TWI630365B - Radon device with temperature control design and temperature control method thereof - Google Patents

Abstract

一種具溫控設計的坩堝裝置，該坩堝裝置包括：一坩堝本體；一感應線圈單元，環繞該坩堝本體，且於使用時提供一熱源，用以使一金屬材料熔融並生成具熔殼的熔湯；一噴嘴凸緣體及一熔湯輸送導管，該熔湯輸送導管經由該噴嘴凸緣體而連通於該坩堝本體之底部，用以輸送該坩堝本體內之熔湯；以及一溫控單元，包括相互耦接的一微處理器、一加熱器及一溫度感測器，用以控制該熔殼曲線下降至一預設位置。

Description

具溫控設計的坩堝裝置及其溫控方法

本發明有關於一種具溫控設計的坩堝裝置及其溫控方法，特別是關於一種適用於熔殼之具溫控設計的坩堝裝置及其溫控方法。

如圖1所示，自前習知水冷式銅坩堝9會有破殼的問題，在熔殼91上方已熔化之熔湯92為精細晶粒區域93；而在熔殼91下方未熔化之熔湯92則為粗糙晶粒區域94，並造成已熔化之熔湯92無法順利地流出。

為了解決水冷式銅坩堝9之破殼問題，如圖2所示，水冷式銅坩堝9設有一陶瓷隔熱環95，其位於該水冷式銅坩堝9之一坩堝本體96與一噴嘴凸緣體97之間，用以避免該噴嘴凸緣體97之熱量流失至水冷式坩堝本體，如此使該熔殼91之曲線下降至靠近該噴嘴凸緣體97之兩側，進而使已熔化之熔湯92順利地流出。

雖然解決習知水冷式銅坩堝之破殼問題，但是過高的熔湯溫度將可能造成該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物反應。例如，石墨所製之噴嘴凸緣體與鈦金屬熔湯產生化合物的反應溫度約大於攝氏1050度，若靠近該噴嘴凸緣體附近的熔湯溫度超過攝氏1050度，則會造成石墨與鈦金屬反應成碳化鈦(TiC)化合物，進而影響鈦金屬熔湯之品質。再者，熔湯溫度並沒有控制在一理想溫度範圍內，甚至在不同次之熔煉製程中，熔湯溫度變化會很大，例如不同次之熔煉製程中鈦金屬熔湯的溫度差會大於300度以上。如此一來，將會使該熔湯之熔殼的曲線變成不可控制的，進而影響後續製程 鑄造品質。

有鑑於此，便有需要提供一種適用於熔殼之具溫控設計的坩堝裝置及熔殼之溫控方法，來解決前述的問題。

本發明的主要目的在於提供一種具溫控設計的坩堝裝置及其溫控方法，用以控制熔殼曲線下降至一預設位置，以於破殼同時維持熔湯品質並提高熔湯利用率。

為達成上述目的，本發明提供一種具溫控設計的坩堝裝置，該坩堝裝置包括：一坩堝本體；一感應線圈單元，環繞該坩堝本體，且於使用時提供一熱源，用以使一金屬材料熔融並生成具熔殼的熔湯；一噴嘴凸緣體及一熔湯輸送導管，該熔湯輸送導管經由該噴嘴凸緣體而連通於該坩堝本體之底部，用以輸送該坩堝本體內之熔湯；以及一溫控單元，包括相互耦接的一微處理器、一加熱器及一溫度感測器，其中：該溫度感測器用以量測該噴嘴凸緣體靠近該熔湯之邊界溫度，該加熱器用以感應加熱該噴嘴凸緣體，該微處理器根據量測後之該噴嘴凸緣體之邊界溫度，並調整該加熱器之功率，以控制該噴嘴凸緣體之邊界溫度達到一預定溫度，進而控制該熔殼曲線下降至一預設位置。

當該熔湯(例如鈦金屬)之熔殼溫度大於該噴嘴凸緣體(例如石墨)與該熔湯產生化合物的反應溫度時，較佳地該預定溫度小於並接近該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度。由於該噴嘴凸緣體之邊界溫度(控制為預定溫度)被控制在小於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度，因此該噴嘴凸緣體之預定溫度可避免造成該噴嘴凸緣體與該熔湯反應成化合物，進而確保該熔湯之品質。

當該熔湯(例如鈦金屬)之熔殼溫度小於該噴嘴凸緣體(例如鎢鋼)與該熔湯產生化合物的反應溫度時，較佳地該預定溫度小於並接近該熔湯之熔殼溫度。由於該預定溫 度小於並接近該熔湯的熔殼溫度，因此該熔湯之熔殼的曲線可更靠近該噴嘴凸緣體之兩側。當該熔湯之熔殼的曲線越靠近該噴嘴凸緣體之兩側時，則提高該熔湯之利用率。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

1‧‧‧坩堝裝置

1’‧‧‧坩堝裝置

1”‧‧‧坩堝裝置

10‧‧‧熔湯輸送導管

11‧‧‧熔殼

12‧‧‧熔湯

13‧‧‧精細晶粒區域

14‧‧‧粗糙晶粒區域

15‧‧‧隔熱環

16‧‧‧坩堝本體

161‧‧‧底部

17‧‧‧噴嘴凸緣體

18‧‧‧感應線圈單元

19‧‧‧溫控單元

19”‧‧‧溫控單元

191‧‧‧微處理器

192‧‧‧加熱器

193‧‧‧溫度感測器

194‧‧‧冷卻水路

8‧‧‧鑄造模具

9‧‧‧水冷式銅坩堝

91‧‧‧熔殼

92‧‧‧熔湯

93‧‧‧精細晶粒區域

94‧‧‧粗糙晶粒區域

95‧‧‧陶瓷隔熱環

96‧‧‧坩堝本體

97‧‧‧噴嘴凸緣體

圖1為習知水冷式銅坩堝之剖面示意圖；圖2為另一習知水冷式銅坩堝之剖面示意圖，其顯示設有一陶瓷隔熱環；圖3為本發明之第一實施例之具有熔殼之溫控設計的坩堝裝置之剖面示意圖；圖4為本發明之第一實施例之具有溫控設計(左圖)與沒有溫控設計(右圖)之熔殼曲線的比較圖；圖5為本發明之第二實施例之具有熔殼之溫控設計的坩堝裝置之剖面示意圖；圖6為本發明之第二實施例之具有溫控設計(左圖)與沒有溫控設計(右圖)之熔殼曲線的比較圖；以及圖7為本發明之第三實施例之具有熔殼之溫控設計的坩堝裝置之剖面示意圖。

參考圖3，其顯示本發明之第一實施例之具有熔殼之溫控設計的坩堝裝置1。該坩堝裝置1用以製造熔湯12，該熔湯12可應用在鑄造製程，例如輸送至一鑄造模具8。在本實施例中，該熔湯12以鈦金屬熔湯為例說明如後。

該坩堝裝置1包括：一坩堝本體16、一感應線圈單元18、一溫控單元19、一噴嘴凸緣體(nozzle flange body)17及一熔湯輸送導管10。

該坩堝本體16為水冷式坩堝本體。該感應線圈單元18環繞該坩堝本體16，且於使用時提供一熱源，用以使一金屬材料熔融並生成具熔殼的熔湯。舉例，該感應線圈單元18感應加熱位於該坩堝本體16內之金屬材料棒，以產生一熔湯12。在本實施例中，該坩堝本體16內之熔湯12可藉由一高週波線圈之感應線圈(例如30KW、8kHz)感應加熱一活性金屬材料棒(例如鈦金屬材料棒)而產生。由於該坩堝本體16為水冷式設計，因此該熔湯12會形成有一熔殼11，在熔殼11上方已熔化之熔湯12為精細晶粒區域13，而在熔殼11下方未熔化之熔湯12則為粗糙晶粒區域14。

該熔湯輸送導管10經由該噴嘴凸緣體17而連通於該坩堝本體16之底部161，用以輸送該坩堝本體16內之熔湯12。該熔湯輸送導管10可為石墨、鎢鋼等耐熱材質所製。在本實施例中，該噴嘴凸緣體17為石墨之耐熱材質所製。

該溫控單元19包括相互耦接的一微處理器191、一加熱器192及一溫度感測器193。舉例，該微處理器191電性連接於該加熱器192及該溫度感測器193。該溫度感測器193用以量測該噴嘴凸緣體17靠近該熔湯12之邊界溫度。該加熱器192用以感應加熱該噴嘴凸緣體17。該微處理器191根據量測後之該噴嘴凸緣體17之邊界溫度，並調整該加熱器192之功率，以控制該噴嘴凸緣體17之邊界溫度達到一預定溫度，進而控制該熔殼12之曲線下降至一預設位置，以於破殼同時維持該熔湯12品質並提高該熔湯12利用率。舉例，該溫度感測器193可為熱電偶(Thermo couple)，其直接埋入至該噴嘴凸緣體17，用以量測該噴嘴凸緣體17之邊 界溫度。該加熱器192為可調功率之感應線圈，用以感應加熱該噴嘴凸緣體17之邊界溫度達到該預定溫度。例如，該感應線圈之功率為5KW，該噴嘴凸緣體17之邊界溫度到達攝氏1000度；該感應線圈之功率為6KW，該噴嘴凸緣體17之邊界溫度到達攝氏1100度等等。該感應線圈為高週波線圈，例如400KHz。該微處理器191可更包括一比例積分微分(PID)控制器，用以根據該預定溫度而輸出該感應線圈之功率，感應加熱該噴嘴凸緣體17之邊界溫度達到該預定溫度。

該噴嘴凸緣體17之預定溫度T₀的下限值為大於等於該熔湯12之熔殼11破殼的基礎溫度T₁，該基礎溫度T₁是指小於該熔湯12之熔殼11溫度T₂約200度的溫度下降梯度(例如，鈦金屬熔點溫度約為攝氏1680度，鈦金屬熔湯的熔殼11溫度T₂約為攝氏1200度，當該噴嘴凸緣體17之預定溫度T₀超過該基礎溫度T₁攝氏1000度時，則該熔殼11之曲線之中心會向下移動而產生破殼)。因此，該噴嘴凸緣體17之預定溫度T0大於該熔湯12之熔殼11溫度T₂減去200度(亦即T₀≧T₁=T₂-200)即可使該熔殼11破殼。圖4為本發明之第一實施例之具有溫控設計(左圖)與沒有溫控設計(右圖)之熔殼曲線的比較圖，左圖顯示溫控設計使該噴嘴凸緣體17之預定溫度T₀超過該基礎溫度T₁，除了該熔殼11之曲線之中心會向下移動而產生破殼之外，並且該熔殼11之曲線之左半部及右半部也下降至靠近該噴嘴凸緣體之兩側，進而使已熔化之熔湯12順利地流出；而右圖顯示先前技術之熔殼91沒有產生破殼。在另一實施例中，若該熔湯12改為鈦金屬熔湯以外的金屬材料熔湯，該預定溫度T₀下限值則會因熔湯材料不同而有所調整，主要係依據溫度梯度的實驗結果來計算其下限值。

但是，當該熔湯12之熔殼11溫度大於該噴嘴凸緣體17與該熔湯12產生化合物的反應溫度時，該噴嘴凸緣 體17之預定溫度的上限值須為該噴嘴凸緣體17與該熔湯12產生化合物的反應溫度(例如石墨所製之噴嘴凸緣體17與鈦金屬熔湯產生化合物的反應溫度約為攝氏1050度以上)。較佳地，該預定溫度小於並接近該噴嘴凸緣體17與該熔湯12產生化合物的反應溫度，例如該預定溫度小於並接近攝氏1050度。由於該噴嘴凸緣體17之邊界溫度(控制為預定溫度)被控制在小於該噴嘴凸緣體17與該鈦金屬熔湯產生化合物的反應溫度，因此該噴嘴凸緣體17之預定溫度可避免造成石墨與鈦金屬反應成碳化鈦(TiC)化合物，進而確保該熔湯12之品質。

再者，由於該噴嘴凸緣體17之邊界溫度(控制為預定溫度)，進而使熔湯溫度也被控制在一理想溫度範圍內，因此在不同次之熔煉製程中，熔湯溫度變化會很小，例如不同次之熔煉製程中鈦金屬熔湯的溫度差會小於50度。如此一來，將會使該熔湯12之熔殼的曲線變成可控制的，進而提升後續製程之鑄造品質。

請再參考圖3，在另一實施例中，該噴嘴凸緣體17為鎢鋼之耐熱材質所製。當該熔湯12之熔殼溫度小於該鎢鋼所製之噴嘴凸緣體17與該熔湯12產生化合物的反應溫度時，該噴嘴凸緣體17之預定溫度的上限值可為該熔湯12之熔殼11溫度。較佳地，該預定溫度小於並接近該熔湯12之熔殼11溫度。舉例，該鈦金屬熔湯的熔殼溫度(約為攝氏1200度)小於該鎢鋼所製之該噴嘴凸緣體17與該熔湯12產生化合物的反應溫度。由於該預定溫度小於並接近鈦金屬熔湯的熔殼溫度(約為攝氏1200度)，因此鈦金屬熔湯之熔殼11之曲線的左半部及右半部可更靠近該噴嘴凸緣體17之兩側。當該熔湯12之熔殼11之曲線的左半部及右半部越靠近該噴嘴凸緣體17之兩側時，則在熔殼11上方已熔化之熔湯12的精細晶粒區域13越大，而在熔殼11下方未熔化之熔湯12的粗 糙晶粒區域14越小，進而越提高該熔湯12之利用率，但仍需該熔殼11作為保護層。

參考圖5，其顯示本發明之第二實施例之具有熔殼之溫控設計的坩堝裝置示意圖。第二及第一實施例之差異在於：第二實施例之該坩堝裝置1’更包括一隔熱環15，其位於該坩堝本體16與該噴嘴凸緣體17之間，用以減緩該噴嘴凸緣體17之熱量流失至該坩堝本體16。該隔熱環15可為陶瓷材料所製。該溫控單元19亦包括一微處理器191、一加熱器192及一溫度感測器193。該溫度感測器193用以量測該噴嘴凸緣體17靠近該熔湯12之邊界溫度。該加熱器192用以感應加熱該噴嘴凸緣體17。該微處理器191根據量測後之該噴嘴凸緣體17之邊界溫度，並調整該加熱器192之功率，以控制該噴嘴凸緣體17之邊界溫度達到一預定溫度，以確保該熔湯12之品質並協助達成該熔湯12之熔殼破殼。由於減緩該噴嘴凸緣體17之熱量流失至該坩堝本體，因此以較小功率即可加熱該噴嘴凸緣體17之邊界溫度達到該預定溫度。圖6為本發明之第二實施例之具有溫控設計(左圖)與沒有溫控設計(右圖)之熔殼曲線的比較圖，其顯示具有溫控設計使熔殼11之曲線之左半部及右半部可下降至更靠近該噴嘴凸緣體17之兩側。

參考圖7，其顯示本發明之第三實施例之具有熔殼之溫控設計的坩堝裝置1”示意圖。第三及第二實施例之差異在於：第三實施例之該溫控單元19”更包括一冷卻水路194，用以將該噴嘴凸緣體之熱量移除，其中具有該冷卻水路194及加熱器192之溫控單元19”可更快速及精確使該噴嘴凸緣體17之邊界溫度達到該預定溫度。

另外，本發明更提供一種熔殼之溫控方法，包括下列步驟：提供一坩堝本體、一噴嘴凸緣體及一熔湯輸送導管，其中該熔湯輸送導管經由該噴嘴凸緣體而連通於該坩 堝本體之底部；感應加熱位於該坩堝本體內之一活性金屬材料棒，以產生一熔湯，該熔湯形成有一熔殼；量測該噴嘴凸緣體靠近該熔湯之邊界溫度；以及根據量測後之該噴嘴凸緣體之邊界溫度，以感應加熱該噴嘴凸緣體並控制該噴嘴凸緣體之邊界溫度達到一預定溫度，其中：當該熔湯之熔殼溫度大於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度時，該預定溫度小於並接近該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度，且該預定溫度大於該熔湯之熔殼溫度減去200度；以及當該熔湯之熔殼溫度小於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度時，該預定溫度小於該熔湯之熔殼溫度，且該預定溫度大於該熔湯之熔殼溫度減去200度。

當該熔湯(例如鈦金屬)之熔殼溫度大於該噴嘴凸緣體(例如石墨)與該熔湯產生化合物的反應溫度時，較佳地該預定溫度小於並接近該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度。由於該噴嘴凸緣體之邊界溫度(控制為預定溫度)被控制在小於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度，因此該噴嘴凸緣體之預定溫度可避免造成該噴嘴凸緣體與該熔湯反應成化合物，進而確保該熔湯之品質。

當該熔湯(例如鈦金屬)之熔殼溫度小於該噴嘴凸緣體(例如鎢鋼)與該熔湯產生化合物的反應溫度時，較佳地該預定溫度小於並接近該熔湯之熔殼溫度。由於該預定溫度小於並接近該熔湯的熔殼溫度，因此該熔湯之熔殼的曲線可更靠近該噴嘴凸緣體之兩側。當該熔湯之熔殼的曲線越靠近該噴嘴凸緣體之兩側時，則提高該熔湯之利用率。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims (10)

1. 一種具溫控設計的坩堝裝置，該坩堝裝置包括：一坩堝本體；一感應線圈單元，環繞該坩堝本體，且於使用時提供一熱源，用以使一金屬材料熔融並生成具熔殼的熔湯；一噴嘴凸緣體及一熔湯輸送導管，該熔湯輸送導管經由該噴嘴凸緣體而連通於該坩堝本體之底部，用以輸送該坩堝本體內之熔湯；以及一溫控單元，包括相互耦接的一微處理器、一加熱器及一溫度感測器，其中：該溫度感測器用以量測該噴嘴凸緣體靠近該熔湯之邊界溫度，該加熱器用以感應加熱該噴嘴凸緣體，該微處理器根據量測後之該噴嘴凸緣體之邊界溫度，並調整該加熱器之功率，以控制該噴嘴凸緣體之邊界溫度達到一預定溫度，進而控制該熔殼曲線下降至一預設位置；當該熔湯之熔殼溫度大於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度時，該預定溫度小於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度；以及當該熔湯之熔殼溫度小於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度時，該預定溫度小於該熔湯之熔殼溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具溫控設計的坩堝裝置，其中該噴嘴凸緣體為石墨或鎢鋼所製。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具溫控設計的坩堝裝置，更包括：一隔熱環，其位於該坩堝本體與該噴嘴凸緣體之間，用以減緩該噴嘴凸緣體之熱量流失至該坩堝本體。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具溫控設計的坩堝裝置，其中該溫控單元更包括一冷卻水路，用以將該噴嘴凸緣體之熱量移除。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具溫控設計的坩堝裝置，其中該溫度感測器為熱電偶，其直接埋入至該噴嘴凸緣體；以及該加熱器為可調功率之感應線圈。
6. 一種坩堝裝置之溫控方法，包括下列步驟：提供一坩堝本體、一噴嘴凸緣體及一熔湯輸送導管，其中該熔湯輸送導管經由該噴嘴凸緣體而連通於該坩堝本體之底部；感應加熱位於該坩堝本體內之一活性金屬材料棒，以產生一熔湯，該熔湯形成有一熔殼；量測該噴嘴凸緣體靠近該熔湯之邊界溫度；以及根據量測後之該噴嘴凸緣體之邊界溫度，以感應加熱該噴嘴凸緣體並控制該噴嘴凸緣體之邊界溫度達到一預定溫度，進而控制該熔殼之一曲線下降至一預設位置，其中：當該熔湯之熔殼溫度大於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度時，該預定溫度小於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度；以及當該熔湯之熔殼溫度小於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度時，該預定溫度小於該熔湯之熔殼溫度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之坩堝裝置之溫控方法，其中該噴嘴凸緣體為石墨所製，該熔湯之熔殼溫度大於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度，且該預定溫度小於並接近該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度。
8. 如申請專利範圍第7項所述之坩堝裝置之溫控方法，其中該熔湯為一鈦金屬熔湯，其熔殼溫度為攝氏1200度，該 石墨所製之噴嘴凸緣體與該鈦金屬熔湯產生化合物的反應溫度為攝氏1050度以上，且該預定溫度小於並接近攝氏1050度。
9. 如申請專利範圍第6項所述之坩堝裝置之溫控方法，其中該噴嘴凸緣體為鎢鋼所製，該熔湯之熔殼溫度小於該噴嘴凸緣體與該熔湯產生化合物的反應溫度，且該預定溫度小於並接近該熔殼溫度。
10. 如申請專利範圍第9項所述之坩堝裝置之溫控方法，其中該熔湯為一鈦金屬熔湯，其熔殼溫度為攝氏1200度，該鈦金屬熔湯的熔殼溫度小於該鎢鋼所製之噴嘴凸緣體與該鈦金屬熔湯產生化合物的反應溫度，且該預定溫度小於並接近攝氏1200度。