一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统技术方案

一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，本发明专利技术涉及一种熔化与电磁约束成形系统。本发明专利技术为解决现有连续熔化与电磁约束系统的内腔尺寸较小，感应器与坩埚匹配不合理导致坩埚损耗过大，高铌钛铝合金不易被熔化，或熔化后的高铌钛铝合金液过热度不高，且电磁力不均匀，组织控制效果不好的问题。它包括：包括坩埚主体、进水管、出水管、细水管，感应线圈和导磁体，所述坩埚主体由上半体和下半体组成，所述上半体与下半体由一个整体铜块通过线切割和钻孔加工而成，所述进水管通过细水管与下半体连通，所述出水管通过细水管与下半体连通，所述感应线圈套在上半体上，导磁体围绕在感应线圈外。本发明专利技术应用于电热转换领域。

【技术实现步骤摘要】
一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统
本专利技术涉及一种熔化与电磁约束成形系统，具体涉及一种用熔化和电磁约束成形高熔点、高活性金属的高效率电热转换的系统。
技术介绍
授权专利连续熔铸与定向结晶的方形冷坩埚(专利号：ZL200710072714)，解决了现有的冷坩埚在定向凝固钛铝合金，但其能量的利用率低，不能很好的对其侧向散热进行热补偿，造成柱状晶不连续的问题。其冷坩埚的一些特征为坩埚主体的横截面为方形，开缝位置为四个边上，四个角无对角线开缝等。以往研究主要是针对熔炼式冷坩埚，而定向凝固用冷坩埚的优化思路和熔炼式冷坩埚的优化思路有明显的区别，从加工性和可行研究性的角度上看，熔炼式冷坩埚必然采用圆筒式结构，如此可以有效降低其设计难度，并且使制造工艺极大简化。而对于定向凝固用的冷坩埚，则必须要考虑材料的最终成形性，对于航空发动机叶片材料，棒状坯料显然大大降低了材料的利用率。因此，定向凝固用冷坩埚的设计出发点比熔炼式冷坩埚更加丰富。从提高冷坩埚工作效率上看，定向凝固用冷坩埚和熔炼式冷坩埚是一样的，希望利用较低的功率，制备出高熔点、大体积和质量的材料。熔炼式冷坩埚很少考虑磁场分布特点，只要求透入坩埚内腔的磁场越大越好。然而，对于定向凝固用冷坩埚，则必须考虑内腔磁场特别是同一高度上的分布特点。组织控制是定向凝固用冷坩埚研究的一个重要方向。因此，冷坩埚内的磁场大小和分布对定向凝固过程有重要影响，尽量减少坩埚瓣中点处磁场和开缝处磁场的差值，是定向凝固用了冷坩埚设计时必须考虑的，而此方面的研究尚处于空白。目前应用广泛的电磁冷坩埚，它是将分瓣的水冷铜坩埚置于交变电磁场内，利用交变电磁场产生的涡流化金属，并依靠电磁力使金属熔体与坩埚壁保持软接触或者非接触状态，并对炉料进行感应熔炼或者成形的技术。连续熔化与电磁约束用电磁成形系统就是基于以上原理而制造的，它是将熔化和电磁约束成形相结合，利用一个电磁感应器提供电磁感应加热源和电磁约束力，因此热与力的耦合是设计熔化与电磁约束成形系统的关键。而且水冷铜坩埚自身也处在交变电磁场内，水冷铜坩埚的损耗是能量消耗的一个重要方面，因此水冷铜坩埚的自耗对于电源的电热转换有不可替代的作用。高铌钛铝基合金是通过添加高熔点的合金化元素Nb能有效提高合金的熔点及有序化温度,使高铌钛铝基合金的使用温度达到900℃以上，同时具有良好的抗氧化性能，由于难熔金属Nb元素的加入，使得高铌钛铝基合金熔点比普通钛铝合金提高了60～100℃，同时也提高了其高温抗氧化性。但是Nb的加入带来优越高温性能的同时，也增加了高铌钛铝基合金制备的难度。目前的连续熔化与凝固用电磁冷坩埚的横截面尺寸一般较小(直径小于30mm，或边长小于25mm)，感应器设计与水冷铜坩埚的匹配较差以致于整个系统的电热转换效率较低，从而很难熔化高铌钛铝合金，或者高铌钛铝合金液的过热度较低，难以进行组织控制和定向凝固。
技术实现思路
本专利技术为解决现有连续熔化与电磁约束系统的内腔尺寸较小，感应器与坩埚匹配不合理导致坩埚损耗过大，高铌钛铝合金不易被熔化，或熔化后的高铌钛铝合金液过热度不高，且电磁力不均匀，组织控制效果不好的问题，进而提出一种用于高铌钛铝合金的连续熔化与电磁约束成形系统。一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，它包括：包括坩埚主体、进水管、出水管、若干个细水管和感应线圈，所述坩埚主体由上半体和下半体组成，所述上半体与下半体由一个整体铜块通过线切割和钻孔加工而成，所述进水管通过细水管与下半体连通，所述出水管通过细水管与下半体连通，所述感应线圈套在上半体上，所述坩埚主体的横截面为方环状的空腔体，所述上半体被分割成十六个截面为花瓣状的柱体，主体方形横截面的两个对角线处有开缝，柱体沿坩埚主体截面上的水平轴和垂直轴对称，水平轴和垂直轴的交点与坩埚主体水平截面上的中心重合，柱体的内部设有通孔，所述下半体的底面上与通孔对应位置开有纵向盲孔，每个纵向盲孔与对应的通孔连通，十六个纵向盲孔分为八组，每组两个纵向盲孔连通，每个纵向盲孔通过细水管与出水管连通，每相邻两个柱体之间留有间隙，所述间隙内填充有绝缘密封材料层,导磁体围绕在感应线圈外面；其中，所述感应线圈由横截面为方形的铜管绕制而成，线圈外用导磁体围绕，所述坩埚主体的长度L为80mm～100mm，宽度W为80mm～100mm，总高度H为150mm，包括上水冷铜环厚度，下水冷铜环厚度，开缝长度和感应线圈位置，上水冷铜环厚度h1为10～30mm，下水冷铜环厚度h3为10～20mm，开缝长度h2为100mm～150mm，感应线圈位置h4为3mm～18mm，在上水冷铜环与下水冷铜环之间加入一个导磁体，导磁体底部和下水冷铜环距离为3mm～9mm，所述间隙的长度a为90mm～120mm，所述间隙的宽度b为0.4mm～1.6mm，所述高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统的内腔边长15～40mm。本专利技术的有益效果：本专利技术要解决坩埚系统对电磁场的屏蔽问题，特别是坩埚主体方形横截面的四个拐角处的屏蔽，保证在较低功率下，可以使更多的电磁能透入坩埚内腔；要解决坩埚内磁场均匀性的问题，特别是坩埚内腔边壁上的磁场均匀性，此点是定向凝固用冷坩埚设计的独有要求；要解决整体结构设计简单合理的问题，方便加工制造。本专利技术充分保持了高铌钛铝合金的高纯度，同时防止在熔炼或凝固过程中各种间隙元素的污染，实现高铌钛铝合金的低成本熔炼和凝固，由于采用感应加热，本专利技术可以熔化温度较高的高铌钛铝合金，电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀，与现有熔化和电磁约束系统相比，本专利技术内腔尺寸较大，电热转换效率较高，可以在小的功率下熔化高铌钛铝合金，并且使高铌钛铝合金液具有一定的过热度，从而可以对其进行组织控制和保证其成分准确。降低了坩埚自身的能量损耗，提高坩埚的电源利用率。本专利技术充分保持了原高铌钛铝合金的高纯度及防止在熔炼或凝固过程中各种间隙元素的污染，实现高铌钛铝合金的低成本熔炼和凝固，由于采用感应加热，本专利技术可以熔化温度较高的高铌钛铝合金，电磁力的强烈搅拌使熔体组织成分均匀，与现有熔化与电磁约束成形系统相比，电热转换效率较高，可以在小的功率下熔化高铌钛铝合金，并且使高铌钛铝合金液具有一定的过热度，从而可以对其进行组织控制和保证其成分准确。降低了坩埚自身的能量损耗，提高坩埚的电源利用率。本专利技术保证了高铌钛铝能顺利连续抽拉，由于内腔尺寸大，因此适用范围广，可熔炼不同成分的合金和材料。采用方形内腔，使材料的成形性和后加工利用率综合最佳；采用无上水冷铜环设计，同时采用近楔形开缝，参照图4，能使更多的电磁能透入坩埚内腔；采用薄壁厚，但必须满足坩埚强度要求和简单的可机械加工性，可以改善内腔边壁磁场的均匀性；采用方形截面线圈，线圈外用导磁体围绕，增加线圈的工作效率，提高能量利用率。附图说明图1是本专利技术的整体结构主视图；图2是图1的俯视图；图3是图1中A-A向的剖视图；图4是图3中I处的放大图；图5(a)是实施例中方形坩埚内腔特征位置边中开缝的磁感应强度图；图5(b)是实施例中方形坩埚内腔特征位置瓣中点的磁感应强度图；图5(c)是实施例中方形坩埚内腔特征位置拐点的磁感应强度图；图6是实施例中冷坩埚示意图；其中，h3表示下水冷铜环厚度，h2表示开缝长度，H表示坩埚主体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于它包括：包括坩埚主体(1)、进水管(2)、出水管(3)、若干个细水管(4)和感应线圈(5)，所述坩埚主体(1)由上半体(1‑1)和下半体(1‑2)组成，所述上半体(1‑1)与下半体(1‑2)由一个整体铜块通过线切割和钻孔加工而成，所述进水管(2)通过细水管(4)与下半体(1‑2)连通，所述出水管(3)通过细水管(4)与下半体(1‑2)连通，所述感应线圈(5)套在上半体(1‑1)上，所述坩埚主体(1)的横截面为方环状的空腔体，所述上半体(1‑1)被分割成十六个截面为花瓣状的柱体(6)，主体方形横截面的两个对角线处有开缝，柱体(6)沿坩埚主体(1)截面上的水平轴和垂直轴对称，水平轴和垂直轴的交点与坩埚主体(1)水平截面上的中心重合，柱体(6)的内部设有通孔(7)，所述下半体(1‑2)的底面上与通孔(7)对应位置开有纵向盲孔(8)，每个纵向盲孔(8)与对应的通孔(7)连通，十六个盲孔(8)分为八组，每组两个盲孔(8)连通，每个盲孔(8)通过细水管(4)与出水管(3)连通，每相邻两个柱体(6)之间留有间隙(9)，所述间隙(9)内填充有绝缘密封材料层(10)，导磁体(12)围绕在感应线圈(5)外面；其中，所述感应线圈(5)由横截面为方形的铜管绕制而成,感应线圈(5)外用导磁体(12)围绕。...

【技术特征摘要】
1.一种高效率电热转换的熔化与电磁约束成形系统，其特征在于它包括：包括坩埚主体(1)、进水管(2)、出水管(3)、若干个细水管(4)和感应线圈(5)，所述坩埚主体(1)由上半体(1-1)和下半体(1-2)组成，所述上半体(1-1)与下半体(1-2)由一个整体铜块通过线切割和钻孔加工而成，所述进水管(2)通过细水管(4)与下半体(1-2)连通，所述出水管(3)通过细水管(4)与下半体(1-2)连通，所述感应线圈(5)套在上半体(1-1)上，所述坩埚主体(1)的横截面为方环状的空腔体，所述上半体(1-1)被分割成十六个截面为花瓣状的柱体(6)，主体方形横截面的两个对角线处有开缝，柱体(6)沿坩埚主体(1)截面上的水平轴和垂直轴对称，水平轴和垂直轴的交点与坩埚主体(1)水平截面上的中心重合，柱体(6)的内部设有通孔(7)，所述下半体(1-2)的底面上与通孔(7)对应位置开有纵向盲孔(8)，每个纵向盲孔(8)与对应的通孔(7)连通，十六个纵向盲孔(8)分为八组，每组两个纵向盲孔(8)连通，每个纵向盲孔(8)通过细水管(4)与出水管(3)连通，每相邻两个柱体(6)之间留有间隙(9)，所述间隙(9)内填充有绝缘密封材料层(10)，导磁体(12)围绕在感应线圈(5)外面；其中，所述感应线圈(5)由横截面为方形的铜管绕制而成,感应线圈(5)外用导磁体(12)围绕，所述坩埚主体(1)的长度L为80mm～100mm，宽度W为80mm～100mm，总高度H为150mm，包括上水冷铜环厚度h1，下水冷铜环厚度h3，开缝长度h2和感应线圈位置h4，上水冷铜环厚度h1为10～30...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瑞润，杨劼人，李新中，方虹泽，丁宏升，苏彦庆，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：黑龙江;23