CN107532851B - 合金熔化保温炉 - Google Patents

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Abstract

感应炉，包括：炉容器；位于该上部炉容器下方的感应线圈；和位于该感应线圈内并且可连通地连接到该炉容器的含熔体的容器，其中将该含熔体的容器定位于该感应线圈内限定了该含熔体的容器的外表面与该感应线圈的内表面之间的间隙。用于直接冷硬铸造的系统，包括：至少一个感应炉；可操作以除去熔融金属中的杂质的至少一个在线过滤器；连接至与气体关联的供给口的至少一个气体源；和用于通过浇铸使金属凝固的至少一个设备。冷却感应炉的方法，包括：将气体引入感应线圈与位于该感应线圈内的含熔体的容器之间的间隙中；和使该气体经过该间隙循环。

Description

合金熔化保温炉
相关申请的交叉引用
本申请要求以下申请的在先申请日权益：2014年11月18日提交的共同待决美国专利申请号14/546,682；以及2013年11月23日提交的美国临时专利申请号61/908,065，上述所有申请通过引用并入本文中。
技术领域
感应熔化保温炉，更具体地涉及这样的可用于合金例如铝锂(“Al- Li”)合金的加工中的设备。
背景技术
传统上采用感应熔化炉技术(通常是无芯或槽感应型)来使Al- Li合金和某些其他高度合金化的铝合金熔化。由于锂在铝中的化学活性，没有使用标准炉、烧燃烧气体的炉的设计。为了熔化Al-Li合金，使用感应炉的电磁场施加间接感应产生的热，其中该炉中的金属与该磁场耦合以产生热。无芯感应炉典型地具有围绕炉体的周围的连续线圈(通常为铜)。槽感应炉具有在外部安装于该炉的主体的感应线圈，并且采用通过法以经过加热区转移熔融金属。槽感应炉通常大于无芯感应炉，并且被开发，原因在于无芯感应炉具有实际的尺寸限制。对于上述两种类型的感应炉，经由该磁场形成以及来自该熔融金属自身的热能要求使用水或二醇或其混合物来液体冷却该感应线圈。水通常用作冷却剂，但如果发生炉衬里失效则这会产生安全问题。熔融金属可透过该炉衬里并且到达冷却线圈，并且如果熔融金属透过该冷却线圈自身，则可能由铝水接触导致铝爆炸。大量的出版物，包括由TheAluminum Association(USA)出版的Guidelines for Handling Molten Aluminum讨论了爆炸以及保持熔融铝远离水的要求。在熔化和加工Al-Li合金时，与水的灾难性爆炸的潜力大于常规的(不含锂的)铝合金。因此，几个炉制造商提供将水以外的冷却剂、尤其是卤代二醇用于线圈冷却的炉冷却系统。
典型的铝合金使用标准工业耐火材料作为用于感应炉的工作衬里。这些包括作为就地浇铸衬里安装的莫来石、氧化铝和二氧化硅基材料、耐火砖和灰浆衬里、和预铸造定制(made-to-fit)坩埚。将这些材料与其他中间材料一起插入炉体内以将熔融铝分离而不接触炉感应线圈。认为暴露于熔融金属的衬里材料可膨胀，并且根据需要将其周期地更换。支承材料(通常不与熔融铝合金直接接触)通常具有比直接接触的那些长的寿命，并且在工作衬里更换期间通常不惯例地更换支承材料。
由于锂在铝中的化学活性，Al-Li合金需要特殊的工作衬里耐火材料。典型地将氧化镁(MgO)和氧化铝(Al2O3)基耐火材料用于无芯感应炉，而将碳化硅(SiC)基耐火材料用于离开感应器的非磁性区域中。对于小的实验室规模的感应炉，使用SiC坩埚。MgO的主要缺点是其相对低的耐热疲劳性。这需要使该炉保持热并且不定期地排干。由于在已将炉用于熔融金属后该炉通常不能在没有使该耐火材料开裂的情况下被冷却，因此这在合金变化过程中也造成问题。根据经验，如果使 MgO炉衬里冷却到低于1000℉，其将开裂并且变得不可用。由于铝在 1260℉下熔化并且在1400℉下合金化，因此该衬里必须永久地保持在 1400℉。因此，需要外部装置以随时保持该炉中的热量，即使在不使用时以及炉操作周期之间。
已将引入感应以外的技术的炉用于熔化Al-Li合金，包括电阻加热的真空炉。铝-锂合金化方法也采用了锂的炉后在线合金化的技术使得锂不接触或污染传统的炉耐火材料；参见美国专利号4,248,630。与Al-Li熔体结合使用时，含有游离的二氧化硅和/或磷酸盐的耐火产品尤其不好，原因在于锂优先侵蚀这些材料，这导致陶瓷的几乎立即的破坏。
美国专利号5,028,570(“'570专利”)教导了用于航空航天应用的铝-锂合金，其典型地含有约2-3％锂，这显著地增加了铝的强度并且相对于纯铝减少了该合金的重量。只发现了两种能够提供这些合金的合理包容的耐火材料。它们是结合氧化物的氧化镁和结合氮化硅的碳化硅。'570专利记载了结合氮化硅的MgO，其对于熔融Al-Li更耐腐蚀。另外，由碳化硅和氧化铝组成的干燥振动式混合物(由Allied Mineral Corporation,Columbus,Ohioand Saint Gobain Corp of America,Amherst,Massachusetts制造和销售)也用于常规的用于熔化铝锂合金的无芯感应炉。由板状氧化铝(含有96％高纯度板状氧化铝、约2％二氧化硅和2％氧化钛)制成的预铸造和烧成的坩埚也用作铝锂应用中的含熔体的容器的主要衬里材料。但是，所有的上述耐火材料都与铝锂合金反应并且产生倾向于并发展剥落结合发状裂纹的网络的合金。在装料或排渣或炉壁清洁过程中产生问题-耐火材料经历进一步的机械误用。该机械误用使来自热循环在耐火材料中存在的发状裂纹增加。这结合耐火衬里与含锂熔体之间的化学反应以及进而填充有来自熔体的低熔点共晶的炉，导致合金的捕集的半固体、固体、半液体或完全液体翅片的较厚部分在该容器的耐火衬里内形成网络，其中这样的网络缓慢地发展到该衬里的外壁。由于感应能量能够容易地与衬里内捕集的一定厚度(超过1.5mm)的铝或铝合金翅片的网络耦合，因此在电磁功率的所需输入下和特定频率下操作该炉时，翅片的网络变得过热并且迅速地发展到该耐火衬里的外边界。产生的耐火衬里的失效在该炉的寿命中成为强限制因素。如果该耐火衬里的失效只将自身表现为纯粹的花费，则其只保持为可解决的成本项目。但是，液体铝锂合金经过含熔体的容器的受损的耐火衬里向该感应线圈的突然前进产生灾难性爆炸的可能性，如果其到达该感应线圈的甚至一个或两个匝。因此，缺少对于熔融铝锂合金化学惰性的耐火材料，存在将该感应线圈与含熔体的容器的耐火衬里完全隔离的明显需要。
典型的感应炉在非常低的电频率下工作。为了在熔化工艺的过程中获得熔体的搅拌，低频率对于获得快速的熔化率是重要的。但是，快速的熔化率使得在熔体中保持锂的任务更为困难，除非在该熔体上方连续地保持严格控制的惰性气氛。美国专利号5,032,171记载了使用低频感应电源以剧烈地搅拌该熔体使得促进锂的除去。使用较高频率的感应炉时，发生较少的搅拌，原因在于熔融金属的移动是操作频率的反函数。较高的频率导致较小的搅拌，但是，较高的频率也导致将较靠近含熔体的容器的内壁的感应能量中的更多耦合，如果翅片是存在的强耦合并由此导致翅片的过热，这进一步加速耐火材料的劣化。因此在电源中采用较低频率不能减轻耐火衬里的劣化。与使用低频(以实现快速熔化)相关的另一问题是产生的强制搅拌，其导致非金属性颗粒和不需要的氧化物夹带到该熔体中。由于较低的频率导致较多的熔体搅拌，因此常常进行操作频率的折中以适于操作，但只是以对耐火衬里造成更多损伤并且削弱对浴温度的控制为代价。
对于废料熔化，其中品质次于生产率，典型地采用较低的频率。当生产高品质熔体时，以生产率为代价，采用较高频率以减少所不需要的搅拌。
与Al-Li熔体关联的另一基本因素是熔融Al-Li合金中氢溶解度的程度。由于氢在纯熔融锂(其在仅400℉下熔化)中完全可溶，因此 1400℉下的熔融Al-Li合金在合金化熔体中俘获大量的氢。例如，典型的不含锂的航空航天铝合金AA 7050的炉熔体在反射熔化炉中新制备的熔体中将会具有的氢含量为0.5cc/100gms的熔融合金。与其相比，在气氛受控的感应炉内熔化的1.2％Li合金的新制备熔体中溶解的氢的量为1.5cc/100gms的熔融合金。常规铝合金以及铝锂合金中的氢是有害的，原因在于其导致铸造产品中的孔隙。合金的铸造条件下的这种孔隙难以在热机械加工过程中治愈并且影响由这样的带有较大量的氢的铸件制成的成品的强度、延展性、耐腐蚀性和抗疲劳性。除了通过添加锂而进入到熔融的Al-Li合金中的氢以外，存在有助于熔体中氢吸收的另一来源。该来源在属性上为化学的。Al-Li熔体是极强的还原剂并且它们从含熔体的容器中使用的耐火材料的组分中夺取结合的氢。熔体容器耐火材料的制备中使用的粘结剂典型地含有腐蚀性酸或磷酸或者水或有机活化剂，它们都含有一定量的结合的氢。该氢能够被Al和Li原子夺取并且容易地被该熔体吸收，同时形成AL- Li氧化物、碳化物、硼化物等。代表性的化学反应为2Al+3H2O＝ Al2O3+6H，由此释放大量的氢并由该熔体保持。
除了上述两个氢的促进因素以外，还存在另一个氢输送到该熔体中的根源。该输送通过任何标准感应熔化炉的含熔体的容器的耐火材料而发生。该输送容易地发生，原因在于a)耐火材料的外壁(其坐落在线圈灰浆内)外的氢的分压高于其在容器耐火衬里(其与该熔体接触) 的内壁上的分压，b)氢为最小的原子，氢转移的系数和动力学非常有利于保持由氢的分压差驱动的氢的连续扩散。线圈灰浆总是与设备气氛直接接触并且取决于湿度(其在铝铸造场中总是高，原因在于将水用作热提取介质)，合理量的水分(相对湿度20％或更高)和由此的氢存在(reminiscent)于线圈灰浆的外表面上。为了减少这样的经过耐火材料输送的熔体中的氢吸收，工业上已发现必须采用另一电保温炉以在浇铸之前对包括Al-Li熔体的特种合金熔体进行脱气。这样的保温炉具有三种设计：(i)在Al-Li浴表面的上方施加真空，或者(ii)将含熔体的容器的外部保持在真空中，或者(iii)在两个位置，即内部以及外部施加真空。
附图说明
图1为感应炉的实施方案的横截面图。
图2为可操作以由合金熔体形成一个或多个坯或板坯或锭的系统的示意性侧视图。
具体实施方式
图1表示感应炉的实施方案的横截面侧视图。本实施方案中，感应炉100为具有底部定位的感应器的两部分炉。感应炉100能够在200 赫兹-80赫兹范围内的高和/或低频率模式下工作。本实施方案中，感应炉100包括上部炉容器110，位于上部炉容器110下方的感应线圈 120(如所示)；和位于感应线圈120内并且可连通地连接至上部炉容器110的下部含熔体的容器130。将该感应炉确定为底部定位的感应型是指只是该下部或含熔体的容器130定位或设置在感应线圈120内而不是含熔体的容器130和上部炉容器110两者。
一个实施方案中，含熔体的容器130通常具有柱形状，取决于例如炉熔化率要求，代表性地具有10英寸-50英寸的内直径。
在图1中所示的实施方案中，感应线圈120为冷却的感应线圈，其由具有经过其中的管腔或开口135的一个线圈或多个线圈限定，经过该管腔或开口引入(例如泵送)冷却剂例如水或二醇的液体冷却剂或者气体冷却剂例如制冷剂。另一实施方案中，感应线圈120可以是实心线圈或外部空气冷却的线圈。一个实施方案中，感应线圈120通常具有柱形状，其具有容纳含熔体的容器130的内直径。
在感应炉100的实施方案中示出了含熔体的容器130的外表面 150与感应线圈120的内表面160之间的间隙140。间隙140可操作以使气体循环，从供给口145进入并且从排放口146离开，供给口145 和排放口146分别与间隙140关联。一个实施方案中，间隙140为至少1/2英寸(0.5")、优选地1.25英寸-1.5英寸宽。一个实施方案中循环意味着气体在供给口145处引入并且在含熔体的容器130周围的间隙140内移动并且在排放口146处离开以废弃。另一实施方案中，循环意味着气体在供给口145处引入并且移动经过含熔体的容器130 周围的间隙140，在排放口146处离开，然后再次引入到供给口145 中(经由循环回路)。在任一实施方案中，希望在含熔体的容器130的一部分、一个实施方案中整个部分、或者基本上整个部分的周围使气体循环或移动。以这种方式，该气体可操作以将含熔体的容器130的外部冷却。为了辅助含熔体的容器130周围的气体的循环，可增加例如在感应线圈120的内表面160延伸并且引导该气体围绕含熔体的容器130的外表面150的挡板。图1中所示的实施方案包括一个供给口和一个出口。在另一实施方案中，可以存在多于一个的供给口和/或排放口。
一个实施方案中，经过间隙140循环的气体为惰性气体。使选自由氩、氦、氖、氪、氙和氡组成的组中的至少一种惰性气体经过该感应线圈与该含熔体的容器之间的间隙循环。该循环气体优选其中具有至少5％氦以改善传热能力。一个实施方案中，该循环气体包括约80％氩和约20％氦的混合物。另一实施方案中，该循环气体为空气。在又一实施方案中，气体为空气或氮气和惰性气体例如氦。使代表性的循环机构连续地运行，只要该炉处于300℉或更高的温度下。从与含熔体的容器130关联的排放口146离开的循环气体，在一个实施方案中，在该炉的外部被冷却并且再循环回到该间隙中(即，引入供给口145和间隙140中)。一个实施方案中，惰性气体的代表性的流量为约12,000 立方英尺/分钟(cfm)并且将含熔体的容器的外表面的温度保持在低于 150℉。这确保将熔融合金炉缸(well)的冷冻平面良好地保持在含熔体的容器130的耐火衬里内。一个实施方案中，在使用在线除湿器使其再循环前，可从该循环气体中除去水分。对于不含反应性元素例如锂的某些铝合金，经过间隙140循环的气体能够为在环境温度下输入并且排出到大气中的大气空气。反应性元素为在高温下与水、氢或空气的组分(例如氮、氧)剧烈反应的元素。这样的空气的典型性流量将为约12,000cfm或适当以将含熔体的容器130的外部温度保持在约 150℉或更低。
刚刚描述的炉容器和气体的循环方法通过使对于爆炸发生必须存在的成分最小化或去除而改善Al-Li合金的熔化和DC铸造的安全性。应理解在熔融Al-Li合金的存在下水(或水蒸气或蒸汽)将产生氢气。认为代表性的化学反应式为：
2LiAl+8H20→2LiOH+2A1(0H)3+4H2(g)。
通过将冷冻平面保持在含熔体的容器130内、优选地容器壁内、远离容器壁的外部，熔融Li-Al从该容器逃逸的机会受到抑制。否则这样的逃逸并与感应线圈120的接触会是灾难性的。
一个实施方案中，含熔体的容器130具有外表面，将该外表面用紧密缠绕的双粗花呢高温玻璃纤维布环形缠绕，用碳化硅基高温耐火粘合剂将该双粗花呢高温玻璃纤维布胶合至所含的容器的外部。含熔体的容器130设置有耐熔融铝的工作衬里，一个实施方案中，该工作衬里具有约1,000-约10,000μΩcm的电阻率。另一实施方案中，该电阻率为高于1,000,000μΩcm。一个实施方案中，含熔体的容器130 的工作衬里为耐火陶瓷。
为了检测熔融金属的泄露或渗出，将至少一个云母导体网的栅板放置在含熔体的容器130的外表面150处或附近，由该网限定的导电栅板与电路连接以检测熔体的泄露。这样的电路可通过例如控制器与警报器连接。代表性地，将云母栅板与警报系统连接并且当泄露的金属接触云母栅板时通过完成该金属与地线之间的电路该云母栅板用作泄露检测设备。一个实施方案中，为了进一步确保操作的安全，将多个云母的栅板放置在至少三个位置，包括(i)含熔体的容器130的外柱形表面，(ii)含熔体的容器130的底部142；和(iii)感应线圈120 的内表面160。
为了熔体脱气目的，能够使用用于感应炉100中的合金熔体的脱气的真空产生设备。真空产生设备将真空施加于感应炉100中的合金熔体的上表面。用于炉脱气的另一方法为使用石墨或碳化硅的气体扩散器块来喷射氩气。
上部炉容器110和含熔体的容器130与例如碳化硅的界面环170 和环形热垫圈180可连通地连接。可用一个或多个绳垫圈190(例如，钛绳垫圈)将配合界面进一步密封。
在图1中所示的实施方案中，感应炉100为沿轴192倾斜的倾斜型。
一个实施方案中，清理口位于上部炉容器110和钢壳的上端处或附近。一个实施方案中，其与倾斜轴相对地设置。该壳具有用于含有熔融铝的耐火衬里内部，包括该内部上的盖195以将炉气氛密封。代表性地，将该炉气氛保持在1英寸水柱(±0.75英寸水柱)的氩压力下。代表性地，炉内的氧浓度为0.1体积％(0.05-0.2体积％)。
一个实施方案中，炉容器110包括耐熔融铝合金的工作衬里；能够容许该工作衬里的膨胀和收缩的高温可压缩耐火材料的中间层；和最外层，其包括约70％氧化铝、约10％二氧化硅、约3％氧化钙和粘结剂材料，全部安装在典型地具有1英寸厚度的钢壳内，并且其中该耐火衬里的内部直径提供该炉的总保持容量的约80％容量并且余量的约20％容量由感应器以及将该感应器与该炉的主容器连接的区域占据。容量的这种比例也能够分别为约90％和10％。
一个实施方案中，炉容器110的工作衬里包括纯等级碳化硅(SiC)；结合氮化物的碳化硅；具有用于控制化学反应性的特殊添加剂的氧化钇稳定化的氧化锆、或者与结合氮化物的碳化硅结合的高纯度氧化镁或板状烧结氧化铝或85％SiC+15％氧化铝的最内衬里112。该工作衬里本质上缺乏游离硅、二氧化硅、碳纤维、石墨纤维、磷酸盐结合剂、铝酸钙、硅酸钙、水泥、石灰(碳酸钙)、非晶态弱氧化物(on- crystalline)、无定形弱氧化物、或任何其他耐火、非耐火的与熔融铝合金并且特别是含有至多约5％锂的Al-Li合金化学反应的金属形添加剂或结合剂。最内衬里112具有用碳化硅涂料115涂覆或者用氧化锆、氧化镁或铌金属等离子体涂覆的内表面。
参照炉容器110，容器110在最内衬里112上包括支承层116。一个实施方案中，将支承层116整体铸造并且烧结为单一单元。在另一实施方案中，使支承层116具有多个等静压和烧结的构造块，将该多个等静压和烧结的构造块以榫槽形成物例如最内衬里112的块118组装并且用碳化硅基高温砂浆119保持在一起或者作为热等静压全尺寸坩埚制造，然后进行高温烘焙和烧结。
一个实施方案中，炉容器110的支承层116上的另一支承层117 由能够容许最内衬里112和支承层116的膨胀和收缩的高温可压缩耐火材料制成。支承层117的代表性材料包括干燥的氧化锆粉末、氧化锆和氧化铝粉末混合物、和可压缩的非热传导耐火纤维，其对于熔融铝合金为非润湿的并且典型地为2英寸-4英寸厚度，在与陶瓷纸121 相邻的钢壳的内部上延伸，该陶瓷纸在该钢壳内。
一个实施方案中，感应炉100用于制备Li-Al合金的熔体，其典型地含有0.1％-6.0％范围内的锂、0.1％-4.5％范围内的铜、和0.1％-6％范围内的镁，具有银、钛、锆作为次要添加剂，同时具有痕量的碱金属和碱土金属以及余量的铝。这样的合金在液体状态下可非常容易地氧化，与水接触时在液态下剧烈地反应，但具有比铝合金低得多的密度(低10％)并且显示较高的强度和刚度。在另一实施方案中，感应炉可用于制备其他合金的熔体，该其他合金包括但不限于其他铝合金。一个实施方案中，使用感应炉100制备的Li-Al合金具有如下性能，该性能满足100,000磅/平方英寸(psi)拉伸强度和80,000psi屈服强度的要求。
图2呈现用于在直接冷硬铸造方法中形成一个或多个坯或板坯或其它形式的系统的示意性侧视图。根据图2，系统200包括参照图1 详细说明的感应炉100。感应炉100包括炉容器110和含熔体的容器 130，感应线圈(感应线圈120，图1)位于所述含熔体的容器周围。在制造Al-Li合金的一个实施方案中，将铝和锂以及用于所需合金的任何其它金属的固体装料引入炉容器110的下部分中和含熔体的容器 130中。通过感应加热熔化金属并且熔化的金属转移到第一过滤器210、通过脱气器220、到第二过滤器230并且到坯或板坯形成系统240。
系统200中的感应炉100包括围绕含熔体的容器130的感应线圈 (感应线圈120，图1)。如图1中所示，在含熔体的容器130的外表面和感应线圈的内表面(内表面160，图1)之间有间隙(间隙140，图1)。在一个实施方案中，惰性气体在该间隙中循环。图2中的感应炉100的表示显示围绕代表性的柱形的含熔体的容器(例如围绕容器的整个外表面)循环的气体。图2显示与系统200关联的气体循环子系统。在一个实施方案中，从气体源255例如通过不锈钢管供应气体、例如惰性气体。各种阀控制气体的供应。当从气体源255供应气体时，邻近气体源255的阀256打开，阀251打开以允许气体引入供给口145 中，并且阀252打开以允许气体从排放口146排放到循环子系统中。将气体引入与感应炉100关联的供给口145中。引入的气体在含熔体的容器130和感应线圈(感应线圈120，图1)之间的间隙(间隙140)中循环。循环气体然后通过排放口146离开感应炉100。从排放口146，气体穿过在线氢分析器258。氢分析器258测量气流中的氢的量(例如浓度)。如果该量超过例如0.1体积％，则气体通过排气阀259排出到大气。来自排放口146的循环气体还通过净化器260。净化器260 可操作或者经配置以从惰性气体去除氢和/或水分。去除水分的净化器的例子是除湿器。从净化器260，将气体暴露于热交换器270。将热交换器270配置成从气体去除热以将气体温度调节到例如低于120℉。代表性地，在通过感应线圈和含熔体的容器之间的间隙循环中，气体可以吸收/保留热并且气体的温度将上升。将热交换器270配置成减小气体的温度，并且在一个实施方案中，将这样的温度返回到目标温度，所述目标温度低于120℉并且在一个实施方案中约为室温。在一个实施方案中，除了将气体暴露于热交换器270以外，可以通过将气体暴露于制冷源275来冷却气体。以该方式，在进入/再进入感应炉 100之前气体的温度可以显著地减小。如图2中所示，气体循环子系统250包括在供给口145之前的温度监测器280(例如热电偶)。温度监测器280可操作以用于测量正供给到供给口145中的气体的温度。通过气体循环子系统250的所述工作台(例如氢分析器258、净化器 260、热交换器270和制冷源275)的气体可以通过管、例如不锈钢管循环，每个所述工作台连接到所述管。另外，可以领会所述工作台的顺序可以变化。
在另一实施方案中，通过含熔体的容器130和感应线圈(感应线圈 120，图1)之间的间隙(间隙140，图1)循环的气体是大气空气。这样的实施方案可以用于不包含如上所述的反应性元素的合金。参考图2，在将要将大气空气引入间隙中时，可以将气体循环子系统250隔离以避免污染。因此，在一个实施方案中，阀251、252和256闭合。为了允许将空气引入供给口145中，空气供给阀253打开。为了允许从排放口146排出，空气排放阀257打开。当使用气体循环子系统250并且从气体源255供应气体时空气供给阀253和空气排放阀257闭合。在空气供给阀253和空气排放阀257打开的情况下，通过吹风机268 (例如供应风扇)将大气空气供应到该间隙(间隙140，图1)。吹风机268产生空气流，所述空气流以代表性地约12,000cfm的体积将空气 (例如通过管道)供应到供给口145。空气通过该间隙(间隙140，图 1)循环并且通过排放口146排放到大气。
如上所述，从感应炉100，熔融合金流动通过过滤器210和过滤器230。将每个过滤器设计成过滤来自熔体的杂质。熔体也穿过在线脱气器220。在一个实施方案中，将脱气器220配置成从熔体去除所不需要的气体物质(例如氢气)。在熔体的过滤和脱气之后，可以将熔体引入坯或板坯形成系统240中，其中可以在例如直接冷硬铸造方法中形成一个或多个坯或板坯。
上述的系统可以由控制器控制。在一个实施方案中将控制器290 配置成控制系统200的操作。因此，各单元例如感应炉100；第一过滤器210；脱气器220；第二过滤器230；和坯或板坯形成系统240通过线或无线地电连接到控制器290。在一个实施方案中，控制器290包含作为非暂时介质的形式的机器可读程序指令。在一个实施方案中，程序指令执行熔化感应炉100中的装料并且将熔体输送到坯或板坯形成系统240的方法。关于熔化装料，程序指令例如包括用于操作感应线圈以及使气体通过感应线圈和含熔体的容器130之间的间隙循环的指令。关于将熔体输送到坯或板坯形成系统240，这样的指令包括用于建立熔体从感应炉100流动通过过滤器和脱气器的指令。在坯或板坯形成系统240处，指令指导一个或多个坯的形成。关于形成一个或多个坯，程序指令例如包括降低一个或多个铸缸295并且喷洒冷却剂 297以凝固金属合金铸件的指令。
在一个实施方案中，控制器290也调节并且监测系统。这样的调节和监测可以由遍布系统的多个传感器实现，所述传感器将信号发送到控制器290或由控制器290访问。例如，参考感应炉100，这样的监测器可以包括与含熔体的容器130和/或上部炉容器110关联的一个或多个温度计/热电偶。其它监测器包括与气体循环子系统250关联的温度监测器280，所述温度监测器提供引入含熔体的容器130和感应线圈的内表面之间的间隙(例如，间隙140，图1)中的气体(例如惰性气体)的温度。通过监测循环气体的温度，与含熔体的容器130 关联的冷冻平面可以保持在所需位置。在一个实施方案中，通过邻近含熔体的容器130的外表面放置热电偶(热电偶244)，含熔体的容器的外表面的温度也可以被测量并且由控制器290监测。与气体循环子系统250关联的另一监测器与氢分析器258关联。当氢分析器258 检测到气体中的过量氢时，将信号发送到控制器290或由控制器290 检测该信号并且控制器290打开排气阀259。在一个实施方案中，控制器290也控制与气体循环子系统250关联的阀251、252和256的打开和闭合，当从气体源255供应气体(打开每个阀)时，例如气体的流量由控制器290打开阀的程度控制，并且当从氢分析器 258供应环境空气时，每个阀闭合并且空气供给阀253和空气排放阀257打开。在一个实施方案中，在空气通过间隙(间隙140，图1)循环的情况下，控制器可以调节氢分析器 258的速度和/或供给阀253打开的量以基于例如来自邻近含熔体的容器130外部的热电偶244的温度测量来调节含熔体的容器130的外表面的温度。另一监测器例如包括与关于感应炉100的渗出检测子系统关联的探头(例如，参见上述云母探头)。关于总系统200，可以提供额外的监测器以例如针对熔融金属渗出或漏出而监测系统。
上述系统可用于形成坯或板坯或可以在各种工业中使用的其它形式，包括但不限于汽车、体育、航空和航天工业。所示的系统显示用于通过直接冷硬铸造方法形成坯或板坯的系统。除了圆形或矩形之外的板坯可以替代地在类似系统中形成。形成的坯例如可以用于挤出或锻造用于飞行器、用于汽车或用于利用挤出金属零件的任何工业的所需部件。类似地，板坯或其它形式的铸件可以用于例如通过轧制或锻造形成部件，例如用于汽车、航空或航天工业的部件。
上述系统示出一个感应炉。在另一实施方案中，系统可以包括多个感应炉，并且代表性地，包括多个气体循环子系统，其包括多个气体源、多个过滤器和脱气器。
在上面的描述中，出于解释的目的，提出了多种特定要求和若干个特定细节，以便提供对实施方案的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言将清楚的是，可以在没有这些特定细节中的一些的情况下实施一个或多个其它的实施方案。所述特别的实施方案不是提供来限制本发明而是来说明本发明。发明的范围不应该由上面提供的特定实施例来确定，而仅由下面的权利要求来确定。在其它情况下，以框图形式显示公知的结构、装置和操作或者没有详细显示，以便避免模糊对说明的理解。在认为合适的情况下，在附图中重复附图标记或附图标记的末尾部分以指示相应或类似的元件，其可任选地具有类似的特性。
也应当领会的是，遍及该说明书提到例如“一个实施方案”、“实施方案”、“一个或多个实施方案”或“不同的实施方案”意味着特别的特征可包括在本发明的实施中。类似地，应当领会的是，出于简化公开内容并且帮助理解各个发明方面的目的，在说明中有时将各种不同的特征一起集合在单一的实施方案、图或其说明中。然而，不应当将该公开方法解释为反映发明需要比在每个权利要求中明确记载的更多的特征的意图。更确切地说，如接下来的权利要求反映的，发明方面可存在于单一公开的实施方案的并非全部特征中。因此，在此将具体实施方式之后的权利要求明确并入该具体实施方式中，每个权利要求基于自身作为发明的独立的实施方案。

Claims (20)

1.用于直接冷硬铸造的感应炉，包括：
上部炉容器；
位于该上部炉容器下方的感应线圈；
位于该感应线圈内并且可连通地连接到该上部炉容器的第一容器，其中将该第一容器定位于该感应线圈内限定了该第一容器的外表面与该感应线圈的内表面之间的间隙；
各自与该间隙关联的至少一个供给口和至少一个排放口；
连接至该至少一个供给口的气体源，该气体源包含至少一种气体，其中该至少一种气体可操作以除去水分并在该供给口和该排放口之间循环；
第一温度监测器，其可操作以测量供给到该至少一个供给口的该至少一种气体的温度；
热电偶，其可操作以测量该第一容器的外表面的温度；和
控制器，其可操作以监测第一温度监测器和热电偶，且基于第一容器外表面的温度控制至少一种气体到至少一个供给口的供应，从而在第一容器中保持合金的冷冻平面，其在第一容器的衬里内。
2.权利要求1的感应炉，其中该间隙为至少1/2英寸。
3.权利要求2的感应炉，其中该气体源包括：(1)选自由氩、氦、氖、氪、氙和氡组成的组中的至少一种惰性气体，并且经过该感应线圈与第一容器之间的间隙使该气体循环；(2)含有氦的气体混合物，其中氦浓度为至少8体积％；(3)约80％氩和约20％氦的混合物；或(4)空气。
4.权利要求1的感应炉，其中该炉经配置以倾斜并且该感应线圈为冷却的感应线圈。
5.权利要求1的感应炉，还包括：(1)位于该第一容器的外表面处或附近的至少一个传导云母栅板，所述栅板连接至电路以检测熔体的泄露；(2)位于至少三个位置的多个云母栅板，该至少三个位置包括(i)该第一容器的外柱形表面；(ii)该第一容器的底部；和(iii)该感应线圈的内周；或(3)真空产生设备，其连接至该上部炉容器并且可操作以用于该第一容器中的合金熔体的脱气，所述真空产生设备对该炉中的合金熔体的表面施加真空。
6.权利要求1的感应炉，其中该上部炉容器包括：
碳化硅基材料的耐熔融铝的工作衬里；
高温耐火材料的中间层；和
最外层，其包括约70％氧化铝、约10％二氧化硅、约3％氧化钙和粘结剂材料，以容许该工作衬里的膨胀和收缩。
7.权利要求6的感应炉，其中：(1)该工作衬里具有约1,000-约50,000,000μΩcm的电阻率；(2)该工作衬里包括纯等级碳化硅(SiC)；结合氮化物的碳化硅；具有用于控制化学传导性的硫酸钡添加剂的氧化钇稳定化的氧化锆，或者与结合氮化物的碳化硅结合的高纯度氧化镁或板状烧结氧化铝或85％SiC+15％氧化铝；(3)该中间层包括选自由干燥氧化锆粉末、氧化锆和氧化铝粉末混合物组成的组中的材料；或(4)上部箱体的最外耐火层包括约70％氧化铝、约10％二氧化硅、约3％氧化钙和余量的粘结剂材料，以及对熔融铝合金非润湿的可压缩的非热传导耐火纤维。
8.权利要求1或权利要求2的感应炉，还包括控制器，其可操作以基于热电偶的温度测量控制该至少一种气体至该至少一个供给口的流量以在熔体操作期间将熔体的冷冻平面保持在该第一容器的耐火衬里内,其中该冷冻平面位于远离第一容器的壁的外部,由此抑制熔体从第一容器逃逸。
9.权利要求8的感应炉，其中该控制器可操作以监测该第一温度监测器和热电偶。
10.权利要求1的感应炉，其中至少一种气体可操作从而在供给口和排放口之间循环时除去氢。
11.用于直接冷硬铸造的系统，包括：
至少一个如权利要求1或权利要求2所述的感应炉；
可操作以除去熔融金属中的杂质的至少一个在线过滤器；和
用于通过浇铸使金属凝固的至少一个设备。
12.权利要求11的系统，还包括以下的至少一者：(1)检测熔体从该炉中泄露的泄露检测设备；和(2)用于该熔体的脱气的真空产生设备。
13.权利要求11的系统，其中来自该气体源的气体可操作以在该供给口和与该间隙关联的排放口之间循环，并且该气体源包括：(1)选自由氩、氦、氖、氪、氙和氡组成的组中的至少一种气体；(2)约80％氩和约20％氦的混合物；或(3)空气。
14.Li-Al合金，其具有如下性能并且使用权利要求1的炉制造，该性能满足100,000psi拉伸强度和80,000psi屈服强度的要求。
15.飞行器部件，其包括使用权利要求1的炉制造的合金的产品。
16.汽车部件，其包括使用权利要求1的炉制造的合金的产品。
17.用于直接冷硬铸造的冷却感应炉的方法，包括：
在第一容器中将包含铝的装料熔化成熔体；
将气体引入感应线圈与位于该感应线圈内的第一容器之间的间隙中；
使该气体经过该间隙循环以将熔体的冷冻平面保持在该第一容器的耐火衬里内；和
基于该第一容器的测量温度而控制通过该间隙循环的该气体的流量以确保将该熔体的该冷冻平面继续保持在该第一容器的耐火衬里内，由此使冷冻平面定位远离该第一容器的壁的外部，由此抑制该熔体从该第一容器逃逸，
其中(1)循环包括将从与该间隙关联的排放口排放的气体引入与该间隙关联的供给口中；或(2)在将该气体引入该供给口之前，该方法包括降低该气体的温度。
18.权利要求17的方法，其中该气体包括空气并且该熔体包括铝和至少一种其他元素，该至少一种其他元素不是反应性元素。
19.权利要求17的方法，其中使气体流过间隙是可操作的以去除水分。
20.权利要求17的方法，其中循环通过所述间隙的气体可操作从而除去氢。
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