CN102297592A - 用于熔化金属碎块的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在一耐热坩埚(1)内熔化金属碎块(6)和/或金属粉末的装置，坩埚被至少一个线圈装置(3)包围，该线圈装置产生大部分横向于坩埚中轴线穿透过坩埚(1)的直流磁场，此磁场在坩埚(1)绕其中轴线转动时感生出短路电流。当线圈装置(3)包括至少一个在一低温恒温器(3.2)内的超导绕组(3.1)并且一可升降的压杆(7)与坩埚(1)同方向转动时，本装置与按同样的原理工作的已知装置相比具有显著改进的效率。

Description

用于熔化金属碎块的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在被至少一个线圈装置包围的耐热坩埚/熔锅内熔化碎块状和/或粉末状金属的装置，所述线圈装置产生一直流磁场，该直流磁场大部分横向于坩埚中轴线地穿透过该坩埚，并在坩埚绕其中轴线转动时至少在金属碎块和/或金属粉末内产生短路电流。

背景技术

由US4761527A图19已知一种这一类型的装置。在坩埚被驱动转动而线圈装置位置固定的情况中或在线圈装置转动而坩埚静止不动的情况中(同样也可通过坩埚和线圈装置相对于彼此的反向转动)在金属碎块内形成使金属碎块加热的短路电流。仅当在金属内产生相应大的感应电流时，才由于高的熔化热量而在熔点较低的金属如铝和某些铝合金中加热达到和超过熔点。这一点通过高的转速不能实现，这是因为，随着转速加大，磁场的穿透深度减小，与此无关地，金属碎块离坩埚的中轴线越近，感应电压和由其引起的短路电流便越小。所以取而代之需要非常强的磁场。因此线圈装置必须具有高的安匝数、亦即导线横截面大的大匝数的绕组和相应的大功率的直流电源。因此在绕组中产生可观的损耗热，该损耗热必须通过强制冷却来排出，通常通过采用用于线圈绕组的通水的铜管。

由DE102007034970A已知，让坯段在直流磁场中转动，直流磁场借助于一在低温恒温器内的超导线圈产生。

由DE1281149A已知一种带用于熔化铜屑的坩埚的感应炉，在坩埚上具有一碳覆层。在坩埚上方设置有一搅拌器，该搅拌器可以上下运动，但是不浸入熔液内，而是将铜屑挤压入碳覆层内并可选地进行在±45°范围内的往复运动。

由US2912552已知，在一静止不动的坩埚内感应加热金属碎块。为此使一通过接触环/集电环供应直流电的多极环形磁体被驱动转动。

由DE19652171A已知，为了培养晶体，在一坩埚内产生熔液，该坩埚借助电磁交变磁场来加热，该交变磁场由一包围坩埚的线圈产生并在坩埚内感生出环形电流。

发明内容

本发明的目的是，创造一种开头所述类型的装置，该装置可以与已知装置相比显著节约能量地熔化金属碎块和/或金属粉末。

按照本发明这个目的通过权利要求1的特征实现。

与普导的绕组相比，超导绕组能以小得多的能量消耗提供必要的、高的磁通密度，因为在通过超导绕组产生电流后在实践中仅需再花费用于运行低温恒温器的电能。这个电能只占用于弥补普导绕组的欧姆损失及用于冷却普导绕组所要消耗的电能的约5％。这不仅对于熔化、而且对于接着进一步加热到规定的温度例如浇铸温度也适用。

在坩埚上方设置有一压杆，该压杆可下降到坩埚内的金属碎块上。由此改善金属碎块之间的电接触，从而加快熔化过程。

压杆与坩埚同方向地、优选同步地转动，从而使金属碎块运动的角速度不滞后于坩埚的角速度并由此减小通过感应在金属碎块内产生的短路电流。

由于熔液和坩埚内壁之间的小的摩擦系数和此外由于由短路电流的磁场与线圈装置的磁场的交互作用而产生的制动效应，使熔液倾向于滞后于坩埚的转动。因此，如果压杆在下侧具有带动指，则将实现装置进一步的显著改善。尤其是，当金属碎块已经完全或至少部分熔化时，带动指便克服熔液的滞后或者首先是在坩埚内壁上形成的液态金属层的滞后。

压杆可以由非磁性、不导电的材料例如陶瓷组成。

但是，特别是在金属碎块非常小时和尤其是在金属粉末的情况下，压杆至少部分地由非磁性的导电材料组成是有利的，因为这样压杆也通过涡电流被加热了，并因此还通过直接的热传导(和部分通过热辐射)对金属碎块或金属粉末的加热进行支持。

同样的考虑也适用于坩埚。如果坩埚不由陶瓷组成，而是由非磁性的导电材料组成，那么金属碎块除了通过短路电流直接加热外还通过热传导和通过特别是坩埚壁的热辐射间接地被加热，积聚在坩埚底部的熔液也一样。但是在一定情况下，至少坩埚的壁部在其高度的至少一部分上由非导体材料组成是适宜的。如果例如坩埚壁部的上部是这样的，那么由此便实现，使熔化物在上部间接通过坩埚加热，而在下部直接被加热。这样，上部用于初始熔化，而下部用于进一步加热。

坩埚在内侧可以具有一耐热或耐火的内衬/炉衬，如由铸造技术为了保护容器壁并减少热辐射损失所知的那样。内衬可以是可磨损的或耐久的。

一种可方便地实现的转动驱动装置是，坩埚底部与一驱动轴的端部抗转动地相连接。驱动轴的轴线可以与坩埚的竖直中轴线重合。

坩埚底部和驱动轴端部之间的抗转动的连接优选是可释放的，例如做成牙嵌离合器。这样坩埚便可以借助于常见的升降工具从装置中取出并输送到金属熔液的使用地点。

驱动轴也可以例如水平设置并在其端部上具有一小齿轮，该小齿轮与坩埚底部上的齿圈相啮合。

另选地，坩埚可以在其外周上与一使其转动的装置相接合，此装置例如可以由一装在坩埚壁部上的齿圈和一被驱动的小齿轮或由一与驱动链相啮合的随动件组成。

线圈装置优选包括一铁磁性的磁轭，该磁轭带有彼此对置并离开一定距离的极靴/极块，坩埚在极靴的极面之间非接触地可转动地被支承。磁轭的材料及其尺寸宜这样选择，使得磁轭可以在接近其磁饱和的情况下运行。由此并通过极靴保持漏磁损失很小。磁轭的横截面在绕组区域内可小于在其余区域内。

磁轭优选基本上是C形的。这样超导绕组便可以设置在C形磁轭的中间部段上，从而远离形成一强热源的坩埚，以便不必为用于绕组的低温恒温器施加不必要地高的冷却功率。此外，可以在坩埚和低温恒温器之间设置一屏蔽坩埚辐射热的挡板。

考虑到坩埚的可接近性及其转动驱动，最简单的是磁轭平躺地设置在一水平面中。

原则上，磁轭也可以直立地设置在一竖直平面内，而且磁轭的中间部段位于坩埚下方并在必要的情况下具有一用于供驱动轴穿过的孔。和在平躺布置时一样，在磁轭直立布置时坩埚也可以在金属熔化后向上从装置中取出和继续输送。在驱动轴竖直布置时，线圈装置可以在磁轭的用于供驱动轴穿过的孔的两侧分别包括一超导绕组。为了取出坩埚，压杆可以向上移动足够远和/或侧向摆离。

本装置一种改进结构是，在一与包含磁轭的平面相垂直的平面内设置有另一个带极靴的磁轭，所述极靴占据了第一磁轭的极靴之间的自由空间的一部分，在该另一个磁轭的一臂上同样设置有至少一个线圈装置，但是带一普导绕组，该普导绕组连接在一电流可调和优选频率也可调的交流电源上。因此普通绕组产生一交变磁场，除了不可避免的漏磁通外，该交变磁场同样大部分横向于坩埚中轴线地穿透过坩埚，但是与直流磁场的方向正交。尤其是在金属碎块很小、例如切碎的废金属/金属屑的情况下，交变磁场缩短了金属被加热至软化或开始熔化的起始阶段。接着可以关掉所述另一个线圈装置或其交流电源。

本发明的装置也可以扩展用于在两个单独的坩埚中熔化金属碎块和/或金属粉末。这时用一E形磁轭代替C形磁轭。超导线圈装置最好定位在该E形磁轭的中间臂上。在E磁轭的中间臂和一条外侧臂之间设置有一和在C形磁轭的情况时一样的坩埚，在该中间臂和另一条外侧臂之间设置有另一个同类型的坩埚，该坩埚带有转动驱动装置、可升降的压杆等。

代替或除了带有供应交流电的线圈装置的另一磁轭以外，还可以通过这样的方法加速熔化过程，即连同金属碎块和/或金属粉末一起将由相同的金属组成的炉板放置在坩埚内。

附图说明

下面借助附图说明本发明，附图以示意性的简图示出装置的一些实施例，附图示出：

图1示出第一实施形式的局部剖开的侧视图，

图2示出该第一实施形式的透视图，

图3示出第一实施形式的俯视图，

图4示出第二实施形式的透视图，

图5示出第三实施形式的透视图，

图6示出第三实施形式的俯视图，

图7示出第四实施形式的俯视图，以及

图8示出第五实施形式的俯视图。

具体实施方式

图1至3示出所述装置的第一实施形式。该装置包括一设置在C形磁轭2的极靴2.1和2.2之间的、带耐火炉衬1.1的坩埚1。在该磁轭的中间臂2.3上安装有一线圈装置3，该线圈装置包括一在一已知的、用虚线表示的低温恒温器3.2内的超导绕组3.1。

线圈装置3的超导绕组3.1是通直流电的并在C形磁轭2内产生一磁通，该磁通以在图3中仅示意性地和在忽略漏磁通的情况下示出的方式穿透过坩埚1。在这个例子中磁轭2平躺地设置。

坩埚1的底部抗转动地但是可分离地(未画出)与一装在至少一个上轴承5内并在装置运行时由一未画出的大功率电机驱动的轴4相联接。合适的驱动装置和联接装置是本领域技术人员已知的。

根据图1，废金属6在坩埚1内位于一由和废金属6相同的材料组成的炉板30上方。带有多个在下侧的带动指如7.1的压杆7浸入坩埚1内。压杆7及其带动指7.1由高熔点的或耐火的材料组成。压杆7可借助于轴8与轴4同方向地尤其是还以相同的转速转动。在用实线表示的下降位置处压杆7用于压实废金属6，以便产生尽可能长的电流路径。带动指7.1避免了废金属6和之后在其熔化后金属熔液滞后于坩埚1的转动。

此外，轴8可以相应于箭头P从实线位置提升到仅用虚线表示的位置，在这个虚线位置一方面坩埚1可以用废金属6装填，另一方面坩埚1连同金属熔液向上提升出极靴2.1和2.2之间并例如借助于已知的水平输送机和倾倒装置移到需要金属熔液的地点，并在那里倒出。

在图2和3以及其他附图中为了清楚起见未画出压杆7及其驱动装置以及坩埚1的内容物。

在图4中示出第二实施形式(不带压杆7及其驱动装置)，在这种实施形式中C形磁轭与图2中的不同，亦即设置在一竖直平面内。因此中间臂2.3具有一用于坩埚1的轴4的穿过孔2.3.1。线圈装置3装在C形磁轭2的两个自由的(侧向)臂中的一个上。也可以分成两个对称的线圈装置(第二线圈装置用虚线表示)，但是在功能上没有表现出大的改善，然而成本非常明显地提高。

如果装置补充了一携带一供应交流电的线圈装置10的第二C形磁轭9，那么如图4中那样设置C形磁轭2是尤其合宜的。在图5中示出第三实施形式，同样仅出于清楚的原因没有带压杆7等。C形磁轭2和9也可以交换位置地设置，亦即磁轭2如图2中那样平躺在一水平面内而磁轭9如图4中的磁轭2那样直立在一竖直平面内。

如在按图6的俯视图中示意性示出的那样，在这种实施形式中由在图5中的超导绕组3.1所产生的直流磁通(定向箭头)和由普导的用交流电工作的线圈装置10产生的交变磁通(双箭头)基本上正交穿透过坩埚1，由此尤其是可以对坩埚内容物的加热的起始阶段进行加速，从而可以缩短时间。

在图7中示意性示出第四实施形式的俯视图，它与第一实施形式基本一致，区别仅在于，磁轭2在绕组3.1的区域内的横截面与该磁轭其他部分的横截面相比缩小了。由此可以减小在绕组3.1内由于产生在坩埚和/或坩埚内容物内的短路电流的随时间变化的磁场而引起的反感应电压。

图8示意性示出装置的第五实施形式，它使得可以同时加热两个坩埚21和22内的内容物，只要这两个坩埚也同时被驱动转动。这种实施形式包括一E形磁轭11，该E形磁轭在一定程度上通过两个第一实施形式的磁轭2的合并形成，但是超导线圈装置3支承在中间臂11.1上。

Claims (18)

1.一种用于在一耐热坩埚(1)内熔化金属碎块(6)和/或金属粉末的装置，所述坩埚被至少一个线圈装置(3)包围，该线圈装置产生直流磁场，该直流磁场大部分横向于坩埚中轴线地穿透过所述坩埚(1)，在所述坩埚(1)绕其中轴线转动时该直流磁场感生出短路电流，其特征为：所述线圈装置(3)包括一低温恒温器(3.2)内的至少一个超导绕组(3.1)，在所述坩埚(1)上方设置有一压杆(7)，该压杆能下降到所述坩埚(1)内的金属碎块(6)上，并与所述坩埚(1)同方向地被驱动转动。

2.按权利要求1所述的装置，其特征为：所述压杆(7)在下侧上具有带动指(7.1)。

3.按权利要求1或2所述的装置，其特征为：所述压杆(7)至少部分地由非磁性的、不导电的材料组成。

4.按权利要求1或2所述的装置，其特征为：所述压杆(7)至少部分地由非磁性的导电材料组成。

5.按权利要求1至4之任一项所述的装置，其特征为：至少所述坩埚(1)的壁部在其高度的至少一部分上由非磁性的不导电材料组成。

6.按权利要求1至4之任一项所述的装置，其特征为：至少所述坩埚(1)的壁部在其高度的至少一部分上由非磁性的导电材料组成。

7.按权利要求1至6之任一项所述的装置，其特征为：所述坩埚(1)在内侧具有一耐热的或耐火的内衬(1.1)。

8.按权利要求1至7之任一项所述的装置，其特征为：所述坩埚(1)的底部与一驱动轴(4)的端部抗转动地连接。

9.按权利要求8所述的装置，其特征为：所述坩埚(1)底部和所述驱动轴(4)端部之间的所述抗转动的连接是可释放的。

10.按权利要求1至7之任一项所述的装置，其特征为：所述坩埚(1)在其外周上与一使该坩埚转动的装置相接合。

11.按权利要求1至10之任一项所述的装置，其特征为：所述线圈装置具有一铁磁性的磁轭(2)，该磁轭带有彼此对置并离开一定距离的极靴(2.1、2.2)，所述坩埚(1)非接触地设置在所述极靴的极面之间。

12.按权利要求11所述的装置，其特征为：所述磁轭(2)基本上是C形的。

13.按权利要求11或12所述的装置，其特征为：所述超导绕组(3.1)安装在所述C形磁轭(2)的中间部段(2.3)上。

14.按权利要求11至13之任一项所述的装置，其特征为：所述磁轭(2)平躺地设置在一水平平面内。

15.按权利要求11至13之任一项所述的装置，其特征为：所述磁轭(2)直立地设置在一竖直平面内，所述磁轭的中间部段(2.3)位于所述坩埚(1)的下方并具有一用于供驱动轴(4)穿过的孔(2.3.1)。

16.按权利要求11至15之任一项所述的装置，其特征为：在一与包含磁轭(2)的平面相垂直的平面内设置有一带极靴的另外的磁轭(9)，该另外的磁轭的极靴占据位于第一磁轭(2)的极靴(2.1、2.2)之间的自由空间的一部分，在所述另外的磁轭的一臂上设置有至少一个另外的、普导的绕组(10)，该另外的普导的绕组连接在电流和频率可调的交流电源上。

17.按权利要求11所述的装置，其特征为：所述磁轭(11)基本上是E形的，以便接纳另一个用于熔化金属碎块和/或金属粉末的同类型坩埚。

18.一种用于运行按权利要求1至17之任一项所述装置的方法，其特征为：除了金属碎块和/或金属粉末外还将一由相同材料组成的炉板(30)放在坩埚(1)内。

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