專利名稱：具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，屬于冶金中的坩堝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在熔煉技術(shù)中，真空感應(yīng)熔煉技術(shù)屬于比較先進(jìn)的熔煉技術(shù)，它排除了熔煉過程中氣氛和加熱源對(duì)爐料的污染，能制備純度較高的產(chǎn)品。但是，坩堝材料仍然能同爐料產(chǎn)生反應(yīng)。為了制備對(duì)純度要求特別高的產(chǎn)品和熔煉活潑材料，上世紀(jì)末出現(xiàn)了懸浮熔煉技術(shù)， 又稱為冷坩堝真空感應(yīng)熔煉技術(shù)——它用紫銅坩堝代替陶瓷材料坩堝，并通過電磁場(chǎng)使熔融的爐料在熔煉過程中處于懸浮或準(zhǔn)懸浮狀態(tài)，從而完全排除了坩堝材料的污染作用。為防止金屬坩堝本身被熔化，這種坩堝必須用水或其它冷卻劑冷卻。感應(yīng)圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)是熔體獲得熱效應(yīng)和懸浮力的基礎(chǔ)，即實(shí)現(xiàn)懸浮熔煉的基礎(chǔ)。熱效應(yīng)不足將導(dǎo)致熔化不充分；懸浮力不足時(shí)熔體將同坩堝發(fā)生接觸或半接觸，其后果包括熱量通過坩堝壁被冷卻水大量攜帶，大幅度增加能量消耗；第二是引起爐料溫度降低，熔化不充分，導(dǎo)致產(chǎn)品的成分和組織不均勻，降低產(chǎn)品的質(zhì)量和成材率；第三，這導(dǎo)致坩堝對(duì)爐料的污染發(fā)生，使懸浮熔煉的基本優(yōu)點(diǎn)喪失；此外，熔體同金屬坩堝接觸還會(huì)導(dǎo)致坩堝燒損，引起事故和增加設(shè)備成本。在封閉的金屬坩堝內(nèi)電磁場(chǎng)的強(qiáng)度等于零。為了在金屬坩堝內(nèi)獲得電磁場(chǎng)必須把坩堝側(cè)壁設(shè)計(jì)成分瓣結(jié)構(gòu)——在坩堝側(cè)壁留出若干與坩堝軸線平行的縫隙。這樣，就能有相當(dāng)比例的電磁場(chǎng)進(jìn)入坩堝內(nèi)部(圖1)。為了保持坩堝的整體性，以往的冷坩堝在其底部沒有縫隙，或者雖然有縫隙，但縫隙不貫穿底部的整個(gè)厚度。由于電磁場(chǎng)無法穿透這種坩堝底，坩堝底部空間內(nèi)的電磁場(chǎng)十分微弱，所以，底部的爐料往往因熔化不充分而形成凝殼 (圖1和圖幻。這種結(jié)構(gòu)的坩堝底還形成渦流，使電磁能的很大一部分轉(zhuǎn)變成熱能，額外地增大了能量消耗。坩堝設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵之二是產(chǎn)生使熔體懸浮的力。感應(yīng)圈中的高頻電流在坩堝內(nèi)產(chǎn)生平行于坩堝軸線的交變磁場(chǎng)，在交變磁場(chǎng)的作用下，熔體的周邊感應(yīng)出環(huán)繞坩堝軸線的渦流，最后，環(huán)繞坩堝軸線的渦流同交變磁場(chǎng)的作用又產(chǎn)生了方向指向坩堝軸線的電磁力。電磁力使熔體脫離坩堝側(cè)壁向坩堝的中心軸壓縮，它是懸浮力的來源。相反，熔體重力產(chǎn)生的壓力使熔體向外擴(kuò)展。在這兩種力的共同作用下，熔體就成為上端細(xì)，下端粗的形狀。這個(gè)分析表明，在熔體的指定位置獲得懸浮力的必要條件是在該位置有電磁場(chǎng)、 有渦流，電磁場(chǎng)和渦流交互作用產(chǎn)生的力在垂直于坩堝內(nèi)壁的方向上有分力。在以往的冷坩堝中，底部的熔體幾乎得不到懸浮力。其原因包括在坩堝底部幾乎沒有電磁場(chǎng)；冷坩堝的底面是平面或大體是平面。這樣，即便有電磁場(chǎng)，感應(yīng)渦流也僅分布于熔體邊緣，在底面內(nèi)部沒有渦流；即便有電磁場(chǎng)和渦流，它們產(chǎn)生的作用力的方向垂直于坩堝軸線，在垂直于平底面的方向沒有分量。[0007]綜上所述，傳統(tǒng)真空懸浮熔煉的冷坩堝的設(shè)計(jì)有一些缺點(diǎn)，它們最重要的后果是坩堝內(nèi)底部的熱效應(yīng)降低，懸浮力消失。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了提高真空懸浮熔煉的熱效應(yīng)和懸浮力，特別是冷坩堝內(nèi)底部區(qū)域的熱效應(yīng)和懸浮力，提供一種具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝。本實(shí)用新型的目的是由以下方式實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型包括坩堝體，坩堝體的側(cè)壁為分瓣結(jié)構(gòu)，各瓣之間的縫隙貫穿坩堝體的壁厚，其特征是坩堝體的底部的內(nèi)壁與水平方向有均勻或不均勻的斜度，坩堝體的底部有完全的分瓣結(jié)構(gòu)，坩堝體底部的分瓣之間的縫隙貫穿坩堝體底部的厚度。所述坩堝體的底部的分瓣結(jié)構(gòu)包括以坩堝體軸線為中心的輻射分瓣結(jié)構(gòu)、以平行線的方式分瓣的分瓣結(jié)構(gòu)、以曲線(例如蛇行線)的方式分瓣的分瓣結(jié)構(gòu)，或以其它方式分瓣的分瓣結(jié)構(gòu)。所述坩堝體的底部的內(nèi)壁與水平方向有均勻或不均勻的斜度，即坩堝體的底面與水平方向具有傾角，坩堝體的底部?jī)?nèi)壁各點(diǎn)的斜度可以完全相同，也可以不完全相同。坩堝體的底部的內(nèi)壁可以是球冠面、圓錐面或其它形狀的錐面，還可以是其它類型向下凹的斜面、曲面或具有復(fù)合形狀的面。坩堝體的底面與水平方向間的傾角在0° 90°之間。在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需要采用下列措施保證坩堝底部的熱效應(yīng)和懸浮力在坩堝體的下方可以另外裝設(shè)一個(gè)與坩堝體同軸線的輔助感應(yīng)圈。輔助感應(yīng)圈可以是圓錐形螺線管、平面螺線管或直徑小于主感應(yīng)圈的圓柱螺線管，還可以是其它形狀的螺線管。輔助感應(yīng)圈的供電頻率與主感應(yīng)圈的供電頻率可以不同，也可以相同。這類輔助感應(yīng)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在坩堝體底附近的方向接近于平行坩堝體底的內(nèi)壁， 所以它與熔體底面渦流產(chǎn)生的作用力的方向接近垂直于坩堝體底的內(nèi)壁，從而能產(chǎn)生了較大的懸浮力。輔助感應(yīng)圈還有其它有利作用，例如增強(qiáng)坩堝體內(nèi)底部區(qū)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高熔體底部的溫度；在坩堝體底部留有下注口實(shí)行底鑄的情況下，輔助感應(yīng)圈還有控制注口開閉，控制底鑄熔體流速等作用。第二是要避免結(jié)構(gòu)件形成的渦流吸收電磁場(chǎng)的能量如果電磁場(chǎng)被坩堝體、水套和其它結(jié)構(gòu)件阻擋、吸收而形成渦流，就會(huì)嚴(yán)重削弱作用于爐料的有效電磁場(chǎng)。為了避免這類不利作用，本實(shí)用新型采取了以下技術(shù)措施1)從上到下被完全分瓣的坩堝體需要通過組裝坩堝瓣才能得到整體的坩堝。但是，在組裝后必須保證坩堝瓣之間保持有適當(dāng)?shù)拈g隙，防止坩堝瓣相互接觸形成閉合回路。 比較合適的間隙是0. 1 0. 6mm，最好是0. 3 0. 5mm。為了保證間隙的一致性，最好在坩堝瓣之間襯以等厚度的絕緣材料，如剛玉片、石英片、聚四氟乙烯片、環(huán)氧樹脂等。2)在組裝坩堝的技術(shù)環(huán)節(jié)中，必須防止組裝材料形成閉合的導(dǎo)電回路，防止組裝材料將坩堝瓣連接成閉合的導(dǎo)電回路。滿足這些要求的技術(shù)措施包括a.用絕緣材料將坩堝瓣封裝成整體坩堝，例如用Al203、Si02、Mg0等陶瓷粉末進(jìn)行填充固定，也可以用環(huán)氧樹脂等可固化材料進(jìn)行灌封；
4[0023]b.用剛玉、石英、環(huán)氧樹脂等絕緣材料裝配件(08)拼裝坩堝瓣；c.用金屬材料裝配件拼裝坩堝瓣。金屬裝配件的設(shè)計(jì)應(yīng)該以不形成閉合的導(dǎo)電通道為原則，如采用小片狀、小條狀的裝配件，或采用有切斷口的金屬環(huán)，在裝配件與被裝配的坩堝瓣之間最好襯以絕緣墊。3)冷卻坩堝的冷卻液一般要通過坩堝體附近的水套再接入爐體外面的冷卻液管道，水套一般為圓盤形或圓環(huán)形的腔體。設(shè)計(jì)不合理的水套會(huì)大幅度降低電磁場(chǎng)的能量效率。其原因包括水套遮擋磁力線的通道，降低進(jìn)入坩堝的電磁場(chǎng)能量；水套構(gòu)成閉合導(dǎo)電通道，它能產(chǎn)生很大的感應(yīng)渦流，強(qiáng)烈吸收電磁場(chǎng)的能量。減小水套不利作用的措施包括a.水套的尺寸要盡量小，要盡量遠(yuǎn)離感應(yīng)圈，要避免成為與感應(yīng)圈同軸的封閉回路；b.當(dāng)水套是環(huán)狀腔體時(shí)，必須在環(huán)的某個(gè)位置將環(huán)切斷，把兩個(gè)斷口分別焊死，并采用填充絕緣層等辦法保證斷口之間的絕緣性。本實(shí)用新型的有益效果是提高了真空懸浮熔煉的熱效應(yīng)和懸浮力，特別是坩堝內(nèi)底部區(qū)域的熱效應(yīng)和懸浮力。其辦法包括將坩堝底完全分瓣，形成電磁場(chǎng)進(jìn)入坩堝底部的通道；設(shè)計(jì)有斜度的坩堝底面使底部的熔體能夠獲得懸浮力；在坩堝下方設(shè)置感應(yīng)圈， 增強(qiáng)熔體底部的電磁場(chǎng)和懸浮力；通過改進(jìn)坩堝瓣的組裝技術(shù)和改進(jìn)水套的設(shè)計(jì)方法，防止坩堝、水套等結(jié)構(gòu)部件因形成閉合導(dǎo)電回路而阻擋、吸收電磁場(chǎng)并產(chǎn)生渦流，從而排除額外的能量消耗。

圖1是實(shí)施例一的冷坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖——#堝底具有完全的分瓣結(jié)構(gòu)；(注只在坩堝右側(cè)畫出了感應(yīng)圈，未顯示冷卻管道和水套)；圖2是圖1的俯視圖；圖3是在實(shí)施例一的冷坩堝中，磁場(chǎng)B作用于熔體底面的感應(yīng)渦流I產(chǎn)生作用力 F的示意圖；圖4是圖3的底部放大圖；圖5是熔體底面受力F的分解圖；圖6是實(shí)施例二的冷坩堝的結(jié)構(gòu)示意圖——J甘堝底(03)有完全分瓣結(jié)構(gòu)，底部裝置了輔助感應(yīng)圈(08)；圖7是圖6的俯視圖；圖8是在實(shí)施例二的冷坩堝中，安裝圓錐形輔助感應(yīng)圈的冷坩堝的磁場(chǎng)作用于熔體底面的渦流產(chǎn)生作用力的示意圖；圖9是圖8的底部放大圖；圖10是在實(shí)施例二的冷坩堝中，安裝平面輔助感應(yīng)圈的冷坩堝的底部放大圖；圖11是在實(shí)施例二的冷坩堝中，安裝圓柱輔助感應(yīng)圈的冷坩堝的底部放大圖；圖12是實(shí)施例三的冷坩堝組裝坩堝瓣的結(jié)構(gòu)和水套設(shè)計(jì)的示意圖；(注為了顯示坩堝內(nèi)部，移除了前面的幾片坩堝瓣)。在以上各圖中，01.主感應(yīng)圈，02.坩堝壁，03.坩堝底，04.爐料熔體，05.爐料凝殼，06.輔助感應(yīng)圈，07.坩堝下注口，08.裝配件，09.絕緣墊，10.水套，11.通向爐體外面的冷卻總管，12.從坩堝通向水套的冷卻導(dǎo)管(圖中只表示了少數(shù)導(dǎo)管)。在以上各圖中，A是坩堝中軸線，B是電磁場(chǎng)的磁力線，C是坩堝分瓣之間的縫隙，E 是坩堝底部不分瓣無縫隙的部分，D是坩堝底內(nèi)表面的方向線，W是水平面的方向線，α是坩堝底內(nèi)表面與水平面的夾角，q是力F在垂直于熔體底面方向的分量，u是F在平行于熔體底面方向的分量，M是環(huán)狀水套或環(huán)狀裝配件的切斷口。在附圖中，I是熔體表面的渦流，F(xiàn)是主感應(yīng)圈磁場(chǎng)作用于熔體渦流產(chǎn)生的電磁力，P是熔體重力產(chǎn)生的壓力，F(xiàn)’是輔助感應(yīng)圈磁場(chǎng)作用于熔體渦流產(chǎn)生的電磁力。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型包括坩堝體，坩堝體的側(cè)壁02為分瓣結(jié)構(gòu)，各瓣之間的縫隙貫穿坩堝體的壁厚，坩堝體的底部03的內(nèi)壁與水平方向有均勻或不均勻的斜度，坩堝體的底部03有完全的分瓣結(jié)構(gòu)，坩堝體底部03的分瓣之間的縫隙貫穿坩堝體底部的厚度。實(shí)施例一參照附圖3、4、5，在此例中，紫銅冷坩堝的坩堝體側(cè)壁為圓筒形，坩堝體底部的內(nèi)壁是半球面。此坩堝體不僅側(cè)壁分瓣，而且坩堝體底也完全分瓣，分瓣之間的間隙貫穿坩堝壁和坩堝底的厚度，坩堝瓣之間用石英片隔離，瓣間的間隙為0. 4mm。冷坩堝的這種結(jié)構(gòu)使感應(yīng)圈(01)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能順利通過坩堝底(03)貫穿坩堝的整個(gè)內(nèi)部空間，使坩堝內(nèi)包括坩堝底部的爐料能全部被加熱而完全熔化。圖3和圖4顯示了在這種結(jié)構(gòu)的坩堝中爐料的受力分析由于坩堝底(03)的內(nèi)壁有斜度，所以感應(yīng)圈(01)在坩堝中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)B能在熔體(04)的底面感應(yīng)出渦流I。磁場(chǎng)B同渦流I相互作用，對(duì)于熔體底面產(chǎn)生了方向指向坩堝軸線的電磁力F，F(xiàn)在垂直于坩堝底內(nèi)壁的分力q能克服熔體的壓力P，使熔體底面脫離坩堝底的內(nèi)壁。實(shí)施例二參照附圖，在此例中，雖然紫銅冷坩堝的坩堝體側(cè)壁仍然為圓筒形，但是紫銅坩堝體底部的內(nèi)、外表面都是圓錐面，圓錐角為120° (坩堝體底面對(duì)于水平面的傾角為30° )。 在坩堝體底部的尖端開有直徑2cm的下注口。在這個(gè)實(shí)施例中，坩堝體壁和坩堝體底的分瓣情況與實(shí)施例一相同，所以主感應(yīng)圈(01)對(duì)熔體底面產(chǎn)生懸浮力的情況也與實(shí)施例一的情況相似。與實(shí)施例一不同，本實(shí)施例除了主感應(yīng)圈(01)之外，在坩堝的下方還安裝了圓錐形的輔助感應(yīng)圈(06)。在坩堝體底部的內(nèi)壁，輔助感應(yīng)圈產(chǎn)生的磁力線B的方向接近于與此內(nèi)壁平行。這樣，B與沿熔體底面環(huán)繞坩堝軸線A的感應(yīng)渦流I相互作用，所產(chǎn)生的作用力F’其方向就接近于垂直坩堝底的內(nèi)壁，從而產(chǎn)生了更加顯著的懸浮作用。實(shí)施例三參照附圖，該坩堝體具有圓截面，紫銅制作。坩堝體側(cè)壁分16瓣，內(nèi)徑R= 120mm。 坩堝體底部按輻射方向分為8瓣，有下注口(07)，圓錐筒形，圓錐角為120°，它直接裝在坩堝壁的下端面。坩堝的總高度H = 250mm。坩堝體側(cè)壁的上端面用紫銅環(huán)片(08)拼裝，在它與坩堝體的表面之間襯了絕緣墊(09)。為了切斷渦流回路，紫銅環(huán)(08)加工出斷口 M。[0058] 不銹鋼水套(10)為環(huán)形腔體，位于坩堝下方離坩堝下端面的距離H = 100mm。為了切斷渦流回路，將水套制作了一個(gè)斷口 M。
權(quán)利要求1.一種具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，包括坩堝體，坩堝體的側(cè)壁為分瓣結(jié)構(gòu)，各瓣之間的縫隙貫穿坩堝體的壁厚，其特征是坩堝體的底部的內(nèi)壁與水平方向有均勻或不均勻的斜度，坩堝體的底部有完全的分瓣結(jié)構(gòu)，坩堝體底部的分瓣之間的縫隙貫穿坩堝體底部的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，其特征是坩堝體的底面與水平方向間的傾角在0° 90°之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，其特征是在坩堝體的下方裝設(shè)一個(gè)與坩堝體同軸線的輔助感應(yīng)圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，其特征是在坩堝體的坩堝瓣之間保持有0. 1 0. 6mm的間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，其特征是用絕緣材料將坩堝瓣封裝成整體坩堝。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，其特征是用絕緣材料裝配件拼裝坩堝瓣。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，其特征是用金屬材料裝配件拼裝坩堝瓣。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有高懸浮能力的感應(yīng)熔煉技術(shù)的冷坩堝，包括坩堝體，坩堝體的側(cè)壁為分瓣結(jié)構(gòu)，各瓣之間的縫隙貫穿坩堝體的壁厚，其特征是坩堝體的底部的內(nèi)壁與水平方向有均勻或不均勻的斜度，坩堝體的底部有完全的分瓣結(jié)構(gòu)，坩堝體底部的分瓣之間的縫隙貫穿坩堝體底部的厚度。其優(yōu)點(diǎn)是提高了真空懸浮熔煉的熱效應(yīng)和懸浮力，特別是坩堝內(nèi)底部區(qū)域的熱效應(yīng)和懸浮力。
文檔編號(hào)F27B14/10GK201983623SQ20102069661
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者李碚 申請(qǐng)人:李碚