具有錐形爐床的澆鑄系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開大致涉及用于澆鑄熔融材料的系統、方法、工具、技術和策略。
[0002]發明背景
[0003]例如，鈦合金和某些其它高性能合金的某些鑄錠的澆鑄鑒于在生產期間存在的極端條件和合金中包括的材料的性質可能是昂貴的且在程序上是困難的。例如，在許多目前可購得的冷床澆鑄系統中，諸如在惰性氣氛中的等離子弧熔融和在真空熔融室內的電子束熔融，澆鑄系統可用于熔融及混合各種再利用廢料、母合金和各種其它起始材料來生產所要的合金。澆鑄系統利用可含有高密度和/或低密度夾雜物的起始材料，其接著可能導致較低質量和可能無法使用的熱或鑄錠。被視為無法使用的澆鑄材料通常可熔融并且再使用，但是這種材料通常將被視為較低質量且在市場上的價格較低。在澆鑄操作期間，生產商通常期望在將熔融材料引導至鑄模前將夾雜物從熔融材料中移除。
[0004]為了蒸發、溶解或熔融熔融材料中的夾雜物，澆鑄系統中的能量源(例如，電子束槍或等離子炬)可施加能量至澆鑄系統的爐床中的熔融材料的表面。能量源產生的能量可足以蒸發或熔融夾雜物。但是，在澆鑄操作期間，動態流徑可出現在澆鑄系統的爐床中，且動態程度較低的區域(即滯留區或滯留池)可鄰近、圍繞和/或靠近動態流徑形成。在未充分混合的情況下，熔融材料可靜置在滯留區中且因此保留在爐床中達比熔融材料沿著動態流徑流動長的時間段。換句話說，熔融材料在爐床中的駐留時間可依據熔融材料是沿著動態流徑流動或靜置在滯留區中且因此熔融材料在爐床中的駐留時間可能不一致。此外，滯留區中的熔融材料可遭受由能量源產生的能量達比熔融材料在動態流徑中長的時間段。因此，在爐床中具有較長駐留時間的熔融材料(即，靜置在滯留區中的熔融材料)的元素消耗可比在爐床中具有較短駐留時間的熔融材料(即，沿著動態流徑流動的熔融材料)的元素消耗大。當爐床中的熔融材料內具有不同的化學組成時，所得澆鑄合金可具有組成變化。
[0005]此外，在利用從單個爐床延伸的多個鑄模的澆鑄系統中，滯留區的形成可將預期熔融材料流轉向和/或改變至鑄模中。換句話說，澆鑄速率可能在澆鑄系統的鑄模之間變化。
[0006]因此，將有利地提供一種澆鑄系統，其較不易受其爐床中滯留區的形成的影響。此夕卜，將有利地提供一種澆鑄系統，其產生組成更均勻的鑄造合金。此外，將有利地提供一種澆鑄系統，其促進跨多個鑄模的相同或類似澆鑄速率。更一般地，將有利地提供一種改進的澆鑄系統，其可用于鈦、其它高性能合金以及一般的金屬和金屬合金。
發明概要
[0007]本公開的一個方面涉及澆鑄系統的非限制性實施方案，其可包括爐床和多個模具。爐床可包括界定進口橫截面積的進口和多個出口，其中每個出口界定出口橫截面積。爐床還可包括進口與多個出口之間的腔，其中腔從進口朝向多個出口漸變。模具可與爐床的每個出口對準。
[0008]本公開的另一個方面涉及結合澆鑄系統使用的爐床的非限制性實施方案，其中爐床可包括腔，所述腔包括第一端部和第二端部，其中腔在第一端部與第二端部之間變窄。爐床可進一步包括第一端部上的進口，其中進口界定進口容量。爐床還可包括第二端部上的出口，其中出口界定出口容量。
[0009]本公開的另一個方面涉及結合澆鑄系統使用的爐床的非限制性實施方案，其中爐床可包括用于運載熔融材料的運載構件。運載構件可包括用于接收熔融材料的接收構件，其中接收構件包括接收容量。此外，運載構件可包括用于遞送熔融材料的遞送構件，其中遞送構件包括遞送容量，且其中遞送容量大體上等于接收容量。爐床還可包括在接收構件與遞送構件之間收窄運載構件的收窄構件。
[0010]本公開的又一個方面涉及澆鑄系統的非限制性實施方案，其可包括:爐床，其被結構化來接收材料；和能量源，其被結構化來給爐床中的材料施加能量，其中材料的一部分可在爐床中形成材料殼體。材料殼體可包括界定進口橫截面積的進口、界定出口橫截面積的出口和進口與出口之間的腔，其中腔從進口朝向出口漸變。
[0011]本公開的另一個方面涉及用于澆鑄材料的方法的非限制性實施方案。方法可包括使熔融材料穿過爐床的進口，其中進口包括進口容量；使熔融材料穿過爐床的錐形腔；使熔融材料穿過爐床的多個出口，其中每個出口包括出口容量，且其中出口容量的總和大體上匹配進口容量；及使熔融材料進入多個模具。
[0012]本公開的又一個方面涉及用于澆鑄材料的方法的非限制性實施方案。方法可包括使熔融材料通過進口進入爐床；選擇性地施加能量至爐床中的熔融材料以在爐床中形成材料殼體，其中材料殼體界定腔；使熔融材料穿過爐床的出口，其中腔從進口至出口漸變；及使熔融材料進入模具。
[0013]附圖簡述
[0014]可參考附圖更好地了解本發明的特征和優點，其中:
[0015]圖1是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的澆鑄系統的示意圖；
[0016]圖2是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的圖1所示的澆鑄系統的示意圖，其中澆鑄室的壁已移離澆鑄室以暴露澆鑄室的內部；
[0017]圖3是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的爐床和并列模具的透視圖；
[0018]圖4是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的爐床的透視圖；
[0019]圖5是圖4的爐床的平面圖；
[0020]圖6是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的爐床的透視圖；
[0021]圖7是圖6的爐床的平面圖；
[0022]圖8是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的爐床的透視圖；
[0023]圖9是圖8的爐床的平面圖；
[0024]圖10是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的具有定位其中的材料的爐床的透視圖；
[0025]圖11是圖10的爐床的正視圖；
[0026]圖12是沿著圖11中所示的平面取得的圖10的爐床的平面橫截面圖；
[0027]圖13是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的具有定位其中的材料的爐床的透視圖；
[0028]圖14是圖13的爐床和材料的正視圖；
[0029]圖15是沿著圖14中所示的平面取得的圖13的爐床和材料的平面圖；
[0030]圖16是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的具有定位其中的材料的爐床的透視圖；
[0031]圖17是圖16的爐床和材料的正視圖；
[0032]圖18是沿著圖17中所示的平面取得的圖16的爐床和材料的平面圖；
[0033]圖19是根據本公開的至少一個非限制性實施方案的具有定位其中的材料的爐床的透視圖；
[0034]圖20是圖19的爐床和材料的正視圖；和
[0035]圖21是沿著圖20中所示的平面取得的圖19的爐床和材料的平面圖。
【具體實施方式】
[0036]下文描述和特定附圖中圖示的根據本公開的澆鑄系統的下列非限制性實施方案并入一個或更多個電子束槍；但是應了解其它熔融電源可在澆鑄系統中用作材料加熱裝置。例如，本公開還設想使用一個或更多個等離子產生裝置的澆鑄系統，所述等離子產生裝置產生能量等離子并且通過使材料接觸所產生的等離子而加熱澆鑄系統內的金屬材料。
[0037]冷床澆鑄系統(諸如真空熔融室內的電子束熔融)通常利用銅爐床，其并入基于流體的冷卻系統以將爐床的溫度限制為低于銅材料的熔融溫度的溫度。雖然基于水的冷卻系統最常見，但是其它系統(諸如基于氬氣或熔鹽冷卻系統)可被并入冷床。冷床系統至少部分使用重力以通過將夾雜物從駐留在爐床內的熔融材料中移除而精煉熔融金屬材料。當材料被混合且在冷床內流動時，相對較低密度的夾雜物在熔融材料的頂部漂浮一定時間，且暴露的夾雜物可被澆鑄系統的一個或更多個電子束槍再熔融或蒸發。相對較高密度的夾雜物沉入熔融材料的底部并且緊貼銅爐床沉積。當與冷床接觸的熔融材料通過爐床的基于流體的冷卻系統的作用冷卻時，材料凝固以在爐床的底部和/或側表面上形成固體涂層或“殼體”。殼體保護爐床的表面不受爐床內熔融材料的影響。夾雜物在殼體內的截留將夾雜物從熔融材料移除，得到較高純度的澆鑄。
[0038]電子束澆鑄系統的熔融爐床可經由熔融材料流徑與澆鑄系統的精煉爐床流體連通。起始材料可被引入熔融室和其中的熔融爐床中，且一個或更多個電子束射至材料并且將材料加熱至其熔點。為了允許一個或更多個電子束槍的適當操作，至少一個真空產生器可與熔融室關聯并且可在室內提供真空條件。在特定非限制性實施方案中，進料區域也可與熔融室關聯，起始材料可通過所述進料區域被引入熔融室并且可在熔融爐床內熔融并且初步安置。進料區域可包括例如用于將材料運送至熔融爐床的傳送系統。被引入澆鑄系統的熔融室的起始材料可為多種形式，例如松散顆粒材料(例如，海綿體、碎肩和母合金)、團塊形式的壓實材料(例如，壓實海綿體、碎肩和母合金)或已被焊接成條或其它適當形狀的大塊固體。因此，進料區域可被設計來處理預期由澆鑄系統利用的特定起始材料。
[0039]—旦起始材料在熔融爐床中被熔融，熔融材料就可在熔融爐床中保留一段時間以更好地確保完全熔融和均勻性。熔融材料可經由熔融材料路徑從熔融爐床移動至精煉爐床。在各種非限制性實施方案中，熔融材料可例如流動穿過熔融爐床與精煉爐床之間的各種中間爐床。精煉爐床可在熔融室或另一個真空圍封體內且可通過真空系統維持在真空條件下以允許與精煉爐床相關的一個或更多個電子束槍的適當操作。雖然可使用基于重力的移動機構，但是機械移動機構也可用于協助將熔融材料從熔融爐床運送至精煉爐床。一旦熔融材料被安置在精煉爐床中，材料可遭受通過至少一個電子束槍的適當高溫下的連續加熱達足夠時間以可接受地精煉材料。一個或更多個電子束槍再次可為足夠功率以使材料在精煉爐床中維持為熔融狀態，并且還可為足夠功率以蒸發或熔融出現在熔融材料表面上的夾雜物。此外，在特定非限制性實施方案中，澆鑄系統可包括多個精煉爐床，熔融材料可流動穿過所述精煉爐床。
[0040]熔融材料可保留在精煉爐床中達足夠時間以將夾雜物從中移除并且以其它方式精煉材料。精煉爐床內的相對較長或較短駐留時間可依據例如熔融材料中夾雜物的組成和主要成分而選擇。一般技術人員可易于確定適當的駐留時間以在澆鑄操作期間提供熔融材料的適當精煉。優選地，精煉爐床可為冷床，且熔融材料中的夾雜物可通過以下方式移除:通過包括溶解在熔融材料中的過程，通過落入爐床的底部及變為截留在殼體中，和/或通過由聚焦在熔融材料的表面上的電子束的作用而蒸發。在特定實施方案中，被導向精煉爐床的電子束可以預定圖案跨熔融材料的表面柵格化以形成混合作用。一個或更多個機械移動裝置可被提供來提供混合作用或補充通過電子束的柵格化而產生的混合作用。
[0041]一旦被適當精煉，熔融材料就可經由重力和/或通過機械構件沿著熔融材料路徑從精煉爐