CN101776390A - 真空感应熔炼用冷坩埚系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空感应熔炼用的冷坩埚系统，尤其是具有改进悬浮能力的高效率冷坩埚系统，为了提高感应冷坩埚技术悬浮炉料熔体的效果，本发明改进了冷坩埚系统的结构设计：一是不仅坩埚的侧壁分瓣，坩埚底也分瓣，使坩埚内靠近底部区域的电磁场不发生明显衰减；二是把坩埚底设计成有一定的斜度，使炉料熔体的底面也受到产生悬浮作用的电磁力；三是在坩埚底部设置感应圈，增大悬浮力；四是改变水套和装配件的结构或取消水套，避免这些附属部件对电磁场的阻挡和吸收。本发明涉及的冷坩埚系统特指真空感应熔炼技术中用金属材料(包括紫铜)制作的各种冷坩埚系统。

Description

真空感应熔炼用冷坩埚系统

所属技术领域

本发明涉及一种真空感应熔炼用的冷坩埚系统，尤其是具有改进悬浮能力的高效率冷坩埚系统。

技术背景

在熔炼技术中，真空感应熔炼技术属于比较先进的熔炼技术，它排除了熔炼过程中气氛和加热源对炉料的污染，能制备纯度较高的产品。但是，坩埚材料仍然能同炉料产生反应。为了制备对纯度要求特别高的产品和熔炼活泼材料，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(以下简称为“感应冷坩埚技术”)——它用金属(大多为紫铜)坩埚代替陶瓷材料坩埚，并通过电磁场产生一定的悬浮熔炼效果，从而完全排除了坩埚材料的污染作用。为防止金属坩埚本身被熔化，这种坩埚必须用水或其它冷却剂冷却。

对感应冷坩埚技术的要求主要在两个方面：

第一是对产品的要求——纯度高是对悬浮熔炼最突出的要求，而成分准确、均匀和成材率高则是对熔炼技术的基本要求；

第二是对能量效率的要求——这一点对冷坩埚技术特别重要，因为坩埚中循环运行的冷却水倾向于携带和消耗大量能量，这导致冷坩埚技术需要的电源功率本来就大大超过其它熔炼技术，如果由于设计不合理而进一步降低了效率，那就会导致熔炼过程无法进行。

实现这两个要求的关键因素是悬浮能力。如果悬浮能力不足，熔体同坩埚呈接触或半接触状态，这首先将导致污染发生，取消了悬浮熔炼保证产品纯度的关键优点；第二是引起炉料温度降低，熔化不充分，形成凝壳，导致产品成分偏离，成分和组织不均匀，成材率降低；第三是导致熔体的热量通过坩埚壁被冷却水大量携带，能量消耗大幅度增加。此外，熔体同坩埚接触还会导致坩埚烧损，引起事故和增加设备成本。

电磁场效果是获得悬浮能力的保证。良好的电磁场效果取决于几个因素：第一是坩埚设计，包括提供电磁场进入坩埚的途径和电磁场产生悬浮力的方式两方面；第二是附属部件设计，它们不应该阻挡电磁场进入坩埚，不应该吸收电磁场的能量；第三是电磁场特性设计，包括电磁场频率设计和场强分布设计。

如图1所示，主感应圈(01)产生的电磁场会被金属吸收，在封闭的金属坩埚内电磁场的强度等于零。所以，坩埚设计的关键首先是要在金属坩埚内获得加热炉料的电磁场。解决办法是把坩埚侧壁(02)设计成分瓣结构——在坩埚侧壁留出若干与坩埚轴线A平行的缝隙C。这样，就能有相当比例的电磁场B进入坩埚内部。但是，为了保持坩埚的整体性，以往的冷坩埚在其底部(03)没有缝隙，或者虽然有缝隙，但缝隙不贯穿底部的整个厚度。这使电磁场无法贯穿坩埚底，使坩埚底部空间的电磁场十分微弱。所以，当坩埚内中、上部的炉料能熔化形成熔体(06)时，底部的炉料却往往熔化不充分而形成凝壳(07)(见图1和图2)。此外，这种坩埚底吸收电磁场而形成涡流，使电磁能的很大一部分转变成热能，额外地增大了能量消耗。

坩埚设计的技术关键之二是如何产生使熔体悬浮的力。在通常的感应冷坩埚技术中，悬浮能力只出现在熔体(06)的周边——平行于坩埚轴A的磁场B对于沿熔体周边表层环绕A轴的涡流I产生电磁力F，它的方向指向坩埚轴(见图2)。力F使熔体脱离坩埚侧壁向坩埚的中心轴压缩，而熔体重力产生的垂直于表面的压力P使熔体向外扩展。由于P随熔池深度增加而增大，所以，在这两种力相互平衡的作用下，熔体(06)就形成了上端细，下端粗的形状。

上面的分析表明，处于某一位置的熔体获得悬浮能力的条件取决于以下条件：在这个位置a.是否有电磁场；b.是否有涡流；c.电磁场同涡流产生的力在垂直于坩埚内壁的方向上是否有分力(即下文称其为“悬浮力”)。根据这些判断原则对坩埚底部的分析表明，在以往的冷坩埚中，即便在坩埚底部有熔体，它也几乎得不到悬浮力。其原因包括：在坩埚底部几乎没有电磁场，当然也就没有电磁力；以往的冷坩埚的底面是平面，或大体是平面，这样，即便在坩埚底部有电磁场，它引起的涡流也只在熔体底面的边缘，底面的内部则没有涡流；即便有电磁场和涡流，电磁场对涡流的作用力的方向平行于底面，它在垂直于底面的方向上没有分量(见图2)。

关于冷坩埚系统中的其它部件的设计问题，首先是水套设计。以往的水(04)套一般都制作在坩埚底的下端面，它对电磁场进入坩埚形成了严重的障碍，而且它大量吸收电磁场形成涡流，将大部分电磁场的能量转变成热能而传送给冷却水。组装坩埚的一些装配件有时也会产生相似的问题。

综上所述，传统冷坩埚系统的坩埚设计和附属部件设计均有一些不合理的缺点。

发明内容

为了提高感应冷坩埚技术悬浮炉料熔体的效果，本发明改进了冷坩埚系统的结构设计：一是不仅坩埚的侧壁分瓣，坩埚底也分瓣，各瓣之间有贯穿坩埚壁厚的缝隙C，使坩埚内靠近底部区域的电磁场不发生明显衰减；二是把坩埚底设计成有一定的斜度，使炉料熔体的底面也受到产生悬浮作用的电磁力；三是在坩埚底部设置感应圈，增大悬浮力；四是改变水套和装配件的结构或取消水套，避免这些附属部件对电磁场的阻挡和吸收。本发明涉及的冷坩埚系统特指真空感应熔炼技术中用金属材料(包括紫铜)制作的各种冷坩埚系统，不管坩埚的截面是圆形、矩形、还是其它形状，不管坩埚底与坩埚壁是否成一体结构，也不管坩埚底部是否留有下注口。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下几项措施：

1、所述冷坩埚系统不仅坩埚的侧壁(02)要分瓣，各瓣之间有贯穿坩埚壁厚的缝隙C，而且坩埚底(03)也要有分瓣结构，分瓣的方式包括：以坩埚轴为中心辐射分瓣(见图8和图9)，以平行线的方式分瓣(见图10)，以蛇行线的方式分瓣，或以其它方式分瓣。无论用哪种分瓣方式，分瓣的缝隙都要平行于坩埚的轴线。分瓣之间的缝隙C要贯穿坩埚底的厚度(见图3)。缝隙沿着底面的长度T至少要达到坩埚底面直径S的1～1.2倍，最好等于坩埚底面直径S。这样，电磁场才能在阻力较小的条件下通过坩埚底贯穿全部炉料，使底部炉料也能被充分加热和熔化。

2、所述冷坩埚系统坩埚底(03)的内壁要有一定的斜度，内壁各点的斜度可以完全相同，也可以不完全相同。坩埚底的内壁可以是球冠面、圆锥面或有其它截面形状的锥面，还可以是其它类型向下凹的斜面、曲面或具有复合形状的面。

前面已经指出，电磁场能通过分瓣的坩埚底(03)进入坩埚，使炉料底部得到加热而形成熔体；有斜度的坩埚底使熔体底面存在涡流I，它在磁场B的作用下能产生方向指向坩埚轴线A的作用力F，从而使熔体底面获得脱离坩埚底面的悬浮能力(图4.1和4.2)。

根据悬浮力等于力F在垂直于坩埚底面方向上的分力q(图4.3)，由于

q＝F×Sinα(式中α是底面D对于水平方向W的倾角)，所以α越大则悬浮力q越大。

但是，增大α会延长坩埚的尺寸，浪费昂贵的坩埚材料，增加坩埚的制造难度，也增加了熔体的散热面积。所以，除了在靠近坩埚侧壁的区域和坩埚最底部的区域之外，坩埚底面的斜度角α应该控制在10°～80°的范围，最好控制在30°～60°的范围。

在坩埚底面分瓣和带有斜度的情况下，熔体侧面受到电磁作用力的情况与传统冷坩埚系统中的情况相似。

3、电磁力F总是垂直于磁力线B的。观察图5中熔体(06)底部表面点O处的磁场B和受力F。只有当主感应圈略微向下移动，O点处的B才与A平行，与A垂直的力F才沿水平方向W。上面一段的分析实际上是以这个条件为前提的。

当主感应圈略微向上移动，O点处的B则与A产生正交角β，力F与水平方向W的交角β则偏向下方(图5.1)，生产的悬浮力较小：q＝F×Sinα×Sinβ。

为了使熔体底部得到悬浮力，最好使主感应圈的位置比正常位置偏低一些。例如，使主感应圈的下端面比坩埚底的内壁低0.05～0.5H，最好低0.10～0.3H(H指坩埚的高度)。

使主感应圈大量向下移动能使O点处B的β角成为负角，这可以使力F与水平方向W的交角β偏向上方(图5.2)，产生理想的悬浮作用。但是，这样设置主感应圈的位置对炉料的整体熔化过程不利。

坩埚下方可以另外装设一个与坩埚同轴线的辅助感应圈(08)(图6)。辅助感应圈可以是圆锥形螺线管(见图7.1)、平面螺线管图(见7.2)或直径小于主感应圈的圆柱螺线管(见图7.3)，还可以是其它形状的螺线管。辅助感应圈的供电频率与主感应圈的供电频率可以不同，也可以相同。

这些辅助感应圈(08)能产生图5.2所期望得到的磁场。换一种解释：这些辅助感应圈产生的磁场B在坩埚底(03)附近的方向接近于平行坩埚底的内壁，它与熔体(06)底面涡流I产生的垂直于的作用力F’的方向就接近垂直于坩埚底(03)的内壁，向着斜上方，所以能产生得到增强的悬浮能力(图7)。辅助感应圈还有其它有利作用，例如增强坩埚内底部区的电磁场强度，提高熔体底部的温度；在坩埚底部留有下注口(09)实行底铸的情况下，辅助感应圈还有控制注口开闭，控制底铸熔体流速等作用。

在装有辅助感应圈的系统中，主感应圈(01)仍然要对熔体的侧面和底面产生悬浮力F。辅助感应圈的设置附加了一个悬浮力F’，而且此力的方向对于悬浮作用更加有效。

4、坩埚底(03)的外壁可以是平面，也可以是带有斜度的表面，其形状可以与坩埚底内壁的相同，也可以不同。将坩埚底的外壁也制作成带有斜度的外形(图6和图7)将有利于安装辅助感应圈(09)，这使辅助感应圈更加靠近熔体(06)的底面，产生更加明显的悬浮能力。

5、埚壁和坩埚底的冷却通道的进口和出口分别通过进水导管和回水导管(10)(以下通称为“冷却导管”)连接到进水水套和回水水套(04)(见图8和图9)。进水水套和回水水套可以是分体结构，也可以连接在一起。水套一般装在坩埚的上方或下方，也可以是各在一方。此外，为了消除水套阻挡电磁场和产生涡流损失等不利影响，埚壁和坩埚底的冷却通道可以分别直接将进水导管接入进水总管和将回水管接入回水总管，取消水套(04)。

水套(04)一般是与坩埚共轴线的环状腔体(见图8和图9)。但是，必须在环的某个位置M处切断，然后把两个断口分别焊死，对断口间隙两侧的端面进行绝缘以避免形成导电回路。为了保证水套的刚度，可以用装配件(11)结合水套环断口的两侧，在装配件与水套之间可以衬以绝缘垫(12)，避免形成短路(见图9)。

水套环(04)环内应该有足够的空间，以便减小对于电磁场进入坩埚的阻碍；水套的外形尺寸也不要太大，否则对电磁场也有阻挡作用。对于圆截面坩埚，水套环的内径r₁和外径r₂应该按照r₁≥0.2R，最好≥0.6R；和r₂≤2R，最好≤1.5R的原则设计(R是坩埚的内径)(见图8)。对于其它截面形状的坩埚，水套尺寸可以参考圆截面坩埚的原则设计。

为了减少水套对电磁场能量的吸收，水套的位置应该离开坩埚端面一定的距离。沿着坩埚轴线的方向，应该使水套离坩埚端面的距离S≥0.02H，S≥0.2H则更好。式中H是坩埚的总高度(见图8)。但是，当不大计较电磁场的能量损失时，水套(04)也可以装在离坩埚很近的位置，甚至直接装在坩埚的端面。

本发明的有益效果是提高了电磁场的效果，其办法包括：通过坩埚底分瓣弥补了以往坩埚底部电磁场微弱的缺陷；设计有斜度的坩埚底使底部的熔体能够获得悬浮力；在坩埚下方设置感应圈，增强熔体底部的电磁场和悬浮力；改进水套和装配件设计，在一些条件下取消水套，防止这些部件阻挡和吸收电磁场。电磁场效果的提高导致熔体悬浮能力增强，而良好的悬浮能力则是产品纯度高，成分准确、均匀，成材率高等因素最重要的保证，是大幅度提高熔炼过程的能量效率的先决条件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是传统冷坩埚系统的结构示意图(只在坩埚右侧画出了主感应圈)。

图2是在传统冷坩埚中，磁场作用于熔体表面的涡流产生作用力的示意图。

图3是实施例1的冷坩埚系统的结构示意图(只在坩埚右侧画出了主感应圈)。

图4.1是在实施例1的冷坩埚中，磁场作用于熔体底面的涡流产生作用力的全貌示意图。

图4.2是在实施例1的冷坩埚中，磁场作用于熔体底面的涡流产生作用力的底部放大图。

图4.3是在实施例1的冷坩埚中，磁场作用于熔体底面的涡流产生作用力的熔体底面受力F的分解示意图。

图5显示主感应圈位于熔体(06)底部表面点O处的磁场B和受力F情况。

图5.1显示主感应圈略向上移的磁场力F示意图。

图5.2显示主感应圈下移的磁场力F示意图。

图6是实施例2的冷坩埚系统的结构示意图(只在坩埚右侧画出了主感应圈)。

图7是在实施例2的冷坩埚中，磁场作用于熔体底面的涡流产生作用力的示意图。

图7.1是安装圆锥形辅助感应圈的冷坩埚系统的底部放大图.

图7.2是安装平面辅助感应圈的冷坩埚系统的底部放大图。

图7.3是安装圆柱辅助感应圈的冷坩埚系统的底部放大图。

图8是在实施例3的冷坩埚中水套设计的示意图。

图9是实施例3的冷坩埚系统包括水套和装配件的结构示意图。

图10是实施例4的冷坩埚系统不使用水套的结构示意图。

在以上各图中，01.主感应圈，02.坩埚壁，03.坩埚底，04.水套，05.坩埚上的冷却通道，06.炉料熔体，07.炉料凝壳，08.辅助感应圈，09.坩埚下注口，10.冷却导管，11.装配件，12.绝缘垫，13.冷却总管，14.加固元件，15.高温档片。A是坩埚中轴线，B是电磁场的磁力线，C是坩埚分瓣之间的缝隙，D是坩埚底面的方向线，E是坩埚底部不分瓣无缝隙的部分，I是熔体表面的涡流，F是主感应圈磁场作用于熔体涡流产生的电磁力，F’是辅助感应圈磁场作用于熔体涡流产生的电磁力，H是坩埚壁的高度，K是水套端面到坩埚端面的最近的距离，M是水套和装配件的切断口，P是熔体重力产生的压力，S是坩埚底面的直径，T是坩埚底面缝隙的线尺寸，W是水平面的方向线，α是坩埚内底面与水平面的夹角，q是力F在垂直于熔体底面方向的分力，u是力F在平行于熔体底面方向的分力，R是坩埚内径，r₁是水套环的内径，r₂是水套环的外径。

具体实施方式

实施例1：

实施例1的冷坩埚系统的结构见图3。在此例中，紫铜冷坩埚的侧壁(02)为圆筒形，紫铜坩埚底(03)的内壁是半球面。此坩埚不仅侧壁(02)分瓣，而且坩埚底(03)也分瓣，分瓣之间的间隙C贯穿坩埚壁和坩埚底的厚度，在坩埚底，缝隙C的长度T等于坩埚底的直径S。

冷坩埚的这种结构使主感应圈(01)产生的电磁场能顺利通过坩埚底(03)贯穿坩埚的整个内部空间，使坩埚内包括坩埚底部的炉料能全部被加热而完全熔化。

图4.1和图4.2显示了在这种结构的坩埚中炉料的受力分析：由于坩埚底(03)的内壁有斜度，所以主感应圈(01)在坩埚中产生的电磁场B能在熔体(04)的底面感应出涡流I。磁场B同涡流I相互作用，对于熔体底面产生了方向指向坩埚轴线的电磁力F，F克服熔体的压力P，使熔体底面脱离坩埚的底面，产生了悬浮能力。

考虑到主感应圈位置对熔体底面悬浮力的影响(图5)，把主感应圈略微向下进行了移动。

实施例2：

实施例2的冷坩埚系统的结构见图6。在此例中，虽然紫铜冷坩埚侧壁(02)仍然为圆筒形，但是紫铜坩埚底(03)的内、外表面都是圆锥面，圆锥角为120°(坩埚底对于水平面的倾角为30°)。在坩埚底的尖端开有直径2cm的下注口(07)。

与实施例1相同的是坩埚不仅侧壁(02)分瓣，而且坩埚底(03)也分瓣，分瓣之间的间隙C贯穿坩埚壁和坩埚底的厚度，坩埚底的缝隙C贯穿坩埚底的直径。这种结构使主感应圈(01)产生的电磁场能顺利通过坩埚底，使坩埚内的炉料能全部被加热而完全熔化。主感应圈(01)对熔体底面产生悬浮力的情况也与实施例1的情况相似。

与实施例1不同，本实施例除了主感应圈(01)之外，在坩埚的下方还安装了圆锥形的辅助感应圈(06)。在坩埚底(02)的内壁，辅助感应圈产生的磁力线B的方向接近于与此内壁平行。这样，B与沿熔体底面环绕坩埚轴线A流动的感应涡流I相互作用，所产生的作用力F’的方向就接近于垂直坩埚底的内壁，从而产生了更加显著的悬浮作用(见图7和图7.1)。

从图7.2和图7.3可见，在坩埚下方用平面螺线管或直径小于主感应圈的圆柱螺线管代替圆锥形螺线管时，对于悬浮力也能产生相似的作用。

实施例3：

实施例3的冷坩埚系统的结构见图8和图9。图8显示了冷坩埚所使用的环型水套的尺寸设计和位置设计，图9则是该冷坩埚系统的实际结构。

该坩埚具有圆截面，紫铜制作。坩埚壁(02)分16瓣，直径R＝120mm。坩埚底(03)为分体结构，按辐射方向分为8瓣，有下注口，圆锥筒形，圆锥角为120°，它直接装在坩埚壁的下端面。坩埚的总高度H＝250mm。

坩埚壁分为16瓣，每4片坩埚片是一个冷却单元，加上坩埚底的一个单元，总计5个冷却单元。所以，坩埚有5支进水导管和5支回水导管(10)。坩埚壁的冷却导管从坩埚片侧壁的下端引出，分别接入进水水套和回水水套(04)。

不锈钢水套(04)为环形腔体，内径r₁＝100mm，外径r₂＝160mm。水套在坩埚下方，水套的上端面离坩埚的下端面的距离H＝100mm。

为了切断涡流回路，将水套制作了一个断口M。为了保证水套的刚度，用装配件小片(11)结合了断口M两侧的水套，在小片与水套表面之间衬了绝缘垫(12)。

坩埚壁的上端面用环片形的紫铜装配件(11)拼装，在它与坩埚的表面之间衬了绝缘垫(12)。为了切断涡流回路，也将装配件环片制作了一个断口M。用紫铜加固片(14)结合了环片的断口两侧，在加固片与装配件环片之间也衬了绝缘垫(12)。为了防止熔体的高温直接辐射坩埚上口的绝缘片(12)，所以在坩埚片的上端头制作了挡片(15)。

实施例4：

实施例四的冷坩埚系统的结构见图10。

此例的冷坩埚由10片坩埚片组成，它们分成2组：a、b、c、d、e是一组，其它坩埚片是第二组。

这个坩埚只有4支从坩埚片引出冷却导管(10)，所以，坩埚不设置水套，而是将冷却导管直接接入冷却总管(13)——2支进水管接入进水总管；而2支回水管接入回水总管。

这种设计使坩埚的结构进一步简化，而且消除了水套阻挡电磁场和产生涡流损失等不利影响。

Claims (10)

1.真空感应熔炼用冷坩埚系统，包括坩埚壁、坩埚底、冷却管道、主感应圈、辅助感应圈和水套，冷坩埚系统的侧壁02和坩埚底03均为分瓣结构，各瓣之间有缝隙C，其特征在于：所述分瓣之间的缝隙C贯穿坩埚壁和坩埚底的厚度，缝隙C平行于坩埚的轴线，坩埚底03的内壁为带有斜度的球冠面或锥面，主感应圈的下端面比坩埚底的内壁低0.05～0.5H，在坩埚下方设置有与坩埚同轴线的辅助感应圈08。

2.根据权利要求1所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：在坩埚底部，所述缝隙C沿着底面的长度T等于坩埚底直径S的1～1.2倍。

3.根据权利要求1所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：坩埚内壁各点的斜度可以完全相同，也可以不完全相同。

4.根据权利要求1所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：坩埚底面内壁相对于水平面的斜度角α在10°～80°之间，最好控制在30°～60°的范围。

5.根据权利要求1所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：坩埚底的外壁带有斜度。

6.根据权利要求1所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：埚壁和坩埚底的冷却通道分别通过进水导管或回水导管10与进水水套或回水水套04连接。

7.根据权利要求1或6所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：埚壁和坩埚底的冷却通道可以分别直接将进水导管接入进水总管和将回水管接入回水总管。

8.根据权利要求1或6所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：所述水套04是与坩埚共轴线的环状腔体，水套环中间切断，断口分别焊死并绝缘。

9.根据权利要求1或6所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：水套04的位置沿着坩埚的轴线方向，离坩埚端面的距离S≥0.02H。

10.根据权利要求1所述的真空感应熔炼用冷坩埚系统，其特征在于：所述主感应圈的下端面比坩埚底的内壁低0.1～0.3H。

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