NL9001005A - Inrichting voor het inductiesmelten van metalen zonder kroes. - Google Patents

Description

INRICHTING VOOR HET INDUCT IE SMELTEN VAN METALEN ZONDER KROES

De uitvinding heeft betrekking op het inductiesmel-ten van een hoeveelkheid metaal zonder dat een kroes of een andere houder nodig is. In plaats daarvan wordt een magneetveld gebruikt voor het omsluiten van de smelt.

Bij de vervaardiging van metalen gietstukken is het van belang verontreiniging van het metaal met insluitingen die niet een metaal zijn, te vermijden. Deze insluitingen zijn gewoonlijk oxyde-fasen en worden gewoonlijk gevormd door een reactie tussen de metalen die worden gesmolten, en de kroes waarin zijn worden gesmolten. Het is lang een doel geweest van metaal gieters een dergelijke verontreiniging te vermijden door kroezen te gebruiken die een minimale reactiviteit met de smelten hebben. Echter reageren sommige legeringen, in het bijzonder nikkel gebaseerde superlege-ringen die aanzienlijke hoeveelheden aluminium, titaan of hafnium bevatten, krachtig met oxyde-kroezen en vormen zij tijdens het smelten insluitingen.

In het geval van legeringen op basis van titaan en legeringen van moeilijk smeltbare metalen (wolfraam, tantaal, mo-lybdeen, niobium, hafnium, rhenium en zirkoon) is het smelten in een kroes praktisch onmogelijk als gevolg van de heftigheid van de reacties met de kroes. Zo is een verbandhoudend doel van metaalgie-ters het vinden van een wijze waarop deze legeringen zonder verontreiniging kunnen worden gesmolten.

Tot nu toe zijn er twee belangrijke methoden voor het vermijden van verontreiniging vanuit een kroes bij het smelten van een metaal geweest. De ene methode is smelten in een "koude" kroes waarbij een met water gekoelde kroes van koper wordt gebruikt. De vulling met metaal dat door inductie, een electrische boog, een plasma-fakkel of een electronenstraal als energiebron kan worden gesmolten, stolt tegen de koude wand van de kroes van koper. Daarna wordt het vloeibare metaal gehouden in een "hersenpan" van vast metaal van zijn eigen samenstelling, in plaats van dat het in contact komt met de wand van de kroes.

Een andere methode is smelten in zwevende toestand. Bij het smelten in zwevende toestand wordt een hoeveelheid metaal die moet worden gesmolten/ electromagnetisch in de ruimte zwevend gehouden terwijl het metaal wordt verhit. De Amerikaanse octrooien nr. 2686864 en 4578552 beschrijven methodes voor het gebruikmaken van inductiespoelen voor het zwevend houden van een hoeveelheid metaal en het inductief verhitten daarvan.

Het smelten in een koude kroes en het zwevend smelten verbruiken noodzakelijkerwijs een grote hoeveelheid energie. In het geval van het smelten in een koude kroes is alleen al een aanzienlijke hoeveelheid energie nodig voor het in de pan houden van de plas gesmolten metaal en veel van de verwarmingsenergie die in het metaal wordt gebracht/ moet opzettelijk worden afgevoerd juist om het vaste buitengedeelte in stand te houden. Bij het zwevend smelten is energie nodig om het metaal in zweving te houden. Bovendien veroorzaakt in vergelijking met het oppervlak van een gesmolten bad in een gebruikelijke kroes het zwevend smelten dat de hoeveelheid metaal een groot oppervlaktegebied heeft, hetgeen een bron van warmteverlies door straling is. Er is extra energie nodig voor het in stand houden van de temperatuur van het metaal.

Voor legeringen die gematigd reactief zijn met kroezen, zoals de hierboven aangeduide superlegeringen op basis van nikkel, is gebruik gemaakt van een proces dat het "Birlec"-proces wordt genoemd. Dit proces werd ontwikkeld door de Birmingham Electric Company in het Verenigd Koninkrijk. In het Birlec-proces wordt gebruik gemaakt van inductie voor het smelten van juist voldoende metaal om één gietstuk te gieten. In plaats van het op gebruikelijke wijze gieten van metaal uit de kroes wordt deze echter op zijn kant gezet en krijgt de smelt gelegenheid over de rand van de kroes te lopen waarbij de kroes een opening heeft in zijn bodem die is bedekt met een "munt" of "knoop" van metaal van de vulling. Nadat de vulling is gesmolten smelt warmte-overdracht vanuit de gesmolten vulling naar de munt waardoor het gesmolten metaal door de opening heen kan vallen in een eronder gereed staande gietvorm.

Door een kleine hoeveelheid metaal te gebruiken met de juiste inductiesmeltfrequentie en het juiste vermogen in het Birlec-proces kan het metaal als het ware in een "opper" worden gezet of gedeeltelijk zwevend worden gemaakt en van de zijden van de kroes vandaan gehouden gedurende een groot deel van het smeltpro-ces, waarbij aldus contact met de zijwand van de kroes minimaal wordt gemaakt, ofschoon dit contact niet geheel wordt opgeheven. Een dergelijk proces is momenteel in gebruik voor de productie van eenkristals verloren-model-gietstukken voor de gasturbine-industrie. Zie "From Research To Cost-Effective Directional Solidification And Single-Crystal Production—An Integrated Approach" van G. J. S. Higgenbotham, Materials Science and Technology, Vol. 2, mei 1986, biz. 442-460.

Het gebruikmaken van het in een "opper" zetten voor het smelten van moeilijk smeltbare legeringen en titaanlegeringen werd beproefd door het Amerikaanse leger in Watertown Arsenal in de vijftiger jaren met gebruikmaking van kroezen van koolstof. Zie J. Zothos, P. J. Ahearn en Η. M. Green, "Ductile High Strength Titanium Castings By Induction Melting", American Foundrymens"s Society Transactions, Vol. 66, 1958, blz. 225-230· In de zeventiger jaren werd een poging gedaan om hun resultaten te verbeteren door het proces waarbij een "opper" wordt gevormd, te combineren met het Birlec-proces. Zie T.S. Piwonka en C.R. Cook, "Induction Melting and Casting of Titanium Alloy Aircraft Components," rapport AFFL-TR-72-168, 1972, Air Force Systems Command, Wright-Patterson, AFB, Ohio. Geen van deze pogingen slaagde in het elimineren van verontreiniging met koolstof vanuit de kroes en er was geen bevredigende methode voor het beheersen van de uitschenktemperatuur van het metaal met de nauwkeurigheid die nodig is voor werk voor de ruimtevaart.

In het kort is er tot nu toe geen doeltreffende wijze geweest voor het versmelten en beheersen van de schentempera-tuur die verontreiniging vanuit de kroes vermijdt. Er bestaat behoefte aan een dergelijke manier, in het bijzonder voor sterk reac-tieve metalen, zoals moeilijk smeltbare metalen en hun legeringen en titaan en zijn legeringen, en voor matig reactieve legeringen, zoals op nikkel gebaseerde superlegeringen en roestvaste staalsoorten.

De uitvinding is een inrichting en een werkwijze voor het inductiesmelten van een hoeveelheid metaal zonder een houder. De hoeveelheid metaal of "vulling" wordt binnen een inductie-spoel geplaatst die op het metaal een electromagnetische kracht uitoefent die toeneemt naar het bodemgedeelte van de vulling toe. De vulling staat vrij op een steun. Door de steun heen is een opening en de steun is verder voorzien van een orgaan voor het op een tevoren gekozen temperatuur houden van de steun.

In een voorkeursuitvoering van de uitvinding is de inductiespoel verplaatsbaar ten opzichte van de metalen vulling. Aan het begin van het smeltproces is de spoel zo gepositioneerd dat slechts een gedeelte van de metalen vulling binnenin de spoel is geplaatst en dit gedeelte van de vulling wordt inductief verhit tot een tevoren gekozen temperatuur. Vervolgens wordt de spoel omlaag gebracht om praktisch de gehele metalen vulling te omgeven zodat de gehele metalen vulling kan worden verhit.

In een andere voorkeursuitvoering van de uitvinding zijn tenminste de bovenste windingen van de spoel gewikkeld in een richting tegengesteld aan die van de overige windingen om zo het gaan zweven van de metalen vulling tijdens het smelten daarvan te voorkomen. Nadat de metalen vulling door middel van de inductiespoel is gesmolten, loopt het vloeibare metaal door de opening in de steun heen in hetzij een gietvorm met een inlaatopening in open verbinding met de opening in de steun of anders op een draaibare schijf dicht bij de opening in de steun.

In nog een andere voorkeursuitvoering van de uitvinding is het volume voor het opvangen van de metalen vulling omgeven door een gesloten kamer met middelen voor het beheersen van de atmosfeer daarin.

De werkwijze omvat de stappen van het plaatsen van de hoeveelheid metaal binnen in de inductiespoel en het bekrachtigen van de inductiespoel zodat de hoeveelheid metaal wordt verhit tot tenminste zijn smeltpunt waardoor verontreinigingen in de hoeveelheid metaal gedwongen worden te migreren naar het oppervlak van de hoeveelheid metaal. Wanneer het gesmolten metaal door de opening in de steun heengaat blijft een krans van vast metaal met een verhoudingsgewijs grotere hoeveelheid verontreinigingen dan de rest van de hoeveelheid metaal achter op het oppervlak van de steun om daardoor de hoeveelheid metaal die door de opening in de steun is heengegaan, te zuiveren.

De uitvinding wordt hierna toegelicht in een beschrijving aan de hand van een tekening. De tekening toont een uit- * voeringsvorm die op dit tijdstip de voorkeur heeft.

Fig. 1 is een schematisch aanzicht van een vulling van vast metaal die is geplaatst binnen de inductiespoel volgens de uitvinding en die wordt gedragen door een steun.

Fig. 2 en fig. 3 tonen opeenvolgende stappen van het smelten van de vulling in de inductiespoel. In deze figuren is door arcering het metaal in vaste toestand aangegeven.

Fig. 4 is een schematisch aanzicht van het gesmolten metaal binnen in de inductiespoel volgens de uitvinding terwijl het in een gietvorm wordt geschonken.

Fig. 5 is een schematisch aanzicht van een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding waarbij de vulling die moet worden gesmolten, is geplaatst op een verhoging die ten opzichte van de inductiespoel verplaatsbaar is.

Fig. 6 en fig. 7 zijn aanzichten met bijzonderheden van de steun.

Fig. 8 toont een andere uitvoeringsvorm van een steun volgens de uitvinding.

Fig. 9 en fig. 10 tonen andere uitvoeringsvormen van de uitvinding.

Fig. 1 is een schematisch aanzicht van de inductie-oven volgens de uitvinding. Een vulling 12 van vast metaal is geplaatst binnen een inductiespoel 10 met een aantal windingen 14. Bij bekrachtiging op bekende wijze genereert de spoel 10 een magneetveld dat wervelstromen in de vulling 12 induceert om daardoor de vulling te verhitten. De algemene beginselen van inductieverwar-ming en smelten zijn algemeen bekend en behoeven hier niet in bijzonderheden te worden beschreven.

De spoel 10 genereert tevens een electromagnetische kracht op de vulling 12 bij bekrachtiging van de spoel 10. De windingen 14 zijn zo geschikt dat de electromagnetische kracht die zij produceren, zal zijn geconcentreerd naar het onderste gedeelte van de vulling 12 toe. In de voorkeursuitvoering zijn de onderste windingen verdubbeld, verdrievoudigd of op andere wijze vermenigvuldigd naar de onderzijde van de spoel toe. Anders kunnen de windingen 14 zo zijn geschikt dat de windingen naar de onderzijde van de vulling 12 dicht bij de vulling 12 liggen dan de bovenaan gelegen windingen. Een ander alternatief is het verschaffen van een aantal afzonderlijke energiebronnen die elk overeenkomen met een ander gedeelte van de vulling 12 en de spoel 14 zodat met de onderste windingen een grotere electrische energietoevoer is verbonden.

De vulling 12 rust voordat deze is gesmolten, op een steun 18 die is voorzien van een daardoorheen lopende opening 20. De steun 18 is weergegeven als een ronde ring, maar behoeft niet rond te zijn. Echter verdient het de voorkeur dat de opening 20 rond is. De steun 18 is voorzien van middelen voor het in stand houden van een tevoren gekozen temperatuur die betrekkelijk laag is in vergelijking met de vulling 12 wanneer deze is gesmolten. Een kenmerkend middel voor het koelen van de steun 18 bestaat uit inwendige holtes 22 waardoorheen een vloeibaar koelmiddel, toegevoerd door een pijp 24, circuleert. Voor de steun 18 is koper een materiaal dat de voorkeur heeft.

De bovenste winding 16 van de inductiespoel 10 is gewonden in een richting tegengesteld aan die van de overige windingen 14 van de inductiespoel· Deze omgekeerde winding heeft het effect dat wordt verhinderd dat de vulling 12 gedeeltelijk in zweving komt of een "opper" vormt. Indien het metaal gedeeltelijk in zweving zou zijn, zou het door de gedeeltelijke zweving gecreëerde overmatige oppervlak een bron van warmteverlies door straling zijn hetgeen het smeltrendement van de spoel zou doen afnemen. Deze soort spoel waarin de naar boven gerichte zwevingskracht wordt tegengewerkt door een kracht in de tegengestelde richting vanuit de bovenzijde van de spoel/ is bekend als een "opsluit"-spoel/ in tegenstelling tot een zwevingsspoel als is beschreven in de Amerikaanse octrooien 2686864 en 4578552. Zonodig kunnen meer dan één van de bovenste windingen van de inductiespoel effectief worden gewikkeld in de richting tegengesteld aan die van de resterende windingen in de spoel teneinde een voldoende naar beneden gerichte op-sluitkracht te verschaffen om de naar boven gerichte zwevingskracht van de rest van de windingen in de spoel tegen te werken. Het in zweving komen kan ook worden voorkomen door gebruik te maken van een geschikt uitgevoerde passieve inductor, zoals een schijf, ring of dergelijke constructie die boven de vulling 12 is geplaatst en die de zwevingskrachten onderdrukt.

De vulling 12 in vaste vorm wordt binnen de spoel 10 geplaatst onmiddellijk naast de windingen 14 maar zonder daarmee in aanraking te komen. Benadrukt wordt nog eens dat er geen kroes wordt gebruikt. De windingen 14 van de spoel zijn zo geplaatst dat de magnetische kracht die wordt opgewekt, het metaal steunt wanneer het is gesmolten, en het metaal opsluit in een cilindervormig volume dat concentrisch is met de hartlijn van de spoel, terwijl het in zweving komen van de smelt wordt verhinderd door de hierboven beschreven voorziening.

Bij het aanleggen van een spanning over de spoel 10 begint het metaal te smelten vanaf de bovenkant van de vulling (het metaal 12 in vaste vorm is gearceerd aangegeven en het vloeibare metaal 12a is met stippels aangegeven) zoals getoond in fig. 2. Naar mate het smelten verder gaat, zoals getoond in fig. 3, neemt het vloeibare gedeelte 12a toe en verplaatst het zich naar beneden in de vulling. Vanwege de sterke magnetische krachten die worden geleverd door de extra windingen aan de voet van de inductiespoel 10, loopt het vloeibare gedeelte 12a niet over de zijkanten van de vulling 12 maar blijft opgesloten in de oorspronkelijke ruimte die door de vulling 12 in vaste vorm werd ingenomen.

Tenslotte smelt de warmte-overdracht vanuit het vloeibare metaal 12a naar de resterende vulling 12 in vaste vorm de gehele vulling 12 behalve een metalen rand die rechtstreeks rust op de steun 18. Wanneer het gedeelte van de vulling 12 in vaste vorm dat grenst aan de opening 20, tenslotte doorsmelt/ zal het vloeibare metaal door de opening 20 heengaan en in de opening 30 van de gietvorm 32 vallen of in een andere houder. De vulling 12 kan zo zijn bemeten dat deze hetzelfde volume heeft als de gietvorm 32. Omdat de steun 18 op een betrekkelijk lage temperatuur wordt gehouden door middel van de koeling met de pijp 24 en de inwendige holtes 22, zal het metaal dicht bij de steun 18, in fig. 4 aangegeven met 26, in vaste vorm blijven.

De inductiesmeltwerkwijze volgens de uitvinding is gebleken het bijkomende voordeel te hebben dat slakken en andere verontreinigingen voor de vulling 12 van metaal worden verwijderd wanneer de vulling 12 smelt en het gesmolten metaal 12a door de opening 20 heengaat. In de loop van het inductief smelten van de vulling 12 zal een hoeveelheid slakken en verontreinigingen migreren naar het oppervlak van de gesmolten vulling 12a. Deze hoeveelheid slakken is in fig. 3 aangegeven als een gearceerd gebied 13. Omdat de opening 20 bij voorkeur is aangebracht in de as van de cilindervormige vulling 12, is de opening 20 verwijderd van de zone slakken 13. Wanneer het vloeibare gedeelte 12a door de bodem van de vulling 12 in vaste vorm heen breekt en door de opening 20 heengaat, zullen de geconcentreerde slakken 13 zich afzetten langs de buitenomtrek van de steun 18. Het metaal dicht bij de steun 18, dat afkoelt tegen het oppervlak van de steun 18 terwijl het grootste deel van het gesmolten metaal 12a door de opening 20 heen wegloopt, bestaat daarom voor het grootste deel uit slakken en andere verontreinigingen. Deze hoeveelheid metaal, aangegeven in fig. 4 met 26, zal niet in de gietvorm 32 binnenkomen. De werkwijze volgens de uitvinding heeft dus het effect de vulling 12 van metaal verder te zuiveren terwijl deze in de gietvorm 32 wordt geschonken.

Het dient te worden herhaald dat het doel van het veld dat wordt geleverd door de extra windingen 14 van de spoel naar het onderste gedeelte van de vulling 12 toe, het opsluiten van de vloeibare vulling 12a in de ruimte binnen de spoel 10 is, alsmede het verschaffen van een sterke geforceerde convectiestroming binnenin de vloeibare vulling en niet het laten zweven daarvan of het dragen van zijn gewicht. Het gewicht van het vloeibare metaal 12a wordt gedragen door het metaal 12 in vaste vorm dat ongesmolten blijft aan de onderzijde van de vulling totdat de juiste uitschenk-temperatuur is bereikt. Omdat de kracht die nodig is voor het opsluiten van de vloeibare vulling 12a alleen de functie is van de hoogte en de dichtheid van het metaal kunnen grotere vullingen worden gesmolten door alleen maar de diameter van de vulling en van de steunring te vergroten.

Bij inductiesmelten is het soms noodzakelijk vloeibaar metaal in een kort temperatuurtraject te leveren of het metaal te oververhitten, dat wil zeggen verhitten tot een temperatuur boven zijn smeltpunt. Door de vulling 12 slechts gedeeltelijk binnen de spoel 10 te plaatsen kan het gedeelte van de vulling 12 binnenin de spoel worden oververhit zonder dat het onderste gedeelte van de vulling 12 smelt en zonder dat het vloeibare metaal voortijdig door de opening 20 heen zal gaan. Pas wanneer het vloeibare metaal 12a op de gewenste temperatuur is, wordt de vulling geheel binnenin de spoel 10 geplaatst waarna het smelten van de rest van de vulling snel plaats vindt en de gesmolten legering 12a bij de gewenste temperatuur in de gereedstaande gietvorm loopt.

Deze nauwkeurige regeling van het smeltproces kan worden verkregen door middel van het in fig. 5 getoonde uitvoe-ringsvoorbeeld. Hier is de steunring 18 bevestigd aan een heforgaan dat een verticaal verplaatsbare verhoging 40 omvat die op zijn beurt is gemonteerd op pilonen 42. Het hef orgaan kan worden bekrachtigd met pneumatische, hydraulische, mechanische, electrische of andere middelen. Wanneer de vulling 12 begint te smelten worden de vulling 12 en de steunring 18 iets onder de inductiesmeltspoel 10 geplaatst zodat het onderste deel van de vulling 12 niet door het inductieveld wordt beïnvloed. In deze lage stand zal alleen het bovengedeelte van de vulling 12 binnenin de spoel 10 worden gesmol ten. Wanneer het gesmolten gedeelte aan de bovenzijde van de vulling 12 de gewenste uitschenktemperatuur bereikt, wordt het heforgaan bekrachtigd en voert dit de vulling geheel in de inductie-spoel. Het smelten van het resterende gedeelte van de vulling vindt snel plaats en de gesmolten legering 12a op de gewenste temperatuur loopt in de gereedstaande gietvorm. Voor een nauwkeurige regeling van het smeltproces is het noodzakelijk te zorgen voor een relatieve verplaatsing tussen de vulling 12 en de spoel 10. De vulling kan verplaatsbaar zijn ten opzichte van een vast opgestelde spoel, zoals in fig. 5, of de spoel kan verplaatsbaar zijn ten opzichte van een vast opgestelde vulling in vaste vorm.

De uitstroom van gesmolten metaal door de opening 20 in de steun 18 heen, is met meer bijzonderheden getoond in fig. 6. Zoals hiervoor beschreven, wordt de steun 18 op een temperatuur gehouden die ligt onder het smeltpunt van de te smelten vulling, bijvoorbeeld door een koelfluidum te laten circuleren door doorgangen 22 in de steun 18. Omdat de steun 18 op een temperatuur onder het smeltpunt van de vulling wordt gehouden, zal een geringe hoeveelheid van de vulling 12 in vaste vorm blijven en zal dit een ringvormige rand 26 vormen die op de steun 18 ligt en daarmee concentrisch is. Bovendien zal wanneer eenmaal de vulling 12 doorsmelt en gesmolten metaal door de opening 20 heen begint te stromen enig metaal 26a op het binnenoppervlak van de opening 20 stollen.

In normaal bedrijf wordt verwacht dat het in de bodem van de vulling 12 gesmolten "gat" niet groter zou zijn dan de diameter van de opening 20. Daarom zal er in normaal bedrjf steeds een hoeveelheid metaal in vaste vorm zijn die de steun 18 omgeeft zodat het gesmolten metaal nooit in rechtstreekse aanraking komt met de steun 18. Echter is het mogelijk dat dit niet altijd het geval is.

Fig. 7 toont wat gebeurt wanneer het in de bodem van de vulling gesmolten "gat" groter is dan de diameter van de opening 20. In dat geval zal de ringvormige rand 26 niet het gehele bovenoppervlak van de steun 18 bedekken maar zal de rand terugwijken van de zijkant van de opening 20 waardoor een scherpe kant 50 van de steun 18 blootgesteld blijft. Dit betekent dat het gesmolten metaal dat door de opening 20 stroomt/ in contact zal komen met de stuen 18 en door het contact daarmee verontreinigd zal raken. De scherpe kant 50 kan ook door het gesmolten metaal dat door de opening 20 heenstroomt, worden gesmolten waarbij de smelt in een zodanige mate wordt verontreinigd dat het verkregen gietstuk onbruikbaar kan zijn.

Teneinde dit probleem op te lossen kan gebruik worden gemaakt van een smeltring 52 met een opening 54 daardoorheen/ zoals getoond in fig. 8. De smeltring 52 is aangebracht rondom de bovenrand van de opening 20 in de steun 18. De steun 18 kan zijn voorzien van een trede 19 waarop de smeltring 52 kan worden gelegd. De smeltring 32 is gemaakt van een materiaal dat identiek is aan dat van de vulling 12. De opening 54 is kleiner dan de opening 20 zodat zelfs indien het gat in het vloeibare metaal in de ringvormige ring 26 groter is dan de opening 54/ het vloeibare metaal 12a de smeltring 52 niet tot aan de steun 18 zal wegvreten. De gedachte is dat het gesmolten metaal 12a in plaats van dat het de bovenkant van de opening 20 smelt, de smeltring 52 zal smelten. Aangezien evenwel het gesmolten metaal 12a van hetzelfde materiaal is als de smeltring 52, zal het gesmolten metaal dat van de smeltring 52 afkomstig is, het gesmolten metaal 12a niet verontreinigen terwijl dit door de steun 18 heengaat.

Het hierboven beschreven proces vermijdt verontreiniging vanuit de kroes en een reactie daarmee door de kroes geheel uit het smeltproces te verwijderen. Tevens zal als gevolg van de sterke convectiestroom die in het vloeibare metaal wordt tot stand gebracht door de electromagnetische krachten, de vloeistof uitzonderlijk homogeen zijn.

De werkwijze volgens de uitvinding kan worden toegepast in omgevende lucht, in een vacuum of onder hoge druk of in een beheerste atmosfeer. Fig. 9 toont een voorkeursuitvoering van de uitvinding waarin de metalen vulling 12' en de steun 18' vast staan en de spoel 14' verplaatsbaar is ten opzichte van de vulling 12'. De vulling 12' is geplaatst in een kamer 64 terwijl de spoel 14' op een verplaatsbaar orgaan 62 is aangebracht dat buiten de kamer 64 staat. De kamer 64 die de vorm kan hebben van een glazen klok of van een andere dichte houder, biedt de mogelijkheid van een beheerste atmosfeer rondom de metalen vulling 12' terwijl deze smelt. De kamer 64 kan een ruimte met een beheerste atmosfeer omgeven hetzij binnenin de spoel 14', als getoond in fig. 9, of op alternatieve wijze mede rondom de spoel 14' en de gietvorm 32'. Opgemerkt moet worden dat welke ook de vorm van de kamer 64 is, de wanden van de kamer 64 in het algemeen de metalen vulling 12' niet raken of dienen als een houder voor de metalen vulling 12'. De gebruikelijke noodzaak van een beheerste atmosfeer is het verhinderen van oxydatie van de metalen lading terwijl deze smelt en daarom zal de kamer 64 gewoonlijk hetzij zijn leeggepompt of gevuld zijn met een inert gas, zoals argon, ofschoon de kamer kan zijn gevuld met ieder gas afhankelijk van de specifieke behoeften.

De spoel 14' is ingericht om te worden verplaatst ten opzichte van de smeltende vulling 12' zodat het bovenste gedeelte van de vulling 12 snel kan worden gesmolten, zoals in de in fig. 5 getoonde uitvoeringsvorm die hierboven is besproken, en kan desgewenst worden oververhit. Wanneer het gesmolten gedeelte aan de bovenkant van de vulling 12 een gewenste temperatuur bereikt (die in het geval van oververhitting duidelijk hoger kan zijn dan het smeltpunt van het metaal), wordt de spoel 14 * ten opzichte van de vulling 121 naar beneden verplaatst om de rest van de metalen vulling 12' te verhitten. Zoals in het hierboven besproken uitvoe-ringsvoorbeeld waarin de steun verplaatsbaar is, vindt wanneer eenmaal het smelten is begonnen, het smelten van het resterende gedeelte van de vulling 12' vlug plaats en loopt de geheel gesmolten vulling door de opening 20' in de steun 18' heen in een gereedstaande gietvorm. De gietvorm kan zijn voorzien van een vacuumor-gaan door middel waarvan de snelheid van de stroom gesmolten metaal in de gietvorm kan worden geregeld, of van een inductie-susceptor-verhittingsorgaan, door middel waarvan de metaallegering in de gietvorm in een vloeibare staat kan worden gehouden totdat de vorm geheel gevormd is.

Vanzelfsprekend kan de verplaatsbare spoel 14' worden toegepast zonder de gesloten kamer 64 die in de figuren 9 en 10 is aangegeven.

Naast het gieten van gesmolten metaal in een gietvorm kan iedere uitvoering van de uitvinding worden gebruikt samen met een orgaan voor het omvormen van een gesmolten metaal in een poeder. Een inrichting voor het vormen van een poeder is weergegeven in fig. 10. Een voorkeurswerkwijze voor het vormen van een poeder uit het gesmolten metaal is het door de opening 20 in de steun 18 heen laten gaan van het gesmolten metaal en het terecht laten komen van het gesmolten metaal op een snel ronddraaiende schijf, bijvoorbeeld aangegeven als 75 in fig. 10. Wanneer het gesmolten metaal op de schijf terecht komt wordt het gesmolten metaal in de vorm van kleine druppeltjes van de schijf geworpen. Deze druppeltjes koelen af en komen aldus in de lucht in vaste vorm wanneer zij van de schijf af zijn geworpen. Tegen de tijd dat de druppeltjes van het gesmolten metaal in een geschikte bak neerkomen zijn de druppeltjes afgekoeld en hard geworden om zo fijne deeltjes te vormen.

Gebleken is dat de uitvinding van groot nut is bij het gieten van actieve metalen, zoals legeringen van aluminuim, lithium of titaan. Verder is gebleken bij het gieten van aluminium-legeringen met de smeltinrichting volgens de uitvinding dat giet-stukken met een veel fijnere korrelgrootte worden verkregen in vergelijking met de gebruikelijke werkwijzen.

De werkwijze volgens de uitvinding leent zichzelf heel gemakkelijk voor automatische productie aangezien er geen afzonderlijke uitschenkoperatie nodig is. In het geval dat de juiste schenktemperatuur wordt bereikt zonder gebruik te maken van een hef orgaan zoals getoond in fig. 5, of van een verplaatsbare spoel als in de fig. 9 of 10, zal het schenken plaatsvinden wanneer de benodigde hoeveelheid energie voor het smelten van de onderzijde van de vulling naar de vulling is overgebracht· Door een optisch of infrarood temperatuurmeettoestel toe te voegen kan een regelschake-ling worden geconstrueerd zodat wanneer een besturing van een over verhitting nodig is het signaal uit de temperatuurmeetinrichting het orgaan voor het verplaatsen van de spoel of de steun kan activeren/ zowel als de energietoevoer kan regelen.

De uitvinding maakt de behoefte aan en het gebruik van kroezen overbodig. Daardoor elimineert de uitvinding reacties tussen de metalen vulling en de kroes geheel zowel als de verontreiniging van het metaal door de kroes of door zijn reactieproduc-ten. Ook elimineert de uitvinding de kosten van het aankopen, opslaan, hanteren en weggooien van kroezen. Omdat er geen gevaar bestaat voor een reactie met de kroes, maakt de uitvinding een reproduceerbare regeling van de oververhitting van de vloeibare metalen in een automatisch smelt- en schenkproces mogelijk. De uitvinding is veel zuiniger met energie dan smeltprocessen met een gekoelde kroes aangezien er geen energie verloren gaat uit de smelt naar de gekoelde wanden van de kroes. Ook is de uitvinding veel zuiniger met energie dan bij het in zweving brengen van de vulling aangezien er geen energie wordt gebruikt voor het laten zweven van het metaal. Gebleken is dat de inrichting volgens de uitvinding vullingen kan smelten met een massa die tienmaal groter is dan die bij het Birlec-proces en de afgeleiden daarvan.

Claims (28)

1. Inrichting voor inductiesmelten van een hoeveelheid metaal zonder een houder, gekenmerkt door: een inductiespoel met een aantal bindingen die een volume bepalen voor het daarin opnemen van een hoeveelheid metaal, waarbij de inductiespoel is ingericht voor het uitoefenen van een electromagnetische kracht op het metaal die toeneemt naar het onderste gedeelte van het metaal; een orgaan voor het bekrachtigen van de spoel; een steunorgaan voor het van onderaf steunen van het metaal en met een doorgaande opening; en een orgaan voor het op een tevoren gekozen temperatuur houden van het steunorgaan.

2. Inrichting volgens conclusie 1, gekenmerkt door een orgaan voor het verhinderen van het in zweving komen van het metaal.

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het steunorgaan de vorm heeft van een ring.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het orgaan voor het op een tevoren gekozen temperatuur houden van het steunorgaan tenminste één kanaal in het steunorgaan omvat waardoorheen een koelfluidum in omloop wordt gebracht.

5. Inrichting voor inductief smelten van een hoeveelheid metaal zonder een houder, gekenmerkt door: een inductiespoel met een aantal windingen die rondom de hoeveelheid metaal zijn geplaatst, waarbij de inductiespoel is ingericht voor het leveren van een grotere electromagnetische kracht naar het onderste gedeelte van de hoeveelheid metaal binnen de inductiespoel toe en waarbij de bovenste windingen zijn verbonden in een richting tegengesteld aan die van de overige windingen; een orgaan voor het verschaffen van een electrische stroom door de inductiespoel heen; een steunorgaan met daardoorheen een opening dat in hoofdzaak in contact is met het ondervlak van de hoeveelheid metaal; en een orgaan voor het op een tevoren gekozen temperatuur houden van de steunring.

6. Inrichting volgens conclusie 5, gekenmerkt door een smeltring die geplaatst is langs de rand van de opening in het steunorgaan, waarbij de smeltring van een materiaal is dat identiek is aan dat van de hoeveelheid metaal.

7. Inrichting volgens conclusie 5, gekenmerkt door een gietvorm met een inlaatopening die in open verbinding staat met de opening in het steunorgaan.

8. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het steunorgaan verplaatsbaar is ten opzichte van de inductiespoel.

9. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het steunorgaan de vorm heeft van een ring.

10. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het orgaan voor het op een tevoren gekozen temperatuur houden van het steunorgaan tenminste één kanaal in het steunorgaan omvat waardoorheen een koelfluidum wordt gecirculeerd.

11. Werkwijze voor het inductief smelten van een hoeveelheid metaal zonder een houder, gekenmerkt door de volgende stappen; het plaatsen van de hoeveelheid metaal binnen een inductiespoel; het produceren van een electromagnetisch veld binnen de inductiespoel waarbij het electromagnetische veld wervel-stromen induceert binnenin de hoeveelheid metaal, alsmede electromagnetische krachten die op het oppervlak van de hoeveelheid metaal werken, waarbij de electromagnetische kracht groter is naar het onderste gedeelte van de hoeveelheid metaal toe waardoor de hoeveelheid metaal smelt vanuit zijn bovenste gedeelte naar beneden; het zo smelten van de hoeveelheid metaal dat de warmte-overdracht vanuit het vloeibare deel van de hoeveelheid me taal het overblijvende deel in vaste vorm van de hoeveelheid metaal geheel zal smelten op een rand van metaal in vaste vorm na die in contact is met een steun die geplaatst is tegen het ondervlak van de hoeveelheid metaal; en het verder smelten van de hoeveelheid metaal zodat het vloeibare deel van de hoeveelheid metaal door een opening in de rand van het metaal in vaste vorm en een opening in het steunorgaan zal stromen.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, gekenmerkt door de stap van het verzamelen van het vloeibare deel van de hoeveelheid metaal in een gietvorm die opgesteld is onder de opening in het steunorgaan.

13. Werkwijze volgens conclusie 11, gekenmerkt door de stappen van het gedeeltelijk plaatsen van de hoeveelheid metaal binnen het electromagnetische veld totdat het gedeelte van de hoeveelheid metaal binnen het electromagnetische veld een tevoren gekozen temperatuur bereikt en het vervolgens plaatsen van de gehele hoeveelheid metaal binnen het electromagnetische veld.

14. Werkwijze voor het verhinderen van verontreiniging van vloeibaar metaal wanneer dit vloeibare metaal door een leiding gaat, gekenmerkt door de volgende stappen: het aanbrengen van een smeltring binnenin de lei-edng waarbij de smeltring is van een materiaal dat identiek is aan het materiaal van het vloeibare metaal; en het door een opening in de smeltring laten heengaan van het vloeibare metaal zonder dat dit in aanraking komt met het inwendige oppervlak van de leiding.

15. Inrichting voor het inductief smelten van een hoeveelheid metaal zonder een houder, gekenmerkt door: een inductiespoel met een aantal windingen die een volume bepaalt voor het opnemen van de hoeveelheid metaal waarbij de inductiespoel is ingericht voor het uitoefenen van een electromagnetische kracht op het metaal die groter is naar de onderzijde van de spoel dan naar de bovenzijde van de spoel, en die tenminste één winding aan de bovenzijde van de inductiespoel bevat die is ge wonden in een richting tegengesteld aan die van tenminste de resterende windingen van de inductiespoel; een orgaan voor het bekrachtigen van de spoel; een orgaan voor het verplaatsen van de spoel langs een lengte-as daarvan ten opzichte van de hoeveelheid metaal die in het volume van de spoel is opgenomen; een steunorgaan voor het van onderaf steunen van het metaal en voorzien van een daardoorheen gaande opening; en een orgaan voor het op een tevoren gekozen temperatuur houden van het steunorgaan.

16. Inrichting volgens conclusie 15, gekenmerkt door een gietvorm met een inlaatopening in open verbinding met de opening in het steunorgaan.

17. Inrichting volgens conclusie 15, gekenmerkt door een draaibare schijf nabij de opening in het steunorgaan en zo geplaatst dat het gesmolten metaal dat door de opening in het steunorgaan heen gaat, op de schijf terecht komt.

18. Inrichting volgens conclusie 15, gekenmerkt door; een gesloten kamer die het spoelvolume voor het opnemen van de hoeveelheid metaal omgeeft, en een orgaan voor het beheersen van de atmosfeer in de kamer

19. Een opsluitspoel voor het inductief smelten van een hoeveelheid metaal zonder een houder, gekenmerkt door: een inductiespoel met een aantal windingen die een volume bepaalt voor het opnemen van een hoeveelheid metaal, waarbij de inductiespoel is ingericht voor het uitoefenen van een grotere electromagnetische kracht op het metaal in de richting van het onderste gedeelte van het metaal dan in de richting van het bovenste gedeelte van het metaal, en waarbij tenminste één van de windingen die geplaatst is nabij de bovenzijde van de spoel, is gewikkeld in een richting tegengesteld aan die van de rest van de windingen van de spoel.

20. Opsluitspoel volgens conclusie 19, met een gro- tere concentratie van windingen die aangebracht zijn nabij de onderzijde van de spoel dan bij de bovenzijde van de spoel·

21. Werkwijze voor het inductief smelten van een hoeveelheid metaal zonder een houder, gekenmerkt door de volgende stappen: het plaatsen van de hoeveelheid metaal op een oppervlak van een steun met daardoorheen een opening; het plaatsen van een inductiespoel rondom het bovengedeelte van de hoeveelheid metaal waarbij de inductiespoel is geschikt gemaakt voor het bij bekrachtiging uitoefenen van een electromagnetische kracht die sterker is in de richting van de onderzijde van de spoel dan in de richting van de bovenzijde van de spoel; het bekrachtigen van de inductiespoel zodat het gedeelte van de hoeveelheid metaal dat binnen de inductiespoel is geplaatst, wordt verhit tot een tevoren gekozen temperatuur; het zo omlaag brengen van de inductiespoel dat praktisch de gehele hoeveelheid metaal zich binnen de inductiespoel bevindt; en het verder smelten van de hoeveelheid metaal zodat het vloeibare metaal door de opening in de steun heenloopt.

22. Werkwijze volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat de steun een orgaan bevat voor het op een tevoren gekozen temperatuur onder het smeltpunt van het metaal houden van het oppervlak van de steun.

23. Werkwijze volgens conclusie 21, gekenmerkt door de stap van het plaatsen van de hoeveelheid metaal in een gesloten kamer met een orgaan voor het beheersen van de atmosfeer daarin.

24. Werkwijze volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat de inductiespoel is voorzien van een orgaan voor het verhinderen van het gaan zweven van de hoeveelheid metaal.

25. Werkwijze volgens conclusie 24, met het kenmerk, dat de tenminste ene winding van de inductiespoel nabij de bovenzijde van de inductiespoel is gewikkeld in een richting tegen- gesteld aan die van de rest van de windingen van de inductiespoel.

26. Werkwijze voor het inductief smelten van een hoeveelheid metaal en het daaruit verwijderen van verontreinigingen zonder een houder, gekenmerkt door de volgende stappen: het plaatsen van de hoeveelheid metaal binnenin een inductiespoel waarbij de inductiespoel geschikt is om bij bekrachtiging een electromagnetische kracht uit te oefenen die sterker is in de richting van de onderzijde van de spoel dan in de richting van de bovenzijde van de spoel, en het plaatsen van de hoeveelheid metaal op een oppervlak van een steun die een orgaan bevat voor het op een tevoren gekozen temperatuur onder het smeltpunt van het metaal houden van het oppervlak van de steun, waarbij de steun tevens is voorzien van een daardoorheen gaande opening; het bekrachtigen van de inductiespoel zodat de hoeveelheid metaal wordt verhit tot tenminste zijn smeltpunt om daardoor verontreinigingen binnenin de hoeveelheid metaal te laten migreren naar het oppervlak van de hoeveelheid metaal; het inductief smelten van de hoeveelheid metaal op een rand van metaal in vaste vorm na die in contact is met de steun, waarbij de rand van metaal in vaste vorm een relatief grotere hoeveelheid verontreinigingen heeft dan de rest van de hoeveelheid metaal als gevolg van de migratie van verontreinigingen naar het oppervlak van de hoeveelheid metaal; en het verder smelten van de hoeveelheid metaal zodat het vloeibare deel van de hoeveelheid metaal door een opening in de rand van het metaal in vaste vorm en de opening in de steun heen stroomt.

27. Werkwijze volgens conclusie 26, gekenmerkt door de stappen van het gedeeltelijk plaatsen van de hoeveelheid metaal binnenin de inductiespoel totdat het gedeelte van de hoeveelheid metaal binnen het electromagnetische veld een tevoren gekozen temperatuur bereikt, en het vervolgens plaatsen van de gehele hoeveelheid metaal binnenin de inductiespoel.

28. Werkwijze volgens conclusie 26, gekenmerkt door de stap van het plaatsen van de hoeveelheid metaal zoals die wordt gesmolten, binnen een gesloten kamer met een orgaan voor het beheersen van de atmosfeer daarin.