[实用新型]真空感应熔炼用冷坩埚系统

说明书

所属技术领域

本实用新型涉及一种真空感应熔炼用的冷坩埚系统，尤其是具有改进悬浮能力的高效率冷坩埚系统。

技术背景

在熔炼技术中，真空感应熔炼技术属于比较先进的熔炼技术，它排除了熔炼过程中气氛和加热源对炉料的污染，能制备纯度较高的产品。但是，坩埚材料仍然能同炉料产生反应。为了制备对纯度要求特别高的产品和熔炼活泼材料，上世纪末出现了悬浮熔炼技术，又称为冷坩埚真空感应熔炼技术(以下简称为“感应冷坩埚技术”)——它用金属(大多为紫铜)坩埚代替陶瓷材料坩埚，并通过电磁场产生一定的悬浮熔炼效果，从而完全排除了坩埚材料的污染作用。为防止金属坩埚本身被熔化，这种坩埚必须用水或其它冷却剂冷却。

对感应冷坩埚技术的要求主要在两个方面：

第一是对产品的要求——纯度高是对悬浮熔炼最突出的要求，而成分准确、均匀和成材率高则是对熔炼技术的基本要求；

第二是对能量效率的要求——这一点对冷坩埚技术特别重要，因为坩埚中循环运行的冷却水倾向于携带和消耗大量能量，这导致冷坩埚技术需要的电源功率本来就大大超过其它熔炼技术，如果由于设计不合理而进一步降低了效率，那就会导致熔炼过程无法进行。

实现这两个要求的关键因素是悬浮能力。如果悬浮能力不足，熔体同坩埚呈接触或半接触状态，这首先将导致污染发生，取消了悬浮熔炼保证产品纯度的关键优点；第二是引起炉料温度降低，熔化不充分，形成凝壳，导致产品成分偏离，成分和组织不均匀，成材率降低；第三是导致熔体的热量通过坩埚壁被冷却水大量携带，能量消耗大幅度增加。此外，熔体同坩埚接触还会导致坩埚烧损，引起事故和增加设备成本。

电磁场效果是获得悬浮能力的保证。良好的电磁场效果取决于几个因素：第一是坩埚设计，包括提供电磁场进入坩埚的途径和电磁场产生悬浮力的方式两方面；第二是附属部件设计，它们不应该阻挡电磁场进入坩埚，不应该吸收电磁场的能量；第三是电磁场特性设计，包括电磁场频率设计和场强分布设计。

如图1所示，主感应圈(01)产生的电磁场会被金属吸收，在封闭的金属坩埚内电磁场的强度等于零。所以，坩埚设计的关键首先是要在金属坩埚内获得加热炉料的电磁场。解决办法是把坩埚侧壁(02)设计成分瓣结构——在坩埚侧壁留出若干与坩埚轴线A平行的缝隙C。这样，就能有相当比例的电磁场B进入坩埚内部。但是，为了保持坩埚的整体性，以往的冷坩埚在其底部(03)没有缝隙，或者虽然有缝隙，但缝隙不贯穿底部的整个厚度。这使电磁场无法贯穿坩埚底，使坩埚底部空间的电磁场十分微弱。所以，当坩埚内中、上部的炉料能熔化形成熔体(06)时，底部的炉料却往往熔化不充分而形成凝壳(07)(见图1和图2)。此外，这种坩埚底吸收电磁场而形成涡流，使电磁能的很大一部分转变成热能，额外地增大了能量消耗。

坩埚设计的技术关键之二是如何产生使熔体悬浮的力。在通常的感应冷坩埚技术中，悬浮能力只出现在熔体(06)的周边——平行于坩埚轴A的磁场B对于沿熔体周边表层环绕A轴的涡流I产生电磁力F，它的方向指向坩埚轴(见图2)。力F使熔体脱离坩埚侧壁向坩埚的中心轴压缩，而熔体重力产生的垂直于表面的压力P使熔体向外扩展。由于P随熔池深度增加而增大，所以，在这两种力相互平衡的作用下，熔体(06)就形成了上端细，下端粗的形状。

上面的分析表明，处于某一位置的熔体获得悬浮能力的条件取决于以下条件：在这个位置a.是否有电磁场；b.是否有涡流；c.电磁场同涡流产生的力在垂直于坩埚内壁的方向上是否有分力(即下文称其为“悬浮力”)。根据这些判断原则对坩埚底部的分析表明，在以往的冷坩埚中，即便在坩埚底部有熔体，它也几乎得不到悬浮力。其原因包括：在坩埚底部几乎没有电磁场，当然也就没有电磁力；以往的冷坩埚的底面是平面，或大体是平面，这样，即便在坩埚底部有电磁场，它引起的涡流也只在熔体底面的边缘，底面的内部则没有涡流；即便有电磁场和涡流，电磁场对涡流的作用力的方向平行于底面，它在垂直于底面的方向上没有分量(见图2)。

关于冷坩埚系统中的其它部件的设计问题，首先是水套设计。以往的水(04)套一般都制作在坩埚底的下端面，它对电磁场进入坩埚形成了严重的障碍，而且它大量吸收电磁场形成涡流，将大部分电磁场的能量转变成热能而传送给冷却水。组装坩埚的一些装配件有时也会产生相似的问题。

综上所述，传统冷坩埚系统的坩埚设计和附属部件设计均有一些不合理的缺点。

发明内容

针对以上问题，本实用新型提供一种经改进具有悬浮能力的高效率真空感应熔炼用的冷坩埚系统。