CN101827671A - 半液体金属处理和感应设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种半液体金属处理和感应设备，其包括由至少一个感应线圈至少部分地环绕的坩锅。可水冷一个或多个感应线圈。一个或多个感应线圈可被设计成生成可变化的功率和/或变化的频率的磁场，可调制该磁场以控制坩锅中的熔化的金属装料的冷却，从液态温度至选定的热含量、电阻系数和/或粘性。磁场可被设计成感应坩锅中的金属装料的螺旋管形的搅拌。通过对于从感应线圈获得的电反馈信号的实时或非实时分析，由感应电源感应得到并有源地控制半液体导电。

Description

半液体金属处理和感应设备及其使用方法

相关申请的交叉参考

本申请主张2007年10月12日在美国提出的美国临时专利申请No.60/979,511的优先权，其全部内容都通过参考包含在这里。

技术领域

本发明总体上涉及一种关于熔化的和/或半熔化的金属的处理设备和方法；尤其涉及一种用于至少部分地监视和/或控制熔化的和/或半熔化的材料的加热、冷却和/或搅动的设备和方法；更具体地涉及一种用于至少部分地监视和/或控制熔化的和/或半熔化的材料的加热、冷却和/或搅动，并且感应熔化的和/或半熔化的材料的状态的设备和方法；进一步具体地涉及一种用于至少部分地监视和/或控制熔化的和/或半熔化的材料的加热、冷却和/或搅动，感应熔化的和/或半熔化的材料的状态，并且提供将熔化的和/或半熔化的材料传送到成型设备的装置的设备和方法。

背景技术

金属处理和成型是重要的工业处理。通常期望能够从处于熔化状态但不完全是液体的金属成型或铸造出金属产品。同时，还期望控制所选择的金属性能，诸如粘性等。一种用于控制金属性能的已知处理包括利用搅动装置剪切(shear)熔化的合金，同时在合金的半固态温度范围(即处于液态温度和固态温度之间的温度)内逐渐冷却金属，并且在上述时间内材料会具有变化的固体部分(fs，solids fraction)，但是与液体相比更趋向于固体。液态温度是混合物(诸如金属合金)的成分可处在液体状态下的最低温度。在液态温度之下，混合物将会部分地或完全地成为固体。固态温度是混合物(诸如金属合金)的成分可处在固体状态下的最高温度。在固态温度之上，某些或全部的混合物将会变为固体状态。

当混合物的熔化温度下降到液态温度以下时，上述类型的金属处理会引起混合物开始成核，由此妨碍了分支(dendritic)(即，材料中的针状水晶结构)的正常形成。在上述类型的金属处理过程中并且当半固体金属处在特定的固体部分状态时，多成分合金材料具有如下结构，即包括固态的、类似球体的、由共晶液体(即，包括较低熔化点成分的液体)所包围的“α颗粒”(即，具有较高熔化点主要成分的固体颗粒)。如此，在混合物的成型过程中，半固体材料，其在下面将被称为“SSM”，具有能使混合物如同半刚性块被处理的粘性。上述半刚性块的混合物可被在层流条件下注入到铸型当中，这与传统的完全熔化合金成型和注入处理中作为特征的湍流是不同的。

在层流条件下将SSM注入到铸型当中可消除在生产拉模铸造(diecasting)、金属型铸造(permanent mold casting)和其他铸造方法中的传统熔化金属处理相关的许多共有缺陷。这些缺陷包括收缩多孔性、氧化物的形成和气体多孔性。这些缺陷中的每一种缺陷都可造成成型的混合物的变差的机械性能，诸如较低的强度、降低的疲劳寿命、和/或铸造可满足热处理的变差的能力，其中热处理典型地用于优化铸造产品的强度和使用寿命。

包括对熔化的合金的剪切的上述处理的另一有利特点在于，在处理了SSM之后，可允许材料完全地固化，并且在随后的再次加热时，材料可保持处在半固体温度范围内的、类似球体的“α颗粒”SSM结构。考虑到在大体积条型(bar)铸造操作中可生成具有SSM结构的金属原料，故上述随后的再次加热处理被广泛采用并且也是优选的。条型件可被方便地运送到生产车间，被切割成任意的大小，并且随后再次加热到成型或铸造操作的制备过程所需的半固体条件。然而，考虑到再次加热SSM并且铸造处理后的条型件所需的装备相关的成本，上述处理是昂贵的，并且不能回收再次利用处理后的材料，而且维持SSM结构的同时会造成现场的零碎废弃(scrapped)。

主要是由于不需要价格昂贵的再次加热装备，因此与再次加热处理相比较，现场对标准的金属原材料进行SSM材料的熔化、冷却和处理可使得装备和材料回收利用方面非常经济，并且如果在加热或成型处理过程中发生中断，则会造成没有被维持为处理材料的大量材料变得不可使用。利用标准的燃烧炉和熔化金属传送装备来执行上述标准的金属生产处理。可方便地回收利用零碎废弃的金属，并且如果需要还可将其再次处理成现场的SSM条件。现场处理单元会花费一些成本，但是这与再次加热所需的专用装备所需的总成本相比通常显著地减少。

在再次加热和传统的生产处理两者中，目标都是使得所完成的金属具有所选择的微结构。SSM处理和随后将材料成型为完成的产品的重要优点在于，粘性的SSM材料可以层流方式流入到铸型当中，这大大降低了缺陷的发生。

上述处理的有益效果包括：基于氧化物、气体多孔性和收缩多孔性等的最小化的、改善的机械性能和疲劳寿命。SSM成型处理的主要适用对象是那些关乎安全和对于压力敏感的部件。

传统的，利用热电偶得到的熔化的金属装料的温度来确定所期望的SSM条件。热电偶会是嵌入到材料当中，或是内置于装载材料的容器当中。一种可选方法是回收材料的采样，并利用抹刀将材料切割或捏制以感知到粘性。然而，上述可选方法是不准确的、有破坏性的，并且包括与关键的熔化和铸造处理可流水线的独立的处理步骤。考虑到热电偶会被损坏、性能下降、被腐蚀、或是在使用中不起作用等，故热电偶具有局限性。

处理控制的其他方法都是基于时间被执行的，经由算法被编程，其中该算法仅考虑通过热电偶感应得到的初始熔化金属温度和金属合金的已知热特征。由于上述控制方法没有考虑所有变量，诸如容器温度和周边温度，故上述控制方法是不可靠的。现有方法也不能在成型处理的装料、处理、运送或传送步骤中连续地监视SSM材料的条件。

半液体材料，其在下面被称为“SLM”，也具有液体温度和固态温度之间的温度范围，但是其与固体相比更趋向于液体。SLM还被用于成型和铸造操作。现有的SLM方法也具有局限性。上述方法都没有考虑由于下游的机器中断、操作员中断、或短期的维修中断等造成的不规则的成型周期时间。如果标准的冷却周期被耽搁或被中断，则SLM装料会出现零碎废弃，并且当机器中断已经被解决时必须处理另一金属装料。这必然导致材料的浪费和成本的增加。此外，现有的SLM方法不能以如下方式控制SLM处理，即对于每次金属装料都确保SLM装料的温度和粘性条件完全一致。

鉴于现有技术的当前状态，需要提出一种能够克服关于处理SSM/SLM的以往缺陷的装置和方法。特别地，需要提出一种能够用来以如下方式控制SSM/SLM的装置和方法，即对于每次金属装料都确保SLM装料的温度和/或粘性条件完全一致，并且该装置和方法可在成型处理的装料、处理和运送和传送等步骤中对SSM/SLM材料的条件实现连续的监视。

发明内容

本发明针对半液体金属(SLM)和/或半固体金属(SSM)处理和感应设备，其可克服与处理SSM/SLM相关的传统缺陷。在这里被使用时，术语SSM和SLM可以互换地使用，并且都指代处在金属或金属合金的液态温度和固态温度之间的温度的金属或金属合金。

在本发明的一个非限定性实施例中，提供了一种处理和感应设备，其包括由至少一个感应线圈至少部分地环绕的坩锅或容器系统。坩锅或容器系统中金属或金属合金的半液体情况可被设计成通过对于从至少一个感应线圈获得的电反馈信号的实时或非实时分析，由感应电源感应得到并有源地控制。在该实施例的一个非限定性方面中，一个或多个感应加热线圈可以是水冷的螺线管形感应线圈；然而，这并不是必须的。在该实施例的另一和/或可选的非限定性方面中，一个或多个感应线圈可被设计成生成可变化的功率和/或变化的频率的磁场，可调制该磁场以控制坩锅或容器系统中的熔化的金属装料的冷却，从液体的熔化金属温度至低于材料的液态温度的选定的热含量、电阻系数和/或粘性。在该实施例的另一或可选的非限定性方面中，一个或多个感应线圈可被设计成产生可感应出对坩锅或容器系统中的金属装料(metal charge)的螺线管形搅拌(toroidal agitation)的磁场。在该实施例的另一或可选的非限定性方面中，一个或多个感应线圈可被设计成产生单一区域的坩锅或容器系统中的加热和/或搅拌，或多个感应线圈用于产生多个区域的坩锅或容器系统中的加热和/或搅拌。在美国专利No.7,216,690；7,169,350；7,132,077；6,991,970；6,932,938；6,796,362；6,637,927；6,443,216；6,432,160；6,402,367；6,399,017；5,219,018；和4,434,837和美国专利申请公开No.2007/0187060中公开了本发明中使用的处理金属或金属合金的液态温度和固态温度之间的金属和金属合金的几种现有技术的装置和方法的配置；它们都包括在这里作为参考。例如，美国专利No.7,169,350；6,991,970；和6,432,160公开了一种产生在铸造处理中使用的“随选(on-demand)”半固体材料的装置和方法。该装置包括多个站，其具有用作处理的部分所必须的组成成分和结构配置。该装置和方法包括对于电磁搅拌和各种温度控制和冷却控制技术的使用和用于方便在相对短的周期时间内产生半固体材料的装置。该装置和方法还包括用于直接地将半固体材料排出到成型机发射套当中的结构配置和技术。在美国专利No.7,169,350；6,991,970；和6,432,160中公开的装置和方法可在本发明中全部地或部分地使用。美国专利No.7,132,077；6,932,938；6,796,362；6,443,216；和6,399,017公开了用于保持处在金属或金属合金的液态温度和固态温度之间的金属和金属合金的坩锅或容器系统。坩锅或容器系统可包括用于从坩锅或容器系统中排出处理后的金属或金属合金的机械式或电磁式排出系统。该坩锅或容器系统可包括冷却配置和/或绝缘配置。在美国专利No.7,132,077；6,932,938；6,796,362；6,443,216；和6,399,017中公开的装置和方法可在本发明中全部地或部分地使用。美国专利No.7,169,350；6,991,970；6,637,927；6,432,160；6,402,367；5,219,018和4,434,837公开了用于机械式或电磁式搅拌处在坩锅或容器系统中包含的金属或金属合金的液态温度和固态温度之间的金属和金属合金的装置和方法。在美国专利No.7,169,350；6,991,970；6,637,927；6,432,160；6,402,367；5,219,018和4,434,837中公开的搅拌配置可在本发明中全部地或部分地使用。

在本发明的另一和/或可选的非限定性实施例中，提供了一种处理和感应设备，其包括由至少一个感应线圈至少部分地环绕的坩锅或容器系统的使用，并且通过对从至少一个感应线圈获得的电反馈信号的实时或非实时分析来确定坩锅中的金属或金属合金的温度。在这样的配置中，不必使用现有技术中所使用的热电偶。如上所述，现有技术中使用的热电偶是位于坩锅或容器系统中或周围的接触式热电偶。上述现有技术中使用的热电偶存在长时间使用会腐蚀的趋势，由此造成不准确的读取，并导致坩锅或容器系统中的不合适温度。此外，现有技术中所使用的热电偶是难以操作、费时和高成本的。

在本发明的另一和/或可选的非限定性实施例中，提供了一种处理和感应设备，其包括由至少一个感应线圈至少部分地环绕的坩锅或容器系统的使用，并且将该感应线圈设计成通过对从至少一个感应线圈获得的电反馈信号的实时或非实时分析，由感应电源感应得到和有源地控制。如此，通过本发明的处理消除了现有技术中的控制坩锅或容器系统中的加热、冷却和/或分发金属或金属合金的方法所存在的如下缺陷，即基于预定的时基、和/或仅考虑当将金属或金属合金放置在坩锅或容器系统中时的初始金属或金属合金温度。由于现有技术的处理不会也不能考虑到与坩锅或容器系统中的金属或金属合金相关联的所有变量(例如，容器温度、周边温度等)，故上述现有技术中的控制处理是不可靠的。根据本发明的控制系统具有不断地或周期性地监视坩锅或容器系统中的金属或金属合金的温度的能力，由此在金属或金属合金的整个加料、处理和传送/传递阶段提供了对坩锅或容器系统中的金属或金属合金的温度的实时或接近实时的控制。现有技术中的控制系统则无法考虑由于下游机器中断、操作员中断或短期维修中断所导致的非正常的成型周期时间。如此，如果标准的冷却周期被延迟或被中断，则坩锅或容器系统中的金属或金属合金很可能会被零碎废弃以及当机器准备重启铸造时造成另一装料被处理。根据本发明的控制系统具有在上述中断时仍可监视并维持坩锅或容器系统中的金属或金属合金的温度的能力，由此不会造成金属或金属合金被零碎废弃并且可将金属或金属合金在期望的温度下传送到铸造和/或发射套当中。现有技术的控制系统无法获得对坩锅或容器系统中的金属或金属合金的温度的控制以保证从坩锅或容器系统中分发的金属或金属合金的条件/一致性/粘性具有相同的物理特性(例如，温度、粘性等)的满意方式。根据本发明的控制系统具有在每次从坩锅或容器系统中分发金属或金属合金时监视并维持金属或金属合金的物理特性的能力。如此，根据本发明的控制系统克服了现有技术中所存在的众多缺陷并且提供了比当前铸造工业中常见的控制系统更经济、可重复的和更具鲁棒性的控制系统。

在本发明的一个非限定性特定配置中，提供了包括生成器(即，处理设备)的控制系统，该控制系统被设计成执行：1)从金属或金属合金被引入到生成器的时刻到从生成器倾泻出或是以其他方式排出金属或金属合金至成型机的接收器(即，发射套、冲头、漏斗等)的时刻，周期性或连续地感应生成器中的金属或金属合金的条件；2)控制生成器中的金属或金属合金的冷却、加热和/或搅拌(热的几何性)，以确保在每次发射时传送到成型机的金属或金属合金处于可重复的、一致的、热的、微结构和粘性条件；和/或3)提供从生成器到成型机的材料连续传送装置(例如，在将熔化的金属或金属合金引入到生成器当中之后)。生成器可不与熔化的金属源和/或成型机接收器相耦合；然而，这并不是必须的；然而，可以理解的是，生成器可以与熔化的金属源和/或成型机接收器物理耦合。在一个非限定性设计中，生成器包括大体上呈圆柱体的腔体或坩锅(例如，石磨、陶瓷/耐火材料、金属和石磨和/或陶瓷的组合等)，其可保持初始地倾泻或是其他方式插入到生成器中的熔化的金属(例如，熔化的铝、熔化的铝合金等)。大体上呈圆柱体的腔体或坩锅可在距离大体上呈圆柱体的腔体或坩锅的外表面大约0.01-1英寸的范围内被螺线管感应线圈至少部分地环绕。该线圈利用耐火间隔器大体上与大体上呈圆柱体的腔体或坩锅的外表面间隔大致统一的距离，以确保可将大体上呈圆柱体的腔体或坩锅处在感应线圈的中心位置处；然而，这并不是必须的。绕组线圈基本上足够环绕整个大体上呈圆柱体的腔体或坩锅，可包括超出大体上呈圆柱体的腔体或坩锅的顶部和/或底部在长度上延伸大体上呈圆柱体的腔体或坩锅高度的三分之一的距离的延伸部(例如，对于6英寸高的坩锅，感应线圈的总长度可达大约10英寸长)。上述感应线圈的延伸部可在使用时方便：1)在大体上呈圆柱体的腔体或坩锅的顶部和底部处对大体上呈圆柱体的腔体或坩锅均匀加热；和/或2)通过感应线圈生成的感应磁场的电磁力适当地搅拌大体上呈圆柱体的腔体或坩锅内部的金属或金属合金。感应线圈和大体上呈圆柱体的腔体或坩锅之间的环形间隔还可至少部分地填充有冲压的/紧凑的干燥耐火材料、云母纸、或是使用耐火水泥铸造放置在感应线圈当中；然而，这并不是必须的。冲压的/紧凑的干燥耐火材料、云母纸、或是铸造的耐火水泥的用途在于当使用时可提供感应线圈和大体上呈圆柱体的腔体或坩锅之间的紧密接触。当生成上述紧密接触时，该紧密接触实现了从大体上呈圆柱体的腔体或坩锅到水冷的感应线圈的热收缩，同时可通过感应线圈提供大体上呈圆柱体的腔体或坩锅中金属或金属合金的加热。感应线圈的冷却性能和感应线圈的加热性能的总体效果在于，提供控制大体上呈圆柱体的腔体或坩锅中金属或金属合金的温度、粘性和/或固体部分(fs)含量的快速响应方法。控制大体上呈圆柱体的腔体或坩锅中金属或金属合金的冷却速率和温度的能力实现了以可重复的方式将金属或金属合金传送到成型设备，甚至在周期延迟或生产中断等情形下仍可实现。可将整个坩锅和线圈组件容纳于保护性、不导电的外壳内部以提供对于设备的安全和保护；然而，这并不是必须的。感应线圈总体上是由可变频率电源(例如，10-10000Hz等)供电的。上述电源可被设计成在单一频率范围或同时多个频率模式下操作，以加强螺线管形搅拌而获得均匀性和/或对于加热/冷却处理的更好的控制。生成器的控制系统可被设计成用来：1)感应生成器中熔化的/半固体/液体金属或金属合金装料的条件；和/或2)基于感应线圈的控制信号来控制金属或金属合金装料的加热/冷却速率。在一个非限定性配置中，是从正在执行加热和冷却的感应线圈获得反馈或控制信号。还可从紧密靠近生成器中金属或金属合金装料的第二、未加电螺线管形线圈可选地获得。如此，可通过与感应线圈的直接接触或是从感应线圈间接地(即，从非接触源)获得反馈或控制信号。例如，感应供电单元的控制板可设置有用于监视(例如，连续地、周期性地)感应线圈上的负载的信号调节。该负载是感应线圈和感应线圈内部的导电材料。如果生成器材料是导电的(例如，石磨、金属等)，则将生成器中的金属或金属合金装料以及生成器自身都视为是导电材料。负载中的电感应变化是由于随着金属或金属合金冷却和加热所引起的生成器中的金属或金属合金的热变化和冶金变化所导致的。可感应得到的电参数的其中一个变化是生成器中的金属或金属合金装料的电阻系数变化，其又产生了感应线圈电压的变化。可以理解的是，出于监视和/或控制生成器的操作的目的，还可感应其他的或额外的电参数。上述一个或多个感应得到的电参数用于至少部分地确定、监视、和/或控制金属装料的特性，包括但不局限于由感应线圈至少部分地环绕的区域内部的负载电阻、金属装料的电阻系数、金属装料的温度、金属装料的固体部分、和/或金属装料的液体部分。可以理解的是，通过感应得到一个或多个电参数监视、确定、和/或控制金属装料的其他特性。上述电压变化可用作控制生成器中金属或金属合金装料的加热和冷却处理的反馈信号。使用感应控制系统中的各种信号调节特征，上述电压信号和/或反映生成器中的金属或金属合金装料的条件的其他变量信号可用来调制并控制生成器中的金属或金属合金装料的冷却、加热、和/或保持温度的物理处理。感应处理系统可被设计成提供信号并在调制功率输出时仍可追踪该信号。因此，生成器中的金属或金属合金装料的加热和冷却处理的控制应当是：1)连续的；2)非接触的(即，在熔化的金属或金属合金或坩锅壁中无需热电偶)；3)能够被调节到期望的操作点；和/或4)能够将生成器中的金属或金属合金装料传送到成型站。生成器中的金属或金属合金装料的加热和冷却控制系统可与其他SSM/SLM生产方法一并使用。例如，一些其他的控制系统可用来初始化金属或金属合金的成核处理，并随后使用处理控制来控制生成器中的金属或金属合金的加热和冷却以确保金属或金属合金的均匀温度。控制系统还可用来获取并随后维持(如果需要的话)生成器中的金属或金属合金的期望温度为传送金属或金属合金至成型站时刻的温度。基于成型机及其装料接收器的设计，生成器可被设计成倾斜方式以倾斜装料到垂直或水平朝向的发射套。生成器和与其相连的感应功率引导器可附着于多轴(例如，典型的3轴或更多的轴)机器/机械手；然而，这并不是必须的。上述机器手在使用时具有充分的运动以移动生成器至可接收(例如，从杓子、金属泵、定量燃烧炉等)熔化的金属装料的位置处。机器手可被设计成移动生成器和与其相连的感应功率引导器到中间位置以便在独立的成核设备中产生SLM结构或是通过在成型站内部通行到传送点来由生成器产生SLM结构。机器手还可被设计成移动生成器和与其相连的感应功率引导器到成型站，其中将生成器倾斜以倾泻或缓慢滑出金属或金属合金装料，或是通过冲头/活塞有源地接合以将金属或金属合金装料注入到成型机的成型或注入腔体。感应电源还可与传送单元是一体的，或是被独立地放置，远离于机器手或处理区域。可以理解的是，生成器可以是完全耦合单元的一部分。在上述配置中，生成器通过加热的传送管从定量燃烧炉或熔化金属泵直接地接收定量的装料。熔化的金属可经过生成器，其中冷却并且搅拌该装料。感应线圈可以是由单一频率生成器加电的单个螺线管线圈，或是由三相频率感应生成器供电的三绕组独立线圈以通过生成器加强金属运动。可在受控条件下在生成器部分保持装料。当处理周期要求注入金属时，驱动金属供应设备(泵或定量单元)，当新的熔化金属引入到生成器时，生成器移动装料经过加热的导管前进至成型/注入腔体。控制系统的一些非限定特征包括：

●处理装备和方法被设计成无需与金属装料物理接触，即可连续地或立即地感应得到正在被处理的材料中存在地半固体/液体材料的程度。

●容纳设备或坩锅是由石磨制成的。

●容纳设备或坩锅是由不锈钢合金制成的并与石磨、氮化硅、和/或其他耐火陶瓷材料相兼容(lined)。

●容纳设备或坩锅可以是陶瓷耐火材料。

●容纳设备或坩锅可以附着在由干燥的耐火材料冲压的螺线管加热/冷却线圈当中。

●容纳设备或坩锅可通过内铸造的耐火水泥附着于螺线管形加热/冷却线圈当中。

●环绕坩锅的螺线管形感应线圈用作冷却设备。

●环绕坩锅的螺线管形感应线圈用作加热设备。

●环绕坩锅的螺线管形感应线圈用作感应设备。

●本发明用于处理非铁合金。

●铝合金对于生成器而言是优选的装料材料。

●本发明用于处理铁质合金。

●通过反馈至感应电源的感应加热/冷却线圈实现对处理控制信号的感应

●通过靠近装料的独立的螺线管线圈作出对处理控制信号的感应

●装备和方法可以如下方式控制对生产并保持材料的处理，即逐个周期地可重复地在期望的部分固体下将材料的半固体装料传送到成型设备。

●生成器连接至多轴机器手以避免可导致对装料的污染的任何处理中的材料传送。

●装备可被直接地耦合至熔化的金属供应和/或金属成型设备。

●装备可以非耦合模式使用金属源和成型设备。

●生成器中的金属或金属合金用于连续地监视金属装料的固体部分和/或液体部分。

●生成器的控制系统可被设计成以重复的方式连续地控制金属装料的冶金条件为选定的条件。

●对于生成器中金属装料的混合可以是螺线管形的混合。

●未耦合的生成器可被封装在顶部开口以便将惰性气体引入到金属装料的上方以限制或阻止氧化物的生成。

本发明的一个非限定性目的在于，提供一种通过分析一个或多个感应得到的电参数(例如，从位于至少部分地环绕坩锅或容器系统的至少一个感应线圈获得的电反馈信号等)实现确定、监视、和/或控制坩锅或容器系统中的金属或金属合金的一个或多个物理特性的装置和方法。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种通过分析从位于至少部分地环绕坩锅或容器系统的至少一个感应线圈获得的电反馈信号实现确定坩锅或容器系统中的金属或金属合金的温度、固体部分、和/或液体部分的装置和方法。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种通过分析从位于至少部分地环绕坩锅或容器系统的至少一个感应线圈获得的电反馈信号实现确定和/或控制坩锅或容器系统中的金属或金属合金的温度的装置和方法。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种控制从在坩锅或容器系统中储存金属或金属合金的时刻到将金属或金属合金倾泻出或是排出坩锅或容器系统的时刻的金属或金属合金的处理的装置和方法，其中通过分析从位于至少部分地环绕坩锅或容器系统的至少一个感应线圈获得的电反馈信号获得上述处理控制的至少部分信息。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种无需使用热电偶即可确定坩锅或容器系统中的金属或金属合金的温度的装置和方法。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种无需使用热电偶即可确定并控制坩锅或容器系统中的金属或金属合金的温度的装置和方法。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种通过使用直接地感应和/或间接地感应得到至少一个电参数的感应配置，可确定、监视、和/或控制受到由至少一个感应线圈形成的磁场的影响的、生成器中的金属装料的至少一个特性的装置和方法，该至少一个电参数用于至少部分地确定至少部分地由至少一个感应线圈环绕的区域内部的负载电阻、金属装料的电阻系数、金属装料的温度、金属装料的固体部分、和/或金属装料的液体部分。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种包括控制器的使用以基于至少一个感应得到的电参数至少部分地控制至少一个感应线圈的功率等级的装置和方法。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种包括控制器的使用的装置和方法，该控制器用于至少部分地控制金属装料的温度从金属装料的液态温度降低至比金属装料的固态温度较高的温度，以使金属装料刚好具有在所述金属装料被从生成器中倾泻出或其他方式排出之前的特定固体部分和液体部分。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种可感应得到从至少一个感应线圈反馈的至少一个电参数的装置和方法。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种可感应得到从靠近至少一个感应线圈的螺线管线圈的至少一个电参数的装置和方法。

本发明的另一和/或可选的非限定性目的在于，提供一种可数学上操控(例如，考虑参数、相关数据、曲线适配等的导数)至少一个感应得到的电参数的装置和方法，以便至少部分地确定金属装料的物理特性(例如，一段时间上的金属装料的温度、一段时间上的金属装料的电阻系数、一段时间上由感应线圈产生的负载电阻、金属装料的电阻系数对感应线圈的功率、金属装料的电阻系数对金属装料的温度等)的一个或多个趋势。

在参考所附附图阅读如下的具体实施方式时，本领域技术人员可更加清楚这些和其他目的和优点。

附图说明

现在参考附图，来说明本发明的各种实施例，其中本发明可被实现为物理形态和特定的部件和部件的设置，其中：

图1是包括根据本发明的半液体金属处理和感应设备的非限定性金属铸造组件的示意图；

图2是如图1所示的非限定性半液体金属处理和感应设备的示意性横截面图；

图3是关于如图1所示的非限定性半液体金属处理和感应设备中处理的金属或金属合金的非限定性示意的热含量对时间曲线以及示意的温度对时间曲线的示意图；

图4是关于如图1所示的半液体金属处理和感应设备中处理的金属或金属合金的示意的电阻系数对热含量曲线的现有技术示意图；

图5是与图2所示的半液体金属处理和感应设备相类似的示意图，其中示出了半液体金属处理和感应设备中熔化的金属或金属合金的螺线管形流动；

图6是关于包括具有大约7％硅的A356度铝合金的金属合金装料的示意的粘性对温度曲线的现有技术示意图；

图7是关于包括A356度铝合金的金属合金装料的示意的温度对固体部分曲线的现有技术示意图；

图8是关于具有不同固体部分的A356度铝合金的一组示意的粘性对剪切率曲线的现有技术示意图；

图9是用于说明温度对电阻系数数据和温度对感应线圈的总电阻之间关系的曲线图；

图10是用于说明特定时间周期内温度和感应线圈上的实际载荷之间关系的曲线图；

图11是用于说明根据本发明的一个非限定性处理设置的处理流程图；以及

图12是用于说明根据本发明的处理金属装料的非限定性简化处理示意图。

具体实施方式

现在更加详细地参考附图，其中图示仅是出于说明本发明的各实施例的目的，而非用于对本发明作出任何限定，本发明针对一种SML/SSM处理和感应设备，其在下面也被称为“生成器”，用于制备在金属成型或铸造操作中使用的SML/SSM。总体上，处理包括在将金属装料插入到生成器当中后将金属装料冷却至液态的、金属装料的熔化金属温度，随后利用电磁搅动和/或其他类型的搅动以受控方式进一步冷却金属装料以最小化分支晶体结构的形成，和/或方便金属装料中类似球体的“α颗粒”SSM结构的形成或成核。通过测量熔化的金属装料的热含量至少部分地确定冷却速率和处在液态温度以下的熔化金属装料的条件。根据本发明的一个非限定方面，可通过测量随着生成器中熔化的金属装料的条件和温度和/或SML/SSM变化的加热/冷却线圈的反馈所反映的变化的电压、电流、阻抗、和/或功率而确定的熔化的金属装料和/或SML/SSM的电阻系数，从而可至少部分间接地确定生成器中的熔化的金属和/或SML/SSM的热含量。根据本发明的另一非限定方面，通过将熔化的金属装料和/或SML/SSM暴露于交流磁场来搅动生成器中的熔化的金属装料和/或SML/SSM。根据本发明的再一非限定方面，可将生成器中的SML/SSM保持在所期望的温度范围内和/或将其保持为具有可将SML/SSM传送到成型或铸造装置中的那一点的期望物理特性。

参考图1，示出了根据本发明的生成器10。生成器10包括：具有已知的燃烧炉14(例如，定量燃烧炉等)的金属铸造组件12的一部分，用于提供熔化的金属。如图1所示，通过使用机器手组件16向生成器10提供熔化的金属。可以理解的是，还可使用其他或可选的装置向生成器提供熔化的金属，诸如但不局限于自动化杓形传送设备、用于倾斜生成器10以倒出SLM/SSM装料的设备、和/或已知的用于接纳SLM/SSM装料的成型或铸造装置等。用于熔化金属装料的燃烧炉的使用和类型在现有技术中是公知的，因此在此不再对其进行赘述。同样，成型或铸造装置中金属装料的成型也是现有技术中所公知的，故也不再对其进行赘述。在美国专利No.7,169,350、6,991,970和6,432,160等中公开了包括本发明中的燃烧炉和成型或铸造装置的使用的非限定类型的处理设备，所有这些专利都包括在这里作为参考。

参考图2，示出了生成器10包括适用于接纳熔化金属和/或SML/SSM的金属装料22的开口朝上的坩锅20，诸如但不局限于铝或铝合金。坩锅具有大致呈圆形横截面形状的空腔；然而，可以理解的是，还可使用其他横截面形状。坩锅的外轮廓也具有大致呈圆形的横截面形状；然而，还可使用其他横截面形状。坩锅空腔的横截面面积和/或外轮廓可以是恒定的或是变化的。如图2所示，坩锅空腔的横截面面积和外轮廓是梯形的，因此在坩锅的长度上是变化的。坩锅的梯形空腔具有能够方便清洗空腔和方便去除空腔中的金属装料等优点。坩锅的梯形外轮廓具有使得坩锅容易放置在生成器中的优点。可以理解的是，坩锅还可具有其他形状。本发明在这里将会针对示意性铝合金装料来进行说明，尽管本发明还适用于处理其他的熔化材料，诸如但不局限于铁合金和非铁合金、贵重金属等。

坩锅20通常是由对于坩锅20将会被暴露的温度和金属装料块而言具有合适的强度、可靠性和热特性的材料制成的。上述合适的材料包括但不局限于石墨、已知的陶瓷或耐火材料、或金属和石墨或陶瓷材料的组合。通过穿过环形的耐火盖34定位到坩锅20上的环形顶部法兰32来界定坩锅20的开口端；然而，这不是必须的。环形顶部法兰可具有用于关闭坩锅开口以便引入惰性气体(即，氮气和/或氩气等)的装置，从而可抑制或减少SLM/SSM材料中氧化物的形成；然而，这不是必须的。

环绕坩锅20圆周延伸的是通常已知的螺线管感应线圈24。可以理解的是，至少部分地环绕坩锅可延伸多于一个线圈。在一个非限定实施例中，利用冷却液内部冷却感应线圈24，诸如但不局限于水。可以理解的是，感应线圈24还可被设计成不用内部流动的冷却液来冷却。还可理解的是，在坩锅周围可定位一个或多个冷却线圈，以便将坩锅冷却至一个或多个区域、和/或在坩锅周围可定位一个或多个加热线圈，以便将坩锅加热至一个或多个区域；然而，这不是必须的。感应线圈可包括一对冷却流体引导器44、46。在一个非限定实施例中，冷却流体引导器44、46可包括封装有诸如在焊接机器中使用的铜电缆的耐受力强的软管或管形材料；然而，可以理解的是，还可以其他方式形成冷却流体引导器44、46。管形材料当被用于冷却流体引导器44、46时可包括铜的管形材料；然而，这不是必须的。冷却流体可以是水W或其他一些冷却流体。如图1所示，冷却流体贮液器48可用来储存通过冷却流体引导器44、46流过的期望量冷却流体。导管49用来从冷却流体贮液器48向冷却流体引导器44、46或是坩锅圆周的感应线圈提供冷却流体，以便经由感应线圈和冷却流体引导器44、46保持期望量的冷却流体循环。冷却流体引导器44、46当被使用时可被耦合或连接到电源42，以便能够向线圈24提供电流；然而，这并不是必须的。在一个或多个期望频率下交变经由引导器44、46和感应线圈24的供电电流以产生磁场。典型地，交流电流的期望频率是高频(例如，至少大约10Hz)；然而，这不是必须的。由交流电流产生的磁场具有加热坩锅20中的金属装料22的效果。在交流磁场加热金属装料22的同时，可使用冷却液通过感应线圈24循环以将线圈24维持在选择的温度；然而，这不是必须的。

在另一非限定实施例中，感应线圈24是与坩锅20相互间隔的。当感应加热线圈与坩锅20相间隔时，间隔距离通常是统一的；然而，这并不是必须的。进而，当感应加热线圈与坩锅20相间隔时，间隔距离通常是至少大约0.01英寸，典型地至少是大约0.02英寸，更典型地是小于大约10英寸，特别典型地是大约0.05-5英寸，最典型地是大约0.1-1英寸。感应线圈24可利用耐火的间隔器获得与坩锅外圆周的均匀间隔距离，这将会方便将坩锅定位在线圈24的中心位置处；然而，这并不是必须的。

在另一非限定实施例中，可将感应线圈24的高度选为环绕整个坩锅20，至少部分地环绕坩锅，和/或超出坩锅20的顶部和/或底部延伸。典型地，感应线圈24的高度被选择为环绕整个坩锅20，以便实现均匀地加热坩锅内的金属装料。感应线圈24的高度还可被选择为不仅环绕整个坩锅20，而且还超出坩锅的顶部和/或底部延伸；然而，这并不是必须的。当感应线圈24的高度超出坩锅的顶部和/或底部延伸时，顶部和底部延伸中的一个或两者可超出坩锅的顶部和/或底部达到坩锅高度的三分之一。例如，对于六英寸的坩锅高度，感应线圈24可超出坩锅的顶部向上延伸出两英寸和/或超出坩锅的底部向下延伸出两英寸；然而，可以理解的是，感应线圈24还可从坩锅向上和/或向下延伸多于坩锅高度的三分之一。感应线圈从坩锅向上和/或向下的延伸方便了获得坩锅底部和顶部两端对金属装料22的均匀加热和/或搅动。

感应线圈24可至少部分地封装在耦合材料26当中，该材料26接触坩锅20的外圆周。如图2所示，耦合材料26还接触坩锅20的底部；然而，这并不是必须的。耦合材料当使用时可包括冲压成的或紧凑的、干燥的、耐火材料、云母纸、铸造成型的耐火水泥、或是其他一些适用于提供感应线圈24和坩锅20之间热耦合的耐火材料。可以理解的是，耦合材料26还可使用其他或额外的材料。由耦合材料26产生的热耦合能够实现从坩锅到水冷的感应线圈24和/或使用时的另一冷却线圈、以及到通过感应线圈24生成的感应磁场对坩锅20和熔化的金属装料22的加热的并发热流。如此，通过线圈24和/或其他冷却线圈的热耦合、耦合材料26和坩锅20，经过感应线圈24和/或其他冷却线圈流过的冷却液可用来提供对坩锅20和金属装料22的冷却。在一种设置中，螺线管感应线圈24可用来冷却和加热，由此提供了快速控制坩锅20中的金属装料22的温度、粘性和固体部分(fs)的装置。

坩锅20和感应线圈24可至少部分地封装在包括保护性、不导电壳体28的外罩中。外罩当使用时可包括石碳酸间隔器和结构板的中间组件30；然而，这并不是必须的。沿着坩锅20的闭合端或底部，耦合材料26可具有绝缘层36、和底盖38，其被设置为接触外壳28在闭合端之上延伸；然而，这并不是必须的。

再次参考图1和图2，感应线圈24电耦合或连接至变频电源42，诸如但不局限于150千瓦、480伏特、三相AC输入电源。在一个非限定实施例中，所使用的AC输入电源的输出频率的范围可以是10-10,000Hz。电源可适用于在选定的频率下操作，或是在同时多频模式下操作，以加强均匀性的搅动和/或搅拌和/或更好地控制加热及冷却处理。例如，可将材料的冷却速率作为主要参数并且将材料的搅动作为次要参数来选择特定的频率以获得所选择的均匀性。可以理解的是，还可使用其他或额外的参数来选择由AC输入电源生成的一个或多个频率。

感应线圈24中的交流电建立了可在金属装料22中产生环流的电磁场。线圈中的交流电流动生成或引起导电金属装料中的相反电流流动，并且基于金属装料的电阻系数，以更快或更慢的速率加热金属装料。作为示例，对于包括20磅铝的金属装料，大约25kW功率足够将铝维持在熔化的状态。在一个非限定的配置中，3相AC输入功率可被转换为DC电压，并随后将其逆变为具有选定频率的单相AC功率；然而，这并不是必须的。变频感应电源的选择实现了定制频率以方便匹配负载。较低的频率会对坩锅中的金属装料施加较大的电动排斥力。

可通过包括已知的基于电压、功率相位和/或电流反馈的闭环反馈系统控制感应电源42；然而，这并不是必须的。在使用时，闭环反馈系统可在处理过程中用来将金属装料22维持在预定的热含量fs、和/或粘性、或预定的冷却速率。在一个非限定的实施例中，系统的控制可基于来自感应线圈的电压和电流的相位角的变化。由于相位角独立于电流和电压的幅值，因此甚至当将功率向上或向下调制时仍可提供可靠的信号，以便满足加热和/或冷却的轮廓线(profile)或阻尼。

感应线圈24可设置有一个或多个传感器(未示出)。上述一个或多个传感器典型的不与感应电源相连接。一个或多个传感器可被设计为监视一个或多个电参数，诸如但不局限于电流、电压、功率损耗、和/或频率。从一个或多个传感器的输出，通过数学关系可确定特定的电压、电流、感应线圈的真实功率负载电阻、和/或金属装料的电阻系数。通过PLC或其他设备中编程的公式来执行上述这些计算，这些设备继而用来控制整个加热和冷却处理。利用从感应线圈感应的反馈来感应熔化的装料的条件的能力消除了典型的损耗形热电偶的需要，其中该热电偶用来控制大多数现有技术的金属工作和铸造处理。

如下的表1给出了选定的市售铝合金的等级和相关组成成分。如表1所示，组成成分的比例可在选定的等级范围内从一个等级变化为另一等级，该等级包括铝的百分比。这些变化影响SLM/SSM的性能，包括液态温度、固态温度、选定温度下的粘性、选定温度下的电阻系数、选定温度下的固体部分、以及选定温度下的热含量。

表1-选定的铝合金等级下的组成

生成器10可设计为控制已经被加热到至少液态温度的金属装料22的冷却，直至熔化的金属装料达到选定的SLM/SSM状态，并随后将其传送到用于制造选定产品的成型装置。通过监视金属装料的电阻系数特性可至少部分地控制金属装料的冷却。上述控制是基于如下原理，a)金属装料的电阻系数是随着金属装料的热含量和/或温度变化的；b)金属装料的热含量和/或温度控制金属装料的固体部分；以及c)金属装料的固体部分是与金属部分的粘性相关联的。最后，期望制备出具有选定的成型操作的选定的粘性的SLM/SSM装料。作为选定的金属装料的电阻系数、热含量、固体部分、和/或粘性之间的内部关系的结果，可通过金属装料的电阻系数特性识别选定的粘性。

图3示出了在恒定输入功率和频率下加热金属装料的示意的热含量对时间曲线50以及相关的示意的温度对时间曲线52。温度曲线52基本上急速地上升至第一温度值60，装料呈固态，这是由第一温度值60和第二温度值64之间的平坦部分为特征的，装料的共晶温度，这是由缓慢地增长到第三温度值68为特征的，装料的液态温度，之后基本上急速地呈线性，这代表了熔化形式的合金。当金属或金属合金暴露于特定量的能量时，附图标记54、56、58代表的时间周期t₁、t₂和t₃分别关联于金属或金属合金分别达到固态温度、共晶温度和液态温度时的时间周期。曲线的平坦部分基本上代表了金属装料处于SLM/SSM状态。例如，具有大约7％铝的A356等级铝合金具有大约612℃的液态温度和大约260cal/gm的热含量(即，时间t₃下的温度值68和热含量70)、大约557℃的固态温度和大约130cal/gm的热含量(即，时间t₁下的温度值60和热含量62)、以及大约572℃的共晶温度和大约225cal/gm的热含量(即，时间t₂下的温度值64和热含量66)。对于具有选定配置的生成器10中的选定材料的选定金属装料块而言，热含量和温度是相互关联的。

图4示出了对于具有选定配置的生成器10中的选定材料的选定金属装料块的示意电阻系数对热含量曲线80。

图6示出了包括大约7％硅的A356等级铝合金的金属装料的示意粘性对温度曲线82。根据本发明的示意性的SLM/SSM处理的粘性范围84对应于液态温度612℃以上的初始温度(～630℃)，结束于大约590℃的SLM/SSM温度。这对应于大约4百分之一泊的最终粘性。

图7示出了包括A356等级铝合金的装料的示意温度对固体部分曲线86。

图8示出了分别具有大约70％的固体部分(曲线88)、大约60％的固体部分(曲线90)、以及大约50％的固体部分(曲线92)的A356等级铝合金的一组粘性对剪切速率曲线。图8示出了对于所有固体部分而言都随着剪切速率的加快而使粘性相应地降低。

参考图5，交流电不仅加热装料22，而且交流电还引起坩锅20中的金属装料22的搅动或混合。混合在坩锅20中相对于垂直轴不是圆周的或圆形的。相反，混合动作是螺线管形状的，如流动矢量100所示。上述螺线管运动导致金属装料22的循环是沿着坩锅的内侧在垂直方向上从装料的中间平面分别向上和向下并且通过金属装料的轴中心返回。与圆周混合相比较，这种螺线管混合对于在坩锅的垂直轴上从坩锅的内部表面区域至装料的中心产生金属的均匀性更加高效，因为圆周混合不能从边缘至中心循环材料，而仅是相对于坩锅的中心轴在层间循环。

再次参考图1，生成器10和连接的感应电力引导器44、46附着于多轴(通常是3或更多轴)机器或机械手组件16。可以理解的是，生成器10不需要必须与任何机器或机械手组件相连接。例如，生成器可被安装在固定的台架上，并靠近拉模铸造/注模机的接收部(发射套(shot sleeve)，具有或不具有槽)。当SLM/SSM装料准备好倾泻到发射套中时，生成器10倾斜并将装料倾泻到发射套当中，由此不再需要自动化设备；然而，这并不是必须的。当被使用时，图1所示的机器手组件16适用于将生成器10操纵到可从源14接收熔化的金属装料的位置处，诸如并不局限于定量燃烧炉、金属泵、或杓子。生成器的上述位置在图1中被标记为位置“A”。可以期望的是，当金属装料被倾泻到生成器当中时，金属装料22已经被预先加热到等于或高于金属装料的液态温度的温度。在生成器已经接收了金属装料之后，机器手组件16可被设计为在产生SLM/SSM的同时将生成器10移动到成型站的传送点；然而，这并不是必须的。在成型站处，机器手组件16可被设计为倾斜生成器10以便将金属装料22传送到成型机18，或是生成器10可适配于冲头或活塞以便将金属装料22注入到成型机18当中。生成器10的上述位置在图1中被标识为位置“B”。感应电源42或是与机器手组件16一体，或是位于可遥控操作的位置处。在上述配置的任一种当中，金属装料22可被连续地处理以确保将金属装料的温度和粘性、固体部分、和/或层流条件都维持在选定值。通过如下方式可获得对生成器中的金属装料的连续处理：a)监视装载系统的电阻和/或金属装料和/或生成器10的电阻系数；b)调节感应线圈功率和/或频率；和/或c)调节通过感应线圈24的冷却液的流动和/或冷却线圈以高度受控方式冷却金属装料20直至达到由电阻和/或电阻系数所指示的金属装料20的选定温度和粘性。本发明的SLM/SSM处理和感应设备实现了对生成器中的金属装料的冷却速率和/或加热的精确控制，并且准确地、可重复地确定何时达到金属装料的选定温度和/或粘性。由于金属装料组成成分是变化的，如表1所示，生成器10的操作和结构上的变化、电阻系数、金属装料温度和粘性之间的关系基本上都是凭经验来确定。这种关系部分地是基于热含量和固体部分之间的经验关系，例如，如图3和图7所示。例如，如图6和图7所示，金属装料的固体部分和粘性之间的关系可由对选定的金属装料成分的冶金取样和实验数据的分析而得到。

如上简要讨论一样，通过比较电阻系数和/或电阻测量经验性地确定生成器10中的金属装料20的温度和粘性。这种经验性关系将会被更加具体地讨论。感应线圈的负载的电阻(RL)对生成器中的金属装料22的温度之间的关系是基于使用经验方法计算得到的信息。这种方法的基础在于，通过环绕生成器的加电感应线圈的反馈响应反映金属装料(例如，生成器中的铝合金)的电阻的变化。位于生成器的周围的加电感应线圈在已知的交流频率(例如，10-10,000Hz、500-5000Hz等)下操作。由于导电线圈中的交流电流动转向，故可在线圈的周围建立交流的电磁场，其可在负载材料中感应出相反的电流流动(例如，当生成器是由导电材料制成的时，金属装料22和生成器)。正是这种在负载材料中感应出的快速变化的电流流动生成了热量，并且在当前情形下，作用在负载上的物理力导致了生成器中的熔化金属装料的螺线管搅动效果。例如，洛伦兹力作用在生成器中的金属装料，该力是从公式F＝(J_x，y X B)得到的。该力代表了所施加的电流之间的排斥，该电流可在熔化的金属装料中产生磁场通量密度B和感应电流J。

由于本发明中使用的感应线圈被设计为不但加热生成器中的金属装料还调控生成器中的金属装料的冷却，因此该感应线圈是多功能的。通过经由生成器的内部线圈冷却水和用来使感应线圈电绝缘于生成器的金属装料和/或坩锅的任意中间材料之间的感应实现了金属装料的冷却。如上所述，感应线圈还可以作为金属装料的热源，这是由于通过交流电磁场的产生直接地在金属装料中生成涡电流，这在感应技术中通常被采用。同时加热和冷却效果实现了对生成器中的金属装料的加热和/或冷却速率的精确和即时控制。

感应系统包括电源、负载匹配/调谐装置、以及对导电负载作用的线圈。典型的中低频率感应电源(PS)首先通过整流来到的3相线功率产生DC功率，并且随后使用逆变器产生1相交流功率输出。用于影响功率的高效率应用的这种交流功率源必须被匹配，或是被转向到负载以产生谐振效果。当调谐电路起谐振时，功率f、电容C和电感L之间存在如下关系：在谐振时，f＝1/((2p)·(L·C)^1/2)。当适当调谐时，PS将会产生具有固定频率的输出。这将会减小频率变化对感应和控制的影响。感应系统的频率还建立了感应电流渗透的有效深度。该关系是基于如下公式：渗透深度/参考深度δ＝3160(ρ/μf)^1/2；其中ρ是金属装料的电阻系数，μ是金属装料的相对渗透性，以及f是交流电源的频率。对于诸如陶瓷和非铁金属等非磁性材料而言，μ＝1。尽管实际的场渗透到金属装料的中心，但是如果金属装料或生成器是由导电材料制成的则在它们的表面处感应的电流密度更大，并且产生指数性腐蚀以使参考深度占到金属装料中所生成的热量的大部分。

从PS到感应线圈输出的电压的幅值确定了线圈匝中的电流流动。正是这种交流电产生了交流磁场。通过负载电路的电压、电流和功率因数可确定线圈的实际功率(千瓦)。该功率是由如下公式表示的：Pc＝Ic·Vc·cosθ；其中θ是AC电流和电压之间的相位角。功率因数或相位角是基于调谐分量、PS频率、感应线圈&负载材料耦合之间的动态相互作用(例如，感应线圈的几何关系和数学特性)的。在接近实际并联的LCR电路的谐振时，如果传输线、感应线圈、金属装料和生成器是由导电材料制成的，则负载阻抗主要是受它们的电阻控制的，因此电路的电容部分不具有纯的电阻部分。如此，X_L和相关电阻R_L包括期望的阻抗关系。在本示例中所关系的电路部分是电路的导电分支，对于该导电分支测量负载的响应。通过如下公式控制这种关系：I_C＝V/R_L；P_C＝I²·R_L；和相应得到的R_L＝P_C/I²。可以理解的是，如果频率是固定值，则将会变化的唯一变量是由温度和几何影响的成分的电阻，即负载系统(例如，@金属装料坩锅和感应线圈)。

响应于负载系统(金属装料、坩锅和感应线圈)的材料特性的变化，电压、电流和功率都相应地变化。这些变化典型地都是与温度相关的，即随着负载系统加热或冷却而变化。受到温度影响的负载系统的特定材料特性同时影响负载系统的电特性是电阻系数ρ，这继而又反映在负载系统的电阻R_L中。这种关系是由如下的公式表示的：R_L＝ρ·(l/A)；其中l是负载材料的长度，而A是沿着长度l的材料的横截面面积。A由此是A＝δ·h_L所表示的导电路径的横截面；其中δ是参考深度。电压、电流和功率都对于生成器中的金属装料的数量和形状是敏感的，这是因为它是与导电线圈与负载系统的几何耦合相关的。因此，电路的电压、电流和功率的响应可用来通过求解R_L和/或ρ确定负载系统中发生的温度变化。

感应线圈通常是由铜制成的并且是水冷的。如此，感应线圈中的温度变化是很小的；因此它的电阻系数相对稳定并且可被作为常数来处理，因此对电参数具有很小的影响。生成器的感应线圈和坩锅之间使用的薄泥浆或绝缘材料通常是稳定的陶瓷混合物，并且这些材料的电阻系数值都具有如此大的值，故它们可被视为非导电体和微不足道的。如果坩锅是由陶瓷材料制成的，则生成器的坩锅也可应用相同的原理。然而，如果坩锅是导电的石墨材料，则坩锅会具有可随着所造成的温度效应变化的电阻系数值。生成器中的金属装料不仅受到感应线圈和生成器的导电温度的影响，金属装料还会生成其自身的内部导电热量。由金属装料所生成的热量是基于金属装料的操作温度范围和交流磁场的频率。石磨坩锅中生成的热量的增长在恒定频率1200Hz下和550-650℃温度范围内是大约0.7％。相应地，在相同的温度范围内并且在相同的电、热和物理条件下，铝合金A356会使其生成的热量增长39.0％。因此在如上提及的所关系的温度范围内，石磨坩锅的电阻系数贡献被认为是恒定的。在负载线圈中测量得到的电反馈信号反映了由于温度所造成的生成器中金属装料的特性(电阻系数)变化。在金属和金属合金的情形下，存在在将金属和金属合金从固体加热到液体条件下发生的相变，这在相反的冷却模式下也会出现。固体熔化点(固态温度)和液体熔化点(液态温度)分别定义了金属和金属合金的熔化范围的上限温度和下限温度。在多相、非铁性合金的上述范围内，这些温度通常很难被准确地测量和用于感应金属或金属合金的熔化或固体部分(fs)的程度。此外，大多数测量方法基于与熔化金属直接接触的传感器并且长时间使用容易遭受损坏和质量变差，诸如热电偶。然而，其他几种材料特性会以更正常或近乎线性方式在上述范围内变化，这可以被翻译成/相关联于金属或金属合金的温度值。这些材料特性包括fs、相对热含量(焓)和金属或金属合金的电阻系数。热含量对温度、fs对温度、以及电阻系数对温度等关系可被用来监视和/或确定生成器中的金属装料的几个特性。通过感应得出感应线圈的电反馈的电阻(R_TOT)和/或电阻系数，可以推导出关于生成器中的金属装料的多个参数。例如，以间接方式使用多种感应原理来感应并由此控制(浆化)处理。如此，可使用一个或多个绕组地感应线圈来感应独立于加热/冷却的线圈的、负载的电相互作用响应。独立缠绕的线圈，典型地是由良好绝缘线制成，冷却或未冷却的，可放置在非常靠近负载容器的位置，以便使其能够通过主要的加热/冷却线圈被负载中的场感应影响；然而，这并不是必须的。上述配置被称为“涡电流”感应。感应线圈可被独立地加电或是不加电，并且所生成的反馈信号可以与如上讨论的耦合示例配置相同的方式使用以建立负载材料的条件。

下面将会说明根据本发明的特定的非限定性处理控制系统。处理控制系统可包括阿贾克斯托科感应设备有限公司的“线圈监视器”单元、电流变频器和用于测量电压的电势变换器(PT)。电流变频器(CT)可与用于向感应线圈提供单相高频功率的引导器中的一个相连接。来自PT的引导器可直接地与感应线圈相连接；一组横跨所有的感应线圈匝而另一组横跨感应线圈下部的一半感应线圈匝。来自CT和第一PT的信号可相连并作为线圈监视单元的输入。可以理解的是，根据本发明还可使用其他配置。

在熔化/保持燃烧炉中保留将要被引入到生成器的坩锅中的金属装料。这种熔化/保持燃烧炉被设计成保持温度设定点的可重复和准确的温度(±3℃)。当金属装料插入到坩锅当中时，生成器附近的感应线圈具有功率等级(P初始)以使坩锅中的金属装料不会立即开始冷却，并且感应线圈的功率等级变为使其感应出对熔化的金属装料施加的力导致坩锅中的金属装料出现螺线管搅动动作。搅动动作对于产生从坩锅的边缘到熔化的金属块的中心的均匀熔化是至关重要的。

对于感应线圈减小(P冷却)PS的功率设定以使负载系统的冷却能力超过感应系统的加热能力，由此使得坩锅中的金属装料开始冷却。在冷却处理过程中金属装料继续被搅动，这是因为通过感应线圈仍将功率施加到金属装料。在冷却处理期间，金属装料开始从熔化相位向半液体/固体相位快速地冷却，由此经过金属装料的液态温度。由于液态温度处在完全液体/熔化的金属装料与金属装料的开始固化之间的相位过渡，高熔化点成分的固体颗粒开始成核并且通过搅拌成均匀的块而分散开。这种块颗粒成核是由于金属装料的搅动所引起的快速冷却速率而相应地发生。典型地，在熔化的金属合金系统中，当合金与冷却的固定表面接触时发生分支晶体生长，其中在熔化的金属电解槽中不存在搅动。分支结构的形成由此降低了在上述温度和fs等级下材料流动的能力，并且由此增大了将材料移动到铸型以形成铸造部件的所需的力。与此相比较，在本发明处理后的浆化系统形式下，个体的产生、自由移动的个体分别是部分圆形的颗粒对于半固体浆化材料流动是有利的，这是因为它们使得块展示出比分支材料较低的粘性并且需要较小的力将材料移动到铸型当中。

通过监视单个相位、来自感应线圈的高频AC电流和电压反馈，并且由CT和PT单元将该反馈转换为0-5VAC信号来实现对生成器的监视。这些信号被随后输入到阿贾克斯托科感应设备有限公司的“线圈监视器”单元，其中相乘信号以提供与视在功率相比真实的功率信号，以便确定相位关系，并且在线圈电流(Ic)、电压(Vc)和真实功率(P_T)的0-10Vdc信号量化范围内输出。通过如下两个公式提出这种关系：P_T＝(I_C·V_C)·cosθ，其中θ是高频AC电压和电流相位器之间的相位角；和P_app＝(I_C·V_C)，其中(I_C)和(V_C)是感应线圈的电压和电流的量化值。阿贾克斯托科感应设备有限公司的“线圈监视器”单元的输出信号作为模拟输入连接到系统可编程逻辑控制器(PLC)。在控制程序中，在感应线圈测量得到的真实功率(P_T)除以感应线圈电流的测量值的平方(Ic²)。该值生成R(R_TOT＝P_T/Ic²)的值。通过如下公式计算负载的等效电阻：R_eql＝R_tot-R_c-R_cr-R_b，其中R_c是线圈的电阻，R_cr是坩锅的电阻，而R_b是线圈母线的电阻。通过如下公式计算系统的实际负载电阻：R_load＝R_eql/N²，其中N是感应线圈的线圈匝数。通过如下的公式计算系统的负载的电阻系数：ρl＝[(Reql·hl·3160)/(2·π·rl·N²)]²·1/f，其中hl是负载的长度，π是Pi的数值，而f是感应线圈的电流频率。已经发现(R_TOT)值非常好地与电阻值ρ(load)相互关联。在图9中示出了这种相互关联。

如图9所示，由下方的线代表的R_TOT数据非常类似于由上方的线代表的ρl数据并且两者产生了非常相似的曲线。实际上，测量得到的结果非常好地关联于计算得到的值。测量值R(R_TOT)的计算结果是电阻反馈信号，该电阻反馈信号一个周期接着一个周期地被重复并可被用作加热和冷却生成器中的金属装料的控制参数。

图10示出了金属装料的液态关系。具体的，图10示出了R_TOT和对应的温度。随着生成器中的金属装料从液体相位冷却至半固体区域，测量得到的R_TOT值出现了从对应于液体合金温度的较高液体值的、缓慢的负恒定速率的变化。随着金属装料材料的冷却，它达到了液态温度，其中开始发生固体颗粒的成核。此外，在液态温度，R_TOT值从缓坡变化到更突出的负坡值。这是因为金属装料负载从每次温度改变而引起低电阻系数改变的区域冷却到每次温度改变而引起电阻系数更显著的改变的区域。由于金属装料负载是系统中唯一剧烈变化的项目，因此处理系统的其他成分或是维持恒定或是以基本上线性的方式微小的变化。如此，测量变化主要是由于金属装料温度和由此造成的电阻变化所引起的。

控制中使用的上述“R Load”或“R_TOT”信号发生在PLC。相对于时间作为第一导数追踪计算得到的“R Load”或“R_TOT”信号。当液体金属装料开始时倾泻到生成器的坩锅时，感应线圈的功率值被减小为预定值以使坩锅中的金属装料开始冷却。典型地需要几秒钟时间使信号稳定并建立d(R)/dt并监视该值。当金属装料冷却至液态温度时，随着材料变为半固体，温度的变化速率相应地降低。相应地，电阻信号也随之改变。然而，电阻改变会引起d(R)/dt减小。液态温度下电阻的改变可被用来作为初始参考点控制方案，以确定半固体条件的等级、fs和控制需求；然而，这并不是必须的。

可编程PLC以随着电阻发生改变而执行重复的信号的时间和幅值门值核对。上述核对起到了验证变化是真实的并且不是对随机信号噪声(变化)的响应。验证后的“R Load”或“R_TOT”信号可被测量并且继续在数值上减小，直到达到预设的ΔR＝(R_LIQ-R)。选择预设的R值以代表随后的成型操作的金属装料的所期望的部分固体。可以理解的是，在金属装料的冷却过程中，反映了温度/fs的电阻反馈的值容易经历某种程度的变化。

生成器中的金属装料的冷却的周期时间上的相应变化会引入成型处理中的下游变化，由此引入关于部件质量和成型机所形成的缺陷的潜在问题。在测量反馈信号dR/dt，计算真实的计划周期时间，并且随后比较该值和目标周期时间的PLC中执行校正处理。基于上述计划时间，基于这种计划时间，可确定新的冷却功率等级并且进入到高频供电。作为上述校正的结果，可获得当R值达到预设R_TARGET时冷却速率刚好达到目标周期时间，以便不会妨碍从生成器传送金属装料到成型机。

还可使用额外的有源控制来协助获得可重复的周期时间，诸如PLC程序的“保持”部分。如果在周期时间窗口完成之前获得R_TARGET值，则将程序设计成将目标值(R_TARGET)作为设定点来执行内部PID控制。控制将会保持目标R值直到完成周期时间。当满足R_TARGET和周期时间条件时，向处理系统给出倾泻信号并且倾斜机构直接将生成器中的物质倾倒至接收器或成型设备的发射套当中。成型设备可以是拉模铸造机(水平单元或垂直单元)、重力金属型铸造机、沙模或其他配置。通常使用拉模铸造机，因为它对于浆化装料控制和短的周期时间而言是有益的，这会造成生产能力的提高。随着生产能力的提高，同时凭借浆化材料的高fs结构还可提高产品质量。

现在参考图11，示出了说明根据本发明的非限定处理设置的处理流程图。控制处理的第一步骤是开始处理周期。接下来的步骤是设定感应线圈的冷却功率等级。接下来的步骤是利用熔化的金属装料填充生成器的坩锅。在坩锅已经充满了来自燃烧炉的熔化的金属装料时，感应线圈的功率等级已经足够防止熔化的金属装料的温度降落到金属装料的液态温度之下；然而，这并不是必须的。通常，如此初始地设定感应线圈的功率等级，因此随着将熔化的金属装料从燃烧炉传送到生成器的坩锅中，熔化的金属装料会出现非常小的温度降落。一旦熔化的金属装料填充到坩锅的期望等级，则图11所示的下一个步骤是将坩锅中的金属装料冷却至金属装料的液态温度。对于构成金属装料的每一种金属或金属合金而言，对于该装料存在特定的液态温度。液态温度下的金属装料的电阻系数在流程图中表示为R_liq。在金属装料冷却至液态温度的冷却处理过程中，感应出感应线圈内部负载(例如，金属装料加上坩锅，如果坩锅是由导电材料制成的)的电阻(R)，并将其记录。监视相对于时间的感应电阻(R)的第一导数。合金的完全熔化相位下该第一导数的趋势是略微正的。当达到了合金的液态点时，第一导数所反映的R趋势是负的。通过PLC中的几个门限条件的编程来验证导数的变化，PLC用于排除任何信号噪声来确定液态点已经达到。一旦已经验证坩锅中的金属装料达到了液态温度，则开始处理的第二阶段，其中将金属装料冷却至液态温度以下，并且在固态温度以上。在控制系统中计算新的负载电阻设定点R_target。一并使用预设值ΔR和R_liq来确定R_target。R_target与第二值R_liq相关联。这个新的负载电阻设定点R_target代表金属装料的特定温度，其中金属装料具有特定的对于传送至铸造或成型机所期望的固体部分和液体部分。在冷却金属装料的第二阶段期间内可调节或是从PLC中读取感应线圈的功率等级，以便金属装料处在期望的温度并包括将金属装料传送到铸造或成型机时刻的固体部分和液体部分。如此，感应线圈的功率等级不得不具备：1)进一步减小提升的坩锅中的金属装料的冷却速率；和/或2)提高减慢的坩锅中的金属装料的冷却速率。可以理解的是，在冷却金属装料的第二阶段期间可调节感应线圈的功率等级一次或多次，以便满足将金属装料传送到铸造或成型机的目标时间。在第二冷却阶段，感应出感应线圈负载的电阻(R)，并将其记录。随后比较感应电阻和第二电阻设定点R_target。如果检测电阻R等于R_target，则确定金属装料处在期望温度并具有期望的液体和固体部分，因此可以被倾泻到或是储存在铸造或成型机当中。如果铸造或成型机尚未准备好接收金属装料，则本发明的处理系统被设计成将坩锅中的金属装料维持在R_TARGET，直至铸造或成型机可以接收金属装料。如果感应线圈负载的感应电阻不等于电阻设定点R_TARGET，则降低、提升或维持感应线圈的功率等级以使感应电阻系数R接近R_TARGET。可使用各种数学技术来确定感应电阻R接近R_TARGET的速率以及是否一段时间内感应电阻R至R_TARGET的趋势是否正确或是需要通过改变感应线圈的功率等级的调节。如在处理流程图中示出的一样，比较感应电阻R和R_TARGET，直到两个值完全相同。所期望的是，关于控制上述处理的编程方法能够在达到成型机的期望的周期时间的同时达到材料的R_TARGET条件。一旦将金属装料倾泻到或是储存在铸造或成型机当中，则完成了控制处理并且开始新的处理。

现在参考图12，示出了根据本发明处理金属装料的非限定性简化示意。第一图示出了正在被倾泻到生成器的坩锅当中的熔化的金属装料。此时的金属装料的温度处在液态温度之上。不对将金属装料从燃烧炉传送至坩锅的方式加以限制。也不对用于熔化金属装料的燃烧炉的类型加以限制。一旦在坩锅中储存了金属装料，则搅动且冷却金属装料直到金属装料达到金属装料的液态温度。与图11所示的处理流程图相比，上述处理步骤是与如上所述的冷却的第一阶段是相同或相似的。从在坩锅中储存金属装料的时刻到从坩锅中排出金属装料的时刻，使用处理控制系统来控制坩锅中的金属装料的冷却速率、坩锅中的金属装料的温度、以及坩锅中的金属装料的固体和液体部分。在图11中示出了可使用的处理控制系统的一个非限定性示例。该处理控制系统如图12中的有源处理控制所示。在一个非限定性示例中，有源处理控制包括对于感应线圈的高频功率的(3)个预设值的使用。即1)将金属装料倾泻到坩锅中的预设值；2)坩锅中的金属装料的冷却周期的预设值；以及3)将金属装料从坩锅中排出的预设值。有源处理控制可包括操作的几种模式。一种操作模式是周期时间目标模式，即用于识别在金属装料已经被冷却至液态温度后的冷却速率(dR/dt)。周期时间目标模式被设计成改变感应线圈的冷却功率以在获得周期时间目标的同时达到R_TARGET。另一模式是保持模式。保持模式被设计成通过基于PID控制回路的PLC来变化感应线圈的冷却功率直至达到周期时间目标。另一模式是装料等级感应1模式。这种装料等级感应1模式被设计成实现在将金属装料倾泻到坩锅当中之后确定坩锅中的金属装料的量。由于在金属装料的液体相位冷却期间“R Load”或“R_TOT”是稳定的并且相对恒定；坩锅中金属装料的量将会改变金属装料的几何性，以使“R Load”或“R_TOT”信号等级反映坩锅中金属装料的量。基于“R Load”或“R_TOT”等级的PLC或是接收金属装料处在处理局限内，或是如果金属装料具有太多或太少材料则放弃周期以获得可重复的质量形成操作。另一模式是装料等级感应2模式。装料等级感应2模式被设计成使用与装料等级感应1模式相同的金属装料等级感应逻辑。装料等级感应2模式被设计成基于在给定功率等级和熔化温度下的dR/dt对容积的经验数据，作出是否向上或向下设定感应等级的冷却功率的判决，以映射发生R_LIQ的合理目标时间或发生整个周期时间目标。另一模式是熔化温度补偿模式。熔化温度补偿模式被设计成基于液体金属装料的到来温度确定初始冷却功率等级。如果液体金属装料比设定点值较冷，则设定升高的百分比功率调节以使R_LIQ发生可接收的时间窗口和发生合理的时间窗口的总的周期时间。这种模式使得所有其他控制模式利用他们自身的补偿动作免于剧烈的功率变化。可在本发明的有源处理控制中使用上述模式中的一种或多种。可以理解的是，在本发明中还可使用其他或额外的控制模式。一旦坩锅中的金属装料达到R_TARGET和fs_TARGET，则如图12所示从坩锅中倾泻或其他方式排出金属装料到发射套或拉模铸造或成型机的其他接纳器当中。随后将金属装料成型为拉模铸造部件。坩锅可被来自燃烧炉的新的熔化金属再次填充并且对于新的金属装料重新执行有源处理控制。

如上所述，生成器10可被设计成执行如下功能中的一个或多个：

●开始于将熔化的金属装料22引入到生成器10并结束于将处理后的SLM/SSM传送到成型机，即发射套、注入口、漏斗等，对SLM/SSM的条件的连续感应或周期性感应。

●对SLM/SSM的冷却、加热和/或搅拌的控制以确保传送到成型机的材料处于可重复的、热度一致的、微结构和/或粘性条件。

●无需干扰容器或传送步骤即可将金属装料22直接从生成器10传送到成型设备。生成器10可与熔化的金属源和/或成型机机械上不耦合；然而，这并不是必须的。

生成器10的非限定性特征是远程感应SLM/SSM装料的条件和/或基于非接触感应装置的反馈来控制加热和/或冷却处理，即感应线圈24。额外地或可选地，可从非常靠近熔化的金属装料22的、第二、未加电的线圈(未示出)获取反馈信号。感应线圈单元可包括如图1所示的控制器40，其适配于用来连续地或周期性地监视来自感应线圈和/或未加电的线圈的负载的信号调节电子设备。在大多数示例中，负载可包括感应线圈24和由线圈24监视的导电材料。导电材料可包括坩锅20中的SLM/SSM装料22，并且当坩锅材料是导电的(例如，石磨或金属)时还可包括坩锅20自身。在另一和/或替代的非限定性实施例中，生成器10可具有沿着其长度上的选定位置处“抽头”的感应线圈；然而，这并不是必须的。上述配置实现了选择性地加电选定部分的线圈，以便提供对生成器10的额外等级的控制。具体的，可基于金属装料的大小来选择将要加电的线圈部分，利用较短长度的线圈加电较少量的坩锅中的金属装料。在另一和/或可选的非限定性实施例中，还可对于不同块大小的金属装料使用具有不同线圈长度的不同生成器10；然而，这并不是必须的。

负载的电感应变化是由于当熔化的金属装料冷却或加热时的热变化和冶金变化造成的。一种变化就是金属装料的电阻系数的变化，其产生了感应线圈电压的变化。上述电压可被用作用来控制坩锅中的金属装料的加热/冷却处理的反馈信号。利用感应控制系统的信号监视特征，可使用反映金属装料条件的上述电压和/或其他变量信号来调制和控制冷却、加热和/或维持生成器中的金属装料的条件的物理处理。许多感应控制系统即使在调制功率输出时仍具有生成和追踪信号的额外能力。因此，对于SLM/SSM处理的控制可被设计成连续的、非接触系统(即，在金属装料和/或坩锅壁中不需要热电偶)，和/或在传送金属装料到成型站时调节至期望的操作点的能力。

设备及其应用的另一非限定性实施例是与其他SSM/SLM生产方法一并使用生成器10。例如，生成器10可与可开始成核处理的设备操作地组合。生成器10可用来维持均匀的熔化温度。在成核之后，可通过生成器10进而冷却并维持成核后的SLM/SSM混合物在受控的传送条件下。

还可将生成器10设计成在精细控制条件下控制将金属装料22传送到成型站18。基于成型机的设计及其对装料的接纳条件，生成器10可被倾斜以倾倒出金属装料至垂直的或是水平的朝向的发射套，诸如典型应用的拉模铸造机、或低压金属型铸造成型设备。在需要高度粘性的金属装料的成型处理中，类似于SSM容器(billet)，在生成器10中可处理金属装料，并且生成器可将金属装料传送到适用于接收较高粘性的SLM/SSM形状容器(例如，圆柱形状的容器等)的专用套。生成器10可适配于底部密封的耐火材料或可起到物理冲头作用的金属活塞，以从坩锅20中排出金属装料22，并且还与水压汽缸相连接以起到整体式发射杆和冲头顶的作用；然而，这并不是必须的。

由于生成器10是感应加电的，故可以熔化掉坩锅20中出现的任何不想要的冷却液或冷冻液。还可使用生成器10的加热能力来防止在坩锅20的表面或底部(skull)累积固化的氧化物，这样的表面或底部会造成诸如预固化内含物等产品的缺陷。无需使用单独的物理接触设备而使生成器10具备“自我清洁”的能力是非常有利的。

生成器10的可选的非限定性实施例是其可构成完整的耦合单元的一部分。耦合的生成器适用于通过加热的传送管从定量燃烧炉或熔化金属泵直接地接收定量的金属装料。熔化的金属装料可被设计成经过生成器，其中像上述生成器一样冷却并且搅拌金属装料。感应线圈可以是由单一频率生成器加电的单个螺线管线圈，或是由三相频率感应生成器供电的三绕组独立线圈以加强通过生成器部分的金属移动。可在受控条件下在生成器部分维持金属装料。当处理周期要求注入SLM/SSM时，驱动金属供应设备(例如，泵或定量单元)，当新的熔化金属引入到生成器部分时，生成器部分使能或驱使金属装料前进至加热导管并且进入成型或注入腔体。该方法适用于仅生产SLM/SSM部件的专属成型站。

本发明的半液体金属处理和感应设备提供了通过冷却速率和终端条件精确地控制生成器中的金属装料的冷却和/或保持处理，这实现了以重复的方式将SLM/SSM装料传送到成型设备，甚至当周期延迟或生产中断时仍可实现。上述配置是从SLM/SSM设备的现有技术中当前不能获得的生成器10的特殊特征。

生成器10可被设计成相对容易操作而无需大量培训，和/或能够将金属装料可重复地一致地传送到成型站。非接触式感应和控制、以及完全地控制生成器中金属装料地热性能的能力实现了高度高效和有效的生产处理。还可方便地将生成器10集成到生产线上，并且将生成器10设计成通过机器手简单地交换生成器单元来方便维修。

由此可以看出，从前述具体实施方式中使得已经提出的发明目的变得清楚和有效地获得，还可在不脱离本发明地精神和范围的前提下在结构上作出特定的变化，试图将上述具体实施方式所包含的和所附附图所示出的所有事实都解释为说明性的而非限定性的。已经参考了优选的和替换的实施例描述了本发明。通过阅读并理解对本发明的详细讨论，本领域技术人员可以清楚变形和修改。本发明意图包括所有落入本发明范围以内的所有变形和修改。还可理解的是，所附的权利要求书意图包括这里描述的本发明的一般的和特定的特征，并且本发明的范围的所有声明由于语言的缘故可能处在上述两种特征之间。已经参考优选实施例描述了本发明。从这里的公开内容可使优选实施例的上述和其他修改以及本发明的其他实施例变得清楚，由此前述说明性事实可以被解释为说明性的而非限定性的。只要是落入所附的权利要求书的范围之内即包括所有这样的变形和修改。

Claims (49)

1.一种用于确定、监视或控制材料的至少一种特性，或实现上述确定、监视和控制的组合的装置，所述材料受到由至少一个感应线圈形成的磁场的影响，所述装置包括用于直接地感应和/或间接地感应至少一种电参数的感应配置，所述至少一种电参数用于至少部分地确定由所述感应线圈至少部分地环绕的区域内部的负载电阻、所述材料的电阻系数、所述材料的温度、所述材料的固体部分、所述材料的液体部分、及上述这些的组合。

2.根据权利要求1所述的装置，包括具有可容纳所述金属的空腔的坩锅，所述至少一个感应线圈至少部分地位于所述坩锅的所述空腔的周围。

3.根据权利要求1所述的装置，包括控制器，其基于所述感应得到的至少一个电参数至少部分地控制所述至少一个感应线圈的功率等级。

4.根据权利要求2所述的装置，包括控制器，其基于所述感应得到的至少一个电参数至少部分地控制所述至少一个感应线圈的功率等级。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制器至少部分地控制熔化材料的温度从所述材料的液态温度降低至比所述材料的固态温度高的温度，以使所述材料在所述材料刚好被从所述坩锅倾泻出或其他方式排出之前具有特定固体部分和液体部分。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，从所述至少一个感应线圈的反馈获得对所述至少一个电参数的所述感应。

7.根据权利要求2-5中任一项所述的装置，其中，至少部分地从所述至少一个感应线圈的反馈获得对所述至少一个电参数的所述感应。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，至少部分地从靠近所述至少一个感应线圈的螺线管线圈获得对所述至少一个电参数的所述感应。

9.根据权利要求2-7中任一项所述的装置，其中，至少部分地从靠近所述至少一个感应线圈的螺线管线圈获得对所述至少一个电参数的所述感应。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个电参数对于时间的导数至少部分地用于确定材料的随时间的温度趋势。

11.根据权利要求2-9中任一项所述的装置，其中，所述至少一个电参数对于时间的导数至少部分地用于确定材料的随时间的温度趋势。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述至少一个感应线圈起到所述材料的加热设备、冷却设备、以及二者组合的功能。

13.根据权利要求2-11中任一项所述的装置，其中，所述至少一个感应线圈起到所述材料的加热设备、冷却设备、以及二者组合的功能。

14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述材料是铝或铝合金。

15.根据权利要求2-13中任一项所述的装置，其中，所述材料是铝或铝合金。

16.根据权利要求1所述的装置，其中，对所述至少一个电参数的所述感应是连续的。

17.根据权利要求2-15中任一项所述的装置，其中，对所述至少一个电参数的所述感应是连续的。

18.一种确定、监视和/或控制材料的至少一种特性的方法，所述材料受到由至少一个感应线圈形成的磁场的影响，所述方法包括：

将所述材料插入到材料容器的空腔中，所述空腔至少部分地由至少一个感应线圈所环绕；

对所述至少一个感应线圈施加功率；

当对所述至少一个感应线圈施加所述功率时，直接地感应和/或间接地感应至少一个电参数；以及

至少部分地基于所述感应得到的至少一个电参数，确定由所述感应线圈至少部分地环绕的区域内部的负载电阻、所述材料的电阻系数、所述材料的温度、所述材料的固体部分、所述材料的液体部分、及上述这些的组合。

19.根据权利要求18所述的方法，包括如下的步骤：

使用所述感应得到的至少一个电参数来至少部分地控制所述材料容器的所述材料温度、所述材料的所述固体部分、所述材料的所述液体部分、以及上述这些的组合。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述材料是金属或金属合金，在高于所述金属或金属合金的固态温度的温度，将所述金属或金属合金插入到所述材料容器当中。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述材料是金属或金属合金，在高于所述金属或金属合金的固态温度的温度，将所述金属或金属合金插入到所述材料容器当中。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述材料容器是坩锅。

23.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其中，所述材料容器是坩锅。

24.根据权利要求18所述的方法，其中，所述材料是铝或铝合金。

25.根据权利要求19-23中任一项所述的方法，其中，所述材料是铝或铝合金。

26.根据权利要求18所述的方法，其中，通过由所述至少一个感应线圈生成的磁场，在所述材料容器中至少部分地搅拌所述材料。

27.根据权利要求19-25中任一项所述的方法，其中，通过由所述至少一个感应线圈生成的磁场，在所述材料容器中至少部分地搅拌所述材料。

28.根据权利要求18所述的方法，包括如下步骤：

使用所述感应得到的至少一个电参数至少部分地控制所述至少一个感应线圈的功率等级。

29.根据权利要求19-27中任一项所述的方法，包括如下步骤：

使用所述感应得到的至少一个电参数至少部分地控制所述至少一个感应线圈的功率等级。

30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述控制所述功率等级的步骤用来控制所述材料的所述温度下降至高于所述材料的固态温度的温度，以使所述材料在所述材料刚好被从所述材料容器中倾泻出或其他方式排出之前具有特定固体部分和液体部分。

31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述控制所述功率等级的步骤用来控制所述材料的所述温度下降至高于所述材料的固态温度的温度，以使所述材料在所述材料刚好被从所述材料容器中倾泻出或其他方式排出之前具有特定固体部分和液体部分。

32.根据权利要求18所述的方法，其中，在感应所述至少一个电参数的所述步骤中，所述至少一个电参数至少部分地是由所述至少一个感应线圈的反馈获得的。

33.根据权利要求19-31中任一项所述的方法，其中，在感应所述至少一个电参数的所述步骤中，所述至少一个电参数至少部分地是由所述至少一个感应线圈的反馈获得的。

34.根据权利要求18所述的方法，其中，在感应所述至少一个电参数的所述步骤中，所述至少一个电参数至少部分地是由靠近所述至少一个感应线圈的至少一个螺线管线圈的反馈获得的。

35.根据权利要求19-33中任一项所述的方法，其中，在感应所述至少一个电参数的所述步骤中，所述至少一个电参数至少部分地是由靠近所述至少一个感应线圈的至少一个螺线管线圈的反馈获得的。

36.根据权利要求18所述的方法，包括如下步骤：

当所述材料处在所述材料容器当中时连续地或周期性地监视所述感应得到的至少一个电参数以追踪所述材料容器中的所述材料的温度趋势。

37.根据权利要求19-35中任一项所述的方法，包括如下步骤：

当所述材料处在所述材料容器当中时连续地或周期性地监视所述感应得到的至少一个电参数以追踪所述材料容器中的所述材料的温度趋势。

38.根据权利要求18所述的方法，包括如下步骤：

获得相对于时间的所述感应得到的至少一个电参数的导数，并使用所述导数至少部分地确定所述材料容器中的所述材料的随时间的温度趋势。

39.根据权利要求19-37中任一项所述的方法，包括如下步骤：

获得相对于时间的所述感应得到的至少一个电参数的导数，并使用所述导数至少部分地确定所述材料容器中的所述材料的随时间的温度趋势。

40.根据权利要求18所述的方法，包括如下步骤：

设定目标电参数并控制所述至少一个感应线圈的所述功率等级，以使所述材料容器中的所述材料的所述温度达到使所述感应得到的至少一个电参数等于所述目标电参数的特定温度。

41.根据权利要求19-39中任一项所述的方法，包括如下步骤：

设定目标电参数并控制所述至少一个感应线圈的所述功率等级，以使所述材料容器中的所述材料的所述温度达到使所述感应得到的至少一个电参数等于所述目标电参数的特定温度。

42.根据权利要求18所述的方法，包括如下的步骤：

设定目标周期时间并控制所述指示一个感应线圈的所述功率等级，以使所述材料容器中的所述材料的所述温度达到等于所述目标周期时间的时间周期内的特定温度。

43.根据权利要求19-41中任一项所述的方法，包括如下的步骤：

设定目标周期时间并控制所述指示一个感应线圈的所述功率等级，以使所述材料容器中的所述材料的所述温度达到等于所述目标周期时间的时间周期内的特定温度。

44.根据权利要求42所述的方法，其中，当所述材料处于所述材料容器当中时，可增大或减小所述目标周期时间。

45.根据权利要求43所述的方法，其中，当所述材料处于所述材料容器当中时，可增大或减小所述目标周期时间。

46.根据权利要求18所述的方法，其中，所述至少一个感应线圈起到所述材料的加热设备、冷却设备、以及二者组合的功能。

47.根据权利要求19-45中任一项所述的方法，其中，所述至少一个感应线圈起到所述材料的加热设备、冷却设备、以及二者组合的功能。

48.根据权利要求18所述的方法，包括如下的步骤：

在所述材料容器中的所述材料达到期望温度、fs、或两者的组合之后，在成型或铸造机中储存所述材料的步骤。

49.根据权利要求19-47中任一项所述的方法，包括如下的步骤：

在所述材料容器中的所述材料达到期望温度、fs、或两者的组合之后，在成型或铸造机中储存所述材料的步骤。

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