CN114396797B - 一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统 - Google Patents

Abstract

一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，涉及坩埚熔炼设备领域。本发明是为了解决现有电磁冷坩埚能量利用率低的问题。本发明包括水冷坩埚体、基座和分水器，水冷坩埚体设置在基座上，分水器安装在基座的底部；水冷坩埚体相邻的两个坩埚瓣之间设置有第一切缝，第一切缝包括由外至内径向分布的第一大开缝结构和第一小开缝结构，第一大开缝结构与第一小开缝结构相通，每个坩埚瓣上径向设置有第二切缝，第二切缝径向穿过U形水道之间的空隙并与水冷坩埚体内的坩埚内腔相通；第二切缝包括由外至内径向分布的第二大开缝结构和第二小开缝结构，第二大开缝结构和第二小开缝结构相通。本发明主要是为了提高坩埚熔炼过程中内部物料的能量利用率。

Description

一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统

技术领域

本发明属于坩埚熔炼设备领域，尤其涉及一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统。

背景技术

电磁冷坩埚感应凝壳熔炼技术采用电磁感应方式进行加热，水冷铜坩埚的各个弧块或管间彼此绝缘不构成回路，每一块或管内都产生感应电流。所以，每一条组合坩埚的缝隙处都是一个强磁场区域。由于环状效应，在坩埚内形成一个强化的磁场。随着组合块数及输入功率的增加，强化的磁场促进炉料迅速融化并产生强烈搅拌，使金属熔体温度和成分保持均匀。电磁力对金属溶液的搅拌效应可有效去除物料高密度夹杂和低密度夹杂，促进熔体纯净。使用电磁冷坩埚感应凝壳熔炼技术熔炼金属，水冷铜坩埚与金属熔体之间存在一层由金属熔体凝固而产生的固体壳层。此时坩埚内衬相当于用所熔金属制成，即坩埚内表面与金属熔体不直接接触，可有效避免坩埚对金属熔体的污染及器壁形核效应。可控的真空、惰性气氛可以保证熔融金属形成的气氛条件。但是由于电磁冷坩埚属于金属坩埚，其加载于电磁场中，坩埚质量越高其能耗越高，使得物料整体能量利用率低，且过窄的开缝阻挡了大部分磁力线的进入，造成了屏蔽现象，限制了该技术的广泛应用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有电磁冷坩埚能量利用率低的问题；进而提供一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，包括分瓣的水冷坩埚体、基座和分水器，所述的水冷坩埚体设置在基座上，分水器安装在基座的底部并通过法兰连接；所述的水冷坩埚体上相邻的两个坩埚瓣之间设置有第一切缝，所述的第一切缝包括由外至内径向分布的第一大开缝结构和第一小开缝结构，所述的第一大开缝结构与第一小开缝结构相通。

进一步的，所述的坩埚瓣为薄壁坩埚瓣。

进一步的，所述的基座和分水器之间形成冷却水排水腔；每个坩埚瓣内设置有一个冷却循环水道，每个冷却循环水道的进水口通过一根冷却水进水管与分水器的下水腔相通，所述的每个冷却循环水道的出水口与冷却水排水腔相通。

进一步的，所述的冷却循环水道为在坩埚瓣中开有的倒置的U形水道。

进一步的，所述的基座的下表面开有圆环形槽体，分水器的上表面开有圆形槽体，基座上的圆环形槽体与分水器上的圆形槽体相对设置并形成冷却水排水腔，所述的圆形槽体的侧壁上设置有一根出水管，出水管的进水口与冷却水排水腔相通。

进一步的，所述的出水管上沿着水流方向分别设置有压力表和流量调节阀。

进一步的，所述的基座的下表面开有密封圈槽，密封圈槽套在圆环形槽体外，密封圈槽内安装有密封圈，所述的基座通过密封圈槽与分水器完成密封。

进一步的，所述的每个坩埚瓣上径向设置有第二切缝，所述的第二切缝径向穿过U形水道之间的空隙并与水冷坩埚体内的坩埚内腔相通；所述的第二切缝包括由外至内径向分布的第二大开缝结构和第二小开缝结构，所述的第二大开缝结构和第二小开缝结构相通。

进一步的，所述的第一切缝、第二切缝和坩埚瓣数量均相同，数量为12～24个。

进一步的，所述的第一大开缝结构与第二大开缝结构横截面尺寸相同，开缝宽度为4mm～6mm；第一小开缝结构和第二小开缝结构横截面尺寸相同，开缝宽度为0.4～0.6mm。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

在同样负载下，本申请所设计的薄壁大开缝坩埚相比以往的厚壁窄开缝坩埚的能量利用率由26.8％提升至37.6％。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的轴测图；

图2为本发明的主视图；

图3为图2中A-A处的剖视图；

图4为水冷坩埚体与基座连接的竖剖图；

图5为分水器的结构示意图；

图6为图1的俯视图；

图7为图2中E-E处的剖视图；

图8为水冷坩埚体开缝处的尺寸示意图；

图9为小开缝壁厚、大开封宽度与能量利用率之间的关系示意图；

图10为大开封宽度与能量利用率之间的关系示意图；

图11中(a)为水冷坩埚体薄壁结构、大开缝时内部物料磁场量；(b)为水冷坩埚体厚壁结构时内部物料磁场量。

图中：1-水冷坩埚体；1-1-坩埚瓣；1-2-第一大开缝结构；1-3-第一小开缝结构；1-4-第二大开缝结构；1-5-第二小开缝结构；2-基座；2-1-圆环形槽体；2-2-密封圈槽；3-分水器；3-1-圆形槽体；3-2-出水管；3-3-分水器出水孔；3-4-下水腔；3-5-进水管；4-冷却循环水道；5-冷却水排水腔；6-压力表；7-流量调节阀；8-冷却水进水管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图4所示，本申请实施例提供一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，包括分瓣的水冷坩埚体1、基座2和分水器3，所述的水冷坩埚体1设置在基座2上，分水器3安装在基座2的底部并通过法兰连接，完成坩埚冷却工作，以防止坩埚烧损；所述的水冷坩埚体1上相邻的两个坩埚瓣1-1之间设置有第一切缝，所述的第一切缝包括由外至内径向分布的第一大开缝结构1-2和第一小开缝结构1-3，所述的第一大开缝结构1-2与第一小开缝结构1-3相通。

本实施方式中，所述的水冷坩埚体1内部设置有坩埚内腔，并用于填装物料；

本实施方式中，所述的第一切缝贯穿于水冷坩埚体的上端面，所述的第一小开缝结构1-3间填充有绝缘材料。

本实施方式中，将本申请的坩埚结构安装在感应加热装置内部并配备分水器，可以提高物料在坩埚内部的能量利用率；且本申请的坩埚结构整体采用紫铜机加工制备，坩埚主体下部分配备分水器以固定，且薄壁结构能够满足坩埚刚度。

在一种可能的实施方案中，所述的坩埚瓣1-1为薄壁坩埚瓣1-1。

本实施方式中，将第一小开缝结构1-3的整体壁厚设计成薄开缝结构，尽可能减小坩埚重量以减少坩埚在电磁场中的负载。

本实施方式中，坩埚瓣1-1的壁厚在保证坩埚结构刚度的条件下通过机加工尺寸可调。

在一种可能的实施方案中，所述的基座2和分水器3之间形成冷却水排水腔5；每个坩埚瓣1-1内设置有一个冷却循环水道4，每个冷却循环水道4的进水口通过一根冷却水进水管8与分水器3的下水腔3-4相通，所述的每个冷却循环水道4的出水口与冷却水排水腔5相通。

本实施方式中，如图5所示，所述的分水器3为圆形桶体，在分水器3的中间位置横向设置有分隔板，分隔板将分水器分隔出圆形槽体3-1和下水腔3-4，所述的圆形槽体3-1的侧壁上设置有一根出水管3-2，出水管3-2的进水口与冷却水排水腔5相通，下水腔3-4上设置有一根进水管3-5，进水管3-5的出水口与下水腔3-4相通；所述的分隔板上沿圆周方向均匀开有多个分水器出水孔3-3；

所述的冷却水进水管8的一端与分水器出水孔3-3相连，冷却水进水管8的另一端与冷却循环水道4的进水口相连；

所述的冷却循环水通过分水器上的进水管3-5进入到分水器的下水腔3-4中，再通过分水器出水孔3-3和冷却水进水管8进入到冷却循环水道4中，冷却水对水冷坩埚体1进行降温后，冷却水通过冷却循环水道4的出水口进入到冷却水排水腔5中，再通过出水管3-2排出。

在一种可能的实施方案中，所述的冷却循环水道4为在坩埚瓣1-1中开有的倒置的U形水道。

本实施方式中，所述的基座2的台面上沿圆周方向开有多个通孔，相邻的两个通孔为一组，每组通孔对应一个U形水道设置，所述的U形水道的进水口通过其中一个通孔与冷却水进水管8的出水口相连，所述的U形水道的出水口通过另一个通孔与冷却水排水腔5相通。

在一种可能的实施方案中，所述的基座2的下表面开有圆环形槽体2-1，分水器3的上表面开有圆形槽体3-1，基座2上的圆环形槽体2-1与分水器3上的圆形槽体3-1相对设置并形成冷却水排水腔5。

在一种可能的实施方案中，所述的出水管3-2上沿着水流方向分别设置有压力表6和流量调节阀7。

本实施方式中，压力表6用以检测内部冷却水压，以保证冷却水能够填满水冷坩埚体1与分水器3；流量调节阀7用以配合压力表6完成水压控制。

在一种可能的实施方案中，所述的基座2的下表面开有密封圈槽2-2，密封圈槽2-2套在圆环形槽体2-1外，密封圈槽2-2内安装有密封圈，所述的基座2通过密封圈槽2-2与分水器3完成密封。

在一种可能的实施方案中，所述的每个坩埚瓣1-1上径向设置有第二切缝，所述的第二切缝径向穿过U形水道之间的空隙并与水冷坩埚体1内的坩埚内腔相通；所述的第二切缝包括由外至内径向分布的第二大开缝结构1-4和第二小开缝结构1-5，所述的第二大开缝结构1-4和第二小开缝结构1-5相通。

本实施方式中，所述的第二切缝的长度小于第一切缝的长度，第二切缝并不上下贯穿，所述的第二小开缝结构1-5间填充有绝缘材料，第二大开缝结构1-4和第二小开缝结构1-5采用半数中间开缝设计，以满足冷却循环水道4在坩埚瓣之间的布置。

在一种可能的实施方案中，所述的第一切缝、第二切缝和坩埚瓣1-1数量均相同，数量为12～24个。

在一种可能的实施方案中，所述的第一大开缝结构1-2与第二大开缝结构1-4横截面尺寸相同，开缝宽度为4mm～6mm；第一小开缝结构1-3和第二小开缝结构1-5横截面尺寸相同，开缝宽度为0.4～0.6mm。

由于以往的坩埚瓣之间均设计成窄开缝结构，防止开缝过大使得内部熔融液体漏出或缝隙处填充物质产生过烧现象，但是这种窄开缝结构存在能量利用率低、功耗大和低过热的问题；通过研究表明坩埚开缝与坩埚重量是影响电效率的一个重要因素，本发明中在优化坩埚结构时，尽可能减小坩埚重量以减少坩埚在电磁场中的负载；增大坩埚开缝，以使得更多的磁力线进入坩埚内部，坩埚与物料同时在激发磁场中，一起消耗感应加热所产生的能量；故本发明通过减小坩埚重量(减小窄开缝结构的整体壁厚)可以减小坩埚所产生的“无用”损耗；并且设计成大开缝、低质量坩埚结构以尽可能增大磁场利用率。如图8所示，为本申请中水冷坩埚体的俯视图横截面，设大开缝结构开缝宽度为d₂(mm)，窄开缝结构开缝宽度为d₁(mm)，窄开缝结构整体壁厚为t₁(mm)，水冷坩埚体壁厚为t(mm)，(注：大开缝结构壁厚t-t₁(mm))。如图9所示，d₁开缝设置为0.4mm，随着窄开缝结构整体壁厚t₁的减小，大开缝结构开缝宽度d₂的增加，坩埚内物料能量利用率呈上升趋势，且更小的窄开缝壁厚及更宽的大开缝结构更有利于物料能量利用率的上升。证明了薄壁大开缝坩埚结构对提高物料能量利用率的有效程度。

如图10所示，对于初始大壁厚坩埚结构，并未采取大开缝结构设计(t＝t₁＝30mm，d₁＝d₂＝0.4mm)，此时能量利用率较低，为26.8％。对于采用薄壁结构，未采取大开缝结构设计时(t₁＝5mm，t＝10mm，d₁＝d₂＝0.4mm，即坩埚整体壁厚10mm，开缝宽度0.4mm)相比整体壁厚30mm坩埚，能量利用率为33.8％。采用薄壁大开缝坩埚设计后(d₂为大开缝宽度，且t₁＝5mm，t＝10mm，d₁＝0.4mm)，随着大开缝宽度d₂的增加，物料能量利用率呈上升趋势，在大开缝宽度为6mm时，物料能量利用率达37.6％。证明了坩埚薄壁结构即外部大开缝结构可以较好的提高物料能量利用率；

以往研究表明，坩埚上每个扇区上互相垂直的狭缝表面部分消耗了磁场大部分能量，导致坩埚上热量较高，因此，本发明将坩埚狭缝处尺寸增大，以减小坩埚质量，以及起到汇聚磁力线作用，让更多的磁能进入坩埚内部；内部狭缝依旧保持窄开缝，如图11所示，在同样负载下，本发明薄壁大开缝坩埚(大开缝宽度6mm，窄开缝宽度0.4mm，窄开缝壁厚5mm，大开缝壁厚5mm)内部物料磁场可达68.3mT，厚壁窄开缝(无大开缝，整体开缝宽度0.4mm，坩埚壁厚30mm)内部物料磁场为63.9mT，能量利用率由26.8％提升至37.6％。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行适当修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，包括分瓣的水冷坩埚体(1)、基座(2)和分水器(3)，所述的水冷坩埚体(1)设置在基座(2)上，分水器(3)安装在基座(2)的底部并通过法兰连接；其特征在于：所述的水冷坩埚体(1)上相邻的两个坩埚瓣(1-1)之间设置有第一切缝，所述的第一切缝包括由外至内径向分布的第一大开缝结构(1-2)和第一小开缝结构(1-3)，所述的第一大开缝结构(1-2)与第一小开缝结构(1-3)相通；所述的第一小开缝结构1-3间填充有绝缘材料；第二小开缝结构（1-5）间填充有绝缘材料；

所述的坩埚瓣(1-1)为薄壁坩埚瓣(1-1)；

所述的基座(2)和分水器(3)之间形成冷却水排水腔(5)；每个坩埚瓣(1-1)内设置有一个冷却循环水道(4)，每个冷却循环水道(4)的进水口通过一根冷却水进水管(8)与分水器(3)的下水腔(3-4)相通，所述的每个冷却循环水道(4)的出水口与冷却水排水腔(5)相通；

所述的冷却循环水道(4)为在坩埚瓣(1-1)中开有的倒置的U形水道；所述的每个坩埚瓣(1-1)上径向设置有第二切缝，所述的第二切缝径向穿过U形水道之间的空隙并与水冷坩埚体(1)内的坩埚内腔相通；所述的第二切缝包括由外至内径向分布的第二大开缝结构(1-4)和第二小开缝结构(1-5)，所述的第二大开缝结构(1-4)和第二小开缝结构(1-5)相通；

所述基座(2)的上表面紧贴水冷坩埚体(1)的下表面。

2.根据权利要求1所述的一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，其特征在于：所述的基座(2)的下表面开有圆环形槽体(2-1)，分水器(3)的上表面开有圆形槽体(3-1)，基座(2)上的圆环形槽体(2-1)与分水器(3)上的圆形槽体(3-1)相对设置并形成冷却水排水腔(5)，所述的圆形槽体(3-1)的侧壁上设置有一根出水管(3-2)，出水管(3-2)的进水口与冷却水排水腔(5)相通。

3.根据权利要求2所述的一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，其特征在于：所述的出水管(3-2)上沿着水流方向分别设置有压力表(6)和流量调节阀(7)。

4.根据权利要求3所述的一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，其特征在于：所述的基座(2)的下表面开有密封圈槽(2-2)，密封圈槽(2-2)套在圆环形槽体(2-1)外，密封圈槽(2-2)内安装有密封圈，所述的基座(2)通过密封圈槽(2-2)与分水器(3)完成密封。

5.根据权利要求4所述的一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，其特征在于：所述的第一切缝、第二切缝和坩埚瓣(1-1)数量均相同，数量为12～24个。

6.根据权利要求5所述的一种具有高能量利用率的电磁冷坩埚系统，其特征在于：所述的第一大开缝结构(1-2)与第二大开缝结构(1-4)横截面尺寸相同，开缝宽度为4mm～6mm；第一小开缝结构(1-3)和第二小开缝结构(1-5)横截面尺寸相同，开缝宽度为0.4～0.6mm。

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