专利名称：具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，属于冶金中的坩埚技术领域。
背景技术：
在熔炼技术中，真空感应熔炼技术属于比较先进的熔炼技术，它排除了熔炼过程中气氛和加热源对炉料的污染，能制备纯度较高的产品。但是，坩埚材料仍然能同炉料产生反应。为了制备对纯度要求特别高的产品和熔炼活泼材料，上世纪末出现了悬浮熔炼技术， 又称为冷坩埚真空感应熔炼技术——它用紫铜坩埚代替陶瓷材料坩埚，并通过电磁场使熔融的炉料在熔炼过程中处于悬浮或准悬浮状态，从而完全排除了坩埚材料的污染作用。为防止金属坩埚本身被熔化，这种坩埚必须用水或其它冷却剂冷却。感应圈产生的电磁场是熔体获得热效应和悬浮力的基础，即实现悬浮熔炼的基础。热效应不足将导致熔化不充分；悬浮力不足时熔体将同坩埚发生接触或半接触，其后果包括热量通过坩埚壁被冷却水大量携带，大幅度增加能量消耗；第二是引起炉料温度降低，熔化不充分，导致产品的成分和组织不均勻，降低产品的质量和成材率；第三，这导致坩埚对炉料的污染发生，使悬浮熔炼的基本优点丧失；此外，熔体同金属坩埚接触还会导致坩埚烧损，引起事故和增加设备成本。在封闭的金属坩埚内电磁场的强度等于零。为了在金属坩埚内获得电磁场必须把坩埚侧壁设计成分瓣结构——在坩埚侧壁留出若干与坩埚轴线平行的缝隙。这样，就能有相当比例的电磁场进入坩埚内部(图1)。为了保持坩埚的整体性，以往的冷坩埚在其底部没有缝隙，或者虽然有缝隙，但缝隙不贯穿底部的整个厚度。由于电磁场无法穿透这种坩埚底，坩埚底部空间内的电磁场十分微弱，所以，底部的炉料往往因熔化不充分而形成凝壳 (图1和图幻。这种结构的坩埚底还形成涡流，使电磁能的很大一部分转变成热能，额外地增大了能量消耗。坩埚设计的技术关键之二是产生使熔体悬浮的力。感应圈中的高频电流在坩埚内产生平行于坩埚轴线的交变磁场，在交变磁场的作用下，熔体的周边感应出环绕坩埚轴线的涡流，最后，环绕坩埚轴线的涡流同交变磁场的作用又产生了方向指向坩埚轴线的电磁力。电磁力使熔体脱离坩埚侧壁向坩埚的中心轴压缩，它是悬浮力的来源。相反，熔体重力产生的压力使熔体向外扩展。在这两种力的共同作用下，熔体就成为上端细，下端粗的形状。这个分析表明，在熔体的指定位置获得悬浮力的必要条件是在该位置有电磁场、 有涡流，电磁场和涡流交互作用产生的力在垂直于坩埚内壁的方向上有分力。在以往的冷坩埚中，底部的熔体几乎得不到悬浮力。其原因包括在坩埚底部几乎没有电磁场；冷坩埚的底面是平面或大体是平面。这样，即便有电磁场，感应涡流也仅分布于熔体边缘，在底面内部没有涡流；即便有电磁场和涡流，它们产生的作用力的方向垂直于坩埚轴线，在垂直于平底面的方向没有分量。[0007]综上所述，传统真空悬浮熔炼的冷坩埚的设计有一些缺点，它们最重要的后果是坩埚内底部的热效应降低，悬浮力消失。
发明内容本实用新型的目的是为了提高真空悬浮熔炼的热效应和悬浮力，特别是冷坩埚内底部区域的热效应和悬浮力，提供一种具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚。本实用新型的目的是由以下方式实现的本实用新型包括坩埚体，坩埚体的侧壁为分瓣结构，各瓣之间的缝隙贯穿坩埚体的壁厚，其特征是坩埚体的底部的内壁与水平方向有均勻或不均勻的斜度，坩埚体的底部有完全的分瓣结构，坩埚体底部的分瓣之间的缝隙贯穿坩埚体底部的厚度。所述坩埚体的底部的分瓣结构包括以坩埚体轴线为中心的辐射分瓣结构、以平行线的方式分瓣的分瓣结构、以曲线(例如蛇行线)的方式分瓣的分瓣结构，或以其它方式分瓣的分瓣结构。所述坩埚体的底部的内壁与水平方向有均勻或不均勻的斜度，即坩埚体的底面与水平方向具有倾角，坩埚体的底部内壁各点的斜度可以完全相同，也可以不完全相同。坩埚体的底部的内壁可以是球冠面、圆锥面或其它形状的锥面，还可以是其它类型向下凹的斜面、曲面或具有复合形状的面。坩埚体的底面与水平方向间的倾角在0° 90°之间。在上述设计的基础上，还需要采用下列措施保证坩埚底部的热效应和悬浮力在坩埚体的下方可以另外装设一个与坩埚体同轴线的辅助感应圈。辅助感应圈可以是圆锥形螺线管、平面螺线管或直径小于主感应圈的圆柱螺线管，还可以是其它形状的螺线管。辅助感应圈的供电频率与主感应圈的供电频率可以不同，也可以相同。这类辅助感应圈产生的磁场在坩埚体底附近的方向接近于平行坩埚体底的内壁， 所以它与熔体底面涡流产生的作用力的方向接近垂直于坩埚体底的内壁，从而能产生了较大的悬浮力。辅助感应圈还有其它有利作用，例如增强坩埚体内底部区的电磁场强度，提高熔体底部的温度；在坩埚体底部留有下注口实行底铸的情况下，辅助感应圈还有控制注口开闭，控制底铸熔体流速等作用。第二是要避免结构件形成的涡流吸收电磁场的能量如果电磁场被坩埚体、水套和其它结构件阻挡、吸收而形成涡流，就会严重削弱作用于炉料的有效电磁场。为了避免这类不利作用，本实用新型采取了以下技术措施1)从上到下被完全分瓣的坩埚体需要通过组装坩埚瓣才能得到整体的坩埚。但是，在组装后必须保证坩埚瓣之间保持有适当的间隙，防止坩埚瓣相互接触形成闭合回路。 比较合适的间隙是0. 1 0. 6mm，最好是0. 3 0. 5mm。为了保证间隙的一致性，最好在坩埚瓣之间衬以等厚度的绝缘材料，如刚玉片、石英片、聚四氟乙烯片、环氧树脂等。2)在组装坩埚的技术环节中，必须防止组装材料形成闭合的导电回路，防止组装材料将坩埚瓣连接成闭合的导电回路。满足这些要求的技术措施包括a.用绝缘材料将坩埚瓣封装成整体坩埚，例如用Al203、Si02、Mg0等陶瓷粉末进行填充固定，也可以用环氧树脂等可固化材料进行灌封；
4[0023]b.用刚玉、石英、环氧树脂等绝缘材料装配件(08)拼装坩埚瓣；c.用金属材料装配件拼装坩埚瓣。金属装配件的设计应该以不形成闭合的导电通道为原则，如采用小片状、小条状的装配件，或采用有切断口的金属环，在装配件与被装配的坩埚瓣之间最好衬以绝缘垫。3)冷却坩埚的冷却液一般要通过坩埚体附近的水套再接入炉体外面的冷却液管道，水套一般为圆盘形或圆环形的腔体。设计不合理的水套会大幅度降低电磁场的能量效率。其原因包括水套遮挡磁力线的通道，降低进入坩埚的电磁场能量；水套构成闭合导电通道，它能产生很大的感应涡流，强烈吸收电磁场的能量。减小水套不利作用的措施包括a.水套的尺寸要尽量小，要尽量远离感应圈，要避免成为与感应圈同轴的封闭回路；b.当水套是环状腔体时，必须在环的某个位置将环切断，把两个断口分别焊死，并采用填充绝缘层等办法保证断口之间的绝缘性。本实用新型的有益效果是提高了真空悬浮熔炼的热效应和悬浮力，特别是坩埚内底部区域的热效应和悬浮力。其办法包括将坩埚底完全分瓣，形成电磁场进入坩埚底部的通道；设计有斜度的坩埚底面使底部的熔体能够获得悬浮力；在坩埚下方设置感应圈， 增强熔体底部的电磁场和悬浮力；通过改进坩埚瓣的组装技术和改进水套的设计方法，防止坩埚、水套等结构部件因形成闭合导电回路而阻挡、吸收电磁场并产生涡流，从而排除额外的能量消耗。
图1是实施例一的冷坩埚的结构示意图——#埚底具有完全的分瓣结构；(注只在坩埚右侧画出了感应圈，未显示冷却管道和水套)；图2是图1的俯视图；图3是在实施例一的冷坩埚中，磁场B作用于熔体底面的感应涡流I产生作用力 F的示意图；图4是图3的底部放大图；图5是熔体底面受力F的分解图；图6是实施例二的冷坩埚的结构示意图——J甘埚底(03)有完全分瓣结构，底部装置了辅助感应圈(08)；图7是图6的俯视图；图8是在实施例二的冷坩埚中，安装圆锥形辅助感应圈的冷坩埚的磁场作用于熔体底面的涡流产生作用力的示意图；图9是图8的底部放大图；图10是在实施例二的冷坩埚中，安装平面辅助感应圈的冷坩埚的底部放大图；图11是在实施例二的冷坩埚中，安装圆柱辅助感应圈的冷坩埚的底部放大图；图12是实施例三的冷坩埚组装坩埚瓣的结构和水套设计的示意图；(注为了显示坩埚内部，移除了前面的几片坩埚瓣)。在以上各图中，01.主感应圈，02.坩埚壁，03.坩埚底，04.炉料熔体，05.炉料凝壳，06.辅助感应圈，07.坩埚下注口，08.装配件，09.绝缘垫，10.水套，11.通向炉体外面的冷却总管，12.从坩埚通向水套的冷却导管(图中只表示了少数导管)。在以上各图中，A是坩埚中轴线，B是电磁场的磁力线，C是坩埚分瓣之间的缝隙，E 是坩埚底部不分瓣无缝隙的部分，D是坩埚底内表面的方向线，W是水平面的方向线，α是坩埚底内表面与水平面的夹角，q是力F在垂直于熔体底面方向的分量，u是F在平行于熔体底面方向的分量，M是环状水套或环状装配件的切断口。在附图中，I是熔体表面的涡流，F是主感应圈磁场作用于熔体涡流产生的电磁力，P是熔体重力产生的压力，F’是辅助感应圈磁场作用于熔体涡流产生的电磁力。
具体实施方式
本实用新型包括坩埚体，坩埚体的侧壁02为分瓣结构，各瓣之间的缝隙贯穿坩埚体的壁厚，坩埚体的底部03的内壁与水平方向有均勻或不均勻的斜度，坩埚体的底部03有完全的分瓣结构，坩埚体底部03的分瓣之间的缝隙贯穿坩埚体底部的厚度。实施例一参照附图3、4、5，在此例中，紫铜冷坩埚的坩埚体侧壁为圆筒形，坩埚体底部的内壁是半球面。此坩埚体不仅侧壁分瓣，而且坩埚体底也完全分瓣，分瓣之间的间隙贯穿坩埚壁和坩埚底的厚度，坩埚瓣之间用石英片隔离，瓣间的间隙为0. 4mm。冷坩埚的这种结构使感应圈(01)产生的电磁场能顺利通过坩埚底(03)贯穿坩埚的整个内部空间，使坩埚内包括坩埚底部的炉料能全部被加热而完全熔化。图3和图4显示了在这种结构的坩埚中炉料的受力分析由于坩埚底(03)的内壁有斜度，所以感应圈(01)在坩埚中产生的电磁场B能在熔体(04)的底面感应出涡流I。磁场B同涡流I相互作用，对于熔体底面产生了方向指向坩埚轴线的电磁力F，F在垂直于坩埚底内壁的分力q能克服熔体的压力P，使熔体底面脱离坩埚底的内壁。实施例二参照附图，在此例中，虽然紫铜冷坩埚的坩埚体侧壁仍然为圆筒形，但是紫铜坩埚体底部的内、外表面都是圆锥面，圆锥角为120° (坩埚体底面对于水平面的倾角为30° )。 在坩埚体底部的尖端开有直径2cm的下注口。在这个实施例中，坩埚体壁和坩埚体底的分瓣情况与实施例一相同，所以主感应圈(01)对熔体底面产生悬浮力的情况也与实施例一的情况相似。与实施例一不同，本实施例除了主感应圈(01)之外，在坩埚的下方还安装了圆锥形的辅助感应圈(06)。在坩埚体底部的内壁，辅助感应圈产生的磁力线B的方向接近于与此内壁平行。这样，B与沿熔体底面环绕坩埚轴线A的感应涡流I相互作用，所产生的作用力F’其方向就接近于垂直坩埚底的内壁，从而产生了更加显著的悬浮作用。实施例三参照附图，该坩埚体具有圆截面，紫铜制作。坩埚体侧壁分16瓣，内径R= 120mm。 坩埚体底部按辐射方向分为8瓣，有下注口(07)，圆锥筒形，圆锥角为120°，它直接装在坩埚壁的下端面。坩埚的总高度H = 250mm。坩埚体侧壁的上端面用紫铜环片(08)拼装，在它与坩埚体的表面之间衬了绝缘垫(09)。为了切断涡流回路，紫铜环(08)加工出断口 M。[0058] 不锈钢水套(10)为环形腔体，位于坩埚下方离坩埚下端面的距离H = 100mm。为了切断涡流回路，将水套制作了一个断口 M。
权利要求1.一种具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，包括坩埚体，坩埚体的侧壁为分瓣结构，各瓣之间的缝隙贯穿坩埚体的壁厚，其特征是坩埚体的底部的内壁与水平方向有均勻或不均勻的斜度，坩埚体的底部有完全的分瓣结构，坩埚体底部的分瓣之间的缝隙贯穿坩埚体底部的厚度。
2.根据权利要求1所述的具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，其特征是坩埚体的底面与水平方向间的倾角在0° 90°之间。
3.根据权利要求1所述的具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，其特征是在坩埚体的下方装设一个与坩埚体同轴线的辅助感应圈。
4.根据权利要求1所述的具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，其特征是在坩埚体的坩埚瓣之间保持有0. 1 0. 6mm的间隙。
5.根据权利要求4所述的具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，其特征是用绝缘材料将坩埚瓣封装成整体坩埚。
6.根据权利要求4所述的具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，其特征是用绝缘材料装配件拼装坩埚瓣。
7.根据权利要求4所述的具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，其特征是用金属材料装配件拼装坩埚瓣。
专利摘要本实用新型涉及一种具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，包括坩埚体，坩埚体的侧壁为分瓣结构，各瓣之间的缝隙贯穿坩埚体的壁厚，其特征是坩埚体的底部的内壁与水平方向有均匀或不均匀的斜度，坩埚体的底部有完全的分瓣结构，坩埚体底部的分瓣之间的缝隙贯穿坩埚体底部的厚度。其优点是提高了真空悬浮熔炼的热效应和悬浮力，特别是坩埚内底部区域的热效应和悬浮力。
文档编号F27B14/10GK201983623SQ20102069661
公开日2011年9月21日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者李碚 申请人:李碚