CN102927815A - 悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置 - Google Patents

Abstract

航空航天船舶工业特别需要高强高韧的耐热轻量钛铝合金，但现有上下直通式冷坩埚定向凝固装置存在所供给合金液过热度低和凝固组织定向控制难的问题。本发明提供了一种悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，在水冷铜坩埚内壁环向设置一梯形凸台，冷坩埚外部缠绕感应线圈，所述梯形凸台置于线圈的感应区内，在凸台上部将母料棒熔化，下部制备具有定向凝固组织的坯锭。凸台的加入可以增大熔化金属时在坩埚轴线方向上的悬浮力，有效的避免金属熔体与冷坩埚壁的接触，减少坩埚冷壁的侧向散热作用，提高合金液过热度和所制备坯锭凝固组织的定向性。

Description

悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置

技术领域

本发明涉及一种冷坩埚定向凝固铸造装置。

背景技术

1.发明的背景和意义

进入21世纪，航空航天事业不断蓬勃发展，传统的材料与材料加工技术已经不能满足人们的需求。对新型材料与新型材料加工技术的研究凸显的日益重要。减轻发动机与结构件的重量、提高发动机燃烧温度是提高航空航天器效率的有效途径。目前航空发动机普遍采用镍基高温合金和钛合金材料。钛合金的使用温度达到600℃，镍基高温合金的工作温度接近1100℃。镍基高温合金密度大而钛合金的工作温度低这都极大地限制了航空发动机的发展，寻找一种轻质耐高温的可靠的新型航空材料是突破目前发动机发展瓶颈的一条重要途径。近年来针对金属间化合物材料的研究越来越引起各国研究者的重视，其具有一般金属和合金所没有的高比强度、高比刚度，以及良好的高温抗氧化、抗蠕变和抗氢脆等特性。钛铝基合金由于具有高比强、高比刚、耐高温以及优异的抗氧化性，是高性能发动机，尤其是高压压气机部位优秀的候选材料。目前高性能发动机要求高压压气机叶片的工作温度应达到750-850°C区间，因此提高材料的耐热性是必须首先解决的问题。从已经开发成功的钛铝基合金来看，如Ti-Al-Cr-Nb系，Ti-Al-Si系等，其在叶片工作所要求的温度范围内，表现出了良好的综合性能：比弹性模量是其它结构材料的1.5倍以上；比强度高于钛合金和镍基合金，甚至接近单晶镍基合金的水平；膨胀系数接近低膨胀系数的镍基合金；易燃性远低于镍基合金。钛铝基合金这些优秀的性能特点为其在发动机上的应用奠定了坚实的基础，用以代替密度大的不锈钢或者镍基合金，这对于进一步提高发动机的工作温度和减少发动机自重具有重要意义。发动机转子叶片的受力特点是承受径向载荷力，消除横向晶界对保持叶片的良好工作状态具有重要意义。对于钛铝合金，如果能制备成具有定向凝固组织的叶片，由于晶粒取向与主应力方向一致，还会进一步提高压气机的工作温度。定向凝固技术在镍基合金涡轮叶片生产中已经得到了广泛的应用，大幅度地提高了材料的使用性能。然而对于钛铝基合金目前还没有采用定向凝固进行叶片制备的先例。

TiAl合金具有熔点高，化学活性高的特点，其与CaO、Al2O3、Zr2O3材料都会发生反应，杂质的引入会严重损害TiAl合金的性能增加其室温脆性，降低高温强度，抗氧化性和抗蠕变能力。因此传统的定向凝固方法很难克服TiAl材料的定向组织制备中出现的问题，TiAl材料的制备与加工技术成为TiAl工程实用化的最大的制约因素，冷坩埚定向凝固技术作为一种新型的定向凝固技术，采用感应加热的方法熔化金属，同时使用冷壁材料制成的坩埚本身不与合金熔体发生反应，可以多次重复使用，具有成本低，无污染的特点，特别适用于高熔点高反应活性的TiAl基合金的定向凝固。使用冷坩埚定向凝固方法制成的TiAl定向凝固组织较铸态组织的性能进一步提高。

2.本发明所涉及技术领域的发展

2.1定向凝固技术的发展

所谓定向凝固是在控制坯件内部传热、传质和流动的条件下，控制金属或晶体类材料沿固定生长方向进行凝固或者结晶的技术手段。定向凝固后金属的组织特征是与凝固热流方向相平行的一组平行柱状晶，如果能够适当控制晶粒的生长过程，例如抑制外来生核，则晶体可以长成只有一个晶粒的结晶组织，称为单晶体。由此可见定向凝固是在满足单向的热量和质量传递基本条件下的特殊的材料加工工艺。目前这种限制性凝固技术的发展，一方面为现代凝固技术的发展提供强有力的理论支撑，例如关于许多凝固现象都要依赖于定向凝固方法来系统研究，另一方面为工程上提供大量性能优异和可实用化的结构和功能材料，如定向或单晶的高温合金航空叶片、半导体硅电子材料、磁致伸缩材料、GaAs晶体发光材料、金属间化合物及各种金属基及无机复合材料等等。定向凝固技术的优越性直接表现在可以大范围控制凝固速率，即定向凝固时材料的冷却速率可由10-4K/S到104K/S大范围变化，因此能实现在极慢速条件下制备平衡凝固组织到在极快条件下制备非平衡的超细或者亚稳态凝固组织的组织状态的大范围调整，又由于材料的组织状态与性能指标密切相关，所以定向凝固为材料加工过程提供了广泛的空间。当前世界上几乎所有的民用及军用先进发动机的高温合金涡轮及导向叶片，均采用定向凝固技术将其加工成柱晶或者单晶组织状态来使用，这极大地提高了其高温使用性能，这一事实体现了定向凝固技术的突出贡献，而且定向凝固是一个非常活跃的技术领域，许多新型的定向技术正处于快速发展中。

2.1.1高梯度定向凝固

由于温度梯度增高的局限性，为维持单向热流，凝固速率只能限定至约0.1～1℃/秒的范围内，这样所得到的凝固组织比较粗大，偏析严重，影响了材料潜力的发挥。因此开发了高温度梯度定向凝固技术，它是在高频感应加热条件下，通过对试样施以局部窄区加热，并且超短距离强制低温冷却，这样获得的温度梯度通常大于1000℃/cm，可在保持单向热流的条件下，将凝固速率提高至几十至几百倍，得到了超细化的定向凝固及单晶凝固组织，显著地提高了力学性能。

2.1.2深过冷定向凝固

常规定向凝固技术，至少存在两个问题：(1)冷却速率受控于已凝固固相端热量导出的限制；(2)追求高温度梯度造成技术和设备上的困难。为了使材料在较低温度梯度下还能保持较高的凝固速率来生长，取得组织细化的效果，因此探索了深过冷定向凝固技术。

深过冷定向凝固是在使熔体净化和纯化的基础上，尽可能消除熔体中的外来晶核质点，使液态金属被过冷到平衡液相线以下几十至几百℃，然后诱导其沿指定方向进行凝固，则会获得定向结晶的组织状态。由于熔体在非稳状态下，一定条件下晶体会以相当快的凝固速率生长，从而使凝固组织的一、二次枝晶臂间距显著地减小。

2.1.3特种合金的电磁约束成形

高温合金、难熔合金、高温金属间化合物等特种材料的制备加工，由于它们的大比重、高熔点及高化学活性，采用常规熔化铸造或塑性变形加工都遇到很大的困难，往往造成严重的污染及冶金缺陷。将电磁约束成形与高温度梯度定向凝固技术结合起来，研究发展了一种具有半悬浮软接触和完全无接触的真空电磁约束成形技术。在系统研究单频单感应器及双频双感应器异形电磁场，温场，流场变化规律的基础上，可建立软接触及无接触两种工艺的电磁成形与凝固模式，对获得圆、椭圆、矩形、弯月形等不同截面形状的定向凝固样件具有特殊意义。

2.1.4单晶连铸定向凝固

单晶连铸技术的发展源于单晶导体在导电及传输讯号的金属线材上的应用。随着电子、网络、通讯、音像设备和高清晰度电视技术的发展，要求导线向传输高速化、精细化、高保真、高导电性方向发展。单晶导线由于消除了晶界，信号传输性能有很大的提高。通过将定向凝固与连铸技术结合，利用高梯度下晶粒竞争淘汰生长机制，开发出了材料的单晶连铸技术。到目前为止所得到的连铸铜单晶的塑性是连铸多晶铜的3至4倍，而其电阻率却比连铸多晶的降低了38%。

3.电磁冷坩埚技术研究现状

3.1电磁冷坩埚技术的原理

电磁冷坩埚是将具有良好导热特性的材料(紫铜等)制成通有水道的弧形瓣或者管线，组成整体坩埚并且在各瓣间填充绝缘材料阻止形成回路电流。将冷坩埚放置在高频感应线圈产生的交变磁场中，磁场透过开缝作用在被加热的物料的表层上产生感应涡流，由于感应涡流回路的电阻很小因此会产生很大的感生涡流，在物料表面产生大量的焦耳热，使物料感应融化。感生涡流在坩埚内磁场的作用下产生了将熔体推向坩埚中心的洛仑兹力，从而实现了熔体的约束悬浮。

1.在无污染的条件下对材料进行熔炼和处理，因为熔炼过程中熔体的约束悬浮与凝壳的形成使坩埚不直接接触熔体，避免了熔炼过程中坩埚材料与熔体之间反应给熔体带来的污染。

2.熔体在感应加热过程中产生的电磁力对熔体进行剧烈的搅拌，有利于获得成分和温度均匀的熔体，避免了熔炼过程中偏析的发生。

3.坩埚始终处于水冷状态下，与熔体间不发生直接接触，坩埚的使用寿命大大延长。

4.感应加热相比于传统的电弧熔炼的效率更高，可以熔炼熔点更高，化学活性更强的难熔材料，并且易于微量元素的添加控制。

3.2电磁冷坩埚技术的发展与应用领域

在难熔材料熔炼方面，与传统的氧化物坩埚相比，冷坩埚避免了杂质元素的引入，可以大为提高材料的使用性能，北京钢铁研究总院在国内已经成功熔炼了Ti3Al，TiAl基合金，Ni3Al，NiAl基合金，NiTi记忆合金，耐热铁、镍基合金等数十个成分。

此外，电磁冷坩埚技术还可以应用于核废料处理领域，法国最早提出了使用冷坩埚法对核工业中产生的各种核废料进行固化处理的概念，该方法已经成功被法俄意日等国应用于实际的核废料处理中，取得了很好的环境和经济效应。电磁冷坩埚技术还可以应用于二元稀土金属间化合物的熔炼。近年来电磁冷坩埚技术还越来越多的应用于功能材料领域，使用冷坩埚法熔炼太阳能多晶硅与传统的坩埚熔炼方法相比，冷坩埚法避免了坩埚本身对多晶硅的污染，大大提高了多晶硅的纯度，由于强烈的电磁搅拌的存在使得多晶硅的成分更加均匀，可以使其的光电转换效率大大提高，并且使生产效率进步提高。由于陶瓷材料的熔点一般要高于坩埚材料，因此陶瓷材料的均质熔化的问题一直以来都没有得到很好的解决，国内和国外的相关研究机构将电磁冷坩埚技术应用与氧化物陶瓷的熔炼中，成功的熔化了UO2/ZrO2等多种陶瓷材料。

3.3电磁悬浮熔炼技术

电磁悬浮熔炼方法是利用施加高频电流的感应线圈产生交变电磁场，在交变磁场的作用下，线圈内的导体产生感应涡流，形成电磁推力在实际应用中通常使用倒锥形的感应线圈，用于熔化物料并且获得向上的悬浮力，并且在悬浮物上部设置通有反向电流的稳定线圈，以保证悬浮物的稳定。但是使用单频悬浮熔炼始终具有一定的局限性。因此又进一步发展了双频电磁悬浮熔炼技术的研究，在熔炼中不同频率的电流分别用于熔化和悬浮，大大提高了悬浮熔炼材料的质量，并且更加易于控制熔化温度。

3.4冷坩埚悬浮熔炼技术

冷坩埚感应凝壳熔炼技术中，金属熔体与坩埚底部和侧壁相接触后会形成很厚的凝壳，为了克服这一问题，A.Gagnoud等大提出了冷坩埚悬浮熔炼技术，使物料在冷坩埚中进行熔炼时处于悬浮状态，彻底地消除了凝壳的存在，使材料的成分更加均匀，进一步提高了冶炼材料温度和纯度。

整体结构的坩埚底部屏蔽了感应线圈产生的磁场不会形成排斥熔体的的洛伦兹力，要实现冷坩埚的悬浮熔炼，必须取消坩埚底部的联通结构，并且改变外加线圈和坩埚的形状。N.Demukai等采用了锥形底坩埚，实现了几何学上的完全悬浮，并且提出了锥形坩埚悬浮能力参数α的计算公式

可以表示为 $\mathrm{\α}=(1/\mathrm{\ρ})\·P\·G\left(x\right)\·(K_2/K_2^{*})$

式中ρ——金属密度K2/K2*——与坩埚尺寸形状有关的悬浮能力

P——输入功率G(x)——金属悬浮体半径与集肤电流深度之比

该公式表明，坩埚的输入功率越大，熔炼金属的密度越小，所获得的悬浮力就越大，特别和集肤电流深度成反比，即感应电流频率越高，集肤电流深度越小，悬浮力越大。富士电机已经研制了容量7000cm3的大型点磁悬浮冷坩埚设备。采用不同频率的两组线圈，上部线圈主要实现融化功能频率为30Khz，下部线圈频率为3Khz只要用于实现熔体悬浮，在坩埚底部开设有出口，调节上下线圈的功率可以改变悬浮熔体的形状，控制熔体的流出。该设备可5分钟内悬浮熔炼50kg不锈钢。

3.5电磁冷坩埚定向凝固技术

为了实现高熔点高活性的高温合金，钛锆等合金的无污染熔炼，和无污染成型定向凝固坯件。哈尔滨工业大学将感应熔化，连续铸造和定向凝固技术相结合，开发了电磁冷坩埚定向凝固技术。水冷铜坩埚外部环绕高频感应线圈，坩埚内放有原料底托和送料棒，底托与抽拉系统相连，并且浸入GaIn合金冷却液中。在感应线圈上施加高频电流后在坩埚内产生高频电磁场，原料底托与上送料棒表面产生感应涡流生成大量焦耳热熔化。电磁推力将熔体推向坩埚中心形成驼峰。保温一定时间，驼峰熔体过热度到达一定要求后，即可调节底托与上送料棒的速度进行抽拉。抽拉过程中，上送料速度与底托抽拉速度保持固定的比例，从而保证凝固的金属部分源源不断的得到下落金属熔体的补充，从而保证固液界面位置相对稳定。合金在GaIn合金的冷却作用下获得自上而下的热流，合金沿热流反向不断凝固，最终获得稳定的定向凝固组织。

传统的定向凝固冷坩埚采用的是上下直通式结构，无法获得悬浮熔炼的效果。

发明内容

针对航空航天船舶工业特别需要高强高韧的耐热轻量钛铝合金，而现有上下直通式冷坩埚定向凝固装置存在所供给合金液过热度低和凝固组织定向控制难的问题，本发明提供一种悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，可较好地解决上述问题。

所述目的是通过如下方案实现的：

悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，包括封闭的炉体、送料杆、料棒、水冷铜坩埚、感应线圈、抽拉杆、结晶器、冷却剂材料，位于炉体内的料棒的上端部固定在送料杆的下端部上，料棒的下端部伸在水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚为开缝结构，水冷铜坩埚外部缠绕有感应线圈用于激发交变磁场并通过开缝向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，抽拉杆置于结晶器内，所述抽拉杆上端固定有底料，所述水冷铜坩埚内壁环向设置梯形凸台，所述梯形凸台置于感应线圈的感应区内，梯形凸台具有与水冷铜坩埚相同的开缝结构。

所述梯形凸台具有上倾斜表面，所述上倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°。

所述梯形凸台还具有下倾斜表面，所述下倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°。

所述水冷铜坩埚上下端头固定有屏蔽环。

水冷铜坩埚的高度为100mm。

从距坩埚底部15mm开设开缝，开缝长度为65mm。

冷坩埚的外径为64mm，坩埚的壁厚为13～15mm。

所述开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。

感应线圈采用外径9.5～10.5mm、内径5.5～6.5mm的T3铜管制成，铜管外面包裹环氧树脂和聚四氟乙烯带，高温部分再包裹陶瓷纤维带进行隔热处理，采用所述铜管绕制成半径为67～70mm的线圈4～5匝。

本发明在凸台上部将母料棒熔化，下部制备具有定向凝固组织的坯锭。凸台的加入可以增大熔化金属时在坩埚轴线方向上的悬浮力，有效的避免金属熔体与冷坩埚壁的接触，减少坩埚冷壁的侧向散热作用，提高合金液过热度和所制备坯锭凝固组织的定向性。

在冷坩埚熔炼过程中，悬浮力起着很重要的作用，当熔体熔化时，在表面张力和悬浮力的共同作用下，并不是立即下落，而是继续悬浮于坩埚内，这样就可以进一步的增加过热时间，提高熔体下落时的温度，此外悬浮力的存在还在一定程度上减小了熔体下落过程中带来的冲击，有利于界面前沿的稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是冷坩埚的结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

其中，1-料棒，2-感应线圈，3-水冷铜坩埚的开缝处，4-定向凝固铸锭，5-连接杆，6-冷却剂材料，7-抽拉杆，8-屏蔽环。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。

悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，包括封闭的炉体、送料杆、料棒、水冷铜坩埚、感应线圈、抽拉杆、结晶器、冷却剂材料，位于炉体内的料棒的上端部固定在送料杆的下端部上，料棒的下端部伸在水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚为开缝结构，水冷铜坩埚外部缠绕有感应线圈用于激发交变磁场并通过开缝向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，抽拉杆置于结晶器内，所述抽拉杆上端固定有底料，所述水冷铜坩埚内壁设置一圈梯形凸台，所述梯形凸台置于感应线圈的感应区内。

坩埚内部梯形凸台倾斜角度的选择：坩埚内部Z向磁感应强度的大小与坩埚内部锥角角度(梯形凸台的上下倾斜表面分别与水平面间的夹角)有关，将内部不同锥角的坩埚施加相同的电流，通过对比发现，内部带有锥角的坩埚的磁感应强度大于内部直筒形(即呈90°角)坩埚内部的磁感应强度，且随着锥角的增大有着逐渐增大的趋势，因此最终确定上下倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°，可以是35度、40度、45度、50度、55度、60度，优选45度。

上倾斜表面会产生向上的推力，增大溶区的质量，可以提供大体积溶体，减小对下部液体驼峰的扰动，提高铸锭表面质量。

下倾斜表面会对滴落的溶体产生向下的压力，否则液体驼峰过尖，在电磁推力作用下稳定性差，易出现贴壁，影响表面质量。因此，下倾斜表面会辅助改变液体驼峰的形状，增强其稳定性，减小抽拉阻力，增加铸锭的表面质量。

坩埚内部锥角高度的选择：上倾斜表面的垂直高度是下倾斜表面垂直高度的1.5～3倍。

所述上倾斜表面下端与下倾斜表面的上端之间连接有环形液滴通过孔，该通过孔的高度为3-6mm，所述通过孔上端的坩埚内径为30mm、通过孔直径为20mm、通过孔下端的坩埚内径为28mm。上面的直径大些可以使料棒具有较大的运动空间，上给料棒直径比下抽拉铸锭直径大，这样可以使送料杆具有较小的运动速度，便于下抽拉铸锭速度的的灵活调整。

坩埚开缝数：将物料置于未开缝的坩埚中，坩埚会屏蔽感应线圈产生的交变磁场，在这种情况下物料无法被感应加热，在坩埚上开缝之后，磁场可以透过开缝作用在物料之上，产生感应涡流加热物料。有研究发现，在5000Hz的情况下对于设有4条开缝的冷坩埚，磁场强度在坩埚内部衰减大约10％，开缝数越多坩埚内磁场的衰减就越小，内部的物料就越容易被加热。当开缝数达到一定时，坩埚内的磁场衰减就不再产生明显的变化，对于50khz的高频磁场，选择8-12条开缝数即可以保证磁场的衰减趋于稳定。过多的开缝数不会明显改善坩埚内磁场的衰减，反而为加大了加工的难度增加了制造成本，除此之外还要确保坩埚的每个瓣分内都足以开设冷却水道，因此可以选择设置8条、9条、10条、11条或12条开缝。

坩埚开缝的形状：坩埚的开缝形状会对坩埚内的磁场产生影响，通过试验发现，在使用矩形开缝形式，线圈上载荷100A电流时，坩埚中心线处的轴向磁感应强度BZ最大值为1.4mT左右，而当将矩形缝与三角形缝组合使用时，同样的载荷条件下，中心线的轴向磁感应强度BZ最大值超过3.5mT,是原有开缝形式下的2.5倍，相对应的磁感应强度B也有大幅的增加。可见通过改变坩埚开缝的形状，适当扩大坩埚的开缝间距也是一种提高坩埚效率的有效手段，因此本发明要求开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。

坩埚开缝长度：定向凝固冷坩埚上下分别设置屏蔽环，悬浮式定向凝固冷坩埚从距坩埚底部15mm开设开缝，开缝长度65mm。

坩埚高度的确定：在考虑坩埚高度设计时要注意两点，一要保证坩埚内熔体顺利熔化，由于坩埚顶部设置了屏蔽环，大大减弱了坩埚内上部的磁场强度，如果坩埚的高度过低会影响内部金属的熔化。二要尽量使金属在靠近梯形台的位置最先熔化，通过设置合理的坩埚高度和线圈高度确保坩埚内熔体在梯形台附近获得最大的悬浮推力。综合以上两点考虑最终将坩埚设计高度为100mm。

屏蔽环的确定：当只设置上倾斜表面的梯形凸台时，将线圈底部与坩埚底部置于同一水平，通过测量发现坩埚内的磁场分布沿坩埚开缝向下逐渐增大，在坩埚底部达到最大值，表明在坩埚底部不设置屏蔽环的情况下，坩埚底部梯形台附近的磁场强度明显增大，在该点处金属熔体产生的涡流与获得的洛伦兹力较大可以起到很好的悬浮熔炼的效果。因此，对于此种情况，只需在坩埚上端设置屏蔽环。

冷坩埚外径与壁厚的确定：由于感应线圈的功率有限，为了尽可能地提高作用在坩埚内料棒的有效功率，在确保能够实现加工制造的前提下应尽可能的减小坩埚的半径，同时考虑到将来制造零件的尺寸，将冷坩埚的外径设计为64mm，在确定坩埚壁厚的时，应考虑到坩埚内冷却水道的大小，壁厚太大会减弱坩埚内部的磁场，壁厚太小会给加工增大难度，水道与坩埚壁之间的间隙过小甚至会导致在熔炼过程中坩埚壁的烧穿，使坩埚损坏，将坩埚的壁厚设为13-15mm，优选14mm。

感应线圈的确定：感应线圈采用外径9.5～10.5mm、内径5.5～6.5mm的T3铜管制成。在真空感应熔炼过程中，炉内处于高温强电磁环境，感应线圈在匝间距离很小，载荷电压很高的情况下极易发生放电现象，当真空室内压力为数百帕时，端电压高于300V时，就可以产生放电，因此需要采取绝缘措施提高电压，对坩埚和感应线圈进行绝缘处理，采用环氧树脂和聚四氟乙烯带进行包裹，高温部分再包裹陶瓷纤维带进行隔热处理，经过绝缘处理后，电压可提高到500-2000V。

对于不同的线圈，电源的输出电流设定为150A，使用三匝线圈时，电源输出150A电流时，料棒与底托均无法加热到合金熔点温度以上，使用四匝线圈时，料棒和底托的加热温度可以高于熔点温度，当采用五匝线圈料棒和底托均可以实现充分过热。因此，本发明采用铜管绕制成半径为67～70mm的线圈4～5匝。

冷却水循环系统的设计：感应加热时，感应线圈产生的交变磁场作用在坩埚上同样会产生感生涡流，在坩埚上产生大量的焦耳热，因此必须通过设计合理的冷却循环系统将热量及时带出从而保证坩埚不因温度过高而被感应熔化。坩埚的埚体的长度、开缝形式、开缝数及开缝长度这些因素共同决定了冷却水道的设计。坩埚在底部设置有屏蔽环，因此在坩埚底部开设水槽连接相邻两组分瓣，冷却水由其中一瓣的顶部水口进入，流经坩埚底部水槽，由另一瓣的侧面水口流出。

冷坩埚的定位：坩埚埚体加工焊接完成后，要对坩埚进行定位与固定以确保坩埚底部的圆孔与下抽拉杆的轴心相对，在出入水铜环上分别开设水口并且与铜管焊接为一体，铜管一方面作为入水与出水的通道与设备的水口相连，同时通过调节铜管的长度和高度对坩埚进行定位，最终通过紧固螺母固定在设备上。

使用时，将坩埚安置在炉内，使用紧固螺栓将坩埚的两支冷却管与炉内的进出水口相连接，将料棒与定向凝固底部引锭安置在适当位置，坩埚外缠绕电磁感应线圈。进行实验时，关闭炉门，启动真空系统，将炉内气压抽至0.5Pa，并且充入高纯氩气，反复多次。启动冷却水泵，在线圈上施加50KHz的交变电流，加热熔化料棒底托，保温一定时间后，以0.7mm/min的速度抽拉铸锭，抽拉距离70mm。待抽拉完成后，关闭电源，待铸锭冷却后取出。

将采用本发所述装置制备的定向凝固组织铸锭沿中心轴向切开观察发现，存在初始凝固区，定向组织稳态生长区，糊状区，液相区与表面凝壳等几部分。在定向凝固的初始阶段，初始凝固区内的晶粒基本以等轴晶为主，当继续进行抽拉，组织进入稳态生长阶段，此时的组织转变为柱状晶，由于侧向散热的存在，部分外侧柱状晶生长的起始会与轴线倾斜生长，但是随着生长的进行，晶粒的生长方向重新接近轴向方向，铸锭中部的柱状晶晶粒细小平直。可以清楚的看到采用悬浮式定向凝固冷坩埚制得的定向凝固组织外壁区域存在极薄的凝壳，侧向散热的现象得到了明显的改善，柱状晶生长方向与轴线方向呈现平行生长，靠近凝壳区域的少量初始阶段偏离轴线方向的柱状晶，随着生长的进行也逐渐朝着竖直的方向生长。

本实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，包括封闭的炉体、送料杆、料棒、水冷铜坩埚、感应线圈、抽拉杆、结晶器、冷却剂材料，位于炉体内的料棒的上端部固定在送料杆的下端部上，料棒的下端部伸在水冷铜坩埚中，水冷铜坩埚为开缝结构，水冷铜坩埚外部缠绕有感应线圈用于激发交变磁场并通过开缝向其内部扩散从而产生加工过程所需要的热区，盛装有冷却剂材料的结晶器置于水冷铜坩埚的正下方，抽拉杆置于结晶器内，所述抽拉杆上端固定有底料，其特征在于：所述水冷铜坩埚内壁环向设置梯形凸台，所述梯形凸台置于感应线圈的感应区内，梯形凸台具有与水冷铜坩埚相同的开缝结构。

2.根据权利要求1所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，其特征在于所述梯形凸台具有上倾斜表面，所述上倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°。

3.根据权利要求2所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置其特征在于所述梯形凸台还具有下倾斜表面，所述下倾斜表面与水平面间的夹角为30～60°。

4.根据权利要求1任意一项所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，其特征在于所述水冷铜坩埚上端头和/或下端头设置有屏蔽环。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，其特征在于水冷铜坩埚的高度为100mm。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，其特征在于从距坩埚底部15mm开设开缝，开缝长度为65mm。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，其特征在于冷坩埚的外径为64mm，坩埚的壁厚为13～15mm。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置其特征在于所述开缝形状从内到外为矩形连接三角形的缝，三角形开缝处的两个边呈90°夹角。

9.根据权利要求1-4任意一项所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，其特征在于感应线圈采用外径9.5～10.5mm、内径5.5～6.5mm的T3铜管制成，铜管外面包裹环氧树脂和聚四氟乙烯带，高温部分再包裹陶瓷纤维带进行隔热处理，采用所述铜管绕制成半径为67～70mm的线圈4～5匝。

10.根据权利要求1-4任意一项所述的悬浮式冷坩埚连续熔铸与定向凝固装置，其特征在于所述开缝数为8-12条。

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