一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置及应用
一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置及应用，属于电磁冶金设备制造领域。本发明开发出了具有更高透磁性的铜合金，新型高透磁性铜合金的透磁性约为传统纯铜材料的六倍；设计并给出该新型无缝高透磁冷坩埚相配套的磁感应线圈装置以及水冷系统；在开发出无缝高透磁冷坩埚的基础上还给出了该无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置的电源工作参数；在原有设备基础上增加了二次加料分瓣仓装置、可加热石墨铸模装置以及可视化远程控制系统和红外测温装置。为无缝坩埚替代切缝坩埚，提高透磁率并精炼造渣，优化钛铝合金的悬浮熔炼‑浇铸成型提供指导。
发明专利
CN202311391608.7
2023-10-25
CN117433286A
2024-01-23
F27B14/06(2006.01)
辽宁东智国光钛业科技有限公司
张智;杨光;李国林
121200 辽宁省锦州市凌海市双羊镇
沈阳东大知识产权代理有限公司
李在川
辽宁;21
1.一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置，其特征在于，包括电源装置及可视化控制系统(1)，真空机组及氩气保护装置(2)，红外线测温装置(3)，二次加料分瓣仓装置(4)，无缝高透磁冷坩埚(5)，坩埚底座及其支架(6)，石墨铸模外部感应线圈加热装置(7)，可离心浇铸平台(8)，可加热石墨铸模(9)，升降结构(10)，水冷腔(11)，矩形双层水冷铜管(12)，坩埚外绝缘布(13)，水冷入水管道(14)，水冷出水管道(15)，真空磁悬浮熔炼炉(16)，坩埚外部上组线圈装置(Ⅰ)，坩埚外部下组线圈装置(Ⅱ)； 所述真空磁悬浮熔炼炉(16)外接电源装置及可视化控制系统(1)和真空机组及氩气保护装置(2)，真空磁悬浮熔炼炉(16)外部上方设置红外线测温装置(3)；所述真空磁悬浮熔炼炉(16)顶部设有二次加料分瓣仓装置(4)；二次加料分瓣仓装置(4)下方设有无缝高透磁冷坩埚(5)；无缝高透磁冷坩埚(5)外围设有矩形双层水冷铜管(12)，矩形双层水冷铜管(12)外部水平设置坩埚外部上组线圈装置(Ⅰ)和坩埚外部下组线圈装置(Ⅱ)，坩埚外部上组线圈装置(Ⅰ)和坩埚外部下组线圈装置(Ⅱ)固定在真空磁悬浮熔炼炉(16)同一侧壁面；矩形双层水冷铜管(12)与坩埚外部上组线圈装置(Ⅰ)和坩埚外部下组线圈装置(Ⅱ)之间设置坩埚外绝缘布(13)，矩形双层水冷铜管(12)底端与设置在高透磁冷坩埚(5)本体下部的水冷腔(11)相连通，水冷腔(11)安置在坩埚底座及其支架(6)上，水冷腔(11)底部设置水冷入水管道(14)与水冷出水管道(15)，坩埚底座及其支架(6)与真空磁悬浮熔炼炉(16)壁面连接固定，真空磁悬浮熔炼炉(16)底部中心设置升降结构(10)，上端固定可离心浇铸平台(8)，可离心浇铸平台(8)上方放置可加热石墨铸模(9)，可加热石墨铸模(9)外部设置石墨铸模外部感应线圈加热装置(7)，并与真空磁悬浮熔炼炉(16)壁面连接。 2.根据权利要求1所述的一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置，其中所述无缝高透磁冷坩埚(5)由高透磁性铜合金制备； 所述高透磁性铜合金各组分以质量百分比计分别为：Mn 51～52％，Si 0.3～0.5％，Ti0.8～1.2％，Al 0.8-1.2％，余量为无氧纯铜； 所述无缝高透磁冷坩埚(5)为一体式无缝坩埚。 3.根据权利要求2所述的一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置，其特征在于，所述无缝高透磁冷坩埚(5)的制备方法为，将原料Mn、Ti按比例混合后装入石墨坩埚中，再置于真空感应炉中，抽真空后，进行一次熔炼，然后按比例加入原料Si、Al、Cu进行二次熔炼，加热至高透磁性铜合金的原料全部熔化后，保温20-40min后进行三次熔炼，最终得到无气体、高密度成分夹杂的合金熔液；将合金熔液取出，采用一体式浇铸法，得到无缝高透磁冷坩埚(5)； 所述将原料混合后装入坩埚中的坩埚为石墨坩埚； 所述的高透磁性铜合金的组分质量纯度均大于99.9％； 所述无缝高透磁冷坩埚(5)为平底圆柱型坩埚，内径为125～135mm，外径为140～150mm，高为195～205mm，壁厚为6～10mm。 4.根据权利要求1-3任一项所述的一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置，其特征在于，所述的无缝高透磁冷坩埚(5)的外部设置磁感应线圈，具体为：将六匝环状磁感应线圈上下平行排列，分为上下两组，环绕在坩埚圆周外表面，形成坩埚外部上组线圈装置(Ⅰ)和坩埚外部下组线圈装置(Ⅱ)； 所述磁感应线圈坩埚外部上组线圈装置(Ⅰ)和坩埚外部下组线圈装置(Ⅱ)分别接入电源；磁感应线圈内径为155～165mm，外径为165～175mm，线圈宽度为25～28mm，线圈之间间距为5mm，两组线圈之间间距为8～12mm，顶层线圈距坩埚顶部距离8～10mm，底层线圈距坩埚底部距离8～10mm； 所述磁感应线圈电源频率为3000Hz～4500Hz，电流强度为1000A～3000A，功率为200～300kW。 5.根据权利要求1所述的一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置，其特征在于，所述水冷腔(11)，与水冷出水腔(11-1)、水冷入水腔(11-2)、矩形双层水冷铜管(12)、坩埚外绝缘布(13)、水冷入水管道(14)和水冷出水管道(15)构成水冷系统； 所述矩形双层水冷铜管(12)由水冷铜管和细铜管组成；所述水冷铜管均匀排列于坩埚外侧壁，顶部密封，铜管之间存在间隙；水冷铜管内部设置细铜管，且水冷铜管和细铜管不相接，细铜管顶端留有缝隙，细铜管内部为进水通道，水冷铜管和细铜管夹层为出水通道；冷却水置于圆柱体箱体中，横向设置隔板，上层为水冷出水腔(11-1)，下层为水冷进水腔(11-2)，水冷铜管外壁通过箱体上壁连接至水冷出水腔(11-1)，内部细铜管通过中间隔板连接至水冷出水腔(11-1)，箱体底壁连接两个水冷入水管道(14)以及两个水冷出水管道(15)；运行时冷却水在水压作用下由水冷进水腔(11-2)进入细铜管，从顶端缝隙进入铜管夹层，最终汇入水冷出水腔(11-1)，在工作期间强制冷却铜坩埚，带走熔体传递给铜坩埚的热量，避免铜坩埚温度过高或熔化。 6.根据权利要求1-5任一项所述的一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置，其特征在于，所述矩形双层水冷铜管13-1中的水冷铜管长为10～12mm，宽为8～10mm；所述的细铜管外径为6～8mm；水冷铜管数量为25～30个，均匀排列于无缝高透磁冷坩埚(5)外围；水冷铜管顶端距无缝高透磁冷坩埚(5)顶部为8～10mm，无缝高透磁冷坩埚(5)底部距水冷腔(11)顶部20～30mm；水冷腔(11)整体为底面直径152mm、高为100mm圆柱体，横向中分为上下两个腔室，底部设置的水冷入水管道(14)与水冷出水管道(15)，内径为25mm。 7.根据权利要求1所述的一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金装置，其特征在于，所述可加热石墨铸模(9)位于真空磁悬浮熔炼炉(16)腔体的下部腔室，固定放置于可离心浇铸平台(8)上，下接升降结构(10)，周围环绕串联线圈，外接电压65～75V直流电阻式加热电源；可加热石墨铸模(9)在单独空间中提前预热后，通过升降结构(10)上升至真空磁悬浮熔炼炉(16)腔室进行浇铸，并通过控温实现缓慢冷却定型； 所述连接是通过焊接以及其它机械手段将以上装置进行连接。 8.一种无缝高透磁冷坩埚悬浮熔炼TiAl合金的方法，采用权利要求1-7任一项所述装置实现，包含以下步骤： 步骤1.选材：将合金材料添加至无缝式高透磁冷坩埚(5)、二次加料分瓣仓装置(4)内； 步骤2.TiAl合金熔炼：对真空磁悬浮熔炼炉(16)进行抽真空及输入氩气操作，进行熔炼后得到TiAl合金熔液； 步骤3.浇铸成型：设置石墨铸模外部感应线圈加热装置(7)参数对可加热石墨铸模(9)进行预热，逐步降低石墨铸模外部感应线圈加热装置(7)电源功率，TiAl合金熔液缓慢冷却成型，最终得到满足要求的TiAl合金部件。