一种环形水冷铜坩埚的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种环形水冷铜坩祸，主要应用于熔融态金属3D打印、粉体雾化、焊接、冶金熔炼和材料合成等高温流体喷射领域。
【背景技术】
[0002]1831年法拉第建立了电磁感应定律，这一定律为感应加热技术的应用研究奠定了理论基础。到了十九世纪七十年代，Foucaul和Heaviside提出了有关祸流和感应加热的理论，使电磁感应加热的工程应用成为可能。
[0003]感应加热就是把工件放到感应器内，根据电磁感应定律，当通过导体回路的磁通量随时间发生变化时，回路中会产生感应电动势、形成感生电流。炉料电阻小，不大的感应电动势导致炉料表面形成较大的涡旋状电流，产生大量焦耳热，快速加热工件。
[0004]在炉料、合金的熔化与熔炼领域，感应加热不仅具有快速及无公害的优点，还具有特殊的电磁搅拌作用。电磁冷坩祸技术是近年兴起的感应加热新技术，具有广阔的应用前景。它将分瓣的水冷铜坩祸置于交变电磁场内，利用交变电磁场作用于炉料表面产生的感生电流加热、熔化炉料，与此同时，炉料受到的电磁力使熔融炉料与坩祸内壁保持软接触或者非接触状态、不发生化学反应，避免了熔炼或成型过程中杂质元素的污染，实现高纯度材料的低成本熔炼和成型。
[0005]绝大多数水冷坩祸如同传统的真空感应炉型一样，采用圆柱形结构，仅以水冷坩祸取代陶瓷衬里坩祸，放置在真空密封箱体里熔炼，炉体加有冷坩祸的进出水嘴，采用倾倒式出料方式；这种坩祸整套设备体积大、熔炼能力强，适合工业级熔炼。极少一部分坩祸为底注式坩祸，即在坩祸底部开有小孔，当需要熔融炉料流出坩祸时，需要操纵坩祸底部的机构移开堵孔的浇铸塞；这种坩祸适用于小容量熔炼，但炉料流出堵孔时，可能会堵塞坩祸底孔，清理不变。
[0006]目前，无论是倾倒式水冷铜坩祸、还是底注式水冷铜坩祸，都没有出现环形结构的坩祸，坩祸中间没有过孔，不能插入管道在炉料流动过程中引入第二相材料，完成两相流的流动；因此，使用范围有限，仅限于钢铁冶金的浇铸成型等，不能应用于精密流动控制的流体成形。
【发明内容】
[0007]针对以上技术的不足及应用前景，本发明的目的在于提供一种环形水冷铜坩祸，具有外电磁加热器和内电磁加热器，磁场强度大，加热速度快，电效率高；坩祸外壁和坩祸内壁在底部形成的双层锥面结构，两锥面均产生电磁悬浮力，炉料悬浮效果更好；坩祸外壁和坩祸内壁均有电磁搅拌作用，炉料混合更均匀。所设计环形水冷铜坩祸在使用过程中，坩祸本身散热效果好，温度低，炉料和坩祸内壁处于非接触状态，不发生化学反应，对炉料无污染，炉料质量更好。本发明的环形坩祸提供中间通道，适合添加第二相材料外接管路，当接入气相、液相、合金相等材料时，能够应用于熔融态金属3D打印、粉体雾化、焊接、冶金熔炼和材料合成等高温流体喷射领域。
[0008]为了实现上述目的，本发明的基于电磁感应熔炼的环形水冷铜坩祸构思如下: 本发明的一种环形水冷铜坩祸，具有环形坩祸主体结构。
[0009]环形坩祸主体结构包括坩祸外壁、坩祸内壁、循环水冷却结构，坩祸内壁、坩祸外壁构成环形结构，提供中间通道，其中中间通道适合添加第二相材料外接管路，当接入气相、液相、合金相等材料时，能够应用于熔融态金属3D打印、粉体雾化、焊接、冶金熔炼和材料合成等高温流体喷射领域。
[0010]坩祸外壁和坩祸内壁均采用紫铜开缝结构，有利于磁场穿透坩祸壁外，磁场切割坩祸壁，相邻的铜分瓣体在交变磁场作用下产生与感应线圈电流同向的感应电流，并在开缝处激发与感应线圈磁场同向的感应磁场，对外表现为磁场增强效果，提高炉料的加热效率。
[0011]坩祸外壁下端采用收缩口结构，坩祸内壁采用坩祸外壁对称结构，形成环形坩祸底部锥形结构，两锥面均产生电磁悬浮力，悬浮效果更好。
[0012]循环水冷却结构连接固定环形坩祸主体上，分别给坩祸内壁及外壁散热，降低坩祸本身温度，减小坩祸内壁与炉料发生化学反应的可能性，适合高熔点炉料的熔炼。
[0013]本发明的一种环形水冷铜坩祸，具有内外电磁加热发生器。
[0014]内外电磁发生器分别固定在坩祸内壁内侧和坩祸外壁外侧，充分利用磁场叠加的作用效果，两电磁发生器通入同频率交流电，加热效率高，融化后的炉料在坩祸底部收缩口处受到电磁悬浮力作用，保持几何上悬浮熔炼，坩祸内壁和坩祸外壁均产生电磁斥力，使炉料与坩祸内壁处于非接触状态，炉料沿电磁力方向流动、搅拌更加均匀、质量更好。
[0015]本发明的一种环形水冷铜坩祸，具有环形上盖。
[0016]环形上盖设置有出气口、进气口、安全泄压阀，使得环形水冷铜坩祸能够在不同真空度、不同保护气氛下安全熔炼，进一步能够调节坩祸内气体压力变化，让整个熔炼过程及后续的操作更加可控化和简单化。
[0017]本发明的一种环形水冷铜坩祸，具有环形下盖。
[0018]环形下盖固定连接于环形坩祸底部出口处，环形下盖上分布有均匀的出口孔，当熔融态炉料流出出口孔并填满喷嘴时，能够防止炉料与坩祸底部发生化学反应，多个出口孔的设计避免了一个出口孔堵塞时引起的炉料流动中断现象
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案:
一种环形水冷铜坩祸，包括环形主体结构、外电磁加热器、内电磁加热器、环形上盖、环形下盖，所述环形主体结构外侧固定外电磁加热器，内侧固定内电磁加热器，环形主体结构的上端面连接环形上盖，底部固定连接环形下盖。
[0019]所述环形主体结构包括坩祸外壁、坩祸内壁、循环水冷却结构、底部加强筋结构，所述坩祸外壁和坩祸内壁在顶部与循环水冷却结构下端面固定连接，在底部通过底部加强筋结构焊接相连；在所述坩祸外壁的外侧固定外电磁加热器，在所述坩祸内壁内侧固定内电磁加热器，在所述循环水冷却结构上端面通过耐高温O型密封圈密封并螺栓紧固连接环形上盖。
[0020]所述坩祸外壁和坩祸内壁均采用紫铜开缝结构，开缝处填充云母片，每个紫铜分瓣体内设置水冷通道，所述坩祸外壁下端采用收缩口结构，所述坩祸内壁采用坩祸外壁对称结构，形成环形坩祸底部锥形结构，两锥面在内外电磁场的作用下均产生电磁悬浮力。[0021 ] 所述循环水冷却结构包括进水腔、出水腔、悬臂通道、进水口、出水口、空心铜管，所述空心铜管穿过出水腔并留有间隙，下端插入紫铜分瓣体形成的水冷通道，底部留有间隙，上端与进水腔相通并密封，所述进水口、出水口分别与进水腔、出水腔相通，形成完整冷却水回路，所述悬臂通道分别通过焊接导通循环水冷却结构进水腔和出水腔，所述循环水冷却结构上端面开有环形槽，其内部嵌有O型密封圈，循环水冷却结构上端面设置有螺柱，用以紧固连接环形上盖。
[0022]所述外电磁加热器和内电磁加热器均由空心铜管缠绕而成，内部通入冷却水散热，其加热器线圈高度应低于坩祸开缝高度，使磁场能够穿透坩祸壁，所述外电磁加热器与坩祸外壁形状相适配，通过耐高温树脂材料固定于坩祸外壁外侧，所述内电磁加热器采用圆柱形线圈结构，通过耐高温树脂材料固定于坩祸内壁内侧。
[0023]所述环形上盖设置有出气口、进气口、安全泄压阀，所述出气口与外部真空栗相连，进气口与外部保护气源相连。
[0024]所述环形下盖为环形结构，采用耐高温钝化材料，防止炉料与环形下盖发生反应，所述环形下盖与环形主体结构底部固定连接，防止炉料与坩祸底部铜壁发生反应，所述环形下盖上均匀分布出口孔，熔融炉料同时流经多个出口孔在喷嘴内汇流成一条射流，多个出口孔避免了一个出口孔堵塞时引起的流动中断。
[0025]所述的环形主体结构设有中间通道，适合添加各种第二相材料外接管路。
[0026]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1、本发明的环形坩祸具有外电磁加热器和内电磁加热器，磁场强度大，加热速度快，电效率高；
2、本发明坩祸外壁和坩祸内壁在底部形成的双层锥面结构，两锥面均产生电磁悬浮力，炉料悬浮效果更好；
3、本发明坩祸外壁和坩祸内壁均有电磁搅拌作用，炉料混合更均匀，所设计环形水冷铜坩祸在使用过程中，坩祸本身散热效果好，温度低，炉料和坩祸内壁处于非接触状态，对熔炼炉料无污染，所得炉料质量更好，适合活泼性、高熔点炉料的熔炼；
4、本发明环形坩祸整套装置所涉及环形结构设计新颖，提供中间通道，适合添加第二相材料外接管路，当接入气相、液相、合金相等材料时，能够应用于熔融态金属3D打印、粉体雾化、焊接、冶金熔炼和材料合成等高温流体喷射领域；
5、本发明环形坩祸采用环形上盖密封的特殊结构，设置出气孔、进气口，实现坩祸内炉料在不同真空度、不同保护气氛下安全熔炼，通过调节坩祸内气体压力变化、电磁悬浮力大小实现熔融炉料的流速控制；
6、本发明环形坩祸底部固定连接环形下盖，采用耐高温钝化材料，环形