CN106197019B - 金属感应熔炼的冷坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明属金属感应熔炼设备领域，尤其涉及一种应用于稀有金属或难熔活泼金属熔炼的冷坩埚，包括水冷坩埚壁（1）、冷坩埚底组件（2）、铜手指（4）、基座法兰（6）、进水座（7）、回水座（8）及主线圈（9）；冷坩埚底组件（2）固定置于回水座（8）之上；进水冷却管（203）的入口与环状冷却介质进水腔（701）；冷却介质通道（101）的出口经水冷坩埚瓣导水管（501）与环状冷却介质回水腔（801）相通；回水冷却管（204）的出口经冷坩埚底导水管（502）与环状冷却介质回水腔（801）相通。本发明磁场透入效率高，电磁能涡流损耗小，冷却能力强，可有效减少熔体在坩埚形成凝壳的厚度。

Description

金属感应熔炼的冷坩埚

技术领域

本发明属金属感应熔炼设备领域，尤其涉及一种应用于稀有金属或难熔活泼金属熔炼的冷坩埚。

背景技术

冷坩埚感应熔炼技术是一种先进的熔炼手段，主要应用于稀有金属或难熔活泼金属的熔炼，它继承了感应熔炼有着易于控制温度、易于控制成分等优点。冷坩埚感应熔炼技术主要特点有：（1）它能够在无坩埚材料污染环境下对材料进行熔炼和处理，因为在熔炼过程中熔体和坩埚壁处于非接触状态，坩埚壁温度处于冷态，熔体和坩埚壁间不会发生任何形式的相互作用；（2）该技术采用感应加热方式，熔体在加热过程被搅拌，可获得均匀的过热度和化学成分；（3）由于铜坩埚一直处于冷态并且不与熔体接触，因此坩埚可以和高熔点或活泼性元素熔体共存；（4）该技术可用于真空或保护气氛下，因此冷坩埚技术特别适用于熔炼活泼金属、高纯金属、难熔合金和放射性材料等。

目前，现有金属感应熔炼冷坩埚普遍存在着磁场透入效率低，电磁能涡流损耗严重，冷却能力差，熔体在坩埚形成凝壳的厚度大等问题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种主要针对有效容积在8到12L之间，磁场透入效率高，电磁能涡流损耗小，冷却能力强，可有效减少熔体在坩埚形成凝壳的厚度，增加驼峰高度，减少熔体与侧壁的接触面积的金属感应熔炼的冷坩埚。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

金属感应熔炼的冷坩埚，它包括水冷坩埚壁、冷坩埚底组件、铜手指、基座法兰、进水座、回水座及主线圈；所述进水座与基座法兰固定相接；所述回水座固定置于进水座的下部；在所述水冷坩埚壁外侧设有主线圈；所述冷坩埚底组件固定置于回水座之上；所述水冷坩埚壁经铜手指固定在基座法兰上。

所述基座法兰、进水座及冷坩埚底组件下部底座相结合形成横向环状冷却介质进水腔；在所述进水座外设有进水口；所述进水口与环状冷却介质进水腔相通。

所述进水座、回水座及冷坩埚底组件下部底座相结合形成横向环状冷却介质回水腔；在所述回水座外设有回水口；所述回水口与环状冷却介质回水腔相通。

所述冷坩埚底组件包括水冷盘、进水冷却管、回水冷却管及底座；在所述水冷盘内径向设有水道；所述进水冷却管及回水冷却管与水冷盘垂直相接；所述进水冷却管及回水冷却管的端口分别与水道相通。

在所述水冷坩埚壁内设有冷却介质通道；所述冷却介质通道的入口与环状冷却介质进水腔相通；所述冷却介质通道的出口经水冷坩埚瓣导水管与环状冷却介质回水腔相通。

所述进水冷却管的入口与环状冷却介质进水腔相通；所述回水冷却管的出口经冷坩埚底导水管与环状冷却介质回水腔相通。

作为一种优选方案，本发明在所述冷坩埚底组件内设有辅助线圈；所述辅助线圈固定于辅助线圈固定座之上。

进一步地，本发明在所述辅助线圈固定座上可设有漏水孔。

进一步地，本发明所述水冷坩埚壁可采用若干独立冷坩埚瓣围成的冷坩埚侧壁；其中冷坩埚瓣之间以及冷坩埚瓣内部设有供磁场透入的缝隙。

进一步地，本发明所述水冷盘可采用整体分瓣式结构；水冷盘盘体设有若干条径向缝隙，缝隙间形成扇形的独立水冷区域。

进一步地，本发明所述底座经螺母与回水座固定相接。

冷坩埚一般采用导热率高、电阻率低的金属制成（如铜）。由于冷坩埚在线圈所产生的交变磁场内，所以坩埚体吸收了大部分电磁能，为使磁场能透入到坩埚内部并作用在被熔金属中，冷坩埚侧壁沿圆周方向一般采用多条切缝结构，来使磁场能够透入到坩埚内。由于被熔金属温度很高，所以冷坩埚内部通用冷却水来保证冷坩埚不被高温金属损坏。正是由于这种特性，所以这种熔炼的方法被称为“冷坩埚”感应熔炼。

与现有技术相比，本发明具有如下特点。

1、由于冷坩埚在线圈所产生的交变磁场内，所以坩埚体吸收了大部分电磁能，为使磁场能透入到坩埚内部并作用在被熔金属中，冷坩埚侧壁沿圆周方向一般采用多条切缝结构，同时为了控制作用在冷坩埚上涡流产生的能量损耗，冷坩埚的缝隙间的截面积就该是越小越好。本发明同时在侧壁和底部分瓣，不但最大限度地保证了磁场透入的效率，而且还有效控制了电磁能在冷坩埚上面的涡流损耗。

2、并联水冷，可以有效利用冷却水的冷却能力。通过适当设计冷却水管道直径及冷却水工作压力，可以使所有冷坩埚瓣与冷坩埚底充分水冷，避免了串联水冷时冷却水工作行程过长带来的冷却能力不足等问题。回水采用双管道回水，减少回水管路的管阻，实现均匀回水，减少回水阻力。

3、冷坩埚的所有水冷部件位于主线圈下方较远的位置，通过距离降低这些工作部件对线圈产生磁场能量的损耗。同时冷坩埚底内部采用铜管焊接工艺，内部结构中空，也能有效减少对磁场能量的损耗。

4、冷坩埚中除采用常规主熔炼线圈外，还配置了一个辅助线圈（涡状线感应器）。辅助线圈所产生的磁场可以有效减少熔体在坩埚形成凝壳的厚度，增加驼峰高度，减少熔体与侧壁的接触面积，从而达到增大设备整体的电效率的最终目的。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。

图1为本发明金属感应熔炼的冷坩埚整体剖视图。

图2为本发明金属感应熔炼的冷坩埚主视图。

图3为本发明未装配辅助线圈整体剖视图。

图4为本发明冷坩埚底组件整体剖视图。

图5为本发明冷坩埚底组件冷却水道分布图。

图6为本发明水冷坩埚壁整体剖视图。

图7为本发明铜手指结构示意图。

图中：1、水冷坩埚壁；101、冷却介质通道；2、冷坩埚底组件；201、水冷盘；202、丝堵；203、进水冷却管；204、回水冷却管；205、底座；206、水道；3、绝缘垫；4、铜手指；401、螺钉；402、弹簧垫圈；403、平垫圈；404、绝缘垫；405、铜压板；406、螺钉；407、绝缘块；408、绝缘套；501、水冷坩埚瓣导水管；502、冷坩埚底导水管；6、基座法兰；701、环状冷却介质进水腔；702、进水口；7、进水座；8、回水座；801、环状冷却介质回水腔；802、回水口；9、主线圈；10、螺母；11、辅助线圈；12、辅助线圈固定座；13、漏水孔。

具体实施方式

如图所示，金属感应熔炼的冷坩埚，它包括水冷坩埚壁1、冷坩埚底组件2、铜手指4、基座法兰6、进水座7、回水座8及主线圈9；所述进水座7与基座法兰6固定相接；所述回水座8固定置于进水座7的下部；在所述水冷坩埚壁1外侧设有主线圈9；所述冷坩埚底组件2固定置于回水座8之上；所述水冷坩埚壁1经铜手指4固定在基座法兰6上。

所述基座法兰6、进水座7及冷坩埚底组件2下部底座205相结合形成横向环状冷却介质进水腔701；在所述进水座7外设有进水口702；所述进水口702与环状冷却介质进水腔701相通。

所述进水座7、回水座8及冷坩埚底组件2下部底座205相结合形成横向环状冷却介质回水腔801；在所述回水座8外设有回水口802；所述回水口802与环状冷却介质回水腔801相通。

所述冷坩埚底组件2包括水冷盘201、进水冷却管203、回水冷却管204及底座205；在所述水冷盘201内径向设有水道206；所述进水冷却管203及回水冷却管204与水冷盘201垂直相接；所述进水冷却管203及回水冷却管204的端口分别与水道206相通。

在所述水冷坩埚壁1内设有冷却介质通道101；所述冷却介质通道101的入口与环状冷却介质进水腔701相通；所述冷却介质通道101的出口经水冷坩埚瓣导水管501与环状冷却介质回水腔801相通。

所述进水冷却管203的入口与环状冷却介质进水腔701相通；所述回水冷却管204的出口经冷坩埚底导水管502与环状冷却介质回水腔801相通。

参见图1及图4所示，本发明在所述冷坩埚底组件2内设有辅助线圈11；所述辅助线圈11固定于辅助线圈固定座12之上。本发明在所述辅助线圈固定座12上设有漏水孔13。

参见图1所示，本发明所述水冷坩埚壁1采用若干独立冷坩埚瓣围成的冷坩埚侧壁；其中冷坩埚瓣之间以及冷坩埚瓣内部设有供磁场透入的缝隙。

参见图1、图4及图5所示，本发明所述水冷盘201采用整体分瓣式结构；水冷盘201盘体设有若干条径向缝隙，缝隙间形成扇形的独立水冷区域。本发明所述底座205经螺母10与回水座8固定相接。

本发明中的水冷坩埚壁采用分瓣式结构，若干单独立的冷坩埚瓣围成一冷坩埚侧壁。同时不仅瓣与瓣之间有供磁场透入的缝隙，瓣内部也有供磁场透入的缝隙。水冷坩埚底采用整体式结构，整个底部有多条缝隙，使底部也形成了供磁场透入的缝隙，有效增大了磁场透入效率。

本发明中的水冷结构采用并联方式，即高压冷却水同时供给所有冷坩埚瓣与冷坩埚底。冷却水从水冷坩埚壁一侧的进水冷却管203进入，从另一侧回水冷却管204流入环状冷却介质回水腔801。

本发明中采用双线圈设计，主线圈位于水冷坩埚壁外部，包围整个熔炼区域的外部，冷坩埚底组件内设置一个辅助线圈11（涡状线感应器），用于对底部熔体进行功率补偿。这样可以有效增加底部磁通密度，同时配合坩埚底的切缝可以有效减少熔体在坩埚形成凝壳的厚度，增加驼峰高度，减少熔体与侧壁（水冷坩埚瓣）的接触面积，从而达到增大设备整体的电效率的最终目地。为保证两个线圈之间不互相干扰，主线圈与辅助线圈之间的工作频率应设为“一高一底”，一般主线圈工作频率在4～8kHz，辅助线圈工作频率在20～40kHz。

1、冷却水冷却原理。

参见图1、图2及图3所示，供给水冷坩埚瓣的冷却水从进水口702进入由基座法兰6、进水座7及冷坩埚底组件2的下部底座204多部件相结合形成的横向环状冷却介质进水腔701内；随后，冷却水分两路，一路进入所有独立水冷坩埚瓣，经过水冷坩埚瓣内部循环后，再由水冷坩埚瓣导水管501导入环状冷却介质回水腔801内，最终经由回水口802排出。冷却水的另一路直接经进水冷却管203流入水冷坩埚底中的水冷盘201内，水冷盘201分成8瓣，每瓣独立进加水，冷却水同步直接进入水冷盘的所有分瓣，并经内部水道206循环冷却后流出，再由冷坩埚底导水管502导入环状冷却介质回水腔801内，最终经由回水口802排出。

2、水冷坩埚壁结构。

如图2所示，水冷坩埚壁采用独立式结构，共16个独立的冷坩埚瓣拼成一个“圆筒”构成水冷坩埚壁，水冷坩埚瓣与瓣之间以及瓣内的切缝均设有绝缘陶瓷片。每个水冷坩埚瓣内有独立的进回水道，水冷坩埚瓣顶部相互连通，使冷却水能完成整个独立的循环过程。水冷坩埚瓣由瓣与顶盖经焊接制成。每个独立的水冷坩埚瓣由一整块铜料经精密加机加工而成，而非大直径筒形铜料，达到了节约材料的目的。

水冷坩埚瓣底部经绝缘垫与基座法兰6连接，依靠铜手指4进行固定。整体固定后，还需在所有水冷坩埚瓣外围进行缠绕包扎作业以增加水冷坩埚瓣的稳定性。绝缘垫3主要为了防止水冷坩埚瓣产生的涡流导入下部的基座法兰6，同时铜手指4结构上也做了绝缘处理，防止涡流导入其它部件增加能量损耗。在绝缘垫内设有密封元件，用于实现对冷却水的密封。参见图7所示，4为铜手指；401为螺钉；402为弹簧垫圈；403为平垫圈；404为绝缘垫；405为铜压板；406为螺钉；407为绝缘块；408为绝缘套。

3、冷坩埚底组件结构。

参见如图4、图5所示，冷坩埚底组件2包括水冷盘201、进水冷却管203、回水冷却管204及底座205；在所述水冷盘201内径向设有水道206；所述进水冷却管203及回水冷却管204与水冷盘201垂直相接；所述进水冷却管203及回水冷却管204的端口分别与水道206相通。水冷盘201、丝堵202、进水冷却管203及回水冷却管204经焊接组成。水冷盘201为整体式结构，圆周径向每45度有一条深切缝（不切透），每22.5度有一条浅切缝。由深切缝分割成8“瓣”，每瓣内有一条浅切缝，同时每瓣内有一进一回的水道形成独立的冷却回路。水冷盘201的所有切缝内均插有薄陶瓷片用于绝缘。丝堵202嵌入于水冷盘201的水道中，通过焊接的方式封住水冷盘道。整个水冷盘201由加械加工制成。进水冷却管203挺入水冷盘201底部的凹台中，与分瓣内的水道相连接，通过焊接与水冷盘201连接，实现对整个水冷盘,201中每一瓣的独立供水。

水冷盘201处在由线圈产生的强大的交变磁场内，采用铜质进水冷却管203可以有效地把铜质底座205 布置于远离线圈的区域，同时由于采用多根铜管式的结构且每根铜管的截面积相对很小，所以在铜管上由涡流引起的能量损失很少，有利于提高冷坩埚整体的电效率。铜质底座205与进水冷却管203也采用焊接形式进行连接，铜质底座205上设有供密封所用的密封槽，装配时通过O型密封圈进行密封。与基座法兰6对接采用斜面形式，下部采用螺纹结构的中空管结构。通过螺母10与回水座8配合斜面上的O型密封圈实现压紧密封和固定的作用。

4、铜手指部分结构。

如图7所示，铜手指4由螺钉401、弹簧垫圈402、平垫圈403、绝缘垫404、铜压板405、螺钉406、绝缘块407、绝缘套408组成。

铜手指4的功能主要有两点。

一、固定将所有水冷坩埚瓣固定在基座法兰6上。

二、确保冷坩埚瓣1与基座法兰6之间的绝缘。

绝缘垫404、绝缘块407及绝缘套408均为绝缘材料制成。螺钉401、弹簧垫圈402、平垫圈403用于将整个铜手指4连接在基座法兰6上；螺钉406则用于连接铜压板405与绝缘块407。为了最大程度减少涡流在铜手指4上的能量损耗，同时保证一定的机械强度，铜压板405采用黄铜材质。螺钉401与螺钉406可采用黄铜或奥氏体不锈钢等材质。

4、辅助线圈部分结构。

参见图1及图4所示，辅助线圈11为涡状线线圈，由于该线圈位于冷坩埚底组件内部，同时该线圈的工作频率较高，所以辅助线圈11在制做成形后需对外表面进行绝缘处理。

辅助线圈11通过辅助线圈固定座12固定于冷坩埚底组件内部。辅助线圈11与辅助线圈固定座12可采用固化剂胶接的形式进行固定。辅助线圈固定座12上除开有两个供辅助线圈11铜管引出的孔外，还设有四个漏水孔13，以保证当冷坩埚底组件出现漏水等极端情况时能及时发现并采取措施处理。辅助线圈固定座12与底座205通过细牙螺纹进行连接，辅助线圈固定座12由于同时与辅助线圈11和底座205相接触，所以也必需采用绝缘材料。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.金属感应熔炼的冷坩埚，其特征在于，包括水冷坩埚壁（1）、冷坩埚底组件（2）、铜手指（4）、基座法兰（6）、进水座（7）、回水座（8）及主线圈（9）；所述进水座（7）与基座法兰（6）固定相接；所述回水座（8）固定置于进水座（7）的下部；在所述水冷坩埚壁（1）外侧设有主线圈（9）；所述冷坩埚底组件（2）固定置于回水座（8）之上；所述水冷坩埚壁（1）经铜手指（4）固定在基座法兰（6）上；

所述基座法兰（6）、进水座（7）及冷坩埚底组件（2）下部底座（205）相结合形成横向环状冷却介质进水腔（701）；在所述进水座（7）外设有进水口（702）；所述进水口（702）与环状冷却介质进水腔（701）相通；

所述进水座（7）、回水座（8）及冷坩埚底组件（2）下部底座（205）相结合形成横向环状冷却介质回水腔（801）；在所述回水座（8）外设有回水口（802）；所述回水口（802）与环状冷却介质回水腔（801）相通；

所述冷坩埚底组件（2）包括水冷盘（201）、进水冷却管（203）、回水冷却管（204）及底座（205）；在所述水冷盘（201）内径向设有水道（206）；所述进水冷却管（203）及回水冷却管（204）与水冷盘（201）垂直相接；所述进水冷却管（203）及回水冷却管（204）的端口分别与水道（206）相通；

在所述水冷坩埚壁（1）内设有冷却介质通道（101）；所述冷却介质通道（101）的入口与环状冷却介质进水腔（701）相通；所述冷却介质通道（101）的出口经水冷坩埚瓣导水管（501）与环状冷却介质回水腔（801）相通；

所述进水冷却管（203）的入口与环状冷却介质进水腔（701）相通；所述回水冷却管（204）的出口经冷坩埚底导水管（502）与环状冷却介质回水腔（801）相通。

2.根据权利要求1所述的金属感应熔炼的冷坩埚，其特征在于：在所述冷坩埚底组件（2）内设有辅助线圈（11）；所述辅助线圈（11）固定于辅助线圈固定座（12）之上。

3.根据权利要求2所述的金属感应熔炼的冷坩埚，其特征在于：在所述辅助线圈固定座（12）上设有漏水孔（13）。

4.根据权利要求3所述的金属感应熔炼的冷坩埚，其特征在于：所述水冷坩埚壁（1）采用若干独立冷坩埚瓣围成的冷坩埚侧壁；其中冷坩埚瓣之间以及冷坩埚瓣内部设有供磁场透入的缝隙。

5.根据权利要求4所述的金属感应熔炼的冷坩埚，其特征在于：所述水冷盘（201）采用整体分瓣式结构；水冷盘（201）盘体设有若干条径向缝隙，缝隙间形成扇形的独立水冷区域。

6.根据权利要求5所述的金属感应熔炼的冷坩埚，其特征在于：所述底座（205）经螺母（10）与回水座（8）固定相接。