具有錐形爐床的澆鑄系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)大致涉及用于澆鑄熔融材料的系統(tǒng)、方法、工具、技術(shù)和策略。
[0002]發(fā)明背景
[0003]例如，鈦合金和某些其它高性能合金的某些鑄錠的澆鑄鑒于在生產(chǎn)期間存在的極端條件和合金中包括的材料的性質(zhì)可能是昂貴的且在程序上是困難的。例如，在許多目前可購(gòu)得的冷床澆鑄系統(tǒng)中，諸如在惰性氣氛中的等離子弧熔融和在真空熔融室內(nèi)的電子束熔融，澆鑄系統(tǒng)可用于熔融及混合各種再利用廢料、母合金和各種其它起始材料來(lái)生產(chǎn)所要的合金。澆鑄系統(tǒng)利用可含有高密度和/或低密度夾雜物的起始材料，其接著可能導(dǎo)致較低質(zhì)量和可能無(wú)法使用的熱或鑄錠。被視為無(wú)法使用的澆鑄材料通?？扇廴诓⑶以偈褂?，但是這種材料通常將被視為較低質(zhì)量且在市場(chǎng)上的價(jià)格較低。在澆鑄操作期間，生產(chǎn)商通常期望在將熔融材料引導(dǎo)至鑄模前將夾雜物從熔融材料中移除。
[0004]為了蒸發(fā)、溶解或熔融熔融材料中的夾雜物，澆鑄系統(tǒng)中的能量源(例如，電子束槍或等離子炬)可施加能量至澆鑄系統(tǒng)的爐床中的熔融材料的表面。能量源產(chǎn)生的能量可足以蒸發(fā)或熔融夾雜物。但是，在澆鑄操作期間，動(dòng)態(tài)流徑可出現(xiàn)在澆鑄系統(tǒng)的爐床中，且動(dòng)態(tài)程度較低的區(qū)域(即滯留區(qū)或滯留池)可鄰近、圍繞和/或靠近動(dòng)態(tài)流徑形成。在未充分混合的情況下，熔融材料可靜置在滯留區(qū)中且因此保留在爐床中達(dá)比熔融材料沿著動(dòng)態(tài)流徑流動(dòng)長(zhǎng)的時(shí)間段。換句話(huà)說(shuō)，熔融材料在爐床中的駐留時(shí)間可依據(jù)熔融材料是沿著動(dòng)態(tài)流徑流動(dòng)或靜置在滯留區(qū)中且因此熔融材料在爐床中的駐留時(shí)間可能不一致。此外，滯留區(qū)中的熔融材料可遭受由能量源產(chǎn)生的能量達(dá)比熔融材料在動(dòng)態(tài)流徑中長(zhǎng)的時(shí)間段。因此，在爐床中具有較長(zhǎng)駐留時(shí)間的熔融材料(即，靜置在滯留區(qū)中的熔融材料)的元素消耗可比在爐床中具有較短駐留時(shí)間的熔融材料(即，沿著動(dòng)態(tài)流徑流動(dòng)的熔融材料)的元素消耗大。當(dāng)爐床中的熔融材料內(nèi)具有不同的化學(xué)組成時(shí)，所得澆鑄合金可具有組成變化。
[0005]此外，在利用從單個(gè)爐床延伸的多個(gè)鑄模的澆鑄系統(tǒng)中，滯留區(qū)的形成可將預(yù)期熔融材料流轉(zhuǎn)向和/或改變至鑄模中。換句話(huà)說(shuō)，澆鑄速率可能在澆鑄系統(tǒng)的鑄模之間變化。
[0006]因此，將有利地提供一種澆鑄系統(tǒng)，其較不易受其爐床中滯留區(qū)的形成的影響。此夕卜，將有利地提供一種澆鑄系統(tǒng)，其產(chǎn)生組成更均勻的鑄造合金。此外，將有利地提供一種澆鑄系統(tǒng)，其促進(jìn)跨多個(gè)鑄模的相同或類(lèi)似澆鑄速率。更一般地，將有利地提供一種改進(jìn)的澆鑄系統(tǒng)，其可用于鈦、其它高性能合金以及一般的金屬和金屬合金。
發(fā)明概要
[0007]本公開(kāi)的一個(gè)方面涉及澆鑄系統(tǒng)的非限制性實(shí)施方案，其可包括爐床和多個(gè)模具。爐床可包括界定進(jìn)口橫截面積的進(jìn)口和多個(gè)出口，其中每個(gè)出口界定出口橫截面積。爐床還可包括進(jìn)口與多個(gè)出口之間的腔，其中腔從進(jìn)口朝向多個(gè)出口漸變。模具可與爐床的每個(gè)出口對(duì)準(zhǔn)。
[0008]本公開(kāi)的另一個(gè)方面涉及結(jié)合澆鑄系統(tǒng)使用的爐床的非限制性實(shí)施方案，其中爐床可包括腔，所述腔包括第一端部和第二端部，其中腔在第一端部與第二端部之間變窄。爐床可進(jìn)一步包括第一端部上的進(jìn)口，其中進(jìn)口界定進(jìn)口容量。爐床還可包括第二端部上的出口，其中出口界定出口容量。
[0009]本公開(kāi)的另一個(gè)方面涉及結(jié)合澆鑄系統(tǒng)使用的爐床的非限制性實(shí)施方案，其中爐床可包括用于運(yùn)載熔融材料的運(yùn)載構(gòu)件。運(yùn)載構(gòu)件可包括用于接收熔融材料的接收構(gòu)件，其中接收構(gòu)件包括接收容量。此外，運(yùn)載構(gòu)件可包括用于遞送熔融材料的遞送構(gòu)件，其中遞送構(gòu)件包括遞送容量，且其中遞送容量大體上等于接收容量。爐床還可包括在接收構(gòu)件與遞送構(gòu)件之間收窄運(yùn)載構(gòu)件的收窄構(gòu)件。
[0010]本公開(kāi)的又一個(gè)方面涉及澆鑄系統(tǒng)的非限制性實(shí)施方案，其可包括:爐床，其被結(jié)構(gòu)化來(lái)接收材料；和能量源，其被結(jié)構(gòu)化來(lái)給爐床中的材料施加能量，其中材料的一部分可在爐床中形成材料殼體。材料殼體可包括界定進(jìn)口橫截面積的進(jìn)口、界定出口橫截面積的出口和進(jìn)口與出口之間的腔，其中腔從進(jìn)口朝向出口漸變。
[0011]本公開(kāi)的另一個(gè)方面涉及用于澆鑄材料的方法的非限制性實(shí)施方案。方法可包括使熔融材料穿過(guò)爐床的進(jìn)口，其中進(jìn)口包括進(jìn)口容量；使熔融材料穿過(guò)爐床的錐形腔；使熔融材料穿過(guò)爐床的多個(gè)出口，其中每個(gè)出口包括出口容量，且其中出口容量的總和大體上匹配進(jìn)口容量；及使熔融材料進(jìn)入多個(gè)模具。
[0012]本公開(kāi)的又一個(gè)方面涉及用于澆鑄材料的方法的非限制性實(shí)施方案。方法可包括使熔融材料通過(guò)進(jìn)口進(jìn)入爐床；選擇性地施加能量至爐床中的熔融材料以在爐床中形成材料殼體，其中材料殼體界定腔；使熔融材料穿過(guò)爐床的出口，其中腔從進(jìn)口至出口漸變；及使熔融材料進(jìn)入模具。
[0013]附圖簡(jiǎn)述
[0014]可參考附圖更好地了解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0015]圖1是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的澆鑄系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖2是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的圖1所示的澆鑄系統(tǒng)的示意圖，其中澆鑄室的壁已移離澆鑄室以暴露澆鑄室的內(nèi)部；
[0017]圖3是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的爐床和并列模具的透視圖；
[0018]圖4是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的爐床的透視圖；
[0019]圖5是圖4的爐床的平面圖；
[0020]圖6是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的爐床的透視圖；
[0021]圖7是圖6的爐床的平面圖；
[0022]圖8是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的爐床的透視圖；
[0023]圖9是圖8的爐床的平面圖；
[0024]圖10是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的具有定位其中的材料的爐床的透視圖；
[0025]圖11是圖10的爐床的正視圖；
[0026]圖12是沿著圖11中所示的平面取得的圖10的爐床的平面橫截面圖；
[0027]圖13是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的具有定位其中的材料的爐床的透視圖；
[0028]圖14是圖13的爐床和材料的正視圖；
[0029]圖15是沿著圖14中所示的平面取得的圖13的爐床和材料的平面圖；
[0030]圖16是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的具有定位其中的材料的爐床的透視圖；
[0031]圖17是圖16的爐床和材料的正視圖；
[0032]圖18是沿著圖17中所示的平面取得的圖16的爐床和材料的平面圖；
[0033]圖19是根據(jù)本公開(kāi)的至少一個(gè)非限制性實(shí)施方案的具有定位其中的材料的爐床的透視圖；
[0034]圖20是圖19的爐床和材料的正視圖；和
[0035]圖21是沿著圖20中所示的平面取得的圖19的爐床和材料的平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下文描述和特定附圖中圖示的根據(jù)本公開(kāi)的澆鑄系統(tǒng)的下列非限制性實(shí)施方案并入一個(gè)或更多個(gè)電子束槍?zhuān)坏菓?yīng)了解其它熔融電源可在澆鑄系統(tǒng)中用作材料加熱裝置。例如，本公開(kāi)還設(shè)想使用一個(gè)或更多個(gè)等離子產(chǎn)生裝置的澆鑄系統(tǒng)，所述等離子產(chǎn)生裝置產(chǎn)生能量等離子并且通過(guò)使材料接觸所產(chǎn)生的等離子而加熱澆鑄系統(tǒng)內(nèi)的金屬材料。
[0037]冷床澆鑄系統(tǒng)(諸如真空熔融室內(nèi)的電子束熔融)通常利用銅爐床，其并入基于流體的冷卻系統(tǒng)以將爐床的溫度限制為低于銅材料的熔融溫度的溫度。雖然基于水的冷卻系統(tǒng)最常見(jiàn)，但是其它系統(tǒng)(諸如基于氬氣或熔鹽冷卻系統(tǒng))可被并入冷床。冷床系統(tǒng)至少部分使用重力以通過(guò)將夾雜物從駐留在爐床內(nèi)的熔融材料中移除而精煉熔融金屬材料。當(dāng)材料被混合且在冷床內(nèi)流動(dòng)時(shí)，相對(duì)較低密度的夾雜物在熔融材料的頂部漂浮一定時(shí)間，且暴露的夾雜物可被澆鑄系統(tǒng)的一個(gè)或更多個(gè)電子束槍再熔融或蒸發(fā)。相對(duì)較高密度的夾雜物沉入熔融材料的底部并且緊貼銅爐床沉積。當(dāng)與冷床接觸的熔融材料通過(guò)爐床的基于流體的冷卻系統(tǒng)的作用冷卻時(shí)，材料凝固以在爐床的底部和/或側(cè)表面上形成固體涂層或“殼體”。殼體保護(hù)爐床的表面不受爐床內(nèi)熔融材料的影響。夾雜物在殼體內(nèi)的截留將夾雜物從熔融材料移除，得到較高純度的澆鑄。
[0038]電子束澆鑄系統(tǒng)的熔融爐床可經(jīng)由熔融材料流徑與澆鑄系統(tǒng)的精煉爐床流體連通。起始材料可被引入熔融室和其中的熔融爐床中，且一個(gè)或更多個(gè)電子束射至材料并且將材料加熱至其熔點(diǎn)。為了允許一個(gè)或更多個(gè)電子束槍的適當(dāng)操作，至少一個(gè)真空產(chǎn)生器可與熔融室關(guān)聯(lián)并且可在室內(nèi)提供真空條件。在特定非限制性實(shí)施方案中，進(jìn)料區(qū)域也可與熔融室關(guān)聯(lián)，起始材料可通過(guò)所述進(jìn)料區(qū)域被引入熔融室并且可在熔融爐床內(nèi)熔融并且初步安置。進(jìn)料區(qū)域可包括例如用于將材料運(yùn)送至熔融爐床的傳送系統(tǒng)。被引入澆鑄系統(tǒng)的熔融室的起始材料可為多種形式，例如松散顆粒材料(例如，海綿體、碎肩和母合金)、團(tuán)塊形式的壓實(shí)材料(例如，壓實(shí)海綿體、碎肩和母合金)或已被焊接成條或其它適當(dāng)形狀的大塊固體。因此，進(jìn)料區(qū)域可被設(shè)計(jì)來(lái)處理預(yù)期由澆鑄系統(tǒng)利用的特定起始材料。
[0039]—旦起始材料在熔融爐床中被熔融，熔融材料就可在熔融爐床中保留一段時(shí)間以更好地確保完全熔融和均勻性。熔融材料可經(jīng)由熔融材料路徑從熔融爐床移動(dòng)至精煉爐床。在各種非限制性實(shí)施方案中，熔融材料可例如流動(dòng)穿過(guò)熔融爐床與精煉爐床之間的各種中間爐床。精煉爐床可在熔融室或另一個(gè)真空圍封體內(nèi)且可通過(guò)真空系統(tǒng)維持在真空條件下以允許與精煉爐床相關(guān)的一個(gè)或更多個(gè)電子束槍的適當(dāng)操作。雖然可使用基于重力的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是機(jī)械移動(dòng)機(jī)構(gòu)也可用于協(xié)助將熔融材料從熔融爐床運(yùn)送至精煉爐床。一旦熔融材料被安置在精煉爐床中，材料可遭受通過(guò)至少一個(gè)電子束槍的適當(dāng)高溫下的連續(xù)加熱達(dá)足夠時(shí)間以可接受地精煉材料。一個(gè)或更多個(gè)電子束槍再次可為足夠功率以使材料在精煉爐床中維持為熔融狀態(tài)，并且還可為足夠功率以蒸發(fā)或熔融出現(xiàn)在熔融材料表面上的夾雜物。此外，在特定非限制性實(shí)施方案中，澆鑄系統(tǒng)可包括多個(gè)精煉爐床，熔融材料可流動(dòng)穿過(guò)所述精煉爐床。
[0040]熔融材料可保留在精煉爐床中達(dá)足夠時(shí)間以將夾雜物從中移除并且以其它方式精煉材料。精煉爐床內(nèi)的相對(duì)較長(zhǎng)或較短駐留時(shí)間可依據(jù)例如熔融材料中夾雜物的組成和主要成分而選擇。一般技術(shù)人員可易于確定適當(dāng)?shù)鸟v留時(shí)間以在澆鑄操作期間提供熔融材料的適當(dāng)精煉。優(yōu)選地，精煉爐床可為冷床，且熔融材料中的夾雜物可通過(guò)以下方式移除:通過(guò)包括溶解在熔融材料中的過(guò)程，通過(guò)落入爐床的底部及變?yōu)榻亓粼跉んw中，和/或通過(guò)由聚焦在熔融材料的表面上的電子束的作用而蒸發(fā)。在特定實(shí)施方案中，被導(dǎo)向精煉爐床的電子束可以預(yù)定圖案跨熔融材料的表面柵格化以形成混合作用。一個(gè)或更多個(gè)機(jī)械移動(dòng)裝置可被提供來(lái)提供混合作用或補(bǔ)充通過(guò)電子束的柵格化而產(chǎn)生的混合作用。
[0041]一旦被適當(dāng)精煉，熔融材料就可經(jīng)由重力和/或通過(guò)機(jī)械構(gòu)件沿著熔融材料路徑從精煉爐