CN107677126B - 一种电磁悬浮水冷铜坩埚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁悬浮水冷铜坩埚，涉及金属或者合金的熔炼设备领域。包括坩埚本体、感应线圈、铜模、压紧塞和橡胶垫，感应线圈环绕坩埚本体上部，铜模设置在坩埚本体的铜模腔内并通过压紧塞和橡胶垫固定和防漏气；通过本发明熔炼金属或合金可以避免熔体污染，使熔体高洁净；电磁悬浮水冷铜坩埚制备试样或棒材可以避免试样或棒材横截面的单一性；电磁悬浮水冷铜坩埚制备的试样或棒材晶粒细小，提高了材料的力学性能。

Description

一种电磁悬浮水冷铜坩埚

技术领域

本实用新型涉及金属或者合金的熔炼设备，特别是一种电磁悬浮水冷铜坩埚。

背景技术

金属或者合金的熔炼常常在大气环境中，在陶瓷坩埚内熔炼，这样的熔炼方式，陶瓷坩埚很可能污染熔体，对后期熔体的净化处理带来一定的困难；熔体在大气环境中，还可能造成熔体成分的氧化和烧损，为准确的成分控制带来一定的难度，有鉴于此，为减少或避免熔体污染，开发了如下技术。

光悬浮技术也能够避免熔体污染，光悬浮技术是利用卤素灯作为热源，利用灯丝附近的凹面镜将灯丝发出的光聚焦于与一点，棒材在该点处熔化，再以一定的速度移动棒材，就能够形成定向凝固的试样，这样的试样很难保证表面平整和试样的平直度。

电子束定向凝固的原理是电子枪发射的高能电子轰击棒材表面，电子的动能转化为热能，使其在电子枪对准的小范围区域熔化，熔化的金属熔体在重力和表面张力的作用下保持平衡，在电子枪从棒材的底部移动到顶部的过程中，熔体单向导热到底部的激冷铜，从而使熔体的定向地从底部到顶部凝固，最后形成试样。在电子束定向凝固的过程中，熔体在重力和表面张力作用下保持平衡，故试样形状简单，尺寸小，表面不平整；尤其是电子束的产生需要高真空，则高饱和蒸气压的元素容易挥发，容易造成成分不准确。

水冷铜坩埚内的Czochralski定向凝固，该技术的原理是感应线圈产生电磁场，电磁场透过分瓣的水冷铜坩埚缝隙作用于铜坩埚内的金属或合金，金属或合金在电磁场作用下，产生感应涡流，感应涡流在金属或合金中产生焦耳热使材料熔化形成熔体，熔体在装有籽晶的牵引杆下，现实材料的定向凝固生长，这种方法可以实现熔体无污染的定向凝固，但是在凝固的过程中，熔体不断减少，生长速度难以控制。做出的试样形状简单，表面不平整。

电磁冷坩埚定向凝固，该技术的熔化原理同水冷铜坩埚内的Czochralski定向凝固的熔化原理相同，不过Czochralski定向凝固的原料先装在坩埚内，而电磁冷坩埚定向凝固的原料为悬挂的料棒，在坩埚内的熔体达到一定量时，让原料棒和抽拉杆以一定的速率比(保证坩埚内的熔体体积不变)向下运动。在抽拉杆的牵引下，试样浸入Ga-In液态金合金中，在液态合金的强制冷却作用下，实现单向散热，从而达到定向凝固的目的。该方法制备试样时，试样的一端有高温熔体，另一端有冷却的液态合金，温度梯度较大，在较高速度生长时，熔体容易熄灭，造成实验失败，而且液态合金很可能污染试样。以上方法得到的熔体较为洁净，晶粒细化的方法包括如下。

一、变形处理法，该方法是利用材料的塑性变形工艺和材料的再结晶或者相变来控制晶粒的尺寸。该方法要在试样成形后才能实施。

二、物理场细化技术，该方法利用物理场直接作用于熔体，在凝固的过程中控制凝固组织、细化晶粒。该技术对熔体的处理包括三个方面：1)脉冲电流处理；2)磁场处理；3)超声波处理。

三、机械细化法，该方法是利用机械搅拌或者振动作用于熔体，促进晶核的形成，枝晶断裂，增多晶核，从而达到细化的目的。

四、晶粒细化剂法，该方法是向熔体加入晶粒细化剂，晶粒细化剂加入后熔体的异质形核数增多，从而达到细化晶粒的目的。

五、变质细化法，变质处理是在熔体中加入变质剂，在凝固的过程中依靠变质剂的形貌或者性能的变化而影响晶体生长的过程。

六、快速冷却法，理论和实践研究表明快速冷却可以提高形核速率和抑制原子扩散。形核速率的提高表示单位时间内形成的晶核数目越多；抑制原子扩散，表示原子的扩散速率变慢，单位时间内晶粒长大变慢，这就意味着凝固后形成的晶粒细小。电磁悬浮水冷铜坩埚装有铜模，熔体在铜模的强制冷却作用下，凝固形成晶粒细小的组织。根据Hall-Petch公式，晶粒细小的材料，力学性能更优异。

发明内容

本实用新型的发明目的是，针对上述问题，提供一种电磁悬浮水冷铜坩埚，通过电磁悬浮水冷铜坩埚熔炼金属或合金可以避免熔体污染，使熔体高洁净；电磁悬浮水冷铜坩埚制备试样或棒材可以避免试样或棒材横截面的单一性；电磁悬浮水冷铜坩埚制备的试样或棒材晶粒细小，提高了材料的力学性能。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：包括

坩埚本体，其外形呈圆柱状，其上部包括若干按圆周分布的坩埚分瓣，坩埚分瓣组成向上开口的熔体空腔；坩埚分瓣间具有瓣缝，所述瓣缝填充有耐高温的绝缘材料；坩埚本体下部设置有向下开口的圆柱形铜模腔，圆柱形铜模腔下部设置有内螺纹；坩埚本体圆柱壁内设置有若干上下惯通的水冷通孔，两个相邻的所述水冷通孔上部连通且下端分别连接进水管和出水管；熔体空腔底部设置有一熔体通孔，熔体通孔连通铜模腔和熔体空腔；

感应线圈，其环绕在若干按圆周分布的坩埚分瓣外表面；

铜模，位于坩埚本体的圆柱形铜模腔内，其包括两个紧密贴合的半圆柱模，铜模内设置有与其同轴的试样孔，所述试样孔上部与熔体通孔连通，所述试样孔下端面封闭；铜模底部设置有与其同轴的防堵腔，防堵腔与试样孔通过若干抽气弯孔连通，所述抽气弯孔与所述试样孔下部侧壁连通；以及

压紧塞，其呈圆柱状，设置在铜模下方，压紧塞上端面设置有与铜模腔下部内螺纹相匹配的外螺纹凸台，压紧塞内部同轴设置有上下惯通的抽气孔。

基于上述结构：瓣缝间塞入耐高温的绝缘材料，可以让交变电磁场透过瓣缝进入坩埚内，作用于原料和熔体，可以避免电磁场在整个坩埚横截面内产生涡流。熔体通孔是熔体进入铜模的唯一通道。每一坩埚分瓣都水冷通孔冷却，冷却水从进水孔进入然后从出水孔流出，坩埚在工作期间强制冷却铜坩埚，带走熔体的传递给铜坩埚的热量，避免铜坩埚温度过高或熔化,同时水冷可将铜模热量带走，使试样快速成型。抽真空时，试样孔的气体通过抽气弯孔被抽走。抽气弯孔和防堵腔可以防止熔体直接进入压紧塞的抽气孔，造成抽气孔堵塞；抽气孔和抽气机相连接。

整个坩埚工作时，原料放在熔体空腔内，感应线圈产生交变电磁场透过瓣缝作用于原料，原料产生感应涡流，产生焦耳热，从而熔化原料形成熔体，熔体处于惰性气体保护的微正压环境中，熔体在电磁推力的作用下，熔体处于悬浮状态或者与熔体空腔处于软接触状态，电磁搅拌力让熔体成分均匀。保温一段时间后，与抽气孔连接的抽气机启动抽真空，并关闭感应线圈的电源，停止加热，熔体空腔内熔体通过熔体通孔被吸入铜模的试样孔中，在铜模的强制冷却作用下，凝固形成组织、晶粒细小的试样。冷却后，拧开压紧塞，取出铜模，然后分开铜模，取出试样。

进一步的，所述坩埚分瓣上部采用绝缘带缠绕。

采用上述进一步方案的有益效果在于：瓣缝塞入高温绝缘材料后，用绝缘胶把高温绝缘材料封在瓣缝内，然后用绝缘带缠绕坩埚顶部，可以增加坩埚的径向强度。

进一步的，所述坩埚本体下端面与所述压紧塞外结合面设置有密封垫。

采用上述进一步方案的有益效果在于：可以防止抽气机抽气时，坩埚本体下端面与压紧塞外结合面漏气。

进一步的，试样孔的横截面形状为圆形或矩形。

采用上述进一步方案的有益效果在于：通过不同截面的试样孔，可以生产不同截面的试样。

进一步的，所述铜模外径和所述圆柱形铜模腔内径相同，所述铜模长度与所述铜模腔高度相同。

采用上述进一步方案的有益效果在于：铜模可在铜模腔内紧密结合，试样孔侧劈头不会出现间隙，试样侧壁不会产生冗余。

进一步的，所述熔体空腔底部设置有向下凹的弧形。

采用上述进一步方案的有益效果在于：熔体在底部形成聚集，易于被吸入式样孔内。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型电磁悬浮水冷铜坩埚熔炼金属或合金可以避免熔体污染，通过电磁悬浮水冷铜坩埚熔炼形成的熔体具有高的洁净度。

2.本实用新型比较光悬浮法、电子束定向凝固法和水冷铜坩埚内的Czochralski定向凝固制备的棒材，横截面形状单一，基本近似为圆柱形，而电磁悬浮水冷铜坩埚制备的棒材可以根据铜模的形状，制备出横截面为圆形、长方形或正方形等的棒材。

3.本实用新型比较光悬浮法、电子束定向凝固法和水冷铜坩埚内的Czochralski定向凝固制备的棒材表面缺少约束，制备的试样表面不平整，而电磁悬浮水冷铜坩埚的熔体在铜模中成形，铜模对熔体表面具有约束作用，可以制备表面平整的棒材。

4.本实用新型电磁悬浮水冷铜坩埚的熔体在铜模的强制冷却作用下凝固形成，形成的凝固组织细小，力学性能优异，这是普通的铸造方式所不具备的

附图说明

图1是本实用新型剖视图。

图2是本实用新型坩埚本体俯视图。

图3是本实用新型半圆柱模正视图。

图4是本实用新型压紧塞剖视图

附图中，1-坩埚本体、2-感应线圈、3-铜模、4-压紧塞、5-橡胶垫、6-绝缘带、7-熔体、11-坩埚分瓣、12-熔体空腔、13-铜模腔、14-内螺纹、15-水冷通孔、16-熔体通孔、31-半圆柱模、32-试样孔、33-防堵腔、34-抽气弯孔、41-外螺纹凸台、42-抽气孔。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。

如图1所示，一种电磁悬浮水冷铜坩埚，包括坩埚本体1、感应线圈2、铜模3、压紧塞4、橡胶垫5和绝缘带6，感应线圈2环绕坩埚本体1上部，铜模3设置在坩埚本体1的铜模腔13内并通过压紧塞4和橡胶垫5固定和防漏气，坩埚本体1上的坩埚分瓣11上部采用绝缘带6缠绕。

如图2所示，坩埚本体1外形呈圆柱状，其上部包括八瓣按圆周分布的坩埚分瓣11，坩埚分瓣11组成向上开口的熔体空腔12；坩埚分瓣11间具有瓣缝，所述瓣缝填充有耐高温的绝缘材料；坩埚本体1下部设置有向下开口的圆柱形铜模腔13，圆柱形铜模腔13下部设置有内螺纹14；坩埚本体1圆柱壁内设置有八组上下惯通的水冷通孔15，相邻的两个水冷通孔15上部连通且下端分别与进水管的出水管连接；熔体空腔12底部设置有一熔体通孔16，熔体通孔16连通铜模腔13和熔体空腔12；所述熔体空腔12底部设置有向下凹的弧形。

如图3所示，铜模3包括两个紧密贴合的半圆柱模31，铜模3内设置有与其同轴的试样孔32，所述试样孔32上部与熔体通孔16连通，所述试样孔32下端面封闭；铜模3底部设置有与其同轴的防堵腔33，防堵腔33与试样孔32通过两个抽气弯孔34连通，所述抽气弯孔34与所述试样孔32下部侧壁连通；所述铜模3外径和所述圆柱形铜模腔13内径相同，所述铜模3长度与所述铜模腔13高度相同；以及

如图4压紧塞，其呈圆柱状，压紧塞4上端面设置有与铜模腔13下部内螺纹14相匹配的外螺纹凸台41，压紧塞4内部同轴设置有上下惯通的抽气孔42。

工作时，原料放在熔体空腔12内，感应线圈2产生交变电磁场透过瓣缝作用于原料，原料产生感应涡流，产生焦耳热，从而熔化原料形成熔体7，熔体7处于惰性气体保护的微正压环境中，熔体7在电磁推力的作用下，熔体7处于悬浮状态或者与熔体空腔12处于软接触状态，电磁搅拌力让熔体7成分均匀。保温一段时间后，与抽气孔42连接的抽气机启动抽真空，并关闭感应线圈2的电源，停止加热，熔体空腔12内熔体7通过熔体通16孔被吸入铜模3的试样孔32中，冷却水从水冷通孔15进水口进入，出水口流出，强制冷却铜模3，使试样孔32内的熔体7凝固形成组织、晶粒细小的试样。冷却后，拧开压紧塞4，取出铜模3，然后分开铜模3，取出试样。

上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。

Claims (4)

1.一种电磁悬浮水冷铜坩埚，其特征在于：包括

坩埚本体，其外形呈圆柱状，其上部包括若干按圆周分布的坩埚分瓣，坩埚分瓣组成向上开口的熔体空腔；坩埚分瓣间具有瓣缝，所述瓣缝填充有耐高温的绝缘材料；坩埚本体下部设置有向下开口的圆柱形铜模腔，圆柱形铜模腔下部设置有内螺纹；坩埚本体圆柱壁内设置有若干上下惯通的水冷通孔，两个相邻的所述水冷通孔上部连通且下端分别连接进水管和出水管；熔体空腔底部设置有一熔体通孔，熔体通孔连通铜模腔和熔体空腔；所述坩埚分瓣上部采用绝缘带缠绕；所述坩埚本体下端面与压紧塞外结合面设置有密封垫；

感应线圈，其环绕在若干按圆周分布的坩埚分瓣外表面；

铜模，位于坩埚本体的圆柱形铜模腔内，其包括两个紧密贴合的半圆柱模，铜模内设置有与其同轴的试样孔，所述试样孔上部与熔体通孔连通，所述试样孔下端面封闭；铜模底部设置有与其同轴的防堵腔，防堵腔与试样孔通过若干抽气弯孔连通，所述抽气弯孔与所述试样孔下部侧壁连通；以及

压紧塞，其呈圆柱状，设置在铜模下方，压紧塞上端面设置有与铜模腔下部内螺纹相匹配的外螺纹凸台，压紧塞内部同轴设置有上下惯通的抽气孔。

2.根据权利要求1所述的一种电磁悬浮水冷铜坩埚,其特征在于：试样孔的横截面形状为圆形或矩形。

3.根据权利要求1所述的一种电磁悬浮水冷铜坩埚,其特征在于：所述铜模外径和所述圆柱形铜模腔内径相同，所述铜模长度与所述铜模腔高度相同。

4.根据权利要求1所述的一种电磁悬浮水冷铜坩埚,其特征在于：所述熔体空腔底部设置有向下凹的弧形。