1 概述：
水冷坩埚电磁感应真空悬浮熔炼方法，是近些年来飞速发展的一种熔炼方法，主要用来制取高熔点、高纯度和极活泼的金属或非金属材料，在冶金和高尖端材料制备等许多重要领域得到了广泛的应用，显示出良好的应用前景。水冷坩埚悬浮熔炼方法，是通高频或中频交变磁场，在金属或非金属熔炼中形成与重力相抵消的电磁力，使熔体悬浮，与坩埚内壁脱离接触，从而获得高温加热，并防止坩埚污染的熔炼方法。该熔炼方法是一项集电磁学、流体学、热力学、力学、物理化学及冶金学等多学科于一体的综合冶金技术。因此受到了人们的广泛观注，在许多材料制备领域得到应用。
2 工作原理：
水冷坩埚电磁感应真空悬浮熔炼方法，是在真空条件下将所熔炼的金属或非金属固体炉料，置于感应线圈所形成的高频或中频交变电场中，并利用通水冷却的金属坩埚作为磁场的“聚能器”，使能源磁场能量集中于坩埚容积空间，进而在炉料的表层附近形成强大的涡电流，一方面释放出焦耳热使炉料溶化，另一方面形成洛仑兹力场使熔体悬浮(或半悬浮)和搅拌。由于磁悬浮的作用，使熔体与坩埚内壁脱离接触，这样熔体与坩埚壁之间的散热行为由传导散热改变为辐射散热，从而导致散热速度聚减。使熔体可达到很高的温度，(1700℃—2000℃)宜于熔炼高熔点金属或其合金。更重要的方面是：熔炼时炉料的悬浮将有效防止炉料与坩埚壁接触所带来的污染。宜于获得高纯度或极活泼的金属与非金属材料。再者，水冷坩埚是通过感应线圈的中频或高频电流来控制熔体的升温和悬浮，因而有可能实现很好的控制能力，同时感应加热方法本身就是一种非接触的加热方式，避免了用等离子束、电子束等加热方法给坩埚和金属溶液带来的冲击与挥发。这方面水冷坩埚感应熔炼方法有着特殊的意义。
3 主要技术指标 ：
3.1 容量： 5kg
3.2 设备总功率： 280 kVA
3.3 中频电源功率： 250 kW（最大使用200kW）
3.4 中频工作电压： 250V－375V
3.5 中频频率： 6KC
3.6 输入电压： 三相 380V
3.7 极限真空度： 6.6×10-3Pa
3.8 工作真空度： 6.6×10-2Pa
3.9 压升率： 0.1Pa/min
3.10 冷却水压： 0.15MPa~0.3MPa （坩埚冷却水压0.5MPa）
3.11 水冷水流量： 8m3
3.12 设备总重量： 5.6t (计算值)
4 结构与特点：
4.1 5kg水冷坩埚真空感应熔铸炉的结构：
5kg水冷坩埚真空感应熔铸炉的主要构造是由：炉体、炉盖、提升机构、转轴、进电、线圈、水冷坩埚、真空系统、液压系统、气动系统组成。
4.1.1 炉体、炉盖： 是组成该类电炉的真空容器，所有的其它机构附属在这些结构之上，炉体的直径为800mm，立式结构，炉盖可提升转动，这样的结构易于装料与检修。这对用该炉进行浇注铸件是很方便的。可以方便的取送沙箱或型壳，炉体、炉盖的内壁和法兰均采用不锈钢制造，外壁为碳钢，中间为水冷夹壁层，正常情况下通水冷却。
4.1.2 提升机构： 提升机构为炉体炉盖的联结机构，通过提升机构，可将炉盖提升起来回转，炉盖的提升为液压驱动。
4.1.3 转轴： 转轴是连接电源与感应线圈的重要构件，感应线圈要在真空炉体内部给坩埚加功率和倾倒，同时感应线圈的水冷、水冷铜坩埚的水冷与支撑都要由转轴来承担。所以转轴是一个非常重要的构件。
4.1.4 进电系统： 进电系统的主要功能，是将KGPS中频电源的功率从电源柜馈送到炉内感应线圈，它由母线、水冷电缆组成，母线设计采用水冷夹板式结构，特点是效率高、体积小、寿命长。水冷电缆采用4根对称式结构，对外磁场干扰小。
4.1.5 感应线圈： 水冷铜坩埚感应线圈，由于采用250V低压进电，所以感应线圈的结构必须考虑到真空放电因素。为了解决真空放电采用无钉包
扎结构。感应线圈使用了硅橡胶带包扎，并涂高温绝缘漆，共三层，外涂有高温保护漆。(耐热300℃)
4.1.6 水冷坩埚： 水冷坩埚是本电炉的关键部件，它直接影响到电炉的技术指标。
5kg水冷坩埚采用了真空熔炼的无氧铜制造，坩埚壁与坩埚底采用了分体构造。坩埚壁共分24“瓣”，其中又分12“瓣”为独立构造，进水回水采用倒U形回路，这样水路常通。该水量大，不易堵塞，由于分“瓣”加工，一旦那一“瓣”损坏可独立更换。这样就降低了维护成本。坩埚底部也是独立构造，底部分8“瓣”独立水冷。
在坩埚底部采用了集中分水环，分水环有二个作用，一是进水回水的分流作用，二是在坩埚底部形成一个短路环，起到了将感应线圈下部的磁场反推向感应线圈的上方，增加了坩埚底部的悬浮力。
水冷铜坩埚的结构特点： 当感应线圈中通中频电流时，在金属炉料和坩埚中会形成感生电流，该电流为短路电流，因此会产生很大的热源，使炉料加热熔化。为了使感应线圈电流所产生的磁场能透过坩埚，直接作用于金属炉料，水冷坩埚沿其轴向的被切成若干“瓣”，分“瓣”组装的结构，这种结构一方面使中频电磁场透过“瓣”与“瓣”的间隙作用于炉料，另一方面通过分“瓣”，使坩埚体内形成的感生电动势大大减少。从而降低了坩埚的自身的能量消耗，提高了用于炉料的加热及熔体悬浮的有效功率。总之水冷坩埚的设计与加工原则，是使炉料最大的吸收电磁感应功率，使坩埚最小的吸收电磁感应功率，从而达到提高效率的目的。
其次，水冷铜坩埚底部的设计与加工，由于坩埚底部也采用了分“瓣”的构造，这就使坩埚底部的磁力线能够较多的通过坩埚底部而透入熔体的底部，使坩埚底部的熔体温度提高，悬浮力也有增强。
关于坩埚底部的几何形状，国内外有二种不同的看法，一是底部呈半球状，二是底部呈圆台状，通过实践证明底部圆台状优点较多。目前国外的水冷铜坩埚都采用了圆台状结构，如美国CSC、德国ACD等公司的水冷坩
埚均采用圆台状结构，圆台状结构能获得更大悬浮力。
在水冷铜坩埚设计和加工中，对坩埚体的各“瓣”之间和坩埚与熔体之间都给出了一定的间隙。而熔体和坩埚中形成的感生电流均与这些间隙直接相关。这里，当金属熔体与坩埚的间隙减少时，电磁场受到“挤压”会形成很高的峰值，这使熔体表面的感生电流大大增强。对于坩埚“瓣”的间隙，则要求有适当的宽度，一方面间隙的扩大使“透”过的电磁场增加悬浮熔炼的能力提高，而另一方面间隙的扩大又不致于发生金属熔体的泄漏，或者“瓣”与“瓣”之间的间隙内的绝缘体烧坏，这要求综合考虑。
4.1.7 浇注离心机：（选用件）
浇注离心机是为了提高浇铸中的质量而设计制造的，离心机的转数50~900转/分，转数的选择与工件的大小有关。驱动电机为5.5kW 4极，转数1450转数/分钟，采用矢量型变频调速器，配有制动电阻，离心盘为铸铁件，防止变形。离心机与炉体采用了波纹隔振机构。
4.1.8 真空系统：
5kg水冷铜坩埚真空感应熔铸炉的真空系统，从使用的实际情况看，一般只使用低真空系统，所以低真空系统配置采用的抽速比较大。配置为H－150滑阀泵、ZJ—300机械增压泵、KT—400扩散泵(凸腔)，管道为￠150，采用无密封圈对夹阀门，￠300翻板阀，所有阀门均由压缩空气驱动，电气开关操作。
4.1.9 气动系统：
5kg水冷铜坩埚真空感应熔炼，所有阀门均为气动驱动，操作为电动操作。
4.1.10 电气控制系统：
5kg水冷铜坩埚真空感应悬浮熔铸炉的电气控制系统，采用日本C40P可编程序控制器，所有的控制均由编程器来完成，程序可人工调定，以防止误操作等造成的损坏。出厂时厂方将设定一个通用标准程序。
4.1.11 水冷系统：
5kg水冷铜坩埚真空感应熔铸炉，水冷系统采用纯净水冷却，冷却的效率好坏，是水冷铜坩埚及线圈的非常重要的必要条件，一旦冷却部位结垢冷却效率将大大降低，在使用过程中，一旦断电停水将是非常危险的，所以必须设有备用应急水源，以保证安全。
4.2 水冷坩埚的特点：
4.2.1 特殊设的线圈与水冷坩埚，具有高效、可控性好等优点，
4.2.2 和用强大的电磁搅拌使金属与合金能够均匀，
4.2.3 可熔炼活性金属如：Ti 、Zr 、Ni等，
4.2.4 可在真空或惰性气体保护环境中工作，
4.2.5 铸造有可能使用生产条料(边角料而无需制电极)，
4.2.6 不存在坩埚等消耗材料，
5 设计制造采用的相关标准：
5kg水冷坩埚真空感应熔炼炉的设计和制造，是按照下列标准进行的：
GB10067.1-88 电热设备基本技术条件 通用部分
GB10067.3-88 电热设备基本技术条件 感应电热设备
GB10066.1-88 电热设备的试验方法 通用部分
GB10066.3-88 电热设备的试验方法 无芯感应炉
GB5959.1-86 电热设备的安全 第一部分 通用要求
JB/T8669—1997 中频感应加热用半导体变频装置
6 设备的成套性：
5kg水冷铜坩埚真空感应熔铸炉成套设备。
6.1 电炉本体 1套
6.2 工作台 1套
6.3 真空系统 1套
6.4 电控系统 1套
6.5 KGPS电源 （250kw 6kc） 1套
6.7 水冷铜坩埚 1套
选用的设备： （选择部分）
6.8 离心铸造装置 1套
6.9 型壳加热装置 1套 |
