工业冶炼钒铝合金的冶炼装置和方法与流程

1.本发明涉及钒合金生产装置技术领域，具体涉及工业冶炼钒铝合金的冶炼装置和方法。


背景技术：

2.钒铝合金是制备飞机骨架和发动机的钛合金ti-6al-4v和ti-8al-1mo-1v的主要中间合金，钛合金中的钒是以钒铝合金的形式加入，我国主要采用钒铝合金制备ti-6al-4v。钒铝合金与金属钛重熔制备含钒钛合金，其质量的优劣直接影响航空航天用钛合金的性能。
3.钒铝合金大部分采用片钒与铝粒自蔓延燃烧反应，冶炼采用刚玉干打结直筒炉，这种炉子降温缓慢，氧化氮化严重；冶炼采用石墨坩埚直筒炉，降温相对加快，氧化氮化在一定程度上减轻，但石墨坩埚冶炼3炉以后，拆炉操作变得很困难，石墨坩埚极易损坏，使生产成本增加。
4.国内工业合金的冶炼装置主要为刚玉干打结、镁砂湿打结、直筒石墨坩埚。专利申请cn 201520341731.2“一种铝合金制品冷却装置”该冷却装置可以排走有害烟雾和收集冷却时产生的废水。装置通过冷却水带走热量，操作简单，使用方便，适用于铝合金制品加工过程中的冷却。专利申请cn201510075546.8“钒铝合金及其制备方法”涉及一种钒铝合金的制备方法，包括以下步骤：以五氧化二钒和铝为原料，点火进行还原反应，即可制得钒铝合金；以整个内壁涂有电熔镁火泥的带孔的盖子的石墨坩埚作为冶炼炉。专利申请cn 201710561632.9“一种钒铝合金的制备方法”涉及一种钒铝合金的制备方法，提供了一种工艺简单、成本低廉、杂质易于控制且含量低的钒铝合金的制备方法，该方法包括以下步骤：取适当氧钒摩尔比的含钒氧化物和铝粉，置于反应炉内，经点火剂点火进行铝热还原反应，得到钒铝合金。专利申请cn 201810228430.7“一种钒铝合金的生产方法”提供了一种提高钒铝合金成品率和质量、降低钒铝合金杂质含量，并扩大其生产规模、降低成本的生产方法，包括：向带有钻孔盖子的石墨坩埚中加入首批五氧化二钒和铝，点火进行铝热还原反应，反应完全后，依次加入后续批次五氧化二钒和铝，分别进行铝热还原反应，直至五氧化二钒和铝全部加入并反应完全，渣金分离，得钒铝合金。专利申请cn 201911144319.0“一种钒铝合金的制备方法以及反应器”提供了一种钒铝合金的制备方法以及反应器，制备方法包括：1)将钒源、铝源和造渣剂混合，得到混合物料；2)对混合物料进行加热，得到反应产物；3)在抽真空或通入保护性气体的条件下，对反应产物进行冷却，得到所述钒铝合金。
5.从上述公开的技术看，目前钒铝合金一步法制备装置主要是直筒炉，将混配好的原料加入坩埚中，分批加入冶炼。冶炼结束冷却后，将合金与石墨坩埚分离的时候存在困难，石墨坩埚冶炼的炉次越多，拆炉越不方便。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服现有技术存在的钒铝合金冶炼结束后合金与石墨坩埚
分离困难、拆炉不方便、坩埚损耗严总、冶炼成本高、冶炼炉寿命短的问题，提供一种工业冶炼钒铝合金的冶炼装置和方法。
7.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种工业冶炼钒铝合金的冶炼装置，所述冶炼装置包括由下至上依次可拆卸连接的石墨坩埚底座、第一石墨坩埚和第二石墨坩埚；
8.所述石墨坩埚底座为凸型圆柱体结构；
9.所述第一石墨坩埚包括两个相同的空心半圆柱体，每个所述空心半圆柱体的两侧边具有台阶型咬合部，且两个所述半圆柱体通过其台阶型咬合部可首尾咬合拼接成一个空心圆柱体结构；
10.所述第二石墨坩埚为空心圆柱体结构。
11.优选地，一个侧边的台阶型咬合部具有内侧凹陷部和外侧凸起部，另一个侧边的台阶型咬合部具有内侧凸起部和外侧凹陷部。
12.优选地，所述石墨坩埚底座的顶面半径与所述第一石墨坩埚的内半径和所述第二石墨坩埚的内半径相同，且所述石墨坩埚底座的底面半径与所述第一石墨坩埚的外半径和所述第二石墨坩埚的外半径相同。
13.优选地，所述石墨坩埚底座的顶面半径为100-500mm；
14.优选地，石墨坩埚底座的顶面半径为150-400mm。
15.优选地，所述石墨坩埚底座的底面半径与所述石墨坩埚底座的顶面半径的差值为40-100mm。
16.优选地，所述第一石墨坩埚的高度与所述第二石墨坩埚的高度相同；
17.优选地，所述第一石墨坩埚的高度与所述石墨坩埚底座的顶面半径的比为1-8:1；
18.优选地，所述石墨坩埚底座的高度为40-100mm。
19.本发明第二方面提供一种工业冶炼钒铝合金的方法，所述方法采用上述工业冶炼钒铝合金的冶炼装置进行实施；
20.所述方法包括以下步骤：
21.(1)安装冶炼装置：将石墨坩埚底座置于冶炼平台上，然后在所述石墨坩埚底座上放置第一石墨坩埚并进行咬合，然后在所述第一石墨坩埚上放置第二石墨坩埚；
22.(2)将混合料倒入安装好的冶炼装置内，点火进行铝热反应；
23.(3)铝热反应结束后，将冶炼装置转移至冷却区，当冶炼装置的温度降至预设温度后，拆炉得到钒铝合金饼，然后进行破碎、打磨和挑选得到成品钒铝合金；
24.其中，所述混合料中含有五氧化二钒和铝粒。
25.优选地，混合料中五氧化二钒和铝粒的重量比为10:7.4-9.2。
26.本发明所述的工业冶炼钒铝合金的冶炼装置简洁易维护，具有冶炼效果好、拆炉方便的特点，装置符合工厂生产需求，简洁、操作便捷，能适应现有钒铝合金工艺，能够缩短冷却时间，提高产品合格率，减少拆炉破坏带来的损失，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
27.图1是工业冶炼钒铝合金的冶炼装置的示意图；
28.图2是石墨坩埚底座的示意图；
29.图3是第一石墨坩埚的示意图；
30.图4是第二石墨坩埚的示意图。
31.附图标记说明
32.1石墨坩埚底座
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2第一石墨坩埚
33.3第二石墨坩埚
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21第一空心半圆柱体
34.22第二空心半圆柱体
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
36.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
37.本发明一方面提供一种工业冶炼钒铝合金的冶炼装置，示意图如图1所示，其中，1a为主视图，1b为剖面图，所述冶炼装置包括由下至上依次可拆卸连接的石墨坩埚底座1、第一石墨坩埚2和第二石墨坩埚3；
38.所述石墨坩埚底座1为凸型圆柱体结构；
39.所述第一石墨坩埚2包括两个相同的空心半圆柱体，每个所述空心半圆柱体的两侧边具有台阶型咬合部，且两个所述半圆柱体通过其台阶型咬合部可首尾咬合拼接成一个空心圆柱体结构；
40.所述第二石墨坩埚3为空心圆柱体结构。
41.在本发明中，所述石墨坩埚底座1为凸型圆柱体结构，所述石墨坩埚底座1的示意图如图2所示，其中主视图如图2a所示，俯视图如图2b所示。所述凸型圆柱体结构由半径较大的圆柱体底部和半径较小的圆柱体凸起部组成。
42.在优选的实施方式中，所述石墨坩埚底座1的顶面半径(r1)为100-500mm；
43.在优选的实施方式中，所述石墨坩埚底座1的顶面半径为150-400mm。
44.进一步优选地，所述石墨坩埚底座1的底面半径(r2)与所述石墨坩埚底座1的顶面半径的差值为40-100mm。
45.在本发明中，所述第一石墨坩埚2的示意图如图3所示，其中，图3a为主视图，图3b为俯视图，所述第一石墨坩埚2包括第一空心半圆柱体21和第二空心半圆柱体22。
46.在本发明中，所述第一石墨坩埚2中包括两个相同的空心半圆柱体，由于两个所述空心半圆柱体的结构相同，在工业冶炼过程中，如果其中一个空心半圆柱体损坏，可以使用新的空心半圆柱体与未损坏的另一个空心半圆柱体组装使用，不需要将整个第一石墨坩埚更换，可以节约成本。
47.在优选的实施方式中，每个所述空心半圆柱体的一个侧边的台阶型咬合部具有内侧凹陷部和外侧凸起部，另一个侧边的台阶型咬合部具有内侧凸起部和外侧凹陷部。
48.在优选的实施方式中，所述内侧凹陷部、外侧凸起部、内侧凸起部和外侧凹陷部的凸起和凹陷的尺寸相同。进一步优选地，凸起部和凹陷部的长和宽与所述空心半圆柱体的厚度(d)相同，也就是与所述所述第一石墨坩埚2的外半径与内半径之差相同。
49.在具体的实施方式中，可以通过将所述第一空心半圆柱体21的外侧凸起部插入所述第二空心半圆柱体外侧凹陷部、将所述第二空心半圆柱体22的内侧凸起部插入所述第一空心半圆柱体21的内侧凹陷部、将所述第一空心半圆柱体21的内侧凸起部插入所述第二空心半圆柱体22的内侧凹陷部、将所述第二空心半圆柱体22的外侧凸起部插入所述第一空心半圆柱体21的的外侧凹陷部使得两个所述半圆柱体咬合拼接成一个空心圆柱体结构从而完成安装。由于本发明的两个空心半圆柱体是通过插入咬合的方式进行安装，相对于传统的简单拼接方式减少了缝隙，在保证方便拆炉的前提下还可以防止冶炼过程中物料的渗漏和损失。
50.在优选的实施方式中，在所述第一石墨坩埚2中，外侧凸起部和外侧凹陷部还连接有“耳朵”。进一步优选地，所述耳朵的长度为所述空心半圆柱体的厚度的两倍。
51.在优选的实施方式中，所述石墨坩埚底座1的顶面半径(r1)与所述第一石墨坩埚2的内半径(r3)和所述第二石墨坩埚3的内半径(r5)相同，且所述石墨坩埚底座1的底面半径(r2)与所述第一石墨坩埚2的外半径(r4)和所述第二石墨坩埚3的外半径(r6)相同。
52.在优选的实施方式中，所述第一石墨坩埚2的高度(h3)与所述第二石墨坩埚3的高度(h4)相同；
53.进一步优选地，所述第一石墨坩埚2的高度(h3)与所述石墨坩埚底座1的顶面半径的比为1-8:1。
54.优选地，所述石墨坩埚底座1的高度(h2)为40-100mm，其中，半径较大的圆柱体底部高度h1＝10-30mm。
55.在本发明中，所述第二石墨坩埚3的示意图如图4所示，其中图4a为主视图，图4b为俯视图。
56.在本发明中，所述工业冶炼钒铝合金的冶炼装置进行使用时，可由下至上依次进行安装。具体的，所述工业冶炼钒铝合金的冶炼装置的安装的具体过程为：在所述石墨坩埚底座1上放置第一石墨坩埚2，并将所述第一石墨坩埚2的两个相同的半圆柱体通过其台阶型咬合部首尾咬合拼接成一个空心圆柱体结构，然后在所述第一石墨坩埚2上放置第二石墨坩埚3。
57.本发明第二方面提供一种工业冶炼钒铝合金的方法，所述方法采用上述工业冶炼钒铝合金的冶炼装置进行实施；
58.所述方法包括以下步骤：
59.(1)安装冶炼装置：将石墨坩埚底座1置于冶炼平台上，然后在所述石墨坩埚底座1上放置第一石墨坩埚2并进行咬合，然后在所述第一石墨坩埚2上放置第二石墨坩埚3；
60.(2)将混合料倒入安装好的冶炼装置内，点火进行铝热反应；
61.(3)铝热反应结束后，将冶炼装置转移至冷却区，当冶炼装置的温度降至预设温度后，拆炉得到钒铝合金饼，然后进行破碎、打磨和挑选得到成品钒铝合金；
62.其中，所述混合料中含有五氧化二钒和铝粒。
63.在优选的实施方式中，混合料中五氧化二钒和铝粒的重量比为10:7.4-9.2。
64.在优选的实施方式中，所述预设温度为100-200℃。
65.本发明所述的工业冶炼钒铝合金的冶炼装置简洁易维护，具有冶炼效果好、拆炉方便的特点，装置符合工厂生产需求，简洁、操作便捷，能适应现有钒铝合金工艺，能够缩短
冷却时间，提高产品合格率，减少拆炉破坏带来的损失，具有显著的社会效益和经济效益。
66.以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
67.以下实施例使用如下工业冶炼钒铝合金的冶炼装置进行实施。其中，所述冶炼装置(如图1所示)包括由下至上依次可拆卸连接的石墨坩埚底座1、第一石墨坩埚2和第二石墨坩埚3；
68.所述石墨坩埚底座1为凸型圆柱体结构，示意图如图2所示，所述凸型圆柱体结构由半径较大的圆柱体底部和半径较小的圆柱体凸起部组成，所述石墨坩埚底座1的顶面半径(r1)为300mm，所述石墨坩埚底座1的底面半径(r2)为400mm，所述石墨坩埚底座的高度h2为100mm，半径较大的圆柱体底部高度h1为20mm；
69.所述第一石墨坩埚2,包括两个相同的空心半圆柱体，示意图如图3所示，所述第一石墨坩埚2的高度h3为600mm、内半径r3为300mm以及外半径r4为400mm，分别为第一空心半圆柱体21和第二空心半圆柱体22，每个所述空心半圆柱体的两侧边具有台阶型咬合部，每个所述空心半圆柱体的一个侧边的台阶型咬合部具有内侧凹陷部和外侧凸起部，另一个侧边的台阶型咬合部具有内侧凸起部和外侧凹陷部，所述内侧凹陷部、外侧凸起部、内侧凸起部和外侧凹陷部的凸起和凹陷的尺寸相同，且凸起部和凹陷部的长和宽与所述空心半圆柱体的厚度相同，且两个所述半圆柱体可以通过其台阶型咬合部的凸起部和凹陷部进行首尾咬合拼接成一个空心圆柱体结构；在所述第一石墨坩埚2中，外侧凸起部和外侧凹陷部还连接有“耳朵”，耳朵的长度为200mm；
70.所述第二石墨坩埚3为空心圆柱体结构，如图4所示，所述第二石墨坩埚3的内半径r5为300mm，所述第二石墨坩埚的外半径r6为400mm，所述第二石墨坩埚3的高度h4为600mm。
71.实施例1
72.使用上述装置制备钒铝合金alv55，具体过程包括以下步骤：
73.(1)安装冶炼装置：将石墨坩埚底座1置于冶炼平台上，然后在所述石墨坩埚底座1上放置第一石墨坩埚2，并将所述第一空心半圆柱体21的外侧凸起部插入所述第二空心半圆柱体外侧凹陷部、将所述第二空心半圆柱体22的内侧凸起部插入所述第一空心半圆柱体21的内侧凹陷部、将所述第一空心半圆柱体21的内侧凸起部插入所述第二空心半圆柱体22的内侧凹陷部、将所述第二空心半圆柱体22的外侧凸起部插入所述第一空心半圆柱体21的的外侧凹陷部使得两个所述半圆柱体咬合拼接成一个空心圆柱体结构从而完成安装，然后在所述第一石墨坩埚2上放置第二石墨坩埚3；
74.(2)将五氧化二钒与铝粒按照重量比为10:9混合均匀，然后倒入安装好的冶炼装置内，点火进行铝热反应；
75.(3)铝热反应结束后，将冶炼装置转移至冷却区，当冶炼装置的温度降至150℃后，拆炉得到钒铝合金饼，然后进行破碎、打磨和挑选得到成品钒铝合金。
76.使用上述方式进行冶炼，冷却后得到的钒铝合金，alv55合金合格率为55.7％，并且冶炼过程中拆炉顺利。按照上述方式进行多次冶炼，其中，第三次冶炼后所述第一石墨坩埚2的内壁逐渐被腐蚀，所述第一石墨坩埚2使用20次后由于合金渗碳增加而弃用，但是多次冶炼过程中都能顺利拆炉。
77.实施例2
78.使用上述装置制备钒铝合金alv55，具体过程包括以下步骤：
79.(1)安装冶炼装置：将石墨坩埚底座1置于冶炼平台上，然后在所述石墨坩埚底座1上放置第一石墨坩埚2，并将所述第一空心半圆柱体21的外侧凸起部插入所述第二空心半圆柱体外侧凹陷部、将所述第二空心半圆柱体22的内侧凸起部插入所述第一空心半圆柱体21的内侧凹陷部、将所述第一空心半圆柱体21的内侧凸起部插入所述第二空心半圆柱体22的内侧凹陷部、将所述第二空心半圆柱体22的外侧凸起部插入所述第一空心半圆柱体21的的外侧凹陷部使得两个所述半圆柱体咬合拼接成一个空心圆柱体结构从而完成安装，然后在所述第一石墨坩埚2上放置第二石墨坩埚3；
80.(2)将五氧化二钒与铝粒按照重量比为10:8.8混合均匀，然后倒入安装好的冶炼装置内，点火进行铝热反应；
81.(3)铝热反应结束后，将冶炼装置转移至冷却区，当冶炼装置的温度降至130℃后，拆炉得到钒铝合金饼，然后进行破碎、打磨和挑选得到成品钒铝合金。
82.使用上述方式进行冶炼，冷却后得到的钒铝合金，alv55合金合格率为56.1％，并且冶炼过程中拆炉顺利。按照上述方式进行多次冶炼，其中，第五次冶炼后所述第一石墨坩埚2的内壁逐渐被腐蚀，所述第一石墨坩埚2使用22次后由于合金渗碳增加而弃用，但是多次冶炼过程中都能顺利拆炉。
83.实施例3
84.使用上述装置制备钒铝合金alv55，具体过程包括以下步骤：
85.(1)安装冶炼装置：将石墨坩埚底座1置于冶炼平台上，然后在所述石墨坩埚底座1上放置第一石墨坩埚2，并将所述第一空心半圆柱体21的外侧凸起部插入所述第二空心半圆柱体外侧凹陷部、将所述第二空心半圆柱体22的内侧凸起部插入所述第一空心半圆柱体21的内侧凹陷部、将所述第一空心半圆柱体21的内侧凸起部插入所述第二空心半圆柱体22的内侧凹陷部、将所述第二空心半圆柱体22的外侧凸起部插入所述第一空心半圆柱体21的的外侧凹陷部使得两个所述半圆柱体咬合拼接成一个空心圆柱体结构从而完成安装，然后在所述第一石墨坩埚2上放置第二石墨坩埚3；
86.(2)将五氧化二钒与铝粒按照重量比为10:9.2混合均匀，然后倒入安装好的冶炼装置内，点火进行铝热反应；
87.(3)铝热反应结束后，将冶炼装置转移至冷却区，当冶炼装置的温度降至140℃后，拆炉得到钒铝合金饼，然后进行破碎、打磨和挑选得到成品钒铝合金。
88.使用上述方式进行冶炼，冷却后得到的钒铝合金，alv55合金合格率为55.6％，并且冶炼过程中拆炉顺利。按照上述方式进行多次冶炼，其中，第四次冶炼后所述第一石墨坩埚2的内壁逐渐被腐蚀，所述第一石墨坩埚2使用30次后由于合金渗碳增加而弃用，但是多次冶炼过程中都能顺利拆炉。
89.对比例1
90.采用与实施例1相同的原料在相同的条件下进行冶炼，与之不同的是，使用的冶炼装置中不含第一石墨坩埚，并且第二石墨坩埚直接与石墨坩埚底座连接。
91.使用上述方式进行冶炼，冷却后得到的钒铝合金，alv55合金合格率为55.8％，并且冶炼过后正常拆炉。按照上述方式进行多次冶炼，其中，第三次冶炼后第二石墨坩埚的内壁逐渐被腐蚀并出现拆炉困难，所述第二石墨坩埚使用第5次，由于拆炉而机械损坏。
92.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技
术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。