CN104209483A - 一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统 - Google Patents

Abstract

一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，本发明涉及一种熔化与电磁约束成形系统。本发明为解决现有连续熔化与电磁约束系统的内腔尺寸较小，感应器与坩埚匹配不合理导致坩埚损耗过大，高铌钛铝合金不易被熔化，或熔化后的高铌钛铝合金液过热度不高，且电磁力不均匀，组织控制效果不好的问题。它包括：包括坩埚主体、进水管、出水管、细水管，感应线圈和导磁体，所述坩埚主体由上半体和下半体组成，所述上半体与下半体由一个整体铜块通过线切割和钻孔加工而成，所述进水管通过细水管与下半体连通，所述出水管通过细水管与下半体连通，所述感应线圈套在上半体上，导磁体围绕在感应线圈外。本发明应用于电热转换领域。

Description

一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统

技术领域

本发明涉及一种熔化与电磁约束成形系统，具体涉及一种用熔化和电磁约束成形高熔点、高活性金属的高效率电热转换的系统。

背景技术

授权专利连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚(专利号：ZL200710072714)，解决了现有的冷坩埚在定向凝固钛铝合金，但其能量的利用率低，不能很好的对其侧向散热进行热补偿，造成柱状晶不连续的问题。其冷坩埚的一些特征为坩埚主体的横截面为方形，开缝位置为四个边上，四个角无对角线开缝等。以往研究主要是针对熔炼式冷坩埚，而定向凝固用冷坩埚的优化思路和熔炼式冷坩埚的优化思路有明显的区别，从加工性和可行研究性的角度上看，熔炼式冷坩埚必然采用圆筒式结构，如此可以有效降低其设计难度，并且使制造工艺极大简化。而对于定向凝固用的冷坩埚，则必须要考虑材料的最终成形性，对于航空发动机叶片材料，棒状坯料显然大大降低了材料的利用率。因此，定向凝固用冷坩埚的设计出发点比熔炼式冷坩埚更加丰富。从提高冷坩埚工作效率上看，定向凝固用冷坩埚和熔炼式冷坩埚是一样的，希望利用较低的功率，制备出高熔点、大体积和质量的材料。熔炼式冷坩埚很少考虑磁场分布特点，只要求透入坩埚内腔的磁场越大越好。然而，对于定向凝固用冷坩埚，则必须考虑内腔磁场特别是同一高度上的分布特点。组织控制是定向凝固用冷坩埚研究的一个重要方向。因此，冷坩埚内的磁场大小和分布对定向凝固过程有重要影响，尽量减少坩埚瓣中点处磁场和开缝处磁场的差值，是定向凝固用了冷坩埚设计时必须考虑的，而此方面的研究尚处于空白。

目前应用广泛的电磁冷坩埚，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化金属，并依靠电磁力使金属熔体与坩埚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成形的技术。连续熔化与电磁约束用电磁成形系统就是基于以上原理而制造的，它是将熔化和电磁约束成形相结合，利用一个电磁感应器提供电磁感应加热源和电磁约束力，因此热与力的耦合是设计熔化与电磁约束成形系统的关键。而且水冷铜坩埚自身也处在交变电磁场内，水冷铜坩埚的损耗是能量消耗的一个重要方面，因此水冷铜坩埚的自耗对于电源的电热转换有不可替代的作用。高铌钛铝基合金是通过添加高熔点的合金化元素Nb能有效提高合金的熔点及有序化温度,使高铌钛铝基合金的使用温度达到900℃以上，同时具有良好的抗氧化性能，由于难熔金属Nb元素的加入，使得高铌钛铝基合金熔点比普通钛铝合金提高了60～100℃，同时也提高了其高温抗氧化性。但是Nb的加入带来优越高温性能的同时，也增加了高铌钛铝基合金制备的难度。目前的连续熔化与凝固用电磁冷坩埚的横截面尺寸一般较小(直径小于30mm，或边长小于25mm)，感应器设计与水冷铜坩埚的匹配较差以致于整个系统的电热转换效率较低，从而很难熔化高铌钛铝合金，或者高铌钛铝合金液的过热度较低，难以进行组织控制和定向凝固。

发明内容

本发明为解决现有连续熔化与电磁约束系统的内腔尺寸较小，感应器与坩埚匹配不合理导致坩埚损耗过大，高铌钛铝合金不易被熔化，或熔化后的高铌钛铝合金液过热度不高，且电磁力不均匀，组织控制效果不好的问题，进而提出一种用于高铌钛铝合金的连续熔化与电磁约束成形系统。

一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，它包括：包括坩埚主体、进水管、出水管、若干个细水管和感应线圈，所述坩埚主体由上半体和下半体组成，所述上半体与下半体由一个整体铜块通过线切割和钻孔加工而成，所述进水管通过细水管与下半体连通，所述出水管通过细水管与下半体连通，所述感应线圈套在上半体上，所述坩埚主体的横截面为方环状的空腔体，所述上半体被分割成十六个截面为花瓣状的柱体，主体方形横截面的两个对角线处有开缝，柱体沿坩埚主体截面上的水平轴和垂直轴对称，水平轴和垂直轴的交点与坩埚主体水平截面上的中心重合，柱体的内部设有通孔，所述下半体的底面上与通孔对应位置开有纵向盲孔，每个纵向盲孔与对应的通孔连通，十六个盲孔分为八组，每组两个盲孔连通，每个盲孔通过细水管与出水管连通，每相邻两个柱体之间留有间隙，所述间隙内填充有绝缘密封材料层,导磁体围绕在感应线圈外面；

其中，所述感应线圈由横截面为方形的铜管绕制而成，线圈外用导磁体围绕。

本发明的有益效果：

本发明要解决坩埚系统对电磁场的屏蔽问题，特别是坩埚主体方形横截面的四个拐角处的屏蔽，保证在较低功率下，可以使更多的电磁能透入坩埚内腔；要解决坩埚内磁场均匀性的问题，特别是坩埚内腔边壁上的磁场均匀性，此点是定向凝固用冷坩埚设计的独有要求；要解决整体结构设计简单合理的问题，方便加工制造。

本发明充分保持了高铌钛铝合金的高纯度，同时防止在熔炼或凝固过程中各种间隙元素的污染，实现高铌钛铝合金的低成本熔炼和凝固，由于采用感应加热，本发明可以熔化温度较高的高铌钛铝合金，电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀，与现有熔化和电磁约束系统相比，本发明内腔尺寸较大，电热转换效率较高，可以在小的功率下熔化高铌钛铝合金，并且使高铌钛铝合金液具有一定的过热度，从而可以对其进行组织控制和保证其成分准确。降低了坩埚自身的能量损耗，提高坩埚的电源利用率。

本发明充分保持了原高铌钛铝合金的高纯度及防止在熔炼或凝固过程中各种间隙元素的污染，实现高铌钛铝合金的低成本熔炼和凝固，由于采用感应加热，本发明可以熔化温度较高的高铌钛铝合金，电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀，与现有熔化与电磁约束成形系统相比，电热转换效率较高，可以在小的功率下熔化高铌钛铝合金，并且使高铌钛铝合金液具有一定的过热度，从而可以对其进行组织控制和保证其成分准确。降低了坩埚自身的能量损耗，提高坩埚的电源利用率。

本发明保证了高铌钛铝能顺利连续抽拉，由于内腔尺寸大，因此适用范围广，可熔炼不同成分的合金和材料。

采用方形内腔，使材料的成形性和后加工利用率综合最佳；采用无上水冷铜环设计，同时采用近楔形开缝，参照图4，能使更多的电磁能透入坩埚内腔；采用薄壁厚，但必须满足坩埚强度要求和简单的可机械加工性，可以改善内腔边壁磁场的均匀性；采用方形截面线圈，线圈外用导磁体围绕，增加线圈的工作效率，提高能量利用率。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中A-A向的剖视图；

图4是图3中I处的放大图；

图5(a)是实施例中方形坩埚内腔特征位置边中开缝的磁感应强度图；

图5(b)是实施例中方形坩埚内腔特征位置瓣中点的磁感应强度图；

图5(c)是实施例中方形坩埚内腔特征位置拐点的磁感应强度图；

图6是实施例中冷坩埚示意图；其中，h₃表示下水冷铜环厚度，h₂表示开缝长度，H表示坩埚主体的高度，h₄表示感应线圈位置，h₁表示上水冷铜环厚度；

图7是实施例中水冷铜环对坩埚瓣中点处磁感应强度值的影响图；

图8(a)是实施例中瓣中点的磁感应强度图；

图8(b)是实施例中边中开缝的磁感应强度图；

图8(c)是实施例中磁感应强度最大值图；

图9(a)是实施例中瓣中点的磁感应强度图；

图9(b)是实施例中边中开缝的磁感应强度图；

图9(c)是实施例中不同矩形缝宽下的Bz分布矩形缝宽图；

图10(a)是实施例中瓣中点的磁感应强度图；

图10(b)是实施例中边中开缝的磁感应强度图；

图11(a)为有限元模型对冷坩埚定向凝固系统磁场分布的影响图；

图11(b)无导磁体施加时冷坩埚定向凝固系统磁场分布的影响图；

图11(c)有导磁体施加时冷坩埚定向凝固系统磁场分布的影响图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，它包括：包括坩埚主体1、进水管2、出水管3、若干个细水管4和感应线圈5，所述坩埚主体1由上半体1-1和下半体1-2组成，所述上半体1-1与下半体1-2是由一个整体铜块通过线切割和钻孔加工而成，所述进水管2通过细水管4与下半体1-2连通，所述出水管3通过细水管4与下半体1-2连通，所述感应线圈5套在上半体1-1上，所述坩埚主体1的横截面为方环状的空腔体，所述上半体1-1被分割成十六个截面为花瓣状的柱体6，柱体6沿坩埚主体1截面上的水平轴和垂直轴对称，水平轴和垂直轴的交点与坩埚主体1水平截面上的中心重合，主体方形横截面的两个对角线处有开缝，柱体6的内部设有通孔7，所述下半体1-2的底面上与通孔7对应位置开有纵向盲孔8，每个纵向盲孔8与对应的通孔7连通，十六个盲孔8分为八组，每组两个盲孔8连通，每个盲孔8通过细水管4与出水管3连通，每相邻两个柱体6之间留有间隙9，所述间隙9内填充有绝缘密封材料层10，导磁体12围绕在感应线圈5外面；

其中，所述感应线圈5由横截面为方形的铜管绕制而成感应线圈5,外用导磁体12围绕。

本实施方式充分保持了原高铌钛铝合金的高纯度及防止在熔炼或凝固过程中各种间隙元素的污染，实现高铌钛铝合金的低成本熔炼和凝固，由于采用感应加热，本发明可以熔化温度较高的高铌钛铝合金，电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀，与现有熔化与电磁约束成形系统相比，电热转换效率较高，可以在小的功率下熔化高铌钛铝合金，并且使高铌钛铝合金液具有一定的过热度，从而可以对其进行组织控制和保证其成分准确。降低了坩埚自身的能量损耗，提高坩埚的电源利用率。

本实施方式的有益效果：

本实施方式要解决坩埚系统对电磁场的屏蔽问题，保证在较低功率下，可以使更多的电磁能透入坩埚内腔；要解决坩埚内磁场均匀性的问题，特别是坩埚内腔边壁上的磁场均匀性，此点是定向凝固用冷坩埚设计的独有要求；要解决整体结构设计简单合理的问题，方便加工制造。

本实施方式充分保持了高铌钛铝合金的高纯度，同时防止在熔炼或凝固过程中各种间隙元素的污染，实现高铌钛铝合金的低成本熔炼和凝固，由于采用感应加热，本发明可以熔化温度较高的高铌钛铝合金，电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀，与现有熔化和电磁约束系统相比，本发明内腔尺寸较大，电热转换效率较高，可以在小的功率下熔化高铌钛铝合金，并且使高铌钛铝合金液具有一定的过热度，从而可以对其进行组织控制和保证其成分准确。降低了坩埚自身的能量损耗，提高坩埚的电源利用率。

本实施方式充分保持了原高铌钛铝合金的高纯度及防止在熔炼或凝固过程中各种间隙元素的污染，实现高铌钛铝合金的低成本熔炼和凝固，由于采用感应加热，本发明可以熔化温度较高的高铌钛铝合金，电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀，与现有熔化与电磁约束成形系统相比，电热转换效率较高，可以在小的功率下熔化高铌钛铝合金，并且使高铌钛铝合金液具有一定的过热度，从而可以对其进行组织控制和保证其成分准确。降低了坩埚自身的能量损耗，提高坩埚的电源利用率。

本实施方式保证了硅凝固膨胀时能顺利连续抽拉，便于及时调节预热棒速度，以准确制备出所需组织硅锭，同时消除了因坩埚内腔尺寸较小硅颗粒预热度不够而造成感应熔化不良或感应熔化终止的现象，由于内腔尺寸大，因此适用范围广，可熔炼不同成分的合金和材料。

采用方形内腔，使材料的成形性和后加工利用率综合最佳；采用无上水冷铜环设计，同时采用近楔形开缝，参照图4，能使更多的电磁能透入坩埚内腔；采用薄壁厚，但必须满足坩埚强度要求和简单的可机械加工性，可以改善内腔边壁磁场的均匀性；采用方形截面线圈，增加线圈的工作效率，提高能量利用率。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述绝缘密封材料层10为天然云母片和环氧树脂制成的绝缘密封材料层10。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述细水管4与进水管2、细水管4与出水管3、细水管4与坩埚主体1的下半体1-2均通过焊接连接。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述坩埚主体1的长度L为80mm～100mm，宽度W为80mm～100mm，总高度H为150mm，包括上水冷铜环厚度(h₁)，下水冷铜环厚度(h₃)，开缝长度(h₂)和感应线圈位置(h₄)；

其中，上水冷厚度h₁为10～30mm，下水冷铜环厚度h₃为10～20mm，开缝长度h₂为100mm～150mm，感应线圈5位置h₄为3mm～18mm，感应线圈外加入一个导磁体，导磁体距离感应线圈的上下面距离为5mm～9mm。

本实施方式保证了高铌钛铝合金能顺利连续抽拉，以准确制备出所需组织，由于内腔尺寸大，因此适用范围广，可熔炼不同成分的合金和材料，见图6。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述间隙9的长度a为90mm～120mm，所述间隙9的宽度b为0.4mm～1.6mm。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统还包括绝缘带11，所述绝缘带11的外表面上涂有一层环氧树脂层，所述绝缘带11缠绕在坩埚主体1的外表面上，且绝缘带11位于坩埚主体1的外表面与感应线圈5之间。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述感应线圈5是由4匝横截面为10mm×10mm和12mm×12mm的铜管绕制而成，感应线圈5底面距离坩埚主体1底面15～20mm。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述坩埚主体1壁厚为10～20mm。

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统的内腔边长15～40mm。

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

实施例：

利用本系统进行对比试验，结果如下：

本发明优化设计制造的方形内腔冷坩埚有更加的透磁性，相同电流参数下，特征位置的磁场得到明显提升，在内腔截面积扩大近一倍的情况下，其磁场的磁场均匀性指数略有升高，参照图5(a)～5(c)。在内腔截面积扩大近一倍的情况下，其磁场的磁场均匀性指数略有升高。

本发明的坩埚主体(1)的高度H为150mm不变，上水冷铜环厚度h₁为10～30mm，下水冷铜环厚度h₃为10～20mm，开缝长度h₂为100mm～150mm，感应线圈位置h₄为3mm～18mm。水冷铜环起到连接坩埚水道和提高坩埚强度的作用。在坩埚总高度H为150mm不变的情况下，考察了水冷铜环(h₁和h₃)的有无对分瓣中点处磁感应强度(Bz)值的影响，计算结果见图7。可明显看出，水冷铜环的存在对坩埚内磁场起到强烈的削弱作用，这是由于屏蔽效应造成的。由于上水冷铜环和感应线圈的距离较远，所以对坩埚内的磁感应强度影响较小。由此，感应线圈和水冷铜环的相对位置对磁场分布有重要影响，基于标准模型，通过改变h₁和h₄来探讨感应线圈和水冷铜环之间距离对磁场的影响，计算结果见图8。由图8(a)和(b)可明显看出，h₄的减小导致开缝处和坩埚瓣中点处的Bz值同时减弱。当感应线圈逐渐靠近水冷屏蔽铜环时，最大Bz值的显著衰减如图8(c)所示。因此，一个适当较大的h₄值可有效减少系统的功率损失。但是，过大的h₄值会增大熔体到底部金属之间的冷却距离，从而可能降低其温度梯度。

本发明采用标准模型中的矩形开缝结构，当其宽度从0.4mm变化到1.6mm时，B_z的计算结果如图9(a)和(b)所示，最大B_z值的分布如图9(c)所示。从图9(a)和(b)中可明显看出B_z随着开缝宽度的增加而增加。B_z在坩埚高度大约是55mm时(线圈半高附近)达到峰值，最大B_z值和开缝宽度呈近线性的关系，如图9(c)所示。随着开缝宽度的增加，坩埚的透磁性增加，尤其表现在开缝处的位置。因此，开缝宽度的增加可能会导致开缝处和坩埚瓣中点处B_z之间差值的增大。

本发明中感应线圈的截面形状和开缝位置对坩埚内的磁场有很大的影响。不同的线圈截面形状下，坩埚内开缝处和坩埚瓣中点处的Bz值计算结果分别如图10(a)和(b)所示。可以看出，跑道型截面形状的线圈具有最佳的工作性能，在相同的电源参数下，圆形截面线圈在坩埚内腔产生的磁场最小，方形线圈比单匝线圈的效率要稍高。

本发明中采用了导磁体。由于导磁体具有很小的磁阻和高的磁导率，易于使磁力线通过，由此起到聚磁作用。导磁体还能控制磁通的密度和方向，改变感应器中的电流分布，达到所需要的各种加热要求，能在很大程度上减少能量的损耗。图11(a)为冷坩埚定向凝固2-D有限元模型。当感应线圈电流密度为10⁷A/m²、频率为50kHz时，无导磁体施加时的空间磁场矢量分布如图11(b)所示，图11(c)为有导磁体施加时的磁场分布。对比图11(b)和(c)可知，当冷坩埚系统有导磁体存在时，磁力线集中穿过导磁体而不向外围空间发散，导磁体的作用相当于把远处的磁力线集中拉回至线圈附近。在计算结果后处理部分，可以得到冷坩埚系统单位时间内的平均能耗(W)，如表1所示。虽然采用了简化的2-D模型，但表3-3中数据说明了在使用导磁体的情况下，TiAl物料可以利用更多的电磁能，是无导磁体时的两倍以上。另一方面，导磁体距离下水冷铜环的距离越远，其物料可利用的电磁能越大。

表1 导磁体对冷坩埚系统能耗的影响

Claims (9)

1.一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于它包括：包括坩埚主体(1)、进水管(2)、出水管(3)、若干个细水管(4)和感应线圈(5)，所述坩埚主体(1)由上半体(1-1)和下半体(1-2)组成，所述上半体(1-1)与下半体(1-2)由一个整体铜块通过线切割和钻孔加工而成，所述进水管(2)通过细水管(4)与下半体(1-2)连通，所述出水管(3)通过细水管(4)与下半体(1-2)连通，所述感应线圈(5)套在上半体(1-1)上，所述坩埚主体(1)的横截面为方环状的空腔体，所述上半体(1-1)被分割成十六个截面为花瓣状的柱体(6)，主体方形横截面的两个对角线处有开缝，柱体(6)沿坩埚主体(1)截面上的水平轴和垂直轴对称，水平轴和垂直轴的交点与坩埚主体(1)水平截面上的中心重合，柱体(6)的内部设有通孔(7)，所述下半体(1-2)的底面上与通孔(7)对应位置开有纵向盲孔(8)，每个纵向盲孔(8)与对应的通孔(7)连通，十六个盲孔(8)分为八组，每组两个盲孔(8)连通，每个盲孔(8)通过细水管(4)与出水管(3)连通，每相邻两个柱体(6)之间留有间隙(9)，所述间隙(9)内填充有绝缘密封材料层(10)，导磁体(12)围绕在感应线圈(5)外面；

其中，所述感应线圈(5)由横截面为方形的铜管绕制而成,感应线圈(5)外用导磁体(12)围绕。

2.根据权利要求1所述的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于所述绝缘密封材料层(10)为天然云母片和环氧树脂制成的绝缘密封材料层(10)。

3.根据权利要求2所述的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于所述细水管(4)与进水管(2)、细水管(4)与出水管(3)、细水管(4)与坩埚主体(1)的下半体(1-2)均通过焊接连接。

4.根据权利要求3所述的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于所述坩埚主体(1)的长度L为80mm～100mm，宽度W为80mm～100mm，总高度H为150mm，包括上水冷铜环厚度(h₁)，下水冷铜环厚度(h₃)，开缝长度(h₂)和感应线圈位置(h₄)；

其中，上水冷铜环厚度h₁为10～30mm，下水冷铜环厚度h₃为10～20mm，开缝长度h₂为100mm～150mm，感应线圈(5)位置h₄为3mm～18mm，在上水冷铜环与下水冷铜环之间加入一个导磁体，导磁体底部和下水冷铜环距离为3mm～9mm。

5.根据权利要求4所述的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于所述间隙(9)的长度a为90mm～120mm，所述间隙(9)的宽度b为0.4mm～1.6mm。

6.根据权利要求5所述的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于所述一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统还包括绝缘带(11)，所述绝缘带(11)的外表面上涂有一层环氧树脂层，所述绝缘带(11)缠绕在坩埚主体(1)的外表面上，且绝缘带(11)位于坩埚主体(1)的外表面与感应线圈(5)之间。

7.根据权利要求6所述的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于所述感应线圈(5)是由4匝横截面为10mm×10mm和12mm×12mm的铜管绕制而成，感应线圈(5)底面距离坩埚主体(1)底面15～20mm。

8.根据权利要求7所述的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于所述坩埚主体(1)壁厚为10～20mm。

9.根据权利要求8所述的一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于所述高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统的内腔边长15～40mm。