一种通过调节电子束冷床炉真空度控制Al元素挥发的方法技术

本发明专利技术提供一种通过调节电子束冷床炉真空度控制Al元素挥发的方法，在现有常规的电子束冷床炉上增设伺服电机、变频器、控制器及真空度检测装置，在控制器上设定真空度允许范围、粗调步长值V、精调步长值v及时间t；采用电源变频器和真空度实时反馈来实现真空泵驱动电机转速的实时控制，以实现维持炉内真空度稳定，进而实现Al元素挥发率稳定的目的。本发明专利技术能稳定钛合金熔炼时Al元素的挥发速率，提高钛合金铸锭中低熔点金属特别是Al元素的成分均匀性，获得钛合金产品成分偏析小，组织均匀，性能稳定性高。本发明专利技术能减小钛合金熔炼时Al元素的挥发量，减小了金属损耗及能耗。

【技术实现步骤摘要】
一种通过调节电子束冷床炉真空度控制Al元素挥发的方法
本专利技术属于钛合金熔炼工艺方法
，具体涉及一种通过调节电子束冷床炉真空度控制Al元素挥发的方法。
技术介绍
钛及钛合金是一种高化学活性的金属，在液态时极易和氧、氮、氢、碳反应生成脆性物质，因此钛合金熔炼必须在较高的真空度或惰性气体保护下进行。采用传统的真空自耗电弧炉(VAR)熔炼的钛合金锭常常会出现合金元素的偏析，氧化物夹杂和杂质，以及疏松缩孔等冶金缺陷，需要多次熔炼才能获得成分合格的铸锭，而且对回收料利用率极低，要获得板坯还需进行开坯锻造并切边处理，成材率相对较低，生产成本过高大大限制了钛合金的推广应用。电子束冷床熔炼技术(EB炉)真空度高，可较好解决钛及钛合金熔炼时容易存在高密度夹杂及低密度夹杂等问题，在熔炼中无需压制和焊接电极，对残料的利用率极高，并且经过一次熔炼就能得到成分均匀、组织合格的扁锭，大大降低了钛合金的生产成本，因此EB炉被广泛应用于高洁净钛及钛合金的熔炼生产。EB炉熔炼室真空度远高于VAR炉，采用EB炉熔炼钛合金时，在较高的真空度下，常用的合金化元素Al因其熔点较低及饱和蒸气压远高于钛而极容易挥发，Al元素的挥发造成获得的钛合金锭Al元素含量达不到名义成分含量。尽管可以采用对Al元素过量投料的方法来补偿Al元素在EB炉熔炼过程中的挥发，但Al元素的挥发率往往是不稳定的，这种不稳定挥发造成获得的钛合金锭Al元素含量的不均匀性，这对钛合金锭的后续加工及终产品性能造成了极大的影响。因此，Al元素的挥发控制是EB炉熔炼钛合金的核心问题。EB炉熔炼钛合金过程中影响Al元素的挥发的主要元素为熔炼温度、熔炼速度、拉锭速度、熔炼功率及熔炼室真空度等，本专利技术提出从控制熔炼室真空度的角度来实现铝元素的稳定挥发。EB炉熔炼钛合金现有工艺中，熔炼前用固定转速电机驱动真空泵对熔炼室抽真空，当真空度达到电子枪启枪条件时启动电子枪进行预热及熔炼。整个熔炼过程中真空泵持续工作对真空室抽真空，在EB炉密封条件稳定的状态下熔炼室真空度随着熔炼进行逐渐增高，而在密封条件不稳定的条件下，熔炼室真空度则会波动。在熔炼含有Al元素的钛合金时，熔炼室真空度的持续减小或者波动会造成Al元素挥发率的波动，最终造成钛合金铸锭化学成分中Al元素的波动。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种通过调节电子束冷床炉真空度控制Al元素挥发的方法，以维持EB炉熔炼室真空度稳定的手段来实现钛合金铸锭化学成分中Al元素的稳定，达到减小成分偏析和保证产品性能的目的。本专利技术通过以下技术方案实现：一种通过调节电子束冷床炉真空度控制Al元素挥发的方法，包括下列步骤：(1)在现有常规的电子束冷床炉(EB炉)上增设伺服电机、变频器、控制器及真空度检测装置，其中，所述伺服电机与电子束冷床炉的真空泵相连，伺服电机还依次与变频器和控制器相连，控制器还与真空度检测装置相连；(2)在熔炼含有Al元素的钛合金时，先将混合均匀的原料放入进料器，然后将电子束冷床炉密封，根据熔炼工艺要求在控制器上设定真空度允许范围后启动真空度检测装置，此时测得炉内真空度远低于设定值，伺服电机以最大转速工作，驱动真空泵以最大抽空速率对炉内空间抽真空，当炉内真空度达到启动电子枪的要求时，启动电子枪预热原料并按照常规电子束冷床炉熔炼工艺开始熔炼；在控制器上设定粗调步长值V、精调步长值v及时间t；在正常熔炼及漏气率稳定的条件下，炉内真空度随着熔炼时间延长而不断提高；当炉内真空度高于允许范围时，控制器调节变频器将伺服电机转速降低到最大转速的V％，以降低真空泵抽空速率，一定时间t之后，控制器根据当时的炉内真空度对伺服电机转速再次进行调节，当炉内真空度高于允许范围的上限时继续减小伺服电机转速v％，当熔炼室真空度低于允许范围的下限时，增大伺服电机转速v％，当熔炼室真空度在设定范围之内时伺服电机转速保持不变。其中，V值的设定范围为50～10；v值的设定范围为10～1；t值的设定范围为10～60min。所述步骤(1)的伺服电机、变频器、控制器及真空度检测装置均为常规市购产品。如，真空度检测装置可采用上海云捷真空仪器有限公司的型号为DZA1数显式电阻真空计；控制器可采用深圳市英威腾电气股份有限公司的型号为VS-043FE人机接口(HMI)。伺服电机为驱动真空泵的电机，其作用是使真空泵的抽空速率可调；变频器为交流电源变频器，其作用是为了让真空泵的转速可调；真空度检测装置的作用为实时检测熔EB炉内的真空度并将检测数据实时传输给控制器；控制器的作用为协调控制整个系统工作，以实现EB炉内真空度动态维持在熔炼工艺设定的范围内。所述步骤(1)的真空度检测装置设置于由电子束冷床炉的炉内熔炼室引出且与熔炼室连通的管道上。所述步骤(2)的真空度允许范围是1.0～5.0×10-3hPa，若太低(＞5.0×10-3hPa)，电子枪不能启动；若太高(＜1.0×10-3hPa)，合金元素挥发量过大，以实现维持真空度的稳定。所述步骤(2)粗调步长值V、精调步长值v及时间t根据Al元素的投料比例及熔炼出的钛合金锭的Al元素含量进行预设：所述步骤(2)的控制器上还设置允许最大泄露速率P，泄露速率Q则通过下列公式计算得到，：Q＝压升率R×密闭空间容积M压升率R＝压强变化值Δp/Δt。如：测量时间10min＝600s测量前密闭空间压力：2.488×10-1hpa测量后密闭空间压力：5.521×10-1hpa测量前后压力差：＝5.521×10-1hpa-2.488×10-1hpa＝3.033×10-1hpa＝30.33pa压升率R＝30.33pa/600s＝0.05055pa/s密闭空间容积M＝熔炼室容积+管道容积＝35m3+15m3＝50m3泄露速率Q＝升压率R×密闭空间容积M＝0.05055pa/s×50m3＝2.5275pa.m3/s。由此，对于确定的设备(EB炉)，密闭空间容积为定量，控制器通过真空度检测装置传输的检测数据，经过上述计算便可获得泄露速率Q的数值。本专利技术具备的优点及效果：本专利技术通过增加一套稳定炉内熔炼室真空度的控制系统，采用电源变频器和真空度实时反馈来实现真空泵驱动电机转速的实时控制，以实现维持炉内真空度稳定，进而实现Al元素挥发率稳定的目的。更进一步地，当EB炉漏气率增加或其它原因造成炉内真空度急速降低时(当熔炼室真空度降低速率≥允许最大泄露速率P时可判定为炉内真空度急速降低)，控制器调节电源变频器使真空泵伺服电机以最大转速工作，也能达到维持炉内真空度稳定的目的。本专利技术能稳定钛合金熔炼时Al元素的挥发速率，提高钛合金铸锭中低熔点金属特别是Al元素的成分均匀性，获得钛合金产品成分偏析小，组织均匀，性能稳定性高。本专利技术能减小钛合金熔炼时Al元素的挥发量，减小了金属损耗及能耗。常规熔炼时，Al元素的挥发率波动一般为20％左右，波动较大，运用本专利技术方法进行熔炼时，Al元素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过调节电子束冷床炉真空度控制Al元素挥发的方法，其特征在于：包括下列步骤：/n（1）在电子束冷床炉上设置伺服电机、变频器、控制器及真空度检测装置，其中，所述伺服电机与电子束冷床炉的真空泵相连，伺服电机还依次与变频器和控制器相连，控制器还与真空度检测装置相连；/n（2）在熔炼含有Al元素的钛合金时，先将混合均匀的原料放入进料器，然后将电子束冷床炉密封，根据熔炼工艺要求在控制器上设定真空度允许范围后启动真空度检测装置，此时测得炉内真空度远低于设定值，伺服电机以最大转速工作，驱动真空泵以最大抽空速率对炉内空间抽真空，当炉内真空度达到启动电子枪的要求时，启动电子枪预热原料并按照常规电子束冷床炉熔炼工艺开始熔炼；/n在控制器上设定粗调步长值V、精调步长值v及时间t；/n在正常熔炼及漏气率稳定的条件下，炉内真空度随着熔炼时间延长而不断提高；当炉内真空度高于允许范围时，控制器调节变频器将伺服电机转速降低到最大转速的V%，以降低真空泵抽空速率，一定时间t之后，控制器根据当时的炉内真空度对伺服电机转速再次进行调节，当炉内真空度高于允许范围的上限时继续减小伺服电机转速v%，当熔炼室真空度低于允许范围的下限时，增大伺服电机转速v%，当熔炼室真空度在设定范围之内时伺服电机转速保持不变。/n其中，V值的设定范围为50～10；/nv值的设定范围为10～1；/nt值的设定范围为10～60min。/n...

【技术特征摘要】
1.一种通过调节电子束冷床炉真空度控制Al元素挥发的方法，其特征在于：包括下列步骤：
（1）在电子束冷床炉上设置伺服电机、变频器、控制器及真空度检测装置，其中，所述伺服电机与电子束冷床炉的真空泵相连，伺服电机还依次与变频器和控制器相连，控制器还与真空度检测装置相连；
（2）在熔炼含有Al元素的钛合金时，先将混合均匀的原料放入进料器，然后将电子束冷床炉密封，根据熔炼工艺要求在控制器上设定真空度允许范围后启动真空度检测装置，此时测得炉内真空度远低于设定值，伺服电机以最大转速工作，驱动真空泵以最大抽空速率对炉内空间抽真空，当炉内真空度达到启动电子枪的要求时，启动电子枪预热原料并按照常规电子束冷床炉熔炼工艺开始熔炼；
在控制器上设定粗调步长值V、精调步长值v及时间t；
在正常熔炼及漏气率稳定的条件下，炉内真空度随着熔炼时间延长而不断提高；当炉内真空度高于允许范围时，控制器调节变频器将伺服电机转速降低到最大转速的V%，以降低真空泵抽空速率，一定时间t之后，控制器根据当时的炉内真空度对伺服电机转速再次进行调节，当炉内真空度高于允许范围的上限时继续减小伺服电机转速v%，当熔炼室真空度低于允许范围的下限时，增大伺服电机转速v%，当熔炼室真空度在设定范围之内时伺服电机转速保持不变。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓锋，黄海广，黄茂捷，梅林华，黄晓慧，张浩泽，
申请(专利权)人：云南钛业股份有限公司，
类型：发明
国别省市：云南;53