本發(fā)明涉及一種熔煉容器的其制備方法及其應(yīng)用，特別是涉及一種耐火材料坩堝的制備方法及在金屬熔煉中的應(yīng)用，應(yīng)用于高溫熔煉用耐候材料及有色金屬鋯合金材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一般情況下，鋯合金可分為兩類：核級鋯合金與工業(yè)級鋯合金。在核工業(yè)中，鋯的熱中子吸收截面小，對2200m/s的中子，純鋯的俘獲截面只有0.18×10-28m2，這就能夠保證原子能反應(yīng)堆中有足夠的熱中子數(shù)量維持反應(yīng)堆正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，鋯合金主要用作核燃料的包殼材料，核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料，以及安全防護(hù)的屏蔽材料等，鋯也被稱為原子時(shí)代的第一號金屬，廣泛用于核工業(yè)建設(shè)；在化工工業(yè)中，被廣泛用于反應(yīng)釜、閥門、耐酸泵、噴嘴、容器、管道等對材料耐腐蝕性能有較高要求的設(shè)備中。
但是，在熔煉過程中，鋯熔體的活性極高，易與絕大多數(shù)的耐火材料發(fā)生反應(yīng)。目前，熔煉鋯及鋯合金的主要方法是，利用強(qiáng)制水冷系統(tǒng)的真空電弧爐熔煉法。但是，電弧熔煉需要自制電極，增加熔煉難度，容易產(chǎn)生偏析，成分不均勻，影響合金性能。另外，強(qiáng)制水冷系統(tǒng)使能耗加大。
真空感應(yīng)熔煉技術(shù)能夠降低生產(chǎn)成本，其次是真空感應(yīng)爐有較強(qiáng)的電磁攪拌作用，使合金熔體保持較高的過熱度，這有利于消除成分偏析，得到成分均勻的鋯材。
y2o3熱穩(wěn)定性優(yōu)異，用于耐火材料時(shí)耐火度高，可抵制高活性金屬如鈦、鋯等的侵蝕。將y2o3耐火材料作為熔煉鋯合金的容器，可以防止坩堝材料與鋯合金熔體的反應(yīng)，減少坩堝元素對合金的污染，提高合金純凈度和性能。但現(xiàn)有制備y2o3坩堝材料的強(qiáng)度不夠理想，在應(yīng)用于高活性金屬熔煉過程中易發(fā)生開裂，所制備的高活性金屬材料易于出現(xiàn)孔洞缺陷，質(zhì)量較難得到保證，影響合金性能，這成為亟待解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種y2o3坩堝的制備方法及在高活性金屬熔煉中的應(yīng)用，利用固相燒結(jié)法制備y2o3坩堝，利用真空感應(yīng)爐熔煉高活性合金。本發(fā)明方法熔煉后合金成分均勻，坩堝結(jié)構(gòu)完整，合金與坩堝之間沒有明顯界面層，合金內(nèi)氧含量低，熔煉后的合金性能得到保證。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種y2o3坩堝的制備方法，包括如下步驟：
a.將干燥后的y2o3粉料在100～140mpa下壓制為坩堝素坯；
b.利用固相燒結(jié)法，將在所述步驟a中制備的坩堝素坯在不低于1750℃下保溫2～6h，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，得到y(tǒng)2o3坩堝成品。作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在對坩堝素坯進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)之前，首先將在所述步驟a中制備的坩堝素坯在800～1000℃下保溫4～6h，進(jìn)行預(yù)燒結(jié)。
一種本發(fā)明y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝在高活性金屬熔煉中的應(yīng)用，包括如下步驟：
①利用坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝，采用真空感應(yīng)爐，選用y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝，作為坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝的熔煉容器，將高活性金屬原料置于y2o3坩堝中，通過真空洗氣后，將真空感應(yīng)爐內(nèi)抽高空，然后對高活性金屬原料進(jìn)行熔煉，在坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝過程中，按照每5～10min升0.1kw的速率，緩慢增加真空感應(yīng)熔煉工藝的加熱功率，以避免噴濺和架橋現(xiàn)象，直到高活性金屬原料開始熔融狀態(tài)，開始高活性金屬熔煉過程；利用坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝，選用y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝，優(yōu)選對鈦、鋯、鈦合金或鋯合金進(jìn)行熔煉，只需要根據(jù)不同的合金特點(diǎn)調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)；進(jìn)一步優(yōu)選對純鋯、海綿鋯、鋯銅合金、鋯鎳合金、鋯鐵合金、zr-2、zr-3或zr-4進(jìn)行熔煉，根據(jù)不同的合金特點(diǎn)調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)；作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在進(jìn)行真空洗氣時(shí)，至少進(jìn)行三次低真空洗氣，然后再至少進(jìn)行兩次高真空洗氣，完成真空洗氣過程；
②在所述步驟①中的高活性金屬熔煉過程中，在高活性金屬開始熔融狀態(tài)時(shí)，就向y2o3坩堝中反沖ar氣，保持y2o3坩堝內(nèi)的高活性金屬在500～650pa的ar氣氛圍中進(jìn)行熔煉過程；作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，當(dāng)增加真空感應(yīng)熔煉工藝的加熱功率，在高活性金屬原料完全融化成為高活性金屬熔體后，使感應(yīng)熔煉溫度達(dá)到至少1880℃時(shí)進(jìn)行精煉，控制精煉至少3min；
③在所述步驟②的高活性金屬熔煉過程結(jié)束后，按照每5～10min降0.5kw的速率，對高活性金屬進(jìn)行降溫處理，直到高活性金屬凝固，以避免所制備的高活性金屬由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并更加有效地避免坩堝的開裂。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：
1.本發(fā)明利用固相燒結(jié)法制備y2o3坩堝，利用真空感應(yīng)爐熔煉高活性合金，本發(fā)明方法制備的坩堝結(jié)構(gòu)完整，熔煉后制備的合金成分均勻，合金與坩堝之間沒有明顯界面層，合金內(nèi)氧含量低，熔煉后的高活性合金性能得到保證；
2.本發(fā)明熔煉高活性金屬后的坩堝與高活性合金之間沒有明顯界面層，制備的高活性合金質(zhì)量好，保證了合金性能，本發(fā)明工藝能根據(jù)不同的合金特點(diǎn)調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)，具有優(yōu)異的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下：
實(shí)施例一：
在本實(shí)施例中，一種y2o3坩堝的制備方法，包括如下步驟：
a.將干燥后的純度≥99.9的y2o3粉料在120mpa下壓制為坩堝素坯；
b.將在所述步驟a中制備的坩堝素坯在1000℃下保溫4h，進(jìn)行預(yù)燒結(jié)；
c.利用固相燒結(jié)法，將在所述步驟b中預(yù)燒結(jié)后的坩堝素坯在1750℃下保溫4h，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，得到y(tǒng)2o3坩堝成品。
一種本實(shí)施例y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝在zr-4合金熔煉中的應(yīng)用，包括如下步驟：
①利用坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝，采用真空感應(yīng)熔煉爐(wzf-2型)，選用y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝，作為坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝的熔煉容器，以鎂砂作襯底，將坩堝設(shè)置于坩堝式真空感應(yīng)熔煉爐中，將zr-4合金原料置于y2o3坩堝中；進(jìn)行三次低真空洗氣，然后再進(jìn)行兩次高真空洗氣，再將真空感應(yīng)爐內(nèi)抽高空，然后對zr-4合金原料進(jìn)行熔煉，在坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝過程中，按照每5min升0.1kw的速率，緩慢增加真空感應(yīng)熔煉工藝的加熱功率，以避免噴濺和架橋現(xiàn)象，直到zr-4合金原料開始熔融狀態(tài)，開始zr-4合金熔煉過程；
②在所述步驟①中的zr-4合金熔煉過程中，控制真空感應(yīng)熔煉爐的加熱功率升至4.5kw時(shí)，關(guān)閉高真空閥，在zr-4合金開始熔融狀態(tài)時(shí)，就向y2o3坩堝中反沖ar氣，保持y2o3坩堝內(nèi)的zr-4合金在600pa的ar氣氛圍中進(jìn)行熔煉過程；繼續(xù)控制真空感應(yīng)熔煉爐的加熱功率升至5.0kw時(shí)，在zr-4合金原料完全融化成為zr-4合金熔體后，使感應(yīng)熔煉溫度達(dá)到1880℃，進(jìn)行精煉，并控制精煉3min；
③在所述步驟②的zr-4合金熔煉過程結(jié)束后，按照每5min降0.5kw的速率，對zr-4合金進(jìn)行降溫處理，直到zr-4合金凝固。以避免所制備的高活性金屬由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并更加有效地避免坩堝的開裂。
本實(shí)施例熔煉方式選用坩堝式真空感應(yīng)熔煉用于鋯合金熔煉的工藝，并采用y2o3坩堝作為熔煉容器，本實(shí)施例方法制備的坩堝結(jié)構(gòu)完整，抗熱震動(dòng)能力強(qiáng)，不易開裂。在本實(shí)施例熔煉過程中，緩慢增加功率，避免了噴濺和架橋現(xiàn)象的發(fā)生，在熔煉后的降溫過程中，緩慢降低功率，避免了合金由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并進(jìn)一步避免了坩堝的開裂，熔煉后制備的合金成分均勻，合金與坩堝之間沒有明顯界面層，合金內(nèi)氧含量低，熔煉后的合金性能得到保證。
實(shí)施例二：
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于：
在本實(shí)施例中，一種y2o3坩堝的制備方法，包括如下步驟：
a.將干燥后的純度≥99.9的y2o3粉料在100mpa下壓制為坩堝素坯；
b.將在所述步驟a中制備的坩堝素坯在800℃下保溫6h，進(jìn)行預(yù)燒結(jié)；
c.利用固相燒結(jié)法，將在所述步驟b中預(yù)燒結(jié)后的坩堝素坯在1750℃下保溫2h，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，得到y(tǒng)2o3坩堝成品。本實(shí)施例雖然采用比實(shí)施例一更低的壓力成型素坯，還采用較低的溫度進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，并采用只有實(shí)施例一50％的高溫?zé)Y(jié)時(shí)間進(jìn)行固相燒結(jié)，但制備y2o3坩堝同樣具有較好的強(qiáng)度，不易開裂。
一種本實(shí)施例y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝在zr-4合金熔煉中的應(yīng)用，包括如下步驟：
①利用坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝，采用真空感應(yīng)熔煉爐(wzf-2型)，選用y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝，作為坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝的熔煉容器，以鎂砂作襯底，將坩堝設(shè)置于坩堝式真空感應(yīng)熔煉爐中，將zr-4合金原料置于y2o3坩堝中；進(jìn)行三次低真空洗氣，然后再進(jìn)行兩次高真空洗氣，再將真空感應(yīng)爐內(nèi)抽高空，然后對zr-4合金原料進(jìn)行熔煉，在坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝過程中，按照每10min升0.1kw的速率，緩慢增加真空感應(yīng)熔煉工藝的加熱功率，以避免噴濺和架橋現(xiàn)象，直到zr-4合金原料開始熔融狀態(tài)，開始zr-4合金熔煉過程；
②在所述步驟①中的zr-4合金熔煉過程中，控制真空感應(yīng)熔煉爐的加熱功率升至4.5kw時(shí)，關(guān)閉高真空閥，在zr-4合金開始熔融狀態(tài)時(shí)，就向y2o3坩堝中反沖ar氣，保持y2o3坩堝內(nèi)的zr-4合金在500pa的ar氣氛圍中進(jìn)行熔煉過程；繼續(xù)控制真空感應(yīng)熔煉爐的加熱功率升至5.0kw時(shí)，在zr-4合金原料完全融化成為zr-4合金熔體后，使感應(yīng)熔煉溫度達(dá)到1880℃，進(jìn)行精煉，并控制精煉3min；
③在所述步驟②的zr-4合金熔煉過程結(jié)束后，按照每10min降0.5kw的速率，對zr-4合金進(jìn)行降溫處理，直到zr-4合金凝固。以避免所制備的高活性金屬由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并更加有效地避免坩堝的開裂。
本實(shí)施例熔煉方式選用坩堝式真空感應(yīng)熔煉用于鋯合金熔煉的工藝，并采用y2o3坩堝作為熔煉容器，本實(shí)施例方法制備的坩堝結(jié)構(gòu)完整，抗熱震動(dòng)能力強(qiáng)，不易開裂。在本實(shí)施例熔煉過程中，緩慢增加功率，避免了噴濺和架橋現(xiàn)象的發(fā)生，在熔煉后的降溫過程中，緩慢降低功率，避免了合金由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并進(jìn)一步避免了坩堝的開裂，熔煉后制備的合金成分均勻，合金與坩堝之間沒有明顯界面層，合金內(nèi)氧含量低，熔煉后的合金性能得到保證。
實(shí)施例三：
本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于：
在本實(shí)施例中，一種y2o3坩堝的制備方法，包括如下步驟：
a.將干燥后的純度≥99.9的y2o3粉料在140mpa下壓制為坩堝素坯；
b.將在所述步驟a中制備的坩堝素坯在1000℃下保溫6h，進(jìn)行預(yù)燒結(jié)；
c.利用固相燒結(jié)法，將在所述步驟b中預(yù)燒結(jié)后的坩堝素坯在1750℃下保溫6h，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，得到y(tǒng)2o3坩堝成品。本實(shí)施例雖然采用比實(shí)施例一更高的壓力成型素坯，還采用更高的溫度進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，并采用只有實(shí)施例一更長的高溫?zé)Y(jié)時(shí)間進(jìn)行固相燒結(jié)，但制備y2o3坩堝同樣具有較好的強(qiáng)度，不易開裂。
一種本實(shí)施例y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝在zr-4合金熔煉中的應(yīng)用，包括如下步驟：
①利用坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝，采用真空感應(yīng)熔煉爐(wzf-2型)，選用y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝，作為坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝的熔煉容器，以鎂砂作襯底，將坩堝設(shè)置于坩堝式真空感應(yīng)熔煉爐中，將zr-4合金原料置于y2o3坩堝中；進(jìn)行三次低真空洗氣，然后再進(jìn)行兩次高真空洗氣，再將真空感應(yīng)爐內(nèi)抽高空，然后對zr-4合金原料進(jìn)行熔煉，在坩堝式真空感應(yīng)熔煉工藝過程中，按照每10min升0.1kw的速率，緩慢增加真空感應(yīng)熔煉工藝的加熱功率，以避免噴濺和架橋現(xiàn)象，直到zr-4合金原料開始熔融狀態(tài)，開始zr-4合金熔煉過程；
②在所述步驟①中的zr-4合金熔煉過程中，控制真空感應(yīng)熔煉爐的加熱功率升至4.5kw時(shí)，關(guān)閉高真空閥，在zr-4合金開始熔融狀態(tài)時(shí)，就向y2o3坩堝中反沖ar氣，保持y2o3坩堝內(nèi)的zr-4合金在650pa的ar氣氛圍中進(jìn)行熔煉過程；繼續(xù)控制真空感應(yīng)熔煉爐的加熱功率升至5.0kw時(shí)，在zr-4合金原料完全融化成為zr-4合金熔體后，使感應(yīng)熔煉溫度達(dá)到1880℃，進(jìn)行精煉，并控制精煉3min；
③在所述步驟②的zr-4合金熔煉過程結(jié)束后，按照每10min降0.5kw的速率，對zr-4合金進(jìn)行降溫處理，直到zr-4合金凝固。以避免所制備的高活性金屬由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并更加有效地避免坩堝的開裂。
本實(shí)施例熔煉方式選用坩堝式真空感應(yīng)熔煉用于鋯合金熔煉的工藝，并采用y2o3坩堝作為熔煉容器，本實(shí)施例方法制備的坩堝結(jié)構(gòu)完整，抗熱震動(dòng)能力強(qiáng)，不易開裂。在本實(shí)施例熔煉過程中，緩慢增加功率，避免了噴濺和架橋現(xiàn)象的發(fā)生，在熔煉后的降溫過程中，緩慢降低功率，避免了合金由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并進(jìn)一步避免了坩堝的開裂，熔煉后制備的合金成分均勻，合金與坩堝之間沒有明顯界面層，合金內(nèi)氧含量低，熔煉后的合金性能得到保證。
實(shí)施例四：
本實(shí)施例與前述實(shí)施例基本相同，特別之處在于：
在本實(shí)施例中，一種y2o3坩堝的制備方法，包括如下步驟：
a.將干燥后的純度≥99.9的y2o3粉料在120mpa下壓制為坩堝素坯；
b.利用固相燒結(jié)法，將在所述步驟a中制備的坩堝素坯在不低于1750℃下保溫6h，進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，得到y(tǒng)2o3坩堝成品。本實(shí)施例根據(jù)工藝需求，將前述實(shí)施例中的預(yù)燒結(jié)的步驟省略，使燒結(jié)工藝更加簡單。本實(shí)施例雖然采用比實(shí)施例一更長的高溫?zé)Y(jié)時(shí)間進(jìn)行固相燒結(jié)，并省略了預(yù)燒結(jié)的步驟，但采用短流程工藝制備的制備y2o3坩堝同樣具有較好的強(qiáng)度，不易開裂。
一種本實(shí)施例y2o3坩堝的制備方法制備的y2o3坩堝在zr-4合金熔煉中的應(yīng)用，包括如下步驟：
①本步驟與實(shí)施例一相同；
②本步驟與實(shí)施例一相同；
③本步驟與實(shí)施例一相同。熔煉后的降溫過程中，緩慢降低功率，以避免所制備的高活性金屬由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并更加有效地避免坩堝的開裂。
本實(shí)施例熔煉方式選用坩堝式真空感應(yīng)熔煉用于鋯合金熔煉的工藝，并采用y2o3坩堝作為熔煉容器，本實(shí)施例方法制備的坩堝結(jié)構(gòu)完整，制備工藝簡單，制備的坩堝抗熱震動(dòng)能力強(qiáng)，不易開裂。在本實(shí)施例熔煉過程中，緩慢增加功率，避免了噴濺和架橋現(xiàn)象的發(fā)生，在熔煉后的降溫過程中，緩慢降低功率，避免了合金由于冷卻較快而產(chǎn)生孔洞等缺陷，并進(jìn)一步避免了坩堝的開裂，熔煉后制備的合金成分均勻，合金與坩堝之間沒有明顯界面層，合金內(nèi)氧含量低，熔煉后的合金性能得到保證。
上面對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明y2o3坩堝的制備方法及在高活性金屬熔煉中的應(yīng)用的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。