一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，本發(fā)明涉及一種熔化與電磁約束成形系統(tǒng)。本發(fā)明為解決現(xiàn)有連續(xù)熔化與電磁約束系統(tǒng)的內(nèi)腔尺寸較小，感應(yīng)器與坩堝匹配不合理導(dǎo)致坩堝損耗過大，高鈮鈦鋁合金不易被熔化，或熔化后的高鈮鈦鋁合金液過熱度不高，且電磁力不均勻，組織控制效果不好的問題。它包括：包括坩堝主體、進(jìn)水管、出水管、細(xì)水管，感應(yīng)線圈和導(dǎo)磁體，所述#堝主體由上半體和下半體組成，所述上半體與下半體由一個(gè)整體銅塊通過線切割和鉆孔加工而成，所述進(jìn)水管通過細(xì)水管與下半體連通，所述出水管通過細(xì)水管與下半體連通，所述感應(yīng)線圈套在上半體上，導(dǎo)磁體圍繞在感應(yīng)線圈外。本發(fā)明應(yīng)用于電熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。
【專利說明】一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，具體涉及一種用熔化和電磁約束成形高熔點(diǎn)、高活性金屬的高效率電熱轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]授權(quán)專利連續(xù)熔鑄與定向結(jié)晶的方形冷坩堝(專利號(hào):ZL200710072714)，解決了現(xiàn)有的冷坩堝在定向凝固鈦鋁合金，但其能量的利用率低，不能很好的對(duì)其側(cè)向散熱進(jìn)行熱補(bǔ)償，造成柱狀晶不連續(xù)的問題。其冷坩堝的一些特征為坩堝主體的橫截面為方形，開縫位置為四個(gè)邊上，四個(gè)角無對(duì)角線開縫等。以往研究主要是針對(duì)熔煉式冷坩堝，而定向凝固用冷坩堝的優(yōu)化思路和熔煉式冷坩堝的優(yōu)化思路有明顯的區(qū)別，從加工性和可行研究性的角度上看，熔煉式冷坩堝必然采用圓筒式結(jié)構(gòu)，如此可以有效降低其設(shè)計(jì)難度，并且使制造工藝極大簡(jiǎn)化。而對(duì)于定向凝固用的冷坩堝，則必須要考慮材料的最終成形性，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料，棒狀坯料顯然大大降低了材料的利用率。因此，定向凝固用冷坩堝的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)比熔煉式冷坩堝更加豐富。從提高冷坩堝工作效率上看，定向凝固用冷坩堝和熔煉式冷坩堝是一樣的，希望利用較低的功率，制備出高熔點(diǎn)、大體積和質(zhì)量的材料。熔煉式冷坩堝很少考慮磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，只要求透入坩堝內(nèi)腔的磁場(chǎng)越大越好。然而，對(duì)于定向凝固用冷坩堝，則必須考慮內(nèi)腔磁場(chǎng)特別是同一高度上的分布特點(diǎn)。組織控制是定向凝固用冷坩堝研究的一個(gè)重要方向。因此，冷坩堝內(nèi)的磁場(chǎng)大小和分布對(duì)定向凝固過程有重要影響，盡量減少坩堝瓣中點(diǎn)處磁場(chǎng)和開縫處磁場(chǎng)的差值，是定向凝固用了冷坩堝設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的，而此方面的研究尚處于空白。
[0003]目前應(yīng)用廣泛的電磁冷坩堝，它是將分瓣的水冷銅坩堝置于交變電磁場(chǎng)內(nèi)，利用交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流化金屬，并依靠電磁力使金屬熔體與坩堝壁保持軟接觸或者非接觸狀態(tài)，并對(duì)爐料進(jìn)行感應(yīng)熔煉或者成形的技術(shù)。連續(xù)熔化與電磁約束用電磁成形系統(tǒng)就是基于以上原理而制造的，它是將熔化和電磁約束成形相結(jié)合，利用一個(gè)電磁感應(yīng)器提供電磁感應(yīng)加熱源和電磁約束力，因此熱與力的耦合是設(shè)計(jì)熔化與電磁約束成形系統(tǒng)的關(guān)鍵。而且水冷銅坩堝自身也處在交變電磁場(chǎng)內(nèi)，水冷銅坩堝的損耗是能量消耗的一個(gè)重要方面，因此水冷銅坩堝的自耗對(duì)于電源的電熱轉(zhuǎn)換有不可替代的作用。高鈮鈦鋁基合金是通過添加高熔點(diǎn)的合金化元素Nb能有效提高合金的熔點(diǎn)及有序化溫度，使高鈮鈦鋁基合金的使用溫度達(dá)到900°C以上，同時(shí)具有良好的抗氧化性能，由于難熔金屬Nb元素的加入，使得高鈮鈦鋁基合金熔點(diǎn)比普通鈦鋁合金提高了 60?100°C，同時(shí)也提高了其高溫抗氧化性。但是Nb的加入帶來優(yōu)越高溫性能的同時(shí)，也增加了高鈮鈦鋁基合金制備的難度。目前的連續(xù)熔化與凝固用電磁冷坩堝的橫截面尺寸一般較小(直徑小于30mm，或邊長(zhǎng)小于25_)，感應(yīng)器設(shè)計(jì)與水冷銅坩堝的匹配較差以致于整個(gè)系統(tǒng)的電熱轉(zhuǎn)換效率較低，從而很難熔化高鈮鈦鋁合金，或者高鈮鈦鋁合金液的過熱度較低，難以進(jìn)行組織控制和定向凝固。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為解決現(xiàn)有連續(xù)熔化與電磁約束系統(tǒng)的內(nèi)腔尺寸較小，感應(yīng)器與坩堝匹配不合理導(dǎo)致坩堝損耗過大，高鈮鈦鋁合金不易被熔化，或熔化后的高鈮鈦鋁合金液過熱度不高，且電磁力不均勻，組織控制效果不好的問題，進(jìn)而提出一種用于高鈮鈦鋁合金的連續(xù)熔化與電磁約束成形系統(tǒng)。
[0005]一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，它包括:包括坩堝主體、進(jìn)水管、出水管、若干個(gè)細(xì)水管和感應(yīng)線圈，所述坩堝主體由上半體和下半體組成，所述上半體與下半體由一個(gè)整體銅塊通過線切割和鉆孔加工而成，所述進(jìn)水管通過細(xì)水管與下半體連通，所述出水管通過細(xì)水管與下半體連通，所述感應(yīng)線圈套在上半體上，所述坩堝主體的橫截面為方環(huán)狀的空腔體，所述上半體被分割成十六個(gè)截面為花瓣?duì)畹闹w，主體方形橫截面的兩個(gè)對(duì)角線處有開縫，柱體沿坩堝主體截面上的水平軸和垂直軸對(duì)稱，水平軸和垂直軸的交點(diǎn)與坩堝主體水平截面上的中心重合，柱體的內(nèi)部設(shè)有通孔，所述下半體的底面上與通孔對(duì)應(yīng)位置開有縱向盲孔，每個(gè)縱向盲孔與對(duì)應(yīng)的通孔連通，十六個(gè)盲孔分為八組，每組兩個(gè)盲孔連通，每個(gè)盲孔通過細(xì)水管與出水管連通，每相鄰兩個(gè)柱體之間留有間隙，所述間隙內(nèi)填充有絕緣密封材料層，導(dǎo)磁體圍繞在感應(yīng)線圈外面；
[0006]其中，所述感應(yīng)線圈由橫截面為方形的銅管繞制而成，線圈外用導(dǎo)磁體圍繞。
[0007]本發(fā)明的有益效果:
[0008]本發(fā)明要解決坩堝系統(tǒng)對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽問題，特別是坩堝主體方形橫截面的四個(gè)拐角處的屏蔽，保證在較低功率下，可以使更多的電磁能透入坩堝內(nèi)腔；要解決坩堝內(nèi)磁場(chǎng)均勻性的問題，特別是坩堝內(nèi)腔邊壁上的磁場(chǎng)均勻性，此點(diǎn)是定向凝固用冷坩堝設(shè)計(jì)的獨(dú)有要求；要解決整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理的問題，方便加工制造。
[0009]本發(fā)明充分保持了高鈮鈦鋁合金的高純度，同時(shí)防止在熔煉或凝固過程中各種間隙元素的污染，實(shí)現(xiàn)高鈮鈦鋁合金的低成本熔煉和凝固，由于采用感應(yīng)加熱，本發(fā)明可以熔化溫度較高的高鈮鈦鋁合金，電磁力的強(qiáng)烈攪拌使熔體組織成分均勻，與現(xiàn)有熔化和電磁約束系統(tǒng)相比，本發(fā)明內(nèi)腔尺寸較大，電熱轉(zhuǎn)換效率較高，可以在小的功率下熔化高鈮鈦鋁合金，并且使高鈮鈦鋁合金液具有一定的過熱度，從而可以對(duì)其進(jìn)行組織控制和保證其成分準(zhǔn)確。降低了坩堝自身的能量損耗，提高坩堝的電源利用率。
[0010]本發(fā)明充分保持了原高鈮鈦鋁合金的高純度及防止在熔煉或凝固過程中各種間隙元素的污染，實(shí)現(xiàn)高鈮鈦鋁合金的低成本熔煉和凝固，由于采用感應(yīng)加熱，本發(fā)明可以熔化溫度較高的高鈮鈦鋁合金，電磁力的強(qiáng)烈攪拌使熔體組織成分均勻，與現(xiàn)有熔化與電磁約束成形系統(tǒng)相比，電熱轉(zhuǎn)換效率較高，可以在小的功率下熔化高鈮鈦鋁合金，并且使高鈮鈦鋁合金液具有一定的過熱度，從而可以對(duì)其進(jìn)行組織控制和保證其成分準(zhǔn)確。降低了坩堝自身的能量損耗，提高坩堝的電源利用率。
[0011]本發(fā)明保證了高鈮鈦鋁能順利連續(xù)抽拉，由于內(nèi)腔尺寸大，因此適用范圍廣，可熔煉不同成分的合金和材料。
[0012]采用方形內(nèi)腔，使材料的成形性和后加工利用率綜合最佳；采用無上水冷銅環(huán)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用近楔形開縫，參照?qǐng)D4，能使更多的電磁能透入坩堝內(nèi)腔；采用薄壁厚，但必須滿足坩堝強(qiáng)度要求和簡(jiǎn)單的可機(jī)械加工性，可以改善內(nèi)腔邊壁磁場(chǎng)的均勻性；采用方形截面線圈，線圈外用導(dǎo)磁體圍繞，增加線圈的工作效率，提高能量利用率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主視圖；
[0014]圖2是圖1的俯視圖；
[0015]圖3是圖1中A-A向的剖視圖；
[0016]圖4是圖3中I處的放大圖；
[0017]圖5(a)是實(shí)施例中方形坩堝內(nèi)腔特征位置邊中開縫的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0018]圖5(b)是實(shí)施例中方形坩堝內(nèi)腔特征位置瓣中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0019]圖5(c)是實(shí)施例中方形坩堝內(nèi)腔特征位置拐點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0020]圖6是實(shí)施例中冷坩堝示意圖；其中，h3表示下水冷銅環(huán)厚度，h2表示開縫長(zhǎng)度，H表示坩堝主體的高度，h4表示感應(yīng)線圈位置，Ii1表示上水冷銅環(huán)厚度；
[0021]圖7是實(shí)施例中水冷銅環(huán)對(duì)坩堝瓣中點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度值的影響圖；
[0022]圖8(a)是實(shí)施例中瓣中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0023]圖8(b)是實(shí)施例中邊中開縫的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0024]圖8(c)是實(shí)施例中磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值圖；
[0025]圖9(a)是實(shí)施例中瓣中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0026]圖9(b)是實(shí)施例中邊中開縫的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0027]圖9(c)是實(shí)施例中不同矩形縫寬下的Bz分布矩形縫寬圖；
[0028]圖10(a)是實(shí)施例中瓣中點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0029]圖10(b)是實(shí)施例中邊中開縫的磁感應(yīng)強(qiáng)度圖；
[0030]圖11 (a)為有限元模型對(duì)冷坩堝定向凝固系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響圖；
[0031]圖11(b)無導(dǎo)磁體施加時(shí)冷坩堝定向凝固系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響圖；
[0032]圖11(c)有導(dǎo)磁體施加時(shí)冷坩堝定向凝固系統(tǒng)磁場(chǎng)分布的影響圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，它包括:包括坩堝主體1、進(jìn)水管2、出水管3、若干個(gè)細(xì)水管4和感應(yīng)線圈5，所述坩堝主體I由上半體1-1和下半體1-2組成，所述上半體1-1與下半體1-2是由一個(gè)整體銅塊通過線切割和鉆孔加工而成，所述進(jìn)水管2通過細(xì)水管4與下半體1-2連通，所述出水管3通過細(xì)水管4與下半體1-2連通，所述感應(yīng)線圈5套在上半體1-1上，所述坩堝主體I的橫截面為方環(huán)狀的空腔體，所述上半體1-1被分割成十六個(gè)截面為花瓣?duì)畹闹w6，柱體6沿坩堝主體I截面上的水平軸和垂直軸對(duì)稱，水平軸和垂直軸的交點(diǎn)與坩堝主體I水平截面上的中心重合，主體方形橫截面的兩個(gè)對(duì)角線處有開縫，柱體6的內(nèi)部設(shè)有通孔7，所述下半體1-2的底面上與通孔7對(duì)應(yīng)位置開有縱向盲孔8，每個(gè)縱向盲孔8與對(duì)應(yīng)的通孔7連通，十六個(gè)盲孔8分為八組，每組兩個(gè)盲孔8連通，每個(gè)盲孔8通過細(xì)水管4與出水管3連通，每相鄰兩個(gè)柱體6之間留有間隙9，所述間隙9內(nèi)填充有絕緣密封材料層10，導(dǎo)磁體12圍繞在感應(yīng)線圈5外面；
[0034]其中，所述感應(yīng)線圈5由橫截面為方形的銅管繞制而成感應(yīng)線圈5，外用導(dǎo)磁體12圍繞。
[0035]本實(shí)施方式充分保持了原高鈮鈦鋁合金的高純度及防止在熔煉或凝固過程中各種間隙元素的污染，實(shí)現(xiàn)高鈮鈦鋁合金的低成本熔煉和凝固，由于采用感應(yīng)加熱，本發(fā)明可以熔化溫度較高的高鈮鈦鋁合金，電磁力的強(qiáng)烈攪拌使熔體組織成分均勻，與現(xiàn)有熔化與電磁約束成形系統(tǒng)相比，電熱轉(zhuǎn)換效率較高，可以在小的功率下熔化高鈮鈦鋁合金，并且使高鈮鈦鋁合金液具有一定的過熱度，從而可以對(duì)其進(jìn)行組織控制和保證其成分準(zhǔn)確。降低了坩堝自身的能量損耗，提高坩堝的電源利用率。
[0036]本實(shí)施方式的有益效果:
[0037]本實(shí)施方式要解決坩堝系統(tǒng)對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽問題，保證在較低功率下，可以使更多的電磁能透入坩堝內(nèi)腔；要解決坩堝內(nèi)磁場(chǎng)均勻性的問題，特別是坩堝內(nèi)腔邊壁上的磁場(chǎng)均勻性，此點(diǎn)是定向凝固用冷坩堝設(shè)計(jì)的獨(dú)有要求；要解決整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理的問題，方便加工制造。
[0038]本實(shí)施方式充分保持了高鈮鈦鋁合金的高純度，同時(shí)防止在熔煉或凝固過程中各種間隙元素的污染，實(shí)現(xiàn)高鈮鈦鋁合金的低成本熔煉和凝固，由于采用感應(yīng)加熱，本發(fā)明可以熔化溫度較高的高鈮鈦鋁合金，電磁力的強(qiáng)烈攪拌使熔體組織成分均勻，與現(xiàn)有熔化和電磁約束系統(tǒng)相比，本發(fā)明內(nèi)腔尺寸較大，電熱轉(zhuǎn)換效率較高，可以在小的功率下熔化高鈮鈦鋁合金，并且使高鈮鈦鋁合金液具有一定的過熱度，從而可以對(duì)其進(jìn)行組織控制和保證其成分準(zhǔn)確。降低了坩堝自身的能量損耗，提高坩堝的電源利用率。
[0039]本實(shí)施方式充分保持了原高鈮鈦鋁合金的高純度及防止在熔煉或凝固過程中各種間隙元素的污染，實(shí)現(xiàn)高鈮鈦鋁合金的低成本熔煉和凝固，由于采用感應(yīng)加熱，本發(fā)明可以熔化溫度較高的高鈮鈦鋁合金，電磁力的強(qiáng)烈攪拌使熔體組織成分均勻，與現(xiàn)有熔化與電磁約束成形系統(tǒng)相比，電熱轉(zhuǎn)換效率較高，可以在小的功率下熔化高鈮鈦鋁合金，并且使高鈮鈦鋁合金液具有一定的過熱度，從而可以對(duì)其進(jìn)行組織控制和保證其成分準(zhǔn)確。降低了坩堝自身的能量損耗，提高坩堝的電源利用率。
[0040]本實(shí)施方式保證了硅凝固膨脹時(shí)能順利連續(xù)抽拉，便于及時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)熱棒速度，以準(zhǔn)確制備出所需組織硅錠，同時(shí)消除了因坩堝內(nèi)腔尺寸較小硅顆粒預(yù)熱度不夠而造成感應(yīng)熔化不良或感應(yīng)熔化終止的現(xiàn)象，由于內(nèi)腔尺寸大，因此適用范圍廣，可熔煉不同成分的合金和材料。
[0041]采用方形內(nèi)腔，使材料的成形性和后加工利用率綜合最佳；采用無上水冷銅環(huán)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用近楔形開縫，參照?qǐng)D4，能使更多的電磁能透入坩堝內(nèi)腔；采用薄壁厚，但必須滿足坩堝強(qiáng)度要求和簡(jiǎn)單的可機(jī)械加工性，可以改善內(nèi)腔邊壁磁場(chǎng)的均勻性；采用方形截面線圈，增加線圈的工作效率，提高能量利用率。
[0042]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述絕緣密封材料層10為天然云母片和環(huán)氧樹脂制成的絕緣密封材料層10。
[0043]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0044]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述細(xì)水管4與進(jìn)水管2、細(xì)水管4與出水管3、細(xì)水管4與坩堝主體I的下半體1-2均通過焊接連接。
[0045]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0046]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:所述坩堝主體I的長(zhǎng)度L為80_?100mm,寬度W為80_?100mm,總高度H為150mm,包括上水冷銅環(huán)厚度Oi1),下水冷銅環(huán)厚度(h3)，開縫長(zhǎng)度(h2)和感應(yīng)線圈位置(h4)；
[0047]其中，上水冷厚度Ii1為10?30mm，下水冷銅環(huán)厚度h3為10?20mm，開縫長(zhǎng)度h2為10mm?150mm,感應(yīng)線圈5位置h4為3mm?18mm,感應(yīng)線圈外加入一個(gè)導(dǎo)磁體,導(dǎo)磁體距離感應(yīng)線圈的上下面距離為5mm?9mm。
[0048]本實(shí)施方式保證了高鈮鈦鋁合金能順利連續(xù)抽拉，以準(zhǔn)確制備出所需組織，由于內(nèi)腔尺寸大，因此適用范圍廣，可熔煉不同成分的合金和材料，見圖6。
[0049]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0050]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:所述間隙9的長(zhǎng)度a為90_?120mm,所述間隙9的寬度b為0.4mm?1.6_。
[0051 ] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0052]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:所述一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)還包括絕緣帶11，所述絕緣帶11的外表面上涂有一層環(huán)氧樹脂層，所述絕緣帶11纏繞在坩堝主體I的外表面上，且絕緣帶11位于坩堝主體I的外表面與感應(yīng)線圈5之間。
[0053]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
[0054]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是:所述感應(yīng)線圈5是由4阻橫截面為1mmX 1mm和12mmX 12mm的銅管繞制而成，感應(yīng)線圈5底面距離坩堝主體I底面15?20mm。
[0055]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0056]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至七之一不同的是:所述i甘禍主體I壁厚為10?20mm。
[0057]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至七之一相同。
[0058]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是:所述高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)的內(nèi)腔邊長(zhǎng)15?40mm。
[0059]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至八之一相同。
[0060]實(shí)施例:
[0061]利用本系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如下:
[0062]本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)制造的方形內(nèi)腔冷坩堝有更加的透磁性，相同電流參數(shù)下，特征位置的磁場(chǎng)得到明顯提升，在內(nèi)腔截面積擴(kuò)大近一倍的情況下，其磁場(chǎng)的磁場(chǎng)均勻性指數(shù)略有升高，參照?qǐng)D5(a)?5(c)。在內(nèi)腔截面積擴(kuò)大近一倍的情況下，其磁場(chǎng)的磁場(chǎng)均勻性指數(shù)略有升高。
[0063]本發(fā)明的坩堝主體(I)的高度H為150mm不變，上水冷銅環(huán)厚度Ii1為10?30mm，下水冷銅環(huán)厚度h3為10?20mm,開縫長(zhǎng)度h2為10mm?150mm,感應(yīng)線圈位置h4為3mm?18mm。水冷銅環(huán)起到連接坩堝水道和提高坩堝強(qiáng)度的作用。在坩堝總高度H為150mm不變的情況下，考察了水冷銅環(huán)㈨和匕)的有無對(duì)分瓣中點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度(Bz)值的影響，計(jì)算結(jié)果見圖7?？擅黠@看出，水冷銅環(huán)的存在對(duì)坩堝內(nèi)磁場(chǎng)起到強(qiáng)烈的削弱作用，這是由于屏蔽效應(yīng)造成的。由于上水冷銅環(huán)和感應(yīng)線圈的距離較遠(yuǎn)，所以對(duì)坩堝內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度影響較小。由此，感應(yīng)線圈和水冷銅環(huán)的相對(duì)位置對(duì)磁場(chǎng)分布有重要影響，基于標(biāo)準(zhǔn)模型，通過改變h和h4來探討感應(yīng)線圈和水冷銅環(huán)之間距離對(duì)磁場(chǎng)的影響，計(jì)算結(jié)果見圖8。由圖8(a)和(b)可明顯看出，比的減小導(dǎo)致開縫處和坩堝瓣中點(diǎn)處的Bz值同時(shí)減弱。當(dāng)感應(yīng)線圈逐漸靠近水冷屏蔽銅環(huán)時(shí)，最大Bz值的顯著衰減如圖8(c)所示。因此，一個(gè)適當(dāng)較大的h4值可有效減少系統(tǒng)的功率損失。但是，過大的h4值會(huì)增大熔體到底部金屬之間的冷卻距離，從而可能降低其溫度梯度。
[0064]本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)模型中的矩形開縫結(jié)構(gòu)，當(dāng)其寬度從0.4mm變化到1.6mm時(shí)，Bz的計(jì)算結(jié)果如圖9(a)和(b)所示,最大Bz值的分布如圖9(c)所示。從圖9 (a)和(b)中可明顯看出BJ逭著開縫寬度的增加而增加。Bz在坩堝高度大約是55mm時(shí)(線圈半高附近)達(dá)到峰值，最大Bz值和開縫寬度呈近線性的關(guān)系，如圖9(c)所示。隨著開縫寬度的增加，坩堝的透磁性增加，尤其表現(xiàn)在開縫處的位置。因此，開縫寬度的增加可能會(huì)導(dǎo)致開縫處和坩堝瓣中點(diǎn)處Bz之間差值的增大。
[0065]本發(fā)明中感應(yīng)線圈的截面形狀和開縫位置對(duì)坩堝內(nèi)的磁場(chǎng)有很大的影響。不同的線圈截面形狀下，坩堝內(nèi)開縫處和坩堝瓣中點(diǎn)處的Bz值計(jì)算結(jié)果分別如圖10(a)和(b)所示?？梢钥闯?，跑道型截面形狀的線圈具有最佳的工作性能，在相同的電源參數(shù)下，圓形截面線圈在坩堝內(nèi)腔產(chǎn)生的磁場(chǎng)最小，方形線圈比單匝線圈的效率要稍高。
[0066]本發(fā)明中采用了導(dǎo)磁體。由于導(dǎo)磁體具有很小的磁阻和高的磁導(dǎo)率，易于使磁力線通過，由此起到聚磁作用。導(dǎo)磁體還能控制磁通的密度和方向，改變感應(yīng)器中的電流分布，達(dá)到所需要的各種加熱要求，能在很大程度上減少能量的損耗。圖11(a)為冷坩堝定向凝固2-D有限元模型。當(dāng)感應(yīng)線圈電流密度為107A/m2、頻率為50kHz時(shí)，無導(dǎo)磁體施加時(shí)的空間磁場(chǎng)矢量分布如圖11(b)所不，圖11(c)為有導(dǎo)磁體施加時(shí)的磁場(chǎng)分布。對(duì)比圖11(b)和(C)可知，當(dāng)冷坩堝系統(tǒng)有導(dǎo)磁體存在時(shí)，磁力線集中穿過導(dǎo)磁體而不向外圍空間發(fā)散，導(dǎo)磁體的作用相當(dāng)于把遠(yuǎn)處的磁力線集中拉回至線圈附近。在計(jì)算結(jié)果后處理部分，可以得到冷坩堝系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的平均能耗(W)，如表I所示。雖然采用了簡(jiǎn)化的2-D模型，但表3-3中數(shù)據(jù)說明了在使用導(dǎo)磁體的情況下，TiAl物料可以利用更多的電磁能，是無導(dǎo)磁體時(shí)的兩倍以上。另一方面，導(dǎo)磁體距離下水冷銅環(huán)的距離越遠(yuǎn)，其物料可利用的電磁能越大。
[0067]表I導(dǎo)磁體對(duì)冷坩堝系統(tǒng)能耗的影響
[0068]
導(dǎo)磁體底部和下水冷銅環(huán)距離能耗(W)
(mm)整個(gè)TiAl料棒(上+下)熔池能耗
3461.3274.0
6479.3277 7
9489.7279.3
3230.0131.8
【權(quán)利要求】
1.一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于它包括:包括坩堝主體(I)、進(jìn)水管(2)、出水管(3)、若干個(gè)細(xì)水管(4)和感應(yīng)線圈(5)，所述坩堝主體(I)由上半體(1-1)和下半體(1-2)組成，所述上半體(1-1)與下半體(1-2)由一個(gè)整體銅塊通過線切割和鉆孔加工而成，所述進(jìn)水管(2)通過細(xì)水管(4)與下半體(1-2)連通，所述出水管(3)通過細(xì)水管(4)與下半體(1-2)連通，所述感應(yīng)線圈(5)套在上半體(1-1)上，所述坩堝主體(I)的橫截面為方環(huán)狀的空腔體，所述上半體(1-1)被分割成十六個(gè)截面為花瓣?duì)畹闹w￠),主體方形橫截面的兩個(gè)對(duì)角線處有開縫,柱體(6)沿坩堝主體(I)截面上的水平軸和垂直軸對(duì)稱，水平軸和垂直軸的交點(diǎn)與坩堝主體(I)水平截面上的中心重合，柱體(6)的內(nèi)部設(shè)有通孔(7)，所述下半體(1-2)的底面上與通孔(7)對(duì)應(yīng)位置開有縱向盲孔(8)，每個(gè)縱向盲孔(8)與對(duì)應(yīng)的通孔(7)連通，十六個(gè)盲孔(8)分為八組，每組兩個(gè)盲孔(8)連通，每個(gè)盲孔⑶通過細(xì)水管⑷與出水管⑶連通，每相鄰兩個(gè)柱體(6)之間留有間隙(9)，所述間隙(9)內(nèi)填充有絕緣密封材料層(10)，導(dǎo)磁體(12)圍繞在感應(yīng)線圈(5)外面； 其中，所述感應(yīng)線圈(5)由橫截面為方形的銅管繞制而成，感應(yīng)線圈(5)外用導(dǎo)磁體(12)圍繞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于所述絕緣密封材料層(10)為天然云母片和環(huán)氧樹脂制成的絕緣密封材料層(10)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于所述細(xì)水管(4)與進(jìn)水管(2)、細(xì)水管(4)與出水管(3)、細(xì)水管(4)與坩堝主體(I)的下半體(1-2)均通過焊接連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于所述樹禍主體(I)的長(zhǎng)度L為80mm?100mm,寬度W為80mm?100mm,總高度H為150mm,包括上水冷銅環(huán)厚度Oi1),下水冷銅環(huán)厚度(h3)，開縫長(zhǎng)度(h2)和感應(yīng)線圈位置(h4)； 其中，上水冷銅環(huán)厚度Ii1為10?30mm,下水冷銅環(huán)厚度h3為10?20mm,開縫長(zhǎng)度h2為10mm?150mm,感應(yīng)線圈(5)位置h4為3mm?18mm,在上水冷銅環(huán)與下水冷銅環(huán)之間加入一個(gè)導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體底部和下水冷銅環(huán)距離為3mm?9mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于所述間隙(9)的長(zhǎng)度a為90mm?120mm,所述間隙(9)的寬度b為0.4mm?1.6mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于所述一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)還包括絕緣帶(11)，所述絕緣帶(11)的外表面上涂有一層環(huán)氧樹脂層，所述絕緣帶(11)纏繞在坩堝主體(I)的外表面上，且絕緣帶(11)位于坩堝主體(I)的外表面與感應(yīng)線圈(5)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于所述感應(yīng)線圈(5)是由4阻橫截面為1mmX 1mm和12mmX 12mm的銅管繞制而成，感應(yīng)線圈(5)底面距離坩堝主體(I)底面15?20mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于所述坩堝主體(I)壁厚為10?20mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)，其特征在于所述高效率電熱轉(zhuǎn)換的熔化與電磁約束成形系統(tǒng)的內(nèi)腔邊長(zhǎng)15?40_。
【文檔編號(hào)】B22D11/049GK104209483SQ201410508712
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】陳瑞潤(rùn), 楊劼人, 李新中, 方虹澤, 丁宏升, 蘇彥慶, 郭景杰, 傅恒志 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)