专利名称：连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种冷坩埚。
背景技术：
冷坩埚是用具有水冷的纯铜制造的坩埚，由于坩埚为水冷结构，在使用过 程中坩埚温度很低，所以坩埚本身对坩埚内的材料几乎没有污染。根据坩埚加 热方式的不同，可以分为不开缝的外热式坩埚和开缝的感应加热式坩埚，外热 式冷坩埚是依靠能量发生器产生的能量熔化材料，而感应熔化冷坩埚则依靠电 磁感应加热熔化材料，又称为电磁冷坩埚，是目前应用广泛的冷坩埚。电磁冷 坩埚技术是近几年兴起的新技术，它是将分瓣的水冷铜坩埚置于交变电磁场内， 利用交变电磁场产生的涡流热熔化金属，并依靠电磁力使金属熔体与坩埚壁保
持软接触或者非接触状态，并对炉料进行感应熔炼或者成形的技术，在1990 年日本名古屋召开的第六届钢铁会议上，冷坩埚熔炼技术受到各国的重视，目 前各发达国家都在奋力研究开发这一新的技术。现有的电磁冷坩埚存在熔体与 坩埚内壁贴连、熔体熔化不连续、熔体熔化不良、成分不均匀、电能利用率低、 不方便观察的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的电磁冷坩埚存在熔体与坩埚内壁贴连、熔体熔化不 连续、熔体熔化不良、成分不均匀、电能利用率低、不方便观察的问题，进而 提供了 一种连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚。
本发明的技术方案是:连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚包括进水管、 出水管、若干个细水管、紫铜坩埚主体、感应线圈，进水管通过若干个细水管 与紫铜坩埚主体连通，出水管通过若干个细水管与紫铜坩埚主体连通，所述的 感应线圈套在紫铜坩埚主体的上半体上；所述的紫铜坩埚主体的横截面为扁环 状的空腔体，紫铜坩埚主体由上半体和下半体组成，上半体与下半体为一体， 所述的上半体分割成八个横截面为花瓣状的柱体，八个横截面为花瓣状的柱体 沿紫铜坩埚主体横截面上的X轴和Y轴对称，下半体的底面上与横截面为花瓣 状的柱体对应位置开有纵向深孔，下半体的前后两侧面上开有横向通孔，所述
的纵向深孔与橫向通孔分别连通，每相邻两个横截面为花瓣状的柱体之间留有 间隙，所述的间隙内填充有绝缘密封材料层。
本发明具有以下有益效果1、本发明充分利用了电磁场和金属相互作用的 热效应和力效应。由于熔炼金属与坩埚壁的接触，使与坩埚接触的熔体形成一 薄层凝壳，内部熔体则在该凝壳内熔化，所以能保持原金属的高纯度及防止在 熔炼或成形过程中各种间隙元素的污染，实现高纯材料的低成本熔炼和成型； 金属在水冷铜坩埚中悬浮或与坩埚内壁软接触。2、由于采用感应加热，它可以
熔化高熔点的金属。3、电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀。4、适用范围 广，可以熔炼不同成分的合金和材料。5、由于冷坩埚的冷壁，高温熔体对冷坩 埚无实质性腐蚀，使用寿命长。6、坩埚分瓣数合理，具有良好的透磁和低涡流 损耗特性，在熔体中产生大的感应涡流和悬浮力，从而使冷坩埚的应用效果达 到最佳。7、与现有的冷坩埚相比，本发明可以直接观察驼峰和熔体颜色，及时 调节送料棒速度，以准确制备出所需组织的扁坯；同时可以消除以前因送料棒 贴坩埚壁而造成熔化不良的现象；感应线圈的直接加热作用降低坩埚自身的能 量消耗，提高坩埚的电源利用效率。具有高效、易于观察和控制、过程稳定的 优点，对于降低成本、提高生产率都具有重要意义。8、冷坩埚自身高度较低， 感应线圈与坩埚的上表面平行或略微超出上表面，这样在实验过程中可以直接 观察驼峰形貌、位置和熔体颜色，以判断实验参数配合是否合理，以获得最佳 实验效果，同时这种坩埚由于自身体积小，高度低，因此电源利用效率较高。 本发明应用在精确成形与定向凝固装置的炉体内使用来实现连续熔化与定向凝 固。
图1是本发明的主视图，图2是图1的俯视图，图3是图1的A-A剖视图， 图4是图3的I部放大图。
具体实施例方式
具体实施方式
一如图1 图3所示，本实施方式所述的连续熔化与定向
凝固扁坯用短型冷坩埚由进水管4、出水管5、若干个细水管6、紫铜柑埚主体 1、感应线圈13组成，进水管4通过若干个细水管6与紫铜柑埚主体1连通， 出水管5通过若干个细水管6与紫铜坩埚主体1连通，所述的感应线圈13套在 紫铜坩埚主体1的上半体2上；所述的紫铜坩埚主体1的横截面为扁环状的空
腔体，紫铜坩埚主体1由上半体2和下半体3组成，上半体2与下半体3为一 体，所述的上半体2分割成八个横截面为花瓣状的柱体7，八个横截面为花瓣 状的柱体7沿紫铜坩埚主体1横截面上的X轴和Y轴对称，下半体3的底面上 与横截面为花瓣状的柱体7对应位置开有纵向深孔9，下半体3的前后两侧面 上开有横向通孔10，所述的纵向深孔9与横向通孔10分别连通，每相邻两个 横截面为花瓣状的柱体7之间留有间隙8，所述的间隙8内填充有绝缘密封材 料层12。
根据铜块形状，可选用08mm的铜管绕制4匝感应线圈，感应线圈两头用通 孔螺母与炉体上的电源电极螺丝连接，感应线圈的上平面与坩埚的上平面平行 或者略高3咖。冷坩埚与感应线圈匹配，由于感应线圈上表面与坩埚上表面平 行或略高，坩埚底部抽拉棒深入坩埚内35 40mm，送料棒底部与感应线圈上部 相齐；当感应线圈通入交变电流时，感应线圈可以直接感应送料棒，坩埚对送 料棒和抽拉棒都有感应加热作用，送料棒和抽拉棒都熔化形成驼峰，以不同速 度向下运动，能连续熔化和定向凝固钛铝合金扁坯。
具体实施方式
二:本实施方式所述的绝缘密封材料层12由天然云母片和环 氧树脂组成。选用这样的材料，密封绝缘效果最佳。其它组成和连接关系与具 体实施方式一相同。
具体实施方式
三如图1 图3所示，本实施方式所述的细水管6与进水 管4、细水管6与出水管5以及细水管6与紫铜柑埚主体1的下半体3焊接。 采用焊接，可以至少承受10个大气的压力。其它组成和连接关系与具体实施方 式一相同。
具体实施方式
四如图1和图3所示，本实施方式所述的紫铜坩埚主体1 的长度X宽度X高度二LXWXH二70 80X40 50X50 60 mm。其它组成和连接 关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五如图1和图3所示，本实施方式所述的紫铜埘埚主体1 的长度X宽度X高度二LXWXH二72X44X55 mm。采用这样的尺寸，实验效果最 佳。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六如图4所示，本实施方式所述的间隙8的长度X宽度二a Xb=2.5 4X0.4 0.6 ■。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七如图4所示，本实施方式所述的间隙8的长度X宽度二a
Xb=3X0.5 mm。采用这样的尺寸，便于密封。其它组成和连接关系与具体实 施方式一相同。
具体实施方式
八如图3所示，本实施方式还包括绝缘带ll，所述的绝缘 带11缠绕在紫铜坩埚主体1的外表面上，绝缘带11的外表面上涂有一层环氧 树脂。采用这样的结构，防止紫铜坩埚主体1和感应线圈13导电。其它组成和 连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
九本实施方式所述的绝缘带11的外表面上设有环氧树脂 层。采用这样的结构，绝缘效果好。其它组成和连接关系与具体实施方式
八相 同。
工作原理根据使用方式的不同，冷坩埚可分为间歇式和连续铸造式两种，
其基本原理一样，主要结构相似，它主要由水冷坩埚、电源和其他辅助设施组 成。水冷坩埚由数个弧形块或管组成，弧形块或管内通有冷却水，保持冷壁， 各个弧形块或管间缝隙充填耐火材料，坩埚外绕有水冷感应线圈，感应线圈与 电源相连，以产生交变电磁场。
当线圈通入交变电流时，产生一个交变电磁场。冷坩埚的每分瓣间彼此绝 缘，所以每瓣内都产生感应电流。当感应线圈的瞬间电流/为逆时针方向时， 则在每瓣的截面内同时产生顺时针方向的感生电流/'，相邻两瓣的截面上电 流方向则相反，彼此在瓣间建立的磁场方向相同，向外表现为磁场增强效应。 因此冷坩埚的每一缝隙处都是一个强磁场，冷坩埚如同强流器一样，将磁力线 聚集到坩埚内的物料上，坩埚内的物料就被这个交变的磁场的磁力线所切割。 根据电磁场理论，坩埚内的物料中就产生感应电动势，由于感应电动势的存在， 物料的熔体表面薄层内将形成封闭的电流回路。这种电流称为涡流，涡流的大
小/』艮从欧姆定律。由于涡流回路的电阻通常很小，故/;能达到很高的值，
使涡流回路产生大量的热，从而使金属熔化，其热量可由。二//7 ^确定。因
此冷坩埚内对熔体实行加热主要是依靠感应电流。
由电磁场理论可知电磁力/二7/iyfe a乂历(电磁力向量)
这里，电磁力/可以分解为造成熔体悬浮的无旋分量《和使熔体产生电磁 搅拌驱动力的有旋分量/^:
《作用原理为在金属熔体的表面处，感应线圈所形成的磁场^沿熔体的
母线方向(即剖面图中熔体表面方向)，而熔体感应电流J'的方向为熔体水平截 面的环周方向，则由/二/XA可知，电磁力/方向为熔体表面的内法线方向(如
图4)，因而电磁力可以抵消被熔金属的重力或者静压力，实现被熔金属的悬浮
或软接触。
尸s为电磁搅拌驱动力，对金属熔体产生强烈的搅拌作用，使金属熔体的温 度和成分均匀，并能获得一致的过热度。《和尸s两者之间的数量比由电源磁场
频率所决定，当电源频率越低，则搅拌力越大；反之，频率越高，悬浮力越大。
权利要求
1、 一种连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚，它包括进水管(4)、出水 管(5)、若干个细水管(6)、紫铜坩埚主体(1)、感应线圈(13)，进水管(4) 通过若干个细水管(6)与紫铜坩埚主体(1)连通，出水管(5)通过若干个细 水管(6)与紫铜坩埚主体(1)连通，所述的感应线圈(13)套在紫铜坩埚主 体(1)的上半体(2)上；其特征在于所述的紫铜坩埚主体(1)的横截面为扁 环状的空腔体，紫铜坩埚主体(1)由上半体(2)和下半体(3)组成，上半体(2)与下半体(3)为一体，所述的上半体(2)分割成八个横截面为花瓣状的 柱体(7)，八个横截面为花瓣状的柱体(7)沿紫铜坩埚主体(1)横截面上的 X轴和Y轴对称，下半体(3)的底面上与横截面为花瓣状的柱体(7)对应位 置开有纵向深孔(9)，下半体(3)的前后两侧面上开有横向通孔(10)，所述 的纵向深孔(9)与横向通孔(10)分别连通，每相邻两个横截面为花瓣状的柱 体(7)之间留有间隙(8)，所述的间隙(8)内填充有绝缘密封材料层(12)。
2、 根据权利要求1所述的连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚，其特征 在于所述的绝缘密封材料层(12)由天然云母片和环氧树脂组成。
3、 根据权利要求1所述的连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚，其特征 在于所述的细水管(6)与进水管(4)、细水管(6)与出水管(5)以及细水管(6)与紫铜坩埚主体(1)的下半体(3)悍接。
4、 根据权利要求1所述的连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚，其特征 在于所述的紫铜坩埚主体(1)的长度X宽度X高度^XWXH^ 70 80X40 50X50 60 mm。
5、 根据权利要求1所述的连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚，其特征 在于所述的间隙(8)的长度X宽度^aXb二2.5 4X0.4 0.6 mm。
6、 根据权利要求1所述的连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚，其特征 在于它还包括绝缘带(11)，所述的绝缘带(11)缠绕在紫铜柑埚主体(1)的 夕卜表面上。
7、根据权利要求6所述的连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚，其特 征在于所述的绝缘带(11)的外表面上设有环氧树脂层。
全文摘要
连续熔化与定向凝固扁坯用短型冷坩埚，它涉及一种冷坩埚。本发明解决了现有的电磁冷坩埚存在熔体与坩埚内壁贴连、熔体熔化不连续、熔体熔化不良、成分不均匀、电能利用率低、不方便观察的问题。本发明所述的紫铜坩埚主体(1)的横截面为扁环状的空腔体，上半体(2)分割成八个横截面为花瓣状的柱体(7)，下半体(3)的底面上与横截面为花瓣状的柱体(7)对应位置开有纵向深孔(9)，每相邻两个横截面为花瓣状的柱体(7)之间留有间隙(8)，所述的间隙(8)内填充有绝缘密封材料层(12)。本发明实现了高纯材料的低成本熔炼和成型，金属在水冷铜坩埚中悬浮或与坩埚内壁软接触，电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀。
文档编号F27B14/10GK101122441SQ200710144308
公开日2008年2月13日 申请日期2007年9月14日 优先权日2007年9月14日
发明者丁宏升, 傅恒志, 毕维生, 苏彦庆, 郭景杰, 陈瑞润 申请人:哈尔滨工业大学