坩堝又稱為結(jié)晶器,是真空電弧熔煉的核心部位。金屬在這里熔化、過熱、精煉和結(jié)晶成錠。在這里進(jìn)行著大量的熱交換,坩堝壁的換熱強(qiáng)度能夠達(dá)到幾萬至幾百萬W/m2。
當(dāng)電弧產(chǎn)生異?,F(xiàn)象時(shí),甚至?xí)┷釄灞?。因此,對于坩堝有一系列要求?/p>
鑒于坩堝的重要性,設(shè)計(jì)坩堝的要點(diǎn)主要集中在幾以下點(diǎn):
?、氽釄逡脤?dǎo)熱性好導(dǎo)電性也好的且不易被熔化金屬黏結(jié)的材料制造。符合這種要求的材料有紫銅、無氧銅等。絕大多數(shù)的坩堝由壁厚12~24mm紫銅管和銅合金,(含錳青銅):法蘭盤焊接而成。
因?yàn)樽香~的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好,且不與熔煉金屬黏結(jié),還比無氧銅便宜,比鋼傳熱性、導(dǎo)電性好。
?、谯釄宓膬?nèi)表面應(yīng)該平整光滑,斷面形狀一致,無嚴(yán)重麻坑,以便于脫錠。坩堝管主要制造方法有擠壓、電解沉積和離心鑄造等。其中以擠壓方法生產(chǎn)的質(zhì)量最好,但以此法生產(chǎn)大規(guī)格(直徑大于500mm)坩堝管較困難。
電解沉積法規(guī)格不限,應(yīng)用較廣。此外,還有紫銅板卷焊的坩堝管,但其內(nèi)表面的焊縫必須接受精密加工。在電弧熔煉過程中,坩堝內(nèi)表面會結(jié)有殘?jiān)?,因此每次熔煉前?yīng)該仔細(xì)地清理坩堝內(nèi)表面。
③坩堝要有足夠的剛度和強(qiáng)度,在熔煉情況下,足以支承最大鑄錠質(zhì)量,且受到電極短路碰撞時(shí)不致?lián)p害。
④坩堝壁厚在強(qiáng)度允許的條件下應(yīng)薄些。坩堝壁主要決定于錠子的直徑和荷重,一般小爐子取壁厚為8~10mm,大爐子取壁厚為12~24mm,鋼制坩堝的壁厚為8~12mm。
但也有人主張用較厚的堝壁(大于25mm),他們認(rèn)為沿坩堝壁的縱向也能傳熱,對高溫熔化區(qū)的冷卻很有作用。
而另外一些人認(rèn)為,只要冷卻水足夠,堝壁縱向傳熱作用不大,因此可采用較薄的堝壁。而且,堝壁的薄厚并不是決定燒穿坩堝難易的因素。在冷卻水不足的情況下,無論堝壁厚薄,熔點(diǎn)較低的銅肯定難于應(yīng)付高溫。
?、蒇釄宓慕Y(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)允許坩堝的熱膨脹變形。圖坩堝外壁溫度曲線是日本真空技術(shù)公司對蛇形管水冷的8英寸(200mm)銅坩堝外表面實(shí)測的溫度曲線。
可見,在熔煉過程中,雖有水冷,但堝壁的溫度仍然較高。根據(jù)實(shí)測資料,水冷銅坩堝的外壁最高溫度(熔池處)為230~280℃;推算出內(nèi)壁最高溫度約為400℃,平均溫度約為150℃。
由于坩堝較長,縱向熱膨脹量較大,設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到。例如:2m長的銅坩堝,平均溫度為150℃時(shí),其縱向熱膨脹量Δl=(150 - 20)× 18 × 10-6 ×2000 = 4.68mm??梢?,如果坩堝上下固定,這么大的膨脹量所產(chǎn)生的巨大內(nèi)應(yīng)力將使坩堝損壞。
?、拗睆叫∮?50mm的坩堝往往帶有一定錐度,因?yàn)檑釄逍枰撳V。大錠在冷凝時(shí)由于總收縮量較大,脫錠很容易;但是小錠需坩堝有一定錐度,才便于脫錠,一般錐度在0.5%以內(nèi)。
?、咣釄逡M(jìn)行充分而適當(dāng)?shù)睦鋮s。大約爐子熔化功率的80%的熱量由坩堝冷卻系統(tǒng)帶走,因此要。 求冷卻水的流速、流量都足夠大。
?、啾阌谘b卸、清理和維修。
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