CN1112232A - 浮熔设备及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及浮熔设备，其除了设置有仅仅移动下 熔炉的第一驱动装置，和控制第一驱动装置的第一控 制装置之外，还设置了改变上熔炉和感应线圈的竖向 相对位置的第二驱动装置，和控制第二驱动装置的第 二控制装置，因此，可以自由地改变上、下熔炉和感应 线圈的相对位置。所以，根据因连续填充屑片而增长 的被熔化材料顶部熔化区的位置，可以在从最初操作 阶段到最终操作阶段的整个操作期间适当地设定感 应线圈和上、下熔炉的相对位置。

Description

本发明涉及浮熔设备，其中将待熔化的导电材料置于交变磁场中通过在材料中产生电磁感应使其经受感应加热，而且磁场以预定的方式分布以便将电磁力产生的浮力作用于待熔化材料上从而使待熔化材料在悬浮状态下熔化，由此获得高纯度材料。本发明还涉及操作浮熔设备的方法。

浮熔设备是这样一种设备，即将待熔化材料置于以预定分布形式产生的交变磁场中，因电磁力而形成的感应加热和浮力同时作用于材料上，以便使材料在避免与熔炉等其它物体接触的浮起状态下熔化，从而获得预定质量和尺寸的产品。该设备具有诸如以下的特点，即，在熔化过程中材料不与其它物体相接触，因此材料几乎不会受到杂质的污染，可熔化高熔点材料且热传导的损失很小。由于具有这些特性，所以在熔化例如钛或硅这样的高熔点和要求高纯度的材料的过程中使用这种设备。

图8为处于操作状态下的整个浮熔设备的纵剖面透视图，图9为在开始工作的状态下图8中主要部分的纵向剖面透视图。这些附图展示在美国专利申请号08/067，149中。在这些图中，浮熔设备包括：由上熔炉11和下熔炉12构成的熔炉1;缠绕在熔炉1外表面上的感应线圈2;通过熔炉1的上部开口连续填充用作待熔化导电材料5的屑片53的连续加料装置3;控制连续加料装置的控制装置31;用于控制装置获得控制信息的熔融金属温度计32;竖向移动下熔炉12的第一驱动装置4;控制第一驱动装置的第一控制装置41;和用于第一控制装置获得控制信息的熔融金属液面指示器42。驱动装置4和控制装置41是用术语“第一”作为标志的，因为在本发明中还使用了另一个驱动装置和控制装置，而这些装置需要彼此加以区分。

感应线圈2由感应线圈21和22组成，线圈21和22分别接在用于激励各自线圈的交流电源23和24上。连续加料装置3带有感应线圈33，该线圈由交流电源34激励以便预热屑片53。在需要在两个线圈之间进行功能分配的情况下，即在将感应加热的任务主要分配给上感应线圈21而将产生浮力的任务分配给下感应线圈22的情况下，采用由不同的交流电源23和24分别激励分成两个线圈的感应线圈2的结构，以便有效地执行这些功能。在这种情况下，通常用低于激励感应线圈21所需频率的频率来激励感应线圈22。然而，在本发明中不需要对两个感应线圈21和22加以区分。因此，在以下的说明中将这些线圈合并为线圈2进行介绍。

如图中所示，上下熔炉11和12是以这样的方式构成的，即将具有预定形状的多个扇形体111和121进行排列并在它们之间安插绝缘材料，例如云母。由上下熔炉组合而成的熔炉1实际上形成一个带底的圆筒形。每个扇形体111和121均由铜制成而且其上设有冷却孔以便由冷却水进行冷却。

图8表示接近熔化过程最后阶段的状态，图9表示最初的状态，其中少量的待熔化材料5浮在熔融金属上。换句话说，图8表示这样一种状态，其中被熔化的材料5通过下面将要详细说明的过程而逐渐增加其长度。下面将说明待熔化材料5的实际熔化过程和获得预定产品的过程。

（1）如图9所示，最初，填充少量待熔化材料5并激励感应线圈2。这样在感应线圈2环绕的空间内便产生了交变磁场，通过电磁感应感应产生的涡流在扇形体111和121以及待熔化材料5中流动。磁力线沿着熔炉1的内表面分布。由于下部熔炉12的扇形体121的形状，下部熔炉12内侧的底部空间如图所示呈狭窄状，因此，待熔化材料5所在的底部附近磁力线分布具有向上扩展的形状。当这样的涡流流动时，待熔化材料5被加热。另一方面，涡流和上述磁力线分布之间的相互作用产生电磁力，该电磁力在与重力相反的方向上即在向上的方向上作用于待熔化的材料5。在此省略了有关力的产生的详细说明。如图中所示，将下熔炉12底部的形状设计成能获得适合于产生浮力的磁力线分布。

（2）在激励感应线圈2的同时电磁力就开始作用于待熔化材料5上，而且待熔化材料5在很短的时间滞后之后开始浮动并停在电磁力与重力平衡的位置上。待熔化材料5具有很高的熔点并需要很长的熔化周期。因此，当待熔化材料的温度达到熔点时，待熔化材料5已经进入浮起状态。接着，待熔化材料5不再与其它物体接触，由此可避免受杂质的污染。

（3）通过连续加料装置3来填充待熔化材料5的屑片53。屑片53通过感应线圈33产生的电磁感应预热到低于熔点的高温。然后，加入的屑片与被熔化的材料5相接触并借助于热传导被加热到高于熔点的温度，结果屑片熔化并与被熔化材料完全结合成一体。随着填充屑片53的连续进行，被熔化材料的体积逐渐增加。用这样的方式来适当控制加料频率，即，当熔融金属温度计32指示的温度高于给定值时进行填充屑片53的操作，而当温度计指示的温度低于给定值时则不进行屑片填充。

（4）由于被熔化材料5的浮力的增长程度小于被熔化材料5重量的增长，所以随着被熔化材料5的增长悬浮位置逐渐降低，最终使被熔化材料5的下部与下熔炉12的底部相接触。如上所述，由于下熔炉12被冷却且保持在常温附近的低温态，所以使得与下熔炉相接触的部分瞬间固化。用这种方式，首先形成了固化部分52，然后，随着被熔化材料5的增加而使固化部分不断增加。熔化区51总是位于被熔化材料5的顶部，从而屑片53被投入熔化区51。由于熔化区51处于固化区52上面，从而避免了熔化区与熔炉1相接触。因此，被熔化材料可以在不受杂质污染的条件下在很大范围内增加。

（5）当被熔化材料5继续增长到某个范围时，控制下熔炉12向下运动以便使熔化区51保持在相对于上熔炉11和感应线圈2的预定的位置上。在该控制过程中，被熔化材料5上表南的位置是用熔融金属液面指示器42来测量的，测量结果送至第一控制装置41，由第一驱动装置4根据测量结果来移动下熔炉12。

（6）当被熔化材料5的长度达到给定值时，停止移动下熔炉12、填充屑片53和激励感应线圈2的操作。如图8所示，由于已变成柱形的全部被熔化材料5已经固化，于是可以将作为预期产品的固化材料从熔炉中取出。产品的尺寸特别是长度取决于下熔炉12的移动距离。因此，该浮熔设备具有这样的特性，即，可以获得比熔炉1的容量长得多的产品。

在图8中，将被熔化材料5的固化部分52和熔炉1内表面之间的间隙表示成具有相当大的尺寸。然而，从上述说明中可知，事实上固化部分52和熔炉1内表面之间的间隙基本上为零或为很小的尺寸。在图中，将熔化区51表示成具有不规则的表面。这是为了表示在屑片53进入熔化区51的瞬间因熔化区51的振动而引起的变形等实际现象。当不进行填充屑片53的操作时，熔化区51的实际形状保持成下面将要说明的稳定的轴对称形状。

一个几千安培的非常大的电流流经感应线圈2，而且电流的频率非常高即高达几千赫兹。因此，感应线圈的导体和导线必须具有大的截面积致使感应线圈2很难竖向移动。相反，尽管上下熔炉11和12与冷却水管相连，但它们远比感应线圈2更容易移动。因此，在实际的设备中，将结构设计成使感应线圈2固定而使下熔炉2可移动。

在图9中，必须适当设定上熔炉11与下熔炉12接触的位置。如上所述，感应线圈2必须允许非常大的电流通过，并获得大安培匝数以便产生给定强度的磁场。因此，要求线圈的轴向尺寸心可能大。当感应线圈2的高度恒定时，熔炉1的上下熔炉在高于感应线圈2的下表面的位置处相互接触，其结果使得感应线圈2的下部从上熔炉11向下伸出。如图8所示，在这种状态下，下熔炉12的向下运动使一部分固化部分52不与熔炉1的内表面相接触，从而可能会出现这样的现象，即，靠近上熔炉11的部分被从外部进入的磁力线再次熔化然后固化。由此产生妨碍被熔化材料5增长的问题。此外，还存在另一个问题，即，从上部熔炉11伸出的部分感应线圈2暴露在被熔化的热材料的辐射热中，使该部分的温度升高，由此加速了绝缘材料的退化并缩短了其寿命。为了防止出现这些问题，必须用这样的方式来布置感应线圈2，即，将它的下表面设置得高于上熔炉11的下表面。这意味着必须将上、下熔炉11和12相互接触的平面设置在较低的位置上。如图9所示，在被熔化材料5浮动的状态下，上、下熔炉11和12相互接触的平面位于被熔化的浮动材料5附近。结果，从上下熔炉11和12相互接触的平面中穿过的磁力线作用于被熔化材料上，致使平面附近的部分被熔化材料5受到电磁力的下压，从而产生这样的问题，即，被熔化材料5具有不稳定的形状或者例如被熔化材料变形成为吉它形。事实上，在某些情况下很难在下熔炉12和感应线圈2之间合适地设定能够避免出现上述问题的位置关系。

如上所述，在被熔化材料5是钛或锆的情况下，当在空气中进行熔化时，由于这些材料具有特别高的活性，所以它们易受杂质的污染或形成氧化膜，这样就会产生纯度降低的问题。因此，当熔化这种材料时，使用的是将浮熔设备置于真空罐中的系统，而且熔化过程是在真空中进行的。如上所述，为了彻底地冷却熔炉1和感应线圈2，浮熔设备必须通过冷水管和向感应线圈2提供电流的导线等与外部相连。这些连接都要穿过真空罐进行，因此会产生使结构复杂和设备成本高等其它问题。

本发明的目的是提供一种能够在整个操作期间进行稳定操作且能以低成本生产高质量产品的浮熔设备，并且还提供了一种操作该浮熔设备的方法。

为了解决这些问题，根据本发明，浮熔设备包括：一个熔炉，其中将多个由良导电金属制成的且具有预定截面形状的扇形体借助于绝缘材料紧密布置，该熔炉在预定的水平面内分成上熔炉和下熔炉;设置在熔炉外表面一侧的感应线圈;向感应线圈提供电流的交流电源;通过熔炉的上部连续填充待熔化导电材料的连续加料装置;改变上、下熔炉竖向相对位置的第一驱动装置;和控制第一驱动装置的第一控制装置，其中该设备还进一步包括：改变上熔炉和感应线圈竖向相对位置的第二驱动装置;和控制第二驱动装置的第二控制装置。可以将上熔炉的内表面做成以预定角度向下延伸的锥形形状。该设备可以进一步包括转动上熔炉的上熔炉转动装置，至少在被熔化材料增长并与上熔炉内表面相接触期间可以使上熔炉转动。在下熔炉上部内表面上至少形成一个带有切口的部分。

该设备可以进一步包括：一个上部进气装置，该装置盖住上熔炉的上部并带有一个气管，惰性气体通过气管流入上熔炉的内部;一个水平进气装置，包括：一个中空管状部分，该部分设置在熔炉和感应线圈之间并与熔炉和感应线圈同轴，而且其内表面上具有出气孔;和一个气管，惰性气体通过该气管流入中空管状部分的内部。

该设备可以进一步包括：一个熔融液面指示器，其测量熔化区顶部附近多个竖向位置;曲率半径计算装置，其接收从熔融液面指示器输出的信号，并计算熔化区顶部的曲率半径;和控制装置，其根据从曲率半径计算装置输出的信号来控制第二控制装置以便保持感应线圈和上熔炉的相对位置，控制装置使熔化区顶部的曲率半径与预定值相一致。

这些设备是按以下顺序操作的：

a）将少量待熔化材料引入熔炉，在上、下熔炉彼此靠紧而且感应线圈位于下熔炉外表面侧的状态下激励感应线圈;

b）通过熔炉上部连续填充待熔化导电材料的屑片;

c）随着因填充屑片而导致的被熔化材料高度的不断增加来相对移动感应线圈的位置，以便使感应线圈相对于被熔化材料顶部熔化区的位置保持在合适的位置上;

d）当熔化区的增加达到上熔炉的上部极限时，固定上熔炉和感应线圈的相对位置，并仅仅使下熔炉向下移动，以便使上熔炉和感应线圈相对于熔化区的位置位于适当的位置上;

e）当下熔炉移动了预定的距离时，使下熔炉停止移动，并停止对感应线圈的激励;和

f）从熔炉中取出作为产品的被熔化柱形材料。

根据本发明的构造，除了仅仅移动下熔炉的第一驱动装置，和控制第一驱动装置的第一控制装置之外，还设置了改变上熔炉和感应线圈竖向相对位置的第二驱动装置，和控制第二驱动装置的第二控制装置，由此可以随意地改变上、下熔炉和感应线圈的相对位置。因此，可以根据由于连续填充屑片而增长的被熔化材料顶部熔化区的位置，在从开始操作阶段到最后操作阶段的整个操作期间，适当地设定感应线圈和上、下熔炉的相对位置。

在上熔炉内表面作成以预定角度向下延伸的锥形的结构中，与上熔炉的内表面相接触并在其后固化的熔化区表面下端部的直径小于位置低于固化部分的上熔炉区段的内径。因此，在固化部分和上熔炉之间形成一定间隙以便使得当固化部分与下熔炉一起下降时所产生的摩擦阻力降低到很小的水平。

在设置有使上熔炉转动的上熔炉转动装置且在被熔化材料增加并与上熔炉内表面接触期间使上熔炉转动的结构中，上熔炉与固化部分相接触的接触部位在不断变化，所以竖向移动的摩擦阻力是以动摩擦阻力的形式出现的。因此，与上熔炉不转动和摩擦阻力是由静摩擦引起的情况相比，可以更平稳地完成被熔化材料与下熔炉一起进行的向下移动。

在上述上熔炉设置有转动装置的结构中，应在下熔炉的上部内表面上形成至少一个带有切口的部分。当在被熔化材料增长的过程中，熔化区越过切口部分时，固化部分将进入带切口的部分从而使转动阻力增加到很大的值。因此，即使是在上熔炉的各扇形体之间形成缝隙，使熔融材料进入缝隙中，从而使上熔炉和被熔化材料之间的摩擦阻力矩增大时，被熔化材料也不会相对于下熔炉产生转动或在其上滑动。

另一方面，还设有盖住上熔炉上部并带有使惰性气体通过其流入上熔炉内部的气管的上部进气装置和水平进气装置，该水平进气装置包括：中空管状部分，该部分设置在熔炉和感应线圈之间并与熔炉和感应线圈同轴而且该部分的内表面上具有出气孔;和一个气体管道，通过该气体管道可以使惰性气体流入中空管状部分的内部。当在熔化过程中通过进气装置将惰性气体从外部引入时，被熔化的材料表面被惰性气体覆盖。

在用熔融液面指示器测量熔化区顶部附近的多个竖向位置的结构中，将所获得的作为测量结果的输出信号传送到曲率半径计算装置以便计算熔化区顶部的曲率半径，并控制感应线圈和上熔炉之间在竖向上的相对位置以便输出信号与预定值相一致，使熔化区保持在最佳形状从而维持获得最大效率的条件。

如果按照以下顺序操作这种浮熔设备，就会产生下述结果。

a）在上、下熔炉彼此靠紧和将感应线圈设置在下熔炉外表面侧的状态下，将少量待熔化材料引入熔炉并激励感应线圈。这使得待熔化材料受到感应加热并使材料的温度升高。而且，由于熔炉中磁力线分布而产生的向上的电磁力作用在被熔化的材料上使材料克服重力浮动并悬浮在固定的位置上。由于感应线圈位于含有被熔化材料的下熔炉的外表面侧，所以可以有效地产生感应加热和形成浮动。

b）通过熔炉上部连续地填充待熔化材料的屑片。屑片进入熔融状态下的被熔化材料中然后被加热熔化而与被熔化材料成为一体，由此增加了被熔化材料的尺寸。由于浮力的增加小于重量增加的程度，所以被熔化材料的悬浮位置随着材料的增加而逐渐下降，最终被熔化的材料与熔炉底部相接触被局部冷却并产生固化。固化部分随着被熔化材料的增加而增长，只有在被熔化材料的顶部呈熔融态并形成熔化区。

c）当随着屑片的填充而使被熔化材料高度逐渐增加时要相对移动感应线圈，以便使感应线圈相对于被熔化材料顶部熔化区的位置保持在适当的位置上。这使得在不移动熔化区的条件下被熔化材料的稳定增长。

d）当熔化区达到上熔炉的上极限时，固定住上熔炉和感应线圈的相对位置，并向下移动下熔炉，以便保持这些部件和熔化区之间的位置关系。用与上文相同的方式，可以使被熔化材料稳定增长。

e）当下熔炉移过一个预定的距离后，使下熔炉的移动和感应线圈的激励停止。然后，不再对被熔化材料进行加热而仅对其进行冷却处理，由此使熔化区固化并得到柱形产品。

f）从熔炉中取出作为产品的被熔化材料，并停止设备的操作。

通过附图和以下的详细说明将能更完整地体现本发明的上述和其它目的、特征以及优点。

图1（a）至1（d）是表示本发明第一实施例所述浮熔设备的四个操作状态的示意性剖面透视图，其中图1（a）表示最初的操作状态，图1（b）和1（c）表示操作过程中的状态，图1（d）表示最后的操作状态;

图2是表示本发明第二实施例所述浮熔设备的主要部分的剖面透视图;

图3是表示本发明第四实施例所述下熔炉的剖面透视图;

图4（a）至4（c）是解释本发明第五实施例并表示熔化区顶部与感应线圈上端表面之间的距离h和熔化区形状之间的关系的示意性剖面图，其中图4（a）表示h＞0的情况，图4（b）表示h＝0的情况，图4（c）表示h＜0的情况;

图5是表示图4（a）至图4（c）的距离h与熔化区温度T之间关系的曲线图;

图6是本发明第六实施例所述浮熔设备的示意性剖面透视图;

图7（a）至7（d）是表示图6中浮熔设备的四个操作状态的示意性剖面透视图，其中图7（a）表示最初的操作状态，图7（b）和7（c）表示操作过程中的状态，图7（d）表示最终的操作状态;

图8是表示处于某个操作状态下的整个浮熔设备的纵剖面透视图;和

图9是表示图8中的主要部分处于最初状态下的纵剖面透视图。

下面将参照附图说明本发明的实施例。

图1（a）至1（d）是表示根据本发明的一个实施例所述浮熔设备的四个操作状态的示意性剖面透视图。图1（a）表示最初的操作状态，其中少量的待熔化材料5在悬浮于熔融金属之上的同时被熔化。图1（b）表示通过连续加料装置3从顶部填充屑片53的状态，被熔化的材料5充足地增加到与下熔炉12的底部相接触，并开始形成固化部分。在这种状态下，被熔化的材料5仍然保持在下熔炉12内而固化部分小得无法在图中表示。当操作状态从图1（a）的状态转为图1（b）的状态时，上、下熔炉11和12彼此靠紧而且这些熔炉的相对位置是固定的。而且感应线圈2大致上位于图示的位置上。然而，由于几乎处于熔融状态的被熔化的材料5的平均位置向上移动，所以感应线圈2也随着平均位置的移动而移动。为了向待熔化材料5施加感应加热和电磁浮力，只要将感应线圈2设置在下熔炉12的外表面侧就足够了。因此，将感应线圈2的高度设置成近似等于下熔炉12的高度。

图1（c）表示被熔化材料进一步增加而且熔化区51处于上熔炉11中的状态。熔化区51向上运动的结果是，使感应线圈2和熔化区的相对位置产生移动。事实上，感应线圈2和其有几千安培大的电流流过的导线是很难在竖向上自由移动的，因此是使上、下熔炉11和12一起向下移动。当然，实际情况是在图中未示出的连续加料装置3也一起移动。在熔化区51下面，固化部分52已经增加到很大尺寸。

图1（d）表示熔化区51已达到上部极限且此后仅使下熔炉12根据被熔化材料5的增长而向下移动的状态。当下熔炉12向下移动某一确定的距离后，熔化过程基本完成。为了即使在下熔炉12与上熔炉11分离之后也能保证使感应线圈2不从上熔炉11的下端部伸出，上熔炉11的高度值应足够大。上熔炉11的上部与熔化过程无关，但是如下文所述用作移动或转动上熔炉11的结构。所以，上熔炉的尺寸不限于图中所示的尺寸。

从以上说明可以看出，该实施例与图8和图9的浮熔设备有极大的不同，因为不仅是下熔炉12而且上熔炉11都能相对于感应线圈2产生移动。感应线圈2的尺寸或感应线圈2的电流和匝数在很大程度上取决于熔炉1的内径，而几乎与熔炉1的高度无关。因此，首先确定熔炉1的内径以及感应线圈2的大小和尺寸，然后再根据这些已确定值来确定下和上熔炉12及11的高度。在这种情况下，如上所述，可以容易地将上熔炉11的高度设计成与感应线圈2的高度相比具有更大的值，以便在图1（d）所示的下熔炉12与上熔炉11分离的状态下，使感应线圈2不从上熔炉11伸出，而且还可以容易地将下熔炉12设计成使下熔炉的顶部位于充分高于图1（a）状态下被熔化材料5悬浮位置的位置上。

在从图1（b）状态到图1（c）状态的转换过程中，熔化区51通过上、下熔炉11和12彼此靠近的平面的附近区域，并因此而变得不稳定。然而此时，熔化区51并不浮动而且固化部分52已经逐渐变成机械稳定的。因此，不稳定的熔化区51不会产生很大影响。

在上文中，描述了浮熔设备的实施例，其中不仅是下熔炉而且还有上熔炉都可以相对于感应线圈产生移动。在该实施例的设备中，避免了图8所示浮熔设备中所出现的使从上熔炉伸出的部分感应线圈2暴露在来自被熔化材料的熔化区和固化区的辐射热中的现象。也就是说，在熔化区逐渐到达上熔炉中与感应线圈顶部相对应的位置之前，上、下熔炉一起相对于感应线圈向下移动，而在熔化区达到上熔炉中与感应线圈顶部相对应的位置之后，使上熔炉和感应线圈的位置固定，并仅使下熔炉向下移动。

下面，将具体说明将上熔炉11的高度设置得大于感应线圈2的高度的实施例。将上熔炉11的外径设计为100毫米，内径为60毫米，而使感应线圈2的内径约为106毫米，导体截面为10平方毫米。在图1（d）的状态下，使上熔炉11下部从感应线圈2的下端表面向下伸出的尺寸在线圈导体截面尺寸的1.5倍范围内变化或在15毫米到35毫米之间变化进行浮熔实验。结果证实，至少在15毫米至35毫米的范围内熔化周期没有差别，而且感应线圈2的绝缘材料不会因来自被熔化材料的熔化区和固化区的辐射热而产生退化。

图2是表示本发明另一个实施例的浮熔设备主要部分的剖面透视图。在图中，上熔炉11A具有以预定角度向下延伸的锥形内表面。将扇形体111A设计成与锥形相符合。如上所述，在最初阶段通过使熔化区与下熔炉12（图中未示）的内表面相接触，而从过程的中间阶段开始与上熔炉11A的内表面相接触使熔化区局部冷却来形成固化区52并使固化区52增长。如图中所示，当把上熔炉11A的内径设计成随着向下移动而增大时，处于熔化区51下端被固化位置处的固化部分52的直径与该位置处的上熔炉11A的直径相一致。在使用在熔化和固化状态下尺寸变化较大的材料的情况下，从严格的意义上讲，上述一致是不准确的。这将在下面进行讨论。在图2所示状态期间，熔化区51相对升高，即此后熔化区51保持在固定位置上而下熔炉12向下移动。当熔化区51在上熔炉11A中上升且固化区52和上熔炉11A的相对位置固定时，固化部分52与上熔炉11A的内表面相接触。由于当熔化区51保持在固定位置上时，固化部分52上新形成的部分的直径等于上熔炉11A的内径，所以在上熔炉11A和根据固化部分的增长而受到下拉的部分固化部分之间形成间隙。因此，上熔炉11A和固化部分52之间的接触部分仅仅是由固化开始形成处的端部构成的，所以在固化部分52增长的过程中，上熔炉11A和向下伸长的固化部分52之间的摩擦阻力降低到很小的水平。这使得被熔化材料5能够相对于上熔炉11A平滑地移动。

如从上述说明中所能看出的那样，即使在已形成的固化部分52和上熔炉11A内表面之间形成一个很小的间隙也足以这一目的。因此，通常上熔炉11A内表面的锥形具有较小的角度。然而，在使用从熔化状态转为固化状态时产生膨胀的材料例如硅作为被熔化材料的情况下，考虑到膨胀系数必须把倾斜角设计成较大值。

在本发明的第三实施例中，采用了一种用旋转装置来转动上熔炉11的方法，转动上熔炉11是为了减小上熔炉11和被熔化材料5之间的摩擦阻力。

被熔化的材料5的下部与下熔炉12相接触，所以被熔化的材料5不会转动。当转动上熔炉11时，上熔炉11和被熔化材料5之间的摩擦阻力以动摩擦的形式出现，结果使得摩擦阻力减小。这是因为，众所周知，动摩擦小于静摩擦。

图3是表示本发明第四实施例的下熔炉的剖面透视图。该下熔炉12B不同于图8和图9中所示的下熔炉12，在于每个扇形体121B上端部的内表面被部分去除以便形成带切口的部分123。用这样的方式在每个连接部分122处形成切口部分123，即使得相邻扇形体121B的切口部分彼此相对。如上所述，将绝缘材料例如云母插入到连接部分122中。在每个连接部分122中，绝缘材料也被部分去除。当熔化区51上升到越过切口部分而且固化部分52超过切口部分的高度时，固化部分52进入切口部分123以便转动阻力增加到一个较大值。因此，即使当在上熔炉11的各扇形体之间形成缝隙且熔融材料插入到裂缝中时，被熔化材料5也不会跟随上熔炉11转动，所以一度插入到缝隙中的材料就会断裂。在这种情况下，尽管摩擦阻力可能会瞬间增大，但是此后阻力不会累积以便维持正常操作。

图3表示在每个连接部分122处形成切口部分123的结构。切口部分123的数量可以减少，在极端情况下可以将该数量限制为1。切口部分的位置不限于那些相邻扇形体121B的切口部分彼此相对的位置。然而，在切口部分形成在扇形体121B的竖向中部的结构中，很难拉出作为产品的被熔化材料5。所以，切口部分必须形成在上端部。

图4（a）到4（c）是解释本发明第五实施例并表示熔化区的顶部和感应线圈上端面之间的距离h与熔化区形状之间的关系的示意性剖面图。

图4（a）表示熔化区51的顶部高于感应线圈2上端面的情况（h＞0，其中h是熔化区51的顶部和感应线圈2的上端面之间的位置差），图4（b）表示熔化区51的顶部与感应线圈2的上端面高度一致的情况（h＝0），图4（c）表示熔化区51的顶部低于感应线圈2的上端面的情况（h＜0）。

如从图中所能看到的那样，熔化区51的顶部在图4（a）的情况下是扁平的，在图4（b）所示的情况下是球形，而在图4（c）所示的情况下是尖峰形。

上述现象的原因可以粗略地归结为以下几点：在图4（a）的情况下，由于感应线圈2位于较低的位置上，熔化区51附近的磁场强度是如此之低以至于使熔化区51对感应线圈2的排斥力降低，所以使增长减慢。在图4（c）的情况下，磁场强度如此之高以至于产生了过大的排拆力，从而使得增长过高，结果形成了尖峰形。图4（b）表示获得中度或适度增长的状态。实验证明，在熔化区51上感应加热的最大效率是在图4（b）的状态下获得的。

图5是表示图4（a）到4（c）的距离h与熔化区的温度之间的关系的曲线图。在图中，横坐标表示图4（a）到4（c）中所示的熔化区51的顶部和感应线圈2的上端面之间的位置差h，而纵坐标表示由图8的熔融金属温度计测得的熔化区51的温度T。

在图4（a）的状态下，距离h和熔化区的温度T之间的关系用点（a）表示。类似地，图4（b）状态下的关系用点（b）表示，而在图4（c）状态下的关系用点（c）表示。温度T较高的情况意味着向熔化区提供了较大的能量，即效率较高。因此，可以看出，最大效率是在h＝0即图4（b）的状态下获得的。因此，如果进行适当的控制来保持图4（b）的状态，就能保持最大的效率。

图4（b）状态的特征是h等于0（h＝0）而且熔化区51呈球形。在各种条件下的测量结果表明，最大效率不是在h＝0的状态下获得的而是在熔化区51呈球形的状态下获得的。换句话说，由于感应线圈2对熔化区51的作用不仅受相对位置的影响，而且还受频率和安培匝数的影响，所以最大效率不总是在h等于0时获得。

熔化区51呈球形的结构意味着顶部的曲率半径基本上等于上熔炉11内径的一半。如从图5中所能看到的，即使是条件稍稍偏离那些能获得最大效率的条件，最终效率（在图中为温度）也不会有很大变化，所以没有必要将曲率半径严格设定成获得最大效率的值。

在任何情况下，通过进行控制使熔化区51的顶部呈球形就能获得最大效率。

具体地说，是用这种方式进行控制的，即，图8中的熔融金属液面指示器42测量熔化区51顶部附近多点的液面，未示出的曲率半径计算装置根据测量结果计算顶部的曲率半径，并进行反馈控制使计算出的曲率半径与预定值相一致。一种使用激光的光学测距仪适合作为熔融金属液面指示器。将熔炉1和感应线圈2的相对位置作为控制对象是很合适的。曲率半径计算装置可以是使用计算机的模拟式运算器，或数字式运算器。此外，曲率半径计算装置可以通过将其与上述第一或第二控制装置相结合而容易地实现。通过第一和第二控制装置对图1中感应线圈2和熔炉1的相对位置进行控制。这些控制装置仅在功能的意义上彼此独立，而实际上构成一个控制装置。为了更精确地控制感应线圈2的位置，控制装置可以进行把熔化区51的顶部位置和曲率半径两者考虑在内的反馈控制。这种控制装置可以在已有技术的范围内以各种形式来实现。

在上文中，描述了控制熔化区的位置以使熔化区上的感应加热效率为最大的浮熔设备的实施例。总之，在该实施例的设备中，需要使熔炉相对移动，以便使熔化区顶部的位置保持在感应线圈上端面处或使得熔化区顶部的曲率半径基本上等于上熔炉内径的一半。为此，可以用上述方式来控制熔化区相对于感应线圈的位置。

图6是本发明第六实施例所述浮熔设备的示意性剖面透视图。图中所示的浮熔设备不同于图1中所示的设备，在于该设备中设置了气体输入装置。也就是说，在熔炉1上部设置有一个上部进气装置6，而在熔炉1和感应线圈2之间以同轴的方式设置了水平进气装置60。上部进气装置6包括一个用于盖住上熔炉11上部的盖体62，作为填充屑片53的加料口的筒形部分61，以及与盖体62相连通的气管63，惰性气体7通过气管63从外部引入到熔炉1中。水平进气装置60包括中空筒形部分64，该部分是空心的而且带有在内壁上开的出气孔66，和气管65，惰性气体7通过气管65引入到中空筒形部分64的空心部分67中。通过气管65引入到空心部分67中的惰性气体7从出气孔66流出并流向熔炉1。如下文所述，惰性气体7使其表面暴露在上、下熔炉11和12相互分离的区域中的被熔化材料5与空气隔绝。

通过气管63流入熔炉1中的惰性气体7从诸如圆筒形部分61和上熔炉以及下熔炉之间形成的缝隙中漏出。所以，必须连续地输送惰性气体。这也适用于气管65。由于通过筒形部分61进行的填充屑片53的操作是以间断的方式进行的，所以通过采取例如在不加料期间关闭筒形部分等防范措施就可以减少惰性气体的泄漏量。

进气装置6和60必须用满足绝缘材料条件的材料来制造，以便不会因电磁感应而产生电流流动，而且它具有足以抵御来自熔化区51和固化区52暴露部分的辐射热的热阻。满足这些条件的材料包括无机绝缘材料，例如石英玻璃和陶瓷。

图7（a）到7（d）是表示图6中浮熔设备的四个操作状态的示意性剖面透视图，它们是四个分图，这些图分别对应于图1（a）到1（d）的四个分图，而且用括号中的相同字母标出的这些分图表示熔化过程的相同步骤。也就是说，图7（a）表示最初的操作状态，其中有少量的待熔化材料5悬浮在熔融金属上并熔化。图7（b）表示的状态是通过连续加料装置3从顶部填充屑片53，被熔化材料5充分增加并与下熔炉12的底部相接触，固化部分开始形成，但是被熔化材料5仍然处于下熔炉12中而且固化部分小得无法在图中表示。图7（c）表示被熔化材料5进一步增加且熔化区51处于上熔炉11中的状态。图7（d）表示熔化区51已经达到上部极限而且此后仅使下熔炉12根据被熔化材料5的增加向下移动的状态。当下熔炉12向下移动某一确定距离后，熔化过程基本完成。

由于通过上部进气装置6的气管63提供的惰性气体7充满熔炉1并驱走了空气，所以避免了高温下的被熔化材料5与空气接触而被氧化。因此，在这些步骤中，惰性气体7主要是从上部进气装置6输送的。

在图7（a）到7（c）的步骤中，上下熔炉11和12彼此靠紧，因此从水平进气装置60供给惰性气体7没有很大作用。在从图7（c）的状态向图7（d）的状态转换的步骤中，上下熔炉11和12开始根据被熔化材料5的增长而彼此分离，从而使该区域内的被熔化材料5暴露出来。正如从图中所能看到的那样，暴露部分出现在固化区52中，而且尽管该部分的温度比熔化区51的温度低，但是它的温度还是相当高的。从水平进气装置60输入的惰性气体7起防止暴露的表面与空气接触而形成氧化膜的作用。

作为惰性气体7，氩气或类似气体都是适宜的。在被熔化材料5是不与氮反应的材料的情况下，有时使用价格低廉的氮气就足够了。

如上所述，代替将浮熔设备置于真空罐中的系统，本发明采用了设置进气装置6和60且用惰性气体覆盖被熔化材料5以便使其不直接与空气接触的结构和操作方法。这样，能够构成结构简单、成本低和能生产出高质量产品的浮熔设备。

根据本发明，如上所述，除了仅移动下熔炉的第一驱动装置，和控制第一驱动装置的第一控制装置之外，本发明还另外设置了用于改变上熔炉和感应线圈竖向相对位置的第二驱动装置，和控制第二驱动装置的第二控制装置。这样能够在待熔化材料悬浮并熔化的最初操作阶段、固化部分增长而且下熔炉与上熔炉大距离分离的最后阶段，以及最初和最终阶段之间的中间过程中，根据被熔化材料顶部熔化区的位置来适当设定感应线圈和上、下熔炉的相对位置。因此，上下熔炉的高度不受感应线圈的高度限制，并可以设计成较大值。结果是，处于浮熔状态下的被熔化材料在最初操作阶段不会受到从上下熔炉之间的间隙中漏出的磁力线有害影响。另外，感应线圈不从上熔炉向下伸出，这样能防止被熔化材料的固化部分再次熔化，而且不会因来自熔化区和固化区的辐射热而加速感应线圈上绝缘材料的退化。因此，本发明能够达到的效果是能够获得可稳定操作和具有高可靠性的浮熔设备。

当上熔炉的内表面作成以预定角度向下延伸的锥形时，与上熔炉的内表面相接触并在此后固化的熔化区表面区域的下端部的直径小于位置低于上述固化部分的上熔炉区段的内径。因此，在固化部分和上熔炉之间形成间隙从而在固化部分与下熔炉一起下降时所产生的摩擦阻力减小到很小的程度。因此，通过移动下熔炉可以平滑地形成长柱形固化部分。

在设有转动上熔炉的上熔炉转动装置和使上熔炉转动的结构中，由于被熔化材料的固化部分固定在下熔炉上，因此，上熔炉的内表面和与内表面相接触的固分部分的外表面相对运动时产生相互摩擦，所以在上熔炉和固化部分之间出现动摩擦形式的摩擦阻力。由于动摩擦阻力小于静摩擦阻力，所以随着被熔化材料的增长，被熔化材料能够进行更平滑的向下移动，从而达到能够进行稳定操作的效果。

在上述设有上熔炉转动装置的结构中，在下熔炉上部内表面上至少形成一个切口部分。被熔化的材料进入切口部分，然后在其中固化从而使转动阻力增加到一个很大的值。因此，即使当上熔炉的各扇形体之间形成缝隙、熔融材料进入到缝隙中从而使上熔炉与被熔化材料之间的摩擦阻力矩增加时，也能够避免被熔化材料相对于下熔炉产生转动或在下熔炉上滑动，从而使上熔炉和被熔化材料之间的状态能稳定地保持动摩擦状态，并由此达到改善操作稳定性的效果。

在设置如上所述的进气装置和在熔化过程中将惰性气体输入熔炉中以避免被熔化材料直接与空气接触的情况下，设备可以比将浮熔设备设在真空罐中的系统更简单地构成，其结果是可以用低成本来得到该设备并生产出高质量的产品。

在一个实施例中，先要获得熔化区顶部附近的曲率半径，并控制感应线圈和熔炉的相对位置以便使曲率半径值与预定值相一致。当熔化区顶部的曲率半径接近熔炉内径的半径时能得到最大的效率。因此，当通过上述控制来保持这种状态时，可以达到这样的效果，即在继固化部分形成之后的阶段中，进行获得最大效率的操作。

如果按照上述段落a）～e）的顺序进行操作，更能确保达到上述效果。

为了解释和说明的目的，在上文中对本发明的最佳实施例进行了描述。但是这并不意味着将本发明局限或限制在所公开的具体形式上，按照上文的教导或者通过本发明的实践可以作出各种改进和变化。选择和解释实施例是为了说明本发明的原理和它的实际应用以便使本领域的熟练人员按各种实施例和适合于要考虑的特殊用途的各种改进来应用本发明。本发明的范围将由附加的权利要求及其等同内容来确定。

Claims (7)

1、一种浮熔设备，包括：

一个熔炉，由绝缘材料和多个由良导电金属制成的且具有预定截面形状的扇形体构成，这些扇形体借助于所述绝缘材料紧密布置，所述熔炉在预定的水平面上分成上熔炉和下熔炉；

一个感应线圈，设置在所述熔炉的外表面侧；

一个交流电源，向所述感应线圈提供电流；

一个连续加料装置，通过所述熔炉的上部连续填充待熔化导电材料的屑片；

第一驱动装置，用于改变所述上熔炉和下熔炉的竖向相对位置；

第一控制装置，用于控制所述第一驱动装置；

第二驱动装置，用于改变所述上熔炉和所述感应线圈的竖向相对位置；和

第二控制装置，用于控制所述第二驱动装置。

2、根据权利要求1所述的浮熔设备，其中所述上熔炉的内表面作成以预定角度向下延伸的锥形。

3、根据权利要求1所述的浮熔设备，其中进一步包括一个用于转动所述上熔炉的上熔炉转动装置，而且至少在被熔化材料增长并与所述上熔炉内表面相接触期间应使所述上熔炉旋转。

4、根据权利要求3所述的浮熔设备，其中在所述下熔炉上部的内表面上至少形成一个切口部分。

5、根据权利要求1所述的浮熔设备，其中进一步包括一个盖在所述上熔炉上部且带有一个气管的上进气装置，惰性气体通过气管流入所述上熔炉的内部;和

一个水平进气装置，该装置包括一个内侧表面上带有出气孔的中空管状部分，该部分同轴地设置在所述熔炉和所述感应线圈之间;和一个气管，惰性气体通过气管流入所述中空管状部分的内部。

6、根据权利要求1所述的浮熔设备，其中进一步包括一个用于测量熔化区顶部附近多个竖向位置的熔融液面指示器;接收来自所述熔融液面指示器的输出信号来计算熔化区顶部曲率半径的曲率半径计算装置;以及根据从所述曲率半径计算装置输出的信号来控制所述第二驱动装置以便保持所述感应线圈和所述上熔炉的相对位置的控制装置，

其中所述控制装置使得熔化区顶部的曲率半径与预定值保持一致。

7、一种操作浮熔设备的方法，所述浮熔设备包括一个由绝缘材料和由良导电金属制成的且具有预定截面形状的多个扇形体构成，这些扇形体借助于所述绝缘材料紧密布置，所述熔炉在预定的水平面上分成上下熔炉;一个设在所述熔炉外表面侧的感应线圈;一个用于向所述感应线圈提供电流的交流电源;一个用于通过所述熔炉的上部连续填充待熔化导电材料屑片的连续加料装置;用于改变所述上熔炉和下熔炉的竖向相对位置的第一驱动装置;用于控制所述第一驱动装置的第一控制装置;用于改变所述上熔炉和所述感应线圈的竖向相对位置的第二驱动装置;和用于控制所述第二驱动装置的第二控制装置;所述方法包括以下步骤：

将少量待熔化材料引入到所述熔炉中，在所述上下熔炉彼此靠紧且所述的感应线圈位于所述下熔炉外表面侧的状态下，激励所述感应线圈;

通过所述熔炉的上部连续填充待熔化导电材料屑片;

根据所填充的屑片，随着被熔化材料高度的逐渐增加相对移动所述感应线圈的位置，以便使所述感应线圈相对于被熔化材料顶部熔化区的位置处于合适的位置上;

当熔化区在所述上熔炉中逐渐达到上极限时，固定所述上熔炉和所述感应线圈的相对位置，并仅使所述下熔炉向下移动，以便使所述上熔炉和所述感应线圈相对于熔化区的位置处于合适的位置上;

当下熔炉移动预定距离后，停止所述下熔炉的移动，并停止对所述感应线圈进行激励;和

从所述熔炉中取出作为产品的被熔化柱形材料。

Images