真空感应凝壳炉熔炼系统的设计_宋静思

P１ ——— 冷 坩 埚 损 失 功 率（ｋＷ）
P — —— 电 源 输 入 功 率（ｋＷ）
Δt — —— 进 回 水 温 差（℃）
C—— —冷却水比热容（ｋＪ（／ ｋｇ·Ｋ））
一般情况下可取 Ｃ＝４．１８６８ｋＪ（／ ｋｇ·Ｋ）
得到冷却水流量后，可通过伯努力方程计 算
在假定压力及管径下的实际流量来进行校核。
目前国内外的普遍做法是通过高压冷却水
来达到足够的换热效果来冷却坩埚瓣及坩埚底。
一般情况下冷却水压力在 ０．４ 到 １．０ＭＰａ，具体用
多少压力主要考虑所需冷却量与机械结构适用
性。由于 ＩＳＭ 系统对冷却水要求较高，故目前多
数厂家采用的是独立水冷机组来冷却真空冷坩
埚感应凝壳炉的 ＩＳＭ 系统。ＩＳＭ 设备在熔炼时因
１．１．２ 并联水冷结构 “ 并 联 ”水 冷 结 构 也 分 炉 内 分 流 与 炉 外 分 流
两 种 。炉 外 分 流 时 ，其 引 入 水 管 数 一 般 较 多 ，至 少 为 四 根 ；炉 内 分 流 时 ，则 只 需 一 进 一 回 两 根 水 管 引入真空腔，冷却水在熔炼系统内分开两部分， 一部分冷却冷坩埚瓣，一部分冷却冷坩埚底 。对 于炉内分流的方式测量坩埚瓣与坩埚底相关热 场 数 据 就 变 得 很 困 难 ，因 为 在 回 水 是 两 部 分 冷 却 水 混 合 后 流 出 真 空 腔 的 ，所 以 测 量 的 水 温 、流 量 等 数 据 不 能 反 映 瓣 与 底 各 自 的 情 况 。炉 外 分 流 的 结构在实验室中可以见到，因为采用炉外分流 “ 并 联 ”水 冷 结 构 在 数 据 采 集 方 面 更 有 优 势 ，这 种 优势通过加装各类传感器实时测量冷坩埚熔炼 系 统 内 的 情 况 ，对 于 了 解 、研 究 及 改 进 设 备 及 其 熔炼工艺是很有帮助的。 美 国 Ｃｏｎｓａｒｃ 公 司 采 用 的 就 是 炉 内 分 流“ 并 联 ”水 冷 结 构 ［ ３ ］ 。 1.2 冷坩埚瓣的水冷结构
熔炼电源 加料机构 热电偶测温 ＩＳＭ 系统 红外测温
观察窗
换热器 真空系统
Ｆｉｇ．１
炉体
离心机构
图 １ 真空冷坩埚感应凝壳炉
Ｔｈｅ ｖａｃｕｕｍ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｓｋｕｌｌ ｍｅｌｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ
收 稿 日 期 ：2016 - 06 - 28 作者简介：宋静思（１９８８－），男，辽宁省沈阳市人，本科。 通讯作者：孙足来，教授级高工。
1.1 水冷结构的“串联”与“并联”
ＩＳＭ 系统的水冷结构，一般分为坩埚瓣与坩
埚 底“ 串 联 ”和“ 并 联 ”两 种 型 式 。“ 串 联 ”即 冷 却 水
经 过 冷 坩 埚 瓣 后 再 经 过 坩 埚 底（或 先 经 过 冷 坩 埚
底 再 经 过 冷 坩 埚 瓣）；“ 并 联 ” 即 冷 却 水 进 入 熔 炼
图 １ 中 展 示 了 ＶＩＳＦ－２ 型 真 空 冷 坩 埚 感 应 凝 壳 炉 ，该 型 设 备 用 于 生 产 钛 合 金 及 其 它 难 熔 活 泼 金属的 铸 件 。 图 ２ 为 感 应 凝 壳 熔 炼 系 统（ＩＳＭ 系 统）的 示 意 图 。
1 冷坩埚熔炼系统的水冷设计
冷 坩 埚 熔 炼 系 统（以 下 简 称 ＩＳＭ 系 统）做 为
无 论 对 于 哪 个 冷 坩 埚 瓣 结 构 ，其 水 道 直 径 过 大 ，就 会 增 加 坩 埚 瓣 厚 度 ，降 低 电 能 利 用 率 ；水 道 直 径 过 小 会 使 水 冷 不 足 。出 于 对 能 量 利 用 率 的 考 虑 ，冷 坩 埚 瓣 应 当 是 越 薄 越 好 ，但 这 又 与 水 道 直 径相矛盾。早期的冷坩埚结构［４（］ 类似图 ３ 中的结 构），往 往 采 用 单 个 锻 件 加 工 而 成 的 整 体 式 结 构 ， 在 每 个 水 道 内 还 插 入 一 个 水 管 ，通 过 水 管 与 水 道 组 成 冷 却 水 的 回 路 。这 种 方 式 就 会 在 相 同 截 面 积 水道的情况下使冷坩埚壁更厚，更为严重的是， 一旦出现冷坩埚瓣打火或其它事故损坏了冷坩 埚 瓣 内 壁 ，整 个 冷 坩 埚 瓣 就 会 报 废 。 在 冷 坩 埚 发 展 后 期 出 现 一 种 分 瓣 式 的 冷 坩 埚 结 构 ，有 效 地 解 决了这两个问题。
冷 坩 埚 侧 壁 结 构 主 要 分 整 体 式 与 分 体 式 。所
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真空
VACUUM
第 53 卷
在 分 瓣 式 坩 埚 侧 壁 的 水 冷 中 ，也 存 在“ 瓣 内 串 联 ”与“ 瓣 内 并 联 ”的 问 题 ，目 前 已 知 的 大 部 分 厂 商 一 般 都 采 用“ 瓣 内 并 联 ”，即 冷 即 水 同 时 从 坩 埚 瓣 所 有 的 进 水 孔 进 入 ，并 从 出 水 孔 流 出 。 当 然 也有“瓣内串联”设计思路。如图 ６ 所示，这种设 计 实 现 过 程 中 较 为 麻 烦 ，而 且 水 冷 不 均 ，虽 然 有 “ 串 联 报 警 ”的 功 能 ，但 实 际 应 用 中 意 义 不 明 显 ， 鲜有应用。
ｄｏｉ ：１０ ． １３３８５／ｊ ． ｃｎｋｉ ． ｖａｃｕｕｍ ． ２０１６ ． ０５ ． １８
Design of the induction skull melting system
SONG Jing-si1， ＺＩ Ｙａｎ２， ＭＵ Ｘｉｎ１， ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅ－ｋｕｉ， ＳＵＮ Ｚｕ－ｌａｉ
系 统 后 ，分 两 路 同 时 经 过 进 入 冷 坩 埚 瓣 与 冷 坩 埚
底。
１．１．１ 串联水冷结构
“ 串 联 ”有 利 用 减 少 引 入 炉 体 内 水 管 数 量 ，从
而 达 到 简 化 水 路 结 构 的 目 的 。 同 时 ，由 于 冷 却 水
进水口 出水口 图 ３ “串联”水冷示意图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ“ｓｅｒｉｅｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ”ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
冷 坩 埚 感 应 凝 壳 炉 的 核 心 机 构 ，其 水 冷 结 构 是 设 计的重点。由于 ＩＳＭ 系统中的铜坩埚在工作中既 受到炉料的热传导又受到炉料的热辐射，并且由 于炉料多为活泼难熔金属，同时处于中高频交变 磁场下，所以铜坩埚一直处于很恶劣的工况下。为 了保证铜坩埚不被炉料和感应器熔化就要依靠大 量水冷，这也就是国内外很多情况下将 ＩＳＭ 称为 冷坩埚感应熔炼 （Ｃｏｌｄ Ｃｒｕｃｉｂｌｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｅｌｔｉｎｇ） 的原因。
第 53 卷第 5 期 2016 年 9 月
真 空 VACUUM
真空
VACUUM
Vol. 53，No. 5 Sep. 第205136 卷
Hale Waihona Puke Baidu
真空感应凝壳炉熔炼系统的设计
宋静思 １，訾 雁 ２，牟 鑫 １，张哲魁 １，孙足来 １
（１．沈阳真空技术研究所，辽宁 沈阳 １１００４２；２．沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 １１００４３）
field distribution of induction skull melting (ISM) system for the vacuum cold crucible induction skull furnace. And the characteristics and application scope of each ideas were analyzed.
Key words：ISM; cold crucible; induction melting
真 空 冷 坩 埚 感 应 凝 壳 炉 ，是 一 种 通 过 感 应 加 热方式配合有切缝的水冷铜坩埚来进行熔炼的 特 种 冶 金 设 备 。由 于 此 种 方 法 在 熔 炼 时 熔 融 的 金 属 会 在 坩 埚 壁 和 底 部 形 成 一 层 凝 壳 ，所 以 这 种 熔 炼国际一般称为 Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｓｋｕｌｌ Ｍｅｌｔｉｎｇ（ＩＳＭ）。真 空 冷 坩 埚 感 应 凝 壳 炉 在 熔 炼 Ｔｉ、ＴｉＡｌ 合 金 及 Ｚｒ 合金等难熔活泼金属时，可以准确控制熔炼条 件 ，因 而 在 应 用 上 比 较 灵 活 ，广 泛 应 用 于 航 空 、军 工 等 行 业 。 ＩＳＭ 设 备 最 早 可 以 追 述 到 上 世 纪 ５０ 年 代 ［１］，７０ 年 代 开 始 逐 渐 应 用 于 工 业 生 产 ，经 过 ４０ 多年的发展 ，现 已 经 发 现 出 多 种 形 式 ，多 种 功 能 的 产 品 。本 文 以 冷 坩 埚 感 应 凝 壳 炉 设 备 特 点 入 手简要阐述此类设备的设计要点。
这 种 结 构 由 每 个 独 立 的 分 瓣“ 拼 ”成 一 个 圆 筒 ，每 个 瓣 内 部 有 两 条 坚 直 水 道 ，一 进 一 回 ，在 上 部 或 下 部 是 连 通 的 。 常 用 焊 接 形 式 制 造 ，也 可 用 机械结构连接。日本学 者 Ｈｉｔｏｓｈｉ Ｋａｗａｎｏ 等 人 的 专利［５］对此有详细说明。这种结构有两大突出优 点 ：第 一 ，由 于 是 单 水 道 流 通 冷 却 水 ，所 以 在 相 同 截 面 积 水 道 的 前 提 下 ，水 道 直 径 可 以 更 小 ，进 而 坩 埚 瓣 的 厚 度 可 以 更 薄 ，能 量 利 用 率 自 然 也 就 提 升 了 ；第 二 ，由 于 是 多 个 独 立 分 瓣 拼 装 的 结 构 ，这 种 结 构 即 使 因 为 冷 坩 埚 内 壁 打 火 或 其 它 事 故 ，也 不 会 将 所 有 分 瓣 损 坏 ，只 需 对 损 坏 的 分 瓣 进 行 替 换 即 可 ，从 使 用 成 本 上 来 讲 优 势 很 明 显 。当 然 ，历 史 上 也 出 现 过 一 种 分 瓣 式 内 插 管 的 结 构 ，但 应 用 不多。
摘 要：针对真空冷坩埚感应凝壳炉，提出了冷坩埚熔炼系统的水冷结构 、感应器、磁场优化等 方 面 的
几种设计思路。并且分析了每种设计思路的特点与适用范围。
关 键 词：ＩＳＭ；冷坩埚；感应熔炼
中 图 分 类 号 ：ＴＦ３４１ ． ７
文 献 标 识 码 ：Ｂ
文 章 编 号 ：1002 - 0322（2016）05 - 0072 - 06
图 ４ Ｃｏｎｓａｒｃ 公司 ＩＳＭ 设备 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ＩＳＭ ｆｕｒｎａｃｅ ｍａｄｅ ｂｙ Ｃｏｎｓｒａｃ
谓 整 体 式 ，一 般 是 指 采 用 整 个 厚 壁 铜 管 加 工 水 道 及 切 缝 的 结 构 ；分 体 式 ，一 般 是 指 采 用 多 个 冷 坩 埚 瓣“ 拼 ”成 一 个 整 体 的 圆 筒 形 ，每 个 瓣 内 有 独 立 的 水 道 和 切 缝 ，瓣 与 瓣 之 间 的 缝 隙 也 构 成 了 磁 场 透入的通道。
第5期
宋 静 思 ，等 ：真 空 感 应 凝 壳 炉 熔 炼 系 统 的 设 计
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坩埚瓣
感应线圈
合金料 凝壳 坩埚底
出水 进水
图 ２ ＩＳＭ 系统示意图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ＩＳＭ ｓｙｓｔｅｍ
先 经 过 冷 坩 埚 瓣 后 经 过 冷 坩 埚 底（或 顺 序 相 反）， 所 在 如 果 有 一 方 出 现 特 殊 情 况（如 堵 塞 等），整 体 水 路 上 的 流 量 、压 力 、水 温 都 会 出 现 明 显 变 化 ，也 就 是 说 这 种 结 构 达 到 了 一 种“ 串 联 报 警 ”的 效 果 。 但 是 ，“ 串 联 ”水 冷 结 构 一 方 面 其 内 部 往 往 比 并 联 要 复 杂 ；另 一 方 面 ，这 种 结 构 不 能 单 独 测 量 冷 坩 埚 瓣 与 冷 坩 埚 底 的 冷 却 水 流 量 、 压 力 及 温 度 ，不 利 用 熔 炼 数 据 采 集 ，对 于 研 发 型 设 备 来 说 在 实 验 数 据 收 集 方 面 这 种 结 构 处 于 劣 势 。 德 国 ＡＬＤ 公 司 的 真 空 冷 坩 埚 感 应 凝 壳 炉 采 用 “ 串 联 分 瓣 ”式 水冷结构［２］。
坩埚内的不同炉料及熔炼的不同阶段会有不同
的功率需求，其冷坩埚需要的冷却水流量也不
同 。但 对 于 工 程 上 的 设 计 而 言 要 兼 顾 各 种 情 况 并
留 有 充 分 的 安 全 余 量 。其 用 水 量 可 参 考 以 下 公 式
计算：
Qc＝
３ ． ６P１ Δt·C
Qc ——— 冷 却 水 流 量（ｍ３／ｈ）
（1.Shenyang Vacuum Technology Institute, Shenyang 110042, China; 2. Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation Ltd, Shenyang 110043, China; ）
Abstract：This paper puts forward some design ideas about cooling structure, induction coil and optimization of magnetic