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  冷坩埚熔炼(cold crucible melting)

  一种采用水冷分瓣铜坩埚对物料进行真空感应熔炼的方法。铜坩埚分瓣的目的是为了避免导电的坩埚对电磁场产生屏蔽作用;水冷的目的是为了使坩埚壁温度保持在冷态,避免熔池中熔料与坩埚发生物理和化学反应。典型结构见图。冷坩埚熔炼起始于感应电渣熔炼技术(inductoslag  melting),感应电渣熔炼是20世纪60年代美国为回收钛废料发展起来的技术,该技术采用分瓣水冷铜坩埚对钛合金进行感应熔炼,熔化过程加入盐类,如氟化钙(CaF2),在熔体和坩埚瓣之间起绝缘作用。由于盐渣会被带入凝固金属中造成污染,因此一直试图减少渣量,最终发现通过适当地控制坩埚和感应器的参数,可以完全取消绝缘用渣,熔体和坩埚瓣间也不会起弧。开始阶段这种无渣、分瓣水冷铜坩埚感应熔炼技术在熔炼过程中炉底往往形成较大的凝壳,故又称之为感应壳熔炼(induction skull melting)。经过进一步的发展,凝壳可以减小以至完全消除,故简称为冷坩埚熔炼技术。冷坩埚熔炼被认为是下一世纪的熔炼技术,其主要特点有:(1)它能够在无坩埚材料污染环境下对材料进行熔炼和处理,因为在熔炼过程中熔体和坩埚壁处于非接触状态,坩埚壁温度处于冷态,熔体和坩埚壁间不会发生任何形式的相互作用;(2)该技术采用感应加热方式,熔体在加热过程被搅拌,可获得均匀的过热度和化学成分;(3)由于铜坩埚一直处于冷态并且不与熔体接触,因此坩埚可以和高熔点或活泼性元素熔体共存;(4)该技术可用于真空或任何气氛下,因此冷坩埚技术特别适用于熔炼活泼金属、高纯金属、难熔合金和放射性材料等。这一技术由于其先进性而被广泛研究并迅速工业化。俄罗斯、美国、德国、日本、中国都开始有工业化装置出售,其中以俄罗斯技术最为突出,据报道前苏联已研究成功容量达1500L。最高工作温度为2600℃的冷坩埚设备。该技术已成功地应用到熔炼、铸造、制粉、喷射成型及金属提纯等工业领域。近年来还出现了冷坩埚悬浮熔炼技术(cold crucible levitation melting),通常的悬浮熔炼技术,物料置于半球形高频感应线圈中进行无坩埚熔炼,熔体仅限于几克到十几克,引入水冷坩埚后,通过采用不同频率分段感应,上部采用较高频率加热熔体,下部采用较低频率增加对物料悬浮力,最大悬浮熔炼能力已达到2000g以上。

  
(图)冷坩埚熔炼冷坩埚熔炼
冷坩埚熔炼的技术参数涉及到坩埚形状、分瓣数量、缝隙大小、坩埚材质、内冷却方式、瓣间绝缘以及感应圈匹配、感应频率选择等参数。通常大型冷坩埚采用平底直筒式,以节省制造费用,但往往会残留较大凝壳。小型坩埚可采用抛物面炉底,便于物料搅拌并增加对熔体的悬浮力。适当增加分瓣数量可以减少对电磁场的屏蔽,过多分瓣会给坩埚制造和整体强度带来不利影响,一般采用20瓣左右。瓣间缝隙以便于绝缘和清理为准,一般1~2mm之间。坩埚材料常采用高纯铜以减少阻抗,提高电效率。冷却系统是冷坩埚稳定安全运行的保证,设计时应充分考虑。感应圈形状和采用频率视坩埚尺寸而定,通常采用中频,1000~8000Hz。冷坩埚熔炼,坩埚处于冷态,消耗部分能量,通常需采用大功率,以增加电磁斥力。热效率一般小于50%,但由于能量集中,加热时间短,通常5~10min物料即全部熔化。典型配置为,10kg钛合金物料需加热功率约200kw。由于冷坩埚熔炼具备的一系列优点,这一技术正在特种材料的研究和开发中起着越来越重要的作用。

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