淺談冷坩堝感應(yīng)熔煉設(shè)備發(fā)展的幾點方向
結(jié)合國內(nèi)外冷坩堝熔煉設(shè)備的研究成果，提出了冷坩堝熔煉設(shè)備發(fā)展的方向。文中首先分析影響過熱度因素，并提出了幾種提高過熱度的方法。然后介紹了冷坩堝結(jié)構(gòu)設(shè)計上的若干思路。接著介紹了應(yīng)用CAE 技術(shù)分析冷坩堝熔煉過程的現(xiàn)狀。最后提出未來針對冷坩堝熔煉設(shè)備分析發(fā)展趨勢。
冷坩堝感應(yīng)熔煉，是一種通過感應(yīng)加熱方式配合分瓣式水冷銅坩堝來進行熔煉的特種冶金方法。由于此種方法在熔煉時熔融的金屬會在坩堝壁和底部形成一層凝殼， 所以國際一般稱為Induction skull melting(ISM)，也有將其稱為CCIM(Cold crucible induction melting)。ISM 設(shè)備在熔煉Ti、TiAl 合金及Zr 等難熔活潑金屬時，可以準確控制熔煉條件。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認為ISM 設(shè)備不但在熔煉特種金屬方面得到了應(yīng)用，還在定向凝固、霧化制粉、光伏產(chǎn)業(yè)及核廢料處理等多個方面得到了發(fā)展。本文僅對冷坩堝熔煉設(shè)備發(fā)展向做簡要論述。
1、提高過熱度
提高冷坩堝熔煉時的過熱度一直以來都是一個核心問題。早期ISM 設(shè)備的過熱度一般只能維持在10℃到20℃左右(Ti 合金)。如此低的過熱度使金屬液在澆鑄薄件時變得異常困難，以前常采用快速澆鑄的方法，當(dāng)然這也帶來一些其它問題。新一代ISM 設(shè)備通過優(yōu)化設(shè)計和提高熔煉電源功率，一定程度上解決了大功率下不穩(wěn)定等問題，使過熱度提到至33℃~62℃(針對不同氣氛環(huán)境有所不同)。
圖1 VISF-5 型冷坩堝熔煉設(shè)備
在熔高純Ti 時，會出現(xiàn)當(dāng)加大功率時，熔體的溫度升高很小，但水溫卻急劇升高的情況。關(guān)于此現(xiàn)象，主要是因為隨著熔體溫度的升高，整個坩堝系統(tǒng)趨于熱平衡，大量功率耗在水上；另一方面由于溫度升高使熔體熱容增大從而使熔體升溫緩慢。V. Bojarevics 等人對此也做出過研究，發(fā)現(xiàn)加大功率后熱損失急劇上升，最大超過55%，并給出實驗數(shù)據(jù)圖(圖2、3)。
圖2 功率輸入與損失(TiAl 合金)
圖3 熔煉Al 和TiAl 合金時冷坩堝設(shè)備的效率
相比電弧凝殼爐60℃-200℃過熱度，ISM設(shè)備的過熱度對于很多工況還是偏低。從某種程度上講過熱度低的問題是限制ISM 類設(shè)備走向大型化和普遍化的一大障礙。
國外學(xué)者通過實驗與仿真認為主要的熱損失來自銅坩堝壁(底)焦爾熱與熔體內(nèi)部熱流。由公式：
由此公式可以看出，通過有效調(diào)整熔體內(nèi)部湍流狀態(tài)進而控制熱損失。而其給出的方案是外加磁場。通過外加磁場來減小熔體內(nèi)部因高溫湍流所引起的熱損失。從分析的結(jié)果看，近似條件下，可提高40 多度的過熱度，效果十分明顯。圖4是純Al 熔煉時加載DC 磁場對過熱度的影響。
圖4 熔煉Al 時，DC 磁場對熔體溫度的影響
雖然，國外學(xué)者僅在數(shù)值計算與理論層面上對此做出論述，但美國Consarc 公司連續(xù)多年注冊與之有關(guān)的專利技術(shù)�？梢妵夤緦Υ朔桨副容^看好。R.A.Harding 等人提出過一種爐內(nèi)預(yù)加熱模殼傾翻鑄造(Tilt Casting)的方式。此法在現(xiàn)有過熱度情況下，有效提高TiAl 合金葉片的鑄件質(zhì)量。此方法雖然沒有直接提高熔煉過熱度，但卻達到了近似的目的。ISM 與離子炬復(fù)合熔煉(PIM)的形式不在本文中討論。
2、展望
a、從目前來看，隨著ISM 設(shè)備的不斷成熟，在熔煉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，短期內(nèi)此類設(shè)備難出現(xiàn)重大改進，多是一些細節(jié)上的完善。
b、真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認為先進的CAE 仿真分析技術(shù)會在未來ISM優(yōu)化設(shè)計中發(fā)揮越來越重要的作用。
c、ISM 設(shè)備的另一大發(fā)展思路是多用化。如用ISM 熔煉系統(tǒng)進行定向凝固、霧化制粉等。此類設(shè)備往往采用模塊化設(shè)計，根據(jù)客戶的工藝及工況要求，配套不同的功能模塊，以實際傳統(tǒng)感應(yīng)熔煉與冷坩堝熔煉過程。比較典型的如日本產(chǎn)機電業(yè)生產(chǎn)的立式真空感應(yīng)爐，它可根據(jù)用戶需求實現(xiàn)CC(普通鑄造)、DS/SC(定向凝固/ 單晶)等多種功能。
