阅读说明：本技术 一种电子束冷床熔炼炉多材质通用凝壳的处理方法 (A kind of processing method of the general scull of the more materials of electron beam cold hearth melting furnace ) 是由 裴腾 李渤渤 刘茵琪 朱俊杰 蒋林凡 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种电子束冷床熔炼炉多材质通用凝壳的处理方法,包括以下步骤：一、当前材质原料熔炼结束后不更换凝壳,准备待熔材料原料；二、打开电子枪电子束图形设定为覆盖全部凝壳范围,将熔池周围凝壳上部的当前材质全部余料熔化；三、跳转至排空步骤,熔化冷床区域熔池中的熔体先排入精炼冷床区域,熔体沿之流动排入分流冷床与坩埚,排空至流道口位置以下不能排出为止；四、取待熔材质原料下料,熔化的待熔材质原料迅速填充各区域冷床；五、跳转至排空步骤,将待熔材质的熔融液体排入坩埚中,排空至流道口位置以下；六、重复步骤四步骤五2~3次,使得凝壳上部成分达到待熔材质的成分；七、转入正常熔炼步骤,进行待熔材质原料的连续下料和熔炼。(The present invention discloses a kind of processing method of the general scull of more materials of electron beam cold hearth melting furnace, comprising the following steps: and one, be changed without scull after current material raw material melting, prepare material feedstock fusion；Two, it opens electron gun electron beam graph to be set as covering whole scull ranges, the current material whole clout on scull top around molten bath is melted；Three, jump to evacuation step, melt the melt in the molten bath of cold bed region and be first discharged into refining cold bed region, melt along flowing be discharged into and shunt cold bed and crucible, empty to until runner mouth position or less cannot be discharged；Four, material raw material blanking fusion is taken, the material raw material fusion of fusing fills rapidly each region cold bed；Five, evacuation step is jumped to, the melt liquid of material fusion is discharged into crucible, empties to runner mouth position or less；Six, it repeats step 4 step 52 ~ 3 times, so that scull upper components reach the ingredient of material fusion；Seven, it is transferred to normal smelting step, carries out the continuous blanking and melting of material raw material fusion.)

一种电子束冷床熔炼炉多材质通用凝壳的处理方法

技术领域

本发明涉及一种电子束熔炼铸锭的制备技术，具体涉及一种电子束冷床熔炼炉多材质通用凝壳的处理方法。

背景技术

电子束冷床炉熔炼(EBCHM)是在真空状态下，利用电子束轰击产生的热量进行高温难熔金属熔炼及提纯的真空熔炼设备。电子束冷床熔炼的熔炼效率高，可熔炼获得大规格的圆形铸锭、扁锭。对于如钛、锆、铌等高温难熔金属，通过电子束冷床熔炼获得铸锭以及相应的加工材，具有效率高、成本低、质量好的优势，目前已呈逐步替代传统熔炼工艺的趋势。

电子束炉中设有水冷铜床，一般分为熔化冷床、精炼冷床、分流冷床以及坩埚区域，电子束轰击形成温度场以使熔融流体通过各个区域结晶成型。熔体流动过程中与各区域的水冷铜床之间均隔有凝壳，在流道处也有凝壳保护，以避免电子束或者熔体的高温直接接触冷床损伤设备，也避免冷床材料对于熔化原料的污染。

工业生产使用的电子束冷床炉多在2400KW以上，以追求大规格、高效率和长熔炼周期，冷床与凝壳呈大规格趋势发展。大尺寸的冷床凝壳，精炼除杂的表面积更大，精炼效果更好，同时可以有更长的熔炼周期进行多炉次熔炼，不必频繁开炉清理冷床，从而提高效率、提升产能。较大规格电子束冷床炉凝壳重量达到近2000Kg。

目前，行业普遍采用每种牌号需要一种凝壳，除单个凝壳成本高外，不同牌号的金属或合金的熔炼，需要进行凝壳的切换，生产成本成本较高。凝壳的切换要对真空熔炼室进行破空放气，并清理熔炼室，之后更换相应牌号的凝壳。生产操作几乎等同于常规的清炉过程，更换过程与重新抽真空等熔炼前准备过程往往耗时48小时以上，对产能影响很大。凝壳在熔炼中水冷条件下大部分仍为固态，仅少部分包含在凝壳上方的熔池中，熔池中绝大部分为熔化的原料，其示意图如图1所示，因此可以通过一定工艺方法替换熔池中的凝壳材料成分，以使切换熔炼牌号而不换凝壳成为可能。实现凝壳的通用处理工艺方法，则可以提高每次切换材质时10吨-50吨产能，同时也降低凝壳材料本身成本以及清理更换成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种电子束冷床熔炼炉多材质通用凝壳的处理方法，该方法利用电子束能量在不同区域的设置以及相应的熔炼工艺，使得同类金属的不同合金在同一熔炼周期可以不更换凝壳而进行连续的熔炼，减少凝壳制备数量，降低成本，同时避免停炉更换凝壳，减少炉前准备，显著提高生产效率。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种电子束冷床熔炼炉多材质通用凝壳的处理方法，主要包括以下步骤：

步骤一、待熔材质原料准备：

当前材质原料熔炼结束后不更换凝壳，准备300-500Kg待熔材料的原料；

步骤二、凝壳清理：

打开电子枪，跳转至清理步骤，电子束图形设定为覆盖全部凝壳范围，电子枪将熔池周围凝壳上部的当前材质全部余料熔化；

步骤三、熔池排空：

跳转至排空步骤，即打开各流道口处电子束图形能量，熔化冷床区域熔池中的熔体先排入精炼冷床区域，将其排空至流道口位置以下不能排出为止，将精炼冷床区域电子束图形在排空步骤设置为窄条形，熔体沿之流动排入分流冷床与坩埚，同样排空至流道口位置以下不能排出为止；

步骤四、待熔材质原料熔化：

电子枪保持高发射电流，跳转至熔化步骤，取步骤一中100-200Kg的待熔材质原料从原料入口下料，熔化的待熔材质原料迅速填充各区域冷床，熔化完毕；

步骤五、熔池排空：

跳转至排空步骤，将熔池中待熔材质的熔融液体按顺序排入坩埚中，排空至流道口位置以下；

步骤六、重复熔化与排空：

重复步骤四与步骤五2~3次，使得凝壳上部成分达到待熔材质的成分；

步骤七、正常熔炼：

转入正常熔炼步骤，进行待熔材质原料的连续下料和熔炼。

进一步的，所述步骤一中待熔材料的原料为混合的散料状态。

进一步的，所述步骤四中待熔材质原料以垂直进料方式从原料入口快速下料。

进一步的，所述步骤四中熔化完毕后电子枪参数和冷床熔池保持5-15min。

本发明的有益效果在于：

（1）常规熔炼生产不同材质金属原料，需要制作相应的多套凝壳，而使用本发明的多材质共用凝壳的方法，可节约其中一套或多套凝壳的成本；

（2）现有技术中凝壳的更换需要停炉放气，更换后需要重新抽真空烘炉，耗费的时间在24小时以上，对产能影响很大，而使用共用凝壳的方法，通过1~2小时操作就可以持续生产，大大提高生产效率；

（3）本发明操作简单，通过电子枪工艺参数的设置以及多次的下料和排空可以完成该方法的操作，实际生产应用简便；

（4）本发明熔炼铸锭的质量不受影响，凝壳仅上部少部分熔化进冷床熔池之中，熔池中绝大部分为熔化的待熔材质原料，通过多次的下料熔化和排空，可以使得熔池达到需要的待熔材质的成分，在后续连续熔炼中并不会产生影响；

综上所述，本发明可以实现多种不同材质原料的熔炼之间不需开炉放气和更换凝壳，就可直接连续熔炼，显著地降低凝壳的成本，提高生产效率。

附图说明

图1是通用凝壳的结构示意图；

图2是本发明ALD EBCHR 6/200/3600 型电子束冷床炉冷床示意图。

具体实施方式

一种电子束冷床熔炼炉多材质通用凝壳的处理方法，主要包括以下步骤：

步骤一、待熔材质原料准备：

当前材质原料熔炼结束后不更换凝壳，准备300-500Kg待熔材料的原料；

步骤二、凝壳清理：

打开电子枪，跳转至清理步骤，电子束图形设定为覆盖全部凝壳范围，电子枪将熔池周围凝壳上部的当前材质全部余料熔化；

步骤三、熔池排空：

跳转至排空步骤，即打开各流道口处电子束图形能量，熔化冷床区域熔池中的熔体先排入精炼冷床区域，将其排空至流道口位置以下不能排出为止，将精炼冷床区域电子束图形在排空步骤设置为窄条形，熔体沿之流动排入分流冷床与坩埚，同样排空至流道口位置以下不能排出为止；

步骤四、待熔材质原料熔化：

电子枪保持高发射电流，跳转至熔化步骤，取步骤一中100-200Kg的待熔材质原料从原料入口下料，熔化的待熔材质原料迅速填充各区域冷床，熔化完毕；

步骤五、熔池排空：

跳转至排空步骤，将熔池中待熔材质的熔融液体按顺序排入坩埚中，排空至流道口位置以下；

步骤六、重复熔化与排空：

重复步骤四与步骤五2~3次，使得凝壳上部成分达到待熔材质的成分；

步骤七、正常熔炼：

转入正常熔炼步骤，进行待熔材质原料的连续下料和熔炼。

进一步的，所述步骤一中待熔材料的原料为混合的散料状态。

进一步的，所述步骤四中待熔材质原料以垂直进料方式从原料入口快速下料。

进一步的，所述步骤四中熔化完毕后电子枪参数和冷床熔池保持5-15min。

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：纯钛凝壳熔炼TA10

步骤一、待熔材质原料准备：

纯钛熔炼结束后不更换凝壳，准备300-500KgTA10材质原料，TA10材质原料使用海绵钛、Ti-Mo中间合金与镍片均匀混料，压制并组焊电极，熔炼开始阶段300Kg使用的原料为不压制电极的混料散料状态，以转鼓方式上料准备；

步骤二、凝壳清理：

打开电子枪，跳入清理步骤，电子束图形为全部凝壳范围，1~4#电子枪发射电流分别为8.0A、8.0A、7.5A和7.0A，将熔池周围凝壳上部的纯钛全部余料熔化；

步骤三、熔池排空：

跳转至排空步骤，即打开各流道口处电子束图形能量，熔化冷床区域熔池中熔体排入精炼冷床区域，将其排空至流道口位置以下不能排出为止，将精炼冷床区域电子束图形在排空步骤设置为窄条形，随后流动排入分流冷床与坩埚，排空至流道口位置以下不能排出为止；

步骤四、待熔材质原料熔化：

电子枪工艺步骤跳入熔化步骤，1~6#电子枪发射电流分别为9.0A、9.0A、7.5A、7.0A、8.0A与8.0A，TA10原料散料以转鼓方式快速少量并分次下料约100Kg，熔化后熔体迅速填充各区域冷床，之后电子枪参数和冷床熔池保持10min；

步骤五、熔池排空：

跳转至排空步骤，将熔池中TA10材质的熔融液体按顺序排入坩埚中，排空至流道口位置以下；

步骤六、重复熔化与排空

重复第四步与第五步2次，使得凝壳上部成分达到TA10材质的成分；

步骤七、正常熔炼

转入正常熔炼步骤，进行TA10材质原料的连续下料和熔炼。

熔炼生产的TA10铸锭的化学成分测试结果如表1。

表1 TA10铸锭的化学成分测试结果

实施例2：纯钛凝壳熔炼TC4

步骤一、待熔材质原料准备：

纯钛熔炼结束后不更换凝壳，TC4材质原料使用海绵钛、AlV中间合金与铝豆均匀混料，压制并组焊电极，熔炼开始阶段400Kg使用的原料为不压制电极的混料散料状态，以转鼓方式上料准备；

步骤二、凝壳清理：

打开电子枪，跳入清理步骤，电子束图形为全部凝壳范围，1~4#电子枪发射电流分别为8.5A、8.5A、7.5A和7.0A，将熔池周围凝壳上部的纯钛全部余料熔化；

步骤三、熔池排空：

跳转至排空步骤，即打开各流道口处电子束图形能量，熔化冷床区域熔池中熔体排入精炼冷床区域，将其排空至流道口位置以下不能排出为止，将精炼冷床区域电子束图形在排空步骤设置为窄条形，随后流动排入分流冷床与坩埚，排空至流道口位置以下不能排出为止；

步骤四、待熔材质原料熔化：

电子枪工艺步骤跳入熔化步骤，1~6#电子枪发射电流分别为9.2A、9.2A、7.5A、7.0A、8.0A与8.0A，TC4原料散料以转鼓方式快速少量并分次下料约120Kg，熔化后熔体迅速填充各区域冷床，之后电子枪参数和冷床熔池保持5min；

步骤五、熔池排空：

跳转至排空步骤，将熔池中TC4材质的熔融液体按顺序排入坩埚中，排空至流道口位置以下；

步骤六、重复熔化与排空

重复步骤四与步骤五2次，使得凝壳上部成分达到TC4材质的成分；

步骤七、正常熔炼

转入正常熔炼步骤，进行TC4材质原料的连续下料和熔炼。

熔炼生产的TC4铸锭的化学成分测试结果如表2。

表2 TC4铸锭的化学成分测试结果

实施例3：TC4合金凝壳熔炼TA2纯钛

步骤一、待熔材质原料准备：

TC4合金熔炼结束后不更换凝壳，TA2材质原料使用海绵钛与二氧化钛均匀混料，熔炼使用的原料均为不压制电极的混料散料状态，以转鼓方式上料准备；

步骤二、凝壳清理：

打开电子枪，跳入清理步骤，电子束图形为全部凝壳范围，1~4#电子枪发射电流分别为9.0A、9.0A、7.5A和7.0A，将熔池周围凝壳上部的TC4合金全部余料熔化；

步骤三、熔池排空：

跳转至排空步骤，即打开各流道口处电子束图形能量，熔化冷床区域熔池中熔体排入精炼冷床区域，将其排空至流道口位置以下不能排出为止，将精炼冷床区域电子束图形在排空步骤设置为窄条形，随后流动排入分流冷床与坩埚，排空至流道口位置以下不能排出为止；

步骤四、待熔材质原料熔化：

电子枪工艺步骤跳入熔化步骤，1~6#电子枪发射电流分别为9.5A、9.5A、7.5A、7.0A、8.2A与8.2A，TA2原料散料以转鼓方式快速少量并分次下料约150Kg。熔化后熔体迅速填充各区域冷床，之后电子枪参数和冷床熔池保持15min；

步骤五、熔池排空：

跳转至排空步骤，将熔池中TA2材质的熔融液体按顺序排入坩埚中，排空至流道口位置以下；

步骤六、重复熔化与排空

重复步骤四与步骤五3次，使得凝壳上部成分达到TA2材质的成分；

步骤七、正常熔炼

转入正常熔炼步骤，进行TA2材质原料的连续下料和熔炼。熔炼生产的TA2铸锭的化学成分测试结果如表3。

表3 TA2铸锭的化学成分测试结果

本发明不仅适用于钛及钛合金凝壳共用，也同样适用于锆、镍、钨等难熔金属的电子束熔炼中凝壳共用。图2为一种形式的电子束冷床熔炼炉冷床布局示意图，本方法也适用于其他各种形式冷床熔炼炉的凝壳制备，均可以显著降低成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。