CN105758177B - 一种复合式感应加热坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合式感应加热坩埚，包括外包壳，用于提供支撑；多块线圈固定立板形成一个立板圈，立板圈安装在所述外包壳内；打结层，设置在所述立板圈内侧并位于所述外包壳的中央位置；感应线圈，所述感应线圈固化于所述打结层中，所述感应线圈与打结层的组合体用于通电加热；石墨导热层，紧贴在所述打结层的内侧，用于传导所述感应线圈产生的热量；坩埚本体，安装在石墨导热层的内侧，用于盛放熔融的合金钢液；和喷嘴，设置在坩埚本体的底部，用于喷射合金钢液。本发明利用感应线圈加热石墨导热层，传递热量给内部的坩埚本体，达到预热和直接加热合金钢液的效果，具有结构设计简单合理、操作方便、加热效率高、加热均匀等特点。

Description

一种复合式感应加热坩埚

技术领域

本发明属于快淬合金的制备方法和制备装置技术领域，具体而言，本发明涉及一种复合式感应加热坩埚，主要适用于快速凝固方法制备合金的设备用感应加热坩埚，特别适用于非晶合金带材或粉末制备设备中坩埚加热的方法和装置系统。

背景技术

非晶合金薄带的制备多采用单辊快淬的方法，也就是将熔融的合金液体倒入喷嘴包中，熔融液体通过喷嘴的狭缝喷射到快速旋转的冷却辊表面，合金液体被快速冷却，从而形成数十个微米厚的合金薄带。金属粉末的制备多采用雾化方法，无论是水雾化，还是气雾化，均将熔融的合金钢液浇铸到坩埚中，钢液从喷嘴流出，通过喷盘和高速气流或水流来达到雾化制粉的目的。在现有技术中，在钢液浇铸到坩埚之前，或制带或制粉过程中，喷嘴包预热的方法主要有电阻烘烤法、火焰加热法和感应加热法。

电阻烘烤的方法是在喷嘴包的坩埚外侧安装电阻棒，如硅碳棒等，利用电阻通过电流发热的原理，烘烤喷带盛放钢液的坩埚侧壁，热量通过辐射的形式传递给坩埚，经过长时间的烘烤，使非晶喷带的坩埚达到预设的温度，目前，在工业生产中具有广泛的应用。但是，采用电阻发热烘烤坩埚的加热方式存在一定的问题，由于热量是通过烘烤辐射的形式传递给坩埚，因此，热量的利用率不高，严重浪费能源，提高制带的成本。另外，内部坩埚局部烘烤过热，造成热应力问题，容易引发坩埚开裂，出现漏钢现象，造成潜在的事故危害，以及设备的损坏等。

火焰加热方法是利用可燃性气体，在喷嘴包外面用燃烧的火焰直接加热喷嘴包坩埚，如美国相对应的专利文件US4588015、US4664176、US4676298、US4869312都公开了相近的技术内容，用燃气和氧气的混合气体点燃，直接用火焰对喷嘴包坩埚整体加热。这种方法存在的问题也较多，一方面，用燃气火焰直接加热，对坩埚的加热不能保证均匀受热，外焰和内焰的温度相差很大，直接造成温度梯度，容易造成开裂；另一方面，燃气的火焰温度高于喷嘴包坩埚的最高承受温度，长时间直接烧烤会造成坩埚过烧，直至开裂和失效。

感应加热方法，以前多应用于石英管喷带小型实验室设备中，利用感应加热直接加热熔化合金原料，从而进行非晶带材制备。另外，在大型喷带设备中，采用感应加热主要是用来熔化钢水，制备母合金时加热。对空坩埚加热时必须插入石墨芯子，感应加热石墨芯子，通过石墨芯子的发热，烘烤和传导热量给坩埚，从而实现对坩埚的预热。该方法的缺点是操作复杂，坩埚预热工艺复杂，需要先插入石墨芯子预热，然后拔出石墨芯子后，才能安装其它制带用机构，该过程容易造成坩埚暴露在空气中，直接造成开裂。

由上分析，可知现有技术的喷嘴包预热的方法存在以下特点和缺陷：

1、加热不均匀。不管是采用电阻烘烤的方式还是用燃气火焰直接加热，都存在对坩埚加热不均匀，局部温度过高，容易引发坩埚开裂的问题，或是加热温度高于坩埚的最高承受温度，长时间加热造成坩埚过烧，直至开裂和失效，出现漏钢现象，造成潜在的事故危害，以及设备的损坏等。

2、操作复杂。在传统的石墨感应加热法中，坩埚预热工艺复杂，需要先插入石墨芯子预热，然后拔出石墨芯子后，才能安装其它制带用机构，操作过程复杂，且该过程容易造成坩埚暴露在空气中，直接造成开裂。

发明内容

本发明的目的在于提供复合式感应加热坩埚，以至少解决现有技术存在的加热不均匀，坩埚容易开裂的技术问题，同时能够解决在现有技术存在的操作复杂的技术问题。

一种复合式感应加热坩埚，包括外包壳，用于提供支撑；多块线圈固定立板，多块线圈固定立板形成一个立板圈，所述立板圈安装在所述外包壳内；打结层，设置在所述立板圈内侧并位于所述外包壳的中央位置；感应线圈，所述感应线圈固化于所述打结层中，所述感应线圈与打结层的组合体用于通电加热；石墨导热层，紧贴在所述打结层的内侧，用于传导所述感应线圈产生的热量；坩埚本体，安装在所述石墨导热层的内侧，用于盛放熔融的合金钢液；和喷嘴，设置在所述坩埚本体的底部，用于喷射合金钢液。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：所述外包壳采用分体式的设计结构，由分体式的两部分金属包壳组成。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：还包括绝缘隔板，安装在两部分所述金属包壳的连接位置，用于将两部分所述金属包壳完全绝缘隔离。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：每部分所述金属包壳内部均设有水冷结构，用于对所述金属包壳进行降温；在所述水冷结构的上部设置出水口，在所述水冷结构的下部设置进水口，用于对所述水冷结构内注水和排水。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：所述线圈固定立板为胶木板。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：所述打结层为氧化铝材质制作而成。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：所述感应线圈为铜管绕制而成。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：所述坩埚本体由碳化硅复合材料制作而成或由陶瓷材料制作而成。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：所述坩埚本体上边缘设有向外的凸沿，所述坩埚本体通过凸沿搭接在所述石墨导热层。

如上述的复合式感应加热坩埚，进一步优选为：所述坩埚本体的厚度为10～40mm。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

一、本发明提供的复合式感应加热坩埚利用感应线圈加热内部石墨导热层，石墨导热层烘烤和传递热量给内部的坩埚本体，达到合金钢液注入前预热的效果；坩埚本体加入合金钢液以后，通过感应加热方式直接加热，达到合金钢液保温的效果，保证了喷带和喷粉过程中钢液温度不会降低。可见，本发明的复合感应式加热坩埚具有结构设计简单合理、操作方便、加热效率高、能够实现对坩埚预热和在线加热等特点。与传统的感应加热方式相比，本发明的复合感应式加热坩埚能够实现对坩埚本体和内部合金钢液均匀加热的效果，避免了由于温度不均造成坩埚本体开裂和设备损坏的问题，同时能够提高制备非晶带材或粉末质量的均匀性，提升成品质量。

二、本发明的外包壳采用分体式水冷结构，既消除了外包壳因漏磁感应而造成的温度升高，也达到了防止外包壳1因受烘烤而造成形变的效果。

三、本发明的感应线圈立板采用耐高温的胶木板加工而成，既具有绝缘效果，又能在感应线圈加热时不会因温度升高而发生形变，对感应线圈及打结层起到了良好的固定和支撑作用。

四、本发明的石墨导热层可以通过感应线圈直接预热坩埚本体，避免了预先插入石墨芯子预热带来的不便和危害。

五、本发明的石墨导热层结构可以起到加固和保护坩埚的作用，避免了由于热振作用造成坩埚本体的开裂。

六、本发明的复合式感应加热坩埚也可以直接在坩埚本体中熔化母合金，当合金钢液到达一定温度后直接进行喷带或喷粉。

附图说明

图1为本发明优选实施例的复合式感应加热坩埚的结构示意图。

图2为本发明优选实施例的复合式感应加热坩埚的俯视图。

图3为本发明的实施例一的工作原理图。

图4为本发明的实施例一获得非晶带材的对比图。

图5为本发明的实施例二的工作原理图。

图6为现有技术电阻加热坩埚加工的金属粉末的电镜照片。

图7为本发明的实施例二加工的金属粉末的电镜照片。

图中：1-外包壳；2-打结层；3-感应线圈；4-石墨导热层；5-坩埚本体；6-钢液；7-水冷结构；8-喷嘴；9-水冷接头；10-线圈固定立板；11-螺栓；12-金属连接板；13-绝缘隔板；14-进水口；15-出水口；16-非晶带材；17-冷却辊；18-雾化筒；19-金属粉末；20-冷却液。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明优选实施例的复合式感应加热坩埚主要包括外包壳1，用于提供支撑；多块线圈固定立板10，多块线圈固定立板10形成立板圈，立板圈安装在外包壳1内；打结层2，设置在立板圈内侧并位于外包壳1的中央位置；感应线圈3，感应线圈3固化于打结层2中，感应线圈3与打结层2的组合体用于通电加热；石墨导热层4，紧贴在打结层2的内侧，用于传导感应线圈3产生的热量；坩埚本体5，安装在石墨导热层4的内侧，用于盛放熔融的合金钢液；和喷嘴8，设置在坩埚本体5的底部，用于喷射合金钢液。在本发明中，复合式感应加热坩埚的外层为外包壳1，依次向内分别为立板圈、感应线圈3与打结层2的组合体层、石墨导热层4和坩埚本体5。

总而言之，本发明提供的复合式感应加热坩埚，坩埚本体5加入合金钢液前，利用感应线圈3加热内部石墨导热层4，石墨导热层4烘烤和传递热量给内部的坩埚本体5，达到合金钢液注入前预热的效果；坩埚本体5加入合金钢液以后，通过感应加热方式直接加热，达到合金钢液保温的效果，保证了喷带和喷粉过程中钢液温度不会降低。可见，本发明的复合感应式加热坩埚具有结构设计一体化、操作方便、加热效率高、能够实现对坩埚本体5预热和在线加热等特点。与传统的感应加热方式相比，本发明的复合感应式加热坩埚能够实现对坩埚本体5和内部合金钢液均匀加热的效果，避免了由于温度不均造成坩埚本体5开裂和设备损坏的问题，同时能够提高制备非晶带材或金属粉末质量的均匀性，提升产品质量。

为了便于内部结构的安装放置，如图1、图2所示，本发明的外包壳1采用组合式的设计结构(或称分体式的设计结构)，由分体式的两部分金属包壳对接组成，并在两部分金属包壳中间(即对接或连接位置)安装绝缘隔板13，用于将两部分金属包壳完全绝缘隔离，防止感应线圈3漏磁使外包壳1因感应加热而发热。绝缘隔板优选为耐高温绝缘板，例如聚氨酯板。优选为，为了更好地固定和支撑整个复合式感应加热坩埚，外包壳1的两部分金属包壳均采用不锈钢材质加工而成。

为了防止感应加热过程中，外包壳1受热温度升高而发生变形，如图1所示，本发明的每部分金属包壳为双层的中空结构，其内部均设有水冷结构7，在水冷结构7的下部设置进水口14，在水冷结构7的上部设置出水口15，用于向水冷结构7内注水和排水，利用冷却水循环降低外包壳1的温度，优选为，进水口14和出水口15均采用自密封式的快速接头，冷却水压力为0.3MPa。

为了便于感应线圈3和打结层2的安装并保证感应线圈3和打结层2的作用，如图1所示，本发明的线圈固定立板10为胶木板，优选为耐高温的胶木板，进一步优选为线圈固定立板10的厚度为20mm，这种设计便于将内部的感应线圈3及打结层2与外包壳1隔绝，并确保在感应线圈3通电加热时不会发生变形。实际中，线圈固定立板10可以通过金属连接板12固定于外包壳1内部，感应线圈3可以通过螺栓11固定于线圈固定立板10上。

为了固定感应线圈3的位置，增加感应线圈3的稳定性，如图1、图2所示，本发明的打结层2为氧化铝材质制作而成，优选为水溶性氧化铝材质制作而成，通过高温绝缘材料(即线圈固定立板10)与外包壳1连接固定，避免打结层2与外包壳1之间产生感应，优选为，打结层2与外包壳1之间的距离大于30mm。同时，为了便于感应线圈3产生的热量高效传递，优选打结层2的厚度为感应线圈3的水冷铜管直径的2倍以上，打结层2的外表面与感应线圈3的距离为2～5mm。在本发明中，感应线圈3为铜管绕制而成。感应线圈3的两端均设置有水冷接头9，外部的水冷电缆与水冷接头9连接以使外部电源加载到感应线圈3上，同时还可以使外部的冷却水流入感应线圈3内以冷却感应线圈3。

为了便于感应线圈3产生的热量能够高效、及时地传导到坩埚本体5，如图1、图2所示，本发明的石墨导热层4紧贴打结层2的内侧，同时，石墨导热层4采用石墨(例如高纯石墨)或导电性良好的石墨复合材料制成，便于坩埚本体5无负载时感应预热，坩埚本体5中加入合金钢液时直接加热。优选为，石墨导热层4的厚度为50mm。为了更好地加固和保护石墨导热层4，本发明的石墨导热层4上边缘设有向外的凸沿，石墨导热层4通过凸沿搭接在打结层2上。

为避免坩埚本体5所用材料与合金钢液发生反应，本发明的坩埚本体5由碳化硅复合材料制作而成或由陶瓷材料制作而成，防止与合金钢液发生反应。同时，为了更好地加固和保护坩埚本体5，防止由于热振作用而造成坩埚本体5开裂，本发明的坩埚本体5上边缘设有向外的凸沿，坩埚本体5通过凸沿搭接在石墨导热层4上，保证坩埚本体5的重量完全作用在石墨导热层4上，优选为，坩埚本体5的厚度为40mm。在本发明中，碳化硅复合材料为碳化硅和粘土混合而成。

为了便于感应线圈3加热时对坩埚本体5温度的控制，保持坩埚本体5中合金钢液温度的稳定，本发明的感应线圈3的感应加热电源(未图示)采用可控硅控制方式，频率为4000Hz，功率为54KW。同时，本发明的坩埚本体5的温度采用双铂铑热电偶(未图示)测量，PLC控制系统采集热电偶实测温度后，与设定温度比对，反馈信号给感应加热系统，从而控制坩埚本体5的温度。

在本发明中，喷嘴8是由BN材料制作而成。在本发明中，BN材料为非晶带材用氮化硼材料或者纳米晶带材用氮化硼材料。

下面对本发明的复合式感应加热坩埚用于制备非晶带材和金属粉末的流程做详细说明。

实施例一

根据本发明所提出的复合式感应加热坩埚，以本实施例的非晶带材16制备为例进行说明，本实施例实现了非晶带材16单辊快淬设备中坩埚感应方式预热和制带过程加热保温的目的。

如图3所示，非晶带材16的制备：

步骤一、打开进水口14和出水口15，启动外包壳1的水冷循环系统；

步骤二、将感应线圈3接通感应加热电源，通过石墨导热层4烘烤内侧的坩埚本体5，达到坩埚本体5空载时预热的目的；

步骤三、当PLC控制系统采集的热电偶实测温度达到设定温度后，倾注钢液到坩埚本体5中，熔融钢液通过喷嘴8喷射到冷却辊17上，制备出非晶带材16。

如图4所示，得出采用感应加热坩埚(获得带材厚度为A)和电阻加热坩埚(获得带材厚度为B和C)对比情况下测量的非晶带材厚度随时间变化规律。由图可见，本实施例获得的带材厚度A明显低于第一对比例获得的带材厚度B和第二对比例获得的带材厚度C，带材厚度A的均匀性较好。

实施例二

根据本发明所提出的复合式感应加热坩埚，以本实施例的金属粉末19制备为例进行说明，本实施例实现了金属粉末19雾化设备中坩埚感应方式预热和制带过程加热保温的目的。

如图5所示，金属粉末19的制备：

步骤一、打开进水口14和出水口15，启动外包壳1的水冷循环系统；

步骤二、将感应线圈3接通感应加热电源，通过石墨导热层4烘烤内侧的坩埚本体5，达到坩埚本体5空载时预热的目的；

步骤三、当PLC控制系统采集的热电偶实测温度达到设定温度后，倾注钢液到坩埚本体5中，熔融钢液通过喷嘴8喷射到雾化筒18中，制备出金属粉末19，雾化筒18中容纳有冷却液20，例如冷却水。

图6所示为采用电阻加热坩埚制备的粉末的电镜照片，图7所示为，采用感应加热坩埚制备的粉末的电镜照片。由图6和图7可见，本实施例的金属粉末19的粒度均匀性明显高于对比例，本实施例的金属粉末19的球形度较好。

分析可知，与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

一、本发明提供的复合式感应加热坩埚利用感应线圈3加热内部石墨导热层4，石墨导热层4烘烤和传递热量给内部的坩埚本体5，达到合金钢液注入前预热的效果；坩埚本体5加入合金钢液以后，通过感应加热方式直接加热，达到合金钢液保温的效果，保证了喷带和喷粉过程中钢液温度不会降低。可见，本发明的复合感应式加热坩埚具有结构设计简单合理、操作方便、加热效率高、能够实现对坩埚预热和在线加热等特点。与传统的感应加热方式相比，本发明的复合感应式加热坩埚能够实现对坩埚本体5和内部合金钢液均匀加热的效果，避免了由于温度不均造成坩埚本体5开裂和设备损坏的问题，同时能够提高制备非晶带材或粉末质量的均匀性，提升成品质量。

二、本发明的外包壳1采用分体式水冷结构，既消除了外包壳1因漏磁感应而造成的温度升高，也达到了防止外包壳1因受烘烤而造成形变的效果。

三、本发明的感应线圈立板10采用耐高温的胶木板加工而成，既具有绝缘效果，又能在感应线圈3加热时不会因温度升高而发生形变，对感应线圈3及打结层2起到了良好的固定和支撑作用。

四、本发明的石墨导热层4可以通过感应线圈3直接预热坩埚本体5，避免了预先插入石墨芯子预热带来的不便和危害。

五、本发明的石墨导热层4结构可以起到加固和保护坩埚的作用，避免了由于热振作用造成坩埚本体5的开裂。

六、本发明的复合式感应加热坩埚也可以直接在坩埚本体5中熔化母合金，当合金钢液到达一定温度后直接进行喷带或喷粉。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (9)

1.一种复合式感应加热坩埚，其特征在于，包括：

外包壳，用于提供支撑；

多块线圈固定立板，多块线圈固定立板形成一个立板圈，所述立板圈安装在所述外包壳内；

打结层，设置在所述立板圈内侧并位于所述外包壳的中央位置；

感应线圈，所述感应线圈固化于所述打结层中，所述感应线圈与打结层的组合体用于通电加热；

石墨导热层，紧贴在所述打结层的内侧，用于传导所述感应线圈产生的热量以预热坩埚本体；

所述坩埚本体，安装在所述石墨导热层的内侧，用于盛放熔融的合金钢液；和

喷嘴，设置在所述坩埚本体的底部，用于喷射合金钢液；

所述坩埚本体上边缘设有向外的凸沿，所述坩埚本体通过凸沿搭接在所述石墨导热层。

2.根据权利要求1所述的复合式感应加热坩埚，其特征在于：

所述外包壳采用分体式的设计结构，由分体式的两部分金属包壳组成。

3.根据权利要求2所述的复合式感应加热坩埚，其特征在于，还包括：

绝缘隔板，安装在两部分所述金属包壳的连接位置，用于将两部分所述金属包壳完全绝缘隔离。

4.根据权利要求2所述的复合式感应加热坩埚，其特征在于：

每部分所述金属包壳内部均设有水冷结构，用于对所述金属包壳进行降温；

在所述水冷结构的上部设置出水口，在所述水冷结构的下部设置进水口，用于对所述水冷结构内注水和排水。

5.根据权利要求1所述的复合式感应加热坩埚，其特征在于：

所述线圈固定立板为胶木板。

6.根据权利要求1所述的复合式感应加热坩埚，其特征在于：

所述打结层为氧化铝材质制作而成。

7.根据权利要求1所述的复合式感应加热坩埚，其特征在于：

所述感应线圈为铜管绕制而成。

8.根据权利要求1所述的复合式感应加热坩埚，其特征在于：

所述坩埚本体由碳化硅复合材料制作而成或由陶瓷材料制作而成。

9.根据权利要求1或8所述的复合式感应加热坩埚，其特征在于：

所述坩埚本体的厚度为10～40mm。