一种金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚

技术领域

本发明涉及金属熔炼加工技术领域，特别是涉及一种金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚。

背景技术

工业中以钛为典型代表的金属熔体具有较强的化学活性，往往和熔炼用容器发生化学反应，造成熔体污染、降低合金质量。

现有的技术中，一方面，采用水冷铜模进行熔炼制备，但此方法的能耗大、效率低，电磁能产生的热量大部分被循环冷却水带走。另一方面，采用惰性陶瓷坩埚作为容器，此方法的设备简单、能耗低、熔炼效率高，但是坩埚壁材料在金属熔体的不断冲刷下，会与坩埚壁发生化学反应，从而会造成一定程度的化学污染。

因此，本领域亟需一种能效高且能够有效抑制金属熔体流动冲刷坩埚壁过程中发生化学反应的技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚，在提高了能效的同时能够大幅降低金属熔体流动时对坩埚的冲刷，从而有效抑制金属熔体和坩埚的化学反应。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚，包括：侧壁结构和底部结构；所述侧壁结构，设置于所述底部结构的外围，与所述底部结构围成一熔炼空间；

所述底部结构上表面设置有若干个凸起的圆柱体。

在一些实施例中，所述圆柱体呈多环形阵列式分布。

在一些实施例中，所述侧壁结构与所述底部结构可拆卸式连接。

在一些实施例中，所述圆柱体的高度为5～15mm；

所述圆柱体的直径为2～8mm。

在一些实施例中，所述侧壁结构为圆筒；所述圆筒的内径为60～300mm，所述圆筒壁厚度为5～20mm。

在一些实施例中，所述底部结构的厚度为10～25mm。

在一些实施例中，所有所述圆柱体的上表面积和占所述底部结构上表面面积的20～50％。

在一些实施例中，所述侧壁结构和所述底部结构的材料为惰性氧化物。

在一些实施例中，所述侧壁结构和所述底部结构的材料为：氧化钇、氧化锆、氧化钙和氧化钛中的至少一种。

在一些实施例中，所述金属为钛，所述金属合金为钛合金。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚，包括：侧壁结构和底部结构；所述侧壁结构，设置于所述底部结构的外围，与所述底部结构围成一熔炼空间；所述底部结构上表面设置有若干个凸起的圆柱体。由于本发明提供的坩埚底部结构上具有凸起的圆柱体，而流体在迎风面是贴着圆柱体表面流动的，在背风面则会离开圆柱体表面，故而在每个圆柱体后部会产生一个低速、低压区域，从而产生圆柱体前后的压力差，流体中的主流减速是由压力差导致，边界层流体由于还受到黏性力作用，所以比主流减速程度大。当主流减速到一定程度时，边界层流体可能已经减速到零。此时黏性阻力消失，但压力差阻力还在，所以已经静止的流体受到反向作用力，会在下游发生逆流，于是就出现流动分离现象。一旦流体中发生了流动分离，在分离点下游就会产生低速区域，这个低速区称为分离区。分离区的流速通常比较混乱，通常存在旋涡流动，可能是层流，也可能是湍流。流动混乱会带来显著的流动损失，从而能够大幅降低金属熔体流动时对坩埚的冲刷，有效抑制金属熔体和坩埚的化学反应，而且本发明仅改进了坩埚的底部结构，不需要额外的能量，故而提高了能效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚的结构示意图。

图2为本发明实施例一提供的流动分离原理示意图。

图3为本发明实施例一提供的流动分离作用下主流和边界层流体运动分析示意图。

图4为本发明实施例一提供的不同雷诺数下的流动分离后的减速涡流形态示意图。

图5为本发明实施例一提供的St数和Re数的关联规律示意图。

图6为本发明实施例二提供的平底结构和抑流结构的底面流场分布示意图。

图7为本发明实施例三提供的抑流结构的底面流场分布示意图。

图8为本发明实施例四提供的抑流结构的底面流场分布示意图。

图9为本发明实施例五提供的抑流结构的底面流场分布示意图。

图10为本发明实施例六提供的抑流结构的底面流场分布示意图。

符号说明：1-侧壁结构，2-底部结构，21-圆柱体，3-外部管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对钛熔炼时的坩埚材料问题，前人在惰性材料、坩埚结构、坩埚制备和耐钛液浸蚀方面开展了大量工作，取得的效果主要如下：(1)提高熔炼效率和能量损耗；(2)尽量降低钛及钛合金熔体和坩埚面层的化学反应、减少钛材料的增氧量；(3)提升坩埚的结构稳定性。

可以发现，前人工作集中在：针对钛熔体的高度化学活性，一方面是坩埚材料包括本体、面层、背层等研制上；另一方面是复合结构的设计上，这种复合结构指坩埚厚度上“层”的设计，比如单层还是多层，如果是多层，如何设计各层材料及其制备工艺。

基于钛熔体和坩埚材料接触这一现象，区别于前人已有思路，本发明提出，如果能大幅降低熔体流动对坩埚面层的冲刷，那么可以大幅降低、抑制熔体和坩埚的化学反应。因此，基于流体力学中的流动分离原理，本发明提出一种抑流结构，旨在对坩埚底面的切向流进行分离降速，可以有效减少钛熔体对坩埚面层冲刷的作用，由此降低合金污染。

本发明的目的是提供一种金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚，在提高了能效的同时能够大幅降低金属熔体流动时对坩埚的冲刷，从而有效抑制金属熔体和坩埚的化学反应。该坩埚在底部分布有圆柱凸起，可以很大程度的抑制切向流动，减少钛熔体对坩埚的横向冲刷。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚，包括：侧壁结构1和底部结构2；所述侧壁结构1，设置于所述底部结构2的外围，与所述底部结构2围成一熔炼空间。

其中，侧壁结构1为一定厚度的圆筒型，底部结构2为抑流式结构，抑流式结构的关键在于底部结构2上表面分布有若干个凸起的圆柱体21。

这些圆柱体21的直径、高度、分布和数量(占底部结构2总面积的百分比)是抑制流动的关键参数。作为一些可选的实施方式，本实施例中对圆柱体21的参数设置如下：

单个圆柱体21高度为5～15mm。较低的圆柱体21无法有效起到流动分离和抑制流动作用，较高的圆柱体21又会给底部平面、圆柱体21一体化结构的加工制备带来困难。

单个圆柱体21直径为2～8mm。直径较小意味着圆柱体21上表面面积较小，可以减少和钛熔体的接触面积，直径较大可以提高流动分离和抑制流动效果，因此选用2～8mm直径的适中直径。

所有圆柱体21的上表面总面积占到底部结构2上表面总面积的20～50％。圆柱体21上表面总面积占到底部结构2总面积的百分数过小时，难以展现出抑制流动效果，圆柱体21上表面总面积占到底部结构2总面积百分数过大时，会导致增加圆柱体21上表面和钛熔体的接触面积，给合金污染创造条件。

这些圆柱体21呈多环形阵列式分布，由此最大程度适用于熔体在坩埚底部结构2的各种流动形态和流速分布。

本实施例中，所述侧壁结构1与所述底部结构2可拆卸式连接。侧壁结构1为圆筒；圆筒内径(坩埚内径)控制在60～300mm，圆筒壁厚(坩埚壁厚)在5～20mm，由此确保实际工业需求。

坩埚底部结构2的总厚度为10～25mm(包括平底厚度和圆柱体21高度)，一方面，坩埚底部的基本功能是承载熔体，在材料重力和熔体流动双重作用下，受到压力和冲刷最为严重，因此需要足够的厚度支撑。另一方面，具有表面圆柱凸体的结构的陶瓷部件，具有一定的制备难度，因此，在可以有效起到抑流效果的情况下，希望采用较薄的厚度。

坩埚的侧壁结构1和底部结构2采用惰性氧化物为主体材料，在氧化钇、氧化锆、氧化钙、氧化钛中选取其中至少一种。

作为一种具体的实施方式，本实施例提供的金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚，主要适用于钛和钛合金。此外，侧壁结构1外部可以设置外部管3，外部管3围绕在侧壁结构1的外部，所述外部管3可以是通电的水冷铜线圈，通电后对坩埚内熔体进行加热。

本发明的具体原理为：

流体力学中的流动分离，也被称为边界层分离，指的是壁面附近区域的流体在壁面摩擦力和逆向压差力的耦合作用下，流速显著降低，甚至停止并发生倒流现象，从而使主流远离壁面，如图2所示。流动分离对于流动阻力和流动损失的影响巨大，所以是工程技术人员处理最多的流动现象之一。

流体的边界层一般很薄，直接被壁面减速的流体量很少，所以黏性的影响不大。当发生流动分离后，大量的流体被卷入到分离区中，由此产生显著的流动阻力和流动损失。流动分离是流体运动中最重要的流动现象，是许多工程设计中的主要考虑因素，流体力学工程师们的主要工作就是分析和解决流动分离引起的相关问题。图2中流体在迎风面是贴着圆柱表面流动的，在背风面则会离开圆柱体21表面，在圆柱体21后部产生一个低速、低压区域，圆柱体21前后的压力差是流动阻力的主要来源。

流动分离发生在壁面附近的减速流动中，如图3所示。主流中的流体减速是由压差力导致，边界层内流体由于还受到黏性力作用，所以比主流减速程度大。当主流减速到一定程度时，边界层流体可能已经减速到零。此时黏性阻力消失，但压力差阻力还在，所以已经静止的流体受到反向作用力，会在下游发生逆流，于是就出现流动分离现象。一旦流体中发生了流动分离，在分离点下游就会产生低速区域，这个低速区称为分离区。分离区的流速通常比较混乱，通常存在旋涡流动，可能是层流，也可能是湍流。流动混乱会带来显著的流动损失，有时会出现死流区，整个区域的流体压力相等，处于静止状态。

所以，基于流动分离原理，本发明提出在钛熔炼坩埚设计上，通过流动分离式的几何结构优化，来增大钛熔体的流动阻力，特别是坩埚底部的横向剪切力，由此起到对熔体的有效“刹车”。

圆柱绕流是非常复杂的物理现象，主要包括三种流动：(1)沿壁面的边界层流；(2)从壁面分离出去的自由剪切层流；(3)从壁面脱落后的尾流。雷诺数(Re)和斯特努哈数(St)是分析该问题中最重要的相似数。涡量通过对流和扩散在流体中传播，受惯性力和粘性力控制，这两个力之比为雷诺数(Re)：

式(1)中，U

表1圆柱凸起引起的流动分离、漩涡形态与雷诺数的关系

在圆柱体21尾迹的流动分离、减速和旋涡形态，可以用反映无因次旋涡脱落频率的斯特努哈数(St)来进行数学描述：

式(2)中，f

上述圆柱抑流对流体的“制动”理论反映出，可以通过在来流方向设置圆柱体、并且控制圆柱体数量和几何尺寸来影响Re，然后不同Re在确定来流和流速情况下，会造成不同的流动分离和抑流效果。因此，本实施例提出了一种底部结构2为抑流式结构的坩埚。其抑流式结构的关键在于，底部结构2上面分布有凸起的圆柱体21。

本实施例提供的金属及金属合金熔炼用底部抑流式坩埚，主要有以下5个方面有益效果：

(1)本实施例提供的坩埚适用于各种材料类型的陶瓷坩埚，均能在熔炼钛及钛合金过程中起到抑制流动效果。

(2)本实施例可以针对不同电源参数和抑制流动效果，选择不同圆柱体21参数(单柱直径、单柱高度和分数)的底部结构2。其中，电源参数包括电流强度和频率，低电流强度、高频材料的情况下采用低凸体；高电流强度、低频材料的情况下采用高凸体。

(3)坩埚总体分为侧壁结构1和底部结构2两部分，采用此分体结构，便于坩埚的制备和加工，底部结构2边缘有一定斜度，侧壁结构1可以直接坐在底部结构2上。

(4)坩埚为分体结构，便于使用过程中受损后的更换，特别是底部结构2破坏后，可是快速更换，同时不用更换侧壁结构1。

(5)可以根据钛及钛合金成分和熔体体积大小，灵活使用不同尺寸的坩埚侧壁和底部结构2。

实施例二：

为验证实施例一中的坩埚结构可以获得有效的流体分离和抑流效果，当其它参数一致时，本实施例中对比了平底结构(无底部圆柱凸体)和抑流式结构(有底部圆柱凸体)的纯钛熔炼时的流动情况，其坩埚结构和计算参数如表2所示。

表2有无底部抑流式结构的流动场计算参数

当激励电流为1500A、频率为8kHz、熔体体积0.45L、熔体重量为2.04kg(按纯钛计)时，其坩埚底部流动场对比如图6所示(1/4对称结构)，其中图6(a)是平底结构流场矢量图；图6(b)是平底结构流场云图；图6(c)是抑流结构流场矢量图；图6(d)是抑流结构流场云图。通过图6(a)和图6(b)可以发现，当坩埚底为平底结构时，存在明显的多漩涡状流动。中心区域流动相对较弱，局部达到0.2m/s，径向上越靠近外部(离线圈越近)，流动更加明显，局部超过0.7m/s。当采用表2中的抑流结构时，在其余参数完全相同条件下，通过图6(c)和图6(d)可发现，发生明显的流动分离，未出现涡流现象。底部流动受到明显抑制，特别是中心区域，其流速在0.08m/s以下，在径向靠外区域，高流速区面积减小，流速在0.5m/s左右。因此，从流动场矢量图和分布云图对比可知，钛熔体在底部抑流结构控制下，一方面是减弱了底部的熔体对流，另一方面改变了熔体的流动形态。

实施例三：

为进一步验证抑流效果，并且考察圆柱体高度对抑流效果的影响，本实施例中计算了圆柱体高度为15mm时的纯钛熔体流动情况，其它参数和表2中抑流结构参数一致。本实施例中坩埚结构和计算参数如表3所示：

表3实施例三底部抑流结构的流动场计算参数

当激励电流为1500A、频率为8kHz、熔体体积0.45L、熔体重量为2.04kg(按纯钛计)时，圆柱体高度为15mm时的坩埚底部流动场如图7所示(1/4对称结构)，其中，图7(a)为抑流结构流场矢量图；图7(b)为抑流结构流场云图。通过对比图7、图6(c)和图6(d)可以发现，当抑流圆柱凸体高度从5mm增加到15mm后，其抑流效果明显加强。底部中心有更大的区域流速减弱，在0.08m/s以下。基于圆柱绕流原理和流动分离理论，在圆柱背流区域出现流动死区。在径向靠外区域，相对高流速区域内的流速也降低，在0.5m/s左右。因此，本实施例中的抑流结构减弱了坩埚底部流动，且增大抑流圆柱凸体高度有利于抑流效果的进一步加强。

实施例四：

为验证抑流效果、考察圆柱体直径和圆柱体上表面总面积占比对抑流效果的影响，本实施例在实施例三基础上，计算了圆柱体直径为15mm、圆柱体上表面总面积占比为30％时的纯钛熔体流动情况，其它参数和表3中抑流结构参数一致。本实施例中坩埚结构和计算参数如表4所示：

表4实施例四底部抑流结构的流动场计算参数

当激励电流为1500A、频率为8kHz、熔体体积0.45L、熔体重量为2.04kg(按纯钛计)时，圆柱体直径为5mm、圆柱体上表面总面积占比为30％时，坩埚底部流动场如图8所示(1/4对称结构)，其中图8(a)为抑流结构流场矢量图；图8(b)为抑流结构流场云图。通过对比图8和图7可以发现，圆柱体上表面总面积占比从20％增加到30％后，底部抑流效果明显加强，径向上几乎一半以内的区域都是弱流区，弱流区向外扩展，流速在0.1m/s以下。虽然径向上靠外区域流动相对较强，但受到阵列式抑流圆柱的流动分离影响，也出现不少死流区，且相对较高的流速在0.4m/s左右，也有所降低。因此，本实施例中的抑流结构起到了减弱坩埚底部流动的作用，增加圆柱体上表面总面积占比有利于增强该效果。并且可预计，圆柱体上表面总面积占比不变时，减小圆柱体直径，意味着更多的抑流圆柱数量，可获得更多局部的流动弱区和死区。

实施例五：

为验证抑流结构效果、继续考察圆柱体直径对底部抑流效果的影响，本实施例在实施例四基础上，计算了圆柱体直径为2mm时的纯钛熔体流动情况，其它参数和表4中抑流结构参数一致。本实施例中坩埚结构和计算参数如表5所示。

表5实施例五底部抑流结构的流动场计算参数

当激励电流为1500A、频率为8kHz、熔体体积0.45L、熔体重量为2.04kg(按纯钛计)时，圆柱凸体直径为2mm时，坩埚底部流动场如图9所示(1/4对称结构)，其中，图9(a)为抑流结构流场矢量图；图9(b)为抑流结构流场云图。通过对比图9和图8可以发现，当圆柱体直径从5mm缩减到2mm时，在面积分数和高度都不变的情况下，弱流区发生明显的径向扩张，径向三分之二内区域都是弱流区，流速基本被控制在0.04m/s以下。在径向外侧，由于抑流圆柱体数量的增加，导致出现更多的流动分离和流动死区局部，流速相对较高的区域被分割和面积缩减，且大部分在0.4m/s左右。因此，本实施例中的抑流结构有效抑制了坩埚底部的流动，当圆柱体上表面总面积占比和圆柱体高度不变的情况下，通过减小圆柱体直径，获得更多抑流圆柱数量，可显著提高底部抑流效果。

实施例六：

为验证抑流结构效果、继续考察圆柱体高度和圆柱体上表面总面积占比对底部抑流效果的影响，本实施例在实施例五基础上，计算了圆柱体高度为10mm、圆柱体上表面总面积占比为50％时的纯钛熔体流动情况，其它参数和表5中抑流结构参数一致。本实施例中坩埚结构和计算参数如表6所示：

表6实施例六底部抑流结构的流动场计算参数

当激励电流为1500A、频率为8kHz、熔体体积0.45L、熔体重量为2.04kg(按纯钛计)时，圆柱体高度为10mm、圆柱体上表面总面积占比为50％时，坩埚底部流动场如图10所示(1/4对称结构)，其中，图10(a)为抑流结构流场矢量图；图10(b)为抑流结构流场云图。通过对比图10和图9可以发现，抑流效果和流动相对强弱区域分布基本一致，但有两方面差异：一方面，由于圆柱体上表面总面积占比从30％增加到50％，产生了更多的局部流动分离和流动死区，所以在径向上靠外区域(圆周附近)，出现了更多的弱流区，流速在0.05m/s以下，整体最高流速为0.47m/s，也大幅低于实施例五中的0.83m/s。另一方面，由于圆柱体高度从15mm降低到10mm，底部流动形态出现变化，且抑流效果的增加受到了限制，比如底面中心区域出现了相对较强的流动。总体上看，本实施例中的抑流结构可以有效坩埚底部的熔体流动，当径向外侧(圆周附近)设置更多的抑流圆柱数量时，底部抑流效果进一步加强。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。