[实用新型]具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚，属于冶金中的坩埚技术领域。

背景技术

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——它用紫铜坩埚代替陶瓷材料坩埚，并通过电磁场使熔融的炉料在熔炼过程中处于悬浮或准悬浮状态，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。

感应圈产生的电磁场是熔体获得热效应和悬浮力的基础，即实现悬浮熔炼的基础。热效应不足将导致熔化不充分；悬浮力不足时熔体将同坩埚发生接触或半接触，其后果包括：热量通过坩埚壁被冷却水大量携带，大幅度增加能量消耗；第二是引起炉料温度降低，熔化不充分，导致产品的成分和组织不均匀，降低产品的质量和成材率；第三，这导致坩埚对炉料的污染发生，使悬浮熔炼的基本优点丧失；此外，熔体同金属坩埚接触还会导致坩埚烧损，引起事故和增加设备成本。

在封闭的金属坩埚内电磁场的强度等于零。为了在金属坩埚内获得电磁场必须把坩埚侧壁设计成分瓣结构——在坩埚侧壁留出若干与坩埚轴线平行的缝隙。这样，就能有相当比例的电磁场进入坩埚内部(图1)。为了保持坩埚的整体性，以往的冷坩埚在其底部没有缝隙，或者虽然有缝隙，但缝隙不贯穿底部的整个厚度。由于电磁场无法穿透这种坩埚底，坩埚底部空间内的电磁场十分微弱，所以，底部的炉料往往因熔化不充分而形成凝壳(图1和图2)。这种结构的坩埚底还形成涡流，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产生使熔体悬浮的力。感应圈中的高频电流在坩埚内产生平行于坩埚轴线的交变磁场，在交变磁场的作用下，熔体的周边感应出环绕坩埚轴线的涡流，最后，环绕坩埚轴线的涡流同交变磁场的作用又产生了方向指向坩埚轴线的电磁力。电磁力使熔体脱离坩埚侧壁向坩埚的中心轴压缩，它是悬浮力的来源。相反，熔体重力产生的压力使熔体向外扩展。在这两种力的共同作用下，熔体就成为上端细，下端粗的形状。

这个分析表明，在熔体的指定位置获得悬浮力的必要条件是在该位置有电磁场、有涡流，电磁场和涡流交互作用产生的力在垂直于坩埚内壁的方向上有分力。在以往的冷坩埚中，底部的熔体几乎得不到悬浮力。其原因包括：在坩埚底部几乎没有电磁场；冷坩埚的底面是平面或大体是平面。这样，即便有电磁场，感应涡流也仅分布于熔体边缘，在底面内部没有涡流；即便有电磁场和涡流，它们产生的作用力的方向垂直于坩埚轴线，在垂直于平底面的方向没有分量。

综上所述，传统真空悬浮熔炼的冷坩埚的设计有一些缺点，它们最重要的后果是坩埚内底部的热效应降低，悬浮力消失。

发明内容

本实用新型的目的是为了提高真空悬浮熔炼的热效应和悬浮力，特别是冷坩埚内底部区域的热效应和悬浮力，提供一种具有高悬浮能力的感应熔炼技术的冷坩埚。

本实用新型的目的是由以下方式实现的：

本实用新型包括坩埚体，坩埚体的侧壁为分瓣结构，各瓣之间的缝隙贯穿坩埚体的壁厚，其特征是：坩埚体的底部的内壁与水平方向有均匀或不均匀的斜度，坩埚体的底部有完全的分瓣结构，坩埚体底部的分瓣之间的缝隙贯穿坩埚体底部的厚度。

所述坩埚体的底部的分瓣结构包括：以坩埚体轴线为中心的辐射分瓣结构、以平行线的方式分瓣的分瓣结构、以曲线(例如蛇行线)的方式分瓣的分瓣结构，或以其它方式分瓣的分瓣结构。

所述坩埚体的底部的内壁与水平方向有均匀或不均匀的斜度，即：坩埚体的底面与水平方向具有倾角，坩埚体的底部内壁各点的斜度可以完全相同，也可以不完全相同。坩埚体的底部的内壁可以是球冠面、圆锥面或其它形状的锥面，还可以是其它类型向下凹的斜面、曲面或具有复合形状的面。

坩埚体的底面与水平方向间的倾角在0°～90°之间。

在上述设计的基础上，还需要采用下列措施保证坩埚底部的热效应和悬浮力：

在坩埚体的下方可以另外装设一个与坩埚体同轴线的辅助感应圈。辅助感应圈可以是圆锥形螺线管、平面螺线管或直径小于主感应圈的圆柱螺线管，还可以是其它形状的螺线管。辅助感应圈的供电频率与主感应圈的供电频率可以不同，也可以相同。

这类辅助感应圈产生的磁场在坩埚体底附近的方向接近于平行坩埚体底的内壁，所以它与熔体底面涡流产生的作用力的方向接近垂直于坩埚体底的内壁，从而能产生了较大的悬浮力。