一种定向凝固磁悬浮感应熔炼水冷铜坩埚的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种实现定向凝固的磁悬浮感应熔炼水冷铜坩祸，属于高纯高温材料的磁感应熔炼技术领域。
【背景技术】
[0002]悬浮熔炼技术是上世纪末出现的，又被称为冷坩祸真空感应熔炼技术。它是用紫铜坩祸代替陶瓷材料坩祸，并通过电磁场使熔融的材料在熔炼过程中处于悬浮状态，从而排除坩祸对熔炼材料的污染。因此，冷坩祸磁悬浮熔炼是制备高熔、高纯、活泼或放射性材料的有效方法。
[0003]通常人们会在坩祸体外设置高频线圈来对熔炼腔中的高温合金材料进行熔融，在停止对线圈供电时，磁力线消失，熔融材料凝固，形成材料锭子。这样的材料锭子在生产大部分精密件时具有良好的性能，但是在生产具有复杂内腔的薄壁件时，例如生产航空发动机的薄壁定向叶片时，这种锭子由于晶粒结晶方向不确定，存在薄壁性能不足的问题。
[0004]现有技术为了实现定向凝固，采用上下直通式结构，无法获得悬浮熔炼的效果，且坩祸体结构复杂，造成坩祸制作工艺复杂，维护成本高，而且铸锭中晶体结构也存在凝壳和初始凝固区域中的等轴晶，晶体定向性不够好。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种磁悬浮感应熔炼水冷铜坩祸，能够实现熔融材料的定向凝固，控制晶粒结晶方向，提高合金材料的性能，同时能够实现连续铸锭，简化工艺及设备。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型提供一种定向凝固磁悬浮感应熔炼水冷铜坩祸，包括坩祸体、水套和围绕坩祸体的磁感应线圈，所述坩祸体包括呈圆筒形的侧壁总成和从侧壁总成底部插入的呈圆形的底壁，所述侧壁总成套在所述底壁外侧面上且二者之间通过间隙配合共同构成容纳原料的熔炼腔，所述侧壁总成和所述底壁借助于冷却水铜管分别与所述水套形成冷却水回路，侧壁总成包括沿周向均匀分布的多个侧壁瓣，底壁包括沿周向均匀分布的多个扇形底壁瓣，其特征在于，
[0007]所述磁感应线圈包括围绕侧壁总成上部的高频线圈和围绕侧壁总成下部的中频线圈，其中高频线圈用于熔化，中频线圈用于搅拌，
[0008]所述底壁能沿竖直方向慢速移动，其可移动的最高位置在中频线圈中部，其最低位置在侧壁总成底端的下方。
[0009]优选地，所述圆筒形的侧壁总成包括从中部向上端逐渐增大的内径，使得侧壁总成的内表面与竖直表面之间形成一个不大于5。的夹角。
[0010]优选地，所述底壁的下表面固定有支撑杆，所述支撑杆借助于制动装置带动所述底壁上下移动。
[0011]优选地，所述底壁的移动速度为0-4mm/min。
[0012]优选地，所述高频线圈设置为4-6匝，所述中频线圈设置为4匝。所述高频线圈的频率为20kHz-30kHz，所述中频线圈的频率为2kHz-3kHz。
[0013]优选地，侧壁总成包括沿周向均匀分布的12个侧壁瓣，相邻侧壁瓣之间形成纵向的可供外部磁力线穿入的第一狭缝，每个侧壁瓣沿纵向中心线形成可供外部磁力线穿入的第二狭缝，第二狭缝的上端位于距离侧壁瓣顶端一段距离处，下端结束于侧壁瓣底端，底壁沿周向均匀分为24个底壁瓣，相邻底壁瓣之间形成沿径向的可供外部磁力线穿入的第三狭缝，每个第三狭缝与相应位置的第一或第二狭缝对齐。
[0014]优选地，所述每个侧壁瓣内部沿纵向设置两个冷却水孔，两个冷却水孔分布在第二狭缝两侧并在侧壁瓣内部第二狭缝顶端与侧壁瓣顶端之间的位置相互连通，冷却水孔底端通过冷却水铜管与水套连接，所述底壁具有一定厚度，内部设置水腔，水腔直接与进水总管和排水总管连通。
[0015]优选地，所述每条狭缝内夹设绝缘片。
[0016]优选地，侧壁总成的上部套设水平的绝缘定位板，水套的顶面上和底面下分别设置水平的绝缘板，所述绝缘定位板通过围绕坩祸体和水套均匀布置的多根铜棒与所述绝缘板连接固定。
[0017]优选地，所述底壁的上表面由位于中心区域的平面和围绕中心区域的中间低周边高的锥形斜面组成。
[0018]本实用新型提供的这种坩祸结构，在金属熔炼过程中，坩祸底壁下移，熔炼腔下部的熔化金属在中频磁感应线圈的搅拌作用下逐渐凝固，越靠下方的金属越早凝固，随着坩祸底壁的逐渐下移，越来越多的金属自下而上发生凝固，并且在坩祸底壁脱离坩祸侧壁下缘时，凝固的金属在原坩祸底壁的位置形成铸锭。这样，定向凝固和连续铸锭得以实现。
【附图说明】
[0019]下面列出了本实用新型实施例的相关附图，其中
[0020]图1为本实用新型实施例的水冷铜坩祸的整体剖视图；
[0021]图2为本实用新型实施例的侧壁总成的水平底视图；
[0022]图3为本实用新型实施例的单个侧壁瓣的正面透视图；
[0023]图4为图3中单个侧壁瓣上部的局部剖视图；
[0024]图5为本实用新型实施例的底壁的水平底视图；
[0025]图6为本实用新型实施例的底壁的正面局部剖视图。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图1-6对本实用新型的优选实施例进行详细说明。
[0027]首先描述坩祸的整体结构。
[0028]图2为本实用新型实施例的水冷铜坩祸整体示意图，包括坩祸体I和位于坩祸体下方的侧壁水套2。所述坩祸体I包括呈大致圆筒形的侧壁总成11和从侧壁总成底部插入的呈圆形的底壁12 (见图5-6)，所述侧壁总成11的下部套在所述底壁12的外侧面上，二者之间间隙配合。侧壁总成11的内壁从中间到上边缘微向外倾斜，使侧壁总成11的内表面从下向上内径逐渐变大，内表面与竖直表面之间形成一个不大于5。的夹角。这种结构有利于自下而上的定向凝固。
[0029]坩祸底壁12的下表面固定安装一支撑杆9。支撑杆9借助于适当的制动装置带动坩祸底壁12上下移动，制动装置优选涡轮蜗杆等能够实现缓慢直线运动的机构，图中未示出。优选地，i甘祸底壁上下移动的速度为0-4mm/min，优选2-4mm/min。底壁可移动的最高位置在中频线圈中部，其最低位置在侧壁总成底端的下方。
[0030]侧壁总成11的上部套设水平的绝缘定位板3，用于支撑和紧箍侧壁总成并保护其下方绕设在侧壁总成周围的磁感应线圈(未示出)。水套2的顶面上和底面下分别设置水平的绝缘板5和6，用于减少水套对外部磁场能量的吸收。绝缘定位板3与绝缘板5和6的面积比侧壁总成的外径所形成的圆周面积和水套的外径所形成的圆周面积略大。绝缘定位板3通过围绕坩祸体和水套均匀布置的四根铜棒4与绝缘板5和6连接固定。绝缘板和绝缘定位板可使用电工胶木制作。可以理解的是，铜棒也可以是3根或不止4根。
[0031]接下来描述坩祸外部设置的磁感应线圈。
[0032]坩祸外部设置上下两组磁感应线圈7和8，分别为高频磁感应线圈7和中频磁感应线圈8。高频磁感应线圈7和中频磁感应线圈8根据坩祸体的高度设置不同的匝数。例如一共设置10匝，其中高频线圈6匝，中频线圈4匝，或者如图1所示，各自4匝，共计8匝。所述高频线圈的频率为20kHz-30kHz，所述中频线圈的频率为2kHz-3kHz。高频线圈在磁感应熔炼过程中主要起高温熔化作用，中频线圈在磁感应熔炼过程中起搅拌作用，同时磁感应线圈对熔融材料起悬浮作用。中频线圈靠近坩祸底壁设置，优选地，中频线圈自上而下第三匝的高度对应于坩祸底壁最高位置的上缘，从而，当坩祸底壁移动到最高位置时，仍然有至少两匝中频线圈能够对应熔炼腔内部而对熔炼材料进行搅拌。
[0033]接下来描述坩祸的分瓣结构。
[0034]侧壁总成11沿周向均匀分为12个侧壁瓣111 (如图2-3更清晰可见)，相邻侧壁瓣之间形成纵向的可供外部磁力线穿入的12条第一狭缝SI。狭缝可通过线切割形成。每条第一狭缝内夹设绝缘片，优选为云母片或碳化硼。
[0035]每个侧壁瓣111沿纵向中心线形成第二狭缝S2(如图3更清晰可见)，第二狭缝S2的上端开始于离侧壁瓣111顶端一段距离处，距离优选30mm，下端结束于侧壁瓣111的底端，并可供外部磁力线穿入。所述第二狭缝的长度大致为侧壁瓣总长的7