CN100460107C - 连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚 - Google Patents

Abstract

连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚，本发明涉及一种连续熔铸、定向结晶的冷坩埚。它克服了铸造方坯时，冷坩埚正方形内腔中拐角部分磁力线被屏蔽、磁通密度最小的缺陷。它包括坩埚体、电磁线圈、冷却水分配器和冷却水回流器，电磁线圈盘绕在坩埚体的筒状体外表面上，坩埚体的筒状体壁中开有多条下行水孔道和上行水孔道，每个下行水孔道的上端连通冷却水分配器的一个出水端，每个上行水孔道的上端连通冷却水回流器的一个入水端，每个下行水孔道的下端仅与其相邻的一个上行水孔道的下端相连通，坩埚体的筒壁开有多条透磁通道，坩埚体的内腔的水平横截面为正方形，正方形的任意两条边之间设置为圆角过渡，圆角过渡处的曲率半径为

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Description

连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚

技术领域

本发明涉及一种连续熔铸、定向结晶的冷坩埚。

背景技术

冷坩埚技术是近些年兴起的新技术，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，依靠电磁力使熔融金属与坩埚侧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电磁约束成形的技术。由于熔炼金属与坩埚壁的非(软)接触，(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形。因此冷坩埚技术在材料铸造上得到广泛应用。

应用在发动机上的钛铝基合金叶片由于其形状复杂，性能要求高，很难直接铸造成形，但可以利用冷坩埚方法首先将该材料制成方坯，然后再通过后续的加工，使其为发动机叶片所应用。为了铸造出钛铝基合金方坯，冷坩埚的内腔截面形状也要相应制造成方形。但存在的问题是如果冷坩埚的内腔截面为方形，冷坩埚内在整个正方形区域内电磁场分布是不均匀的，尤其在拐角部分是被屏蔽的，此处的磁通密度最小，不利于加工质量提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚，以克服铸造方坯时，冷坩埚正方形内腔中拐角部分磁力线被屏蔽、磁通密度最小的缺陷。它包括坩埚体1、电磁线圈2、冷却水分配器3和冷却水回流器4，电磁线圈2盘绕在坩埚体1的筒状体外表面上，坩埚体1的筒状体壁中开有多条下行水孔道1-1和上行水孔道1-2，下行水孔道1-1和上行水孔道1-2都平行于坩埚体1的轴心线，每个下行水孔道1-1的上端连通冷却水分配器3的一个出水端，每个上行水孔道1-2的上端连通冷却水回流器4的一个入水端，多个下行水孔道1-1和上行水孔道1-2沿坩埚体1的筒体均匀分布为一圈且每个下行水孔道1-1的下端仅与其相邻的一个上行水孔道1-2的下端相连通，坩埚体1的筒壁开有多条透磁通道1-3，坩埚体1的内腔的水平横截面为正方形，正方形的任意两条边之间设置为圆角过渡，圆角过渡处的曲率半径为 $R=\frac{2d^2}{H_0}\sqrt{{\mathrm{sq}}_0},$ 式中q₀——单位体积被熔铸材料吸收的感应加热功率；

R——曲率半径；H₀——单位体积被熔铸材料的磁场强度；s——被熔铸材料电导率；d——电流透入被熔铸材料深度。

坩埚拐角部分曲率半径是影响方形坯料均匀熔化和约束力的重要因素。因为在整个正方形区域内电磁场分布是不均匀的，尤其在拐角部分是被屏蔽的，即磁力线在此处相互抵消，该处被熔铸材料的温度较低，电磁约束力低，不利于被熔铸材料的质量。所以在拐角部分设置为圆角过渡。由上述公式可知，随着R的增大，该角部部分的熔化能力成平方比的增大。并且角部的曲率也会对合金熔体的驼峰产生很大的影响。本发明利用圆角过渡的设置，解决了铸造方坯时，冷坩埚正方形内腔中拐角部分磁力线被屏蔽、磁通密度最小的缺陷。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图，图2是坩埚体1的俯视图，图3是图2的A-A剖视图，图4是坩埚体1角部内缘的高度方向磁场分布示意图，图5是坩埚体1内边部中心点的高度方向磁场分布示意图，图6是坩埚体1内中心点的高度方向磁场分布示意图，图7是坩埚体1内中心至角部一半处高度方向磁场分布示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图7具体说明本实施方式。本实施方式由坩埚体1、电磁线圈2、冷却水分配器3和冷却水回流器4组成，电磁线圈2盘绕在坩埚体1的筒状体外表面上，坩埚体1的筒状体壁中开有多条下行水孔道1-1和上行水孔道1-2，下行水孔道1-1和上行水孔道1-2都平行于坩埚体1的轴心线，每个下行水孔道1-1的上端连通冷却水分配器3的一个出水端，每个上行水孔道1-2的上端连通冷却水回流器4的一个入水端，多个下行水孔道1-1和上行水孔道1-2沿坩埚体1的筒体均匀分布为一圈且每个下行水孔道1-1的下端仅与其相邻的一个上行水孔道1-2的下端相连通。冷却水从冷却水分配器3流入下行水孔道1-1，接着流入与其相邻的上行水孔道1-2，然后流出到冷却水回流器4中，由于下行水孔道1-1和上行水孔道1-2间隔设置，冷却效率较高。坩埚体1的筒壁开有多条透磁通道1-3，坩埚体1的内腔的水平横截面为正方形，正方形的任意两条边之间设置为圆角过渡，圆角过渡处的曲率半径为 $R=\frac{2d^2}{H_0}\sqrt{{\mathrm{sq}}_0},$ 式中q₀——单位体积被熔铸材料吸收的感应加热功率；

R——曲率半径；H₀——单位体积被熔铸材料的磁场强度；s——被熔铸材料电导率；d——电流透入被熔铸材料深度。

从图4至图7可以看出，坩埚体1的角内侧磁感应强度与其它部位的磁感应强度相差不多。

在具体选取结构参数时：可以把坩埚体1的高度定为110mm，长×宽为26mm×26mm，坩埚体1的壁厚定为15mm，取R的值为6毫米，透磁通道1-3从坩埚体1底部5mm处开始，取长度为85mm，将每条边上透磁通道1-3的数目定为3条，总数为3×4＝12条。当然具体结构参数的选取不受此限制，上述参数仅供参考。

具体实施方式二：下面结合图1至图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：透磁通道1-3沿坩埚体1的高度方向设置，多条透磁通道1-3互相平行且沿坩埚体1的周向外表面均匀分布，透磁通道1-3由贯通于坩埚体1内表面和外边面之间的长孔1-3-1和填入在长孔1-3-1中的云母片1-3-2组成，长孔1-3-1的横断面形状为外宽内窄的“三角形”。

因为磁力线的缘故，透磁通道1-3的横截面形状变化会影响坩埚的透磁性，开缝宽度要求适当。宽度的扩大可使透过的电磁场增加，提高加热熔化和电磁约束成形能力，但是宽度的扩大应保证不能发生金属熔体的泄漏或缝间材料不被烧蚀。因此选择了外宽内窄的“三角形”。长孔1-3-1内填入天然云母片后在槽内灌入玻璃胶封死，防止高温下坩埚内的金属液外漏；外面用聚四氟乙烯薄片和玻璃丝布绝缘并涂玻璃胶。

具体实施方式三：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是：长孔1-3-1的横断面形状为“三角形连通矩形”，“三角形”设置在坩埚体1的外表面处且“三角形”的顶角连通“矩形”的短边。本实施方式适用于坩埚体1的壁厚较大时。

Claims (3)

1.连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚，它包括坩埚体(1)、电磁线圈(2)、冷却水分配器(3)和冷却水回流器(4)，电磁线圈(2)盘绕在坩埚体(1)的筒状体外表面上，坩埚体(1)的筒状体壁中开有多条下行水孔道(1-1)和上行水孔道(1-2)，下行水孔道(1-1)和上行水孔道(1-2)都平行于坩埚体(1)的轴心线，每个下行水孔道(1-1)的上端连通冷却水分配器(3)的一个出水端，每个上行水孔道(1-2)的上端连通冷却水回流器(4)的一个入水端，多个下行水孔道(1-1)和上行水孔道(1-2)沿坩埚体(1)的筒体均匀分布为一圈且每个下行水孔道(1-1)的下端仅与其相邻的一个上行水孔道(1-2)的下端相连通，坩埚体(1)的筒壁开有多条透磁通道(1-3)，其特征在于坩埚体(1)的内腔的水平横截面为正方形，正方形的任意两条边之间设置为圆角过渡，圆角过渡处的曲率半径为 $R=\frac{2{\mathrm{\δ}}^2}{H_0}\sqrt{\mathrm{\σ}{q}_0},$ 式中q₀——单位体积被熔铸材料吸收的感应加热功率；

R——曲率半径；H₀——单位体积被熔铸材料的磁场强度；σ——被熔铸材料电导率；δ——电流透入被熔铸材料深度。

2.根据权利要求1所述的连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚，其特征在于透磁通道(1-3)沿坩埚体(1)的高度方向设置，多条透磁通道(1-3)互相平行且沿坩埚体(1)的周向外表面均匀分布，透磁通道(1-3)由贯通于坩埚体(1)内表面和外边面之间的长孔(1-3-1)和填入在长孔(1-3-1)中的云母片(1-3-2)组成，长孔(1-3-1)的横断面形状为外宽内窄的“三角形”。

3.根据权利要求1所述的连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚，其特征在于透磁通道(1-3)沿坩埚体(1)的高度方向设置，多条透磁通道(1-3)互相平行且沿坩埚体(1)的周向外表面均匀分布，透磁通道(1-3)由贯通于坩埚体(1)内表面和外边面之间的长孔(1-3-1)和填入在长孔(1-3-1)中的云母片(1-3-2)组成，长孔(1-3-1)的横断面形状为“三角形连通矩形”，“三角形”设置在坩埚体(1)的外表面处且“三角形”的顶角连通“矩形”的短边。

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