結(jié)合國(guó)內(nèi)外冷坩堝熔煉設(shè)備的研究成果，提出了冷坩堝熔煉設(shè)備發(fā)展的方向。文中首先分析影響過熱度因素，并提出了幾種提高過熱度的方法。然后介紹了冷坩堝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的若干思路。接著介紹了應(yīng)用CAE 技術(shù)分析冷坩堝熔煉過程的現(xiàn)狀。最后提出未來針對(duì)冷坩堝熔煉設(shè)備分析發(fā)展趨勢(shì)。

　　冷坩堝感應(yīng)熔煉，是一種通過感應(yīng)加熱方式配合分瓣式水冷銅坩堝來進(jìn)行熔煉的特種冶金方法。由于此種方法在熔煉時(shí)熔融的金屬會(huì)在坩堝壁和底部形成一層凝殼， 所以國(guó)際一般稱為Induction skull melting(ISM)，也有將其稱為CCIM(Cold crucible induction melting)。ISM 設(shè)備在熔煉Ti、TiAl 合金及Zr 等難熔活潑金屬時(shí)，可以準(zhǔn)確控制熔煉條件。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)認(rèn)為ISM 設(shè)備不但在熔煉特種金屬方面得到了應(yīng)用，還在定向凝固、霧化制粉、光伏產(chǎn)業(yè)及核廢料處理等多個(gè)方面得到了發(fā)展。本文僅對(duì)冷坩堝熔煉設(shè)備發(fā)展向做簡(jiǎn)要論述。

　　1、提高過熱度

　　提高冷坩堝熔煉時(shí)的過熱度一直以來都是一個(gè)核心問題。早期ISM 設(shè)備的過熱度一般只能維持在10℃到20℃左右(Ti 合金)。如此低的過熱度使金屬液在澆鑄薄件時(shí)變得異常困難，以前常采用快速澆鑄的方法，當(dāng)然這也帶來一些其它問題。新一代ISM 設(shè)備通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高熔煉電源功率，一定程度上解決了大功率下不穩(wěn)定等問題，使過熱度提到至33℃~62℃(針對(duì)不同氣氛環(huán)境有所不同)。

圖1 VISF-5 型冷坩堝熔煉設(shè)備

　　在熔高純Ti 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)當(dāng)加大功率時(shí)，熔體的溫度升高很小，但水溫卻急劇升高的情況。關(guān)于此現(xiàn)象，主要是因?yàn)殡S著熔體溫度的升高，整個(gè)坩堝系統(tǒng)趨于熱平衡，大量功率耗在水上；另一方面由于溫度升高使熔體熱容增大從而使熔體升溫緩慢。V. Bojarevics 等人對(duì)此也做出過研究，發(fā)現(xiàn)加大功率后熱損失急劇上升，最大超過55%，并給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖(圖2、3)。

圖2 功率輸入與損失(TiAl 合金)

圖3 熔煉Al 和TiAl 合金時(shí)冷坩堝設(shè)備的效率

　　相比電弧凝殼爐60℃-200℃過熱度，ISM設(shè)備的過熱度對(duì)于很多工況還是偏低。從某種程度上講過熱度低的問題是限制ISM 類設(shè)備走向大型化和普遍化的一大障礙。

　　國(guó)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)與仿真認(rèn)為主要的熱損失來自銅坩堝壁(底)焦?fàn)枱崤c熔體內(nèi)部熱流。由公式：

　　由此公式可以看出，通過有效調(diào)整熔體內(nèi)部湍流狀態(tài)進(jìn)而控制熱損失。而其給出的方案是外加磁場(chǎng)。通過外加磁場(chǎng)來減小熔體內(nèi)部因高溫湍流所引起的熱損失。從分析的結(jié)果看，近似條件下，可提高40 多度的過熱度，效果十分明顯。圖4是純Al 熔煉時(shí)加載DC 磁場(chǎng)對(duì)過熱度的影響。

圖4 熔煉Al 時(shí)，DC 磁場(chǎng)對(duì)熔體溫度的影響

　　雖然，國(guó)外學(xué)者僅在數(shù)值計(jì)算與理論層面上對(duì)此做出論述，但美國(guó)Consarc 公司連續(xù)多年注冊(cè)與之有關(guān)的專利技術(shù)。可見國(guó)外公司對(duì)此方案比較看好。R.A.Harding 等人提出過一種爐內(nèi)預(yù)加熱模殼傾翻鑄造(Tilt Casting)的方式。此法在現(xiàn)有過熱度情況下，有效提高TiAl 合金葉片的鑄件質(zhì)量。此方法雖然沒有直接提高熔煉過熱度，但卻達(dá)到了近似的目的。ISM 與離子炬復(fù)合熔煉(PIM)的形式不在本文中討論。

　　2、展望

　　a、從目前來看，隨著ISM 設(shè)備的不斷成熟，在熔煉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，短期內(nèi)此類設(shè)備難出現(xiàn)重大改進(jìn)，多是一些細(xì)節(jié)上的完善。

　　b、真空技術(shù)網(wǎng)(http://203scouts.com/)認(rèn)為先進(jìn)的CAE 仿真分析技術(shù)會(huì)在未來ISM優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來越重要的作用。

　　c、ISM 設(shè)備的另一大發(fā)展思路是多用化。如用ISM 熔煉系統(tǒng)進(jìn)行定向凝固、霧化制粉等。此類設(shè)備往往采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶的工藝及工況要求，配套不同的功能模塊，以實(shí)際傳統(tǒng)感應(yīng)熔煉與冷坩堝熔煉過程。比較典型的如日本產(chǎn)機(jī)電業(yè)生產(chǎn)的立式真空感應(yīng)爐，它可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)CC(普通鑄造)、DS/SC(定向凝固/ 單晶)等多種功能。