一種環(huán)形水冷銅坩堝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種環(huán)形水冷銅坩禍，主要應(yīng)用于熔融態(tài)金屬3D打印、粉體霧化、焊接、冶金熔煉和材料合成等高溫流體噴射領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]1831年法拉第建立了電磁感應(yīng)定律，這一定律為感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用研究奠定了理論基礎(chǔ)。到了十九世紀(jì)七十年代，F(xiàn)oucaul和Heaviside提出了有關(guān)禍流和感應(yīng)加熱的理論，使電磁感應(yīng)加熱的工程應(yīng)用成為可能。
[0003]感應(yīng)加熱就是把工件放到感應(yīng)器內(nèi)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過(guò)導(dǎo)體回路的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、形成感生電流。爐料電阻小，不大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致?tīng)t料表面形成較大的渦旋狀電流，產(chǎn)生大量焦耳熱，快速加熱工件。
[0004]在爐料、合金的熔化與熔煉領(lǐng)域，感應(yīng)加熱不僅具有快速及無(wú)公害的優(yōu)點(diǎn)，還具有特殊的電磁攪拌作用。電磁冷坩禍技術(shù)是近年興起的感應(yīng)加熱新技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。它將分瓣的水冷銅坩禍置于交變電磁場(chǎng)內(nèi)，利用交變電磁場(chǎng)作用于爐料表面產(chǎn)生的感生電流加熱、熔化爐料，與此同時(shí)，爐料受到的電磁力使熔融爐料與坩禍內(nèi)壁保持軟接觸或者非接觸狀態(tài)、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免了熔煉或成型過(guò)程中雜質(zhì)元素的污染，實(shí)現(xiàn)高純度材料的低成本熔煉和成型。
[0005]絕大多數(shù)水冷坩禍如同傳統(tǒng)的真空感應(yīng)爐型一樣，采用圓柱形結(jié)構(gòu)，僅以水冷坩禍取代陶瓷襯里坩禍，放置在真空密封箱體里熔煉，爐體加有冷坩禍的進(jìn)出水嘴，采用傾倒式出料方式；這種坩禍整套設(shè)備體積大、熔煉能力強(qiáng)，適合工業(yè)級(jí)熔煉。極少一部分坩禍為底注式坩禍，即在坩禍底部開(kāi)有小孔，當(dāng)需要熔融爐料流出坩禍時(shí)，需要操縱坩禍底部的機(jī)構(gòu)移開(kāi)堵孔的澆鑄塞；這種坩禍適用于小容量熔煉，但爐料流出堵孔時(shí)，可能會(huì)堵塞坩禍底孔，清理不變。
[0006]目前，無(wú)論是傾倒式水冷銅坩禍、還是底注式水冷銅坩禍，都沒(méi)有出現(xiàn)環(huán)形結(jié)構(gòu)的坩禍，坩禍中間沒(méi)有過(guò)孔，不能插入管道在爐料流動(dòng)過(guò)程中引入第二相材料，完成兩相流的流動(dòng)；因此，使用范圍有限，僅限于鋼鐵冶金的澆鑄成型等，不能應(yīng)用于精密流動(dòng)控制的流體成形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)以上技術(shù)的不足及應(yīng)用前景，本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)形水冷銅坩禍，具有外電磁加熱器和內(nèi)電磁加熱器，磁場(chǎng)強(qiáng)度大，加熱速度快，電效率高；坩禍外壁和坩禍內(nèi)壁在底部形成的雙層錐面結(jié)構(gòu)，兩錐面均產(chǎn)生電磁懸浮力，爐料懸浮效果更好；坩禍外壁和坩禍內(nèi)壁均有電磁攪拌作用，爐料混合更均勻。所設(shè)計(jì)環(huán)形水冷銅坩禍在使用過(guò)程中，坩禍本身散熱效果好，溫度低，爐料和坩禍內(nèi)壁處于非接觸狀態(tài)，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)爐料無(wú)污染，爐料質(zhì)量更好。本發(fā)明的環(huán)形坩禍提供中間通道，適合添加第二相材料外接管路，當(dāng)接入氣相、液相、合金相等材料時(shí)，能夠應(yīng)用于熔融態(tài)金屬3D打印、粉體霧化、焊接、冶金熔煉和材料合成等高溫流體噴射領(lǐng)域。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于電磁感應(yīng)熔煉的環(huán)形水冷銅坩禍構(gòu)思如下: 本發(fā)明的一種環(huán)形水冷銅坩禍，具有環(huán)形坩禍主體結(jié)構(gòu)。
[0009]環(huán)形坩禍主體結(jié)構(gòu)包括坩禍外壁、坩禍內(nèi)壁、循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)，坩禍內(nèi)壁、坩禍外壁構(gòu)成環(huán)形結(jié)構(gòu)，提供中間通道，其中中間通道適合添加第二相材料外接管路，當(dāng)接入氣相、液相、合金相等材料時(shí)，能夠應(yīng)用于熔融態(tài)金屬3D打印、粉體霧化、焊接、冶金熔煉和材料合成等高溫流體噴射領(lǐng)域。
[0010]坩禍外壁和坩禍內(nèi)壁均采用紫銅開(kāi)縫結(jié)構(gòu)，有利于磁場(chǎng)穿透坩禍壁外，磁場(chǎng)切割坩禍壁，相鄰的銅分瓣體在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生與感應(yīng)線圈電流同向的感應(yīng)電流，并在開(kāi)縫處激發(fā)與感應(yīng)線圈磁場(chǎng)同向的感應(yīng)磁場(chǎng)，對(duì)外表現(xiàn)為磁場(chǎng)增強(qiáng)效果，提高爐料的加熱效率。
[0011]坩禍外壁下端采用收縮口結(jié)構(gòu)，坩禍內(nèi)壁采用坩禍外壁對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，形成環(huán)形坩禍底部錐形結(jié)構(gòu)，兩錐面均產(chǎn)生電磁懸浮力，懸浮效果更好。
[0012]循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)連接固定環(huán)形坩禍主體上，分別給坩禍內(nèi)壁及外壁散熱，降低坩禍本身溫度，減小坩禍內(nèi)壁與爐料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性，適合高熔點(diǎn)爐料的熔煉。
[0013]本發(fā)明的一種環(huán)形水冷銅坩禍，具有內(nèi)外電磁加熱發(fā)生器。
[0014]內(nèi)外電磁發(fā)生器分別固定在坩禍內(nèi)壁內(nèi)側(cè)和坩禍外壁外側(cè)，充分利用磁場(chǎng)疊加的作用效果，兩電磁發(fā)生器通入同頻率交流電，加熱效率高，融化后的爐料在坩禍底部收縮口處受到電磁懸浮力作用，保持幾何上懸浮熔煉，坩禍內(nèi)壁和坩禍外壁均產(chǎn)生電磁斥力，使?fàn)t料與坩禍內(nèi)壁處于非接觸狀態(tài)，爐料沿電磁力方向流動(dòng)、攪拌更加均勻、質(zhì)量更好。
[0015]本發(fā)明的一種環(huán)形水冷銅坩禍，具有環(huán)形上蓋。
[0016]環(huán)形上蓋設(shè)置有出氣口、進(jìn)氣口、安全泄壓閥，使得環(huán)形水冷銅坩禍能夠在不同真空度、不同保護(hù)氣氛下安全熔煉，進(jìn)一步能夠調(diào)節(jié)坩禍內(nèi)氣體壓力變化，讓整個(gè)熔煉過(guò)程及后續(xù)的操作更加可控化和簡(jiǎn)單化。
[0017]本發(fā)明的一種環(huán)形水冷銅坩禍，具有環(huán)形下蓋。
[0018]環(huán)形下蓋固定連接于環(huán)形坩禍底部出口處，環(huán)形下蓋上分布有均勻的出口孔，當(dāng)熔融態(tài)爐料流出出口孔并填滿(mǎn)噴嘴時(shí)，能夠防止?fàn)t料與坩禍底部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，多個(gè)出口孔的設(shè)計(jì)避免了一個(gè)出口孔堵塞時(shí)引起的爐料流動(dòng)中斷現(xiàn)象
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種環(huán)形水冷銅坩禍，包括環(huán)形主體結(jié)構(gòu)、外電磁加熱器、內(nèi)電磁加熱器、環(huán)形上蓋、環(huán)形下蓋，所述環(huán)形主體結(jié)構(gòu)外側(cè)固定外電磁加熱器，內(nèi)側(cè)固定內(nèi)電磁加熱器，環(huán)形主體結(jié)構(gòu)的上端面連接環(huán)形上蓋，底部固定連接環(huán)形下蓋。
[0019]所述環(huán)形主體結(jié)構(gòu)包括坩禍外壁、坩禍內(nèi)壁、循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)、底部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，所述坩禍外壁和坩禍內(nèi)壁在頂部與循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)下端面固定連接，在底部通過(guò)底部加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)焊接相連；在所述坩禍外壁的外側(cè)固定外電磁加熱器，在所述坩禍內(nèi)壁內(nèi)側(cè)固定內(nèi)電磁加熱器，在所述循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)上端面通過(guò)耐高溫O型密封圈密封并螺栓緊固連接環(huán)形上蓋。
[0020]所述坩禍外壁和坩禍內(nèi)壁均采用紫銅開(kāi)縫結(jié)構(gòu)，開(kāi)縫處填充云母片，每個(gè)紫銅分瓣體內(nèi)設(shè)置水冷通道，所述坩禍外壁下端采用收縮口結(jié)構(gòu)，所述坩禍內(nèi)壁采用坩禍外壁對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，形成環(huán)形坩禍底部錐形結(jié)構(gòu)，兩錐面在內(nèi)外電磁場(chǎng)的作用下均產(chǎn)生電磁懸浮力。[0021 ] 所述循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水腔、出水腔、懸臂通道、進(jìn)水口、出水口、空心銅管，所述空心銅管穿過(guò)出水腔并留有間隙，下端插入紫銅分瓣體形成的水冷通道，底部留有間隙，上端與進(jìn)水腔相通并密封，所述進(jìn)水口、出水口分別與進(jìn)水腔、出水腔相通，形成完整冷卻水回路，所述懸臂通道分別通過(guò)焊接導(dǎo)通循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)水腔和出水腔，所述循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)上端面開(kāi)有環(huán)形槽，其內(nèi)部嵌有O型密封圈，循環(huán)水冷卻結(jié)構(gòu)上端面設(shè)置有螺柱，用以緊固連接環(huán)形上蓋。
[0022]所述外電磁加熱器和內(nèi)電磁加熱器均由空心銅管纏繞而成，內(nèi)部通入冷卻水散熱，其加熱器線圈高度應(yīng)低于坩禍開(kāi)縫高度，使磁場(chǎng)能夠穿透坩禍壁，所述外電磁加熱器與坩禍外壁形狀相適配，通過(guò)耐高溫樹(shù)脂材料固定于坩禍外壁外側(cè)，所述內(nèi)電磁加熱器采用圓柱形線圈結(jié)構(gòu)，通過(guò)耐高溫樹(shù)脂材料固定于坩禍內(nèi)壁內(nèi)側(cè)。
[0023]所述環(huán)形上蓋設(shè)置有出氣口、進(jìn)氣口、安全泄壓閥，所述出氣口與外部真空栗相連，進(jìn)氣口與外部保護(hù)氣源相連。
[0024]所述環(huán)形下蓋為環(huán)形結(jié)構(gòu)，采用耐高溫鈍化材料，防止?fàn)t料與環(huán)形下蓋發(fā)生反應(yīng)，所述環(huán)形下蓋與環(huán)形主體結(jié)構(gòu)底部固定連接，防止?fàn)t料與坩禍底部銅壁發(fā)生反應(yīng)，所述環(huán)形下蓋上均勻分布出口孔，熔融爐料同時(shí)流經(jīng)多個(gè)出口孔在噴嘴內(nèi)匯流成一條射流，多個(gè)出口孔避免了一個(gè)出口孔堵塞時(shí)引起的流動(dòng)中斷。
[0025]所述的環(huán)形主體結(jié)構(gòu)設(shè)有中間通道，適合添加各種第二相材料外接管路。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明的環(huán)形坩禍具有外電磁加熱器和內(nèi)電磁加熱器，磁場(chǎng)強(qiáng)度大，加熱速度快，電效率高；
2、本發(fā)明坩禍外壁和坩禍內(nèi)壁在底部形成的雙層錐面結(jié)構(gòu)，兩錐面均產(chǎn)生電磁懸浮力，爐料懸浮效果更好；
3、本發(fā)明坩禍外壁和坩禍內(nèi)壁均有電磁攪拌作用，爐料混合更均勻，所設(shè)計(jì)環(huán)形水冷銅坩禍在使用過(guò)程中，坩禍本身散熱效果好，溫度低，爐料和坩禍內(nèi)壁處于非接觸狀態(tài)，對(duì)熔煉爐料無(wú)污染，所得爐料質(zhì)量更好，適合活潑性、高熔點(diǎn)爐料的熔煉；
4、本發(fā)明環(huán)形坩禍整套裝置所涉及環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，提供中間通道，適合添加第二相材料外接管路，當(dāng)接入氣相、液相、合金相等材料時(shí)，能夠應(yīng)用于熔融態(tài)金屬3D打印、粉體霧化、焊接、冶金熔煉和材料合成等高溫流體噴射領(lǐng)域；
5、本發(fā)明環(huán)形坩禍采用環(huán)形上蓋密封的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)置出氣孔、進(jìn)氣口，實(shí)現(xiàn)坩禍內(nèi)爐料在不同真空度、不同保護(hù)氣氛下安全熔煉，通過(guò)調(diào)節(jié)坩禍內(nèi)氣體壓力變化、電磁懸浮力大小實(shí)現(xiàn)熔融爐料的流速控制；
6、本發(fā)明環(huán)形坩禍底部固定連接環(huán)形下蓋，采用耐高溫鈍化材料，環(huán)形