CN217044541U - 一种差压铸造坩埚炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种差压铸造坩埚炉，包括坩埚、加热元件和电磁线圈，电磁线圈设置于坩埚的外部，电磁线圈与外部电源相连，电磁线圈能够产生磁场，坩埚位于电磁线圈产生的磁场内。工作时，加热元件对坩埚进行加热，继而实现对坩埚内铝合金熔体进行加热保温的目的，使得铝合金熔体保持在熔融状态；在坩埚外部设置电磁线圈，电磁线圈与外部电源相连，电磁线圈通电能够产生磁场，从而对坩埚内的熔体施加电磁处理，对熔体内的能量体系产生影响，补偿熔体内部形成临界晶核所需的能量，降低形核过程所需的形核激活能，促进熔体克服形核壁垒，进而增加熔体内初生晶核的数量，提高熔体内形核率，从而对最终的铸件到晶粒细化的作用，提升成品铸件的性能。

Description

一种差压铸造坩埚炉

技术领域

本实用新型涉及冶金设备及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种差压铸造坩埚炉。

背景技术

差压铸造又称“反压铸造”，金属熔体在压差的作用下，充填到预先有一定压力的铸型中，进行凝固而获得铸件的一种工艺方法。在较高的凝固保压压力作用下可使金属熔体通过狭窄的晶间空隙，对孤立液相区产生良好的补缩，非常适合生产高气密性的复杂轮廓的铸件，且铸件轮廓清晰，尺寸精确。在差压铸造过程中，坩埚内压力大于铸型内压力，在压力差的作用下，坩埚内的铝合金液经升液管填充铸型，在顺序凝固的过程中，坩埚内的铝合金液不断地对铸件进行补缩，并在较高的压力下凝固。

获得均匀细小的等轴晶可显著降低铸造缺陷，提高材料的机械性能。通常从改变相结构及晶体形态来控制凝固组织，其中，相结构直接受合金成分的影响，而晶体形态及晶粒尺寸是由凝固过程所决定的。过冷熔体增加过冷度可显著增加固液相吉布斯自由能差、降低临界形核功，这种体系能量干预可达到晶粒细化的目的。例如快速凝固技术，尽管能得到细小的晶粒尺寸，甚至纳米晶，但其无法制备大尺寸铸锭而难以实现工业化生产。异质形核则更容易实现大截面铸锭的晶粒细化。通过添加变质剂抑制晶粒长大获得细化组织，液态金属在固相质点表面形核可大大降低表面能，但对材料本身造成污染。例如在铝合金中加入Al-5Ti-B能实现晶粒的显著细化，但形成的TiB2在金属中偏聚会损害最终产品的性能。上述方法都具有各自的局限性，难以实现工业化推广。

随着汽车轻量化进程的持续推进，零部件标准逐渐提高，差异铸造铝合金产品遇到了由于凝固均质化过程不可控带来的机械性能和充型性能难以提高的瓶颈。

在铝合金差压铸造过程中，坩埚炉的主要作用是为差压铸造设备提供铝合金熔体，现有技术中的差压铸造坩埚炉，只是简单的熔炉，热量经坩埚传给炉料，无法实现熔体的处理以细化铸件晶粒。

因此，如何改变现有技术中，工业化生产用差压铸造设备工作时无法实现晶粒细化，导致产品性能不佳的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种差压铸造坩埚炉，以解决上述现有技术存在的问题，提高熔体形核率，促进铸件晶粒细化，从而提升铸件质量及性能。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种差压铸造坩埚炉，包括：

坩埚，所述坩埚能够容纳铝合金熔体；

加热元件，所述加热元件设置于所述坩埚的外部，所述加热元件能够利用所述坩埚对所述铝合金熔体进行加热；

电磁线圈，所述电磁线圈设置于所述坩埚以及所述加热元件的外部，所述电磁线圈与外部可控电磁能电源相连，所述电磁线圈能够产生磁场，所述坩埚位于所述电磁线圈产生的磁场内。

优选地，所述电磁线圈连接有可控电磁能电源，所述可控电磁能电源能够控制所述电磁线圈产生的磁场。

优选地，所述电磁线圈绕所述坩埚的轴线螺旋环绕设置于所述坩埚的外部。

优选地，所述电磁线圈套设于所述加热元件的外部，所述加热元件与所述电磁线圈之间设置有隔热层，所述隔热层由纳米隔热材料制成。

优选地，所述加热元件为加热棒，所述加热棒绕所述坩埚的轴线周向均布，所述加热棒与外部电源相连。

优选地，所述电磁线圈的外部还设置有耐火层，所述耐火层套装于所述电磁线圈的外部，所述耐火层由耐火砖制成。

优选地，所述电磁线圈与所述耐火层的内壁相连。

优选地，所述坩埚的外部套装有外壳，所述加热元件以及所述电磁线圈均设置于所述外壳内。

优选地，所述电磁线圈的底部设置有支撑架，所述支撑架与所述外壳的内壁相连。

优选地，所述电磁线圈工作时能够产生磁场，电磁能的占空比为10％-70％，电磁能的输出电流为100A-200A，输出频率为10Hz-100Hz，所述坩埚内的磁场强度≥10mT。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：本实用新型的差压铸造坩埚炉，工作时，加热元件对坩埚进行加热，继而实现对坩埚内铝合金熔体进行加热保温的目的，使得铝合金熔体保持在熔融状态；更重要的是，本实用新型在坩埚外部设置电磁线圈，电磁线圈与外部可控电磁能电源相连，电磁线圈通电能够产生磁场，从而对坩埚内的熔体施加电磁处理，对熔体内的能量体系产生影响，补偿熔体内部形成临界晶核所需的能量，降低形核过程所需的形核激活能，促进熔体克服形核壁垒，进而增加熔体内初生晶核的数量，提高熔体内形核率，从而对最终的铸件起到晶粒细化的作用，提高铸件微观组织均匀性，进而提升成品铸件的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本实用新型的差压铸造坩埚炉的结构示意图；

图2为本实用新型的差压铸造坩埚炉的电磁线圈的固定主视示意图；

图3为本实用新型的差压铸造坩埚炉的电磁线圈的固定俯视示意图；

图4为本实用新型的差压铸造坩埚炉工作时磁场的矩形脉冲磁场波形图；

图5为本实用新型的差压铸造坩埚炉工作时磁场的三角形脉冲磁场波形图；

图6为本实用新型的差压铸造坩埚炉工作时磁场的正弦脉冲磁场波形图；

图7为本实用新型的差压铸造坩埚炉工作时磁场的dB/dt为1157mT/s的波形图。

其中，1为坩埚，2为加热元件，3为电磁线圈，4为隔热层，5为耐火层，6为外壳，7为支撑架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种差压铸造坩埚炉，以解决上述现有技术存在的问题，提高熔体形核率，促进铸件晶粒细化，从而提升铸件质量及性能。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

请参考图1-7，其中，图1为本实用新型的差压铸造坩埚炉的结构示意图，图2为本实用新型的差压铸造坩埚炉的电磁线圈的固定主视示意图，图3为本实用新型的差压铸造坩埚炉的电磁线圈的固定俯视示意图，图4为本实用新型的差压铸造坩埚炉工作时磁场的矩形脉冲磁场波形图，图5为本实用新型的差压铸造坩埚炉工作时磁场的三角形脉冲磁场波形图，图6为本实用新型的差压铸造坩埚炉工作时磁场的正弦脉冲磁场波形图，图7为本实用新型的差压铸造坩埚炉工作时磁场的dB/dt为1157mT/s的波形图。

本实用新型提供一种差压铸造坩埚炉，包括坩埚1、加热元件2和电磁线圈3，其中，坩埚1能够容纳铝合金熔体；加热元件2设置于坩埚1的外部，加热元件2能够利用坩埚1对炉料进行加热；电磁线圈3设置于坩埚1以及加热元件2的外部，电磁线圈3与外部可控电磁能电源相连，电磁线圈3能够产生磁场，坩埚1位于电磁线圈3产生的磁场内。

本实用新型的差压铸造坩埚炉，工作时，加热元件2对坩埚1进行加热，继而实现对坩埚1内铝合金熔体进行加热保温的目的，坩埚1可由石墨等耐热材质制成，使得铝合金熔体保持在熔融状态；更重要的是，本实用新型在坩埚1外部设置电磁线圈3，电磁线圈3与外部可控电磁能电源相连，电磁线圈3通电能够产生磁场，从而对坩埚1内的熔体施加电磁处理，对熔体内的能量体系产生影响，补偿熔体内部形成临界晶核所需的能量，降低形核过程所需的形核激活能，促进熔体克服形核壁垒，进而增加熔体内初生晶核的数量，提高熔体内形核率，从而对最终的铸件起到晶粒细化的作用，提高铸件微观组织均匀性，进而提高成品铸件的性能。

需要强调的是，电磁线圈3连接有可控电磁能电源，可控电磁能电源能够控制电磁线圈3产生的磁场，通过专用的可控电磁能电源调整磁场参数，电磁波形可选用脉冲矩形波、三角波、正弦波等不同类型，根据所需磁场强度调整电流、频率、电压、占空比等参数，以适应不同的生产需求。在实际生产中，可控电磁能电源可选用专业电源控制柜，进一步提高调整磁场参数的操作便捷性。此处需要解释说明的是，改变电磁线圈3的层数、匝数以及缠绕方式均能够调整磁场强度，当生产过程中电磁线圈3的设置方式和数量一定时，可利用可控电磁能电源调整磁场参数，进一步提高装置的可控性。

具体地，电磁线圈3绕坩埚1的轴线螺旋环绕设置于坩埚1的外部，提高电磁线圈3对熔体施加电磁处理的均匀性，进一步提高铸件晶粒细化均匀性。

由于电磁线圈3套设于加热元件2的外部，为了保护电磁线圈3，避免电磁线圈3过热影响其正常工作，加热元件2与电磁线圈3之间设置有隔热层4，隔热层4由纳米隔热材料制成，隔热层4在为电磁线圈3提供保护的同时，还能够减少加热元件2的热量损失，提高加热效率。在实际应用中，电磁线圈3进行绝缘固化处理，提高操作安全性，由于电磁线圈3温度需控制在200℃以内，还可以采取电磁线圈3内通风空冷的方式，延长电磁线圈3使用寿命，保证电磁线圈3工作可靠性。

在本具体实施方式中，加热元件2为加热棒，在实际应用中，还可以选择其他形式的加热元件2；为了提高加热效率以及保证熔体受热均匀性，可以设置多根加热棒，加热棒绕坩埚1的轴线周向均布，加热棒为电加热棒，加热棒与外部电源相连。

更具体地，电磁线圈3的外部还设置有耐火层5，耐火层5套装于电磁线圈3的外部，耐火层5由耐火砖制成，耐火层5能够进一步起到隔热的作用，同时还能够起到支撑加热元件2的作用。

在本实用新型的其他具体实施方式中，电磁线圈3与耐火层5的内壁相连，以提高电磁线圈3的稳定性。

进一步地，坩埚1的外部套装有外壳6，加热元件2以及电磁线圈3均设置于外壳6内，设置外壳6提高了装置结构整体性，同时提高了装置的吊装运输的便捷性。

在本具体实施方式中，电磁线圈3的底部设置有支撑架7，支撑架7与外壳6的内壁相连，支撑架7能够为电磁线圈3提供稳定支撑，支撑架7与外壳6的底部内壁相连，进一步提高了装置的稳定性。电磁线圈3与外部电源的连接线由外壳6穿出，外壳6的电线出口处作密封处理，穿出的连接线作绝缘处理。

更进一步地，电磁线圈3工作时能够产生磁场，电磁能的占空比为10％-70％，电磁能的输出电流为100A-200A，输出频率为10Hz-100Hz，坩埚1内的磁场强度≥10mT，合理设置磁场参数，以增强晶粒细化效果。在实际生产中，还可以根据实际工况进行调整。

本实用新型的差压铸造坩埚炉，在外壳6与坩埚1之间设置了电磁线圈3，利用电磁线圈3对坩埚1内的熔体进行电磁处理，根据坩埚1的容量设置电磁线圈3的层数和匝数，从而调整磁场强度，控制施加到熔体中的能量。工作时，利用脉冲电磁能对铝合金熔体进行处理，提高铝合金熔体形核率，从而影响后续的铝合金凝固过程，使铝合金铸件晶粒细化，提高铸件微观组织均匀性，提高铝合金零件的强韧性及塑性等性能。

金属熔体内自由能需要跃过形核能垒才能形核并长大形成晶体。形核所需能量的三分之二由固-液相自由能差提供，其余三分之一构成能垒。在无特殊处理的熔体中，需要增大过冷度来克服能垒形核。电磁能晶粒细化技术通过线圈在熔体中产生磁场，由于脉冲磁场可以产生较大的dB/dt(磁感应强度的变化率)，这种间歇的非接触式高能渗入将电磁能量带入铝合金熔体，对铝合金熔体内部的能量体系产生影响，增大铝合金熔体中的能量起伏补偿形成临界晶核所需的三分之一能量，从而克服形核能垒，促进熔体形核。本实用新型通过电磁能晶粒细化技术，提高铝合金熔体内的形核率，从而达到细化铸件晶粒的目的。

本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种差压铸造坩埚炉，其特征在于，包括：

坩埚，所述坩埚能够容纳铝合金熔体；

加热元件，所述加热元件设置于所述坩埚的外部，所述加热元件能够利用所述坩埚对所述铝合金熔体进行加热；

电磁线圈，所述电磁线圈设置于所述坩埚以及所述加热元件的外部，所述电磁线圈与外部可控电磁能电源相连，所述电磁线圈能够产生磁场，所述坩埚位于所述电磁线圈产生的磁场内。

2.根据权利要求1所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述电磁线圈连接有可控电磁能电源，所述可控电磁能电源能够控制所述电磁线圈产生的磁场。

3.根据权利要求1所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述电磁线圈绕所述坩埚的轴线螺旋环绕设置于所述坩埚的外部。

4.根据权利要求1所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述电磁线圈套设于所述加热元件的外部，所述加热元件与所述电磁线圈之间设置有隔热层，所述隔热层由纳米隔热材料制成。

5.根据权利要求1所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述加热元件为加热棒，所述加热棒绕所述坩埚的轴线周向均布，所述加热棒与外部电源相连。

6.根据权利要求1所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述电磁线圈的外部还设置有耐火层，所述耐火层套装于所述电磁线圈的外部，所述耐火层由耐火砖制成。

7.根据权利要求6所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述电磁线圈与所述耐火层的内壁相连。

8.根据权利要求1所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述坩埚的外部套装有外壳，所述加热元件以及所述电磁线圈均设置于所述外壳内。

9.根据权利要求8所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述电磁线圈的底部设置有支撑架，所述支撑架与所述外壳的内壁相连。

10.根据权利要求1-9任一项所述的差压铸造坩埚炉，其特征在于：所述电磁线圈工作时能够产生磁场，电磁能的占空比为10％-70％，电磁能的输出电流为100A-200A，输出频率为10Hz-100Hz，所述坩埚内的磁场强度≥10mT。

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