一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統技術方案

一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，涉及一種冷坩堝系統。現有圓形截面的冷坩堝對于矩形截面的鑄錠無法使用。本發明專利技術坩堝本體１的型腔１－１為相鄰兩面呈圓角過渡且上小下大的四棱臺，型腔１－１的寬Ｗ、長Ｌ、高Ｈ之間的比例為１∶２～６∶１０～２０，在所述坩堝本體１上開有從外表面１－２到型腔１－１貫通的開縫６，開縫６為六至十八條。使用本發明專利技術的冷坩堝系統進行定向凝固，對材料無污染，可以實現對金屬坯件進行連續熔化和成形的目的，它可以使坩堝內電磁場分布較為均勻，金屬熔化溫度一致，電磁約束力與所成形鑄錠截面形狀匹配，可以制備高質量的具有定向凝固組織的異型合金坯錠，從而滿足冶金工業、航天工業、航空工業的需求。

【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種冷坩堝系統。
技術介紹
冷坩堝技術發源于上世紀的五六十年代，近年來隨著其結構形式和與其它加工技術的結合而成為一種正在興起的新技術，它是將分瓣絕緣的水冷銅坩堝置于高頻交變電磁場內，利用交變電磁場產生的渦流熱效應熔化金屬，并使熔融金屬與坩堝側壁保持軟接觸或者非接觸狀態，同時對爐料進行電磁攪拌或者約束成形的技術。由于被熔化金屬與坩堝壁的非(軟)接觸，所以能保持原金屬的高純度及防止在熔煉或成形過程中各種間隙元素的污染，所加工的鈦合金成分準確、間隙元素含量低，質量優異。在鈦合金定向凝固方面，哈爾濱工業大學成功的實現了在圓柱形冷坩堝內的連續定向凝固工藝過程，由于圓形截面的冷坩堝只可以配合現有凝固方法得到圓形鑄錠，所以對于相對來說比較復雜的矩形截面鑄錠，通過現有的冷坩堝和熔鑄方法卻無法得到，因為采用冷坩堝進行定向凝固首先面臨的是合金的加熱熔化和電磁力約束成形問題，對于在具有矩形截面的冷坩堝內進行的電磁熔化與約束成形，與以往的圓形截面冷坩堝相比無論是在磁感應強度的分布還是在成形和加熱特性方面都有很大的不同，尤其是長寬比較大的矩形截面鑄錠，最明顯的差別就是在鑄錠的不同部位對電磁能量的吸收能力變的很復雜，坯料很難均勻熔化。對于矩形截面鑄錠的冷坩堝電磁熔化、約束成形和定向凝固，目前還沒有這方面的報道。
技術實現思路
針對現有的冷坩堝不能用來加工矩形截面鑄錠的弊端，本專利技術提供一種可以使磁場分布均勻、金屬熔化溫度一致從而得到高質量合金坯錠的冷坩堝系統。一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，它包括帶有盲孔1-3和出水孔1-4的坩堝本體1、分配進水管2-1、循環出水管、入水管3、出水管4和法蘭5法蘭5為雙層，上層法蘭5-1與入水管3連接，上層法蘭5-1上設有插入到盲孔1-3內的分配進水管2-1；下層法蘭5-2與出水管4連接，在下層法蘭5-2上設有與出水孔1-4連接的循環出水管，坩堝本體1的型腔1-1為相鄰兩面呈圓角過渡且上小下大的四棱臺，型腔1-1貫穿坩堝本體1的整個高度，所述型腔1-1任一橫截面的寬W、長L與型腔高H之間的比例為1∶2～6∶10～20，在所述坩堝本體1上開有從外表面1-2到型腔1-1貫通的開縫6，開縫6為六至十八條。本專利技術的冷坩堝結構可以使坩堝內電磁場分布較為均勻，因此金屬液溫度一致，可以使成形所需電磁約束力與所凝固鑄錠形狀匹配，特別有利于實現合金材料的連續電磁約束與凝固過程，冷坩堝發揮連續、無污染加工的特點，不但可以配合現有定向凝固技術制備高質量的具有定向凝固組織的合金坯埞，而且可以為所凝固鑄錠的后續變形加工提供具有易變形的“近凈形”鑄坯，對于提高TiAl基合金的使用性能和降低加工成本具有重要意義，滿足了冶金工業、航天工業、航空工業的需求，同時也為研制更復雜形狀的冷坩堝奠定了基礎。附圖說明圖1是本專利技術冷坩堝系統的整體結構示意圖，圖2是圖1的俯視圖，圖3是具體實施方式三中對開六直縫坩堝本體1的俯視圖，圖4是圖3的A-A剖視圖，圖5是圖3的I處放大示意圖，圖6是具體實施方式四中對開四斜縫兩直縫坩堝本體1的俯視圖，圖7是圖6的B-B剖視圖，圖8是圖6的K處放大示意圖，圖9是具體實施方式五中對開四斜縫四直縫坩堝本體1的俯視圖，圖10是圖9的C-C剖視圖，圖11是具體實施方式七所述坩堝開縫6的結構示意圖，圖12是具體實施方式七所述過程得到的鑄錠截面示意圖片。具體實施例方式具體實施方式一由于申請人的目的之一是在已申報冷坩堝電磁連鑄與定向凝固技術基礎上，繼續實現鈦鋁基合金的大尺寸板形坯料的定向凝固成形，為此首先對板形件的電磁成形進行定性分析，通過研究發現，不同寬厚比板形件，隨著寬厚比增大，相鄰兩邊所受的電磁壓力差越大，磁感應強度沿板件外部輪廓線上呈現出在直邊部分低，而在角部逐漸升高的馬鞍形分布趨勢就會越明顯。當寬厚比過大(＞3)時，在板件的拐角處總是難以形成提前預設的形狀，這是磁場的鄰近效應作用的結果，由于板形件的定向凝固需要在具有矩形截面的冷坩堝內進行，而冷坩堝的結構對于定向凝固是否成功起著決定性的作用，為此專利技術人充分比較研究了幾種矩形冷坩堝的設計方案從而確定了本專利技術的
技術實現思路
。本實施方式為一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，參照圖1、圖2，它包括帶有盲孔1-3和出水孔1-4的坩堝本體1、分配進水管2-1、循環出水管、入水管3、出水管4和法蘭5法蘭5為雙層，上層法蘭5-1與入水管3連接，上層法蘭5-1上設有插入到盲孔1-3內的分配進水管2-1；下層法蘭5-2與出水管4連接，在下層法蘭5-2上設有與出水孔1-4連接的循環出水管，坩堝本體1的型腔1-1為相鄰兩面呈圓角過渡且上小下大的四棱臺，型腔1-1貫穿坩堝本體1的整個高度，所述型腔1-1任一橫截面的寬W、長L與型腔高H之間的比例為1∶2～6∶10～20，在所述坩堝本體1上開有從外表面1-2到型腔1-1貫通的開縫6，開縫6為六至十八條。坩堝型腔的長寬高比例對定向凝固起著至關重要的作用，坩堝各部分恰當的比例可以控制電磁約束力盡可能均勻的分布，盡可能使金屬熔化溫度一致；型腔為上小下大的四棱臺可以使冷坩堝保證鑄錠順利的拉出，盡量使鑄造件不與坩堝內壁接觸從而避免材料的污染。冷坩堝在不開縫的情況下，由于坩堝壁的屏蔽作用，磁場很難進入到坩堝內部，坩堝開縫可以增加坩堝的透磁性。因而坩堝開縫的數目對于坩堝的設計具有至關重要的作用開縫越多，坩堝壁的透磁性越好，磁場能的利用率就越高，對于熔體的加熱和約束成形越有利。理論上冷坩堝開縫越多，坩堝內部的磁感應強度越大，內部周向的磁場分布就會越均勻，因而在一定意義上可以說坩堝開縫數越多越好。但是當坩堝開縫達到一定的數目以后，再單純的依靠增加開縫數來提高坩堝的透磁性，意義不是很明顯，相反過多的開縫會導致坩堝整體強度的降低，以至于無法對熔體進行約束成形。開縫的數目還要考慮坩堝整體體積的大小，使每瓣有足夠的空間安裝冷卻系統，保證坩堝在工作時不會因自身的感應加熱而熔化。綜合考慮各方面的因素，本專利技術最終確定開縫的數目為六至十八條，并且在使用的時候需要在開縫內填充絕緣材料，以保證冷坩堝分瓣式銅塊彼此處于電絕緣狀態，提高冷坩堝的電效率。具體實施方式二與具體實施方式一不同之處在于，本實施方式著重考慮到型腔1-1的相鄰兩面間的過渡圓角半徑大小對板料熔化的影響。在不考慮型腔的相鄰兩面間的過渡圓角半徑的情況下，只有實施方式一所述技術方案就可以實現本專利技術的目的，但若將該過渡圓角半徑考慮進去，會得到使磁場分布更加均勻的坩堝系統。在保證實施方式一技術方案的前提下，冷坩堝內型腔的過渡圓角半徑也是影響矩形板料均勻熔化的重要因素。在圓角部位的加熱能力與R0(圓角半徑)的平方成正比，即q0=H024σδ4·R02]]>，由此可知R0越小感應加熱功率越小角部越難以熔化，當R0小于電流透入深度δ時，角部的電流透入深度會明顯增大，大于板件直邊部分的電流透入深度，使感應電流經過的橫截面A增大，使得電流密度J降低，于是加熱能力就會降低；而當R0等于或大于電流透入深度δ時，角部的電流透入深度等于板件直邊部分的電流透入深度，感應電流經過的橫截面A不會增大，理論上的加熱能力和直角部分相同，但由于角部散熱能本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，它包括帶有盲孔（１－３）和出水孔（１－４）的坩堝本體（１）、分配進水管（２－１）、循環出水管、入水管（３）、出水管（４）和法蘭（５）：法蘭（５）為雙層，上層法蘭（５－１）與入水管（３）連接，上層法蘭（５－１）上設有插入到盲孔（１－３）內的分配進水管（２－１）；下層法蘭（５－２）與出水管（４）連接，在下層法蘭（５－２）上設有與出水孔（１－４）連接的循環出水管，其特征在于坩堝本體（１）的型腔（１－１）為相鄰兩面呈圓角過渡且上小下大的四棱臺，型腔（１－１）貫穿坩堝本體（１）的整個高度，所述型腔（１－１）任一橫截面的寬（Ｗ）、長（Ｌ）與型腔高（Ｈ）之間的比例為１∶２～６∶１０～２０，在所述坩堝本體（１）上開有從外表面（１－２）到型腔（１－１）貫通的開縫（６），開縫（６）為六至十八條。

【技術特征摘要】
1.一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，它包括帶有盲孔(1-3)和出水孔(1-4)的坩堝本體(1)、分配進水管(2-1)、循環出水管、入水管(3)、出水管(4)和法蘭(5)法蘭(5)為雙層，上層法蘭(5-1)與入水管(3)連接，上層法蘭(5-1)上設有插入到盲孔(1-3)內的分配進水管(2-1)；下層法蘭(5-2)與出水管(4)連接，在下層法蘭(5-2)上設有與出水孔(1-4)連接的循環出水管，其特征在于坩堝本體(1)的型腔(1-1)為相鄰兩面呈圓角過渡且上小下大的四棱臺，型腔(1-1)貫穿坩堝本體(1)的整個高度，所述型腔(1-1)任一橫截面的寬(W)、長(L)與型腔高(H)之間的比例為1∶2～6∶10～20，在所述坩堝本體(1)上開有從外表面(1-2)到型腔(1-1)貫通的開縫(6)，開縫(6)為六至十八條。2.根據權利要求1所述的一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，其特征在于型腔(1-1)的相鄰兩面間的過渡圓角半徑(R1)為4～10mm。3.根據權利要求1或2所述的一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，其特征在于所述開縫(6)為對開的六條直縫，或者為對開的四條斜縫和兩條直縫，或者為對開的四條斜縫和四條直縫。4.根據權利要求3所述的一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，其特征在于所述開縫(6)的任一處橫截面形狀為靠近坩堝內側的是兩條寬度(W1)為0.1～0.5mm的平行直線(6-1)，其沿徑向向外長度(L1)為2～4mm，該平行直線(6-1)通過直線(6-2)或弧線(6-3)過渡到坩堝本體(1)的外表面(1-2)上。5.根據權利要求4所述的一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統，其特征在于平行直線...

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁宏升，王艷麗，李春暉，畢維生，郭景杰，傅恒志，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]