CN105222586A - 一种环形水冷铜坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形水冷铜坩埚，包括环形主体结构、外电磁加热器、内电磁加热器、环形上盖、环形下盖，所述环形主体结构外侧固定外电磁加热器，内侧固定内电磁加热器，环形主体结构的上端面连接环形上盖，底部固定连接环形下盖。坩埚外壁和坩埚内壁在顶部通过与循环水冷却结构固定连接，内部形成循环冷却水回路，散热效果好，坩埚内外壁均产生电磁搅拌，与炉料非接触，所得炉料搅拌均匀无污染；坩埚外壁和坩埚内壁在底部通过加强筋焊接固定，形成双层锥面结构，双层锥面结构均产生电磁悬浮力，炉料悬浮效果好；内外电磁加热器，磁场强度大，加热速度快，电效率高；环形结构提供中间通道，适合添加第二相材料外接管路，实现两相流体的喷射。

Description

一种环形水冷铜坩埚

技术领域

本发明涉及一种环形水冷铜坩埚，主要应用于熔融态金属3D打印、粉体雾化、焊接、冶金熔炼和材料合成等高温流体喷射领域。

背景技术

1831年法拉第建立了电磁感应定律，这一定律为感应加热技术的应用研究奠定了理论基础。到了十九世纪七十年代，Foucaul和Heaviside提出了有关涡流和感应加热的理论，使电磁感应加热的工程应用成为可能。

感应加热就是把工件放到感应器内，根据电磁感应定律，当通过导体回路的磁通量随时间发生变化时，回路中会产生感应电动势、形成感生电流。炉料电阻小，不大的感应电动势导致炉料表面形成较大的涡旋状电流，产生大量焦耳热，快速加热工件。

在炉料、合金的熔化与熔炼领域，感应加热不仅具有快速及无公害的优点，还具有特殊的电磁搅拌作用。电磁冷坩埚技术是近年兴起的感应加热新技术，具有广阔的应用前景。它将分瓣的水冷铜坩埚置于交变电磁场内，利用交变电磁场作用于炉料表面产生的感生电流加热、熔化炉料，与此同时，炉料受到的电磁力使熔融炉料与坩埚内壁保持软接触或者非接触状态、不发生化学反应，避免了熔炼或成型过程中杂质元素的污染，实现高纯度材料的低成本熔炼和成型。

绝大多数水冷坩埚如同传统的真空感应炉型一样，采用圆柱形结构，仅以水冷坩埚取代陶瓷衬里坩埚，放置在真空密封箱体里熔炼，炉体加有冷坩埚的进出水嘴，采用倾倒式出料方式；这种坩埚整套设备体积大、熔炼能力强，适合工业级熔炼。极少一部分坩埚为底注式坩埚，即在坩埚底部开有小孔，当需要熔融炉料流出坩埚时，需要操纵坩埚底部的机构移开堵孔的浇铸塞；这种坩埚适用于小容量熔炼，但炉料流出堵孔时，可能会堵塞坩埚底孔，清理不变。

目前，无论是倾倒式水冷铜坩埚、还是底注式水冷铜坩埚，都没有出现环形结构的坩埚，坩埚中间没有过孔，不能插入管道在炉料流动过程中引入第二相材料，完成两相流的流动；因此，使用范围有限，仅限于钢铁冶金的浇铸成型等，不能应用于精密流动控制的流体成形。

发明内容

针对以上技术的不足及应用前景，本发明的目的在于提供一种环形水冷铜坩埚，具有外电磁加热器和内电磁加热器，磁场强度大，加热速度快，电效率高；坩埚外壁和坩埚内壁在底部形成的双层锥面结构，两锥面均产生电磁悬浮力，炉料悬浮效果更好；坩埚外壁和坩埚内壁均有电磁搅拌作用，炉料混合更均匀。所设计环形水冷铜坩埚在使用过程中，坩埚本身散热效果好，温度低，炉料和坩埚内壁处于非接触状态，不发生化学反应，对炉料无污染，炉料质量更好。本发明的环形坩埚提供中间通道，适合添加第二相材料外接管路，当接入气相、液相、合金相等材料时，能够应用于熔融态金属3D打印、粉体雾化、焊接、冶金熔炼和材料合成等高温流体喷射领域。

为了实现上述目的，本发明的基于电磁感应熔炼的环形水冷铜坩埚构思如下：

本发明的一种环形水冷铜坩埚，具有环形坩埚主体结构。

环形坩埚主体结构包括坩埚外壁、坩埚内壁、循环水冷却结构，坩埚内壁、坩埚外壁构成环形结构，提供中间通道，其中中间通道适合添加第二相材料外接管路，当接入气相、液相、合金相等材料时，能够应用于熔融态金属3D打印、粉体雾化、焊接、冶金熔炼和材料合成等高温流体喷射领域。

坩埚外壁和坩埚内壁均采用紫铜开缝结构，有利于磁场穿透坩埚壁外，磁场切割坩埚壁，相邻的铜分瓣体在交变磁场作用下产生与感应线圈电流同向的感应电流，并在开缝处激发与感应线圈磁场同向的感应磁场，对外表现为磁场增强效果，提高炉料的加热效率。

坩埚外壁下端采用收缩口结构，坩埚内壁采用坩埚外壁对称结构，形成环形坩埚底部锥形结构，两锥面均产生电磁悬浮力，悬浮效果更好。

循环水冷却结构连接固定环形坩埚主体上，分别给坩埚内壁及外壁散热，降低坩埚本身温度，减小坩埚内壁与炉料发生化学反应的可能性，适合高熔点炉料的熔炼。

本发明的一种环形水冷铜坩埚，具有内外电磁加热发生器。

内外电磁发生器分别固定在坩埚内壁内侧和坩埚外壁外侧，充分利用磁场叠加的作用效果，两电磁发生器通入同频率交流电，加热效率高，融化后的炉料在坩埚底部收缩口处受到电磁悬浮力作用，保持几何上悬浮熔炼，坩埚内壁和坩埚外壁均产生电磁斥力，使炉料与坩埚内壁处于非接触状态，炉料沿电磁力方向流动、搅拌更加均匀、质量更好。

本发明的一种环形水冷铜坩埚，具有环形上盖。

环形上盖设置有出气口、进气口、安全泄压阀，使得环形水冷铜坩埚能够在不同真空度、不同保护气氛下安全熔炼，进一步能够调节坩埚内气体压力变化，让整个熔炼过程及后续的操作更加可控化和简单化。

本发明的一种环形水冷铜坩埚，具有环形下盖。

环形下盖固定连接于环形坩埚底部出口处，环形下盖上分布有均匀的出口孔，当熔融态炉料流出出口孔并填满喷嘴时，能够防止炉料与坩埚底部发生化学反应，多个出口孔的设计避免了一个出口孔堵塞时引起的炉料流动中断现象

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种环形水冷铜坩埚，包括环形主体结构、外电磁加热器、内电磁加热器、环形上盖、环形下盖，所述环形主体结构外侧固定外电磁加热器，内侧固定内电磁加热器，环形主体结构的上端面连接环形上盖，底部固定连接环形下盖。

所述环形主体结构包括坩埚外壁、坩埚内壁、循环水冷却结构、底部加强筋结构，所述坩埚外壁和坩埚内壁在顶部与循环水冷却结构下端面固定连接，在底部通过底部加强筋结构焊接相连；在所述坩埚外壁的外侧固定外电磁加热器，在所述坩埚内壁内侧固定内电磁加热器，在所述循环水冷却结构上端面通过耐高温O型密封圈密封并螺栓紧固连接环形上盖。

所述坩埚外壁和坩埚内壁均采用紫铜开缝结构，开缝处填充云母片，每个紫铜分瓣体内设置水冷通道，所述坩埚外壁下端采用收缩口结构，所述坩埚内壁采用坩埚外壁对称结构，形成环形坩埚底部锥形结构，两锥面在内外电磁场的作用下均产生电磁悬浮力。

所述循环水冷却结构包括进水腔、出水腔、悬臂通道、进水口、出水口、空心铜管，所述空心铜管穿过出水腔并留有间隙，下端插入紫铜分瓣体形成的水冷通道，底部留有间隙，上端与进水腔相通并密封，所述进水口、出水口分别与进水腔、出水腔相通，形成完整冷却水回路，所述悬臂通道分别通过焊接导通循环水冷却结构进水腔和出水腔，所述循环水冷却结构上端面开有环形槽，其内部嵌有O型密封圈，循环水冷却结构上端面设置有螺柱，用以紧固连接环形上盖。

所述外电磁加热器和内电磁加热器均由空心铜管缠绕而成，内部通入冷却水散热，其加热器线圈高度应低于坩埚开缝高度，使磁场能够穿透坩埚壁，所述外电磁加热器与坩埚外壁形状相适配，通过耐高温树脂材料固定于坩埚外壁外侧，所述内电磁加热器采用圆柱形线圈结构，通过耐高温树脂材料固定于坩埚内壁内侧。

所述环形上盖设置有出气口、进气口、安全泄压阀，所述出气口与外部真空泵相连，进气口与外部保护气源相连。

所述环形下盖为环形结构，采用耐高温钝化材料，防止炉料与环形下盖发生反应，所述环形下盖与环形主体结构底部固定连接，防止炉料与坩埚底部铜壁发生反应，所述环形下盖上均匀分布出口孔，熔融炉料同时流经多个出口孔在喷嘴内汇流成一条射流，多个出口孔避免了一个出口孔堵塞时引起的流动中断。

所述的环形主体结构设有中间通道，适合添加各种第二相材料外接管路。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、本发明的环形坩埚具有外电磁加热器和内电磁加热器，磁场强度大，加热速度快，电效率高；

2、本发明坩埚外壁和坩埚内壁在底部形成的双层锥面结构，两锥面均产生电磁悬浮力，炉料悬浮效果更好；

3、本发明坩埚外壁和坩埚内壁均有电磁搅拌作用，炉料混合更均匀，所设计环形水冷铜坩埚在使用过程中，坩埚本身散热效果好，温度低，炉料和坩埚内壁处于非接触状态，对熔炼炉料无污染，所得炉料质量更好，适合活泼性、高熔点炉料的熔炼；

4、本发明环形坩埚整套装置所涉及环形结构设计新颖，提供中间通道，适合添加第二相材料外接管路，当接入气相、液相、合金相等材料时，能够应用于熔融态金属3D打印、粉体雾化、焊接、冶金熔炼和材料合成等高温流体喷射领域；

5、本发明环形坩埚采用环形上盖密封的特殊结构，设置出气孔、进气口，实现坩埚内炉料在不同真空度、不同保护气氛下安全熔炼，通过调节坩埚内气体压力变化、电磁悬浮力大小实现熔融炉料的流速控制；

6、本发明环形坩埚底部固定连接环形下盖，采用耐高温钝化材料，环形下盖上分布有均匀的出口孔，熔液同时流出量大，并且能够防止炉料与坩埚底部铜壁反应，当其中一个出口孔堵塞时，其它孔可以正常工作。

附图说明

图1是环形水冷铜坩埚结构示意图。

图2是环形水冷铜坩埚结构仰视图。

图3是环形水冷铜坩埚横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1、图2、图3所示，一种环形水冷铜坩埚，包括环形主体结构1、外电磁加热器2、内电磁加热器3、环形上盖4、环形下盖5，所述环形主体结构1外侧固定外电磁加热器2，内侧固定内电磁加热器3，环形主体结构1的上端面连接环形上盖4，底部固定连接环形下盖5。

所述环形主体结构1包括坩埚外壁1-1、坩埚内壁1-2、循环水冷却结构1-3、底部加强筋结构1-4，所述坩埚外壁1-1和坩埚内壁1-2在顶部与循环水冷却结构1-3下端面固定连接，在底部通过底部加强筋结构1-4焊接相连；在所述坩埚外壁1-1的外侧固定外电磁加热器2，在所述坩埚内壁1-2内侧固定内电磁加热器3，在所述循环水冷却结构1-3上端面通过耐高温O型密封圈密封并螺栓紧固连接环形上盖4。

所述坩埚外壁1-1和坩埚内壁1-2均采用紫铜开缝结构，开缝处填充云母片，每个紫铜分瓣体内设置水冷通道，所述坩埚外壁1-1下端采用收缩口结构，所述坩埚内壁1-2采用坩埚外壁1-1对称结构，形成环形坩埚底部锥形结构，两锥面在内外电磁场的作用下均产生电磁悬浮力。

所述循环水冷却结构1-3包括进水腔1-3-1、出水腔1-3-2、悬臂通道1-3-3、进水口1-3-4、出水口1-3-5、空心铜管1-3-6，所述空心铜管1-3-6穿过出水腔1-3-2并留有间隙，下端插入紫铜分瓣体形成的水冷通道，底部留有间隙，上端与进水腔1-3-1相通并密封，所述进水口1-3-4、出水口1-3-5分别与进水腔1-3-1、出水腔1-3-2相通，形成完整冷却水回路，所述悬臂通道1-3-3分别通过焊接导通循环水冷却结构进水腔1-3-1和出水腔1-3-2，所述循环水冷却结构1-3上端面开有环形槽，其内部嵌有O型密封圈，循环水冷却结构1-3上端面设置有螺柱，用以紧固连接环形上盖4。

所述外电磁加热器2和内电磁加热器3均由空心铜管缠绕而成，内部通入冷却水散热，其加热器线圈高度应低于坩埚开缝高度，使磁场能够穿透坩埚壁，所述外电磁加热器2与坩埚外壁1-1形状相适配，通过耐高温树脂材料固定于坩埚外壁1-1外侧，所述内电磁加热器3采用圆柱形线圈结构，通过耐高温树脂材料固定于坩埚内壁1-2内侧。

所述环形上盖4设置有出气口4-1、进气口4-2、安全泄压阀4-3，所述出气口4-1与外部真空泵相连，进气口4-2与外部保护气源相连。

所述环形下盖5为环形结构，采用耐高温钝化材料，防止炉料与环形下盖5发生反应，所述环形下盖5与环形主体结构1底部固定连接，防止炉料与坩埚底部铜壁发生反应，所述环形下盖5上均匀分布出口孔5-1，熔融炉料同时流经多个出口孔5-1在喷嘴内汇流成一条射流，多个出口孔5-1避免了一个出口孔堵塞时引起的流动中断。

所述的环形主体结构1设有中间通道，适合添加各种第二相材料外接管路。

本发明的操作步骤和工作原理如下：

熔炼开始前，取下环形上盖4，将炉料置于环形主体结构1内，紧固环形上盖4，打开真空出气口4-1，在外部真空泵作用下，坩埚内形成一定真空，当真空度不再变化时，关闭出气口4-1，打开气氛保护进气口4-2，持续充入保护气体；熔化及熔炼过程中，外电磁加热器2和内电磁加热器3同时接通外部高频感应电源，通过调节电源输出功率大小来控制熔融炉料所受电磁悬浮力大小，通过调节电流频率大小来控制电磁搅拌力大小，进而使得炉料在环形主体结构1内保持几何上的完全悬浮熔炼并与坩埚壁不发生化学反应；熔炼后喷射过程中，减小电源输出功率大小，增大进气口4-2进气量，实现熔融炉料的流出速度控制。

Claims (8)

1.一种环形水冷铜坩埚，其特征在于，包括环形主体结构（1）、外电磁加热器（2）、内电磁加热器（3）、环形上盖（4）、环形下盖（5），所述环形主体结构（1）外侧固定外电磁加热器（2），内侧固定内电磁加热器（3），环形主体结构（1）的上端面连接环形上盖（4），底部固定连接环形下盖（5）。

2.根据权利要求1所述的环形水冷铜坩埚，其特征在于，所述环形主体结构（1）包括坩埚外壁（1-1）、坩埚内壁（1-2）、循环水冷却结构（1-3）、底部加强筋结构（1-4），所述坩埚外壁（1-1）和坩埚内壁（1-2）在顶部与循环水冷却结构（1-3）下端面固定连接，在底部通过底部加强筋结构（1-4）焊接相连；在所述坩埚外壁（1-1）的外侧固定外电磁加热器（2），在所述坩埚内壁（1-2）内侧固定内电磁加热器（3），在所述循环水冷却结构（1-3）上端面通过耐高温O型密封圈密封并螺栓紧固连接环形上盖（4）。

3.根据权利要求2所述的环形水冷铜坩埚，其特征在于，所述坩埚外壁（1-1）和坩埚内壁（1-2）均采用紫铜开缝结构，开缝处填充云母片，每个紫铜分瓣体内设置水冷通道，所述坩埚外壁（1-1）下端采用收缩口结构，所述坩埚内壁（1-2）采用坩埚外壁（1-1）对称结构，形成环形坩埚底部锥形结构，两锥面在内外电磁场的作用下均产生电磁悬浮力。

4.根据权利要求2所述的环形水冷铜坩埚，其特征在于，所述循环水冷却结构（1-3）包括进水腔（1-3-1）、出水腔（1-3-2）、悬臂通道（1-3-3）、进水口（1-3-4）、出水口（1-3-5）、空心铜管（1-3-6），所述空心铜管（1-3-6）穿过出水腔（1-3-2）并留有间隙，下端插入紫铜分瓣体形成的水冷通道，底部留有间隙，上端与进水腔（1-3-1）相通并密封，所述进水口（1-3-4）、出水口（1-3-5）分别与进水腔（1-3-1）、出水腔（1-3-2）相通，形成完整冷却水回路，所述悬臂通道（1-3-3）分别通过焊接导通循环水冷却结构进水腔（1-3-1）和出水腔（1-3-2），所述循环水冷却结构（1-3）上端面开有环形槽，其内部嵌有O型密封圈，循环水冷却结构（1-3）上端面设置有螺柱，用以紧固连接环形上盖（4）。

5.根据权利要求1所述的环形水冷铜坩埚，其特征在于，所述外电磁加热器（2）和内电磁加热器（3）均由空心铜管缠绕而成，内部通入冷却水散热，其加热器线圈高度应低于坩埚开缝高度，使磁场能够穿透坩埚壁，所述外电磁加热器（2）与坩埚外壁（1-1）形状相适配，通过耐高温树脂材料固定于坩埚外壁（1-1）外侧，所述内电磁加热器（3）采用圆柱形线圈结构，通过耐高温树脂材料固定于坩埚内壁（1-2）内侧。

6.根据权利要求1所述的环形水冷铜坩埚，其特征在于，所述环形上盖（4）设置有出气口（4-1）、进气口（4-2）、安全泄压阀（4-3），所述出气口（4-1）与外部真空泵相连，进气口（4-2）与外部保护气源相连。

7.根据权利要求1所述的环形水冷铜坩埚，其特征在于，所述环形下盖（5）为环形结构，采用耐高温钝化材料，防止炉料与环形下盖（5）发生反应，所述环形下盖（5）与环形主体结构（1）底部固定连接，防止炉料与坩埚底部铜壁发生反应，所述环形下盖（5）上均匀分布出口孔（5-1），熔融炉料同时流经多个出口孔（5-1）在喷嘴内汇流成一条射流，多个出口孔（5-1）避免了一个出口孔堵塞时引起的流动中断。

8.根据上述任意一项权利要求所述的环形水冷铜坩埚，其特征在于，所述的环形主体结构（1）设有中间通道，适合添加各种第二相材料外接管路。