本发明专利技术涉及一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，该设备从上至下包括电极杆及其驱动机构、上炉室、真空闭锁阀、水冷结晶器、下炉室、拉锭杆及其驱动机构等，此外，本设备还需要配套直流电源系统和真空机组系统，但这两个系统不涉及本发明专利技术的保护范围。本设备的优点如下：1、下炉室设计了加热功能，可以实现结晶铸锭在真空下进行去应力退火，有效消除铸锭的热应力。2、降低真空电弧熔炼过程发生的坩埚击穿及爆炸风险。3、降低了坩埚的制造成本。4、坩埚许用直径的范围比较宽，单台设备可覆盖几公斤到上吨级的铸锭熔炼。5、本设备在熔炼过程中可进行多次装炉并连续拉锭，减少了电极焊接工序。
【技术实现步骤摘要】
一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置
：本专利技术是一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，属于金属材料真空熔炼
技术介绍
：钛及钛合金以其比重小、比强度高、抗腐蚀等优良的性能，近几十年已经被广泛应用于航天、航空、石油、化工、医疗、汽车制造、体育休闲等领域，被人们美誉为“太空金属”、“海洋金属”、“全能金属”。从国内外技术现状来看，钛及钛合金的熔炼主要依靠真空自耗电极电弧炉(VAR)设备完成，此外还有等离子冷床炉(PAM)、电子束熔炼炉(EB)、冷壁坩埚真空感应熔炼炉等金属熔炼设备可用于钛及钛合金的熔炼。与VAR设备相比，其它类设备的使用数量及其熔炼产能不足1％。VAR设备不仅用于钛及钛合金的熔炼，还适用于高温合金等特种金属材料的熔炼，以达到材料提纯和成分均匀化的目的。VAR设备具有技术成熟度高、使用和维护方便、生产效率高等优点，是国内外钛材生产企业的必选熔炼设备。但是，VAR设备也存在某些技术上的不足，主要包括：(1)金属铸锭在凝固冷却过程中存在很大的温度梯度，造成铸锭内部的热应力较强，对TiAl、TiAlNb等脆性金属材料而言，经常会出现铸锭内部裂纹或开裂；(2)熔炼过程的异常侧弧检测困难，而异常侧弧是引发设备爆炸的重要原因之一；(3)铜坩埚制造成本较高，在VAR设备的初期投产阶段，铜坩埚的制造成本占设备总投资的15％～30％，在后期使用过程中，坩埚的累计投入成本甚至会超过设备原值。
技术实现思路
：本专利技术正是针对现有VAR设备存在的不足而设计提供了一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其目的是在VAR设备的基础上，克服3个技术不足：(1)熔炼过程中的金属铸锭可以在下炉室完成真空去应力退火，显著消除铸锭的内部热应力，解决TiAl、TiAlNb等脆性金属材料的熔炼技术难点；(2)熔炼过程中熔池的位置基本固定，易于侧弧检测，可显著降低真空自耗熔炼的爆炸风险；(3)通过固定高度的短坩埚设计方案，可以显著降低坩埚制造成本方面的投入。此外，还具有其他一些优点，包括：炉内观察范围宽；坩埚最小直径无限制；单台设备可以覆盖的铸锭规格范围很宽；电极焊接工序减少等。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：该装置包括一个电极杆(1)，电极杆(1)从上炉室(3)的顶部中间穿过并伸入上炉室(3)内，电极杆(1)与上炉室(3)的顶部之间为动密封(17)接触形式，电极杆(1)在驱动机构的带动下可上下移动，上炉室(3)的底部连接到真空闭锁阀(4)的一端，真空闭锁阀(4)的另一端连接水冷结晶器(5)的上端，水冷结晶器(5)的下端与下炉室(6)的顶部连接，上述连接均通过法兰对接完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆(8)从下炉室(6)的底部中间穿过并伸入下炉室(6)内，下炉室(6)固定在一个钢结构的平台(9)上，拉锭杆(8)与下炉室(6)的底部之间为动密封(17)接触形式，拉锭杆(8)在驱动机构的带动下可上下移动，在拉锭杆(8)的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载冷却后金属铸锭的底垫(7)；上述水冷结晶器(5)为筒形结构，水冷结晶器(5)的内层是一个铜制的结晶坩埚(10)，结晶坩埚(10)是一个上下敞口的圆柱形空腔零件，腔体内部呈上口小、下口大的锥形，结晶坩埚(10)的高度为300～900mm，壁厚为15～35mm，结晶坩埚(10)的最大直径为200～1200mm，水冷结晶器(5)的外层是一个水套(11)，在结晶坩埚(10)和水套(11)之间设置有搅拌线圈(12)。下炉室(6)是一个圆柱形腔体结构，腔体外壳(15)和腔体内壳(16)是双层不锈钢结构，中间通冷却介质，腔体内表面上安装电阻加热体或感应加热线圈(18)。本专利技术技术方案的有益效果包括以下几点：1.下炉室设计了加热功能，确保钛合金铸锭结晶后处于恒温状态，有效消除钛合金铸锭的热应力，使整支钛合金铸锭可以在真空状态下完成去应力退火后出炉；2.水冷结晶器的内部安装了多点温度传感器，用于监测坩埚内的熔池工况，并及时检测出异常侧弧，从而显著降低自耗熔炼作业过程的爆炸风险；3.水冷结晶器的结晶坩埚高度通常不大于900mm，与传统的真空自耗电弧炉相比的制造成本可以显著降低；4.在熔炼过程中，熔池位于水冷结晶器(5)内，位置相对固定，易于观察，因此对于水冷结晶器的最小结晶坩埚(10)的直径几乎没有限制，单台设备可以覆盖更大范围的熔炼锭型；5.在一次拉锭过程中，可以进行多次装炉的接续式熔炼作业，显著减少了电极间的焊接工序。附图说明图1为本专利技术所述装置的结构示意图图2为本专利技术所述装置的水冷结晶器的结构示意图图3为本专利技术所述装置的下炉室的结构示意图图4为本专利技术所述装置实施例的ZHLD-1000真空自耗拉锭炉的整体结构图图5为本专利技术所述装置的实施例的ZHLD-1000真空自耗拉锭炉的立体结构示意图图6为本专利技术所述装置的工艺流程图，流程方向为从左至右图7为图6的工艺流程的延续图8为本专利技术所述装置的典型工艺参数说明图具体实施方式以下将结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述：参见附图1～3所示，该种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：该装置包括一个电极杆1，可以通水冷却。电极杆1从上炉室3的顶部中间穿过并伸入上炉室3内，电极杆1与上炉室3的顶部之间为动密封17接触形式，其有真空密封和电绝缘的双重功能。电极杆1在驱动机构的带动下可上下移动，驱动机构通常由伺服电机、减速器、丝杆等部件实现。电极杆1下端的气动卡头可以装夹辅助电极2，且连接直流电源的负极。上炉室3的底部连接到真空闭锁阀4的一端，真空闭锁阀4的另一端连接水冷结晶器5的上端，水冷结晶器5的下端与下炉室6的顶部连接，上述连接均通过法兰对接完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆8从下炉室6的底部中间穿过并伸入下炉室6内，下炉室6固定在一个钢结构的平台9上，下炉室6相当于一个立式的真空热处理炉，在熔炼作业过程中实现结晶铸锭的贮存和加热保温。在熔炼完成后，下炉室6中的金属铸锭可以受控缓慢冷却，达到消除热应力的目的。为实现下炉室6的温度控制功能，还需要配套相应的自动控温系统，该自控系统可使用市场成熟产品，不属于本专利技术的涉及范围。电阻加热体19的最高加热温度可按900～1100℃设计，精确度为±15℃。拉锭杆8与下炉室6的底部之间为动密封17接触形式，其有真空密封和电绝缘的双重功能。拉锭杆8在驱动机构的带动下可上下移动，且推动速度可控，拉锭杆8驱动机构可以采用液压伺服方式实现，也可采用伺服电机、减速器、丝杆等部件实现。此外，拉锭杆8应设计为可以通水冷却。在拉锭杆8的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载冷却后金属铸锭的底垫7，底垫7是一个圆饼状铜质部件，其直径与铜坩埚内径配合，底垫7上加工了燕尾形凹槽，在熔炼起弧阶段，液态金属流入凹槽，结晶之后，上方铸锭与底垫7通过燕尾形凹槽可靠连接，确保拉锭杆可以牵引铸锭向下移动。上述水冷结晶器5为筒形结构，水冷结晶器5的内层是一个铜制的结晶坩埚10，结晶坩埚10是一个上下敞口的圆柱形空腔零件，腔体内部呈上口小、下口大的锥形，结晶坩埚10的高度为300～900mm，壁厚为1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：该装置包括一个电极杆(1)，电极杆(1)从上炉室(3)的顶部中间穿过并伸入上炉室(3)内，电极杆(1)与上炉室(3)的顶部之间为动密封(17)接触形式，电极杆(1)在驱动机构的带动下可上下移动，上炉室(3)的底部连接到真空闭锁阀(4)的一端，真空闭锁阀(4)的另一端连接水冷结晶器(5)的上端，水冷结晶器(5)的下端与下炉室(6)的顶部连接，上述连接均通过法兰对接完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆(8)从下炉室(6)的底部中间穿过并伸入下炉室(6)内，下炉室(6)固定在一个钢结构的平台(9)上，拉锭杆(8)与下炉室(6)的底部之间为动密封(17)接触形式，拉锭杆(8)在驱动机构的带动下可上下移动，在拉锭杆(8)的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载冷却后金属铸锭的底垫(7)；上述水冷结晶器(5)为筒形结构，水冷结晶器(5)的内层是一个铜制的结晶坩埚(10)，结晶坩埚(10)是一个上下敞口的圆柱形空腔零件，腔体内部呈上口小、下口大的锥形，结晶坩埚(10)的高度为300～900mm，壁厚为15～35mm，结晶坩埚(10)的最大直径为200～1200mm，水冷结晶器(5)的外层是一个水套(11)，在结晶坩埚(10)和水套(11)之间设置有搅拌线圈(12)，在结晶坩埚(10)的外侧安装多点温度传感器(14)，两侧对称的上中下三点各安装一个温度传感器。...
【技术特征摘要】
1.一种熔炼金属材料的真空自耗电极电弧熔炼拉锭装置，其特征在于：该装置包括一个电极杆(1)，电极杆(1)从上炉室(3)的顶部中间穿过并伸入上炉室(3)内，电极杆(1)与上炉室(3)的顶部之间为动密封(17)接触形式，电极杆(1)在驱动机构的带动下可上下移动，上炉室(3)的底部连接到真空闭锁阀(4)的一端，真空闭锁阀(4)的另一端连接水冷结晶器(5)的上端，水冷结晶器(5)的下端与下炉室(6)的顶部连接，上述连接均通过法兰对接完成，连接法兰之间夹有密封橡胶圈以保证密封状态，拉锭杆(8)从下炉室(6)的底部中间穿过并伸入下炉室(6)内，下炉室(6)固定在一个钢结构的平台(9)上，拉锭杆(8)与下炉室(6)的底部之间为动密封(17)接触形式，拉锭杆(8)在驱动机构的带动下可上下移动，在拉锭杆(8)的顶部安装有用于起弧形成熔池并承载...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝孟一，王资璐，李臻熙，傅宇飞，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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