敘述了冷坩堝真空感應(yīng)熔煉設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，對設(shè)備應(yīng)用及其組成進(jìn)行了簡要介紹。對冷坩堝感應(yīng)加熱裝置的重要零部件進(jìn)行了分析，同時(shí)介紹了鑄造裝置的四種結(jié)構(gòu)形式。

1、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

　　冷坩堝真空感應(yīng)熔煉(CCLM)爐因其自身特點(diǎn)在飛機(jī)引擎的鈦合金葉片制造，高純材料制備，金屬氧化物制備等領(lǐng)域快速發(fā)展。CCLM 設(shè)備在美國、俄羅斯、德國、日本、法國等國家經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷程，在俄羅斯，冷坩堝技術(shù)存在已超過70年。在設(shè)備容量、性能參數(shù)以及功能上都有較大發(fā)展。目前，國外廠家在設(shè)備容量已經(jīng)超過200 kg(以鈦計(jì))，而國內(nèi)幾個(gè)主要廠家的設(shè)備容量在50 kg以下。在金屬氧化物熔煉領(lǐng)域，使用溫度已經(jīng)超過3000 ℃，而國內(nèi)普遍在3000 ℃以下。在鈦合金及鋁合金等領(lǐng)域，冷坩堝真空感應(yīng)熔煉設(shè)備分為頂部吸注，傾轉(zhuǎn)澆注，底部澆注和傾斜式澆注四種形式。按照生產(chǎn)工藝又可分為周期式和半連續(xù)式。針對模殼系統(tǒng)的鑄造方式，又可分為重力鑄造，離心鑄造和附加磁場和熱場的特殊鑄造方式。

　　對于CCLM 技術(shù)，已經(jīng)通過商業(yè)化的軟件應(yīng)用平臺(tái)，如ANSYS Classic，F(xiàn)LUENT，CFX-Post 以及COMSOL Multiphysics 等，編制出CCLM 的工藝過程邏輯運(yùn)算程序，可以優(yōu)化設(shè)備的幾何及電氣參數(shù)。CCLM 設(shè)備是一種特種鑄造設(shè)備，由于其獨(dú)特的加熱方式?jīng)Q定了它的應(yīng)用會(huì)更加吸引人們的關(guān)注。作為世界上唯一的一款大規(guī)模服役四代戰(zhàn)斗機(jī)F22，其零部件生產(chǎn)制造過程中應(yīng)用到了CCLM 設(shè)備，如飛機(jī)引擎和光電系統(tǒng)特殊功能晶體。新一代核電材料的提取和核廢料處理環(huán)節(jié)也經(jīng)歷了CCLM 設(shè)備的處理。人體關(guān)節(jié)和骨骼對合金原料的配比及純度要求很高，常規(guī)的鑄造設(shè)備不能滿足生物醫(yī)學(xué)要求，目前最好的方法是使用CCLM 工藝來制備生物基體材料。而作為未來中國航空航天領(lǐng)域的重要技術(shù)———鈦合金3D 打印(增材制造)技術(shù)，更離不開CCLM 技術(shù)。

2、CCLM 設(shè)備的組成

　　CCLM 技術(shù)的本質(zhì)是一種可控性能好的加熱技術(shù)，并由此衍生出一系列與各種工藝相配套的專用設(shè)備。對于金屬材料，常見的冷坩堝真空感應(yīng)熔煉設(shè)備包括熔煉室、冷坩堝感應(yīng)加熱裝置、澆注裝置、測溫裝置、加料裝置、鑄造裝置、攝像監(jiān)視系統(tǒng)、熔煉電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成。同時(shí)，作為特種設(shè)備，CCIM 設(shè)備有潛在的危險(xiǎn)性，這就要求各部分之間具備完善的電氣機(jī)械連鎖、互鎖邏輯關(guān)系，并且各部分的設(shè)計(jì)原則應(yīng)滿足使用要求(功能實(shí)現(xiàn))、性能指標(biāo)(技術(shù)參數(shù))、安全防護(hù)(人員安全及設(shè)備使用安全)，節(jié)能環(huán)保(用電效率、噪音、電磁污染、廢物、廢氣處理)等方面的規(guī)范及條例規(guī)定。

　　以水冷系統(tǒng)為例，由于結(jié)構(gòu)及空間限制，冷壁坩堝的水流截面很小，同時(shí)承受的表面熱負(fù)荷很大，這就要求水冷效率高。通常采用提高水冷系統(tǒng)壓力和流量的辦法來克服阻力和熱交換量大的不利因素;而熔煉室的空間尺寸較大，采用同一水冷系統(tǒng)壓力，會(huì)對腔體的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出更高的要求，必然造成制造原材料和冷卻水的浪費(fèi)。通常的設(shè)計(jì)是將CCLM 設(shè)備分成高低壓兩個(gè)獨(dú)立的水冷區(qū)域。同時(shí)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為應(yīng)急供水的設(shè)計(jì)也需要詳細(xì)設(shè)計(jì)，以確保人員和設(shè)備安全。

3、冷坩堝感應(yīng)加熱裝置

　　CCLM 設(shè)備的兩大核心技術(shù)之一就是冷坩堝感應(yīng)加熱裝置。作為感應(yīng)加熱方式的一種，比較理想的設(shè)計(jì)方法是將冷坩堝感應(yīng)加熱裝置和熔煉電源系統(tǒng)這兩個(gè)供電終端(包括兩終端之間的水冷導(dǎo)電裝置、傳動(dòng)裝置等)作為一個(gè)整體考慮，統(tǒng)一設(shè)計(jì)，以提高整個(gè)設(shè)備的電效率和能量轉(zhuǎn)換效率。冷坩堝感應(yīng)加熱裝置的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但都可以歸為幾個(gè)簡單的組成部分：水冷壁坩堝、水冷感應(yīng)線圈，水冷分配裝置等。而冷坩堝懸浮熔煉技術(shù)(如圖1)以及冷坩堝制粉技術(shù)(如圖2 )，都可以看成是CCLM 的衍生技術(shù)：通過增加一組特殊線圈，金屬會(huì)浮在空中，或通過控制線圈的功率輸出，調(diào)整金屬液流的流量大小及液流直徑。

圖1 冷坩堝懸浮熔煉技術(shù)　　圖2 美國ATI 公司鈦合金粉末制造設(shè)備

　　對于水冷壁坩堝，在要求其滿足力學(xué)強(qiáng)度，熱疲勞、水冷效率基礎(chǔ)之上，電磁學(xué)的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。中頻電磁場的漏磁會(huì)隨著水冷壁坩堝厚度的增加而顯著增大，因此坩堝厚度不宜過大，50 kg額定容量的坩堝壁厚一般小于30 mm。

　　坩堝的縫隙在達(dá)到一定數(shù)量(40 條)后，對駝峰高度和熔體最高溫度影響逐步減弱。為進(jìn)一步減弱坩堝屏蔽效應(yīng)，讓更多的功率加載在熔體上，常規(guī)的辦法是減少坩堝上的功率消耗，即減弱坩堝上的電磁感應(yīng)渦流的形成。坩堝的縫隙之間安裝絕緣薄片，薄片厚度一般小于1 mm，或者在坩堝壁與坩堝底之間施加絕緣處理等措施，以限制渦流效應(yīng)。

　　為防止真空下放電擊穿現(xiàn)象發(fā)生，冷壁坩堝尖角邊棱還需要機(jī)械修整，之后做整體的絕緣捆扎處理。尖角邊棱的幾何形狀除滿足機(jī)械加工要求外，還需兼顧電磁場的優(yōu)化布置。在水冷壁坩堝和感應(yīng)線圈的幾何尺寸確定后，就要在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電源參數(shù)。CCLM 設(shè)備電源的關(guān)鍵參數(shù)是熔煉功率P 和頻率f，其次是輸出電壓V 和匝數(shù)n。

　　熔煉電源常見的功率模塊有可控硅和IGBT 兩種形式，兩種電源均能可靠應(yīng)用。國內(nèi)電源廠家對大于6 kHz 的電源，常采用IGBT 模塊。IGBT 電源的輸出頻率具有較寬泛的調(diào)整范圍，針對熔煉過程中負(fù)載變化，自動(dòng)匹配補(bǔ)償?shù)碾娙萘�，�?shí)現(xiàn)自激振蕩，功率因素達(dá)到95%以上。同時(shí)，在電源和冷坩堝感應(yīng)加熱裝置之間的水冷電纜及導(dǎo)電軸，采用對稱布置，以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)疊加的“同軸”磁場，減少線路功率損耗。國外，冷坩堝設(shè)備的電源參數(shù)如表1。針對IGBT 電源，f 是個(gè)變化量，給出的數(shù)值是設(shè)計(jì)的額定頻率值。

表1 冷坩堝真空感應(yīng)凝殼爐設(shè)備參數(shù)

4、鑄造裝置

　　CCLM 設(shè)備的另一個(gè)核心技術(shù)是鑄造裝置。鑄造方式可以分為頂部吸注，傾轉(zhuǎn)澆注，底部澆注和傾斜式澆注四種形式。除了在澆道設(shè)置保溫裝置外，模殼外圍也可加裝保溫控溫裝置，對模殼溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以保證鑄造條件。對于薄壁件，模殼需要固定在離心轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)速可根據(jù)工藝需要調(diào)整。同時(shí)，離心轉(zhuǎn)盤可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成水冷轉(zhuǎn)盤。模殼入口的熔溫度由紅外光學(xué)溫度計(jì)或測溫偶測得。

5、發(fā)展趨勢

　　目前，國內(nèi)主要鈦合金材料的研究單位都配備了冷坩堝真空感應(yīng)凝殼爐，容量均在50 kg 以下，不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求。在未來幾年內(nèi)，冷坩堝真空感應(yīng)熔煉技術(shù)會(huì)隨著航空航天，深海潛水器，核工業(yè)，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)Ω叨私饘俨牧闲枨蟮目焖僭鲩L而發(fā)展。在冷壁坩堝內(nèi)疊加直流螺線管磁場，可以改變?nèi)垠w的駝峰高度及溫度，使得熔煉過程更加快速平穩(wěn)，過熱度更高。隨著容量的逐步增加，新的冷坩堝感應(yīng)加熱裝置的結(jié)構(gòu)必將出現(xiàn)。