[发明专利]钛及钛合金短流程制备装置与方法

说明书

本发明属于钛合金制备装置领域，公开一种钛及钛合金短流程制备装置与方法，具体包括送料机构、熔炼室、结晶机构、辊轮输送机构、切断机构、自动翻转器、自动推送机构以及水平运输轨道，送料机构将原料连续输送至熔炼室内的水冷铜炉床上，通过等离子枪进行熔炼形成金属液体，金属液体溢出至结晶机构进行管材或者棒材的成型，然后通过辊轮输送机构输送经由切断机构切成设定值长度，定长的管材或者棒材落入到自动翻转器翻转后，经由自动推送机构将其推出至水平运输轨道上进行输出。本发明通过原料连续化设计、缩短制备工艺流程，实现海绵钛到棒材或管材的不同规格的快速成型，制备工艺连续化。

技术领域

本发明涉及金属材料制备及加工领域，具体涉及一种钛及钛合金短流程制备装置与方法。

背景技术

钛及钛合金因具有低密度、高比强度、耐高温、耐腐蚀、无磁、生物兼容等优异性能，在航空、航天、舰船等领域得到大量的应用，然而钛的高成本限制了钛及钛合金的应用范围，尤其在民用领域。目前工业钛合金中除了原材料的成本居高不下，钛及钛合金的真空熔炼及其加工占据总成本的60%也影响了钛合金的使用范围。为了降低钛合金成本，钛及钛合金相关研究人员从海绵钛的低成本制造技术、低成本钛合金研究等方面已开展了许多的研究工作。目前降低钛合金成本的途径有：通过改进原材料（海绵钛）的制备方式来降低原材料成本、采用廉价合金化元素、简化钛合金加工工艺、优化钛制品加工技术等各种方法。

工业制备中熔炼钛及钛合金的各种手段分为真空自耗电弧炉熔炼、电子束冷床炉熔炼、等离子束冷床炉熔炼等方式。现在这些技术都已相当成熟，但是他们仍存在相应的缺点，例如无法消除高、低密度夹杂物，熔炼适用范围窄，原料形式单一，后续加工工艺复杂，无法连续制备等。以真空自耗电弧炉熔炼为例，其需要将海绵钛与中间合金压制成电极棒后，将电极棒焊接起来后安装于设备上作为电极，通过电极与铜坩埚中熔池表面放电形成电弧，使电极熔化进入熔池，熔池中的钛液在铜坩埚中冷却凝固，直到电极全部熔化后形成钛锭。此熔炼过程原料需增加工艺流程处理，且制备连续性受到电极棒长度和铜坩埚体积的影响。

在连续制备工艺研究方面，日本住友金属工业公司钛专家使用钛切屑或钛切屑与合金元素（铝、铝-钒合金）在试验装置中实现了钛及钛合金的连续铸造，此试验装置使用真空充氩感应连续熔炼炉来熔炼钛合金得到铸造棒材，但没有实现海绵钛到棒材的快速成型；国内也有许多科研机构及单位对真空充氩感应连续熔炼棒材进行了相关的研究工作。西北有色院的杨英丽等提出了钛及钛合金棒线材短流程制备新技术得方案设想，但并没有开展相关实质性工作。以上提出的方法及设想仅局限于实现钛及钛合金棒线材的短流程制造，均为涉及钛及钛合金管材的短流程制造研究。

关于短流程的制备工艺和设备，现有技术的中国专利201510398496.7提出一种钛及钛合金制备的连铸技术和设备，在氩气保护或惰性气体气氛下，采用等离子枪作为热源，通过结晶器、等离子枪和下拉机构来实现钛及钛合金圆形、扁形铸锭的连续铸造，降低钛合金加工成本约15％以上。制备的钛及钛合金成分均匀、无偏析、无冶金质量问题。但从制备工艺和设备来看，其提出了短流程制备钛合金的设想，但在连续进料控制、结晶成型关键工艺上还尚不成熟，通过其原料输送机构难以实现真正连续制备的环境需要，并且倒梯形的结晶器不能实现制备不同的管材和棒材的需求。

另外，目前工业制备用于制备棒材的棒坯简明工艺流程为：海绵钛→制备电极→二次或三次真空熔炼→铸锭扒皮、切冒口→成品铸锭→加热→开坯锻造→加热→中间坯料锻造/挤压→棒材坯。制备用于制备管材的管坯简明工艺流程为：海绵钛→制备电极→二次或三次真空熔炼→铸锭扒皮、切冒口→成品铸锭→加热→开坯锻造→机械加工→斜轧穿孔/挤压→管材坯。以上工艺中棒材坯及管材坯前的工艺流程复杂繁琐，增加最后成品的成本。