一种适于连续熔铸定向凝固的矩形冷坩埚系统技术方案

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。本发明专利技术坩埚本体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。使用本发明专利技术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锭，从而满足冶金工业、航天工业、航空工业的需求。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种冷坩埚系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有的冷坩埚不能用来加工矩形截面铸锭的弊端，本专利技术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，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。本专利技术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是本专利技术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。具体实施例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，为此专利技术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专利技术的
技术实现思路
。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1-4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，本专利技术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专利技术的目的，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q0=H024σδ4·R02]]>，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，但由于角部散热能本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁宏升，王艳丽，李春晖，毕维生，郭景杰，傅恒志，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]