[发明专利]一种具有下拉引管功能的悬浮熔炼设备及管坯制备方法

说明书

本发明公开了一种具有下拉引管功能的悬浮熔炼设备及管坯制备方法，设计了由熔炼区和凝固区组成的坩埚结构，配备了由主结晶器和管头结晶器相配合的拉管机构，利用这套装置能够从水冷铜坩埚的下口顺利地拉引出管坯：利用装置的结构和动作，首先在管头结晶器中形成管头法兰，接着，主结晶器升高到坩埚凝固区，使主结晶器与凝固区间隙的熔池凝固形成管壁，管壁的下端与管头法兰结合，上端与熔池的液体相接，然后管头结晶器抓住管头法兰并带动管壁向下移动，熔池则补入凝固区使管壁生长延长。拉制的管坯，内截面的形状和尺寸由主结晶器的截面决定，外截面与坩埚凝固区的内截面相同，管坯的长度则取决于加入坩埚中的物料的数量。

技术领域

本发明涉及金属和合金的熔炼和铸造领域，特别涉及一种具有下拉引管功能的悬浮熔炼设备及管坯制备方法。

背景技术

真空电磁悬浮熔炼技术(以下简称“悬浮熔炼”)是一种先进的材料制备技术，这种技术避免了坩埚材料对熔池的污染，排除了坩埚材料对熔炼温度的限制，所以，特别适合于熔炼活泼金属和合金，难熔金属和合金，以及高纯和超纯金属和合金。

高科技市场对这些高端材料提出了制作管材的需求，例如对磁控溅射管靶的需求，每一支管靶的价格可达数万元。用斜轧机轧管，用穿管机穿管是制作管材的传统方法，但是，高端管材的生产批量不能满足这些热加工工艺的要求，而且许多高端材料的热塑性差，不能用热加工的方法制作。所以，这样的高端管材应该采用在悬浮熔炼之后铸管的方法制作。可是，用普通的重力铸造技术制备管坯几乎无法实现，原因在于，采用重力铸造技术铸管时需要在模具中装设芯棒，注入模具的液态金属的凝固过程从熔点温度冷却，而芯棒从较低温度冷却，其径向收缩量比被铸造的材料要小的多，所以，在降温过程中芯棒对管坯的收缩会产生巨大的抗力，致使几乎所有重力铸造的管坯都要发生整体性的纵向开裂，无法获得完整的管坯。此外，与重力铸造制备的锭坯会产生缩孔，孔隙，疏松，裂纹等缺欠相似，重力铸造的管坯也会出现这些冶金缺陷。

发明内容

本发明的目的是，克服用重力铸造技术无法避免的管坯整体纵向开裂的问题，排除重力铸造的产品中普遍存在的缩孔，孔隙，疏松，裂纹等冶金缺欠。更加重要的是，本发明针对的是高端材料，是在悬浮熔炼设备中发展的技术，要求在拉制管坯的全部过程中，包括熔炼，凝固和冷却过程都不使用陶瓷，石英，石墨等坩埚材料和模具材料，排除这些材料对制管金属产生的污染，排除这些材料对熔炼和制管温度形成的限制。本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明采用一种具有下拉引管功能的悬浮熔炼设备，包括真空炉体，以及安装在真空炉体内的熔炼装置和拉管装置；

熔炼装置包括水冷铜坩埚和感应圈，感应圈围绕水冷铜坩埚；

其中，在水冷铜坩埚内形成有熔炼区，且熔炼区的位置与感应圈的位置对应，熔炼区的下方形成有凝固区；

拉管装置包括主结晶器、主结晶器升降机、管头结晶器和制管拉引机，其中：

主结晶器，位于凝固区，且外径小于凝固区的内径；主结晶器位于管头结晶器的底板环的内孔中，主结晶器的上端面与底板环的内孔的上端面对齐或略高，低于水冷铜坩埚的底面；主结晶器位于管头结晶器内的部分与其周围的管头结晶器的内壁之间形成初始空腔；

主结晶器升降机，包括第一拉杆和第一驱动器，第一拉杆安装在主结晶器的底面上，第一拉杆向下通过真空密封伸到真空炉体的下面，且与第一驱动器连接；

管头结晶器，位于水冷铜坩埚的底部，包括上下布置的主体环和底板环，所述主体环包括位于上段为管径段和位于下段的法兰段，管径段内孔的截面的形状和尺寸与凝固区的截面的形状和尺寸相同，法兰段内孔大于管径段的内孔，底板环开设有内孔，内孔的形状和尺寸与主结晶器匹配；

制管拉引机，包括拉引台、第二拉杆和第二驱动器，拉引台安装在底板环的下端面，第二拉杆安装在拉引台的底面上，第二拉杆向下通过真空密封伸到真空炉体的下面，与第二驱动器连接。