本发明涉及液态钛（或钛合金）底注过程中所遇到的问题。

液态钛或钛合金的高度化学反应活性使这种液体与所有的氧化物、硫氧化物、硫化物、硼化物或其他复合陶瓷都会发生化学反应。另外，所有熔点高于钛的金属都会溶解在液态钛中。简言之，除了钛本身以外，还没有任何已知的惰性容器材料可用于盛装熔融钛或钛合金。受这种条件的限制，钛和钛合金都是用称为冷炉床或结壳熔炼的工艺进行熔炼。

这种工艺方法是将固体钛块放入通常是用铜制成的冷却式金属炉床中，用一个非常强烈的热源，例如电弧或等离子体，在惰性气氛中进行熔炼。在熔炼过程中，在金属炉料的内部和表面层首先形成一个熔池，而贴近铜炉床封闭壁处的钛仍保持为固体。此后逐渐形成的固体钛“结壳”内就容纳了未受污染的液态钛金属。目前此技术结合使用一种自耗式钛或钛合金电极，使实际上主要全部是钛被熔炼和铸造。

在制备钛铸件时，熔炼过程通常是用自耗电弧熔炼法完成的，这样产生的液态金属经结壳状坩埚的溢口注入铸模。液态金属满溢出溢口的过程，其特徽是有一薄层液体滞留在溢口上。当液体满溢出溢口时，液体的热损耗会降低液态金属的过热程度，一般就因而形成固体一液体的混合物而不是所期望的液体状态。尽管在制备铸件时尚可以允许采用这种满溢出溢口的浇注法，但是在那些需要较低的液体流速或最低的稳定液体流速（例如快速固化）的应用中，唯一可行的解决办法是采用冷炉床熔炼法，通过底部的喷嘴进行底注。

对于具有反应活性的金属，冷炉床熔炼和底注法的主要缺点是（a）熔料在喷嘴中凝结的问题，（b）液态金属对喷嘴材料的腐蚀问题。

利用导热性的炉床进行冷炉床电弧熔炼，使液态金属经过镶入的喷嘴从底部喷出，这类方法在文献中已有所叙述。使用的典型喷嘴材料是铜或黄铜，这些材料是公认的良好热传导材料。也曾提及用石墨作为喷嘴材料。也有人建议在这种方法中用绝热材料作喷嘴。但是，至今所提出过的一切尝试中还没有一个在提供所需的对液体流速控制和/或最小的腐蚀和/或对熔料的最少污染等方面获得成功。

因此，本发明的目的是找出一种具有充分抗腐蚀性能的喷嘴材料以及能成功地实现液态钛和钛合金的底注的冷炉床和喷嘴的结构形式。

文中所用术语“有效直径”是在述及的特殊平面形状（例如正方形）中内切圆的直径。

“高”导热率是指在700℃时超过约80瓦/米·℃的导热率数值。

为测定各种材料对液态钛的抗腐蚀性能而设计了一种试验。试验方法如下：将少量工业纯钛在铜炉床中利用非自耗钨电极电弧熔炼法进行熔炼，在熔炼中钛的结壳-液体界面能够贯穿至炉床底部并与安置在试验喷嘴上的薄片挡板相互反应。挡板的作用是防止熔融钛过早地进入喷嘴孔。挡板破裂或溶解，就使积聚的过热液态金属得以立即流出。在喷出的瞬间，挡板被熔化或溶解，熔融钛靠在液态金属上部通入的加压惰性气体产生的强大压力喷出。

通过这种试验发现了钨和某些钨合金对流动液态钛的优良抗腐蚀性（相对于许多陶瓷和金属材料而言）。适合于这种用途的含钨合金是那些熔点至少高至约3000℃的合金。有意思的是，在试验中发现有些难熔材料当液态金属静止地盛放在坩埚中时，而具有一定限度的抗液态钛侵蚀的能力，但是当暴露在快速流动的液态金属中时就不一定显示出同样的抗腐蚀性能。例如，钼并不能认为是一种可行的喷嘴材料。

本发明的成功不仅是由于发现钨（或钨合金）对流动液态钛的优良抗腐蚀性，而且还由于认清了必须建立这样一种热分布，即在浇注过程中喷嘴孔周围区域的温度实际上必须和液态金属流过喷嘴孔的温度相同。为了达到这个目的，决定用一种挡板式喷嘴取代通常的简单喷嘴。

因此，本发明采用了一种挡板式喷嘴，并且至少在其中间部分（喷嘴孔位于此部位内）是由钨（或钨合金）构成。鉴于简单的喷嘴其喷嘴外径一般与喷嘴长度之比约等于1∶1，对于本发明挡板式喷嘴来说，挡板外部有效直径与挡板厚度之比等于或大于约10∶1，而其最小的外径约为1.5英寸。另外，挡板外部有效直径与喷嘴孔直径之比等于或大于约6∶1。

除了喷嘴材料和喷嘴结构的决定性作用以外，还发现在此工艺过程进行中，必须使液化的金属在喷嘴上方至少保持有一个最小的深度，以防止喷嘴直接与实现熔炼过程用的强烈热源，如电弧或等离子体接触或与之接近。

钨的腐蚀方式的一个特别重要特征是，就腐蚀的发生而言，看来它是由于溶解或个别钨晶粒脱落而发生的，而不是由于从喷嘴上掉下大的钨粒。

喷嘴孔的直径应在约0.020英寸至0.75英寸范围内。因为，在此尺寸范围内，易于选择一个适用于使钛或钛合金快速固化的喷嘴直径（例如0.030至0.100英寸）或者为进行气体雾化而选择更大些的喷嘴直径。快速固化要求喷嘴孔在浇注过程中保持相当恒定的直径。应用此指标是为了适应控制液体流速的特殊需要。

本发明的特点可以认为是新的，并且在现有技术中未见到过的，这些特点具体地列入附在后面的权利要求中。然而发明本身，就其构造、操作方法以及发明的目的和优点来说，参照前面和后面的叙述连同附图一起，可以清楚地了解。附图为本发明冷炉床-喷嘴结构的剖面示意图，它安置在加压的上炉室内，通过喷嘴使流体同加压的下炉室连通。

上面简短提到的关于评定各种材料在实际喷嘴操作条件下对流动液态钛的抗腐蚀性试验对于本发明的形成是必不可少的。在所采用的试验方法中，将钛料（一般为100克）在冷炉床中利用电弧使之熔化，施加到电极的电流在25-35伏时可高至1800安培。用这样的输入功率可使钛结壳-液体界面贯穿至炉床底部并与安置在简单喷嘴结构上的挡板（金属的或非金属的）相互作用，这些简单喷嘴结构包括了各种进行试验的特殊材料。

对氧化铝、铜、氮化硼和这些材料的许多复合物所进行的喷嘴材料试验是不成功的，但看来可以确定，如使用绝热材料作挡板可得到有益的效果。对于表1所列每一种喷嘴试验材料，开始是用一个约0.020-0.040英寸厚的可溶性陶瓷（AI2O3）板作挡板，将喷嘴材料与熔融钛隔开（即防止液态钛金属过早流出和凝结于喷嘴孔内）。为了保护陶瓷圆盘因热冲击而破裂，在其上又覆盖一块0.020英寸厚的钼板。当液态钛接触钼板时，钼板被溶化，使正下方的陶瓷挡板溶化并使液流流动开始。对于那些使用多层材料制成喷嘴的情况，表中首先标出喷嘴上层的材料，其次是喷嘴下层的材料，依次列出。

表1试验    喷嘴    厚度    孔的尺寸    结果编号    材料    （英寸）    （英寸）1 AI2O3.036 .080 排出54克，氧化铝严铜    .063    .125    重腐蚀。

2 AI2O3.103 .080 排出35克，氧化铝腐铜    .063    0.18    蚀至3/16英寸直径。

3    铜    .125    .089    铜腐蚀极轻，排出40.6克。

4 AI2O3.017 .089 仅喷出15克。

铜    .125    .0895 Lucalox

AI2O3.188 .060 喷出良好，氧化铝严重铜    .031    .089    腐蚀。

6    氮化硼    .145    .090    喷出良好，氮化硼腐蚀，钨    .020    .080    而钨未腐蚀。

7    蓝宝石    .013    .060    可喷出，氮化硼腐蚀，

试验    喷嘴    厚度    孔的尺寸    结果编号    材料    （英寸）    （英寸）7    氮化硼    .189    .090    而钨未腐蚀。

钨    .020    .0808 Y2O3Y2S3.223 .060 陶瓷溶化，钨未腐蚀。

钨    .020    .0759 50%（重量）Y2O3.187 .060 Y2O3·W（50%，重量）.50%（重量）W    腐蚀，而钨未腐蚀。

钨    .020    .08010 Ce2O2S .250 .067 陶瓷腐蚀，而钨未腐蚀。

钨    .020    .07711 50%（重量）Y2O3.187 .058 陶瓷腐蚀，而钨未腐蚀。

.50%（重量）W钨12    钨    .020    .078    未腐蚀，加料137克，喷出57克。

13 Y2O3.246 .063 氧化钇严重腐蚀，钨    .020    .077    而钨未腐蚀。

试验    喷嘴    厚度    孔的尺寸    结果编号    材料    （英寸）    （英寸）14    蓝宝石    .013    .068    蓝宝石溶化，钨未腐蚀。

钨    .020    .090    加料127克，喷出70克。

15    蓝宝石    .013    .086    加料量比试验14加一钨    .020    .090    倍，钨未腐蚀。

在某些试验中熔融钛凝结在喷嘴中丝毫不喷出。关于这些喷嘴结构和评定结果示于表Ⅱ。

表Ⅰ和表Ⅱ所示结果的试验所采用的是一种炉底扩展到钛炉料之下的铜炉床，其喷嘴试验材料是放在一种简单的喷嘴结构中，它安置在铜质喷嘴支座上。

表Ⅱ试验    喷嘴    厚度    孔的尺寸    结果编号    材料    （英寸）    （英寸）1 AI2O3.036 .080 长的铜喷嘴，很早就凝结。

铜    .125    .0892    BN    .249    .090    深的氮化硼喷嘴可能很早钨    .020    .080    就已凝结。

试验    喷嘴    厚度    孔的尺寸    结果编号    材料    （英寸）    （英寸）3    钨    .020    .090    深的钨-氮化硼复合层，BN    .063    .078    凝结在上层钨块上。

钨    .020    .078BN    .063    .078钨    .020    .0784    钨    .020    .078    凝结在上层板上。

BN    .063    .078钨    .020    .0785    钨    .089    加料163克。

6    钨    .090    加料153克。未喷出。

这些试验的结果表明所有陶瓷材料当与流动的液态钛接触时，即使是短时间也都被腐蚀或完全溶化。可是，钨部件未显出受腐蚀。因此，可以认为钨是一种良好的喷嘴材料，但是使用这种喷嘴材料时如何使液流开始流动是尚未解决的问题，这是一个还需要对此方法中热传导特性进行适当评价的问题。

其他候选材料的试验结果示于表Ⅲ。

表Ⅲ试验    喷嘴材料    结果编号1 Er2O3严重腐蚀。

2 75Y2O3·25CaS 严重腐蚀。

3 Mo3Al 严重腐蚀。

4 TiB2中等至严重腐蚀。裂缝和反应很显著。

在喷嘴下反应产物堆积明显。

5    TiN    中等至严重腐蚀。在喷嘴上部裂缝和相互扩散及反应都很明显。

6    Mo    中等至严重腐蚀。腐蚀似乎至少比钨快一个数量级。

7 50Y2O3·50W 中等腐蚀。明显的裂缝和相互扩散，但侵蚀局限于喷嘴的上半部。

8    TaC    中等腐蚀。TaC似乎有数处被液态Ti穿透。看来长时间暴露后有可能会有更大的反应。

9    WC    中等腐蚀。液态Ti渗入WC的扩散区集中在上部喷嘴孔棱角处。

曾在二次试验中试用热解石墨作喷嘴材料，但是每一次尝试中都是很早发生凝结。表Ⅲ中系列试验的结果证实陶瓷材料如氧化钇（Y2O3）和氧化饵（Er2O3）等都腐蚀很快。Y2O3和Y2S3或Y2O3和CaS的复合物同硫氧化铈一样腐蚀迅速。前面已经表明，除氧化饵以外，所有上述的材料对熔融钛或钛合金都有一些抗腐蚀性能，因此可以认为适合于作坩埚外壳。

碳化钽和粘结碳化钨是相当可行的喷嘴材料，特别是后者，因为它具有良好的抗热冲击性和高热容量。然而，就粘结碳化钨来说，最好是用钼或钨替代钴作粘结金属。

在发现了钨对流动液态钛的优良抗腐蚀性以及重新确定了为成功地应用底注喷嘴对本方法在热量流动方面的要求之后，改进了冷炉床的设计，这可通过附图概略地说明。为适应液态金属的过热程度和液态金属流速等苛刻的工艺参数，在设计中作了重大的改变使钨喷嘴的抗腐蚀性能达到最佳。本发明冷炉床底注法的设计克服了由于喷嘴孔中的凝结引起的不可靠性问题，同时还能进行大量液态钛合金的喷射并且对液态钛无明显的污染。

下面参看附图，底注冷炉床熔炼装置10包括空心炉床11，炉床可以是水冷式（图中未表示出水冷系统）或者是由整块铜构成，以利用这样一个炉体的热容量达到冷却的目的。在图示的通常结构中，整体形状（即外部结构）是矩形固体，内部有一正圆柱形的空心炉床。虽然炉床11的设计在这方面是通用的，但是对于那些无冷却炉底的炉床是不通用的。在这种炉床的普通冷却炉底部位，其炉底的结构部件是支撑在台肩13上的挡板式喷嘴12。此挡板式喷嘴12可以象图中所示那样全部由钨或合适的钨合金制成，或者是由用钨制造的中央部分组成，喷嘴上设有喷嘴孔14，喷嘴由环绕它的承重构件，例如一个由异种材料制造的环状圆盘加以支撑。

挡板12相对于炉床11的位置是使喷嘴孔14基本上处于炉床中心。因而，冷炉床的炉底不再象采用冷却式炉底时那样地是一个热穴，而相对炉壁11来说是有效的隔热体。由于此种设计特点，放在炉床11中的钛炉料是在炉内由上向下地被熔化，它能比在现有工艺的带冷却式炉底的铜炉床中进行熔炼的情况达到更高的液化深度。用这种新的结构，可以用任何给定的输入功率产生较大体积的液态钛或钛合金，并可增加熔体的最大过热程度。这样改进的热量流动型式的附加特性是当熔体的前沿接近炉底时，喷嘴挡板已被预热使其中央部位（即喷嘴孔14周围）的温度接近被熔化金属的熔点温度。这个特性有助于保证液态金属能可靠地发生流动。

在使用本发明冷炉床装置熔炼钛金属时，将金属块堆放入炉床11中，炉床11位于双室式构架的上炉室16中，有单独的设备（图中未表示）将上炉室16和下炉室17抽成真空。此外，上炉室16还应能实现把惰性气体压力施加到熔料的上表面，并把较低压力的惰性气体引入下炉室。

在典型的装置中，熔炼过程是通过在电极18（如非自耗性敷钍钨电极）和被熔炼金属之间形成电弧来完成。也可以使用通常的熔炼装置。使用等离子体作为强烈热源替代电弧电极18的优点是：在液态金属熔池中造成的湍流较小。

一旦电弧19已被引发，在钛的上表面就开始熔化，随后当更多的热进入金属，熔融区（略呈抛物线形）继续扩展和加深，熔体前沿21逐渐向下移动至图中22的位置。大部分热损失是沿径向向外传导至铜炉壁，而向下传导至（或通过）挡板12的热量，相对来说是极少的。

在熔体前沿已达到一般的形状22的条件下，在喷嘴孔14上面的钛将刚好达到钛的熔点。其余在挡板12上面的钛炉料则低于熔点（或者对钛合金来说是固态线温度），因而可保护挡板式喷嘴12的大部分不被腐蚀。

在固体钛料装入炉床11以前，最好在挡板12上覆盖一块钛薄板23。如果将这种熔炼技术应用于其他金属系统，应使用相应的不同组成的覆盖板以减小在熔炼过程中对熔体的污染。挡板23用来保护喷嘴孔免于被开始产生的液态金属堵塞，否则液态金属可能会在熔化的早期滴下。另外，挡板23靠它本身及部件23和12间的一层气体层（在图中以一定的厚度明显表示）的存在，能在挡板12和最初到达炉床底部的液态钛之间起隔热的作用。由于初始产生的液态钛在炉底凝固，所形成的固体结壳24可作为主要的热屏障，以防止挡板12过早地暴露在钛金属炉料液化区的温度下。

保护性金属挡板23的厚度应尽可能薄，以免挡板23熔化变为总组成的一部分时改变炉料熔体的组成。虽然看起来用纯的钛金属或相应的熔炼合金作挡板23最合适，但是，它的组成也可以改变以适应最终出炉的合金组成的要求。

这样，当液态钛同钛板23接触足够长的时间后，钛板熔化，使液态钛到达喷嘴孔14，并在上炉室16中的惰性气体压力下流过喷嘴孔。出炉时间在实验室规模的设备中一般约为3分钟，而在工业性装置中预期可以运转长得多的时间。

在液态钛出炉期间，随着液态钛的液面下降，电弧19继续加热剩余的钛液体。同时熔融的钛和挡板12的接触直径逐渐增大。在那些没有添加补充熔融钛的试验中（例如从放在上炉室16中的另外一个单独的容器加入熔融钛-图中未表示-在这种情况下，炉床11将起浇注过程的中间包的作用，类似于通常的工业用金属粉末雾化装置中所用的方式），由于出炉期间炉床11中液态钛的液面下降，接触钨挡板12的熔融钛的温度随着其过热程度增加而增高。电弧等离子体和喷嘴孔之间的直接接触或接近于直接接触将会加速喷嘴的腐蚀。为了防止这种情况的发生，在炉床中熔融钛应保持一个最小深度。在上述装置中，这个最小深度应在约1/2至1英寸范围内。如果采用不同的熔炼装置，所需的最小的液体金属深度可能不同，但通常是可以确定的。

在表Ⅳ中举例说明了保持最小的液态金属深度的必要性，表中的试验使用0.02英寸厚的挡板式喷嘴，喷嘴孔直径0.030英寸。

表Ⅳ试验    喷出的液    最终熔    最终喷嘴    浸润区的    总的径编号    态钛    体深度    孔直径    直径    向腐蚀（磅）    （英寸）    （英寸）    （英寸）    （英寸）1    0.22    0.68    0.034    0.6    .0022    1.15    0.84    0.040±0.003    .005（近似值）3    1.21    0.78    0.045    0.24    .00754    0.53    0.030    0.065    1.0    .01755    2.54    0.60    0.044    .007使用图示的钨挡板式喷嘴结构时，液态金属流动的发生是可靠的和可预测的。来自挡板12上面的结壳24的热量，将挡板预热到其温度刚好低于液态钛的温度。因此，首先流过喷嘴孔14的液体只经受中等程度的热吸收，所以发生凝结的可能性不大。随着液态金属的喷射继续进行，在挡板12的喷嘴孔14区域的温度实际上应和流过喷嘴孔的液态金属的温度相同。

挡板的径向外侧部分保持在与其有热接触的钛结壳24相近的温度。在部件23和12之间的气体层是对炉床底部进行隔热的有效组成部分。这样，即使当过热的液态金属流过喷嘴孔14时，钛炉料也可缓和挡板12温度的上升。由于钨挡板的热扩散率大于钛结壳的热扩散率，因此，热量应从接近喷嘴孔14的挡板中央高温区传向其较冷的部位，而该部位依靠合金结壳又保持在接近合金熔点的温度。

实施例在外部尺寸约9英寸宽×10英寸长×5英寸深的大型铜制炉床中，进行工业纯钛的冷炉床电弧熔炼，在上述炉床中央有一个直径为5英寸的圆柱形空心炉芯容纳熔料。在试验1-4中，铜炉床的底部向内逐渐收缩成锥形遮住了中央空心炉芯底部的一部分，将一个外径2英寸的钨挡板式喷嘴置于其中心，支承在炉床底部的锥形部分，而试验5中炉底没有锥形部分，但配置一个直径4    7/8英寸的钨挡板式喷嘴。试验1-5的结果总结于表Ⅴ。

表Ⅴ

续表Ⅴ3    5    2    3.4    9    1.15    0.84    0.030    0.0404    5    2    3.4    8    1.21    0.78    0.030    0.0455    5    4.875    6.0    12    2.54    0.60    0.030    0.044试验1-4所述的炉床结构已适用于高达3.4磅钛装料的熔炼。装料量大于此数时，由于热量传到炉底挡板周围的炉床区域，因此装入的钛料就不能熔化至到达炉床底部。分析试验2可知，当装料量为约5磅时，总装料量深度为约1    1/2英寸，在挡板上部的液体深度仅为1.2英寸，而在铜炉床锥形部上面的熔体深度则只有0.65英寸。由于熔化过程未贯穿到炉料底部，因而液态金属未能喷出。试验2的电弧熔炼条件为在电弧电压25伏时，电弧电流1900安培。施加的总功率为48千瓦。

当用4.875英寸的挡板炉床结构替代2英寸挡板炉床结构时，就能很容易将6磅装料量熔化至一直到达炉底，可喷出约2.5磅液态金属。液体以稳定的液流从喷嘴孔14流出，流出时间大于40秒。用常速的和高速的两种录象记录的液流排出过程都表明液流是连续的和笔直的。在浇注开始后大约40秒停止供电，在电源切断后液体继续流出2秒左右，留下0.6英寸深的熔体，为钨挡板提供必需的保护。在这次试验中钨挡板式喷嘴的腐蚀极轻微。在喷出2.5磅液态钛后，喷嘴的径向腐蚀量仅为0.007英寸。已知总的试验时间大于40秒，因此其平均腐蚀速率仅为0.0008英寸/秒。

在全部试验中，喷嘴挡板下的氩气压力均在-15至-25英寸汞柱的范围内。熔炼室用氩气增压至比下炉室的压力高2-12磅/平方英寸，产生越过喷嘴孔14所需之压差，促使液态金属喷出。试验中发现压差在3-8磅/平方英寸范围内可产生最恒定的液流条件。低的喷射压力有时可得到稳定的液流条件（如试验1的情况）。然而，偶尔在压差为2磅/平方英寸时，曾引起过从喷嘴孔流下一连串不稳定的金属液滴。

用本发明中叙述的冷炉床结构，可以可靠地进行熔炼和喷出液体，曾使喷出的液态金属沉积至一个熔料制带旋转轮上成功地生产半连续快速固化金属带。此外，由两种材料组合的挡板（图中未表示）在径向外部的材料可以用耐热但易于腐蚀的材料，如石墨，制成。

只要钨不是以大块散布于钛合金中，少量的钨的混入对钛合金是有益的。为评定钨受流动液态钛腐蚀的均匀性和确定液态钛对喷嘴的腐蚀是否能引起大量钨夹杂物，检验了腐蚀后的钨喷嘴，特别是那些暴露在象电弧等离子体那样较苛刻条件下的喷嘴。用扫描电子显微镜检验，确定液态钛的侵蚀发生在钨的晶界。这种晶界侵蚀看来并不会造成使大群晶粒脱落的较深局部穿透，而只是显示出所有晶界的均匀侵蚀。可看出这种侵蚀类型是属于个别晶粒脱落，而不是掉下较大的喷嘴碎片。在有些情况下，当腐蚀继续到更大的程度时，则在喷嘴孔的边沿形成沟槽。即使是这种局部侵蚀的方式下，看起来腐蚀仍主要是均匀的晶间腐蚀。若由液体腐蚀形成的沟槽增大，看来也有可能有多晶粒簇状物脱落。

在有些用途中，很重要的一点是要使具有高度方向性的液态金属从喷嘴孔喷出，这时所用的喷嘴孔可带有一个插入至挡板孔中的套管（图中未表示）使形成一个较长的（即长度超过挡板厚度的）液体流出通路。

冷炉床结构具有能成功地适应对液态钛进行底注的独特能力，但这不应看成是此设备应用的局限性。正相反，使用此设备对镍基合金进行底注也可看出明显的优点。与加工这种合金的现有工艺相比，用这种设备熔炼出的熔融液态合金可完全不含陶瓷杂质。