CN1320972C - 一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统 - Google Patents

Abstract

一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，涉及一种冷坩埚系统。现有圆形截面的冷坩埚对于矩形截面的铸锭无法使用。本发明坩埚本体的型腔为相邻两面呈圆角过渡且上小下大的四棱台，型腔的宽(W)、长(L)、高(H)之间的比例为1∶2～6∶10～20，在所述坩埚本体上开有从外表面到型腔贯通的开缝，开缝为六至十八条。使用本发明的冷坩埚系统进行定向凝固，对材料无污染，可以实现对金属坯件进行连续熔化和成形的目的，它可以使坩埚内电磁场分布较为均匀，金属熔化温度一致，电磁约束力与所成形铸锭截面形状匹配，可以制备高质量的具有定向凝固组织的异型合金坯埞，从而满足冶金工业、航天工业、航空工业的需求。

Description

一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统

技术领域：

本发明涉及一种冷坩埚系统。

背景技术：

冷坩埚技术发源于上世纪的五六十年代，近年来随着其结构形式和与其它加工技术的结合而成为一种正在兴起的新技术，它是将分瓣绝缘的水冷铜坩埚置于高频交变电磁场内，利用交变电磁场产生的涡流热效应熔化金属，并使熔融金属与坩埚侧壁保持软接触或者非接触状态，同时对炉料进行电磁搅拌或者约束成形的技术。由于被熔化金属与坩埚壁的非(软)接触，所以能保持原金属的高纯度及防止在熔炼或成形过程中各种间隙元素的污染，所加工的钛合金成分准确、间隙元素含量低，质量优异。在钛合金定向凝固方面，哈尔滨工业大学成功的实现了在圆柱形冷坩埚内的连续定向凝固工艺过程，由于圆形截面的冷坩埚只可以配合现有凝固方法得到圆形铸锭，所以对于相对来说比较复杂的矩形截面铸锭，通过现有的冷坩埚和熔铸方法却无法得到，因为采用冷坩埚进行定向凝固首先面临的是合金的加热熔化和电磁力约束成形问题，对于在具有矩形截面的冷坩埚内进行的电磁熔化与约束成形，与以往的圆形截面冷坩埚相比无论是在磁感应强度的分布还是在成形和加热特性方面都有很大的不同，尤其是长宽比较大的矩形截面铸锭，最明显的差别就是在铸锭的不同部位对电磁能量的吸收能力变的很复杂，坯料很难均匀熔化。对于矩形截面铸锭的冷坩埚电磁熔化、约束成形和定向凝固，目前还没有这方面的报道。

发明内容：

针对现有的冷坩埚不能用来加工矩形截面铸锭的弊端，本发明提供一种可以使磁场分布均匀、金属熔化温度一致从而得到高质量合金坯锭的冷坩埚系统。一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，它包括带有盲孔和出水孔的坩埚本体、分配进水管、循环出水管、入水管、出水管和法兰：法兰为双层，上层法兰与入水管连接，上层法兰上设有插入到盲孔内的分配进水管；下层法兰与出水管连接，在下层法兰上设有与出水孔连接的循环出水管，坩埚本体的型腔为相邻两面呈圆角过渡且上小下大的四棱台，型腔贯穿坩埚本体的整个高度，所述型腔任一横截面的宽W、长L与型腔高H之间的比例为1∶2～6∶10～20，在所述坩埚本体上开有从外表面到型腔贯通的开缝，开缝为六至十八条。本发明的冷坩埚结构可以使坩埚内电磁场分布较为均匀，因此金属液温度一致，可以使成形所需电磁约束力与所凝固铸锭形状匹配，特别有利于实现合金材料的连续电磁约束与凝固过程，冷坩埚发挥连续、无污染加工的特点，不但可以配合现有定向凝固技术制备高质量的具有定向凝固组织的合金坯埞，而且可以为所凝固铸锭的后续变形加工提供具有易变形的“近净形”铸坯，对于提高TiAl基合金的使用性能和降低加工成本具有重要意义，满足了冶金工业、航天工业、航空工业的需求，同时也为研制更复杂形状的冷坩埚奠定了基础。

附图说明：

图1是本发明冷坩埚系统的整体结构示意图，图2是图1的俯视图，图3是具体实施方式三中对开六直缝坩埚本体1的俯视图，图4是图3的A-A剖视图，图5是图3的I处放大示意图，图6是具体实施方式四中对开四斜缝两直缝坩埚本体1的俯视图，图7是图6的B-B剖视图，图8是图6的K处放大示意图，图9是具体实施方式五中对开四斜缝四直缝坩埚本体1的俯视图，图10是图9的C-C剖视图，图11是具体实施方式七所述坩埚开缝6的结构示意图，图12是具体实施方式七所述过程得到的铸锭截面示意图片。

具体实施方式：

具体实施方式一：由于申请人的目的之一是在已申报冷坩埚电磁连铸与定向凝固技术基础上，继续实现钛铝基合金的大尺寸板形坯料的定向凝固成形，为此首先对板形件的电磁成形进行定性分析，通过研究发现，不同宽厚比板形件，随着宽厚比增大，相邻两边所受的电磁压力差越大，磁感应强度沿板件外部轮廓线上呈现出在直边部分低，而在角部逐渐升高的马鞍形分布趋势就会越明显。当宽厚比过大(＞3)时，在板件的拐角处总是难以形成提前预设的形状，这是磁场的邻近效应作用的结果，由于板形件的定向凝固需要在具有矩形截面的冷坩埚内进行，而冷坩埚的结构对于定向凝固是否成功起着决定性的作用，为此发明人充分比较研究了几种矩形冷坩埚的设计方案从而确定了本发明的技术内容。

本实施方式为一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，参照图1、图2，它包括带有盲孔1-3和出水孔1-4的坩埚本体1、分配进水管2-1、循环出水管、入水管3、出水管4和法兰5：法兰5为双层，上层法兰5-1与入水管3连接，上层法兰5-1上设有插入到盲孔1-3内的分配进水管2-1；下层法兰5-2与出水管4连接，在下层法兰5-2上设有与出水孔14连接的循环出水管，坩埚本体1的型腔1-1为相邻两面呈圆角过渡且上小下大的四棱台，型腔1-1贯穿坩埚本体1的整个高度，所述型腔1-1任一横截面的宽W、长L与型腔高H之间的比例为1∶2～6∶10～20，在所述坩埚本体1上开有从外表面1-2到型腔1-1贯通的开缝6，开缝6为六至十八条。坩埚型腔的长宽高比例对定向凝固起着至关重要的作用，坩埚各部分恰当的比例可以控制电磁约束力尽可能均匀的分布，尽可能使金属熔化温度一致；型腔为上小下大的四棱台可以使冷坩埚保证铸锭顺利的拉出，尽量使铸造件不与坩埚内壁接触从而避免材料的污染。冷坩埚在不开缝的情况下，由于坩埚壁的屏蔽作用，磁场很难进入到坩埚内部，坩埚开缝可以增加坩埚的透磁性。因而坩埚开缝的数目对于坩埚的设计具有至关重要的作用：开缝越多，坩埚壁的透磁性越好，磁场能的利用率就越高，对于熔体的加热和约束成形越有利。理论上冷坩埚开缝越多，坩埚内部的磁感应强度越大，内部周向的磁场分布就会越均匀，因而在一定意义上可以说坩埚开缝数越多越好。但是当坩埚开缝达到一定的数目以后，再单纯的依靠增加开缝数来提高坩埚的透磁性，意义不是很明显，相反过多的开缝会导致坩埚整体强度的降低，以至于无法对熔体进行约束成形。开缝的数目还要考虑坩埚整体体积的大小，使每瓣有足够的空间安装冷却系统，保证坩埚在工作时不会因自身的感应加热而熔化。综合考虑各方面的因素，本发明最终确定开缝的数目为六至十八条，并且在使用的时候需要在开缝内填充绝缘材料，以保证冷坩埚分瓣式铜块彼此处于电绝缘状态，提高冷坩埚的电效率。

具体实施方式二：与具体实施方式一不同之处在于，本实施方式着重考虑到型腔1-1的相邻两面间的过渡圆角半径大小对板料熔化的影响。在不考虑型腔的相邻两面间的过渡圆角半径的情况下，只有实施方式一所述技术方案就可以实现本发明的目的，但若将该过渡圆角半径考虑进去，会得到使磁场分布更加均匀的坩埚系统。

在保证实施方式一技术方案的前提下，冷坩埚内型腔的过渡圆角半径也是影响矩形板料均匀熔化的重要因素。在圆角部位的加热能力与R₀(圆角半径)的平方成正比，即 $q_0=\frac{H_0^2}{4\mathrm{\σ}{\mathrm{\δ}}^4}\·R_0^2,$ 由此可知R₀越小感应加热功率越小角部越难以熔化，当R₀小于电流透入深度δ时，角部的电流透入深度会明显增大，大于板件直边部分的电流透入深度，使感应电流经过的横截面A增大，使得电流密度J降低，于是加热能力就会降低；而当R₀等于或大于电流透入深度δ时，角部的电流透入深度等于板件直边部分的电流透入深度，感应电流经过的横截面A不会增大，理论上的加热能力和直角部分相同，但由于角部散热能力较直边部分强，坯料仍难以均匀熔化。圆角形状产生的涡流流向也能明显改变试样表面电磁压力的分布，当圆角半径小于或接近集肤层厚度时，圆角与直边连接处形成一个电磁压力衰减区，会造成电磁压力在周向上分布不均匀，难以形成预期的样件形状。因而必须保证矩形冷坩埚的角部有一定的曲率，在电源频率为50kHz情况下，成形钛铝合金的集肤层厚度为：

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\πf\μ\σ}}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}\×50\×{10}^3\×1.25\×{10}^{-6}\×1}}\≈2.26\mathrm{mm}$

根据以上分析情况，从而本实施方式确定型腔1-1的相邻两面间的过渡圆角半径R₁为4～10mm，参照图2。

具体实施方式三：实施方式一、二所述技术方案已可以很好的实现本发明的目的，若再考虑到坩埚的壁厚、缝的结构以及开缝在坩埚上的位置等因素，会更好的调整坩埚内部的磁场分布及磁场强度，从而更好的实现本发明的目的。

壁厚越小，坩埚的透磁性就越好，所以只要壁厚能够保证加工即可。

坩埚的分瓣形状对坩埚透磁性的影响表现为：在一定的高度范围内分瓣形状为三角形时坩埚内的磁流密度最大，而坩埚分瓣为方形时磁流密度最小，半圆分瓣时坩埚内的磁流密度介于两者之间，因此开缝6的任一处横截面形状为：参照图5，靠近坩埚内侧的是两条宽度W₁为0.1～0.5mm的平行直线6--1，其沿径向向外长度L₁为2～4mm，该平行直线6-1通过弧线6-3过渡到坩埚本体1的外表面1-2上。通过弧线过渡到坩埚本体外表面时，弧线可以起到磁场均匀穿透坩埚壁并避免两两坩埚铜瓣之间电弧放电的作用；本实施方式确定开缝6的下端距坩埚本体1的下底面距离H₁为5～10mm，参照图4，原则上这个距离越短越好，这样可以保证定向凝固时所需要的高的温度梯度，但是由于电磁场的搅拌作用，因此凝固界面前沿金属液被扰动，不利于定向凝固，因此要控制一段适当的距离，以屏蔽电磁场，减轻对待凝固金属液的搅拌作用。所述开缝6为对开的六条直缝，参照图3，所谓对开，即在坩埚本体1上互相对称的位置开缝；所谓直缝，即在坩埚本体1的直线边上的开缝；对开的六条直缝为在坩埚本体1的较长直线边上设置三组互相对称的开缝；六直缝结构磁感应强度在轮廓线上的分布最简单，而且宽边比窄边磁感应强度略小，有利于大宽厚比矩形板件的成形。另外这种结构开缝比较少，既有利于机加工又可以保证冷坩埚的刚度。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同之处在于，参照图8，平行直线6-1通过直线6-2过渡到坩埚本体1的外表面1-2上，坩埚本体1的外表面1-2处两直线6-2的宽度W₂为平行直线宽度W₁的10～100倍，所述平行直线6-1与直线6-2之间通过圆弧6-4连接，平行直线可以保证冷坩埚具有磁压缩效应，提高磁场的作用强度，过渡到10～100倍的宽度可以保证电磁场能有效穿透金属质的冷坩埚，同时使冷坩埚具有适当的机械强度，之间用弧线过渡可以避免分瓣式冷坩埚铜块之间的电弧放电效应，提高冷坩埚的使用寿命。参照图6、图7，本实施方式的开缝6为对开的四条斜缝和两条直缝，所谓斜缝，即为在坩埚本体1的过渡圆角处开缝。对开的四条斜缝和两条直缝为在坩埚本体1的四个过渡圆角处各设一个开缝且相互对称，同时在坩埚本体1的较长直线边上设有一组互相对称的开缝。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同之处在于，开缝6为对开的四条斜缝和四条直缝，参照图9、图10，对开的四条斜缝和四条直缝为，在坩埚本体1的四个过渡圆角处各设一个开缝且相互对称，同时在坩埚本体1的较长直线边上设有两组互相对称的开缝。其开缝结构与具体实施方式三相同。

经实验证实，实施方式三、四、五所述开缝位置及开缝结构可以很好的保证坩埚内的磁场分布均匀，使金属熔化温度一致，从而更好的实现合金材料的电磁约束与凝固过程。同时，开缝结构和开缝位置也不限于上述各实施方式的组合，也就是说开缝的位置为对开的六条直缝，或者为对开的四条斜缝和两条直缝，或者为对开的四条斜缝和四条直缝中的任意一种，开缝结构为平行直线通过直线或弧线过渡到坩埚本体外表面；前面所述在坩埚上的开缝位置和开缝结构可以任意组合，都可以实现本发明的目的，所以都应在本发明的保护范围之内。

具体实施方式六：参照图6、图7、图8，本实施方式中，坩埚本体1的高度H为70～200mm，型腔1-1任一棱台面与铅垂面的斜度为0.3～0.8°，适当的斜度即可以保证铸锭在冷坩埚内能被顺利的拉出，又可以避免金属液在冷坩埚壁过早形成凝壳或者造成对材料的污染。型腔1-1相邻两面之间的过渡圆角半径R₁＝5～6mm；所述开缝6为六条，开缝6的任一处横截面形状为：位于坩埚本体1外侧的开缝是上下底宽度W₃、W₂分别为1～3mm、5～10mm、沿径向向外长度L₂为12～16mm的梯形，位于坩埚本体1内侧的开缝是宽度W₁为0.1～0.5mm、沿径向向外长度L₁为3～5mm的窄缝，外侧开缝与内侧开缝之间用半径R₂＝9～11mm的圆角过渡；位于坩埚本体1上开缝的总体高度H₃为60～150mm。

为了保证坯料在冷坩埚内的精确定位(避免坯料与坩埚冷壁接触)，在坩埚型腔1-1的内表面上方打四个直径为2mm的螺纹孔，并将尖端磨成球形的细螺柱7的固定在孔内，以保证对上送料的定位和减少坯料滑动时的摩擦阻力。

具体实施方式七：本实施方式为采用以下具体结构及尺寸的坩埚进行电磁熔化定向凝固，同时提供所得到的产品试样。

坩埚具体结构为：参照图1、图2，坩埚本体1的高度H为110mm，型腔1-1上部截面积为48×12mm²、下部截面积为50×14mm²，型腔1-1相邻两面之间的过渡圆角半径R₁＝4mm；开缝6为对开的六条直缝，开缝6的任一处横截面形状为：参照图11，位于坩埚本体1外侧的开缝是上下底宽度W₃、W₂分别为2mm、8mm、沿径向向外长度L₂为14mm的梯形，位于坩埚本体1内侧的开缝是宽度W₁为0.3mm、沿径向向外长度L₁为4mm的窄缝，两部分之间用半径R₂＝10mm的圆角过渡；位于坩埚本体1上开缝的总体高度H₃为70mm，开缝下端距下底面距离H₁为5～10mm，法兰5为与坩埚本体1相配合的矩形，法兰5的直径φ₁为20mm，坩埚本体1内盲孔1-3的直径φ₂为8mm、深D为100mm，插入到盲孔1-3内的分配进水管2-1的直径φ₃为6mm、长L₃为90mm，与出水孔1-4连接的循环出水管的直径为6mm，冷却水循环采用上进侧出的模式。经过以上尺寸的配合，可以使冷坩埚的冷却水进入坩埚后在里面存积比较少，冷水的利用率比较高，在长时间工作的条件下，冷坩埚的升温会比较缓慢。考虑到水冷系统和坩埚的可焊性问题，所有材料都选用紫铜。

采用的合金成分为Ti50Al(原子百分比)，冷坩埚的外部设有4匝感应线圈，线圈通入单相交流电，电源施加功率为65kw，定向凝固装置所采用的上送料机构和下抽拉机构以0.5mm/min的速度向下运动。

如图12是在所述条件下获得的铸锭沿中截面剖开，经过打磨腐蚀后得到的宏观组织图片。由该图片可以看出，钛铝基合金在使用本发明的冷坩埚情况下能够很好的生长为定向凝固组织。

Claims (8)

1.一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，它包括带有盲孔(1-3)和出水孔(1-4)的坩埚本体(1)、分配进水管(2-1)、循环出水管、入水管(3)、出水管(4)和法兰(5)：法兰(5)为双层，上层法兰(5-1)与入水管(3)连接，上层法兰(5-1)上设有插入到盲孔(1-3)内的分配进水管(2-1)；下层法兰(5-2)与出水管(4)连接，在下层法兰(5-2)上设有与出水孔(1-4)连接的循环出水管，其特征在于坩埚本体(1)的型腔(1-1)为相邻两面呈圆角过渡且上小下大的四棱台，型腔(1-1)贯穿坩埚本体(1)的整个高度，所述型腔(1-1)任一横截面的宽(W)、长(L)与型腔高(H)之间的比例为1∶2～6∶10～20，在所述坩埚本体(1)上开有从外表面(1-2)到型腔(1-1)贯通的开缝(6)，开缝(6)为六至十八条。

2.根据权利要求1所述的一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，其特征在于型腔(1-1)的相邻两面间的过渡圆角半径(R₁)为4～10mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，其特征在于所述开缝(6)为对开的六条直缝，或者为对开的四条斜缝和两条直缝，或者为对开的四条斜缝和四条直缝。

4.根据权利要求3所述的一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，其特征在于所述开缝(6)的任一处横截面形状为：靠近坩埚内侧的是两条宽度(W₁)为0.1～0.5mm的平行直线(6-1)，其沿径向向外长度(L₁)为2～4mm，该平行直线(6-1)通过直线(6-2)或弧线(6-3)过渡到坩埚本体(1)的外表面(1-2)上。

5.根据权利要求4所述的一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，其特征在于平行直线(6-1)通过直线(6-2)过渡到坩埚本体(1)的外表面(1-2)上时，坩埚本体(1)的外表面(1-2)处两直线(6-2)的宽度(W₂)为平行直线宽度(W₁)的10～100倍，所述平行直线(6-1)与直线(6-2)之间通过圆弧(6-4)连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，其特征在于坩埚本体(1)的高度(H)为70～200mm，型腔(1-1)任一棱台面与铅垂面的斜度为0.3～0.8°，型腔(1-1)相邻两面之间的过渡圆角半径(R₁)＝5～6mm；所述开缝(6)为六条或八条，开缝(6)的任一处横截面形状为：位于坩埚本体(1)外侧的开缝是上下底宽度(W₃、W₂)分别为1～3mm、5～10mm，沿径向向外长度(L₂)为12～16mm的梯形，位于坩埚本体(1)内侧的开缝是宽度(W₁)为0.1～0.5mm、沿径向向外长度(L₁)为3～5mm的窄缝，外侧开缝与内侧开缝之间用半径(R₂)＝9～11mm的圆角过渡；位于坩埚本体(1)上开缝的总体高度(H₃)为60～150mm。

7.根据权利要求1或2所述的一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，其特征在于所述开缝(6)的起始位置为：开缝(6)的下端距坩埚本体(1)的下底面距离(H₁)为5～10mm；

8.根据权利要求1或2所述的一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统，其特征在于法兰(5)的直径(φ₁)为20mm，坩埚本体(1)内盲孔(1-3)的直径(φ₂)为8mm、深(D)为100mm，插入到盲孔(1-3)内的分配进水管(2-1)的直径(φ₃)为6mm、长(L₃)为90mm，与出水孔(1-4)连接的循环出水管的直径为6mm，冷却水循环采用上进侧出的模式。

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