CN1048328C - 感应炉用冷坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种感应炉用坩埚。其主要特征是该坩埚的侧壁及底部抛物面被纵向切缝分割成若干个分瓣。坩埚底部抛物面顶点下的切缝与坩埚下底部的距不小于10mm，即坩埚侧壁及抛物面底部被切割后，各个分瓣仍通过底部保持其整体。分瓣间的切缝采用高温绝缘材料填充。各分瓣内及坩埚底部均采用循环水冷却。与现有技术相比，本发明可消除熔炼时坩埚底部的冷区，降低凝固壳重量，提高热效率和熔池化学成分及过热度的均匀性。

Description

感应炉用冷坩埚

本发明属于坩埚技术领域。主要适用于熔炼或熔铸活泼金属、高纯金属材料、半导体材料、高浓度污染物及合金元素物性差异较大的复杂合金。

冷坩埚是指感应熔炼采用水冷的、分瓣的金属材质坩埚。一般采用导电导热性能良好的铜合金或铝合金制成。

通常的冷坩埚，其内腔(侧壁)为圆柱形，底部为平底形。冷坩埚的侧壁切割有4-50条条数不等的狭缝，即坩埚的侧壁被分割成一组扇形的分瓣，分瓣之间用耐热的绝缘材料填实，即由绝缘材料组成了狭缝，保证分瓣之间互相绝缘。每个分瓣都由循环冷却水冷却。而平底形的底部由整块的导电材料制成，没有切缝。坩埚的侧壁是扇形管按圆周排列，并焊接在坩埚平底上，相围而成。

另外，在冷坩埚的外围配置中频或高频交变电磁场。

当通电熔炼时，电磁场产生的磁力线通过冷坩埚侧壁面的切缝进入坩埚内部，对坩埚中的炉料产生感应电，并转成热能，进行感应加热。在熔炼过程中，在电磁力的作用下，熔池与坩埚的侧壁并非接触状态，冷坩埚侧壁的温度维持在一个较低的水平，这样就排除了熔池与坩埚之间发生任何形式的相互作用，实现无污染熔炼。

但是，在上述的冷坩埚中，只在坩埚侧壁切缝，其底部为一整体无切缝(EP0391067)。这样，在熔炼过程中，与坩埚底部接触的炉料被坩埚底短路，不能被外磁场感应加热，导致在坩埚底部形成一个冷区(因底部是水冷的)，致使在熔炼过程中，炉料熔融体自底部形成凝固壳(US 3702-368)。这种凝固壳不但降低熔铸件的成材率，也难以使整个熔池获得均匀的化学成分和均匀的过热度。另外，这类坩埚结构就中小型容量的坩埚而言，结构复杂，制造工艺繁琐，使用寿命低。

欧洲专利EP0408453公开了一种电磁感应冷坩埚。该坩埚的底部为抛物面，其侧壁和底部被若干条切缝分成若干分瓣，各分瓣间的切缝沿纵向从坩埚顶端直至底部，把整个坩埚完全切分成若干分瓣，各分瓣互不相连，各个分瓣都有上、下水两条水管，分瓣间的切缝采用高温绝缘材料填充。

该坩埚在感应磁场的作用下，可以使炉料完全悬浮于坩埚内，能冶炼高纯度和高性能的合金。但坩埚也存在如下缺点：

(1)由于各分瓣间从坩埚顶端直至坩埚底部完全切割分离，分瓣间相互绝缘，而各个分瓣在几何形状和物理特征不能保证一致，使得分瓣之间产生势差，工作时，当该势差达到一定程度，就会导致各分瓣之间相互放电打弧，打弧严重时，将坩埚击穿，造成坩埚报废和冶炼事故。当有粉尘落在坩埚分瓣上时，这种情况更为严重，不能保证正常和安全的冶炼操作。

(2)在该坩埚的各个分瓣内设有上、下水两个水管，再加上该坩埚分瓣是一切到底，互不关连，而且不能在其底部集中冷却，因此，该坩埚的分瓣数有限，不能细分。实际上，坩埚细分，即分瓣多，可减少坩埚自身能耗，提高熔炼效率(参看P.G.Clites所著的《The Lnductoslag MeLting Process》一书第9页)。

(3)该坩埚只能小容积，不宜形成大小容积坩埚，因为当坩埚容积增大，即每分瓣的体积也增大，这样，每分瓣之间几何形状和物理特性上的差异的可能性增大，即分瓣的势差倾向增大，更容易造成打弧，穿击坩埚。所以该坩埚只能是小容积的，使用面受到限制。

本发明的目的在于提供一种结构优化的感应炉用冷坩埚。它不仅结构强度高，而且能消除底部冷区，减少熔池凝固壳的重量，提高熔炉热效率，能防止打弧事故出现。

针对上述目的，本发明的主要技术方案是在坩埚的结构上，侧壁的内表面为圆柱形，底面为抛物面。整个坩埚由若干个分瓣组成，每个分瓣的内表面分上下两部分，上部分为圆柱形分面(即圆柱形纵向的一部分)，下部分为扇形(即抛物面的一部分)。也就是说，将这些分瓣组装起来，就成了侧壁内腔为圆柱形，底部为抛物面的坩埚。即坩埚侧壁各分瓣间的切缝沿纵向坩埚顶端直至底部抛物面的顶点以下，且与下底部保持一定的距离。各分瓣由坩埚座连接在一起。每个分瓣均有水冷管，且与下面的整个冷却水系统相连。

现结合附图对本发明作进一步说明。

附图1为本发明感应炉用冷坩埚的结构示意图。

附图2为冷坩埚的俯视示意图。

图1、2中，1为集水环箱；2为单个分瓣；3为每个分瓣体内的水冷管；其两端均开口，该管铆接在坩埚壳体6的下部，4为坩埚的内表面，它由圆柱面和抛物面组成；5为坩埚的内腔，6为坩埚壳体，它由整体铜合金材或铝合金材加工而成；7为冷却水的进水口，与集水环箱1相通；8为冷却水路的壳体；9为坩埚腔体外壁，10为回流集水箱，处于冷却水路壳体8之内；11为出水口；12为各分瓣间的切缝；13为螺栓。

由图看出，坩埚侧壁和底部均被若干条切缝分割成若干个分瓣。切缝在抛物面的顶点以下不超过坩埚底部的A-A虚线，使切缝与下底部的距离不小于10mm，使之切割后，各个分瓣仍通过底部保持其整体。各分瓣间的切缝用高温绝缘材料填实。坩埚壳体6与冷却水路的壳体8通过螺栓13连接在一起。

每个分瓣都有水冷管，当熔炼时，冷却水自进水口7进入集水环箱1，然后，从水冷管3的下端进入各分瓣内的水冷管，并从水冷管的上端口流入分瓣内，对分瓣进行冷却，最后流回回流集水箱室10，经出口11流出坩埚，即各分瓣的水冷管3与位于坩埚底部的回流集水箱10相连通。

当熔炼通电后，交变电磁场在炉料上感生电磁力，这种电磁力的方向平行水平方向，且自冷坩埚的侧壁指向中心轴线，即处于坩埚上半部分的炉料在电磁力的作用下，脱离坩埚侧壁内表面，向中心聚集。同样，由于抛物面炉底的切缝(或称感应线)延伸到整个熔池底部，使整个熔池底部都被外磁场感应加热；同时，由于抛物面的坩埚底部也是分瓣的，且分瓣间又由高温绝缘材料相隔，这就避免了炉底短路炉料，这样，与坩埚底部相接触的炉料也能有效地加热，避免坩埚底部冷区的形成。另一方面，处于坩埚下半部分(抛物面部分)的炉料也受到上述电磁力的作用，并且电磁力在坩埚抛物面的法向分力是趋向于将炉料推离坩埚底部，当法向分力的总和大于炉料的重力时，炉料即脱离坩埚底部而悬空。为此，抛物面的、分瓣的坩埚底部可最大限度地减少炉料(或熔池)与坩埚底的接触面积。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明坩埚底部抛物面顶点下的切缝与坩埚下底部的距离不小于10mm，侧壁及抛物面底部被切割分瓣后，各个分瓣仍通过底部保持其整体，整个坩埚是一个等势体，分瓣之间无势差，从根本上消除了坩埚打弧的可能性，确保冶炼过程安全可靠，坩埚使用寿命长，而且可做成大容积的坩埚。另外，由于本发明结构上的特性，坩埚可细分瓣，从而可减少坩埚自身能耗，提高熔炼效果。另外，本发明可以消除常规结构冷坩埚底部存在的冷区，大大减少熔池底部与坩埚的接触面积，降低熔池底部与坩埚底部相接触所产生的传导热损耗(因坩埚底部也用水冷却)；同时，使熔池凝固壳的重量大大减少，使凝固壳的重量不大于炉料总重的5％，提高了坩埚熔炼的热效率，比常规结构冷坩埚的热效率可提高3-5％；并使整个熔池可获得到更为均匀的化学成分和过热度；此外，本发明冷坩埚的整个壳体(包括各分瓣)均由整体的铜合金材或铝合金材制成，可提高坩埚的整体强度，延长使用寿命；采用本发明坩埚熔炼合金，还可简化冶炼操作，降低劳动强度。

Claims (1)

1、一种感应炉用冷坩埚，其侧壁和底部均被若干条切缝分割成若干分瓣，即坩埚侧壁各分瓣间的切缝沿纵向从坩埚顶端直至底部抛物面的顶点以下，且各个分瓣都有水冷管，分瓣间的切缝采用高温绝缘材料填充，其特征在于；

(1)坩埚底部抛物面顶点以下的切缝与坩埚下底部的距离不小于10mm，坩埚侧壁及抛物面底部被切割分瓣后，各个分瓣仍通过底部保持其整体；

(2)各分瓣的水冷管与位于坩埚底部的水箱室相连通。

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