CN2514005Y - 具有多功能操作系统的冷坩埚真空熔炼设备 - Google Patents

Abstract

具有多功能操作系统的冷坩埚真空熔炼设备,采用水冷钢材坩埚,埚身沿其轴向成分瓣状,其内表面为圆柱面或低锥度圆柱面,埚的底部中心开设注口,其特征在于一个可沿轴向升降、可绕轴旋转并与坩埚共轴的柱塞杆机构从炉体底部竖直向上伸入炉内,杆顶可进入并堵塞注口;在坩埚上方炉壁伸入一个可夹持、翻转料锭的翻锭机构;在坩埚下方设置由模具体和模具架组成的铸造机构。使合金化、均匀化和定向凝固等工序集中在一个炉次完成,提高了制备效率,改善产品质量,降低生产成本,特别适合于稀土超磁致伸缩合金及Ti和Ti合金的制备。

Description

具有多功能操作系统的冷坩埚真空熔炼设备

技术领域：

本实用新型涉及制备活泼金属及其合金的熔炼、铸造和定向凝固技术，特别适合于稀土超磁致伸缩合金及Ti和Ti合金及高纯度半导体材料的制备。

背景技术：

稀土元素非常活泼和昂贵，稀土超磁致伸缩合金对纯度要求极高。为了避免气氛和坩埚材料对炉料的沾污，近些年来已发展冷坩埚真空感应熔炼技术。美国专利USP3775091，4058668，5819837，6101212，4838933，5074523等及中国专利CN1071502，1267815和2195744Y等多篇文献介绍了这种技术的新的方案。但因其注塞杆只有单一功能，一次熔炼需要多炉或多次工序才能完成，为使料液充分均匀，需先铸锭，待锭冷却后开炉取锭，将锭翻转再装入坩埚，然后又合炉重新抽真空、充氩、熔化料锭、铸锭。由于重复操作多次，增加了炉料损耗和炉料被沾污的机会，合格率降低，也多耗了大量人工、水、电及材料。另外，现有技术难以在同一炉次中实现压力铸造或离心铸造，及在铸造过程中完成定向凝固处理，这些均导致了产品价格昂贵。

发明内容：

本实用新型的目的是设计一种在加热过程松动炉料、在熔炼过程搅拌料液、熔炼后将在坩埚中凝固的锭举高、翻转后送回坩埚重熔，重熔数次后通过坩埚底部的注口将料液注入模具凝固，实现多铸件铸造、压力铸造、离心铸造、定向凝固铸造，及半连续性熔炼和铸造等多种熔炼、铸造的多功能操作系统的冷坩埚感应熔炼设备，实现优质、高效、低耗生产。

本实用新型采用水冷铜材坩埚，埚身沿轴向分成瓣状，坩埚主体内表面为圆柱面或低锥度圆锥面，埚的底部中心开设注口，其特征在于一个可沿轴向升降、可绕轴旋转并与坩埚共轴的柱塞杆机构从炉体底部竖直向上伸入炉内，杆顶可进入并堵塞坩埚底部的注口；在坩埚上方炉壁伸入一个可夹持、翻转料锭的翻锭机构；在坩埚下方设置由模具体和模具架组成的铸造机构。

柱塞杆机构由塞杆头、驱动杆、叶片和驱动机构组成，塞杆头顶端装有短叶片，下端与驱动杆相连。

驱动机构为电机一丝杠结构。

翻锭机构由把持头和操作杆组成，其中操作杆由同心的外杆和内杆构成，外杆通过真空密封以水平方向伸入炉体内，可心沿其轴线前后移动和绕其轴线旋转，内杆通过真空密封和螺纹旋入外杆的内孔。

模具体上口与坩埚注口对接，塞杆头穿过模具体内腔伸进坩埚注口。

模具体外上部装设加热器，下部装设冷却器。

模具体可设计成单模或多模结构。

模具体可通过连接装置随塞杆头或驱动杆上下移动并旋转。

炉体顶部设置有密封的加料器。

本实用新型为冷坩埚熔炼设备设计了一套多功能的搅拌-翻锭-铸造操作系统，此系统的结构和操作相当简单——核心元件只是堵塞坩埚注口的塞杆头，基本操作是使塞杆头上下移动和绕自轴的旋转，此外只有塞杆头的驱动机构、翻锭机构和模具等简单元件。这种操作系统具有松动炉料，搅拌熔体，翻转料锭，铸造等多种功能，利用它可以实现多铸件铸造、压力铸造、离心铸造、定向凝固铸造，以半连续性熔炼和铸造等多种熔炼-铸造技术。

利用此操作系统具有以下优点：

在生产过程方面，使为获得成分均匀的成品所需要的多炉操作集中在一个炉次完成，从而简化了制备工艺，提高了制备效率。以磁致伸缩合金为例，以往每次熔炼过程需要约5小时，其中熔料时间仅占几分钟，大部分时间用于准备炉料和设备，抽真空，等待锭冷却，以及出炉和清理。为了均匀化，中间合金和成品合金各需熔炼3次。这样，一般需要约30小时才能得到一炉成品。装设本操作系统后，从一个熔炼炉次便能得到成品，时间缩减到4-8小时。此外，多炉熔炼所需要的人工操作及材料消耗(如氩气、水和电能等)也由多次减少到一次。

在产品方面，首先降低了产品的杂质含量。重熔料不在空气中破碎，料液只接触金属冷坩埚和金属模具，集中在料液表层的杂质被留在坩埚内不进入成品。第二，提高了成品的质量。压力铸造、离心铸造和模具加热等技术减轻了铸件出现疏松、孔隙、缩孔和裂纹的倾向。第三，损耗减少，成材率提高。每次重熔不破碎料锭，料液从坩埚底部直接进入模具，没有溅出损失，几乎不产生冒口和汤道等废料。产品质量的改善和制备工序的减少也提高了成材率。

在生产线建设方面，熔炼设备不需要专门的捣料机构、坩埚倾转机构和复杂的铸造装置，能在铸造过程实现定向凝固，从而使炉体结构简化，尺寸减小，并节省了专门的定向凝固设备。

附图说明：

图1：带有搅拌-翻锭-铸造系统的冷坩埚真空感应熔炼炉的示意图

1-坩埚，2-感应圈，3-炉料，4-真空系统，5-炉体，6-注塞杆机构(6-1-塞杆头，6-2-驱动杆，6-3-叶片，6-4-驱动机构)，7-翻锭机构(7-1-把持头，7-2-操作杆)，8-铸造机构(8-1-模具体，8-2-模具架)，10-加料器，11-进水口，12-出水口。

图2：搅拌-翻锭-铸造系统工作过程形态示意图

A.装料后，B.加热过程松动架料，C.溶化过程搅拌，D.凝固后举升锭料，E.翻锭机构把持锭，F.翻锭，G.锭送回坩埚，H.重熔，I.铸造中，J.铸造后。

1-坩埚，3-炉料，3′-料液，5-炉体，6-1-塞杆头，6-2-驱动杆，6-3-叶片，7-1-把持头，7-2-操作杆，8-1-模具体，9-料锭，9′-成品棒，13-合金固化后。

图3：注塞杆机构和翻锭机构的示意图

A.注塞杆机构(6)，B.注塞杆机构的驱动机构(6-4)，

C.翻锭机构的示例结构—夹嵌—操作杆机构(7)

1-坩埚，3-炉料，5-炉体，6-1-塞杆头，6-2-驱动杆，6-3-叶片，6-4-驱动机构，6-4-1/-2/-3-电机，6-4-4/-5/-11/-12/-13-齿轮，6-4-6-丝杠，6-4-7-传动螺母，6-4-8-传动板，6-4-9-滑轨杆，6-4-10-传动板轴孔，6-4-14-固定板，6-4-15/-16-轴承，6-4-17-密封，7-1-1/-2-夹钳，7-1-3/-4-定位杆，7-1-5-铰接轴，7-2-1-外杆，7-2-2-内杆，7-2-3/-4-密封，7-2-5-螺纹，7-2-6-紧固螺母，11-进水口，12-出水口

图4：铸造机构示意图

A.普通铸造机构，B.铸造中间料棒的模具，C.铸造成品棒的模具

1-1-坩埚孔，1-2-坩埚体，1-3-坩埚底，5-炉体，6-1-塞杆头，6-2-驱动杆，8-1-模具体，8-1-1-模具壳体，8-1-2-模具腔，8-1-3-模具口，8-1-4-模具底孔，8-2-模具架，8-3-绝缘衬垫，8-4-水冷机构，8-5-加热器，8-6-保温层。

图5：实施几种铸造技术时铸造机构示意图

A.使用多孔模具，B.使用多管模具，C.使用离心铸造模具

1-坩埚，5-炉体，6-1-塞杆头，6-2-驱动杆，8-2-模具架，8-5-加热器，8-3-绝缘衬垫，6-2-1-结合盘，6-2-2-结合缘突。

8′-1-1-铸造孔，8′-1-2-中心孔，8′-1-3-模具柱，8′-1-4-漏斗腔；

8″-1-1-模具管，8″-1-2-中心管，8″-1-3-上模具板，8″-1-4-下模具板，8″-1-5-漏斗腔；

8-1-1-铸造孔，8-1-2-中心孔，8-1-3-模具柱，8-1-4-漏斗腔，6-1-5-结合槽。

图6：实施定向凝固技术和半连续生产技术时铸造机构的示意图

A.温度梯度定向凝固(分段加热器)，B.下拉模具定向凝固(区熔加热器)，BB.图B中BB处局部放大图，C.图6B的替代结构中塞杆头-模具底板-冷却器部分，D.连续拉锭定向凝固

1-坩埚，3-炉料，3′-料液，5-炉体，6-1-塞杆头，6-2-驱动杆，6-2-1-驱动杆凸条，8-1-模具管，8-1-5-模具底板，8-1-6-底板沟槽，8-1-7-底板螺纹，8-2-模具架，8-3-绝缘衬垫，8-4-模具水冷器，8-5-模具加热器，8-7-模具支承弹簧，8-8-籽晶，9′-凝固料，10-连续加料器。

具体实施方式：

下面结合附图作详细描述。

本实用新型主要用于冷坩埚1作为熔炼容器的真空感应熔炼设备(图1)。这种设备用感应圈2加热坩埚中的炉料3，有真空系统4对炉体5抽真空，根据需要也可以向炉体充入惰性气体(如高纯氩气)。炉体可以使用金属壳体，也可以用非金属壳体(如石英管)。接到感应圈的加热电源E可以是高频感应电源，也可以是中频感应电源。感应圈产生的电磁场不仅加热炉料，还产生电磁力使熔体处于悬浮或半悬浮状态，并对熔体产生电磁搅拌。

坩埚1可以按前述专利介绍的各种结构的冷坩埚进行设计，其共同点是有高导热性、高导电性的金属材料制作，坩埚沿其自身的轴向分成若干瓣，通冷却剂冷却，常用的是水冷紫铜坩埚。在本实用新型中，坩埚1主体部分的内表面应采用无锥度的圆柱面或低锥度的圆锥面，底部可以是平面，也可以为锥形面或曲面，底部的中心开设注口1-1。坩埚可以是整体结构，也可以具有由坩埚体1-2和坩埚底1-3两部分组成的分体式结构。同一坩埚可配备数个不同注口孔径和注口形状的坩埚底。当注口的孔径等于坩埚体的内径时不使用坩埚底。

本实用新型为冷坩埚设备提供了一种多功能的搅拌-翻锭-铸造操作系统。该系统的主体是与坩埚1共轴的注塞杆机构6，它从炉体5底部竖直向上伸入炉内，可沿轴向升降，可绕轴旋转；辅助机构包括翻锭机构7和铸造机构8。系统的过程为(见图2)：注塞杆机构6在加料前堵塞坩埚注口1-1，在加热过程它上下移动松动炉料：在熔炼过程它通过旋转搅拌料液；熔炼后，它把在坩埚中凝固的锭9举高，由翻锭机构7将锭翻转。然后，注塞杆6下降，将锭送回坩埚重熔。重熔数次成分均匀后，注塞杆向下退缩，将料液拉入坩埚下方的铸造模具。

铸造机构可以实现多种铸造技术：利用简单模具或复合模具可以实现单铸件铸造或多铸件铸造；在铸造过程增加炉内压力可实现压力铸造；使用模具腔向外辐射状排布的模具，并在料液注入过程用注塞杆快速旋转模具，可以实现离心铸造；当模具中具有温度梯度时，可以在铸造过程实现定向凝固。

与常规真空熔炼设备相似，炉体可配备加料机构10和其它辅助机构(如观察窗等)，加料机构一般位于炉体的上方或侧上方(见图1)。若连续加料，匀速下拉注塞杆，使坩埚中的料液逐渐进入长模具，就能进行半连续性生产。

多功能操作系统的结构

本实用新型的操作系统包括注塞杆机构6、翻锭机构7和铸造机构8三部分(图1-4)。

(1)注塞杆机构

注塞杆机构6由塞杆头6-1、驱动杆6-2、叶片6-3和驱动机构6-4组成(图3A)。塞杆头是可以插入并堵塞坩埚注口1-1的元件，上表面可以有短叶片，下端同驱动杆相连。驱动杆的轴线与坩埚注口1-1的轴线重合，向下通过真空密封伸出炉体5与驱动机构结合。驱动机构通过驱动杆使塞杆头可以上、下运动和绕坩埚轴线正向、反向旋转，速度可以在较大范围调整。

加料前1塞杆头6-1和驱动杆6-2可以是紧密结合的分体元件，也可以是一体化的部件。塞杆头一般为圆柱形，具有一定的高度，外径与坩埚注口1-1的内径吻合。它可以用导热金属(如紫铜、黄铜、钢、不锈钢等)、高熔点金属或其它金属材料制作，也可以用氮化硼、刚玉、氧化锆等优质耐热陶瓷制作。叶片6-3可以直接在塞杆头表面加工形成，也可以是结合在塞杆头表面的分体元件。后者可以用钨、钼、钽等高熔点金属或用氮化硼、刚玉、氧化锆等优质耐热陶瓷材料制作。驱动杆兼作塞杆头冷却水的通道，它将炉体外的循环水接入塞杆头的内腔，一般由双层管道组成。驱动杆需要有足够的刚度，可以用紫铜、黄铜、钢、不锈钢或其它金属材料制作。一般，塞杆头用紫铜制作，驱动杆用不锈钢制作。

驱动机构可采用多种结构方式，图3B示出了采用电机-丝杠结构的一个例子。该机械装在炉体5底部的下方，使用三个电机6-4-1-6-4-3，如步进电机、直流电机等。电机6-4-1通过6-4-4-6-4-5齿轮组带动丝杠6-4-6转动，引起传动螺母6-4-7移动，使与螺母固定的传动板6-4-8连同驱动杆6-2沿滑轨杆6-4-9移动。驱动杆插在传动板轴孔6-4-10中不能相对驱动板上下移动，但能自由旋转。第二个电机6-4-2装在传动板下面，它通过伞齿轮6-4-11-6-4-12使驱动杆旋转。第三个电机6-4-3通过齿轮组6-4-13-6-4-5转动丝杠，它能使驱动杆快速上下移动。通过电磁离合器可以使齿轮组6-4-4-6-4-5和齿轮组6-4-13-6-4-5的啮合转换，从而转换电机6-4-1和电机6-4-3对丝杠的驱动。丝杠上端的固定板6-4-14其另一端被滑轨杆固定，它在与驱动杆对应的位置开孔使驱动杆可以通过。丝杆的两端通过轴承6-4-15-6-4-16分别装配在炉体底板和固定板6-4-14上。驱动杆6-2通过真空密封6-4-17插入炉体。

(2)翻锭机构

翻锭机构7由把持锭的把持头7-1和操纵把持头的操作杆7-2组成(见图1和图2)。当料锭被注塞杆机构6抬高时，操作杆可以移动把持头到料锭附近并操纵把持头把持和翻转料锭。该机构可以有许多结构形式，如机械式、电磁式、永磁式和复合式结构等。

夹钳-操作杆机构是机械式翻锭机构7的一个例子(图3C)。它的操作杆7-2由同心的外杆7-2-1和内杆7-2-2组成，两杆间装设真空密封7-2-3。外杆7-2通过真空密封7-2-4从炉外沿水平方向伸进炉内，指向坩埚1上方的中心，它可以沿轴线前后移动和绕轴线旋转。在操作杆炉外部分的端部，外杆、内杆通过螺纹7-2-5结合，螺母7-2-6用于紧固内杆的位置。松开螺母，内杆通过旋动可以沿外杆的前孔前后移动。把持头7-1主要由相互铰接成X形的两片夹钳7-1-1和7-1-2组成，它们的尾部各有一孔，套在定位杆7-1-3和7-1-4上，定位杆固定在外杆炉内部分的前端。内杆炉内部分的前端与夹钳的铰接轴7-1-5接合。内杆相对外杆向前移动时，它推动铰接轴向前使夹钳收紧；向后移动时则抖动铰接轴使夹钳张开。

当料锭7升至坩埚上方时，推进操作杆7-2使已经张开的夹钳7-1移至锭附近套住料锭，再操作内杆使钳夹紧料锭，然后用螺母7-2-6锁定夹紧状态。这时略微降低塞杆头6-1并旋转外杆180°，使料锭上下端翻转。然后，升高塞杆头使之与料锭接触，松开内杆锁定状态，操作内杆略微张开夹钳，使被翻转的锭座在塞杆头端面。缓慢落下塞杆头，使料锭在夹钳的扶持下送入坩埚重熔。再拉出操作杆，使夹钳复位。图2的E-H分图表示了该阶段的操作。

(3)铸造机构

最简单的铸造机构由模具体8-1和模具架8-2两部分组成(图1和图4A)。模具体一般包括壳体8-1-1、模具腔8-1-2、模具口8-1-3和底孔8-1-4几部分。模具腔环绕驱动杆6-2；模具口与坩埚注口1-1间可以插入用优质耐热陶瓷材料(如氮化硼、石英、刚玉等)制作的带铸造孔的衬垫8-3，以便维持注口区的温度，也可以直接对接；模具底孔与注塞杆机构的轴线重合，内径与塞杆头6-1吻合。模具架8-2是固定模具8-1的支架，高度最好能调节。

模具体8-1可以用金属材料制作，也可以用高化学稳定性的非金属耐热材料制备。模具体的腔体内可以用涂层材料(如等离子喷涂的氮化硼)。此外，模具体还可以具有复合结构，例如带有非金属内衬的金属模具，或带有石英或钢内衬的非金属模具等。为了便于开模取出铸件，模具体可以是由几部分拼接成的组合件。

熔炼过程完成后下拉塞杆头6-1，使塞杆头从坩埚注口1-1向模具腔8-1-2内移动，料液3′便随之进入模具凝固形成铸件9′。塞杆头向下移动同时绕轴旋转可以改善铸件的质量。在下拉塞杆头之前，如果坩埚底部有凝壳，可令塞杆头上、下移动和(或)前后旋转，破坏凝壳。铸造过程结束时最好在坩埚1中残留少量料液，防止在料液表层集聚的杂质进入模具。图2I和2J表示了铸造过程的操作。

依据铸造的目的，模具可以有几种设计方式。当铸造中间料锭时，模具腔8-1-2一般为圆柱形，直径可接近或等于坩埚内径。这时最好用带有水冷结构8-4金属模具8-1，以便提高冷却速度，缩短等待开炉的时间(图4B)。铸造成品铸件的模具腔应根据对成品形状的要求设计。为了保证铸件质量，这种模具一般不用水冷装置，最好在模具8-1外设置模具加热器8-5和保温装置8-6(图4C)。在铸造前应将模具预热，铸造后缓慢降温。为了减轻铸件上部形成缩孔的倾向，加热器最好分段，最上面一般加热到较高温度，并且最后降温。

利用本操作系统可以实现多种铸造技术，可以在铸造过程完成定向凝固处理，可以实现半连续性生产。虽然本实用新型可以适合铸造各种形状的铸件，但是此处仅以铸造棒状材料举例说明。

(1)铸造单支棒料

铸造单支棒料可使用简单的管状模具体8-1。根据铸造的目的，铸造机构的结构可分别采用图4B和图4C的形式。制备大直径棒料一般采用这种模具结构。

(2)多棒铸造

铸造较细的棒料时，若采用前面设计的模具结构，则要求炉体有很大的高度。所以，此时最好使用能同时铸造多支棒料的复合模具。复合模具可以有多种结构，

一个例子是多孔模具8′-1(图5A)：它是沿竖直方向开有若干铸造孔8′-1-1和一个中心孔8′-1-2的柱体8′-1-3，中心孔8′-1-2与坩埚注口1-1共轴，直径与塞杆头6-1的外径吻合。模具柱8′-1-3的上部有漏斗腔8′-1-4，铸造孔和中心孔由漏斗腔腔底向下延伸，铸造孔的底部封口。

另一种例子是多管模具8″-1(图5B)：它由若干模具管8″-1-1、一支中心管8″-1-2和两块模具板8″-1-3，8″-1-4组成。中心管8″-1-2与坩埚注口1-1共轴，内径与塞杆头6-1的外径吻合。上模具板8″-1-3呈漏斗形8″-1-5，表面开模具孔和中心孔，孔的数量和尺寸应与模具管、中心管吻合。下模具板8″-1-4有凹坑和中心孔，坑和孔的位置、形状和尺寸与上模具板和模具孔和中心孔对应。模具管和中心管垂直地安装在上、下模具板之间，上、下端插进模具板的孔和坑之间。在这种情况下，模具管外可以加一套管8″-1-6，管的间隙还可填充耐高温的氧化物或陶瓷粉末8″-1-7使铸件保温。

复合模具8′或8″装在坩埚1下方，塞杆头6-1从模具下方通过中心孔8′1-2或中心管8″-1-2向上伸入坩埚注口1-1。熔炼完成后，向下抽动塞杆头，使料液坩埚进入漏斗8′-1-4或8′1-5，再从漏斗进入铸造孔8′-1-1或模具管8″-1-4或8″-1-5，再从漏斗进入铸造孔8′-1-1或模具管8″-1-1。

(3)压力铸造

为了使铸件致密，减轻液相凝固时产生疏松、孔隙和缩孔的倾向，可在铸造过程增大炉体内的压力。熔炼一般在真空或负压下进行，压力铸造只需在铸造时充入惰性气体即可。

对于流动性较差的料液，对于截面较小的或形状复杂的模具腔，为了使料液对模具的填充完全也需要进行压力铸造。在这种情况下，要求模具有较好的密封性。

(4)离心铸造

为了提高铸件的质量，可利用注塞杆机构进行离心铸造。这对于流动性差的料液，对于截面较小的或形状复杂的模具，作用特别重要。

为了进行离心铸造，需要在塞杆头6-1或驱动杆6-2同模具体8-1之间设置一种结合机构，它使塞杆头在降低到模具体中的某一位置后，塞杆头或驱动杆能同模具体结合，使模具体能随同注塞杆机构一起旋转。这时，模具腔8-1-2也应该作相应的设计—它应该在有向外辐射的趋势，以便在模具旋转时使料液受到离心力。

离心铸造小直径棒技术的一个例子是将图5A的复合模具的结构修改成图5C的结构：铸造孔8-1-1的轴线不与竖直的中心孔8-1-2平行，而是向下、向外呈辐射状偏斜；中心孔内壁相对两面各有一上下贯通的沟槽8-1-5。在驱动杆的杆身位置装设一个圆盘6-2-1，圆盘边缘有两个凸台6-2-2，凸台嵌入中心孔的沟槽。熔炼完成后，将塞杆头下降到中心孔中，使料液通过漏斗腔8-1-4进入铸造孔。这时，启动驱动杆带动模具8-1高速旋转，使注入铸造孔的料液受到离心力。

(5)定向凝固技术

利用本实用新型的操作系统，可以在铸造过程中使料液实现定向凝固，使铸件具有定向结晶的组织。为此，只要使注入模具的料液在温度悌度场中凝固即可。

实现定向凝固的第一种办法是在模具体8-1外的上部装设加热器8-5，产生高于料液熔点的高温，下部则装设一个冷却器8-4。当拉下塞杆头6-1至料液全部进入模具腔8-1-2时，逐渐降低加热器的加热温度，使料液在底部冷却和上部加热的条件下自下向上逐渐凝固(图6A)。加热器最好采用分段式：铸造前，各段温度可以相同，也可以上一段温度依次高于下一段；料液注入模具后，各段可同时停止加热，可同时缓慢降温，也可以自下向上顺序降温。此外，还可以使用区熔式加热—加热器大多数段的加热温度略低于料液的凝固点，仅底部段的温度高于熔点，使模具中的为料液除底部外的其它部分先凝固。控制各段温度，使底部段降温凝固，使高温熔区移向上一段后随后降温。依次控制，直至高温区移到最上面一段并随后降温。这样，熔区-凝固区自下向上发展，晶体也自下向上生长。采用区熔方法可以减轻料液同模具的反应。

第二种办法的关键在于在塞杆头6-1同模具体8-1之间设置一种结合装置，它使塞杆头下拉至料液进入模具腔后，能带动模具下降，最好还能带动模具旋转。另一个关键是支承模具的结构应该能随同模具一起下降。

图6B是一个示例性的结构。模具体8-1与冷却器8-4为分体元件，前者可以在后者中滑动和旋转。模具体8-1固定在一个特制的底板8-1-5上，底板有中心孔使驱动杆6-2通过，孔的边缘有几个沟槽8-1-6，方向与驱动杆平行。在冷却器腔体的下部设置一个弹簧8-7，用于支承模具底板。驱动杆表面有几列轴向凸条6-1-1，它们可插入模具底板的沟槽8-1-6。熔炼完成后快速下拉塞杆头，至模具底部时改变下拉速度为定向凝固的速度，并旋转塞杆头。这时，驱动杆通过模具底板带动模具体向下移动和旋转。

另一种示例性的结构不用弹簧支承模具底板(图6C)，它通过冷却器8-4内壁和模具底板8-1-5外周的螺纹8-1-7啮合支承模具底板。当塞杆头6-1快速降低到模具底板，并且驱动杆的凸条6-2-1插入底板的沟槽8-1-6时，它可以连同模具底板慢速下降和旋转。

这了使定向凝固的成品获得理想的结晶学取向，在料液开始结晶的位置应该有V形的表面，并最好安装籽晶8-8。

上面的例子只介绍了定向凝固单只棒的设计，但这些进行定向凝固的原则，同样适用于复合模具制备细棒的情况，以及其它复杂模具制备非棒状铸件的情况。

(6)半连续性生产技术

为了半连续性的铸造棒材，需要增大熔炼炉炉体5的高度，加长模具体的长度，并设置一个密封的加料器10。向加料器10和坩埚1放入成分均匀和准确的炉料3，待坩埚中的炉料熔化后，连续下拉塞杆头6-1，使料液3′进入模具体。随坩埚中料液液面降低，从加料器向坩埚补加炉料，保持液面的高度。塞杆头持续牵引模具内的料向下移动，就可以得到重量超过坩埚容量的成品棒(图6D)。

为了使模具内的炉料能跟随塞杆头移动，塞杆头的端面最好嵌上牵引元件8-10，元件的材料最好与炉料相同。最初进入模具的料液与牵引元件的表面融合后凝固，从而把持锭的底端产生牵引作用。为了防止炉料与模具腔的表面粘结，模具腔的内壁必须光滑，并最好使用涂层材料。塞杆头边移动，边旋转也有利于防止粘结。

为了在连续铸棒过程实现定向凝固，最好在模具体8-1外的上部装设加热器8-5，加热器下方装设冷却器8-4，形成温度梯度场。此外，塞杆头的表面最好有V形坑，并最好使用籽晶8-8。

本实用新型技术方案也适用于其它冷坩埚熔炼技术，如冷坩埚真空电弧熔炼技术。

Claims (10)

1、具有多功能操作系统的冷坩埚真空熔炼设备，采用水冷铜材坩埚(1)，埚身沿其轴向成分瓣状，坩埚(1)主体内表面为圆柱面或低锥度圆柱面，埚的底部中心开设注口(1-1)，其特征在于一个可沿轴向升降、可绕轴旋转并与坩埚(1)共轴的柱塞杆机构(6)从炉体(5)底部竖直向上伸入炉内，杆顶可进入并堵塞注口(1-1)；在坩埚(1)上方炉壁伸入一个可夹持、翻转料锭的翻锭机构(7)；在坩埚(1)下方设置由模具体(8-1)和模具架(8-2)组成的铸造机构(8)。

2、根据权利要求1所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于柱塞杆机构(6)由塞杆头(6-1)、驱动杆(6-2)、短叶片(6-3)、驱动机构(6-4)组成，其中塞杆头(6-1)顶部安装短叶片(6-3)，下端与驱动杆(6-2)相连。

3、根据权利要求2所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于驱动机构为电机—丝杠结构。

4、根据权利要求1所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于电机(6-4-1)通过(6-4-4)-(6-4-5)齿轮组带动丝杠(6-4-6)转动，引起传动螺母(6-4-7)移动，使与螺母固定的传动板(6-4-8)连同驱动杆(6-2)沿滑轨杆(6-4-9)移动，第二个电机(6-4-2)装在传动板下面，它通过伞齿轮(6-4-11)-(6-4-12)使驱动杆旋转，第三个电机(6-4-3)通过齿轮组(6-4-13)-(6-4-5)转动丝杠，它能使驱动杆快速上下移动，丝杠上端的固定板(6-4-14)的另一端被滑轨杆固定，它在与驱动杆对应的位置开孔使驱动杆可以通过，丝杆的两端通过轴承(6-4-15)-(6-4-16)分别装配在炉体底板和固定板(6-4-14)上，驱动杆(6-2)通过真空密封(6-4-17)插入炉体。

5、根据权利要求1所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于翻锭机构(7)由把持头(7-1)和操作杆(7-2)组成，其中操作杆(7-2)由外杆(7-2-1)和与外杆同心的内杆(7-2-2)构成，外杆(7-2-1)通过真空密封以水平方向伸入炉体(5)内，可以沿其轴线前后移动和绕其轴线旋转，内杆(7-2-2)通过真空密封和螺纹旋入外杆(7-2-1)的内孔。

6、根据权利要求1所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于模具体(8-1)上口与坩埚的注口(1-1)对接，塞杆头(6-1)穿过模具体(8-1)内腔伸入坩埚注口(1-1)。

7、根据权利要求5所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于模具体(8-1)可设计成单模或多模结构。

8、根据权利要求5所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于模具体(8-1)外上部装设加热器(8-5)，下部装设冷却器(8-4)。

9、根据权利要求5所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于模具体(8-1)通过连接装置随塞杆头(6-1)或驱动杆(6-2)上下移动并旋转。

10、根据权利要求1所述的冷坩埚真空熔炼设备，其特征在于炉体(5)顶部装有密封加料器(10)。

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