E、吸铸完成后，冷却，破真空，出炉。

上述过程中未提供具体数值的参数如步骤B中的真空度要求、一定压力的 保护气体、步骤D中的预定时间等均与现有技术中常用的参数设置相同。

由于钛本身是一种对于电磁感应不敏感的金属，因此在步骤C中，必须找 到合适的功率与频率的组合才可以进行正常的熔炼。通过大量的实验获得了优 选的频率和功率范围，频率的优选范围为20—50kHz，功率的优选范围为 15—50kW。

本实施例提供的钛基合金感应熔炼底漏式真空吸铸设备的控制方法操作简 单，工作效率高，约3分钟即可完成一次吸铸过程，降低了劳动强度，杜绝了 传统工艺中可能出现的安全隐患，使得钛基合金的熔炼工艺稳定、安全、可 靠。另外，本实施例设备实现了自动控制，极大降低了工人的操作难度和劳动 强度，在同等产能的情况下，相比传统工艺减少了50％的人员要求。

实施例二：

本实施例提供了一种用于钛基合金感应熔炼的陶瓷坩埚，该陶瓷坩埚包括 坩埚本体以及附于坩埚本体内表面的隔离层。

于本实施例中，隔离层的制成材料里含有氧化钇，其在高温下对钛金属具 有很好的惰性，不会与之发生化学反应，能够在熔炼过程中隔离可能与钛金属 发生反应的陶瓷材料，保证钛基合金熔炼的可靠进行。坩埚本体的制成材料里 含有二氧化硅，其能够在熔炼过程中抵抗可能的金属膨胀及热应力，保证坩埚 的强度。

陶瓷坩埚的尺寸根据实际浇铸金属量进行调整，其内部容腔的直径通常在 20至70cm，优选为30—60cm，高度通常在40至150cm，优选为50—100cm。陶 瓷坩埚的底部开有吸铸口，吸铸口的尺寸可根据铸件型腔的大小以及形状进行 设定，一般设置为5至40cm，优选为10—30cm。经实验表明，采用上述的尺寸 能够获得最优的熔炼效果和吸铸效果。

其中，隔离层和坩埚本体的具体厚度不限，可根据坩埚的整体尺寸以及设 计需要进行设定，隔离层厚度的优选范围为0.5—1.5mm，坩埚本体厚度的优选 范围为5—15mm。

上述陶瓷坩埚的制备方法包括如下步骤：

步骤A、提供所需坩埚形状的蜡件；

步骤B、在蜡件上涂覆含有氧化钇的料浆，然后进行干燥，获得涂覆含有 氧化钇的料浆的坯件；

步骤C、在步骤B获得的坯件上涂覆含有二氧化硅的料浆，然后进行干燥；

步骤D、重复步骤C设定次数后，将坯件进行煅烧获得成品。于本实施例 中，煅烧温度为900-1300℃，煅烧时间为1-3小时。

其中，含有氧化钇的料浆成分为40％—60％的氧化钇和40％—60％的醋酸锆溶 液40％—60％。含有二氧化硅的料浆的成分为40％—70％的二氧化硅粉和30％—60％ 的水。

步骤B中涂覆含有氧化钇的料浆厚度为0.5—1.5mm；步骤C中涂覆含有二 氧化硅的料浆厚度为1—2mm。

本实施例的提供的陶瓷坩埚的制备过程工艺简单，生产周期短，生产效率 高。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本 发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的 解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具 体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。