DE60111943T2

DE60111943T2 - Vorrichtung zum magnetischen rühren einer thixotropen metallschmelze

Info

Publication number: DE60111943T2
Application number: DE60111943T
Authority: DE
Inventors: Jian Lu; Shaupoh Chesterfield WANG; M. Samuel NORVILLE
Original assignee: AEMP CORP JACKSON; AEMP Corp
Current assignee: Brunswick Corp
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2021-05-22
Also published as: DE60035626D1; EP1294510B1; AU2001264711B2; AU6471101A; WO2001091949A1; US20060038328A1; EP1563929A1; EP1294510A1; EP1294510A4; DE60035626T2; ATE299412T1; US20020186616A1; CA2410806C; HK1054524A1; JP2003534920A; HK1054524B; US6402367B1; EP1563929B1; ES2248336T3; DE60111943D1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein die Metallurgie und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Mikrogefüge-Eigenschaften eines Metallformteils durch effiziente Steuerung der Temperatur und Viskosität einer thixotropen Vorläufermetallschmelze durch präzise gesteuertes magnetomotorisches Rühren.
TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung, die für die Herstellung "auf Abruf' eines halbfesten Materials zur Verwendung in einem Gießverfahren konstruiert und eingerichtet ist. Als Teil der Gesamtvorrichtung sind verschiedene Stationen enthalten, welche die erforderlichen Komponenten und Konstruktionseinrichtungen aufweisen, die als Teil des Verfahrens einzusetzen sind. Das Verfahren zur Herstellung auf Abruf des halbfesten Materials unter Verwendung der offenbarten Vorrichtung ist Teil der vorliegenden Erfindung.
Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung beinhaltet elektromagnetische Rührverfahren und – vorrichtungen, um die Herstellung des halbfesten Materials innerhalb einer vergleichsweise kurzen Taktzeit zu erleichtern. Der Begriff "auf Abruf', wie er hier gebraucht wird, bedeutet, daß das halbfeste Material aus dem Behälter, wo das Material erzeugt wird, direkt zum Gießschritt gelangt. Das halbfeste Material wird typischerweise als "Gießmasse" bzw. "Brei" (Slurry) bezeichnet, und der Rohling, der als "Einzelguß" hergestellt wird, wird auch als Vorblock bzw. Barren bezeichnet.
Bekannt ist, daß die halbfeste Metallgießmasse zur Herstellung von hochfesten, lecksicheren und endabmessungsnahen Produkten eingesetzt werden kann. Die Viskosität des halbfesten Metalls ist jedoch sehr empfindlich gegen die Temperatur der Gießmasse oder des entsprechenden Feststoffanteils. Um bei hohem Feststoffanteil eine gute Fließfähigkeit zu erzielen, sollte die primäre feste Phase des halbfesten Metalls kugelförmig sein.
Allgemein läßt sich die halbfeste Verarbeitung in zwei Kategorien unterteilen; Thixogießen und Rheogießen. Beim Thixogießen wird das Mikrogefüge der erstarrenden Legierung von einem dendritischen zu einem diskreten entartet dendritischen Mikrogefüge modifiziert, bevor die Legierung zu einem festen Ausgangsmaterial gegossen wird, das dann wieder zu einem halbfesten Zustand eingeschmolzen und in eine Form gegossen wird, um das gewünschte Teil herzustellen. Beim Rheogießen wird flüssiges Metall zu einem halbfesten Zustand abgekühlt, wobei sein Mikrogefüge modifiziert wird. Die Gießmasse wird dann geformt oder in eine Form gegossen, um das oder die gewünschte(n) Teil(e) herzustellen.
Das Haupthindernis beim Rheogießen ist die Schwierigkeit, innerhalb einer kurzen Taktzeit genügend Gießmasse im bevorzugten Temperaturbereich zu erzeugen. Obwohl die Kosten des Thixogießens wegen der zusätzlichen Gieß- und Wiedereinschmelzschritte höher sind, hat die Implementierung des Thixogießens in der Industrieproduktion das Rheogießen weit übertroffen, da halbfestes Ausgangsmaterial in großen Mengen in getrennten Arbeitsgängen gegossen werden kann, die in zeitlichem und räumlichem Abstand von den Wiedererwärmungs- und Formgebungsschritten erfolgen können.
Bei einem halbfesten Gießverfahren wird im allgemeinen beim Erstarren eine Gießmasse gebildet, die aus dendritischen festen Teilchen besteht, deren Form erhalten bleibt. Anfänglich bilden dendritische Teilchen Kristallisationskeime und wachsen in den Frühstadien der Gießmassebildung oder der Bildung der halbfesten Substanz als gleichachsige Dendriten innerhalb der geschmolzenen Legierung. Bei geeigneter Abkühlungsgeschwindigkeit und Rühren werden die dendritischen Teilchenzweige größer, und die Dendritenarme haben Zeit zur Vergröberung, so daß der Zwischenraum zwischen primären und sekundären Dendritenarmen zunimmt. Während dieser unter Rühren ablaufenden Wachstumsphase kommen die Dendritenarme in Kontakt miteinander und zerbrechen zu entarteten dendritischen Teilchen. Bei der Haltetemperatur vergröbern sich die Teilchen weiter, werden runder und nähern sich einer idealen Kugelform. Der Rundungsgrad wird durch die für den Prozeß gewählte Haltezeit gesteuert. Beim Rühren wird der "Kohärenz"-Punkt (die Dendriten werden zu einer verschlungenen Struktur) nicht erreicht. Das halbfeste Material, das aus fragmentierten, entarteten Dendritteilchen besteht, verformt sich weiterhin bei niedrigen Scherkräften.
Wenn der gewünschte Feststoffanteil und die Teilchengröße und -form erreicht sind, ist das halbfeste Material fertig zum Formen durch Einspritzen in eine Druckgußform oder irgendein anderes Formgebungsverfahren. Die Teilchengröße in der Festphase wird in dem Verfahren gesteuert, indem der Gießmasseerzeugungsprozeß auf Temperaturen oberhalb des Punktes beschränkt wird, an dem die Bildung der Festphase beginnt und die Teilchenvergröberung einsetzt.
Bekannt ist, daß das dendritische Gefüge des primären Feststoffs einer halbfesten Legierung modifiziert werden kann, indem die folgende Störung in die flüssige Legierung nahe der Liquidustemperatur oder in die halbfeste Legierung eingebracht wird:

1) Rühren: mechanisches Rühren oder elektromagnetisches Rühren;
2) Bewegen: niederfrequente Vibration, hochfrequente Welle, Elektroschock oder elektromagnetische Welle;
3) gleichachsige Keimbildung: schnelle Unterkühlung, Kornverfeinerer;
4) Ostwald-Reifung und Vergröberung: langfristiges Halten der Legierung im halbfesten Temperaturbereich.

Die Verfahren (2) bis (4) haben sich zwar bei der Modifikation des Mikrogefüges der halbfesten Legierung als wirksam erwiesen, weisen aber die gemeinsame Beschränkung auf, daß sie wegen der folgenden Eigenschaften oder Bedingungen von halbfesten Metallen bei der Verarbeitung eines großen Legierungsvolumens nicht leistungsfähig sind:

– Hohe Dämpfungswirkung bei Vibration
– Kleine Eindringtiefe für elektromagnetische Wellen
– Hohe latente Wärme gegen schnelle Unterkühlung
– Zusätzliches Kosten- und Wiederaufbereitungsproblem bei Zugabe von Kornverfeinerern
– Natürliche Reifung dauert lange und schließt kurze Taktzeit aus.

Während sich die Entwicklungen nach dem Stand der Technik meist auf das Mikrogefüge und die Rheologie der halbfesten Legierung konzentrierten, haben die Erfinder festgestellt, daß die Temperaturregelung einer der kritischsten Parameter für die zuverlässige und effiziente Verarbeitung im halbfesten Zustand mit vergleichsweise kurzer Taktzeit ist. Da die scheinbare Viskosität von halbfestem Metall exponentiell mit dem Feststoffanteil ansteigt, führt eine kleine Temperaturdifferenz in der Legierung bei einem Feststoffanteil von 40% oder mehr zu erheblichen Änderungen ihrer Fließfähigkeit. Tatsächlich ist mangelndes Rühren das größte Hindernis bei der Anwendung der oben angeführten Verfahren (2)–(4) zur Erzeugung von halbfestem Metall. Ohne Rühren ist es sehr schwierig, einen Legierungsbrei mit der erforderlichen gleichmäßigen Temperatur und Mikrostruktur herzustellen, besonders wenn eine große Menge der Legierung benötigt wird. Ohne Rühren ist die einzige Methode zum Erhitzen/Abkühlen von halbfestem Metall ohne Erzeugung großer Temperaturdifferenzen die Anwendung eines langsamen Erhitzungs-/Abkühlungsprozesses. Ein derartiger Prozeß erfordert oft die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Einsatzmaterialbarren unter einem vorprogrammierten Ofen- und Förderersystem, das teuer, schwer zu warten und schwer zu steuern ist.
Durch Anwendung des mechanischen Hochgeschwindigkeitsrührens innerhalb eines ringförmigen dünnen Spalts kann zwar eine hohe Scherrate erzeugt werden, um die Dendriten in dem halbfesten Metallgemisch aufzuspalten, aber der dünne Spalt wird zur Schranke für den Volumendurchsatz des Verfahrens. Die Kombination von hoher Temperatur, starker Korrosion (z.B. von geschmolzener Aluminiumlegierung) und hohem Verschleiß der halbfesten Gießmasse erschwert außerdem die Konstruktion, die Auswahl der geeigneten Materialien und die Instandhaltung der Rührvorrichtung.
Ältere Dokumente offenbaren das Verfahren zur Herstellung einer halbfesten Gießmasse durch Wiedererwärmen eines durch Thixogießen oder direkt aus der Schmelze geformten festen Barrens unter Anwendung des mechanischen oder elektromagnetischen Rührens. Die bekannten Herstellungsverfahren für halbfeste Legierungsgießmassen schließen mechanisches Rühren und induktives elektromagnetisches Rühren ein. Die Prozesse zur Ausbildung einer Gießmasse mit der gewünschten Struktur werden zum Teil durch die interaktiven Einflüsse der Scherrate und der Erstanungsrate gesteuert.
Anfang der 80er Jahre wurde ein elektromagnetisches Rührverfahren zum Gießen von halbfestem Einsatzmaterial mit diskreten entarteten Dendriten entwickelt. Das Einsatzmaterial wird auf geeignete Größe geschnitten und dann wieder in den halbfesten Zustand eingeschmolzen, bevor es in einen Formhohlraum eingespritzt wird. Obwohl sich dieses magnetohydrodynamische(MHD-)Gießverfahren für die Erzeugung einer großen Menge halbfesten Einsatzmaterials mit entsprechenden diskreten entarteten Dendriten eignet, mindern die Materialverarbeitungskosten für das Gießen und Wiedereinschmelzen eines Barrens zu einer halbfesten Zusammensetzung die Konkunerrzfähigkeit dieses Halbfestverfahrens im Vergleich zu anderen Gießverfahren, beispielsweise dem Freifallgießen, Niederdruckgießen oder Hochdruckgießen. Am allermeisten waren die Komplexität der Barrenerwärmungseinrichtung, der langsame Barrenerwärmungsprozeß und die Schwierigkeiten bei der Barrentemperaturregelung die technischen Haupthindernisse bei dieser Art der halbfesten Formgebung.
Der Wiedererwärmungsprozeß des Barrens liefert eine Gießmasse oder ein halbfestes Material für die Herstellung von halbfesten Formteilen (SSF-Produkten). Dieses Verfahren ist zwar in großem Umfang angewandt worden, aber es gibt eine begrenzte Auswahl an gießfähigen Legierungen. Ferner ist ein hoher Feststoffanteil (0,7 bis 0,8) erforderlich, um für die mechanische Festigkeit zu sorgen, die bei dieser Form vom Einsatzmaterial benötigt wird. Wegen der erforderlichen Verfahren zum Gießen, zur Handhabung und Wiederwärmung von Barren im Vergleich zum direkten Einbringen eines geschmolzenen Metall-Einsatzmaterials bei den konkurrierenden Kokillen- und Squeeze-Gießverfahren waren die Kosten eine weitere große Einschränkung dieses Verfahrens.
Bei dem mechanischen Rührverfahren zur Bildung einer Gießmasse oder eines halbfesten Materials führt der Angriff reaktiver Materialien auf den Rotor zu Korrosionsprodukten, die das erstarrende Metall verunreinigen. Ferner führt der Ring, der sich zwischen der Außenkante der Rotorblätter und der Behälterinnenwand innerhalb des Mischbehälters bildet, zu einer Zone niedriger Scherung, während in der Übergangszone zwischen den Zonen mit hoher und niedriger Scherrate eine Scherungsbandbildung auftreten kann. Es sind eine Reihe von elektromagnetischen Rührverfahren für das Thixogießen von Barren für das SSF-Verfahren beschrieben worden, aber eine Anwendung für das Rheogießen wurde wenig erwähnt.
Das Rheogießen, d.h. die Herstellung durch Rühren eines flüssigen Metalls zur Bildung einer halbfesten Gießmasse, die sofort geformt wird, ist bisher nicht industrialisiert worden. Es ist klar, daß das Rheogießen die meisten Einschränkungen des Thixogießens überwinden dürfte. Um jedoch zu einer industriellen Fertigungstechnik zu werden, d.h. um prozeßgekoppelt (d.h. auf Abruf) eine beständige, abgabefähige halbfeste Gießmasse zu produzieren, muß das Rheogießen die folgenden praktischen Schwierigkeiten überwinden: Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit, Steuerung des Mikrogefüges, Gleichmäßigkeit der Temperatur und des Mikrogefüges, das große Volumen und der Umfang der Gießmasse, kurze Taktzeitsteuerung und die Handhabung verschiedener Legierungsarten sowie die Einrichtungen und das Verfahren zum Transport der Gießmasse in einen Behälter und direkt aus dem Behälter in die Eingußbuchse.
Das propellerartige Rühren ist zwar in Verbindung mit der Herstellung einer halbfesten Gießmasse angewandt worden, aber es gibt bestimmte Probleme und Einschränkungen. Zum Beispiel machen die hohe Temperatur und die aggressiven und starken Verschleißeigenschaften der halbfesten Gießmasse die Konstruktion einer zuverlässigen Gießmassevorrichtung mit mechanischem Rühren sehr schwierig. Die kritischste Beschränkung der Anwendung des Rheogießens ist jedoch, daß der kleine Durchsatz die Anforderungen an die Produktionskapazität nicht erfüllen kann. Außerdem ist bekannt, daß halbfestes Metall mit diskreten entarteten Dendriten auch durch Einbringen einer niederfrequenten mechanischen Vibration, hochfrequenter Ultraschallwellen oder durch elektromagnetisches Rühren mit einer Magnetspule hergestellt werden kann. Diese Prozesse funktionieren zwar unter Umständen für kleinere Proben bei längerer Taktzeit, sind aber bei der Herstellung eines größeren Barrens wegen der Beschränkung der Eindringtiefe nicht effektiv. Ein weiterer Verfahrenstyp, das Rühren durch magnetische Induktion, weist wegen seiner beschränkten Eindringtiefe des Magnetfelds und unnötigen Wärmeentwicklung bei der Implementierung für Produktivität viele technologische Probleme auf. Kräftiges elektromagnetisches Rühren ist das am weitesten verbreitete industrielle Verfahren, das die Erzeugung einer großen Menge Gießmasse ermöglicht. Wichtig ist, daß dieses Verfahren auf beliebige Hochtemperatur-Legierungen anwendbar ist.
Es gibt zwei Hauptvarianten des kräftigen elektromagnetischen Rührens; eine ist das Rühren mit Rotationsstator, und die andere ist das Rühren mit Linearstator. Beim Rühren mit Rotationsstator bewegt sich das geschmolzene Metall in einer quasi-isothermen Ebene, daher wird die Entartung von Dendriten durch dominierende mechanische Scherung erreicht. US-A-4 434 837, erteilt am 6. März 1984 an Winter et al., beschreibt eine elektromagnetische Rührvorrichtung für die kontinuierliche Herstellung von thixotropen Metallgießmassen, wobei ein Stator mit einer einzigen Zweipolanordnung ein nichtverschwindendes rotierendes Magnetfeld erzeugt, das sich quer zu einer Längsachse bewegt. Das sich bewegende Magnetfeld liefert eine tangential zu dem Metallbehälter gerichtete magnetische Rührkraft, die eine Schemate von mindestens 50 s^–1 bereitstellt, um die Dendriten aufzuspalten. Beim Rühren mit Linearstator werden die Gießmassen innerhalb der Breizone in die Zone höherer Temperatur zurückgeführt und wieder eingeschmolzen; daher spielen die thermischen Prozesse eine wichtigere Rolle bei der Aufspaltung der Dendriten. US-A-5 219 018, erteilt am 15. Juni 1993 an Meyer, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von thixotropen Metallprodukten durch kontinuierliches Gießen mit elektromagnetischem Mehrphasenstromrühren. Dieses Verfahren erreicht die Umwandlung der Dendriten in Klümpchen, indem es ein erneutes Verschmelzen der Oberfläche dieser Dendriten durch Übergang aus der kalten Zone, wo sie sich bilden, zu einer heißeren Zone verursacht.
Dem Fachmann ist bekannt, daß thixotrope Metallschmelzen durch Einwirkung einer ausreichend starken magnetomotorischen Kraft gerührt werden können. Bekannte Verfahren zur Erzeugung einer solchen magnetomotorischen Kraft sind unter anderem die Anwendung eines oder mehrerer statischer Magnetfelder, einer Kombination von statischen und veränderlichen Magnetfeldern, beweglicher Magnetfelder oder rotierender Magnetfelder, um die Metallschmelze zu rühren. Alle diese Verfahren leiden jedoch unter dem gleichen Nachteil der Auslösung dreidimensionaler Zirkulation hauptsächlich an den Behälterwänden, die zu einem inhomogenen Mischen der Metallschmelze führt. Während die oben erwähnten bekannten magnetomotorischen Mischverfahren alle eine Scherkraft an der thixotropen Schmelze erzeugen, indem sie eine Rotationsbewegung der Schmelze induzieren, wird eine dreidimensionale Zirkulation nur in dem Umfang erzielt, in dem auf die rotierende Schmelze einwirkende Zentripetalkräfte eine oberste Schicht aus geschmolzenem Metall gegen die Behälterwand drücken, wo sie sich entlang der Wand nach unten und auf einer niedrigeren Höhe in die Schmelze zurückbewegt. Dieser Prozeß ist zwar ausreichend, um den thixotropen Charakter der Schmelze aufrechtzuerhalten, ist aber untauglich, um die Temperatur oder Zusammensetzung der gesamten Schmelze gleichmäßig auszugleichen. Offenbar wäre es wünschenswert, die Schmelze so zu rühren, daß ihr thixotroper Charakter aufrechterhalten bleibt und gleichzeitig schnell und effizient Wärme zwischen der Schmelze und ihrer Umgebung übertragen wird. Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, dieses Ziel zu erreichen.
EP-A-0 005 676 offenbart ein Verfahren zum elektromagnetischen Rühren von geschmolzenem Metall während eines kontinuierlichen Gießprozesses, wobei das Metall kontinuierlich durch eine Röhre fließt, um einen erstarrten Gußblock zu bilden.
DE-19 738 821A offenbart eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Rühren eines geschmolzenen Metallbades. Die Vorrichtung weist auf: eine erste mehrphasenstromgesteuerte Induktionswicklung, die ein erstes Magnetfeld erzeugt, das sich entlang der Längsachse des Gehäuses bewegt, und eine zweite Induktionsspulenwicklung, die sich in Axialrichtung entlang dem Gehäuse außerhalb der ersten Wicklung erstreckt und ein zweites Magnetfeld erzeugt, das um die Längsachse des Gehäuses rotiert. Das zweite, rotierende Magnetfeld wird über die gesamte Länge des ersten axialen Magnetfelds überlagert. Es ist wünschenswert, die Qualität des Rührmusters, seine Geschwindigkeit und Intensität zu verbessern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum magnetomotorischen Rühren einer Metallschmelze, um durch gleichzeitige schnelle und effiziente Entartung von darin gebildeten dendritischen Teilchen und Wärmeübertragung zwischen der Schmelze und ihrer Umgebung ihren thixotropen Charakter aufrechtzuerhalten (eine Volumenkristallisation zu verhindern). Eine Form der vorliegenden Erfindung ist eine gestapelte Statorbaugruppe mit einem Statorring, der so eingerichtet ist, daß er ein linear/longitudinales Magnetfeld erzeugt, das zwischen zwei Statorringen angeordnet ist, die so angepaßt sind, daß sie ein rotierendes Magnetfeld erzeugen. Die gestapelten Statorringe definieren darin einen im allgemeinen zylinderförmigen magnetomotorischen Mischbereich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes magnetomotorisches Metallrührsystem bereitzustellen. Verwandte Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum magnetischen Rühren eines fließfähigen Materials bereitgestellt, wie in Anspruch 1 definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine schematische Darstellung eines zweipoligen mehrphasigen Stators.
1B zeigt eine schematische Darstellung eines mehrpoligen Stators.
1C zeigt eine graphische Darstellung des elektrischen Stroms als Funktion von der Zeit für jedes Spulenpaar in dem Stator von 1A.
1D zeigt eine schematische Darstellung eines Mehrphasenstators mit einem Spulenpaar, die in Längsrichtung bezüglich eines zylinderförmigen Mischvolumens angeordnet sind.
2A zeigt eine schematische Vorderansicht eines magnetomotorischen Rührvolumens, das durch eine gestapelte Statoreinheit mit drei einzelnen Statoren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert ist.
2B zeigt eine schematische Vorderansicht eines magnetomotorischen Rührvolumens, das durch eine gestapelte Statoreinheit mit zwei einzelnen Statoren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert ist.
2C zeigt eine schematische Vorderansicht eines magnetomotorischen Rührvolumens, das durch eine gestapelte Statoreinheit mit vier einzelnen Statoren gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert ist.
2D zeigt eine schematische Vorderansicht eines magnetomotorischen Rührvolumens, das durch eine gestapelte Statoreinheit mit fünf einzelnen Statoren gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert ist.
3A zeigt eine schematische Vorderansicht des magnetomotorischen Rührvolumens von 2A, welche die vereinfachten Magnetfeld-Wechselwirkungen darstellt, die durch jeden einzelnen Stator einer ersten Statorbaugruppe erzeugt werden.
3B zeigt eine schematische Vorderansicht der Kombination magnetomotorischer Kräfte von jedem Stator der Statorbaugruppe von 3A zur Erzeugung eines im wesentlichen spiralförmigen resultierenden Magnetfelds.
3C zeigt eine schematische Vorderansicht des magnetomotorischen Rührvolumens von 2A, welche die vereinfachten Magnetfeld-Wechselwirkungen darstellt, die durch jeden einzelnen Stator einer zweiten Statorbaugruppe erzeugt werden.
3D zeigt eine schematische Vorderansicht der Kombination magnetomotorischer räfte von jedem Stator der Statorbaugruppe von 3C, um ein im wesentlichen spiralförmiges resultierendes Magnetfeld zu erzeugen.
4A zeigt ein schematisches Diagramm, das die vereinfachte Form eines Magnetfeldes darstellt, das durch einen Rotationsfeldstator von 2A erzeugt wird.
4B zeigt ein schematisches Diagramm, das die vereinfachte Form eines Magnetfeldes darstellt, das durch einen Linearfeldstator von 2A erzeugt wird.
4C zeigt ein schematisches Diagramm, welches das vereinfachte, im wesentlichen spiralförmige Magnetfeld darstellt, das durch Kombination der Rotationsfeld- und Linearfeldstatoren von 2A erzeugt wird.
4D zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des zylindrischen spiralförmigen magnetomotorischen Mischvolumens von 2A in getrennter Darstellung, um einen inneren zylinderförmigen Kernabschnitt und einen äußeren zylinderförmigen Schalenabschnitt zu veranschaulichen.
4E zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des äußeren Abschnitts von 4D.
4F zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des inneren Abschnitts von 4D.
5 zeigt eine schematische Ansicht einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine magnetomotorische Rührvorrichtung mit einer elektronischen Steuereinrichtung, die mit einer Statorbaugruppe verbunden ist und eine Spannungsrückkopplung empfängt.
6 zeigt eine schematische Ansicht einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eine magnetomotorische Rührvorrichtung mit einer elektronischen Steuereinrichtung, die mit einer Statorbaugruppe verbunden ist und eine Temperaturrückkopplung von Temperatursensoren empfängt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um das Verständnis der Grundlagen der Erfindung zu fördern, wird nachstehend auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen Bezug genommen, zu deren Beschreibung eine spezifische Sprache benutzt wird. Nichtsdestoweniger versteht es sich, daß damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist und Änderungen und Modifikationen an der dargestellten Vorrichtung sowie weitere Anwendungen der hier dargestellten Grundlagen der Erfindung hierin in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, normalerweise einfallen.
Ein Weg zur Überwindung der obigen Schwierigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung des modifizierten elektromagnetischen Rührens im wesentlichen des gesamten flüssigen Metallvolumens, während es beim Erstarren in den halbfesten Bereich und durch diesen hindurch gelangt. Ein derartiges modifiziertes elektromagnetisches Rühren verstärkt die Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Metall und seinem Behälter, um die Metalltemperatur und seine Abkühlungsgeschwindigkeit zu steuern, und erzeugt eine ausreichend hohe Scherung innerhalb des flüssigen Metalls, um das Mikrogefüge zur Bildung diskreter entarteter Dendriten zu modifizieren. Das modifizierte elektromagnetische Rühren erhöht die Gleichmäßigkeit der Metalltemperatur und des Mikrogefüges mittels einer verstärkten Steuerung des schmelzflüssigen Metallgemischs. Bei sorgfältiger Konstruktion der Rührvorrichtung und des Rührverfahrens steuert und regelt das Rühren eine große Menge und einen Umfang der halbfesten Gießmasse in Abhängigkeit von den Anwendungsbedingungen. Das modifizierte elektromagnetische Rühren ermöglicht die Verkürzung der Taktzeit durch verstärkte Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit. Das modifizierte magnetische Rühren kann an den Gebrauch bei einer großen Auswahl von Legierungen angepaßt werden, d.h. von Gußlegierungen, Knetlegierungen, Metall-Matrix-Verbund (MMC) usw. Zu beachten ist, daß der Mischungsbedarf zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer halbfesten metallischen Gießmasse völlig verschieden von dem Bedarf zur Erzeugung eines Metallbarrens durch das MHD-Verfahren ist, da ein nach dem MHD-Verfahren geformter Barren eine vollständig erstarrte Oberflächenschicht aufweist, während dies bei einem aus einer halbfesten Gießmasse geformten Barren nicht der Fall ist.
Früher wurde das MHD-Rühren durch Anwendung eines zweipoligen Mehrphasenstatorsystems bewerkstelligt, um eine auf das flüssige Metall einwirkende magnetomotorische Rührkraft zu erzeugen. Mehrpolige Statorsysteme sind zwar bekannt, wurden aber nicht in dem MHD-Verfahren angewandt, da für eine gegebene Netzfrequenz Mehrphasenstatorsysteme rotierende Magnetfelder erzeugen, die nur die halbe Rotationsgeschwindigkeit von Feldern aufweisen, die durch zweipolige Statorsysteme erzeugt werden. 1A zeigt eine schematische Darstellung eines zweipoligen Mehrphasenstatorsystems 1 und seines resultierenden Magnetfelds 2, während 1B schematisch ein mehrpoliges Statorsystem 1' und seines entsprechenden Magnetfelds 2' darstellt. Im allgemeinen enthält jedes Statorsystem 1, 1' mehrere Paare von elektromagnetischen Spulen oder Wicklungen 3, 3', die jeweils um ein zentrales Volumen 4, 4' herum orientiert sind. Die Wicklungen 3, 3' werden nacheinander erregt, indem elektrischer Strom durchgeleitet wird.
1A zeigt ein 3-phasiges 2-poliges Mehrphasenstatorsystem 1 mit drei Wicklungspaaren 3, die so angeordnet sind, daß zwischen jedem Paar eine Phasendifferenz von 120° besteht. Das Mehrphasenstatorsystem 1 erzeugt ein rotierendes Magnetfeld 2 in dem zentralen Volumen 4, wenn die entsprechenden Wicklungspaare 3 nacheinander mit elektrischem Strom erregt werden. Im vorliegenden Fall existieren drei Wicklungspaare 3, die in Umfangsrichtung um ein zylinderförmiges Mischvolumen 4 herum ausgerichtet sind, obwohl andere Konstruktionen andere Anzahlen der Wicklungen 3 mit anderen Orientierungen verwenden können.
Typischerweise sind die Wicklungen oder Spulen 3 elektrisch verbunden, um eine über das Rührvolumen 4 gespreizte Phase zu bilden. 1C veranschaulicht die Beziehung des durch die Wicklungen 3 fließenden elektrischen Stroms als Funktion von der Zeit für die Wicklungen 3.
Im Gebrauch variiert das Magnetfeld 2 mit der Änderung des Stroms, der durch jedes Wicklungspaar 3 fließt. Während sich das Magnetfeld 2 ändert, wird in einem flüssigen elektrischen Leiter, der das Rührvolumen 4 ausfüllt, ein Strom induziert. Dieser induzierte elektrische Strom erzeugt ein eigenes Magnetfeld. Die Wechselwirkung der Magnetfelder erzeugt eine Rührkraft, die auf den flüssigen elektrischen Leiter einwirkt und ihn zum Fließen bringt. Bei der Drehung des Magnetfelds treibt die magnetomotorische Kraft in Umfangsrichtung den flüssigen metallischen Leiter zu einer Zirkulationsbewegung an. Zu beachten ist, daß das durch ein Mehrpolsystem (hier durch ein Zweipolsystem) erzeugte Magnetfeld 2 einen momentanen Querschnitt aufweist, der durch eine Linie mit im wesentlichen der Magnetkraft null halbiert wird.
1D zeigt eine Gruppe von Wicklungen 3, die in Längsrichtung bezüglich eines zylinderförmigen Mischvolumens 4 angeordnet sind. In dieser Konfiguration induziert das veränderliche Magnetfeld 2 eine Zirkulation des flüssigen elektrischen Leiters in einer zur Achse des zylinderförmigen Volumens 4 parallelen Richtung.
In 1B ist ein Mehrpolstatorsystem 1' mit vier Polen dargestellt, obwohl das System 1' eine beliebige gerade Anzahl P von Polen aufweisen kann. Unter Annahme einer sinusförmigen Verteilung läßt sich das Magnetfeld B wie folgt ausdrücken: B = BmcosP/2θs,wobei B_m die magnetische Dichte bei einem gegebenen Bezugswinkel θ_{s is} ist. Der Wert P/2 wird oft als elektrischer Winkel bezeichnet. Zu beachten ist, daß das durch das mehrpolige Mehrphasenstatorsystem 1' erzeugte Magnetfeld 4' ein resultierendes Magnetfeld 2' mit zweidimensionalem Querschnitt erzeugt, das einen mittleren Bereich aufweist, in dem das Magnetfeld im wesentlichen gleich null ist.
Typischerweise verwenden bekannte MHD-Systeme zum Rühren von schmelzflüssigen Metallen einen einzigen zweipoligen Mehrphasenstator zum schnellen Rühren einer Metallschmelze. Ein Nachteil der Verwendung eines solchen Systems ist, daß übermäßig hohe Rührkräfte an dem äußeren Radius der Schmelze angreifen müssen, um die Einwirkung ausreichender Rührkräfte in der Mitte der Schmelze sicherzustellen. Außerdem reicht zwar ein einziges Mehrphasensystem mit mehreren Statoren gewöhnlich aus, um ein schmelzflüssiges Metallvolumen gründlich zu rühren, kann aber unzureichend sein, um für ein gleichmäßig gesteuertes Mischen in der gesamten Schmelze zu sorgen. Gesteuertes und gleichmäßiges Mischen ist insofern wichtig, als es zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Temperatur und Viskosität in der gesamten Schmelze ebenso wie zur Optimierung der Wärmeübertragung von der Schmelze für ihre schnelle und präzise Abkühlung notwendig ist. Im Gegensatz zu den Temperatur- und Wärmeübertragungseigenschaften des MHD-Prozesses im stationären Zustand erfordert die Herstellung einer halbfesten thixotropen Gießmasse schnelle und kontrollierte Temperaturänderungen, um innerhalb einer kurzen Zeitspanne gleichmäßig in der gesamten Gießmasse aufzutreten. Da außerdem im thixotropen Bereich die Temperatur abfällt, nimmt der Feststoffanteil und dementsprechend die Viskosität schnell zu. In diesem Temperatur- und Viskositätsbereich ist es wünschenswert, im gesamten Materialvolumen ein stetiges, gleichmäßiges Rühren aufrechtzuerhalten. Dies gilt besonders während der Volumenzunahme von schmelzflüssigem Metall.
Zu diesem Zweck nutzt die vorliegende Erfindung eine Kombination von Statortypen, um magnetische Rührfelder in Umfangsrichtung mit longitudinalen magnetischen Rührfeldern zu kombinieren, und ein resultierendes dreidimensionales magnetisches Rührfeld zu erzielen, das ein gleichmäßiges Mischen der Metallschmelze vorantreibt. In dem System sind ein oder mehrere Mehrphasenstatoren enthalten, um eine stärkere Steuerung des dreidimensionalen Eindringens des resultierenden magnetomotorischen Rührfelds zu ermöglichen. Mit anderen Worten, während das MHD-Verfahren einen Stator benötigt, der nur zwei Pole aufweist und ein nichtverschwindendes elektromotorisches Feld quer über den gesamten Querschnitt der Metallschmelze oder des Barrens erzeugt, nutzt das erfindungsgemäße System eine Kombination von Statortypen, um eine stärkere Steuerung des resultierenden magnetomotorischen Mischfeldes zu erzielen. Andernfalls würde beim Erstarren der äußeren Volumenschicht des geschmolzenen Metalls die auf das übrige flüssige Metall im Inneren des Volumens einwirkende Scherkraft nicht ausreichen, um die dendritische Entartung aufrechtzuerhalten, wodurch ein Metallbarren mit einem inhomogenen Mikrogefüge entsteht. Zur Erzeugung eines thixotropen Gießmassebarrens kann eine Statorbaugruppe mit vier Polen eingesetzt werden, um den Gießmassebarren mit größerer Kraft und höherer effektiver Geschwindigkeit zu rühren und das abkühlende Metall gründlicher (und gleichmäßiger innerhalb des gesamten Gießmassebarrenvolumens) zu vermischen und einen Gießmassebarren zu erzeugen, der sowohl in der Temperatur als auch in der Größe, Form, Konzentration und Verteilung der Feststoffteilchen homogener ist. Der vierpolige Stator bewirkt ein schnelleres Rühren, da zwar das Magnetfeld langsamer als bei einem zweipoligen Stator rotiert, das Feld aber mit höherem Wirkungsgrad in das gerührte Material gerichtet wird und daher die Schmelze schneller und effektiver rührt.
Die 2A, 3A–3B und 4A–4F zeigen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein magnetomotorisches Rührsystem 10 zum Rühren von Volumina geschmolzener Metalle 11 (wie z.B. von Schmelzen oder Gießmassebarren). Der Begriff "magnetomotorisch", wie er hier gebraucht wird, bezieht sich auf die elektromagnetischen Kräfte, die erzeugt werden, um auf ein elektrisch leitendes Medium einzuwirken und es in Bewegung zu versetzen. Das magnetomotorische Rührsystem 10 weist eine Statorgruppe 12 auf, die um eine Magnetmischkammer 14 herum angeordnet und so angepaßt ist, daß darin ein komplexes Magnetfeld erzeugt wird. Vorzugsweise enthält die Mischkammer 14 eine Inertgasatmosphäre 15, die über dem Gießmassebarren 11 aufrechterhalten wird, um Oxidation bei erhöhten Temperaturen zu verhindern.
Die Statorgruppe 12 enthält vorzugsweise einen ersten Statorring 20 und einen zweiten Statorring 24, die oberhalb bzw. unterhalb eines dritten Statorrings angeordnet sind, obwohl die Statorgruppe eine beliebige Anzahl von Statoren (ringförmig oder anders geformt) von beliebigem Typ (Linearfeld, Rotationsfeld oder dergleichen) aufweisen kann, die in einer beliebigen zweckmäßigen Reihenfolge gestapelt sein können, um eine gewünschte Form und Stärke des magnetomotorischen Nettofelds zu erzeugen (siehe zum Beispiel die 2B–2D). Der Begriff "rotierendes" oder "Rotations"-Magnetfeld, wie er hier gebraucht wird, bedeutet ein Feld, das direkt die Zirkulation einer ferromagnetischen oder paramagnetischen Flüssigkeit in einer Ebene induziert, die im wesentlichen senkrecht zu einer zentralen Drehachse 16 liegt, die durch die Statorgruppe 12 und das magnetische Mischvolumen 14 hindurchgeht. Ebenso bedeutet der Begriff "lineares" oder "longitudinales" Magnetfeld, wie er hier gebraucht wird, ein Feld, das direkt eine Zirkulation eines ferromagnetischen oder paramagnetischen Materials in einer Ebene induziert, die im wesentlichen parallel zu der zentralen Drehachse 16 liegt. Die Statorringruppe 12 wird vorzugsweise so gestapelt, daß sie darin ein magnetisches Mischvolumen 14 in Form eines geraden Kreiszylinders definiert, obwohl die Statorgruppe 12 auch so gestapelt werden kann, daß ein Mischvolumen jeder gewünschten Größe und Form erzeugt wird.
Innerhalb der Statorgruppe 12 kann ein körperliches Mischgefäß oder ein Behälter 26 angeordnet werden, das (der) im wesentlichen mit dem Mischvolumen 14 übereinstimmt. Vorzugsweise definiert der Mischbehälter 26 eine Form des inneren Mischvolumens 14, die identisch mit der des magnetomotorischen Feldes ist, das durch die Statorringgruppe 12 erzeugt wird. Wenn z.B. ein im wesentlichen gerades ovales zylinderförmiges magnetomotorisches Kraftfeld zu erzeugen wäre, dann würde der Mischbehälter 26 ebenso vorzugsweise ein inneres Mischvolumen 14 mit einer geraden ovalen Zylinderform aufweisen. Ebenso kann die Statorbaugruppe 12 hoch gestapelt werden, um einen relativ hohen Metallbehälter 26 aufzunehmen, oder kurz, um einen kleinen Metallbehälter 26 aufzunehmen.
Die ersten und zweiten Statoren 20, 22 sind vorzugsweise Mehrphasenstatoren, die rotierende Magnetfelder 30, 32 erzeugen können, während der dritte Stator 24 ein lineares/longitudinales (axiales) Magnetfeld 34 erzeugen kann. Wenn alle drei Statoren 20, 22, 24 aktiviert werden, treten die so erzeugten Magnetfelder 30, 32, 34 in Wechselwirkung, um ein komplexes spiralförmiges oder pseudospiralförmiges magnetomotorisches Feld 40 zu erzeugen. Das im wesentlichen spiralförmige magnetomotorische Feld 40 erzeugt eine elektromotorische Kraft an beliebigen elektrischen Leitern in der magnetischen Mischkammer 14, so daß diese in der gesamten Schmelze 11 sowohl axial als auch radial in Zirkulation versetzt werden. Elektrische Leiter, auf die das spiralförmige magnetomotorische Feld 40 einwirkt, werden daher gründlich randomisiert.
Die 2A, 3C–3D und 4A–4F zeigen eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein magnetomotorisches Rührsystem 10' gemäß der obigen Beschreibung, das aber eine Statorringgruppe 12' aufweist, die einen ersten und einen zweiten Stator 20', 22' enthält, die jeweils so angepaßt sind, daß sie ein lineares Magnetfeld 30', 32' erzeugen, sowie einen dritten Stator 24', der so angepaßt ist, daß er ein rotierendes Magnetfeld 34' erzeugt. Wie oben treten bei Aktivierung aller drei Statoren 20', 22', 24' die so erzeugten Magnetfelder 30', 32', 34' in Wechselwirkung, um ein komplexes, im wesentlichen spiralförmiges oder pseudospiralförmiges magnetomotorisches Feld 40 zu erzeugen. Das im wesentlichen spiralförmige magnetomotorische Feld 40 erzeugt eine elektromotorische Kraft, die auf beliebige elektrische Leiter in der magnetischen Mischkammer 14 einwirkt, so daß diese sowohl in axialer als auch in radialer Richtung in der gesamten Schmelze 11 in Zirkulation versetzt werden. Elektrische Leiter, auf die das spiralförmige magnetomotorische Feld 40 einwirkt, werden daher gründlich dispergiert. Die Konstruktion dieser Statorgruppe 12' bietet den Vorteil der direkten Induktion einer Zirkulation in Längsrichtung in beiden Enden des Mischvolumens 14, um eine vollständige Zirkulation des Gießmassebarrens 11 an den Enden des Mischvolumens 14 sicherzustellen.
Die 4A–4F veranschaulichen eingehender die Rührkräfte, die aus der Wechselwirkung der durch die vorliegende Erfindung erzeugten magnetischen Kräfte resultieren. Die 4A–4C sind ein Satz von vereinfachten schematischen Darstellungen der Kombination eines Rotations- oder Umfangsnmagnetfeldes 30 mit einem Longitudinal- oder Axialmagnetfeld zur Erzeugung eines resultierenden, im wesentlichen spiralförmigen Magnetfeldes 40. Das Rotationsmagnetfeld an sich erzeugt eine gewisse Zirkulation 42 aufgrund der Zentripetalkräfte, die gerührtes Material an die Behälterwände und nach unten drücken, aber dies reicht nicht aus, um eine gleichmäßige und vollständige Zirkulation zu erzeugen. Dies ist hauptsächlich auf Reibungskräfte zurückzuführen, die einen Strömungswiderstand an den Innenflächen des Mischbehälters 26 hervorrufen. Die Umfangsströmung, die durch das Rotationsmagnetfeld 30 hervorgerufen wird (hier als Kraft in Uhrzeigerrichtung dargestellt, kann aber auch als Kraft entgegen der Uhrzeigerrichtung gewählt werden) ist mit der Axialströmung gekoppelt, die durch das Longitudinalmagnetfeld 34 erzeugt wird (hier als nach unten gerichtete Kraft dargestellt, kann aber auch als nach oben gerichtete Kraft gewählt werden), um ein nach unten gerichtetes, im wesentlichen spiralförmiges Magnetfeld 40 zu erzeugen. Wenn sich das in der Nähe der Innenfläche des Mischbehälters 26 nach unten fließende geschmolzene Metall 11 dem Boden des Mischvolumens 14 nähert, wird es gezwungen, durch den Kernabschnitt 48 des Mischbehälters 26 (siehe die 4D–4F) zum oberen Ende des Mischvolumens 14 zurückzufließen, da die magnetomotorischen Kräfte, die eine Abwärtsströmung erzwingen, in unmittelbarer Nähe der Wände des Mischbehälters 26 stärker sind. Ebenso kann die Richtung des Longitudinalmagnetfelds 34 umgekehrt werden, um eine nach oben gerichtete Strömung des flüssigen Metalls mit einem nach unten gerichteten axialen Abschnitt zu erzeugen. Zu beachten ist, daß die Statorgruppe 12 so gesteuert werden kann, daß andere als spiralförmige effektive bzw. Netto-Magnetfelder erzeugt werden, und in der Tat so gesteuert werden kann, daß Magnetfelder mit praktisch jeder gewünschten Form erzeugt werden. Ebenso ist zu beachten, daß die Spiralform (oder irgendeine andere Form) des Magnetfelds durch irgendeine Statorgruppe erreicht werden kann, die mindestens einen an die Erzeugung eines Rotationsfeldes angepaßten Stator und mindestens einen an die Erzeugung eines Linearfeldes angepaßten Stator aufweist, indem die durch jeden Stator erzeugten Feldstärken und ihre Wechselwirkungen sorgfältig gesteuert werden.
Die 4D–4F zeigen schematisch die bevorzugten Strömungsbilder, die in einer magnetomotorisch gerührten Metallschmelze 11 in der im wesentlichen zylinderförmigen magnetischen Mischkammer oder dem Volumen 14 auftreten. Um die Darstellung zu erleichtern, ist das magnetische Mischvolumen 14 als gerader Kreiszylinder dargestellt; der Durchschnittsfachmann wird jedoch erkennen, daß dies lediglich eine bequeme Annäherung der Form des magnetomotorischen Kraftfeldes ist und daß die Stärke des Feldes keine Konstante in ihrem gesamten Volumen ist. Das magnetische Mischvolumen 14 kann man sich so vorstellen, daß es eine zylinderförmige äußere Schale 40 aufweist, die ein zylinderförmiges inneres Axialvolumen 48 gibt. Der nach unten gerichtete spvalförmige Abschnitt 54 des fließenden flüssigen Metalls 11 ist hauptsächlich in der zylinderförmigen äußeren Schale 46 eingeschlossen, während der nach oben gerichtete axiale Abschnitt 56 des fließenden flüssigen Metalls 11 hauptsächlich in dem zylinderförmigen inneren Axialvolumen 48 eingeschlossen ist.
Im allgemeinen wird eine thixotrope Metallschmelze 11 vorzugsweise schnell gerührt, um im wesentlichen das gesamte Volumen der Schmelze 11 gründlich zu durchmischen und darin hohe Scherkräfte zu erzeugen, um die Bildung von dendritischen Teilchen in der Schmelze 11 durch Einwirkung hoher Scherkräfte zu verhindern und die Entartung sich bildender dendritischer Teilchen zu kugelförmigen Teilchen zu bewirken. Durch das Rühren wird außerdem die Fließfähigkeit der halbfesten Metallschmelze erhöht und dadurch der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zwischen dem entstehenden halbfesten Gießmassebarren 11 und dem Mischbehälter 26 verbessert. Schnelles Rühren der niedrigviskosen Schmelze beschleunigt gewöhnlich auch den Temperaturausgleich und vermindert Temperaturgradienten in dem entstehenden halbfesten Gießmassebarren 11, wobei wiederum die gründlichere und effizientere Durchmischung des halbfesten Gießmassebarrens 11 von Vorteil ist.
Ferner wird mit zunehmender Viskosität der sich abkühlenden Schmelze/des entstehenden halbfesten Gießmassebarrens 11 vorzugsweise die Rührgeschwindigkeit vermindert, da der zunehmende Feststoffanteil (und dadurch die Viskosität) des Gießmassebarrens 11 ebenso die Scherkräfte erhöht, die zur Aufrechterhaltung einer hohen Rührgeschwindigkeit erforderlich sind, und die Durchmischung des hochviskosen Gießmassebarrens 11 durch Rühren mit hohem Drehmoment und niedriger Geschwindigkeit wünschenswert ist (da das magnetische Rühren mit niedriger Geschwindigkeit durch Anwendung tiefer eindringender niederfrequenter Schwingungen hervorgerufen wird.) Die Rührgeschwindigkeit kann zweckdienlich als Funktion der Viskosität der Schmelze (oder als Funktion eines mit der Viskosität gekoppelten Parameters, wie z.B. der Temperatur der Schmelze oder der zum Rühren der Schmelze erforderlichen Leistung) gesteuert werden, wobei mit ansteigender Viskosität der sich abkühlenden Schmelze 11 die Rührgeschwindigkeit entsprechend einer vorgegebenen Beziehung oder Funktion abnimmt.
Im Betrieb wird eine Menge schmelzflüssiges Metall (d.h. ein Gießmassebarren) 11 in den Mischbehälter 26 gegossen, der innerhalb des Mischvolumens 14 angeordnet ist. Die Statorgruppe 12 wird aktiviert, um ein magnetomotorisches Feld 40 innerhalb der magnetischen Mischkammer 14 zu erzeugen. Das magnetomotorische Feld 40 ist vorzugsweise im wesentlichen spiralförmig, kann aber in jede gewünschte Form und/oder Richtung gebracht werden. Die Statorgruppe 12 wird im wesentlichen so betrieben und ist so konfiguriert, daß das dadurch erzeugte magnetomotorische Feld ausreichend leistungsfähig ist, um im wesentlichen den gesamten Gießmassebarren 11 zu durchdringen und eine schnelle Zirkulation im gesamten Gießmassebarren 11 zu induzieren. Während der Gießmassebarren 11 gerührt wird, wird seine Temperatur in seinem gesamten Volumen weitgehend ausgeglichen, so daß Temperaturgradienten im gesamten Gießmassebarren 11 minimiert werden. Durch die Homogenisierung der Temperatur im gesamten Gießmassebarren 11 werden ebenso die Viskosität des Barrens und die Größe und Verteilung darin entstehender Festphasenteilchen homogenisiert.
Der Gießmassebarren 11 wird durch Wärmeübertragung mittels Kontakt mit dem Mischbehälter 26 abgekühlt. Vorzugsweise wird eine schnelle und gleichmäßige Rührgeschwindigkeit aufrechterhalten, um eine gleichmäßige und im wesentlichen homogene Abkühlung des Gießmassebarrens 11 zu erleichtern. Während der Gießmassebarren 11 abkühlt, nehmen Größe und Anzahl der darin enthaltenen Festphasenteilchen zu, ebenso wie die Viskosität des barrens und der Betrag der Scherkraft, die zum Rühren des Gießmassebarrens 11 erforderlich ist. Während sich der Gießmassebarren 11 abkühlt und seine Viskosität zunimmt, wird das magnetomotorische Kraftfeld 14 entsprechend einer vorgegebenen Beziehung zwischen der Viskosität des Gießmassebarrens (oder der Schmelze) und der gewünschten Rührgeschwindigkeit reguliert.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, eines magnetomotorischen Rührsystems 10A zum Rühren von thixotropen Metallschmelzen einschließlich einer elektronischen Steuereinrichtung 58, die mit einem ersten Stator 20, einem zweiten Stator 22 und einem dritten Stator 24 elektrisch verbunden ist. Eine erste Stromversorgung 60, eine zweite Stromversorgung 62 und eine dritte Stromversorgung 64 sind mit dem ersten, dem zweiten bzw. dem dritten Stator 20, 22, 24 sowie mit der elektronischen Steuereinrichtung 58 elektrisch verbunden. Ein erstes Voltmeter 70, ein zweites Voltmeter 72 und ein drittes Voltmeter 74 sind gleichfalls mit den Stromversorgungen 60, 62 bzw. 64 und mit der elektronischen Steuereinrichtung 58 elektrisch verbunden.
Im Betrieb liefern die Stromversorgungen 60, 62, 64 Strom an die entsprechenden Statoren 20, 22, 24, um das resultierende, im wesentlichen spiralförmige Magnetfeld 40 zu erzeugen. Die elektronische Steuereinrichtung 58 ist so programmiert, daß sie Steuersignale an die entsprechenden Statoren 20, 22, 24 sendet (über die Stromversorgungen 60, 62, bzw. 64) und Signale von den Voltmetern 70, 72 bzw. 74 empfängt, welche die Spannungen betreffen, die von den Stromversorgungen 60, 62, 64 bereitgestellt werden. Die elektronische Steuereinrichtung 58 ist ferner so programmiert, daß sie die von den Voltmetern 70, 72, 74 empfangenen Signale mit den Scherkräften in der Schmelze/im Gießmassebarren 11 korreliert, um die Viskosität des sich bildenden halbfesten Gießmassebarrens 11 zu berechnen und die Statoren 20, 22, 24 so zu steuern, daß die Stärke des im wesentlichen spiralförmigen Magnetfelds 40 vermindert wird, um mit ansteigender Viskosität des Gießmassebarrens 11 die Rührgeschwindigkeit zu verlangsamen. Alternativ kann ein Rückkopplungssignal, das sich auf die Temperatur oder Viskosität des schmelzflüssigen Metalls 11 bezieht, benutzt werden, um ein Steuersignal zur Steuerung der Statorgruppe 12 an die elektronische Steuereinrichtung 58 zu übermitteln.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein magnetomotorisches Rührsystem 10B zum Rühren einer thixotropen Metallschmelze 11, die in einem Mischbehälter 26 enthalten ist, wobei das System eine elektronische Steuerung 58 aufweist, die mit einem ersten Stator 20, einem zweiten Stator 22 und einem dritten Stator 24 elektrisch verbunden ist. Die elektronische Steuereinrichtung 58 ist außerdem mit einem oder mehreren Temperaturfühlern 80, 82 elektrisch verbunden, wie z.B. einem optischen Pyrometer 80, das so angeordnet ist, daß es die Metallschmelze 11 optisch abtastet, oder einem Satz von Thermoelementen 82, die so angeordnet sind, daß sie die Temperatur der Metallschmelze 11 an verschiedenen Punkten innerhalb des Mischbehälters 26 erfassen.
Im Betrieb wird die elektronische Steuereinrichtung 58 so programmiert, daß sie Steuersignale an die entsprechenden Statoren 20, 22, 24 sendet (über einen oder mehrere, nicht dargestellte Stromversorgungsteile) und Signale von dem (den) Temperaturfühler(n) 80, 82 empfängt, die sich auf die Temperatur der sich abkühlenden Metallschmelze/des entstehenden halbfesten Gießmassebarrens 11 beziehen. Die elektronische Steuereinrichtung 58 ist ferner so programmiert, daß sie die Temperatur der Metallschmelze/des Gießmassebarrens 11 mit einer vorgegebenen gewünschten Rührgeschwindigkeit korreliert (die auf einer bekannten Beziehung zwischen der Viskosität der Schmelze und der Temperatur für eine gegebene Metallzusammensetzung basiert) und die Statoren 20, 22, 24 so steuert, daß die Stärke des im wesentlichen spiralförmigen Magnetfelds 40 verändert wird, um die Rührgeschwindigkeit als Funktion der Temperatur des Gießmassebarrens 11 zu steuern. Mit anderen Worten, die elektronische Steuereinrichtung 58 ist so angepaßt, daß sie mit abnehmender Temperatur des Gießmassebarrens 11 die Statoren 20, 22, 24 steuert, um die Rührgeschwindigkeit des Gießmassebarrens 11 zu regulieren.
Es werden weitere Ausführungsformen in Betracht gezogen, wobei die Statorbaugruppe einen einzigen Stator aufweist, der ein komplexes spiralförmiges magnetomotorisches Kraftfeld erzeugen kann. Weitere in Betracht gezogene Ausführungsformen enthalten eine einzige Stromversorgung, die so angepaßt ist, daß sie die Statorbaugruppe speist.
Die Erfindung ist zwar in den Zeichnungen und in der vorstehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben worden, dieselben aber sind ihrem Charakter nach als erläuternd und nicht als einschränkend anzusehen, wobei es sich versteht, daß nur die bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben worden ist und daß alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen und in den beigefügten Patentanschriften definiert sind, geschützt werden sollen.

Claims

Vorrichtung zum magnetischen Rühren eines fließfähigen Materials (11), die aufweist: einen Mischbehälter (26) für das Aufnehmen einer Menge des fließfähigen Materials (11); und mindestens einen Magnetfeldgenerator (10), der benachbart dem Mischbehälter (26) angeordnet und so ausgeführt ist, daß ein Magnetfeld (40) mit einer Rotationskomponente (30, 32, 30', 32') und einer axialen Komponente (34, 34') erzeugt wird; und dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldgenerator (10) aufweist: einen ersten Statortyp, der so ausgeführt ist, daß er die Rotationskomponente (30, 32, 30', 32') des Magnetfeldes (40) erzeugt; und einen zweiten Statortyp, der so ausgeführt ist, daß er die axiale Komponente (34, 34') des Magnetfeldes (40) erzeugt, wobei der erste und der zweite Statortyp axial längs des Mischbehälters (26) in einer gestapelten Konfiguration so angeordnet sind, daß die Rotations- und axiale Komponente des Magnetfeldes (40) auf die Menge des fließfähigen Materials (11) wirken, um die Menge des fließfähigen Materials (11) innerhalb des Mischbehälters (26) zu rühren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste und der zweite Statortyp zusammenwirken, um ein im wesentlichen spiralförmiges Strömungsbild innerhalb des fließfähigen Materials (11) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das fließfähige Material (11) eine Metall-Legierung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das fließfähige Material (11) ein Slurry-Strang ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Magnetfeldgenerator (10) eine im wesentlichen zylindrische Konfiguration aufweist, die sich um den Mischbehälter (26) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Mischbehälter (26) eine Seitenwand, einen geschlossenen Boden und eine offene Oberseite für das Aufnehmen einer ausgewählten Menge des fließfähigen Materials (11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste und der zweite Statortyp axial in einer abwechselnden Weise längs des Mischbehälters (26) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Magnetfeldgenerator (10) ein Paar des ersten Statortyps aufweist, wobei mindestens einer des zweiten Statortyps zwischen dem Paar des ersten Statortyps angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der ein jeder des ersten und zweiten Statortyps eine Ringform aufweist und relativ zueinander gestapelt sind, um eine im wesentlichen zylindrische Konfiguration zu definieren, die sich um den Mischbehälter (26) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Magnetfeldgenerator ein Paar des zweiten Statortyps aufweist, wobei mindestens einer des ersten Statortyps zwischen dem Paar des zweiten Statortyps angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der ein jeder des ersten und zweiten Statortyps eine Ringform aufweist und relativ zueinander gestapelt sind, um eine im wesentlichen zylindrische Konfiguration zu definieren, die sich um den Mischbehälter (26) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der mindestens eine Magnetfeldgenerator (10) mindestens drei Statoren des ersten und zweiten Statortyps aufweist, wobei ein jeder der mindestens drei Statoren eine Ringform aufweist, die eine im wesentlichen zylindrische Konfiguration definiert, die sich um den Mischbehälter (26) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem aufweist: eine Energiequelle (60, 62, 64), die so ausgeführt ist, daß sie mindestens einem Magnetfeldgenerator (10) Energie mit einer Spannung zuführt; und einen elektronischen Regler (58), der funktionell mit der Energiequelle (60, 62, 64) verbunden und so ausgeführt ist, daß die Spannung überwacht wird, und daß die Energiequelle (60, 62, 64) als Reaktion auf eine Änderung der Spannung entsprechend eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem aufweist: eine Energiequelle (60, 62, 64), die so ausgeführt ist, daß sie mindestens einem Magnetfeldgenerator (10) Energie zuführt; und einen elektronischen Regler (58), der funktionell mit der Energiequelle (60, 62, 64) verbunden und so ausgeführt ist, daß eine Temperatur des fließfähigen Materials (11) überwacht wird, und daß die Energiequelle (60, 62, 64) als Reaktion auf eine Änderung der Temperatur entsprechend eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem aufweist: eine Energiequelle (60, 62, 64), die so ausgeführt ist, daß sie mindestens einem Magnetfeldgenerator (10) Energie zuführt; und einen elektronischen Regler (58), der funktionell mit der Energiequelle (60, 62, 64) verbunden und so ausgeführt ist, daß die Energiequelle (60, 62, 64) als Reaktion auf eine Änderung der Viskosität des fließfähigen Materials (11) eingestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das fließfähige Material (11) mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als Reaktion auf eine Erhöhung der Viskosität gerührt wird.