EP3622782A1 - Vorrichtung und verfahren zum schwebeschmelzen mit gekippt angeordneten induktionseinheiten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum schwebeschmelzen mit gekippt angeordneten induktionseinheiten

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EP3622782A1
EP3622782A1 EP19739555.1A EP19739555A EP3622782A1 EP 3622782 A1 EP3622782 A1 EP 3622782A1 EP 19739555 A EP19739555 A EP 19739555A EP 3622782 A1 EP3622782 A1 EP 3622782A1
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EP
European Patent Office
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induction coils
melting
batch
induction
coils
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EP19739555.1A
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EP3622782B1 (de
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Sergejs SPITANS
Henrik Franz
Björn SEHRING
Markus Holz
Andreas KRIEGER
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ALD Vacuum Technologies GmbH
Original Assignee
ALD Vacuum Technologies GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05B6/24—Crucible furnaces
    • H05B6/26—Crucible furnaces using vacuum or particular gas atmosphere

Definitions

  • This invention relates to a levitation melting method and a device for producing castings with induction units arranged in a tilted manner.
  • induction units are used in which the respective opposite ferrite poles with the induction coils are not configured lying in one plane, but tilted at a certain angle to the levitation plane. In this way, an increase in the efficiency of the induced magnetic field for melting the batches can be achieved in the induction units.
  • the tilted arrangement increases the proportion of the induced magnetic field that effectively contributes to the holding force of the field for levitation of the melt.
  • US 2,686,864 A also describes a method in which a conductive melting material z. B. is suspended in a vacuum under the influence of one or more coils without the use of a crucible. In one embodiment, two coaxial coils are used to stabilize the material in suspension. After melting, the material is dropped or poured into a mold. The process described there made it possible to hold a 60 g portion of aluminum in suspension.
  • the molten metal is removed by reducing the field strength so that the melt escapes downwards through the tapered coil. If the field strength is reduced very quickly, the metal falls out of the device in the molten state. It has already been recognized that the “weak spot” of such coil arrangements lies in the middle of the coils, so that the amount of material that can be melted in this way is limited.
  • US 4,578,552 A also discloses an apparatus and a method for levitation melting.
  • the same coil is used both for heating and for holding the melt, the frequency of the alternating current applied being varied to regulate the heating power, while the current strength is kept constant.
  • the particular advantages of suspension melting are that contamination of the melt by a crucible material or other materials that are in contact with the melt in other processes is avoided.
  • the reaction of a reactive melt, for example of titanium alloys, with the crucible material is excluded, which would otherwise force ceramic crucibles to escape onto copper crucibles operated using the cold crucible method.
  • the floating melt is only in contact with the surrounding atmosphere, which is e.g. B. can be vacuum or protective gas. Because there is no fear of a chemical reaction with a crucible material, the melt can also be heated to very high temperatures.
  • the Lorentz force of the coil field must compensate for the weight of the batch in order to be able to keep it in suspension. It pushes the batch up out of the coil field.
  • the aim is usually to reduce the distance between the opposing ferrite poles. The reduction in distance allows the same magnetic field that is required to hold a certain melt weight to be generated with a lower voltage. In this way, the holding efficiency of the system can be improved so that a larger batch can be levitated.
  • the process should allow the use of larger batches by improving the efficiency of the coil field.
  • it should enable high throughput due to shorter cycle times, while ensuring that the casting process continues safely without contact of the melt with the coils or their poles.
  • the object is achieved by the method according to the invention and the device according to the invention.
  • a method for the production of castings from an electrically conductive material in the levitation melting method whereby to bring about the levitation of a batch, alternating electromagnetic fields are used, which are generated with at least one pair of opposite induction coils with a core made of a ferromagnetic material, comprising the following steps :
  • the volume of the molten batch is preferably sufficient to fill the mold to an extent sufficient for the production of a cast body (“filling volume”). After the casting mold has been filled, it is left to cool or cooled with coolant, so that the material solidifies in the mold. The cast body can then be removed from the mold.
  • a “conductive material” is understood to mean a material which has a suitable conductivity in order to inductively heat the material and keep it in suspension.
  • a “floating state” is understood to mean a state of complete floating, so that the treated batch has no contact with a crucible or a platform or the like.
  • ferrite pole is used synonymously with the term “core made of a ferromagnetic material” in the context of this application.
  • coil and “induction coil” are used synonymously next to each other.
  • the longitudinal axes of the induction coils with their cores in at least one pair are not arranged within a horizontal plane.
  • the induction coils are arranged tilted downward from the level of the levitation.
  • the angle ⁇ between the longitudinal axes of the induction coils with their cores and the horizontal plane in at least one pair is in each case 0 ° ⁇ ⁇ 60 °, particularly preferably
  • the magnetic flux is identical in the absence of a charge in the magnetic field above and below the plane.
  • the magnetic flux below the level makes almost no contribution to the holding force of the magnetic field when levitating a batch.
  • the L-shaped arrangement of the coil axes according to the invention makes it possible to increase the holding force of the field, since this increases the magnetic flux above the plane.
  • the induction coils and / or their cores made of a ferromagnetic material have, at least in part, a frustoconical or conical shape. see form.
  • the special conical shape of the ferrite cores is designed in such a way that the concentration of the magnetic field in the space between the opposing pairs of coils is maximized, but the material still remains far from saturation.
  • a ferromagnetic element (ferrite ring), which is arranged around the cores of ferromagnetic material and is described in more detail below, separates the magnetic flux, which would otherwise reduce the magnetic field in the intermediate space.
  • the induction coils are arranged in pairs, which are operated at the same frequency and generate a magnetic field in the same direction. In their conical shape, they are optimized in the same way as the poles, on the one hand to minimize joule heat losses in order to achieve an increase in efficiency. On the other hand, they are designed for an optimal distribution of the magnetic field below the melt, which ensures levitation, and of the magnetic fields above and to the side of the melt, which counteract levitation but ensure the shape stability of the melt.
  • the induction coils can also be positioned closer to each other so that the distance between the opposite poles becomes smaller, which leads to a further increase in the magnetic field induction on the underside of the levitating charge and thus to a more efficient melting process.
  • the induction coils with their cores in a particularly preferred embodiment variant are each movably supported in at least one pair.
  • the coils of a pair preferably move in opposite directions in a centrosymmetric manner around the center of the induction coil arrangement.
  • the coils are pushed together in the melting position. If the batch has melted and is to be poured into the casting mold, the coils are not simply switched off or the current level is reduced, as is customary in the prior art, but are moved according to the invention to a casting position. This increases the distance between the coils, which on the one hand increases the free passage knife for the melt on its way into the mold and on the other hand continuously and controlledly reduces the load-bearing capacity of the induced magnetic field. In this way, the melt is safely kept away from the induction coils and their cores as they pass through the coil plane and only slowly passes into the case because the field is already weakened in the center, but is still strong enough at the coils to meet the requirements To prevent contact. This prevents contamination of the coils and ensures a clean cast in the mold without splashing.
  • the motion vectors of the induction coils in the induction coil pairs are not identical to their longitudinal axes.
  • the coils are not separated from one another along their longitudinal axis, but rather the tilted coils are displaced within the horizontal.
  • the magnetic field level for levitation remains in the same vertical position even when the batch is poured.
  • the current intensity in these induction coils is reduced simultaneously with the movement of the induction coils in the induction coil pairs from the melting position into the casting position. This makes it possible to reduce the displacement of the induction coils, since the induced magnetic field is no longer reduced only by the greater distance of the induction coils. However, it is important to ensure that the reduction in the current intensity is coordinated with the shifting of the coils in such a way that the field strength is always sufficiently high to be able to keep the melt away from the coils.
  • the distance between the induction coils in the induction coil pairs from the melting position to the casting position is increased by 5-100 mm, preferably 10-50 mm.
  • the batch weights for which the system is to be designed and the size of the minimum distance between the coils and the field strength that can be generated with them must be taken into account.
  • the electrically conductive material used according to the invention has at least one high-melting metal from the following group: titanium, zirconium, vanadium, tantalum, tungsten, hafnium, niobium, rhenium, molybdenum.
  • a less high-melting metal such as nickel, iron or aluminum can also be used.
  • a mixture or alloy with one or more of the aforementioned metals can also be used as the conductive material.
  • the metal preferably has a proportion of at least 50% by weight, in particular at least 60% by weight or at least 70% by weight, of the conductive material. It has been shown that these metals are particularly advantageous benefit from the present invention.
  • the conductive material is titanium or a titanium alloy, in particular TiAl or TiAIV.
  • metals or alloys can be processed particularly advantageously, since they have a pronounced dependence of the viscosity on the temperature and, moreover, are particularly reactive, in particular with regard to the materials of the casting mold. Since the method according to the invention combines contactless melting in suspension with extremely rapid filling of the casting mold, a particular advantage can be realized for such metals.
  • the process according to the invention can be used to produce cast bodies which have a particularly thin or even no oxide layer from the reaction of the melt with the material of the mold. And in the case of the high-melting metals in particular, the improved utilization of the induced eddy current and the exorbitant reduction in heat losses due to thermal contact have a noticeable effect on the cycle times. Furthermore, the load capacity of the magnetic field generated can be increased, so that even heavier batches can be kept in suspension.
  • the conductive material is superheated during melting to a temperature which is at least 10 ° C., at least 20 ° C. or at least 30 ° C. above the melting point of the material. Overheating prevents the material from instantaneously solidifying when it comes into contact with the mold, whose temperature is below the melting temperature. It is achieved that the batch can be distributed in the mold before the viscosity of the material becomes too high. It is an advantage of levitation melting that there is no need to use a crucible that is in contact with the melt. The high loss of material from the cold crucible process on the crucible wall is avoided, as is contamination of the melt by crucible components.
  • the melt can be heated to a relatively high degree, since it can be operated in a vacuum or under protective gas and there is no contact with reactive materials.
  • the overheating is therefore preferably limited to a maximum of 300 ° C., in particular a maximum of 200 ° C. and particularly preferably a maximum of 100 ° C. above the melting point of the conductive material.
  • At least one ferromagnetic element is arranged horizontally around the area in which the batch is melted in order to concentrate the magnetic field and stabilize the batch.
  • the ferromagnetic element can be arranged in a ring around the melting area, whereby “ring-shaped” means not only circular elements, but also angular, in particular quadrangular or polygonal ring elements.
  • the ring elements are divided into sub-segments according to the number of coils, between which the respective induction coils with their poles move in a form-fitting manner.
  • the ferromagnetic element can furthermore have a plurality of rod sections which, in particular, project horizontally in the direction of the melting region.
  • the ferromagnetic element consists of a ferromagnetic material, preferably with an amplitude permeability of m 3 > 10, more preferably m 3 > 50 and particularly preferably m 3 > 100.
  • the amplitude permeability relates in particular to the permeability in a temperature range between 25 ° C. and 150 ° C and with a magnetic flux density between 0 and 500 mT.
  • the amplitude permeability is in particular at least one hundredth, in particular at least 10 hundredth or 25 hundredths of the amplitude permeability of soft magnetic ferrite (for example 3C92). Suitable materials are known to the person skilled in the art.
  • a device for levitation melting of an electrically conductive material comprising at least a pair of opposing induction coils with a core made of a ferromagnetic material to bring about the levitation of a charge by means of alternating electromagnetic fields, the longitudinal axes of the induction coils with their cores in at least one pair are not arranged within a horizontal plane.
  • Figure 1 is a side sectional view of a mold below a melting area with ferromagnetic material, coils and a batch of conductive material.
  • Figure 2 is a side sectional view of tilted coils.
  • FIG. 3 is a sectional side view of an embodiment variant with frustoconical induction coils and poles.
  • Figure 4 is a top view of the coil assembly of Figure 3.
  • Figure 5 is a side perspective view of the coil assembly of Figure 3.
  • FIG. 1 shows a batch (1) made of conductive material, which is located in the area of influence of alternating electromagnetic fields (melting area), which are generated with the aid of the coils (3). Below the batch (1) there is an empty mold (2) by a holder (5) is kept in the filling area.
  • the casting mold (2) has a funnel-shaped filling section
  • the holder (5) is suitable for lifting the casting mold (2) from a feed position into a casting position, which is symbolized by the arrow shown.
  • a ferromagnetic material (4) is arranged in the core of the coils (3).
  • the axes of the pair of coils shown in dotted lines in the drawing are tilted downwards in relation to the horizontal plane of levitation, two opposing coils (3) forming a pair.
  • FIG. 2 shows a side sectional view analogous to FIG. 1 of coils (3) arranged in a tilted manner with their cores made of the ferromagnetic material (4).
  • the horizontal plane is shown in dashed lines and the angles ⁇ are marked by which the dotted longitudinal axes of the coils (3) are tilted out of the horizontal plane.
  • FIG. 3 shows a side sectional view of an embodiment variant with frusto-conical coils and poles shown in black.
  • the section plane runs centrally through the longitudinal axis of a pair of coils.
  • the induction coils (3) and their cores made of a ferromagnetic material (4) are each frustoconical in shape and surrounded by a ferrite ring.
  • the induction coils (3) are designed as waveguides, which additionally offers the option of internal cooling using a cooling fluid.
  • the longitudinal axes of the poles and coils tilted towards the levitation plane are clearly visible.
  • FIG. 4 and FIG. 5 show the coil arrangement from FIG. 3 in a top view or a side perspective view.
  • the arrangement consists of two pairs of coils, which are oriented at 90 ° to each other.
  • the induction coils (3) are mounted with their cores made of a ferromagnetic material (4) in a form-fit, movable manner between four ferrite ring segments, so that an octagonal ferromagnetic element is formed and they can be moved between a closely spaced melting position and a widely spaced casting position.
  • Figures 4 and 5 both show the melting position of the coils.
  • the displacement path of the coils between the inside of the ring and the outside of the ring can be clearly seen, in particular in FIG. LIST OF REFERENCES

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern mit gekippt angeordneten Induktionseinheiten. Bei dem Verfahren werden Induktionseinheiten eingesetzt, bei denen die jeweils gegenüberliegenden Ferritpole mit den Induktionsspulen nicht in einer Ebene liegend ausgestaltet sind, sondern in einem bestimmten Winkel gekippt zur Levitationsebene. So kann bei den Induktionseinheiten eine Effizienzsteigerung des induzierten Magnetfelds zum Aufschmelzen der Chargen erzielt werden. Durch die gekippte Anordnung wird der Anteil des induzierten Magnetfelds, der effektiv zur Haltekraft des Felds für die Levitation der Schmelze beiträgt, vergrößert.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Schwebeschmelzen mit gekippt angeordneten Induktionseinheiten
Diese Erfindung betrifft ein Schwebeschmelzverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Gusskörpern mit gekippt angeordneten Induktionseinheiten. Bei dem Verfahren werden Indukti onseinheiten eingesetzt, bei denen die jeweils gegenüberliegenden Ferritpole mit den Indukti onsspulen nicht in einer Ebene liegend ausgestaltet sind, sondern in einem bestimmten Winkel gekippt zur Levitationsebene. So kann bei den Induktionseinheiten eine Effizienzsteigerung des induzierten Magnetfelds zum Aufschmelzen der Chargen erzielt werden. Durch die gekippte Anordnung wird der Anteil des induzierten Magnetfelds, der effektiv zur Haltekraft des Felds für die Levitation der Schmelze beiträgt, vergrößert.
Stand der Technik
Schwebeschmelzverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart bereits DE 422 004 A ein Schmelzverfahren, bei dem das leitfähige Schmelzgut durch induktive Ströme erhitzt und gleichzeitig durch elektrodynamische Wirkung frei schwebend erhalten wird. Dort wird auch ein Gießverfahren beschrieben, bei dem das geschmolzene Gut vermittelt durch ei- nen Magneten in eine Form gedrückt wird (elektrodynamischer Pressguss). Das Verfahren kann im Vakuum durchgeführt werden.
US 2,686,864 A beschreibt ebenfalls ein Verfahren, bei dem ein leitfähiges Schmelzgut z. B. in einem Vakuum unter dem Einfluss von einer oder mehreren Spulen ohne die Verwendung ei- nes Tiegels in einen Schwebezustand versetzt wird. In einer Ausführungsform werden zwei ko- axiale Spulen verwendet, um das Material in der Schwebe zu stabilisieren. Nach erfolgter Schmelze wird das Material in eine Form fallen gelassen bzw. abgegossen. Mit dem dort be- schriebenen Verfahren ließ sich eine 60 g schwere Aluminiumportion in der Schwebe halten.
Die Entnahme des geschmolzenen Metalls erfolgt durch Reduktion der Feldstärke, so dass die Schmelze nach unten durch die konisch zulaufende Spule entweicht. Wird die Feldstärke sehr schnell reduziert, fällt das Metall in geschmolzenem Zustand aus der Vorrichtung. Es wurde bereits erkannt, dass der„weak spot“ solcher Spulenanordnungen in der Mitte der Spulen liegt, so dass die Menge an Material, die so geschmolzen werden kann, begrenzt ist.
Auch US 4,578,552 A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schwebeschmelzen.
Es wird dieselbe Spule sowohl zum Heizen als auch zum Halten der Schmelze verwendet, da- bei wird die Frequenz des angelegten Wechselstroms zur Regelung der Heizleistung variiert, während die Stromstärke konstant gehalten wird. Die besonderen Vorteile des Schwebeschmelzens bestehen darin, dass eine Verunreinigung der Schmelze durch ein Tiegelmaterial oder andere Materialien, die bei anderen Verfahren in Kontakt mit der Schmelze stehen, vermieden wird. Ebenso wird die Reaktion einer reaktiven Schmelze, beispielsweise von Titanlegierungen, mit dem Tiegelmaterial ausgeschlossen, die sonst zum Ausweichen von Keramiktiegeln auf im Kalttiegelverfahren betriebene Kupfertiegel zwingt. Die schwebende Schmelze steht nur in Kontakt zu der sie umgebenden Atmosphäre, bei der es sich z. B. um Vakuum oder Schutzgas handeln kann. Dadurch, dass eine chemische Reaktion mit einem Tiegelmaterial nicht zu befürchten ist, kann die Schmelze auch auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden. Im Gegensatz zum Kalttiegelschmelzen besteht dabei zu- dem nicht das Problem, dass dessen Effektivität sehr gering ist, weil nahezu die gesamte Ener- gie, die in die Schmelze eingebracht wird, in die gekühlte Tiegelwand abgeleitet wird, was zu einem sehr langsamen Temperaturanstieg bei großem Leistungseintrag führt. Beim Schwebe- schmelzen sind die einzigen Verluste durch die Strahlung und das Verdampfen, welche im Ver- gleich zur thermischen Leitung beim Kalttiegel erheblich geringer sind. Somit wird bei geringe- rem Leistungseintrag eine größere Überhitzung der Schmelze in auch noch kürzerer Zeit er- reicht.
Darüber hinaus wird, insbesondere im Vergleich zur Schmelze im Kalttiegel, der Ausschuss an kontaminiertem Material beim Schwebeschmelzen verringert. Dennoch hat sich das Schwebe- schmelzen in der Praxis nicht durchgesetzt. Der Grund dafür ist, dass beim Schwebeschmelz- verfahren nur eine verhältnismäßig kleine Menge an geschmolzenem Material in der Schwebe gehalten werden kann (vgl. DE 696 17 103 T2, Seite 2, Absatz 1 ).
Ferner muss zur Durchführung eines Schwebeschmelzverfahrens die Lorentz Kraft des Spulen- felds die Gewichtskraft der Charge kompensieren, um diese in der Schwebe halten zu können. Sie drückt die Charge dabei nach oben aus dem Spulenfeld heraus. Zur Erhöhung der Effizienz des erzeugten Magnetfelds wird üblicherweise eine Verringerung des Abstands der entgegen- gesetzten Ferritpole angestrebt. Die Abstandsverringerung erlaubt es, mit geringerer Spannung dasselbe Magnetfeld zu generieren, das zum Halten eines bestimmten Schmelzegewichts be- nötigt wird. Auf diese Weise kann die Halteeffizienz der Anlage verbessert werden, um so eine größere Charge levitieren lassen zu können.
Je geringer der Abstand der Ferritpole wird, desto größer ist das induzierte Magnetfeld. Aller- dings steigt mit sinkendem Abstand auch die Gefahr der Verunreinigung der Ferritpole und der Induktionsspulen mit der Schmelze, da die Feldstärke für den Abguss reduziert werden muss. Hierbei verringert sich jedoch nicht nur die Haltekraft in vertikaler Richtung, sondern auch die in horizontaler Richtung. Dadurch kommt es zu einer horizontalen Ausdehnung der leicht oberhalb des Spulenfelds levitierenden Schmelze, was es extrem schwierig macht, diese ohne Berüh- rung durch den engen Spalt zwischen den Ferritpolen hindurch in die darunter positionierte Gussform fallen zu lassen. Daher ist der Erhöhung der Tragkraft des Spulenfelds durch Verrin- gern des Abstands der Ferritpole eine praktische Grenze gesetzt, die durch die Kontaktwahr- scheinlichkeit bestimmt wird.
Die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren lassen sich wie folgt zu- sammenfassen. Vollschwebeschmelzverfahren lassen sich nur mit kleinen Materialmengen durchführen, so dass eine industrielle Anwendung bisher noch nicht erfolgt ist. Ferner gestaltet sich das Abgießen in Gussformen schwierig für den Fall, dass die Effizienz des Spulenfelds bei der Erzeugung von Wirbelströmen durch eine Verringerung des Abstands der Ferritpole erhöht werden soll.
Aufgabe
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, die einen wirtschaftlichen Einsatz des Schwebeschmelzens ermöglichen. Insbeson- dere sollte das Verfahren durch eine verbesserte Effizienz des Spulenfelds den Einsatz größe- rer Chargen erlauben. Daneben soll es einen hohen Durchsatz durch verkürzte Zykluszeiten ermöglichen, wobei gewährleistet bleibt, dass der Abgussvorgang weiterhin sicher ohne Kontakt der Schmelze zu den Spulen oder deren Polen erfolgt.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrich- tung gelöst. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus einem elektrisch leitfähigen Material im Schwebeschmelzverfahren, wobei zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge elektromagnetische Wechselfelder eingesetzt werden, die mit wenigstens einem Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material erzeugt werden, umfassend die folgenden Schritte:
- Einbringen einer Charge eines Ausgangsmaterials in den Einflussbereich wenigstens ei- nes elektromagnetischen Wechselfelds, so dass die Charge in einem Schwebezustand gehalten wird,
- Schmelzen der Charge,
- Positionieren einer Gussform in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Charge,
Abguss der gesamten Charge in die Gussform, Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform, wobei die Längsachsen der Induktionsspulen (3) mit ihren Kernen (4) in mindestens einem Paar nicht innerhalb einer horizontalen Ebene angeordnet sind.
Das Volumen der geschmolzenen Charge ist dabei vorzugsweise ausreichend, um die Guss- form in einem für die Herstellung eines Gusskörpers ausreichenden Maße zu füllen („Füllvolu- men“). Nach dem Befüllen der Gussform wird diese abkühlen gelassen oder mit Kühlmittel ab- gekühlt, so dass das Material in der Form erstarrt. Danach kann der Gusskörper aus der Form entnommen werden.
Unter einem„leitfähigen Material“ wird erfindungsgemäß ein Material verstanden, das eine ge- eignete Leitfähigkeit aufweist, um das Material induktiv zu erhitzen und in der Schwebe zu hal- ten.
Unter einem„Schwebezustand“ wird erfindungsgemäß ein Zustand des vollständigen Schwe- bens verstanden, so dass die behandelte Charge keinerlei Kontakt zu einem Tiegel oder einer Plattform oder dergleichen hat.
Die Bezeichnung "Ferritpol" wird im Rahmen dieser Anmeldung synonym mit dem Begriff "Kern aus einem ferromagnetischen Material" verwendet. Ebenso werden die Begriffe "Spule" und "Induktionsspule" gleichbedeutend nebeneinander gebraucht.
Erfindungsgemäß sind die Längsachsen der Induktionsspulen mit ihren Kernen in mindestens einem Paar nicht innerhalb einer horizontalen Ebene angeordnet. Die Induktionsspulen sind in diesem Fall nach unten aus der Ebene der Levitation gekippt angeordnet. Vorzugsweise beträgt der Winkel ß zwischen den Längsachsen der Induktionsspulen mit ihren Kernen und der hori zontalen Ebene in mindestens einem Paar jeweils 0° < ß < 60°, besonders bevorzugt
10° < ß < 45°.
Bei der üblichen Ausrichtung der Achsen der Induktionsspulen in einer gemeinsamen horizonta- len Ebene ist der magnetische Fluss in Abwesenheit einer Charge im Magnetfeld oberhalb und unterhalb der Ebene identisch. Der magnetische Fluss unterhalb der Ebene leistet jedoch na- hezu keinen Beitrag zur Haltekraft des Magnetfelds bei der Levitation einer Charge. Durch die erfindungsgemäße L-förmige Anordnung der Spulenachsen gelingt es, die Haltekraft des Felds zu erhöhen, da dadurch der magnetische Fluss oberhalb der Ebene verstärkt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante weisen die Induktionsspulen und/oder ihre Kerne aus einem ferromagnetischen Material zumindest in Teilen eine kegelstumpfförmige oder koni- sehe Form auf. Die spezielle konische Form der Ferritkerne ist dabei derart gestaltet, dass die Konzentration des magnetischen Felds in dem Zwischenraum zwischen den gegenüberliegen- den Spulenpaaren maximiert wird, wobei das Material jedoch noch weit von der Sättigung ent- fernt bleibt. Ein außen um die Kerne aus ferromagnetischen Material angeordnetes ferromagne- tisches Element (Ferritring), das weiter unten noch näher beschrieben wird, trennt den magneti- schen Fluss, der sonst das Magnetfeld in dem Zwischenraum vermindern würde.
Die Induktionsspulen sind in Paaren angeordnet, die mit derselben Frequenz betrieben werden und ein Magnetfeld in der gleichen Richtung generieren. Sie sind in ihrer konischen Form ana- log zu den Polen einerseits dahingehend optimiert, die Joulewärmeverluste zu minimieren, um eine Effizienzerhöhung zu erzielen. Andererseits sind sie ausgelegt auf eine optimale Verteilung des magnetischen Felds unterhalb der Schmelze, das die Levitation sicherstellt, und der mag- netischen Felder oberhalb und seitlich der Schmelze, die zwar der Levitation entgegenwirken, aber die Formstabilität der Schmelze gewährleisten.
Zusätzlich dazu können die Induktionsspulen auch noch näher aneinander positioniert werden, sodass der Abstand zwischen den entgegengesetzten Polen geringer wird, was zu einer weite- ren Erhöhung der magnetischen Feldinduktion an der Unterseite der levitierenden Charge und damit zu einem effizienteren Schmelzprozess führt.
Durch ein Zusammenrücken der Induktionsspulenpaare kann die Effizienz des erzeugten elekt- romagnetischen Wechselfelds noch weiter erhöht werden. Dadurch gelingt es, sogar noch schwerere Chargen zum Levitieren zu bringen. Allerdings steigt beim Abguss einer Charge die Gefahr des Berührens der geschmolzenen Charge mit den Spulen oder Ferritpolen mit sinken- dem freien Querschnitt zwischen den Spulen. Solche Verunreinigungen sind aber strikt zu ver- meiden, da sie nur schwer und aufwendig wieder zu beseitigen sind und daher einen längeren Ausfall der Anlage zur Folge haben. Um die Vorteile des engeren Abstands der Induktionsspu- lenpaare so weit wie möglich ausnutzen zu können, ohne die Gefahr der Verunreinigungen beim Abguss in Kauf nehmen zu müssen, sind die Induktionsspulen mit ihren Kernen in einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante zumindest in einem Paar jeweils beweglich gelagert. Vorzugsweise bewegen sich die Spulen eines Paars gegenläufig zentrosymmetrisch um den Mittelpunkt der Induktionsspulenanordnung.
Zum Schmelzen der Charge werden die Spulen in die Schmelzposition zusammengeschoben. Ist die Charge geschmolzen und soll in die Gussform abgegossen werden, werden die Spulen nicht, wie im Stand der Technik üblich, einfach abgeschaltet oder die Stromstärke herunterge- regelt, sondern erfindungsgemäß nach außen in eine Abgussposition verschoben. Dadurch erhöht sich der Abstand der Spulen zueinander, was einerseits einen größeren freien Durch- messer für die Schmelze auf ihrem Weg in die Gussform schafft und andererseits die Tragkraft des induzierten Magnetfeldes kontinuierlich und kontrolliert verringert. Auf diese Weise wird die Schmelze beim Durchtritt durch die Spulenebene sicher von den Induktionsspulen und ihren Kernen entfernt gehalten und geht erst langsam in den Fall über, weil das Feld zwar im Zentrum bereits abgeschwächt wird, an den Spulen aber noch stark genug ist, um den Kontakt zu ver- hindern. Somit wird sowohl die Verunreinigung der Spulen verhindert als auch ein sauberer Ab- guss in die Gussform ohne Verspritzen erzielt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Bewegungsvektoren der Induktions- spulen in den Induktionsspulenpaaren nicht identisch zu ihren Längsachsen. Bei den aus der horizontalen Ebene gekippten Spulenanordnungen werden dabei die Spulen nicht entlang ihrer Längsachse voneinander entfernt, sondern die gekippten Spulen werden innerhalb der Horizon- talen verschoben. Dadurch bleibt die Magnetfeldebene für die Levitation auch beim Abguss der Charge auf der gleichen vertikalen Position.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung wird beim Abguss der Charge gleichzeitig mit dem Bewegen der Induktionsspulen in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition in die Abgussposition die Stromstärke in diesen Induktionsspulen reduziert. Dadurch lässt sich eine Verringerung des benötigten Verschiebewegs der Induktionsspulen realisieren, da das induzierte Magnetfeld nicht mehr nur durch die größere Entfernung der indu- zierenden Spulen reduziert wird. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Reduktion der Stromstärke so mit dem Verschieben der Spulen koordiniert wird, dass die Feldstärke stets aus- reichend hoch ist, um die Schmelze von den Spulen entfernt halten zu können.
In einer Ausführungsform wird der Abstand der Induktionsspulen in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition zur Abgussposition um 5 - 100 mm, vorzugsweise 10 - 50 mm, ver- größert. Hierbei ist bei der Festlegung des Verschiebewegs jeweils zu berücksichtigen, für wel- che Chargengewichte die Anlage ausgelegt werden soll und wie groß der minimale Abstand der Spulen sowie die mit diesen erzeugbare Feldstärke ist.
Das erfindungsgemäß eingesetzte elektrisch leitfähige Material weist in einer bevorzugten Aus- führungsform wenigstens ein hochschmelzendes Metall aus der folgenden Gruppe auf: Titan, Zirkonium, Vanadium, Tantal, Wolfram, Hafnium, Niob, Rhenium, Molybdän. Alternativ kann auch ein weniger hoch schmelzendes Metall wie Nickel, Eisen oder Aluminium eingesetzt wer- den. Als leitfähiges Material kann auch eine Mischung bzw. Legierung mit einem oder mehreren der vorgenannten Metalle eingesetzt werden. Vorzugsweise hat das Metall einen Anteil von wenigstens 50 Gew.-%, insbesondere wenigstens 60 Gew.-% oder wenigstens 70 Gew.-%, an dem leitfähigen Material. Es hat sich gezeigt, dass diese Metalle besonders von den Vorteilen der vorliegenden Erfindung profitieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das leitfähige Material Titan oder eine Titanlegierung, insbesondere TiAl oder TiAIV.
Diese Metalle bzw. Legierungen können besonders vorteilhaft verarbeitet werden, da sie eine ausgeprägte Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur aufweisen und darüber hinaus besonders reaktiv, insbesondere im Hinblick auf die Materialien der Gussform, sind. Da das erfindungsgemäße Verfahren ein kontaktloses Schmelzen in der Schwebe mit einem extrem schnellen Befüllen der Gussform kombiniert, kann gerade für solche Metalle ein besonderer Vorteil realisiert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Gusskörper her- steilen, die eine besonders dünne oder sogar keinerlei Oxidschicht aus der Reaktion der Schmelze mit dem Material der Gussform aufweisen. Und gerade bei den hochschmelzenden Metallen machen sich die erzielte verbesserte Ausnutzung des induzierten Wirbelstroms und die exorbitante Reduktion der Wärmeverluste durch thermischen Kontakt bei den Zykluszeiten erheblich bemerkbar. Ferner kann die Tragkraft des erzeugten Magnetfelds erhöht werden, so- dass auch schwerere Chargen in der Schwebe gehalten werden können.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das leitfähige Material beim Schmel- zen auf eine Temperatur überhitzt, die wenigstens 10 °C, wenigstens 20 °C oder wenigstens 30 °C über dem Schmelzpunkt des Materials liegt. Durch die Überhitzung wird vermieden, dass das Material beim Kontakt mit der Gussform, deren Temperatur unterhalb der Schmelztempera- tur liegt, augenblicklich erstarrt. Es wird erreicht, dass sich die Charge in der Gussform verteilen kann, bevor die Viskosität des Materials zu hoch wird. Es ist ein Vorteil des Schwebeschmel- zens, dass kein Tiegel verwendet werden muss, der im Kontakt mit der Schmelze ist. So wird der hohe Materialverlust des Kalttiegelverfahrens an der Tiegelwand genauso vermieden wie eine Kontamination der Schmelze durch Tiegelbestandteile. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schmelze verhältnismäßig hoch erhitzt werden kann, da ein Betrieb im Vakuum oder unter Schutzgas möglich ist und kein Kontakt zu reaktionsfähigen Materialien stattfindet. Dennoch können die meisten Materialien nicht beliebig überhitzt werden, da andernfalls eine heftige Re- aktion mit der Gussform zu befürchten ist. Daher ist die Überhitzung vorzugsweise auf höchs- tens 300 °C, insbesondere höchstens 200 °C und besonders bevorzugt höchstens 100 °C über den Schmelzpunkt des leitfähigen Materials begrenzt.
Bei dem Verfahren wird zur Konzentration des Magnetfeldes und Stabilisierung der Charge we nigstens ein ferromagnetisches Element horizontal um den Bereich angeordnet, in dem die Charge geschmolzen wird. Das ferromagnetische Element kann ringförmig um den Schmelzbe- reich angeordnet sein, wobei unter„ringförmig“ nicht nur kreisrunde Elemente, sondern auch eckige, insbesondere vier- oder mehreckige Ringelemente verstanden werden. Damit die erfin- dungsgemäße Bewegung der Induktionsspulen möglich wird, sind die Ringelemente entspre- chend der Spulenanzahl in Teilsegmente unterteilt, zwischen denen sich die jeweiligen Indukti onsspulen mit ihren Polen formschlüssig bewegen. Das ferromagnetische Element kann ferner mehrere Stababschnitte aufweisen, die insbesondere horizontal in Richtung des Schmelzberei- ches ragen. Das ferromagnetische Element besteht aus einem ferromagnetischen Material, vorzugsweise mit einer Amplitudenpermeabilität m3 > 10, mehr bevorzugt m3 > 50 und besonders bevorzugt m3 > 100. Die Amplitudenpermeabilität bezieht sich insbesondere auf die Permeabili- tät in einem Temperaturbereich zwischen 25 °C und 150 °C und bei einer magnetischen Fluss- dichte zwischen 0 und 500 mT. Die Amplitudenpermeabilität beträgt insbesondere wenigstens ein Hundertstel, insbesondere wenigstens 10 Hundertstel oder 25 Hundertstel der Amplituden- permeabilität von weichmagnetischem Ferrit (z.B. 3C92). Dem Fachmann sind geeignete Mate- rialien bekannt.
Erfindungsgemäß ist ferner auch eine Vorrichtung zum Schwebeschmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials, umfassend wenigstens ein Paar von gegenüberliegenden Induktionsspu- len mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material zur Herbeiführung des Schwebezu- standes einer Charge mittels elektromagnetischer Wechselfelder, wobei die Längsachsen der Induktionsspulen mit ihren Kernen in mindestens einem Paar nicht innerhalb einer horizontalen Ebene angeordnet sind.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Figur 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Gussform unterhalb eines Schmelzbereiches mit ferromagnetischem Material, Spulen und einer Charge leitfähigen Materials.
Figur 2 ist eine seitliche Schnittansicht von gekippt angeordneten Spulen.
Figur 3 ist eine seitliche Schnittansicht einer Ausgestaltungsvariante mit kegelstumpfförmigen Induktionsspulen und Polen.
Figur 4 ist eine Aufsicht auf die Spulenanordnung von Figur 3.
Figur 5 ist eine seitliche perspektivische Ansicht der Spulenanordnung von Figur 3.
Fiqurenbeschreibunq
Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsformen. Sie dienen allein der Veranschaulichung.
Figur 1 zeigt eine Charge (1 ) aus leitfähigem Material, die sich im Einflussbereich von elektro- magnetischen Wechselfeldern befindet (Schmelzbereich), die mit Hilfe der Spulen (3) erzeugt werden. Unterhalb der Charge (1 ) befindet sich eine leere Gussform (2), die von einem Halter (5) im Füllbereich gehalten wird. Die Gussform (2) weist einen trichterförmigen Einfüllabschnitt
(6) auf. Der Halter (5) ist geeignet, die Gussform (2) von einer Zuführposition in eine Abgusspo- sition zu heben, was durch den eingezeichneten Pfeil symbolisiert wird. Im Kern der Spulen (3) ist ein ferromagnetisches Material (4) angeordnet. Die in der Zeichnung punktiert dargestellten Achsen des Spulenpaars sind nach unten gekippt zur horizontalen Ebene der Levitation ausge- richtet, wobei je zwei gegenüberliegende Spulen (3) ein Paar bilden.
Figur 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht analog zu Figur 1 von gekippt angeordneten Spulen (3) mit ihren Kernen aus dem ferromagnetischen Material (4). Hier ist gestrichelt die horizontale Ebene eingezeichnet und die Winkel ß sind markiert, um die die punktiert dargestellten Längs- achsen der Spulen (3) aus der horizontalen Ebene gekippt sind.
Figur 3 zeigt in seitlicher Schnittansicht einer Ausgestaltungsvariante mit kegelstumpfförmigen Spulen und schwarz dargestellten Polen. Die Schnittebene verläuft hierbei zentral durch die Längsachse eines Spulenpaars. Die Induktionsspulen (3) und ihre Kerne aus einem ferromag- netischen Material (4) sind jeweils kegelstumpfförmig geformt und insgesamt von einem Ferrit ring umgeben. In dem gezeigten Beispiel sind die Induktionsspulen (3) als Hohlleiter ausgeführt, was zusätzlich die Option einer Innenkühlung durch ein Kühlfluid bietet. Gut zu erkennen sind die zur Levitationsebene gekippten Längsachsen der Pole und Spulen.
Figur 4 und Figur 5 zeigen die Spulenanordnung von Figur 3 in Aufsicht bzw. seitlicher per- spektivischer Ansicht. Die Anordnung besteht aus zwei Spulenpaaren, die im 90° Winkel zuei- nander orientiert sind. Die Induktionsspulen (3) sind dabei mit ihren Kernen aus einem ferro- magnetischen Material (4) formschlüssig beweglich zwischen vier Ferritringsegmenten gelagert, sodass zusammen ein achteckiges ferromagnetisches Element entsteht und sie zwischen einer eng beabstandeten Schmelzposition und einer weit beabstandeten Abgussposition bewegt werden können. Die Figuren 4 und 5 zeigen beide die Schmelzposition der Spulen. Insbesonde- re in Figur 5 ist der Verschiebeweg der Spulen zwischen Ringinnenseite und Ringaußenseite gut zu sehen. Bezuqszeichenliste
1 Charge
2 Gussform
3 Induktionsspule
4 ferromagnetisches Material
5 Halter
6 Einfüllabschnitt

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern aus einem elektrisch leitfähigen Material im Schwebeschmelzverfahren, wobei zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge (1 ) elektromagnetische Wechselfelder eingesetzt werden, die mit wenigstens einem Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen (3) mit einem Kern aus einem ferromagneti- schen Material (4) erzeugt werden , umfassend die folgenden Schritte:
- Einbringen einer Charge (1 ) eines Ausgangsmaterials in den Einflussbereich wenigstens eines elektromagnetischen Wechselfelds, so dass die Charge (1 ) in einem Schwebezu- stand gehalten wird,
- Schmelzen der Charge (1 ),
- Positionieren einer Gussform (2) in einem Füllbereich unterhalb der schwebenden Char- ge (1),
- Abguss der gesamten Charge (1 ) in die Gussform (2),
- Entnahme des erstarrten Gusskörpers aus der Gussform (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Induktionsspulen (3) mit ihren Ker- nen (4) in mindestens einem Paar nicht innerhalb einer horizontalen Ebene angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel ß zwischen den Längsachsen der Induktionsspulen (3) mit ihren Kernen und der horizontalen Ebene in mindestens einem Paar jeweils 0° < ß < 60°, vorzugsweise 10° < ß < 45°, beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (3) und/oder ihre Kerne aus einem ferromagnetischen Material (4) zumindest in Teilen eine kegelstumpfförmige oder konische Form aufweisen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen mit ihren Kernen in jedem Paar beweglich zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer Schmelzposition mit geringem Abstand und einer Abgussposition mit weitem Abstand bewegen, das Verfahren als zusätzlichen ersten Schritt ein Versetzen der Induktionsspulenpaare in die Schmelzposition mit geringem Abstand umfasst und der Abguss der gesamten Charge (1 ) in die Gussform (2) durch Bewegen der Induktionsspulen (3) in mindestens einem Paar von der Schmelzposition mit geringem Abstand in die Ab- gussposition mit weitem Abstand erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abguss der Charge (1 ) gleichzeitig mit dem Bewegen der Induktionsspulen (3) in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition in die Abgussposition die Stromstärke in diesen Induktionsspulen (3) reduziert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der In- duktionsspulen (3) in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition zur Abgusspo- sition um 5 - 100 mm, vorzugsweise 10 - 50 mm, vergrößert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewe- gungsvektoren der Induktionsspulen (3) in den Induktionsspulenpaaren nicht identisch zu ihren Längsachsen sind.
8. Vorrichtung zum Schwebeschmelzen eines elektrisch leitfähigen Materials, umfassend we nigstens ein Paar von gegenüberliegenden Induktionsspulen (3) mit einem Kern aus einem ferromagnetischen Material (4) zur Herbeiführung des Schwebezustandes einer Charge (1 ) mittels elektromagnetischer Wechselfelder, wobei die Längsachsen der Induktionsspulen (3) mit ihren Kernen in mindestens einem Paar nicht innerhalb einer horizontalen Ebene angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ß zwischen den Längsachsen der Induktionsspulen (3) mit ihren Kernen und der horizontalen Ebene in mindestens einem Paar jeweils 0° < ß < 60°, vorzugsweise 10° < ß < 45°, beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (3) und/oder ihre Kerne aus einem ferromagnetischen Material (4) zumindest in Teilen eine kegelstumpfförmige oder konische Form aufweisen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die In- duktionsspulen (3) mit ihren Kernen in jedem Paar beweglich zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer Schmelzposition mit geringem Abstand und einer Abgussposition mit weitem Abstand bewegen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Indukti onsspulen (3) in den Induktionsspulenpaaren von der Schmelzposition zur Abgussposition um 5 - 100 mm, vorzugsweise 10 - 50 mm, vergrößert wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungs- vektoren der Induktionsspulen (3) in den Induktionsspulenpaaren nicht identisch zu ihren Längsachsen sind.
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