專利名稱：一種高溫合金真空連鑄裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及真空冶煉和真空冶金成型技術領域，尤其涉及一種高溫合金的真空冶煉和真空連鑄裝置。
背景技術：
高溫合金和精密合金是航空航天部件的重要材料，我國每年約需近萬噸鑄造高溫母合金，產值達數億元。雖然高溫母合金的制備技術相對已經成熟，但仍然面臨著諸多亟待解決的問題。在世界主要鋼鐵工業國家的連續鑄造技術領域，碳鋼類合金的連鑄比已經大于 90 %，不銹鋼和耐熱鋼的連鑄比也已經大于60 %，但高溫合金的連鑄比尚不足1 %。這是因為高溫合金母合金目前較多的使用傳統生產工藝，即真空冶煉金屬模鑄造成型。但金屬模鑄造成型難以控制母合金中的夾雜物數量。在澆鑄過程中，不可避免地會將坩堝材料、澆流槽中的非金屬材料和浮渣帶入鑄錠，使高溫母合金的品質受到影響。尤其是用在航空航天部件上，可能將會發生嚴重的事故。另一方面，傳統金屬模鑄生產工藝決定了鑄棒是自下而上進行冷卻，因此，就會產生在鑄棒的頂部聚集大量浮渣的鑄造集中縮孔冒口，而在使用時必須切除，在使用高溫母合金棒材時還需對其表面進行打磨甚至加工，最終使母合金的成材率僅在80% -85%之間，造成大量的資源浪費。為了改變傳統鑄造技術狀況，目前出現了真空冶煉和氣體保護水平連鑄裝置(ZL 200720065511. 7)，將真空冶煉爐直接與水平連鑄結晶器相連，真空冶煉后的鋼液需要在連續充氬(或氮)接近大氣壓條件下，才能進行水平連鑄作業。該裝置雖然采用了真空冶煉， 但在連鑄時卻需要破真空而采用充氬或氮進行保護。其不足之處在于一、連鑄作業時需要消耗大量的高純氬氣；二、對于高溫合金而言，充高純氬氣也不能有效地防止合金中最重要的又是易氧化的合金元素如Al、Ti、Zr、Hf的氧化與燒損，如果采用專利ZL200720065511. 7 所介紹的充氮氣工藝，非但不能有效保護高溫合金熔體，還易形成氮化鋁和氮化鈦夾雜，從而嚴重污染高溫合金鋼液；三、不能實現連續作業。綜上所述，傳統技術生產的高溫合金品質難以提高，產量更難以提高，材料資源浪費很大；而現有改進技術同樣因鑄坯結晶時與氣體接觸而使高溫合金元素受到損失，不但合金材料質量得不到保證，還需要提供大量氣體，同時也難 以實現連續鑄造的目的。
發明內容
本發明的目的是克服上述高溫合金生產中出現的不足或缺點，提供一種高溫合金真空連鑄裝置，該裝置突破了高溫合金連鑄技術的瓶頸，使高溫合金連鑄成材成為可能，從而達到改善高溫合金母材的質量，提高高溫合金母材成品率和降低高溫合金母材生產成本的目的。本發明采用如下技術方案來完成其任務并達到其發明目的。
本發明高溫合金真空連鑄裝置的特點在于該裝置的熔煉爐、中間包和結晶器均設置在真空爐內，高溫合金的冶煉、澆鑄和結晶成型均在真空狀態下完成；真空爐上部為熔煉室，設置有熔煉爐和導液槽，導液槽位于熔煉爐的下方；真空爐下部為熔鑄室，設置有中間包和結晶器，結晶器設置在中間包外部并與中間包相連；熔煉室和熔鑄室之間設置有隔板閥。真空爐爐體上設置有滑動密封裝置并與真空爐內的水平結晶器出口相連，結晶器的下方設置有結晶器固定裝置，該固定裝置同時將水平結晶器與中間包和真空爐之間的位置固定。在真空爐外部設置有拉坯機，該拉坯機通過滑動密封裝置與結晶器相連，將從結晶器成型的鑄坯通過滑動密封裝置拉出。本發明通過設置在熔煉室和熔鑄室之間的隔板閥的關閉或打開，可實現熔煉室和熔鑄室共用一套真空系統或各自獨立使用其真空系統。由于本發明的熔煉爐、中間包和結晶器均設置在真空爐內，連鑄作業的冶煉、澆鑄、結晶成型完全在真空條件下進行，因此，無需向爐內充入保護氣體，并始終保持真空爐內的真空度不變，完全防止了高溫合金熔體中存在的諸如Al、Ti、Zr、Hf等活潑元素的氧化與燒損，從而保證在連鑄作業過程中高溫合金熔體不被污染，最終得以實現高溫合金的真空冶煉和多爐連續真空連鑄近凈成型。
圖1為本發明高溫合金真空連鑄裝置的結構示意圖；圖2為使用本發明生產的高溫合金棒材效果圖；圖中序號1為真空爐、2為熔煉爐、3為導液槽、4為隔板閥、5為中間包、6為結晶器、7為滑動密封裝置、8為拉坯機、9為連鑄坯、10為結晶器固定裝置、11為導流孔、12為盛鋼桶。
具體實施例方式以下將結合設計原理、附圖1和2以及實施例對本發明進行詳細描述。本發明的設計原理是基于高溫合金高純度品質的要求，設計一種能在完全真空狀態下的高溫合金冶煉和連續鑄造裝置，來完成高溫合金的連續鑄造作業，以滿足高溫合金材質的近凈成材要求。本發明在保持真空爐1中熔煉爐2、中間包5和水平連鑄結晶器6內的真空度不變，即不泄漏進入大氣的狀態下進行高溫合金的水平連鑄成型作業。使中間包5內的鋼液在水平連鑄結晶器6內凝固成型材，并通過高溫滑動密封裝置7由真空爐1中直接移動到大氣環境中，實現在高溫合金鋼液不被二次氧化的條件下，完成水平連鑄的近凈成材。本發明在具體實施過程中，設計了具有真空室的真空爐1，真空爐1分為上部和下部，熔煉高溫合金的熔煉爐2與中間包5以及使高溫合金成型的水平連鑄結晶器6均設置在真空爐1的真空室內，高溫合金的冶煉、澆鑄和結晶成型均在真空爐1中的真空狀態下完成，直到將已經成型的高溫合金鑄坯9拉出真空爐1外才能接觸到大氣。真空爐1的上部為熔煉室，設置有熔煉爐2和導液槽3，導液槽3位于熔煉爐2的下方，導液槽3的位置正對著熔煉爐2傾倒時合金溶液流出的位置，以將熔煉爐2中的高溫合金溶液導流到中間包5中；真空爐1的下部為熔鑄室，設置有中間包5和結晶器6，中間包5設置在正對著真空爐1上部導液槽3的出口下方，以使導液槽3導流的合金溶液順利流入中間包5中；水平連鑄結晶器6安裝在中間包5底部的側面，中間包5中的合金溶液注入具有水冷裝置的水平連鑄結晶器6中，在結晶器6中結晶成型，并被安裝在真空爐1外面的拉坯機8拉出真空爐外。在真空爐1下部的爐體上設置有滑動密封裝置7，滑動密封裝置7與真空爐1內的水平連鑄結晶器6的出口相連，以使結晶器成型的高溫合金鑄坯9從滑動密封裝置7中通過；滑動密封裝置7應能保證在冶煉狀態下和在拉坯狀態下外面的空氣不能進入真空爐 1中。水平連鑄結晶器6的下面安裝有結晶器固定裝置10，因結晶器6同時與中間包5 和安裝在真空爐1上的滑動密封裝置7相連，該固定裝置10在將水平連鑄結晶器6位置固定的同時，也將中間包5和真空爐1在水平方向的位置固定，使中間包5在水平連鑄拉坯方向不能移動。在真空爐1下部的外面設置有拉坯機8，該拉坯機通過滑動密封裝置與結晶器相連，拉坯機8的引錠桿通過滑動密封裝置7進入水平連鑄結晶器6中，將從結晶器6中成型的高溫合金鑄坯9通過滑動密封裝置7拉出真空爐，在滑動密封裝置7的密封保護下，成型的鑄坯9直到拉出真空爐外才得以與空氣接觸。本發明真空爐1上部的熔煉室和下部的熔鑄室共用一套真空系統，也可以各自獨立使用該真空系統；在熔煉室和熔鑄室之間設置有一隔板閥4，通過隔板閥4的關閉或打開，即可實現高溫合金熔煉時或澆鑄時真空爐1的上部或下部各自獨立使用真空系統，或在冶煉和澆鑄時共用其真空系統。
本發明在中間包5的底部設置有導流孔11，該導流孔11通向真空爐1外部，導流孔11下方設置有盛鋼桶12，以防止在出現拉漏事故時，導流孔11能將鋼液引入盛鋼桶12。 導流孔11在正常工作下為密封狀態。本發明的高溫合金真空連鑄裝置還設置有常規的真空爐密封裝置、測溫裝置、閥門部件或其它支撐機構等必要裝置或部件，以保證真空裝置在完全真空狀態下正常工作。實施例及效果采用本發明的高溫合金真空連鑄裝置，已成功生產出高溫合金真空連鑄母合金棒材。為了驗證本發明的實施效果，先后進行了八爐高溫合金的真空水平連鑄生產，且都取得成功。試驗生產材料選擇了兩種應用最廣、最具代表性的高溫合金K418合金和GH4169合金，其中Κ418合金為典型的高Al、Ti含量的鑄造高溫合金，GH4169合金為典型的變形高溫合金。通過實測結果表明，采用本發明生產的兩種合金水平連鑄棒材氣體含量低，其化學成分和力學性能均達到了相關材料標準。本發明高溫合金真空連鑄裝置生產的合金棒材表面質量非常好，僅經過噴丸處理就可以交付用戶使用，圖2為采用本發明技術生產的K418合金真空水平連鑄Φ31. 5mm棒材經噴丸后的表面形貌效果圖片，可看出鑄造后的表面光潔而均勻，無須再經過加工處理即可使用。本發明與現有技術相比具有如下特點1、本發明將連鑄技術運用到高溫合金母材的近凈成形，改變了近百年來高溫合金的熱成型主要依賴模鑄的歷史，給高溫合金的成形工藝帶來飛躍。與連鑄技術在碳鋼類合金、不銹鋼、耐熱鋼等合金領域得到廣泛應用一樣，可極大提高生產效率和產品質量，降低生產成本。 2.現有改進技術真空冶煉后的鋼液需要在連續充氬或充氮并接近大氣壓條件下進行水平連鑄作業，以阻止大氣進入真空室污染鋼液。因此，需要消耗大量的高純氣體，同時所進入的氣體同樣會對鋼液進行污染，使合金的純度受到損害。而本發明可以在保持真空爐的真空度不變的狀態下進行水平連鑄作業，完全不用向爐內充高純氣體，有效地防止高溫合金中所含有最重要并且極易氧化的合金元素如Al、Ti、Zr、Hf等元素在連鑄過程中的動態氧化或燒損，極大地提高了高溫合金的純凈度，使高溫合金的質量得到保證，同時也極大地節約了資源。減少了資源的消耗。3.本發明將熔煉爐、中間包、結晶器共同設置在一個真空環境下，使真空連鑄中間包能得到鋼液補充，可實現多爐連澆與連鑄；本發明可實現圓坯、方坯和板坯的真空水平連鑄成型，可采用一機一流或一機多流進行真空連鑄，提高高溫合金的生產效率和連鑄產能， 以滿足航空航天部件對產量的需求，最大限度地發揮本發明的優勢。4、本發明的出現，將可替代傳統金屬模鑄和氣體保護下的連鑄技術，既可減少模鑄生產對環境的污染，又節省材料和氣體資源，并可顯著提高材料的質量和成品率，降低生產成本。本發明不限于上述實施例，在不脫離本發明范圍的情況下，可以進行各種變形和修改，這些變化和修改均屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種高溫合金真空連鑄裝置，其特征在于該裝置的熔煉爐、中間包和結晶器均設置在真空爐內，高溫合金的冶煉、澆鑄和結晶成型均在真空狀態下完成；真空爐上部為熔煉室，設置有熔煉爐和導液槽，導液槽位于熔煉爐的下方；真空爐下部為熔鑄室，設置有中間包和結晶器，結晶器設置在中間包外部并與中間包相連；熔煉室和熔鑄室之間設置有隔板閥。
2.根據權利要求1所述高溫合金真空連鑄裝置，其特征在于在所述真空爐爐體上設置有滑動密封裝置并與真空爐內的水平結晶器出口相連，在結晶器中成型的鑄坯從該滑動密封裝置中通過。
3.根據權利要求1或2所述高溫合金真空連鑄裝置，其特征在于所述結晶器的下方設置有結晶器固定裝置，該固定裝置同時將水平結晶器與中間包和真空爐的位置固定。
4.根據權利要求1或2所述高溫合金真空連鑄裝置，其特征在于所述真空爐外部設置有拉坯機，該拉坯機通過滑動密封裝置與結晶器相連，將結晶器中成型的鑄坯通過滑動密封裝置拉出。
5.根據權利要求1或2所述高溫合金真空連鑄裝置，其特征在于所述熔煉室和熔鑄室共用一套真空系統或獨立使用該真空系統，通過設置在熔煉室和熔鑄室之間的隔板閥的關閉或打開實現。
6.根據權利要求1或2所述高溫合金真空連鑄裝置，其特征在于在所述中間包的底部設置有導流孔，該導流孔通向真空爐外部，在導流孔下方設置有盛鋼桶，導流孔在正常工作下為密封狀態。
7.根據權利要求1或2所述高溫合金真空連鑄裝置，其特征在于該真空連鑄裝置還設置有必要的密封裝置、測溫裝置、閥門部件或其它支撐機構。
全文摘要
本發明公開了一種高溫合金真空連鑄裝置，該裝置的熔煉爐(2)、中間包(5)和結晶器(6)均設置在真空爐(1)內，高溫合金的冶煉、澆鑄和結晶成型均在真空狀態下完成；真空爐(1)上部為熔煉室，設置有熔煉爐(2)和導液槽(3)，導液槽(3)位于熔煉爐(2)的下方；真空爐(1)下部為熔鑄室，設置有中間包(5)和結晶器(6)，結晶器(6)設置在中間包(5)底部的側面并與中間包(5)相連；熔煉室和熔鑄室之間設置有隔板閥(4)；本發明的冶煉、澆鑄、結晶成型完全在真空條件下進行，保證了在連鑄作業過程中高溫合金熔體不被污染，實現了高溫合金的真空冶煉和多爐連續真空連鑄的近凈成型。
文檔編號B22D11/14GK102179493SQ20111009950
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月20日 優先權日2011年4月20日
發明者馮滌, 曹栩, 李尚平, 駱合力 申請人:鋼鐵研究總院