1.本发明涉及高纯母合金、高纯靶材、高纯难熔金属、高纯活性轻合金材料制备及铸件精密成形技术领域中的一种快速铸造冷坩埚悬浮炉及合金熔炼方法，具体涉及在真空或者氩气环境下采用双电源感应熔炼工艺制备高纯材料及铸件精密成形的熔炼设备及合金熔炼方法。
背景技术：
2.在熔炼技术中，真空感应熔炼技术属于比较先进比较普遍的熔炼技术，通过电磁感应的方式对熔炼材料进行加热，真空环境排除了大气对熔炼材料的污染，能制备纯度较高的合金产品。但是，感应熔炼过程中坩埚材料会对所熔炼的材料产生污染。真空快速铸造是以普通真空感应炉为基础，以其快速熔化铸造成型非常适合于铸造小型铸件。美国bmi研究所的g.h.schippereit等人1961年发现，电磁场可进入有缝的铜坩埚，对坩埚中的炉料进行加热。之后，美国、德国、法国等国开始研究冷坩埚感应熔炼技术。为了制备对纯度要求特别高材料本身难以熔炼的产品和合金材料，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，1990年第六届国际钢铁会议后，特别是近年来，冷坩埚感应熔炼技术得到了更加迅速的发展，其主要研究进展包括：（1）设备规模增大到了接近生产要求的水平；（2）除活泼金属和合金外，冷坩埚感应熔炼技术应用到了更加广泛的材料领域，如超合金和金属间化合物、高纯溅射靶材、难熔金属和合金、氧化物陶瓷和宝石、放射性材料、多晶硅、高熵合金等；（3）该技术逐渐与其它现代材料技术结合，发展了冷坩埚电磁连铸技术、冷坩埚定向凝固技术、用冷坩埚作为辅助装置的喷雾沉积技术和激冷技术等。冷坩埚真空感应熔炼技术采用铜坩埚代替氧化锆、三氧化二铝等陶瓷材料的坩埚，电磁场使熔融的炉料在熔炼过程中处于悬浮或准悬浮的状态，从而排除了坩埚材料本身对熔炼材料的污染。为防止铜坩埚被熔化，这种坩埚需要进行冷却。
3.真空快速铸造冷坩埚悬浮炉在构成方面，其由真空系统，冷坩埚，供电供水系统三大部分组成。其中特殊设计的水冷铜坩埚及供电系统（感应电源）是技术的核心所在。水冷铜坩埚需要采用分瓣式无氧铜设计制造，每瓣由带有独立水冷系统的无氧铜制造，坩埚内腔形状决定了所熔化物料的悬浮效果，悬浮效果好有利于提高所熔炼合金过热度以及成份均匀性，特殊的水路设计防止在超高温下坩埚的损毁，适宜的壁厚最小化吸收电源功率，并确保使用安全；电源适当的频率决定了物料的悬浮效果及熔化效率，并确保真空下安全熔炼。
4.目前通过真空快速铸造的方式可以熔化、铸造高品质金属或合金应用越来越广泛，属于当前较先进的熔炼装备，原始快速铸造方法，（1）熔炼坩埚和铸型为一体形式，每次熔炼后都需要重新更换熔炼坩埚和铸型；（2）合金一边熔化一边流入铸型中，这对于质量要求较高的产品肯定是不能满足要求的；（3）熔炼坩埚为氧化锆、三氧化二铝等陶瓷材料不能为合金提供悬浮力，合金熔化后容易受到坩埚材料的污染。但是，随着熔炼合金种类的增加、熔炼合金温度的不断提升以及熔炼工艺的逐渐成熟，设备的适应工业化生产等方面产
生了一些问题，主要有：（1）由于设备是以快速熔化铸造成型为主，因此只能铸造小型质量要求不高的铸件，一般3kg以下，过大会产生铸造缺陷；（2）目前快速铸造工艺还以氧化锆、三氧化二铝等陶瓷材料的坩埚为主，每炉需要一个坩埚，陶瓷坩埚的耐材会污染合金熔体，会引入外来夹杂物，严重危害材料的机械性能并且增加成本；（3）目前坩埚形式不能够熔炼温度高的合金，由于陶瓷材料本身耐热度的问题，该种形式的坩埚一般熔炼温度在1700℃以下，温度超过1700℃会加速坩埚烧损，污染合金，并且不能配料熔化，配料会使成份不均匀；（4）由于传统悬浮炉采用水冷铜坩埚翻转浇铸，翻转过程中合金和水冷铜坩埚接触会形成凝壳，降低合金利用率。
5.由于该快速铸造设备可以快速熔化并铸造成型，因此，应用越来越广泛，但是，由于容量和功能不全的限制，在实际工业化生产当中应用受到很大限制，不能连续生产还存在污染合金、浪费时间、降低生产效率、增加成本等缺点。（附图6中1表示熔炼线圈，2表示待熔合金，3表示熔炼坩埚，4表示铸型）因此，研制开发一种快速铸造冷坩埚悬浮炉及合金熔炼方法一直是急待解决的新课题。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于提供一种快速铸造冷坩埚悬浮炉及合金熔炼方法，本发明设有熔炼线圈和浇铸线圈，可以在熔炼线圈将合金全部熔化以后开启浇铸线圈进行熔化浇铸。
7.本发明的目的是这样实现的：一种快速铸造冷坩埚悬浮炉，包括加料室、插板阀、熔炼室炉盖、熔炼坩埚水冷箱、熔炼线圈、熔炼坩埚、熔炼室、翻板阀、铸型、铸型室、升降机构、升降机构底座、铸型室气动阀、熔炼室气动阀、真空机组、铸型室炉门、待熔合金料、加料室气动阀、浇铸线圈、导轨，在熔炼室内设置熔炼坩埚水冷箱、熔炼线圈、熔炼坩埚、浇铸线圈，熔炼坩埚水冷箱与熔炼坩埚焊接，熔炼坩埚水冷箱与熔炼室的导轨连接，导轨与熔炼室焊接，熔炼坩埚水冷箱沿着熔炼室的导轨上下移动，熔炼线圈通过绝缘材料与熔炼室连接，浇铸线圈通过绝缘材料与熔炼室连接，熔炼室与铸型室通过翻板阀连接，通过翻板阀实现熔炼室与铸型室的联通或隔离，在升降机构设置铸型，升降机构与升降机构底座连接，升降机构底座与铸型室焊接，铸型室气动阀通过管路两端分别与铸型室和真空机组连接，熔炼室气动阀通过管路两端分别与熔炼室和真空机组连接，加料室气动阀通过管路两端分别与加料室和真空机组连接，铸型室与铸型室炉门连接，在加料室下部设置插板阀，在插板阀下部设置熔炼室炉盖，在熔炼坩埚内设置待熔合金料；所述的一种快速铸造冷坩埚悬浮炉的合金熔炼方法是：首先，将待熔合金料放入水冷铜结构形式的熔炼坩埚中，待熔合金料底部凸台加工尺寸与熔炼坩埚底部浇铸口对应；通冷却水，冷却水经过熔炼坩埚水冷箱为熔炼坩埚提供冷却，将铸型放入铸型室中关闭熔炼室炉盖，启动真空机组，打开熔炼室气动阀和铸型室气动阀，当真空度达到要求值后，打开翻板阀，启动升降机构带动铸型升入到熔炼室中指定位置，向熔炼线圈中通电，产生交变磁场快速加热待熔合金料，当待熔合金料上部分完全熔化，合金在电磁场作用下与熔炼坩埚只有底部接触，侧壁均不接触，启动浇铸线圈快速熔化待熔合金料底部凸台，待熔合金料底部凸台熔化后，合金顺着熔炼坩埚底部的浇铸口流入到铸型中，完成浇铸，浇铸线圈下部分的线圈是确保合金不会进入铸型后立刻凝固，当待熔合金料全部进入铸型后，断电合金快速凝固形成铸件；启动升降机构带动铸型返回到铸型室中指定位置，关闭翻板阀，整个
熔炼浇铸过程非常快一到两分钟完成一次浇铸过程；接下来将待熔合金料放入加料室中，打开加料室气动阀，对加料室抽真空，当真空度达到要求后打开插板阀，将待熔合金料缓缓落入熔炼坩埚中，关闭插板阀，与此同时，关闭铸型室气动阀，破真空打开铸型室炉门，取出上一炉铸型，重新放入下一炉铸型，关闭铸型室炉门，打开铸型室气动阀重新抽真空，真空度达到要求后打开翻板阀，启动升降机构带动铸型升到熔炼室中指定位置，这样就进入第二炉熔炼生产过程；所述的一种快速铸造冷坩埚悬浮炉的设计特点是，该设备以水冷铜坩埚取代原快速铸造炉采用的氧化锆、三氧化二铝等陶瓷材料的坩埚，水冷铜坩埚具备水冷功能，具有连续使用，免维护等特点；熔炼线圈与浇铸线圈独立供电，避免了目前铸造拔塞复杂的机械动作以及底塞对合金液的污染问题，解决了熔炼高温、高质量合金污染问题又解决了陶瓷坩埚浪费问题，同时解决了普通快速铸造炉的问题，以及翻炉浇铸时水冷铜坩埚凝壳问题，提高材料利用率，减少了设备的复杂程度，并且由于具备悬浮熔炼效果，配料熔炼，将上部合金全部熔化成份均匀后在熔化底塞，能够保证成份、温度均匀；因此，整个熔炼室不需要破真空，一直保持在真空状态下连续生产，能够很好的保证熔炼室的真空度，提高生产的产品质量，由于是全部熔化后一次浇铸，浇铸大型铸件，不会产生铸造缺陷，适合于企业大规模生产，能够实现连续生产。
8.本发明的要点在于它的结构及合金熔炼方法。
9.一种快速铸造冷坩埚悬浮炉及合金熔炼方法与现有技术相比，具有快速熔化及铸造功能，充型好，熔炼高纯易氧化、难熔合金，熔炼成份均匀，质量稳定，熔炼后合金与坩埚壁不接触，防止污染合金液，设备简单，不用翻铸，减少凝壳，提高合金材料利用率，降低生产成本等优点，将广泛地应用于高纯母合金、高纯靶材、高纯难熔金属、高纯活性轻合金材料制备及铸件精密成形技术领域中。
附图说明
10.下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
11.图1是本发明的结构示意图。
12.图2是本发明熔炼坩埚和待熔合金料部分的结构示意图。
13.图3是本发明待熔合金料部分熔化后形状变化示意图一。
14.图4是本发明待熔合金料部分熔化后形状变化示意图二。
15.图5是本发明导轨部分的结构示意图。
16.图6是现有技术的快速铸造炉结构示意图。
具体实施方式
17.参照附图，一种快速铸造冷坩埚悬浮炉，包括加料室1、插板阀2、熔炼室炉盖3、熔炼坩埚水冷箱4、熔炼线圈5、熔炼坩埚6、熔炼室7、翻板阀8、铸型9、铸型室10、升降机构11、升降机构底座12、铸型室气动阀13、熔炼室气动阀14、真空机组15、铸型室炉门16、待熔合金料17、加料室气动阀18、浇铸线圈19、导轨20，在熔炼室7内设置熔炼坩埚水冷箱4、熔炼线圈5、熔炼坩埚6、浇铸线圈19，熔炼坩埚水冷箱4与熔炼坩埚6焊接，熔炼坩埚水冷箱4与熔炼室7的导轨20连接，导轨20与熔炼室7焊接，熔炼坩埚水冷箱4沿着熔炼室7的导轨20上下移动，
2pa，启动升降机构11带动铸型9升入到熔炼室7中指定位置；第二步，熔炼线圈5中通电，产生交变磁场快速加热合金料，加热功率200kw保持15-20分钟，当合金料上部分完全熔化，合金在电磁场作用下与熔炼坩埚6只有底部接触，侧壁均不接触，启动浇铸线圈19，加热功率200kw保持5-8分钟，可以快速熔化待熔合金料17底部凸台，待熔合金料17底部凸台熔化后，合金顺着熔炼坩埚6底部的浇铸口流入到铸型9中，完成浇铸，浇铸线圈19下部分的线圈是确保合金不会进入铸型9后立刻凝固，当合金料全部进入铸型9后，断电合金快速凝固形成铸件。
21.优点：利用快速铸造冷坩埚悬浮炉进行钛基复合材料合金熔炼浇铸，氧含量≤0.05%，而传统感应熔炼氧含量达到0.08%，并且解决了由于钛基复合材料流动性不好在翻炉浇铸过程中形成凝壳太多的缺点，并且，合金为全部熔化后一次浇铸，可以铸造大型铸件。因此，快速铸造冷坩埚悬浮炉具有明显的化学成分控制优势以及浇铸优势，如果连续生产效果更好。
22.实施例二利用快速铸造冷坩埚悬浮炉进行铝锂合金材料的熔炼，在铝锂合金中加入ti：0.3%；其具体步骤如下：第一步，将事先加工好的标准合金锭放入熔炼坩埚6中底部浇铸孔处，在将合金料混合放入熔炼坩埚6中，将铸型9放入铸型室10中，关熔炼室炉盖3，启动真空机组15，打开熔炼室气动阀14和铸型室气动阀13，待真空度抽到≤10-2pa，启动升降机构11带动铸型9升入到熔炼室7中指定位置；第二步，熔炼线圈5中通电，产生交变磁场快速加热合金料，熔化功率30kw保持10-20分钟，当合金料上部分完全熔化，持续通电一段时间，让合金充分均匀化，此时，合金在电磁场作用下与熔炼坩埚6只有底部接触，侧壁均不接触，并且剧烈搅动。启动浇铸线圈19，熔化功率30kw保持3-5分钟，可以快速熔化放于熔炼坩埚6底部的事先加工好的合金锭，底部合金熔化后，合金顺着熔炼坩埚6底部的浇铸口流入到铸型9中，完成浇铸，浇铸线圈19下部分的线圈是确保合金不会进入铸型9后立刻凝固，当合金料全部进入铸型9后，断电合金快速凝固形成铸件；优点：利用快速铸造冷坩埚悬浮炉进行铝锂合金材料合金熔炼浇铸，合金纯净度高，并且解决了由于钛和铝、锂熔化温度相差大而导致的熔炼成份不均匀现象，避免了翻炉浇铸过程中形成凝壳太多的缺点，并且，合金为全部熔化后一次浇铸，可以铸造大型铸件。因此，快速铸造冷坩埚悬浮炉具有明显的化学成分控制优势以及浇铸优势，如果连续生产效果更好。
23.实施例三利用快速铸造冷坩埚悬浮炉进行高熵合金材料的熔炼，zr：20%，ti: 20%，ni:20%，w: 20%，mo:20%；其具体步骤如下：第一步，将标准待熔合金料17放入熔炼坩埚6中，将铸型9放入铸型室10中，关熔炼室炉盖3，启动真空机组15，打开熔炼室气动阀14和铸型室气动阀13，待真空度抽到≤10-2pa，启动升降机构11带动铸型9升入到熔炼室7中指定位置；第二步，熔炼线圈5中通电，产生交变磁场快速加热合金料，加热功率300kw保持25-35分钟，当合金料上部分完全熔化，合金在电磁场作用下与熔炼坩埚6只有底部接触，侧
壁均不接触，启动浇铸线圈19，加热功率300kw保持5-10分钟，可以快速熔化待熔合金料17底部凸台，待熔合金料17底部凸台熔化后，合金顺着熔炼坩埚6底部的浇铸口流入到铸型9中，完成浇铸，浇铸线圈19下部分的线圈是确保合金不会进入铸型9后立刻凝固，当合金料全部进入铸型9后，断电合金快速凝固形成铸件；优点：利用快速铸造冷坩埚悬浮炉进行高熵材料合金熔炼浇铸，氧含量≤0.01%，而传统氧化物坩埚感应熔炼无法实现高熔点高熵合金熔炼，并且氧含量会≥0.05%，并且解决了由于高熵合金材料流动性不好在翻炉浇铸过程中形成凝壳太多的缺点，并且，合金为全部熔化后一次浇铸，可以铸造大型铸件。因此，快速铸造冷坩埚悬浮炉具有明显的化学成分控制优势以及浇铸优势，如果连续生产效果更好。