專利名稱：一種適于連續熔鑄定向凝固的矩形冷坩堝系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種冷坩堝系統。
背景技術：
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。

發明內容
針對現有的冷坩堝不能用來加工矩形截面鑄錠的弊端，本發明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。本發明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。


圖1是本發明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，為此發明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發明的技術內容。
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，本發明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發明的目的，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，但由于角部散熱能力較直邊部分強，坯料仍難以均勻熔化。圓角形狀產生的渦流流向也能明顯改變試樣表面電磁壓力的分布，當圓角半徑小于或接近集膚層厚度時，圓角與直邊連接處形成一個電磁壓力衰減區，會造成電磁壓力在周向上分布不均勻，難以形成預期的樣件形狀。因而必須保證矩形冷坩堝的角部有一定的曲率，在電源頻率為50kHz情況下，成形鈦鋁合金的集膚層厚度為δ=1πfμσ=1π×50×103×1.25×10-6×1≈2.26mm]]>根據以上分析情況，從而本實施方式確定型腔1-1的相鄰兩面間的過渡圓角半徑R1為4～10mm，參照圖2。
具體實施方式
三實施方式一、二所述技術方案已可以很好的實現本發明的目的，若再考慮到坩堝的壁厚、縫的結構以及開縫在坩堝上的位置等因素，會更好的調整坩堝內部的磁場分布及磁場強度，從而更好的實現本發明的目的。
壁厚越小，坩堝的透磁性就越好，所以只要壁厚能夠保證加工即可。
坩堝的分瓣形狀對坩堝透磁性的影響表現為在一定的高度范圍內分瓣形狀為三角形時坩堝內的磁流密度最大，而坩堝分瓣為方形時磁流密度最小，半圓分瓣時坩堝內的磁流密度介于兩者之間，因此開縫6的任一處橫截面形狀為參照圖5，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通過弧線6-3過渡到坩堝本體1的外表面1-2上。通過弧線過渡到坩堝本體外表面時，弧線可以起到磁場均勻穿透坩堝壁并避免兩兩坩堝銅瓣之間電弧放電的作用；本實施方式確定開縫6的下端距坩堝本體1的下底面距離H1為5～10mm，參照圖4，原則上這個距離越短越好，這樣可以保證定向凝固時所需要的高的溫度梯度，但是由于電磁場的攪拌作用，因此凝固界面前沿金屬液被擾動，不利于定向凝固，因此要控制一段適當的距離，以屏蔽電磁場，減輕對待凝固金屬液的攪拌作用。所述開縫6為對開的六條直縫，參照圖3，所謂對開，即在坩堝本體1上互相對稱的位置開縫；所謂直縫，即在坩堝本體1的直線邊上的開縫；對開的六條直縫為在坩堝本體1的較長直線邊上設置三組互相對稱的開縫；六直縫結構磁感應強度在輪廓線上的分布最簡單，而且寬邊比窄邊磁感應強度略小，有利于大寬厚比矩形板件的成形。另外這種結構開縫比較少，既有利于機加工又可以保證冷坩堝的剛度。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
三不同之處在于，參照圖8，平行直線6-1通過直線6-2過渡到坩堝本體1的外表面1-2上，坩堝本體1的外表面1-2處兩直線6-2的寬度W2為平行直線寬度W1的10～100倍，所述平行直線6-1與直線6-2之間通過圓弧6-4連接，平行直線可以保證冷坩堝具有磁壓縮效應，提高磁場的作用強度，過渡到10～100倍的寬度可以保證電磁場能有效穿透金屬質的冷坩堝，同時使冷坩堝具有適當的機械強度，之間用弧線過渡可以避免分瓣式冷坩堝銅塊之間的電弧放電效應，提高冷坩堝的使用壽命。參照圖6、圖7，本實施方式的開縫6為對開的四條斜縫和兩條直縫，所謂斜縫，即為在坩堝本體1的過渡圓角處開縫。對開的四條斜縫和兩條直縫為在坩堝本體1的四個過渡圓角處各設一個開縫且相互對稱，同時在坩堝本體1的較長直線邊上設有一組互相對稱的開縫。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
三不同之處在于，開縫6為對開的四條斜縫和四條直縫，參照圖9、圖10，對開的四條斜縫和四條直縫為，在坩堝本體1的四個過渡圓角處各設一個開縫且相互對稱，同時在坩堝本體1的較長直線邊上設有兩組互相對稱的開縫。其開縫結構與具體實施方式
三相同。
經實驗證實，實施方式三、四、五所述開縫位置及開縫結構可以很好的保證坩堝內的磁場分布均勻，使金屬熔化溫度一致，從而更好的實現合金材料的電磁約束與凝固過程。同時，開縫結構和開縫位置也不限于上述各實施方式的組合，也就是說開縫的位置為對開的六條直縫，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中的任意一種，開縫結構為平行直線通過直線或弧線過渡到坩堝本體外表面；前面所述在坩堝上的開縫位置和開縫結構可以任意組合，都可以實現本發明的目的，所以都應在本發明的保護范圍之內。
具體實施方式
六參照圖6、圖7、圖8，本實施方式中，坩堝本體1的高度H為70～200mm，型腔1-1任一棱臺面與鉛垂面的斜度為0.3～0.8°，適當的斜度即可以保證鑄錠在冷坩堝內能被順利的拉出，又可以避免金屬液在冷坩堝壁過早形成凝殼或者造成對材料的污染。型腔1-1相鄰兩面之間的過渡圓角半徑R1＝5～6mm；所述開縫6為六條，開縫6的任一處橫截面形狀為位于坩堝本體1外側的開縫是上下底寬度W3、W2分別為1～3mm、5～10mm、沿徑向向外長度L2為12～16mm的梯形，位于坩堝本體1內側的開縫是寬度W1為0.1～0.5mm、沿徑向向外長度L1為3～5mm的窄縫，外側開縫與內側開縫之間用半徑R2＝9～11mm的圓角過渡；位于坩堝本體1上開縫的總體高度H3為60～150mm。
為了保證坯料在冷坩堝內的精確定位(避免坯料與坩堝冷壁接觸)，在坩堝型腔1-1的內表面上方打四個直徑為2mm的螺紋孔，并將尖端磨成球形的細螺柱7的固定在孔內，以保證對上送料的定位和減少坯料滑動時的摩擦阻力。
具體實施方式
七本實施方式為采用以下具體結構及尺寸的坩堝進行電磁熔化定向凝固，同時提供所得到的產品試樣。
坩堝具體結構為參照圖1、圖2，坩堝本體1的高度H為110mm，型腔1-1上部截面積為48×12mm2、下部截面積為50×14mm2，型腔1-1相鄰兩面之間的過渡圓角半徑R1＝4mm；開縫6為對開的六條直縫，開縫6的任一處橫截面形狀為參照圖11，位于坩堝本體1外側的開縫是上下底寬度W3、W2分別為2mm、8mm、沿徑向向外長度L2為14mm的梯形，位于坩堝本體1內側的開縫是寬度W1為0.3mm、沿徑向向外長度L1為4mm的窄縫，兩部分之間用半徑R2＝10mm的圓角過渡；位于坩堝本體1上開縫的總體高度H3為70mm，開縫下端距下底面距離H1為5～10mm，法蘭5為與坩堝本體1相配合的矩形，法蘭5的直徑φ1為20mm，坩堝本體1內盲孔1-3的直徑φ2為8mm、深D為100mm，插入到盲孔1-3內的分配進水管2-1的直徑φ3為6mm、長L3為90mm，與出水孔1-4連接的循環出水管的直徑為6mm，冷卻水循環采用上進側出的模式。經過以上尺寸的配合，可以使冷坩堝的冷卻水進入坩堝后在里面存積比較少，冷水的利用率比較高，在長時間工作的條件下，冷坩堝的升溫會比較緩慢。考慮到水冷系統和坩堝的可焊性問題，所有材料都選用紫銅。
采用的合金成分為Ti50Al(原子百分比)，冷坩堝的外部設有4匝感應線圈，線圈通入單相交流電，電源施加功率為65kw，定向凝固裝置所采用的上送料機構和下抽拉機構以0.5mm/min的速度向下運動。
如圖12是在所述條件下獲得的鑄錠沿中截面剖開，經過打磨腐蝕后得到的宏觀組織圖片。由該圖片可以看出，鈦鋁基合金在使用本發明的冷坩堝情況下能夠很好的生長為定向凝固組織。
權利要求
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(6-1)通過直線(6-2)過渡到坩堝本體(1)的外表面(1-2)上時，坩堝本體(1)的外表面(1-2)處兩直線(6-2)的寬度(W2)為平行直線寬度(W1)的10～100倍，所述平行直線(6-1)與直線(6-2)之間通過圓弧(6-4)連接。
6.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，其特征在于坩堝本體(1)的高度(H)為70～200mm，型腔(1-1)任一棱臺面與鉛垂面的斜度為0.3～0.8°，型腔(1-1)相鄰兩面之間的過渡圓角半徑(R1)＝5～6mm；所述開縫(6)為六條或八條，開縫(6)的任一處橫截面形狀為位于坩堝本體(1)外側的開縫是上下底寬度(W3)、(W2)分別為1～3mm、5～10mm，沿徑向向外長度(L2)為12～16mm的梯形，位于坩堝本體(1)內側的開縫是寬度(W1)為0.1～0.5mm、沿徑向向外長度(L1)為3～5mm的窄縫，外側開縫與內側開縫之間用半徑(R2)＝9～11mm的圓角過渡；位于坩堝本體(1)上開縫的總體高度(H3)為60～150mm。
7.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)的起始位置為開縫(6)的下端距坩堝本體(1)的下底面距離(H1)為5～10mm。
8.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，其特征在于法蘭(5)的直徑(φ1)為20mm，坩堝本體(1)內盲孔(1-3)的直徑(φ2)為8mm、深(D)為100mm，插入到盲孔(1-3)內的分配進水管(2-1)的直徑(φ3)為6mm、長(L3)為90mm，與出水孔(1-4)連接的循環出水管的直徑為6mm，冷卻水循環采用上進側出的模式。
全文摘要
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。
文檔編號B22D11/11GK1733390SQ20051001029
公開日2006年2月15日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者丁宏升, 王艷麗, 李春暉, 畢維生, 郭景杰, 傅恒志 申請人:哈爾濱工業大學