CN111758299B - 使用环状元件的悬浮熔化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种悬浮熔融方法、以及一种用于生产铸件的装置。此装置包括导电材料的环状元件，以将熔融批料的铸件引入铸模。在此方法中，环状元件被引入感应线圈之间的交变电磁场的区域，以浇铸熔融批料，从而通过影响感应磁场，以使熔融金属以受控的方式流动进入铸模中。

Description

使用环状元件的悬浮熔化方法

本发明是有关于一种悬浮熔融方法、以及一种用于生产铸件的装置。此装置包括导电材料的环形元件，以将熔融批料的铸件引入铸模。在此方法中，环形元件被引入感应线圈之间的交变电磁场的区域，以浇铸熔融批料，从而通过影响感应磁场，以启动流至铸模中的熔融物的目标流动。

先前技术

悬浮熔融过程为现有已知技术。因此，专利案DE 422 004揭示了一种熔融方法，其中待熔融的传导材料被感应电流加热，同时通过电动力作用(electrodynamic action)以维持悬浮。其中还描述了一种浇铸方法，通过磁体将熔融材料压入铸模中，此为电动力压入浇铸(Electrodynamic pressed casting)，此方法可以在真空下进行。

专利案US 2,686,864A也描述了一种过程，其中待熔融的传导材料处于悬浮状态(例如，在真空中在一个或多个线圈的影响下，且没有使用坩埚(crucible))。在一实施例中，两个同轴线圈(coaxial coils)可用于保持材料的悬浮。在熔融后，将材料滴落或浇铸(casting)到铸模中。这里描述的过程可以保持60公克的铝部分处于悬浮。通过降低磁场强度，将熔融金属移出，使熔融金属向下离开通过圆锥状线圈。如果磁场强度快速降低，熔融金属以熔融状态从装置中掉落出去。已经认识到，此线圈布置的“弱点”在于线圈的中心，使得可通过这种方式所产生熔融金属产量受限。

专利案US 4,578,552A也公开了一种悬浮熔融方法与装置。同样的线圈用于加热和固持熔融物、其改变所施加的控制加热功率的交流电的频率，同时维持电流恒定。

悬浮熔融的特别优点在于其避免了在其他方法期间与熔融物接触的坩埚材料或其他材料的熔融物的污染。反应性熔融物(例如，钛合金)与坩埚材料反应也被避免了，否则其将迫使将陶瓷坩埚变更为在冷坩埚方法中操作的铜坩埚。悬浮熔融物仅与周围空气接触，例如，可以是真空或惰性气体。因为不需要害怕与坩埚材料发生化学反应，熔融物也可以加热到非常高的温度。与冷坩埚熔融相比，因为几乎所有引入熔融物的能量都被转移到冷坩埚壁中，毫无疑问地冷坩埚熔融的加温效能非常低，其导致高功率输入时，温度上升仍非常缓慢。在悬浮熔融中，唯一的损失是由于辐射和蒸发，其相较于在冷坩埚中的热传导是非常低的。因此，由于较低的功率输入，可在更短的时间内实现更高的熔融物过度加热(overheating)。

另外，特别是与冷坩埚中的熔融物相比，在悬浮熔融期间受污染材料的废料(scrap)减少。然而，悬浮熔融尚未在实践中确立。其原因在于，在悬浮熔融方法中，仅相对少量的熔融材料可以维持于悬浮(参见专利案DE 696 17 103T2，第2页，第1段)。

此外，为了施行悬浮熔融方法，线圈场(coil field)的劳仑兹力(Lorentz force)须能补偿批料的重力，以维持其悬浮。劳仑兹力将批料向上推出线圈场。为提高磁场的产生效能，旨在减少相对铁氧体磁极(opposing ferrite poles)之间的间距。此间距减少允许在较低电压下产生固持预定熔融物重量所需的磁场。通过这种方式，可以改善工厂的固持效能，以悬浮更大的批料。此外，因为感应线圈的损耗减少，加热效能也提高。

铁氧体磁极之间的间距越小，感应磁场越大。然而，因为用于浇铸的场强度必须降低，随着间距的减小，铁氧体磁极和感应线圈受到污染的风险随之提高。这不仅降低了垂直方向上的固持力，而且还降低了水平方向上的固持力。此导致略在线圈场上方的悬浮熔融物的水平膨胀，其使熔融物极度困难不接触铁氧体磁极而通过铁氧体磁极之间的狭窄间隙落入位于下方的铸模中。因此，通过减小铁氧体磁极的间距来提高线圈场的承载能力是通过接触可能性所决定的实际限制。

现有技术中已知方法的缺点可归纳如下。全悬浮熔融方法仅能在小量材料产生进行，使得工业化应用尚未发生。此外，浇铸在铸模中是困难的。特别是通过减小铁氧体磁极之间的间距，而提高线圈场产生涡电流的效能的情况中。

目的

因此，本发明目的之一是提供一种能经济地使用的悬浮熔融的方法和装置。特别是，此方法应通过改善线圈场的效率，而允许使用更大的批料，并应通过缩短周期时间来实现高产量，同时确保浇铸过程中，熔融物安全地不接触感应线圈或其磁极。

发明内容

此目的通过根据本发明的方法以及根据本发明的装置而解决。根据本发明，是一种通过悬浮熔融方法从导电材料产生铸件的方法，其中运用交变电磁场而造成批料的悬浮状态，通过具有铁磁材料的芯材的至少一配对的相对感应线圈(opposing inductioncoils)而产生交变电磁场，包括以下步骤:

-将一起始材料的一批料引入至少一交变电磁场的影响范围(sphere ofinfluence)，使批料维持在悬浮状态；

-熔融此批料；

-将一铸模定位于悬浮的批料下方的一充填区域；

-通过一导电材料的一环形元件进入感应线圈之间的交变电磁场的范围，将批料全部浇铸于铸模中；

-从铸模中移出固化的铸件；

熔融批料的体积较佳为将铸模充填到足以生产铸件(“充填体积”)的高度。在充填铸模后，允许冷却或使用冷却剂而冷却，使得材料固化于铸模中。然后可以从铸模中移出铸件。

批料的“导电材料”应理解为具有合适传导性的材料，以便对材料感应地加热并使材料能维持悬浮。

关于环形元件，其中“导电材料”应理解为具有的导电性至少大到可使环形元件中感应的涡电流影响周围的磁场。

根据本发明的“悬浮状态”被定义为完全悬浮状态，使得被处理的批料无任何接触于坩埚、或平台等。

用语“铁氧体磁极”(Ferrite pole)与用语“铁磁材料芯材”为同义地使用的。同样地，用语“线圈”和“感应线圈”也为可互相运用的同义词。

通过移近配对的感应线圈，可提高产生交变电磁场的效能。此使更重的批料也可产生悬浮。但是，当浇铸批料时，随着线圈之间的空隙剖面(Free cross-section)减小，熔融批料接触线圈或铁氧体磁极的风险增加。然而，必须严格避免这些杂质，因为其耗费时间且难以移除，且因此延长工厂的停机时间。为了能够尽量利用感应线圈配对的较窄间距的优点，而不在浇铸期间接受杂质风险，通过缓慢地将导电材料的环型元件引入磁场下方的悬浮批料而启动批料的浇铸。场产生线圈中的电流强度保持不变，直到浇铸过程完成。

在环形元件中，涡电流通过感应周围的交变电磁场而产生，涡电流影响外部磁场。根据本发明的用语“环形”不仅表示圆形元件以及全表面元件(full-surface element)，还表示满足以下两个条件的多面体：

1、物体的表面形成闭合的轮廓，使得磁通量不能通过该物体，而必须围绕它流动。这样，可以在熔融物下方产生最小磁场。

2、物体在其中心有一个开口，允许熔融物流过它。

因此，根据本发明的这种全表面环形元件的范例，除了圆柱形管之外，也包含基本上形成圆形结构的基于多边形元件的管状结构，例如具有五个或更多角的多边形。不覆盖整个表面的环形元件的范例为立方体或平行六面体(parallelepipeds)，其在晶格模型(lattice model)中仅有其边缘由传导材料形成。

在环形元件的端部发生的特别大的磁场，可以可靠地防止熔融物在通过感应线圈平面时接触环形元件的上边缘。由于周围磁场的减少同时发生在环形元件的中心，因此产生熔融物的漏斗效应，熔融物以目标方式(target manner)通过磁漏斗且不会溅出至位于环形元件下方的铸模。剩余的熔融物继续悬浮在环形元件上方，同时它在其中心缓慢流出。有利的是，环形元件的直径可对应于铸模的漏斗形充填段(funnel-shaped fillingsection)的直径、或略小于漏斗形充填段的直径。

相反于已知的悬浮熔融过程，批料浇铸不是通过消除磁场的劳仑兹力来实现，可通过降低感应线圈中电流强度、甚至完全关闭感应线圈补偿重力，仅通过以环形元件而有目的地操纵磁场。

在一实施例中，环形元件的导电材料包含由银、铜、金、铝、铑、钨、锌、铁、铂、与锡所组成的组合中一种、或多种元素。特别地，其中包括例如黄铜和青铜的合金。此组合优选地由银、铜、金和铝组成。环形元件的最佳的导电材料是铜，其中可包含高达5％重量的其他成分。

在本发明的一个特别有利的实施例中，环形元件在圆锥形的一侧渐缩(tapers)，先被引入交变电磁场的区域。此导致可供熔融物流出的直径减小，但是也降低了环形元件内部被熔融物接触和污染的风险。感应磁场更向内地指向倾斜定向的壳体，且随直径变小而加强，尽管通道面积较小，如此可靠地确保熔融物可以无接触地进入环形元件。因此，集中在环形元件中心的熔融射流(melt jet)在随后的膨胀直径中具有与环形元件的壁的最佳距离。

在优选的设计变化中，环形元件是包含一空心壁，空心壁的内腔填满一相变材料(phase change material，PCM)。当熔融物在感应线圈的交变电磁场中浇铸时，环形元件会加热，此设计可有效冷却环形元件。

优选地，环形元件以此方式冷却使得当熔融过程中，环形元件停留于一冷却支承面(cooled bearing surface)。在下一次熔融过程期间，可高强度地冷却以再生相变材料，并用于在下一次浇铸过程中，在环形元件提升进入交变电磁场前，再次冷却环形元件。

对此的特别优选的设计变化是将环形元件从铸模提升到感应线圈之间，以引入至交变电磁场的范围。铸模被提升到浇铸位置时，环形元件具有合适的装置，以确保环形元件被承载，例如环形元件顶端具有缩小至一直径的套环状剖面，此直径小于铸模的上剖面、或可接合在铸模上的适当设计的容置部的一销钉。在环形元件具有圆锥形渐缩范围的情况下，这可以作为夹带(entrainment)的一种手段。当浇铸后铸模下降时，环形元件随后回置于冷却支承面，而将铸模向下移除。这样做的优点是每个熔炼厂只需要存在有一个环形元件，由不同的铸模共同使用。由于铸模负责提升，在熔炼厂中可省去用于提升环形元件的附加机构，这简化并降低了其构造成本。

另一非常有利的实施例设想环形元件是铸模的一部分。环形元件可在铸模的一大至漏斗形充填段的上缘套环状地环绕排列。或者，其也可以形成充填段上部直径的延伸部分。由于环形元件的漏斗效应，铸模的漏斗形充填段的直径可以比一般小，使得直径可以减小到一范围上，使得铸模的上端可以插入感应线圈之间的区域。

此进一步简化并加速了熔融过程，因为铸模无论如何都必须从供料位置(feedposition)提升到线圈下的浇铸位置。为了根据本发明而浇铸，这种提升必须仅稍微高一些。这样就消除对附加机构单独提升环形元件的需要。此外，将铸模的提升到浇铸位置可以与浇铸本身结合。特别是在失去陶质铸模的情况下，环形元件也可设计为可移除的，使得在铸模损坏之前将其移除并可立即重新使用在一个新的铸模上。例如，这可通过铸模上部的平台状延伸部来完成，当环形元件被推到漏斗形充填段边缘时，可以放置环形元件于平台状延伸部。

在一优选的实施例中，根据本发明所用的批料的导电材料具有至少一种下列高熔融点金属的组合：钛、锆、钒、钽、钨、铪、铌、铼、钼。或者，也可运用熔融点较低的金属，例如镍、铁或铝。一种或多种上述金属的混合物或合金也可用作导电材料。优选地，金属具有至少50％导电材料重量比例，特别是至少60％重量比例或至少70％重量比例。前述中已说明，这些金属可特别受益于本发明所具有的优点。在特别优选的实施例中，导电材料为钛或钛合金，特别是铝钛合金或钒铝钛合金。

这些金属或合金可以特别有利的方式加工，因它们明显地具有与温度的粘度相关性、以及特别高的反应敏感性，其中特别是对于铸模的材料有反应敏感性。本发明的方法结合悬浮无接触熔融与极快充填至铸模，这些优点可通过这些金属得以实现。根据本发明的方法可用于生产铸件，铸件在熔融物与铸模材料的反应中可具有特别薄的氧化物层或甚至没有氧化物层。特别是在高熔融点金属的情况下，对循环时间而言，改善感应涡流的应用以及改善降低由于热接触造成的过高的热损失的效果是十分显著的。此外，可增加所产生的磁场的承载能力，即便更重的批料也可保持悬浮。

在本发明的一有利的实施方案中，导电材料在熔融期间进行过热加温至一温度，此温度比材料的熔融点高至少10℃、至少20℃或至少30℃。铸模的温度低于熔融温度，而过热防止材料在与铸模接触时立即固化。实现了在材料粘度变得过高之前，批料可分布在铸模中。悬浮熔融的一个优点是熔融物不必与使用的坩埚接触。避免了冷坩埚过程在坩埚壁上的高材料损失以及坩埚部分对熔融物的污染。因为在真空中或在保护气体下操作是可能的，且不须与高反应性材料接触，另一个优点是熔融物可以加热到相对高的温度。然而，大多数材料不能任意过热，否则可能与铸模会产生剧烈反应。因此，过热温度差优选地限制在最高300℃高于导电材料的熔融温度、特别是最高200℃高于导电材料的熔融温度、或优选地最高100℃高于导电材料的熔融温度。

在此方法中，至少一个铁磁元件水平排列在熔融批料的区域周围，以集中磁场并稳定批料。铁磁元件可围绕熔融区域而排列成环形，其中“环形”不仅指圆形元件，还可指角形(angular)，特别是方形或多边形环形元件。铁磁元件还可以具有数个杆段，这些杆段尤其在熔融区域的方向上水平地突出。铁磁元件由铁磁材料组成，其较佳具有振幅磁导率(amplitude permeability)μ_a>10、更优选μ_a>50、或特别优选μ_a>100。振幅磁导率特别指在25℃至150℃的温度范围内，磁通密度在0至500豪特斯拉之间的磁导率。振幅磁导率例如是软磁铁氧体(例如3C92)的振幅磁导率的至少百分之一、特别是至少百分之十、或百分之二十五。本领域技术人员知道合适的材料。

在一实施例中，电磁场由感应线圈的至少两配对的感应线圈所产生，感应线圈的纵轴于水平方向上对齐，使得线圈的导体优选地各自安装在水平对准的线圈本体上。每个线圈可以围绕铁磁元件的杆段排列，此杆段在朝向熔融范围的方向上突出。线圈可具有冷却剂冷却的导体。

根据本发明，还有一种用于悬浮熔融导电材料的装置，包括至少一配对的相对感应线圈，相对感应线圈具有铁磁材料的芯材，其中通过交变电磁场以及导电材料制成的环形元件，以造成批料的悬浮，导电材料制成的环形元件可引入感应线圈之间的交变电磁场的范围。

此外，根据本发明，使用由导电材料组成的环形元件，且在悬浮熔融过程中作为铸模的一部分，以通过将批料引入线圈之间的范围而浇铸批料至铸模中，此产生交变电磁场，以造成批料的悬浮状态。

附图简单说明

图1为具有铁磁元件、线圈、环形元件以及传导材料的批料的熔融区域下方的铸模的侧向剖视图；

图2为图1的一变化形态的侧向剖视图，其中环形元件是铸模的一部分；

图3a至图3c为具有环形元件在浇铸过程中具有圆锥形渐缩过程的一变化形态的侧向剖视图；

图4a至图4d为环形元件在浇铸过程中环形元件具有相变材料的一变化形态的侧向剖视图。

附图说明

附图显示本案的优选实施例，而它们仅用于说明目的。

图1显示导电材料的一批料(1)，批料(1)在线圈(3)产生的交变电磁场的影响范围(熔融区域)内。批料(1)下方有一空铸模(2)，铸模(2)由固持器(5)固持在充填区域。铸模(2)具有一漏斗形充填段(6)。固持器(5)适用于将铸模从供料位置提升到浇铸位置，其以箭头表示。铁磁元件(4)排列在线圈(3)的芯材中。配对的线圈(3)的轴线可为水平对齐，其中每两相对线圈(3)形成一配对。在批料(1)和铸模(2)的漏斗形充填段(6)之间，环形元件(7)排列在配对的线圈(3)下方。如箭头所示，环形元件(7)可垂直移动。

根据本发明的过程中，批料(1)在悬浮时熔融，并在发生熔融后浇铸至铸模(2)中。为了浇铸，将环形元件(7)缓慢地提升到线圈(3)之间的磁场的范围。因此，熔融物以一种受控制的方式缓慢地通过环形元件(7)至铸模(2)中，而不会污染线圈(3)或它们的芯材，并进入环形元件(7)的内部、或喷洒在铸模(2)的漏斗形填充部分(6)内。

图2显示了与图1类似的设计变化，其中环形元件(7)是铸模(2)的一部分。在所示的变化中，环形元件(7)设计为围绕在铸模(2)的漏斗形充填段(6)的套环。当图1的变化中的固持器(5)保持在铸造期间所示的位置，且只有环形元件(7)通过一未绘示的机构所移动，于此的整个铸模(2)与固持器(5)一起从所示的位置进一步向上移动以浇铸。此具有额外的优点，即熔融物与漏斗形充填段(6)之间的距离同时减小，因此最小化熔融物的自由落下距离。如此可确保喷洒可安全地排除。

图3a至图3c显示出使用具有环形元件(7)的变化的逐步铸造过程，环形元件(7)具有锥形的上侧。附图中未显示排列在环形元件(7)下方的铸模(2)。

图3a显示熔融过程结束时的阶段。环形元件(7)位于线圈(3)的磁场下方。熔融物在线圈(3)上方的区域悬浮。磁场线绘示在线圈(3)的铁磁材料(4)的磁极间自由流动。

图3b显示了环形元件(7)开始进入感应线圈(3)的磁场时的情况。可以看出，磁场线越来越偏转(deflected)，尤其是在锥体的范围，并引导至围绕环形元件，使得磁场线不会穿透锥体内部区域和圆柱形部分。在附图中，在环形元件(7)后面流动的场线以虚线示出。由于环形元件(7)中涡电流产生的磁场，劳仑兹力的密度随着倾斜至环形元件尖端的而剧烈增大。

最后，图3c显示了浇铸开始时的情况。在环形元件(7)的中心，由偏转的磁力产生的漏斗效应形成了熔融体射流的开始。批料(1)的熔融物的第一大液滴已经突出进到锥体的开口中，锥体顶端的磁场确保了悬浮批料(1)于其下侧的限制以及防止接触。因此，线圈区域中的熔融物体积已略微减少。在附图中，在环形元件(7)以及熔融物的液滴后面流动的磁场线再次显示为虚线。环形元件(7)现在连续缓慢地被向上推，直到批料(1)的整个熔融体已流出至铸模(2)。

图4a至图4d显示使用具有环形元件(7)的逐步设计变化，环形元件(7)具有内腔中具有的相变材料以及一冷却支承面。

图4a显示了熔融过程结束时的情况。完成的批料(1)悬浮在感应线圈(3)及其铁磁材料(4)的芯材上方。铸模(2)及其漏斗形充填段(6)设置在下方。为了浇铸，铸模(2)如箭头所示向上移动。在这个范例中，浇铸通过圆环管形式的环形元件(7)启动，其在空心壁中填充有相变材料(8)。在熔融阶段期间，环形元件(7)停留于强冷却支承面(10)上。当铸模(2)被提升时，充填段通过冷却支承面进入环形元件(7)并通过套环(9)提升环形元件(7)。环形元件(7)和其所停留的冷却支承面(10)的内径尺寸设计成以小间隙的围绕充填段上部的外径。法兰状套环(flange-like collar)(9)向内突出刚好足够以能座落位于充填段(6)的边缘，但不会覆盖漏斗形的表面。

图4b显示了浇铸过程开始时情况。铸模(2)以及被顶起的环形元件(7)被提升到悬浮批料(1)下方的感应线圈区域。为实现浇铸，将其更往上推进一点，直到批料(1)流出进入铸模(2)。环形元件(7)由于批料(1)的辐射热和交变磁场而被加热。相变材料(8)的相变可以减少或延迟环形元件(7)内部温度的增加。

图4c显示再次浇铸后，充填有批料(1)的铸模(2)再沿箭头方向下降。此将热环形元件(7)再次沉积于在冷却支承面(10)上，通过相变材料(8)的重新相变化，于此冷却环形元件(7)以供下一批熔融批料。

铸造过程结束时的状态显示在图4d中。铸模(2)完全地降低通过冷却支承面(10)，且现时已更换成新的空模具。环形元件(7)再次停留于冷却支承面(10)上，其如图4a所示。当已设置新铸模(2)时，可通过将下一批料(1)引入磁场，以开始下一个熔融过程。

符号说明

1 批料

2 铸模

3 线圈

4 铁磁材料

5 固持器

6 充填段

7 环形元件

8 相变材料

9 套环

10 冷却支承面

Claims (14)

1.一种产生铸件的方法，通过一悬浮熔融方法从一导电材料而生产铸件，其中运用多个交变电磁场以造成一批料(1)的悬浮状态，具有铁磁材料(4)的芯材的至少一配对的相对感应线圈(3)产生该交变电磁场，该配对的线圈的轴线为水平对齐，该方法包含以下步骤：

-将一起始材料的一批料(1)引入至少一该交变电磁场的作用范围，使得维持该批料(1)在一悬浮状态；

-熔融该批料(1)；

-将一铸模(2)设置于位于悬浮的该批料(1)的下方的一充填区；

-将该批料(1)全部浇铸至该铸模(2)中；以及

-从该铸模(2)中移出固化的该铸件，

其中所述将该批料(1)全部浇铸至该铸模(2)中是通过一导电材料的一环形元件(7)引入该感应线圈(3)之间的该交变电磁场的范围实现。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该环形元件(7)的导电材料，包含选自由银、铜、金、铝、铑、钨、锌、铁、铂或锡所组成的组合中的一种或多种元素。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该环形元件(7)的先引入该交变电磁场的范围的一侧圆锥形地渐缩。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中该环形元件(7)为该铸模(2)的一部分。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中至少两配对的该感应线圈(3)产生该电磁场。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中该环形元件(7)为空心壁的，且内腔充满了一相变材料。

7.根据权利要求6所述方法，其中在熔融过程期间，该环形元件(7)停留于一冷却支承面。

8.根据权利要求7所述的方法，其中该环形元件(7)被该铸模(2)提升，以引入至该些感应线圈(3)之间的该交变电磁场的范围。

9.一种用于悬浮熔融一导电材料的装置，包含具有一铁磁材料(4)的芯材的至少一配对相对感应线圈(3)，以通过交变电磁场造成一批料的悬浮状态，其中还包含导电材料的一环形元件(7)，该环形元件(7)以可插入至该些感应线圈(3)之间的该些交变电磁场的范围中，该配对的线圈的轴线为水平对齐。

10.根据权利要求9所述的装置，其中该环形元件(7)的导电材料，包含银、铜、金、铝、铑、钨、锌、铁、铂或锡的组合中的一种或多种元素。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中该环形元件(7)的先引入该交变电磁场的该范围的一侧圆锥形地渐缩。

12.根据权利要求9或10所述的装置，其中至少两配对感应线圈(3)产生该电磁场。

13.根据权利要求9或10所述的装置，其中该环形元件(7)为一空心壁，且内腔充满了一相变材料。

14.根据权利要求13所述的装置，其中在熔融过程期间，该环形元件(7)停留于一冷却支承面。

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