一种锆合金熔炼和浇铸方法

摘要

一种锆合金熔炼和浇铸方法，包括以下步骤：步骤一，一次熔炼，取样分析锆合金铸锭的成分，决定需要补充的合金元素；步骤二，二次熔炼，调整合金成分，搅拌使锆合金熔体的组分均匀；步骤三，净化工艺准备，将嵌有过滤介质的浇道预热到1000-1200℃；铸锭模准备，将铸锭模表面清理干净，没有杂质和油污附着；步骤四，浇铸与净化，将熔融的锆合金熔体倒入浇道中，锆合金熔体通过过滤介质，其合金熔体中的杂质被过滤介质拦截和吸附，洁净的锆合金熔体流入到铸锭模中，冷却形成铸锭。本方法操作简便、能耗更低、净化效果更好。

权利要求

1.一种锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，一次熔炼，将相同牌号的锆合金返回料放入真空熔炼炉的坩埚中，真空度为

0.001-0.1Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度为1000-1500℃，熔炼时间为30-60分钟，锆合金完全融化后，倒入嵌有过滤介质的过滤设备中进行浇铸；待铸锭冷却后，打开真空炉，取出铸锭开坯，将合金的外表皮清除掉1-2毫米，然后取样分析锆合金铸锭的成分，按照合金牌号的要求，计算成分偏差，决定需要补充的合金元素；

步骤二，二次熔炼，调整合金成分，将弥补的合金元素偏差的各种合金元素单质或中间合金，与一次熔炼的锆合金铸锭一同放入真空熔炼炉，真空度为0.001-0.1Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度1000～1500℃，熔炼时间为30～60分钟，搅拌使锆合金熔体的组分均匀；

步骤三，净化工艺准备，将嵌有过滤介质的浇道预热到1000-1200℃；铸锭模准备，将铸锭模表面清理干净，没有杂质和油污附着；

步骤四，浇铸与净化，将熔融的锆合金熔体倒入浇道中，锆合金熔体通过过滤介质，其合金熔体中的杂质被过滤介质拦截和吸附，洁净的锆合金熔体流入到铸锭模中，冷却形成铸锭。

2.根据权利要求1所述的锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于：所述浇道和过滤介质均由接触材料构成，所述接触材料由陶瓷粉料和增强稳定剂组成，所述陶瓷粉料由MgO和ZrO2按摩尔比6-12:100组成，增强稳定剂按重量比为陶瓷粉料的0.5％-1％，所述增强稳定剂为富铈稀土。

3.根据权利要求2所述的锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于：所述接触材料的制备方法包括以下步骤：步骤1，将陶瓷粉料和增强稳定剂混合均匀；

步骤2，湿法球磨20-24小时，80-100℃干燥后粉碎；

步骤3，于1400-1450℃下煅烧1.5-6小时，冷却，粉碎；

步骤4，湿法球磨24-48小时，80-100℃下干燥后粉碎、筛选。

4.根据权利要求3所述的锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于：所述过滤介质的制备方法包括以下步骤：步骤1，前处理，将三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入浓度为10％～20％的NaOH溶液中，在

40～60℃温度下水解2～4h，然后反复揉搓并用清水冲洗前驱体后晾干，从而清洗干净海绵；

步骤2，制浆，首先逐步将聚乙烯醇添加在水中，直至聚乙烯醇和水的粘度为40-50CPS以及PH值在5-7，水溶液温度控制在40-50℃，进行搅拌，同时加入消泡剂，将200目和400目接触材料按照3：1的重量比倒入上述溶液中，进行搅拌，获得浆料，200目接触材料和400目接触材料的重量占浆料重量的75-85％；

步骤3，涂挂，将步骤1得到的三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入到步骤2得到的浆料中，充分排出骨架中的气体，使其表面及内部均匀涂挂上浆料，捞出；

步骤4，自然阴干和烘干，将涂挂三维聚氨酯泡沫海绵骨架的放置于阴凉通风处，进行阴干处理，阴干4-48小时，制成陶瓷过滤器的待烘干半成品，将阴干后的过滤介质半成品放入烘干炉内进行烘干，烘干炉的升温速度为0.5-5℃/min，升温到90-120℃，保温1-2小时，然后随炉冷却，制成过滤介质的待烧结半成品；

步骤5，烧结，即在500℃以下的低温区、500℃以上到1200℃～1570℃的中温区和1570℃的高温区中烧结，在低温区中烧结时，200℃以下升温速度为2-5℃/min，200℃以上到400℃升温速度为1-3℃/min，升至400℃时保温30分钟，然后以3℃/min的速度升温到500℃；在中温区中烧结时，500℃以上到1150℃，速度为4-5℃/min；1150℃到1570℃，此阶段将升温速度控制在3-4℃/min并在1300℃保温1小时；在高温区中烧结时，在1570℃保温6-10小时，然后随炉冷却，制成过滤介质。

5.根据权利要求4所述的锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于：所述步骤2中，搅拌聚乙烯醇和水的转速为70～100转/分钟。

6.根据权利要求4所述的锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于：所述步骤2中，加入接触材料后搅拌的速度为80-150转/分钟。

7.根据权利要求4所述的锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于：所述步骤2中，消泡剂占聚乙烯醇和水总重量的0.1％～1％。

8.根据权利要求4所述的锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于：嵌有过滤介质的所述浇道的制备方法包括以下步骤：步骤1、制作铝模，制作两个对称的、与浇道内的中空部位匹配的铝模；

步骤2、注蜡，打开铝模，将过滤介质放入铝模与过滤腔体对应的部位，合上铝模后注蜡，使蜡充满铝模内部以及过滤介质；

步骤3、挂砂，待蜡凝固后，打开铝模并取出带有过滤介质的蜡模，吹融蜡模过滤介质处表面的蜡，直至蜡模表面露出过滤介质，在蜡模表面反复涂挂接触材料直至所需厚度并阴干4～128小时；

步骤4、融蜡，将步骤3获得的产物放入热水中，蜡在此过程中融化脱离，捞出后阴干8～

24小时；

步骤5、烧结，在1050～1250℃下烧结步骤4获得的产物并保温30min～2h，接触材料烧结成型壳，过滤介质嵌入型壳中，获得带有过滤介质的浇道。

9.根据权利要求8所述的锆合金熔炼和浇铸方法，其特征在于：步骤3中，在蜡模表面涂挂接触材料时，先涂挂400目的接触材料，然后在400目的接触材料上涂挂200目的接触材料。

说明书

一种锆合金熔炼和浇铸方法

技术领域

[0001] 本发明涉及锆合金熔炼和浇铸方法。

背景技术

[0002] 目前，锆在地壳中的含量很丰富，按丰度居第20位，金属锆的高抗腐蚀性能和极高的熔点(1860℃)等特性，是航空航天以及船舶和核电领域中极具应用潜力的新型结构材料。锆在室温时为密排六方结构，称为a相，其显著特点是室温抗拉强度很低，不到400MPa，无法满足结构材料对力学性能的要求，因此，除在核工业中得到应用外，在其它工程领域很少作为结构材料来应用，至今很少见报道，α-Zr在865℃时发生同素异晶转变，转变为体心立方的β-Zr。随着其他工程材料的应用范围开始出现局限性，由于锆合金具有其独特的力学和抗腐蚀性能，锆合金开始进入工程领域的视野。公开号为CN102260807A的专利通过自耗电弧炉方法熔炼锆合金，存在熔炼次数多、耗能大的缺陷。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种操作简便、能耗更低、净化效果更好的锆合金熔炼和浇铸方法。

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锆合金熔炼和浇铸方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤一，一次熔炼，将相同牌号的锆合金返回料放入真空熔炼炉的坩埚中，真空度为0.001-0.1Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度为1000-1500℃，熔炼时间为30-60分钟，锆合金完全融化后，倒入嵌有过滤介质的过滤设备中进行浇铸；待铸锭冷却后，打开真空炉，取出铸锭开坯，将合金的外表皮清除掉1-2毫米，然后取样分析锆合金铸锭的成分，按照合金牌号的要求，计算成分偏差，决定需要补充的合金元素；

[0006] 步骤二，二次熔炼，调整合金成分，将弥补的合金元素偏差的各种合金元素单质或中间合金，与一次熔炼的锆合金铸锭一同放入真空熔炼炉，真空度为0.001-0.1Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度1000～1500℃，熔炼时间为30～60分钟，搅拌使锆合金熔体的组分均匀；

[0007] 步骤三，净化工艺准备，将嵌有过滤介质的浇道预热到1000-1200℃；铸锭模准备，将铸锭模表面清理干净，没有杂质和油污附着；

[0008] 步骤四，浇铸与净化，将熔融的锆合金熔体倒入浇道中，锆合金熔体通过过滤介质，其合金熔体中的杂质被过滤介质拦截和吸附，洁净的锆合金熔体流入到铸锭模中，冷却形成铸锭。

[0009] 作为优选方式，所述浇道和过滤介质均由接触材料构成，所述接触材料由陶瓷粉料和增强稳定剂组成，所述陶瓷粉料由MgO和ZrO2按摩尔比6-12:100组成，增强稳定剂按重量比为陶瓷粉料的0.5％-1％，所述增强稳定剂为富铈稀土。

[0010] 作为优选方式，所述接触材料的制备方法包括以下步骤：

[0011] 步骤1，将陶瓷粉料和增强稳定剂混合均匀；

[0012] 步骤2，湿法球磨20-24小时，80-100℃干燥后粉碎；

[0013] 步骤3，于1400-1450℃下煅烧1.5-6小时，冷却，粉碎；

[0014] 步骤4，湿法球磨24-48小时，80-100℃下干燥后粉碎、筛选。

[0015] 作为优选方式，所述过滤介质的制备方法包括以下步骤：

[0016] 步骤1，前处理，将三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入浓度为10％～20％的NaOH溶液中，在40～60℃温度下水解2～4h，然后反复揉搓并用清水冲洗前驱体后晾干，从而清洗干净海绵；

[0017] 步骤2，制浆，首先逐步将聚乙烯醇添加在水中，直至聚乙烯醇和水的粘度为40-50CPS以及PH值在5-7，水溶液温度控制在40-50℃，进行搅拌，同时加入消泡剂，将200目和
400目接触材料按照3：1的重量比倒入上述溶液中，进行搅拌，获得浆料，200目接触材料和
400目接触材料的重量占浆料重量的75-85％；

[0018] 步骤3，涂挂，将步骤1得到的三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入到步骤2得到的浆料中，充分排出骨架中的气体，使其表面及内部均匀涂挂上浆料，捞出；

[0019] 步骤4，自然阴干和烘干，将涂挂三维聚氨酯泡沫海绵骨架的放置于阴凉通风处，进行阴干处理，阴干4-48小时，制成陶瓷过滤器的待烘干半成品，将阴干后的过滤介质半成品放入烘干炉内进行烘干，烘干炉的升温速度为0.5-5℃/min，升温到90-120℃，保温1-2小时，然后随炉冷却，制成过滤介质的待烧结半成品；

[0020] 步骤5，烧结，即在500℃以下的低温区、500℃以上到1200℃～1570℃的中温区和1570℃的高温区中烧结，在低温区中烧结时，200℃以下升温速度为2-5℃/min，200℃以上到400℃升温速度为1-3℃/min，升至400℃时保温30分钟，然后以3℃/min的速度升温到500℃；在中温区中烧结时，500℃以上到1150℃，速度为4-5℃/min；1150℃到1570℃，此阶段将升温速度控制在3-4℃/min并在1300℃保温1小时；在高温区中烧结时，在1570℃保温6-10小时，然后随炉冷却，制成过滤介质。

[0021] 作为优选方式，所述步骤2中，搅拌聚乙烯醇和水的转速为70～100转/分钟。

[0022] 作为优选方式，所述步骤2中，加入接触材料后搅拌的速度为80-150转/分钟。

[0023] 作为优选方式，所述步骤2中，消泡剂占聚乙烯醇和水总重量的0.1％～1％。

[0024] 作为优选方式，嵌有过滤介质的所述浇道的制备方法包括以下步骤：

[0025] 步骤1、制作铝模，制作两个对称的、与浇道内的中空部位匹配的铝模；

[0026] 步骤2、注蜡，打开铝模，将过滤介质放入铝模与过滤腔体对应的部位，合上铝模后注蜡，使蜡充满铝模内部以及过滤介质；

[0027] 步骤3、挂砂，待蜡凝固后，打开铝模并取出带有过滤介质的蜡模，吹融蜡模过滤介质处表面的蜡，直至蜡模表面露出过滤介质，在蜡模表面反复涂挂接触材料直至所需厚度并阴干4～128小时；

[0028] 步骤4、融蜡，将步骤3获得的产物放入热水中，蜡在此过程中融化脱离，捞出后阴干8～24小时；

[0029] 步骤5、烧结，在1050～1250℃下烧结步骤4获得的产物并保温30min～2h，接触材料烧结成型壳，过滤介质嵌入型壳中，获得带有过滤介质的浇道。

[0030] 作为优选方式，步骤3中，在蜡模表面涂挂接触材料时，先涂挂400目的接触材料，然后在400目的接触材料上涂挂200目的接触材料。

[0031] 本锆合金熔炼和浇铸方法与现有技术相比具有如下优点：步骤简单，比自耗电弧炉方法减少了熔炼次数，节省能源消耗；锆合金的夹杂少，O、S、P、N、C等杂质元素的含量极低，改善了合金的金相结构，提升了合金的力学性能；与母合金相比，没有明显区别，减少锆合金的降级使用，提高了社会经济效益，实现了循环使用的目的。

[0032] 进一步地，浇道和过滤介质均由接触材料制成，接触材料采用ZrO2作为主体材料以避免与锆合金反应，在ZrO2中添加MgO和富铈稀土，通过湿法球磨、煅烧等工序制备得出，MgO和富铈稀土的加入及上述处理有利于晶型稳定化，获得稳定的四方晶型ZrO2，避免纯ZrO2因晶型转变导致的体积变化和热效应，从而保证其性能。除了锆合金外，本接触材料及过滤介质还可用于净化活泼性比锆低的金属或合金。

[0033] 进一步地，本发明所用过滤介质的制备该方法利用三维聚氨酯泡沫海绵作为骨架，在骨架涂挂浆料并经过烘干和烧结程序得到过滤介质，通过选择不同孔隙密度的三维聚氨酯泡沫海绵作为骨架制备不同孔隙密度的过滤介质，从而拦截不同尺寸的杂质；通过控制烧结的升温速度，完成应力消除并避免细微裂纹，具有良好的常温强度和高温强度，能够适应在净化过程中的温度变化，保证净化效果。

[0034] 进一步地，本发明所用浇道利用上述接触材料和净化介质制成，浇道的制备方法充分利用过滤介质表面布满孔隙的特点，通过制作铝模、将过滤介质放入铝模并注蜡形成蜡模、在蜡模表面同时也在过滤介质表面挂砂形成浇道、融蜡和烧结成型壳，过滤介质在此过程中嵌入浇道中，从而制备出一体成型的浇道，过滤介质嵌入浇道中能保证所有锆合金熔体均无死角地被过滤介质拦截，提高净化效果。

附图说明

[0035] 图1为过滤设备的剖视图。

[0036] 图2为过滤介质的立体图。

[0037] 图3为多层坩埚的主视剖视图。

具体实施方式

[0038] 为有效净化锆合金，避免锆合金熔体与接触材料反应，本发明首先需要制备可避免与锆合金反应的接触材料，本接触材料主要采用氧化锆，氧化锆能有效避免与锆合金反应，但氧化锆有三种晶型，低温为单斜晶系，高温为四方晶系，更高温度下转变为立方晶系，单斜晶与四方晶之间的转变伴随有7％-9％的体积变化，加热时，单斜晶转变为四方晶，体积收缩；冷却时，四方晶转变为单斜晶，体积膨胀，由于晶型转变引起体积效应，所以用纯ZrO2就很难制造稳定的成品，必须进行晶型稳定化处理。

[0039] 实施例1

[0040] 本实施例的接触材料由陶瓷粉料和增强稳定剂制成，所述陶瓷粉料由MgO和ZrO2按摩尔比6:100组成，增强稳定剂按重量比为陶瓷粉料的0.5％，所述增强稳定剂优选为富4+
铈稀土。MgO的阳离子半径与Zr 相近，它们在ZrO2中的溶解度很大，可以和ZrO2形成单斜、四方和立方等晶型的置换型固溶体。

[0041] 该接触材料的制备方法如下：

[0042] 步骤1，将陶瓷粉料和增强稳定剂混合均匀；

[0043] 步骤2，湿法球磨20小时，80℃烘箱干燥后粉碎；

[0044] 步骤3，于1400℃下煅烧1.5小时，冷却，粉碎，这样处理后的接触材料均匀，且相体稳定，由于提前进行固溶处理，为后续的烧结均匀奠定基础，材料的强度更高；

[0045] 步骤4，湿法球磨24小时，80℃下干燥，过200目和400目筛后作为接触材料备用，以便制备浇道和过滤介质。

[0046] 获得上述接触材料后，即可利用该接触材料制备用于拦截锆合金中杂质的过滤介质。制备所述过滤介质需要以下材料：骨料，200目和400目的上述接触材料；粘结剂，24–88P聚乙烯醇、水、消泡剂；骨架，三维聚氨酯泡沫海绵。

[0047] 本实施例过滤介质的制备方法如下：

[0048] 步骤1，前处理，将三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入浓度为10％质量比的NaOH溶液中，在40℃温度下水解2h，然后反复揉搓并用清水冲洗后晾干，从而清洗干净海绵；

[0049] 步骤2，制浆，首先将聚乙烯醇添加在水中，聚乙烯醇与水的比例为10:100重量比，水溶液温度控制在35℃，使用剪切分散机进行搅拌，防止聚乙烯醇在水中团聚或黏附在容器壁上，影响溶解速度，但搅拌的速度也不能太快，转速在150转/分钟即可，同时加入消泡剂(占聚乙烯醇和水重量的0.1％)，否则会出现大量的泡沫，影响配制出的溶液的质量，将200目接触材料和400目接触材料按照3：1的重量比倒入上述溶液中，使用剪切分散机进行搅拌，搅拌的速度80转/分钟，获得浆料，200目接触材料和400目接触材料的重量占浆料重量的75％；

[0050] 步骤3，涂挂，将步骤1得到的三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入到步骤2得到的浆料中，充分排出骨架中的气体，使其表面及内部均匀涂挂上浆料，捞出；

[0051] 步骤4，干燥，将涂挂三维聚氨酯泡沫海绵骨架的放置于阴凉通风处，进行阴干处理，阴干4小时，使得骨架材料尺寸充分稳定，制成陶瓷过滤器的待烘干半成品，将阴干后的过滤介质半成品放入烘干炉内进行烘干，烘干炉的升温速度为0.5℃/min，升温到90℃，保温1小时，然后随炉冷却，以充分去除浆料中的可挥发物质，完成骨架材料的应力消除，制成陶瓷过滤介质的待烧结半成品；

[0052] 步骤5，烧结，即在低温区(500℃以下)、中温区(500℃以上到1200℃～1570℃)和高温区(1570℃)的温度范围中烧结，在低温区中烧结时，200℃以下升温速度为2℃/min，200℃以上到400℃升温速度为1℃/min，升至400℃时保温30分钟，然后以3℃/min的速度升温到500℃，防止粘结剂挥发速度过快导致的在试样粉料堆积体中形成微小裂纹而降低试样的强度和表面质

[0053] 量，甚至造成废品；在中温区中烧结时，500℃以上到1150℃，速度为4℃/min，升温速度可以快些；1150℃到1570℃，氧化锆开始发生由斜方相向四方相或立方相的转变相变引起的密度变化高达13％，必然在烧结体中形成一定的应力集中区域甚至微裂纹，此阶段将升温速度控制在3℃/min并在1300℃保温1小时，可使相变均匀并释放一定的相变应力，最大限度避免过多微裂纹形成；在高温区中烧结时，在1570℃保温6小时，是为了达到最好的常温强度与高温强度，在此阶段，氧化锆由于稳定剂的固溶效应，可使氧化锆的稳定相量达到一定的程度，同时使由于大量晶粒相变而产生的应力得到释放，然后随炉冷却，制成如图2所示的过滤介质102。

[0054] 三维聚氨酯泡沫海绵在烧结过程中因高温消失，从而在三维聚氨酯泡沫海绵的原有位置形成相应孔隙，进而获得所需的孔隙，选择不同PPI(孔隙密度)的三维聚氨酯泡沫海绵进行上述制备过程即可制备不同PPI(如10-110PPI)的过滤介质。

[0055] 如图1所示为利用重力压头的过滤设备10的剖视图，该过滤设备10包括一体成型的浇道101、多个嵌在浇道101内的过滤介质102以及与浇道101底部出口连接的铸锭模103，作为优选方案，所述浇道101呈圆筒状，浇道101下部具有径向凸出的过滤腔体104，3个PPI不同的过滤介质102适配置于该过滤腔体104中，这3个过滤介质102的PPI沿熔体液流方向(即从上至下)依次升高，以便依次拦截体积逐渐减小的杂质。过滤介质102的数量及PPI可根据需要设置，不拘于本实施例。

[0056] 本实施例提供了一种利用上述接触材料和过滤介质102制备浇道101的方法，使过滤介质102嵌入浇道101内，包括以下步骤：

[0057] 步骤1、制作铝模，制作两个对称的、合上后与浇道101内的中空部位匹配的铝模；

[0058] 步骤2、注蜡，打开铝模，将过滤介质102放入铝模与过滤腔体104对应的部位，合上蜡模后注蜡，使蜡充满蜡模内部以及过滤介质102；

[0059] 步骤3、挂砂制壳，待蜡凝固后，打开铝模并取出带有过滤介质102的蜡模，为避免过滤介质102表面的蜡太厚、涂挂接触材料时接触材料无法紧贴过滤介质102，用电吹风吹融蜡模过滤介质102处表面的蜡，直至蜡模表面露出过滤介质102，将蜡模浸入粘结剂(为精密铸造常用粘结剂，也可为过滤介质的制备方法的步骤2获得的浆料)后在其表面涂挂400目的接触材料作为面层，阴干12小时，浸入粘结剂中并在面层表面涂挂200目的接触材料(面层厚度约为1mm)，阴干12小时，浸入粘结剂中并在面层表面涂挂耐火材料(如莫来石、氧化铝粉、氧化镁粉、锆英石粉等)，阴干12小时，重复进行浸入粘结剂、涂挂耐火材料和阴干12小时的步骤，获得嵌有过滤介质102和以接触材料为面层的壳体(厚度约为10mm)。由于壳体仅采用约1mm厚度接触材料作为面层，满足性能需要的同时，其余部分采用成本更低的耐火材料从而节省成本；

[0060] 步骤4、融蜡，将步骤3获得的产物放入热水中，蜡融化脱离，捞出壳体后阴干8小时；

[0061] 步骤5、烧结，在1050℃下烧结步骤4获得的壳体产物并保温30min，接触材料壳体烧结成型壳，且过滤介质嵌在型壳中，从而获得带有过滤介质102的浇道101。

[0062] 表一示出了本实施例制得的浇道101的浇注试验结果，5个炉仅有一个炉的过滤介质102被冲垮，表明本实施例获得的浇道101及过滤介质102具有良好的抗热震性。

[0063] 表一:浇注试验效果

[0064]

[0065] 利用过滤设备10即可对锆合金进行熔炼和浇铸，该过程包括以下步骤：

[0066] 步骤一，一次熔炼，将相同牌号的锆合金返回料放入真空熔炼炉的坩埚中，真空度为0.001Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度为1000℃，熔炼时间为30分钟，锆合金完全融化后，倒入嵌有过滤介质的过滤设备中进行浇铸；待铸锭冷却后，打开真空炉，取出铸锭开坯，将合金的外表皮清除掉1毫米，然后取样分析锆合金铸锭的成分，按照合金牌号的要求，计算成分偏差，决定需要补充的合金元素。由于合金的成分不明，需要在一次熔炼时确认合金的主要成分，以便在二次熔炼的时候进行调整，防止出现合金成分因为返回料的来源或管理不佳，而出现成分偏差。

[0067] 步骤二，二次熔炼，调整合金成分，将弥补的合金元素偏差的各种合金元素单质或中间合金，与一次熔炼的锆合金铸锭一同放入真空熔炼炉，真空度为0.001Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度1000℃，熔炼时间为30分钟，通过电磁感应搅拌，使得锆合金熔体的组分均匀。

[0068] 步骤三，净化工艺准备，将嵌有过滤介质的浇道预热到1000℃；铸锭模准备，将铸锭模(为金属或者陶瓷材料)表面清理干净，没有杂质和油污附着。

[0069] 步骤四，浇铸与净化，将熔融的锆合金熔体倒入浇道中，锆合金熔体通过过滤介质，其合金熔体中的杂质被过滤介质拦截和吸附，洁净的锆合金熔体流入到铸锭模中，冷却形成铸锭。

[0070] 经试验，本实施例的方法制备的接触材料能有效避免与锆合金反应，从而避免引入杂质，也没有受到晶型转变导致的体积变化和热效应影响，从而保证其性能。经过本实施例的方法制得的过滤介质102无细微裂纹，具有良好抗热震性。通过本实施例的方法可将过滤介质102嵌入浇道101内，过滤介质102嵌入浇道中能保证所有锆合金熔体均无死角地被过滤介质102拦截，提高净化效果。利用过滤设备10对锆合金进行熔炼和浇铸的方法比自耗电弧炉方法减少了熔炼次数，节省能源消耗；锆合金的夹杂少，O、S、P、N、C等杂质元素的含量极低，改善了合金的金相结构，提升了合金的力学性能；减少锆合金的降级使用，提高了社会经济效益，实现了循环使用的目的。

[0071] 实施例2

[0072] 本实施例的接触材料由陶瓷粉料和增强稳定剂制成，所述陶瓷粉料由MgO和ZrO2按摩尔比8.5:100组成，增强稳定剂按重量比为陶瓷粉料的0.8％，所述增强稳定剂优选为富铈稀土。

[0073] 该接触材料的制备方法如下：

[0074] 步骤1，将陶瓷粉料和增强稳定剂混合均匀；

[0075] 步骤2，湿法球磨22小时，90℃烘箱干燥后粉碎；

[0076] 步骤3，于1425℃下煅烧2小时，冷却，粉碎，这样处理后的接触材料均匀，且相体稳定，由于提前进行固溶处理，为后续的烧结均匀奠定基础，材料的强度更高；

[0077] 步骤4，湿法球磨36小时，90℃下干燥，过200目和400目筛后作为接触材料备用，以便制备浇道和过滤介质。

[0078] 获得上述接触材料后，即可利用该接触材料制备用于拦截锆合金中杂质的过滤介质。制备所述过滤介质需要以下材料：骨料，200目和400目的上述接触材料；粘结剂，24–88P聚乙烯醇、水、消泡剂；骨架，三维聚氨酯泡沫海绵。

[0079] 本实施例过滤介质的制备方法如下：

[0080] 步骤1，前处理，将三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入浓度为15％质量比的NaOH溶液中，在40-60℃温度下水解3h，然后反复揉搓并用清水冲洗后晾干，从而清洗干净海绵；

[0081] 步骤2，制浆，首先将聚乙烯醇添加在水中，聚乙烯醇(粉料)与水的比例为11:100的重量比，水溶液温度控制在40℃，使用剪切分散机进行搅拌，转速在150转/分钟即可，同时加入消泡剂(占聚乙烯醇和水重量的0.1％)，将200目接触材料和400目接触材料按照3：1的重量比倒入上述溶液中，使用剪切分散机进行搅拌，搅拌的速度100转/分钟，获得浆料，200目接触材料和400目接触材料的重量占浆料重量的80％；

[0082] 步骤3，涂挂，将步骤1得到的三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入到步骤2得到的浆料中，充分排出骨架中的气体，使其表面及内部均匀涂挂上浆料，捞出；

[0083] 步骤4，干燥，将涂挂三维聚氨酯泡沫海绵骨架的放置于阴凉通风处，进行阴干处理，阴干36小时，制成陶瓷过滤器的待烘干半成品，将阴干后的过滤介质半成品放入烘干炉内进行烘干，烘干炉的升温速度为2℃/min，升温到110℃，保温2小时，然后随炉冷却，制成陶瓷过滤介质的待烧结半成品；

[0084] 步骤5，烧结，即在低温区(500℃以下)、中温区(500℃以上到1200℃～1570℃)和高温区(1570℃)的温度范围中烧结，在低温区中烧结时，200℃以下升温速度为3℃/min，200℃以上到400℃升温速度为2℃/min，升至400℃时保温30分钟，然后以3℃/min的速度升温到500℃；在中温区中烧结时，500℃以上到1150℃，速度为4℃/min；1150℃到1570℃，此阶段将升温速度控制在3℃/min并在1300℃保温1小时；在高温区中烧结时，在1570℃保温8小时，然后随炉冷却，制成如图2所示的过滤介质102。

[0085] 本实施例的过滤设备10与实施例1结构相同，不再赘述。本实施例提供了一种利用上述接触材料和过滤介质102制备浇道101的方法，使过滤介质102嵌入浇道101内，包括以下步骤：

[0086] 步骤1、制作铝模，制作两个对称的、合上后与浇道101内的中空部位匹配的铝模；

[0087] 步骤2、注蜡，打开铝模，将过滤介质102放入铝模与过滤腔体104对应的部位，合上蜡模后注蜡，使蜡充满蜡模内部以及过滤介质102，注蜡速度不宜过快，以免过滤介质102被冲垮；

[0088] 步骤3、挂砂制壳，待蜡凝固后，打开铝模并取出带有过滤介质102的蜡模，为避免过滤介质102表面的蜡太厚、涂挂接触材料时接触材料无法紧贴过滤介质102，用电吹风吹融蜡模过滤介质102处表面的蜡，直至蜡模表面露出过滤介质102，将蜡模浸入粘结剂(为精密铸造常用粘结剂，也可为过滤介质的制备方法的步骤2获得的浆料)后在其表面涂挂400目的接触材料作为面层，阴干48小时后，浸入粘结剂中并在面层表面涂挂200目的接触材料(面层厚度约为1mm)，阴干48小时，浸入粘结剂中并在面层表面涂挂耐火材料(如莫来石、氧化铝粉、氧化镁粉、锆英石粉等)，阴干48小时，重复进行浸入粘结剂、涂挂耐火材料和阴干48小时的步骤，获得嵌有过滤介质102和以接触材料为面层的壳体(厚度约为10mm)。由于壳体仅采用约1mm厚度接触材料作为面层，满足性能需要的同时，其余部分采用成本更低的耐火材料从而节省成本；

[0089] 步骤4、融蜡，将步骤3获得的产物放入热水中，蜡在此过程中融化脱离，捞出后阴干16小时；

[0090] 步骤5、烧结，在1050℃下烧结步骤4获得的产物并保温2h，接触材料烧结成型壳，从而将过滤介质嵌入型壳中，获得带有过滤介质102的浇道101。

[0091] 表二示出了本实施例制得的浇道101的浇注试验结果，与实施例1相比，本实施例的5个炉的过滤介质102均没有被冲垮，表明本实施例获得的浇道101及过滤介质102具有优良的抗热震性。

[0092] 表二:浇注试验效果

[0093]炉批 炉号1 炉号2 炉号3 炉号4 炉号5
效果 良好 良好 良好 良好 良好
备注          

[0094] 利用过滤设备10即可对锆合金进行熔炼和浇铸，该过程包括以下步骤：

[0095] 步骤一，一次熔炼，将相同牌号的锆合金返回料放入真空熔炼炉的坩埚中，真空度为0.001Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度为1450℃，熔炼时间为40分钟，锆合金完全融化后，倒入嵌有过滤介质的过滤设备中进行浇铸；待铸锭冷却后，打开真空炉，取出铸锭开坯，将合金的外表皮清除掉1毫米，然后取样分析锆合金铸锭的成分，按照合金牌号的要求，计算成分偏差，决定需要补充的合金元素。由于合金的成分不明，需要在一次熔炼时确认合金的主要成分，以便在二次熔炼的时候进行调整，防止出现合金成分因为返回料的来源或管理不佳，而出现成分偏差。

[0096] 步骤二，二次熔炼，调整合金成分，将弥补的合金元素偏差的各种合金元素单质或中间合金，与一次熔炼的锆合金铸锭一同放入真空熔炼炉，真空度为0.001Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度1450℃，熔炼时间为30分钟，通过电磁感应搅拌，使得锆合金熔体的组分均匀。

[0097] 步骤三，净化工艺准备，将嵌有过滤介质的浇道预热到1150℃；铸锭模准备，将铸锭模(为金属或者陶瓷材料)表面清理干净，没有杂质和油污附着。

[0098] 步骤四，浇铸与净化，将熔融的锆合金熔体倒入浇道中，锆合金熔体通过过滤介质，其合金熔体中的杂质被过滤介质拦截和吸附，洁净的锆合金熔体流入到铸锭模中，冷却形成铸锭。

[0099] 经试验，本实施例的方法制备的接触材料能有效避免与锆合金反应，从而避免引入杂质，也没有受到晶型转变导致的体积变化和热效应影响，从而保证其性能。经过本实施例的方法制得的过滤介质102无细微裂纹，具有良好抗热震性。通过本实施例的方法可将过滤介质102嵌入浇道101内，过滤介质102嵌入浇道中能保证所有锆合金熔体均无死角地被过滤介质102拦截，提高净化效果。利用过滤设备10对锆合金进行熔炼和浇铸的方法比自耗电弧炉方法减少了熔炼次数，节省能源消耗；锆合金的夹杂少，O、S、P、N、C等杂质元素的含量极低，改善了合金的金相结构，提升了合金的力学性能；减少锆合金的降级使用，提高了社会经济效益，实现了循环使用的目的。

[0100] 实施例3

[0101] 本实施例的接触材料由陶瓷粉料和增强稳定剂制成，所述陶瓷粉料由MgO和ZrO2按摩尔比12:100组成，增强稳定剂按重量比为陶瓷粉料的1％，所述增强稳定剂优选为富铈稀土。

[0102] 该接触材料的制备方法如下：

[0103] 步骤1，将陶瓷粉料和增强稳定剂混合均匀；

[0104] 步骤2，湿法球磨24小时，100℃烘箱干燥后粉碎；

[0105] 步骤3，于1450℃下煅烧2.5小时，冷却，粉碎，这样处理后的接触材料均匀，且相体稳定，由于提前进行固溶处理，为后续的烧结均匀奠定基础，材料的强度更高；

[0106] 步骤4，湿法球磨48小时，100℃下干燥，过200目和400目筛后作为接触材料备用，以便制备浇道和过滤介质。

[0107] 获得上述接触材料后，即可利用该接触材料制备用于拦截锆合金中杂质的过滤介质。制备所述过滤介质需要以下材料：骨料，200目和400目的上述接触材料；粘结剂，24–88P聚乙烯醇、水、消泡剂；骨架，三维聚氨酯泡沫海绵。

[0108] 本实施例过滤介质的制备方法如下：

[0109] 步骤1，前处理，将三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入浓度为20％质量比的NaOH溶液中，在40-60℃温度下水解4h，然后反复揉搓并用清水冲洗后晾干，从而清洗干净海绵；

[0110] 步骤2，制浆，首先将聚乙烯醇添加在水中，聚乙烯醇(粉料)与水的比例为10:100重量比，水溶液温度控制在45℃，使用剪切分散机进行搅拌，转速在100转/分钟即可，同时加入消泡剂(占聚乙烯醇和水重量的1％)，将200目接触材料和400目接触材料按照3：1的重量比倒入上述溶液中，使用剪切分散机进行搅拌，搅拌的速度150转/分钟，获得浆料，200目接触材料和400目接触材料的重量占浆料重量的85％；

[0111] 步骤3，涂挂，将步骤1得到的三维聚氨酯泡沫海绵骨架浸入到步骤2得到的浆料中，充分排出骨架中的气体，使其表面及内部均匀涂挂上浆料，捞出；

[0112] 步骤4，干燥，将涂挂三维聚氨酯泡沫海绵骨架的放置于阴凉通风处，进行阴干处理，阴干48小时，制成陶瓷过滤器的待烘干半成品，将阴干后的过滤介质半成品放入烘干炉内进行烘干，烘干炉的升温速度为5℃/min，升温到120℃，保温2小时，然后随炉冷却，制成陶瓷过滤介质的待烧结半成品；

[0113] 步骤5，烧结，即在低温区(500℃以下)、中温区(500℃以上到1200℃～1570℃)和高温区(1570℃)的温度范围中烧结，在低温区中烧结时，200℃以下升温速度为5℃/min，200℃以上到400℃升温速度为3℃/min，升至400℃时保温30分钟，然后以3℃/min的速度升温到500℃；在中温区中烧结时，500℃以上到1150℃，速度为5℃/min；1150℃到1570℃，此阶段将升温速度控制在4℃/min并在1300℃保温1小时；在高温区中烧结时，在1570℃保温
10小时，然后随炉冷却，制成如图2所示的过滤介质102。

[0114] 本实施例的过滤设备10与实施例1结构相同，不再赘述。本实施例提供了一种利用上述接触材料和过滤介质102制备浇道101的方法，使过滤介质102嵌入浇道101内，包括以下步骤：

[0115] 步骤1、制作铝模，制作两个对称的、合上后与浇道101内的中空部位匹配的铝模；

[0116] 步骤2、注蜡，打开铝模，将过滤介质102放入铝模与过滤腔体104对应的部位，合上蜡模后注蜡，使蜡充满蜡模内部以及过滤介质102，注蜡速度不宜过快，以免过滤介质102被冲垮；

[0117] 步骤3、挂砂制壳，待蜡凝固后，打开铝模并取出带有过滤介质102的蜡模，为避免过滤介质102表面的蜡太厚、涂挂接触材料时接触材料无法紧贴过滤介质102，用电吹风吹融蜡模过滤介质102处表面的蜡，直至蜡模表面露出过滤介质102，将蜡模浸入粘结剂(为精密铸造常用粘结剂，也可为过滤介质的制备方法的步骤2获得的浆料)后在其表面涂挂400目的接触材料作为面层，阴干128小时后，浸入粘结剂中并在面层表面涂挂200目的接触材料(面层厚度约为1mm)，阴干128小时，浸入粘结剂中并在面层表面涂挂耐火材料(如莫来石、氧化铝粉、氧化镁粉、锆英石粉等)，阴干128小时，重复进行浸入粘结剂、涂挂耐火材料和阴干128小时的步骤，获得嵌有过滤介质102和以接触材料为面层的壳体(厚度约为10mm)。由于壳体仅采用约1mm厚度接触材料作为面层，满足性能需要的同时，其余部分采用成本更低的耐火材料从而节省成本；

[0118] 步骤4、融蜡，将步骤3获得的产物放入热水中，蜡在此过程中融化脱离，捞出后阴干24小时；

[0119] 步骤5、烧结，在1050℃下烧结步骤4获得的产物并保温2h，接触材料烧结成型壳，从而将过滤介质嵌入型壳中，获得带有过滤介质102的浇道101。

[0120] 表三示出了本实施例制得的浇道101的浇注试验结果，5个炉仅有一个炉的过滤介质102被冲垮，表明本实施例获得的浇道101及过滤介质102具有良好的抗热震性。

[0121] 表三:浇注试验效果

[0122]

[0123] 利用过滤设备10即可对锆合金进行熔炼和浇铸，该过程包括以下步骤：

[0124] 步骤一，一次熔炼，将相同牌号的锆合金返回料放入真空熔炼炉的坩埚中，真空度为0.1Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度为1500℃，熔炼时间为60分钟，锆合金完全融化后，倒入嵌有过滤介质的过滤设备中进行浇铸；待铸锭冷却后，打开真空炉，取出铸锭开坯，将合金的外表皮清除掉2毫米，然后取样分析锆合金铸锭的成分，按照合金牌号的要求，计算成分偏差，决定需要补充的合金元素。由于合金的成分不明，需要在一次熔炼时确认合金的主要成分，以便在二次熔炼的时候进行调整，防止出现合金成分因为返回料的来源或管理不佳，而出现成分偏差。

[0125] 步骤二，二次熔炼，调整合金成分，将弥补的合金元素偏差的各种合金元素单质或中间合金，与一次熔炼的锆合金铸锭一同放入真空熔炼炉，真空度为0.1Pa,然后充入充分干燥后的氩气，熔炼温度1500℃，熔炼时间为60分钟，通过电磁感应搅拌，使得锆合金熔体的组分均匀。

[0126] 步骤三，净化工艺准备，将嵌有过滤介质的浇道预热到1200℃；铸锭模准备，将铸锭模(为金属或者陶瓷材料)表面清理干净，没有杂质和油污附着。

[0127] 步骤四，浇铸与净化，将熔融的锆合金熔体倒入浇道中，锆合金熔体通过过滤介质，其合金熔体中的杂质被过滤介质拦截和吸附，洁净的锆合金熔体流入到铸锭模中，冷却形成铸锭。

[0128] 经试验，本实施例的方法制备的接触材料能有效避免与锆合金反应，从而避免引入杂质，也没有受到晶型转变导致的体积变化和热效应影响，从而保证其性能。经过本实施例的方法制得的过滤介质102无细微裂纹，具有较好抗热震性。通过本实施例的方法可将过滤介质102嵌入浇道101内，过滤介质102嵌入浇道中能保证所有锆合金熔体均无死角地被过滤介质102拦截，提高净化效果。

[0129] 利用过滤设备10对锆合金进行熔炼和浇铸的方法比自耗电弧炉方法减少了熔炼次数，节省能源消耗；锆合金的夹杂少，O、S、P、N、C等杂质元素的含量极低，改善了合金的金相结构，提升了合金的力学性能；减少锆合金的降级使用，提高了社会经济效益，实现了循环使用的目的。

[0130] 上述各个实施例中，锆合金熔炼和浇铸方法的步骤一中均使用到了坩埚，本发明还提供了一种多层坩埚，如图3所示为多层坩埚的主视剖视图，包括用于盛装熔体且可避免污染熔体的内层坩埚1、用于支撑内层坩埚1的外层坩埚3以及耐火填充层2，所述内层坩埚1体积略小于外层坩埚3并置于外层坩埚3内，耐火填充层2垫在内层坩埚1外壁与外层坩埚3内壁之间。

[0131] 外层坩埚3主要起限位和防护内层坩埚1的作用，防止内层坩埚1中的熔体泄露，由于外层坩埚3不与熔体接触，其可以由铸铁、铸钢、石墨、MgO、Al2O3、SiO2或上述物质的组合构成，从而降低成本。

[0132] 所述内层坩埚1与熔体接触，承担盛装熔体的作用，优选由上述制备的接触材料构成，从而有效避免与熔体接触而发生反应。与现有技术相比，由于内层坩埚1有外层坩埚3的支撑和防护，故其厚度无需像现有技术那么厚，降低厚度有利于降低加工难度和成本，采用本结构对降低成本、推广氧化锆的应用有极大意义。所述耐火填充层2起定位内层坩埚1、尺寸膨胀缓冲和防止内层坩埚1错位的作用，优选由耐火棉、玻璃纤维、岩棉等可变形的耐火材料或上述物质的组合构成，避免内层坩埚1外壁与外层坩埚3内壁直接接触，内层坩埚1受热膨胀得以缓冲。