RU2735329C1

RU2735329C1 - Способ левитационной плавки с использованием кольцеобразного элемента

Info

Publication number: RU2735329C1
Application number: RU2020125353A
Authority: RU
Inventors: Сергейс СПИТАНС; Хенрик ФРАНЦ; Бьёрн ЗЕРИНГ
Original assignee: Алд Вакуум Текнолоджиз Гмбх
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2020-10-30
Also published as: WO2020016062A1; KR20200115634A; TWI757611B; CN111758299B; JP2021522666A; JP6961110B2; PL3622781T3; TW202007224A; EP3622781A1; KR102217519B1; DE102018117302A1; PT3622781T; EP3622781B1; US20210245241A1; US11192179B2; CN111758299A; ES2800305T3; SI3622781T1

Abstract

Изобретение относится к способу левитационной плавки и устройству для изготовления отливок с кольцеобразным элементом из электропроводящего материала для осуществления разливки расплавленной шихты в литьевую форму. Технический результат – повышение эффективности способа. В способе изготовления отливок, выполненных из электропроводящего материала, методом левитационной плавки, для приведения шихты (1) в состояние левитации используют электромагнитные переменные поля, вырабатываемые, по меньшей мере, одной парой расположенных друг против друга катушек (3) индуктивности с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала (4). При этом разливку всей шихты (1) в литейную форму (2) осуществляют посредством ввода кольцеобразного элемента (7), выполненного из электропроводящего материала, в область электромагнитного переменного поля между катушками (3) индуктивности. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к способу левитационной плавки и устройству для изготовления отливок, с кольцеобразным элементом из электропроводящего материала для ввода расплавленной шихты при разливке в литейную форму. При способе для разливки расплавленной шихты кольцеобразный элемент вводят в область электромагнитного переменного поля между катушками индуктивности и, тем самым, посредством воздействия на наведенное магнитное поле инициируют целенаправленную разливку расплава в литейную форму.

Способы левитационной плавки известны из уровня техники. Так, заявка DE 422004 А уже раскрывает способ плавки, при котором электропроводящий материал нагревают индукционными токами и одновременно с помощью электродинамического воздействия поддерживают в состоянии свободного парения. Там описан также способ литья, при котором расплавленный материал вдавливают в форму с помощью магнита (электродинамическое литье под давлением). Способ можно осуществлять в вакууме.

Заявка US 2686864 А также описывает способ, при котором электропроводящий материал, например, в вакууме и под воздействием одной или нескольких катушек без использования тигля переводят в состояние левитации. В этой форме исполнения для стабилизации материала в состоянии левитации используют две коаксиальных катушки. После плавки материал направляют в форму путем его падения или разливки. С помощью описанных там способов можно удерживать в состоянии левитации порцию алюминия массой 60 г. Расплавленный металл извлекают посредством снижения напряженности поля, так что расплав уходит вниз через конически сужающуюся катушку. При слишком быстром снижении напряженности поля металл в расплавленном состоянии выпадает из устройства. Уже было установлено, что «слабое место» таких конструкций катушек расположено в центре катушек, так что количество материала, который можно расплавить таким образом, ограничено.

Также и заявка US 4578552 A раскрывает устройство и способ левитационной плавки. Одну и ту же катушку используют как для нагрева, так и для удержания расплава, при этом частоту приложенного переменного тока варьируют, поддерживая силу тока на постоянной величине.

Особые преимущества способа заключаются в предотвращении загрязнения расплава материалом тигля или другими материалами, которые при других способах находятся в контакте с расплавом. Таким же образом исключают возможность реакции реактивных расплавов, например, титановых сплавов, с материалом тигля, которая в ином случае вынуждает переходить с керамических тиглей на используемые в технологии холодного тигля медные тигли. Находящийся в состоянии левитации расплав входит в контакт лишь с окружающей атмосферой, в случае которой речь может идти, например, о вакууме или защитном газе. За счет того, что можно не опасаться химической реакции с материалом тигля, расплав можно нагревать до очень высоких температур. В отличие от плавки по технологии холодного тигля к тому же не возникает проблема, связанная с ее весьма низкой эффективностью, поскольку практически вся энергия, которая введена в расплав, отводится в охлажденную стенку тигля, что ведет к очень медленному подъему температуры при больших затратах мощности. В случае способа левитационной плавки единственные потери приходятся на излучение и испарение, которые существенно меньше по сравнению с теплопроводностью при холодном тигле. Таким образом, при меньших затратах энергии достигают большего перегрева расплава в течение также еще более короткого промежутка времени.

Помимо этого, при левитационной плавки уменьшается выход брака в результате загрязнения материала. И все же левитационная плавка не нашла широкого практического применения. Причина в том, что в случае способа левитационной плавки в состоянии левитации можно удерживать лишь сравнительно малое количество расплавленного материала (см. DE 69617103 Т2, стр. 2, абзац 1).

Далее, для осуществления способа левитационной плавки для того, чтобы суметь удержать шихту в состоянии левитации, сила Лоренца поля катушки должна компенсировать силу тяжести шихты. При этом она выдавливает шихту вверх из поля катушки. Для повышения эффективности выработанного магнитного поля стремятся к уменьшению расстояния между противоположными ферритовыми полюсами. Уменьшение расстояния позволяет при меньшем напряжении вырабатывать такое же магнитное поле, что и необходимое для удержания определенной массы шихты. Тем самым можно улучшить эффективность удерживания установки, чтобы обеспечить возможность удерживания в состоянии левитации также шихт с большей массой. Далее, вследствие уменьшения потерь в катушках индуктивности улучшают также эффективность нагрева.

Чем меньше расстояние между ферритовыми полюсами, тем сильнее наведенное магнитное поле. Конечно, с уменьшением расстояния возрастает также опасность загрязнения ферритовых полюсов и катушек индуктивности расплавом, поскольку для разливки напряженность поля необходимо уменьшить. При этом происходит уменьшение удерживающей силы не только в вертикальном, но и также в горизонтальном направлении. В результате этого происходит горизонтальное расширение расплава, легко левитирующего выше поля катушки, что делает чрезвычайно затруднительным его падение без соприкосновения сквозь узкий зазор между ферритовыми полюсами в позиционированную ниже литейную форму. Поэтому увеличение несущей силы поля катушки за счет уменьшения расстояния между ферритовыми полюсами ограничено практическими рамками.

Недостатки способов, известных из уровня техники, можно резюмировать следующим образом. Способы левитационной плавки можно осуществлять лишь с малыми количествами материала, так что до настоящего времени не удалось добиться их промышленного использования. Далее, усложняется процесс разливки в литейные формы. Это, в частности, справедливо для случая, когда эффективность поля катушки при выработке вихревых токов необходимо повысить за счет уменьшения расстояния между ферритовыми полюсами.

Раскрытие сущности изобретения

Задачу решают с помощью соответствующего изобретению способа и соответствующего изобретению устройства. В соответствии с изобретением способ изготовления отливок из электропроводящего материала способом левитационной плавки, причем для приведения шихты в состояние левитации используют электромагнитные переменные поля, вырабатываемые, по меньшей мере, парой расположенных напротив друг друга катушек индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала, включает в себя следующие этапы:

- введение шихты исходного материала в область, по меньшей мере, одного электромагнитного переменного поля, в результате чего шихту удерживают в состоянии левитации,

- плавка шихты,

- позиционирование литейной формы в области заполнения ниже левитирующей шихты,

- разливка всей шихты в литейную форму посредством введения кольцеобразного элемента из электропроводящего материала в область электромагнитного переменного поля между катушками индуктивности,

- извлечение застывшей отливки из литейной формы.

При этом объем расплавленной шихты предпочтительно достаточен для заполнения в мере, достаточной для изготовления отливки литейной формы («объем заполнения»). После заполнения литейной формы ей дают охладиться или охлаждают с помощью охлаждающего средства, в результате чего материал застывает в форме. После этого отливку можно извлечь из формы.

Под «электропроводящим материалом» в соответствии с изобретением понимают материал, который обладает электропроводностью, достаточной для индукционного нагрева материала и удержания его в состоянии левитации.

Применительно к кольцеобразном элементу под определением «проводящий электричество материал» следует понимать материал, электрическая проводимость которого велика, по меньшей мере, настолько, что возможно воздействие вихревых токов, наведенных в кольцеобразном элементе, на окружающее магнитное поле.

Под «состоянием левитации» в соответствии с изобретением понимают состояние полного парения, в результате которого обрабатываемая шихта никоим образом не входит в контакт с тиглем или платформой или т.п.

Понятие «ферритовый полюс» используют в рамках настоящей заявки в качестве синонима обозначению «сердечник из ферромагнитного материала». Таким же образом равнозначными по смыслу являются понятия «катушка» и «катушка индуктивности».

За счет сдвигания пар катушек индуктивности можно повысить эффективность выработанного электромагнитного переменного поля. За счет этого удается также переводить в состояние левитации более тяжелые шихты. Однако с уменьшением свободного поперечного сечения между катушками при разливке шихты возрастает опасность соприкосновения расплавленной шихты с катушками или ферритовыми полюсами. Таких загрязнений следует, однако, обязательно избегать, поскольку их устранение является тяжелой и дорогостоящей задачей и поэтому влечет за собой длительный простой установки. Для того чтобы суметь по возможности в полной мере использовать преимущества более узкого расстояние между парами катушек индуктивности без опасности загрязнений при разливке, в соответствии с изобретением разливка шихты производят за счет того, что кольцеобразный элемент из электропроводящего материала медленно вводят в магнитное поле ниже левитирующей шихты. При этом силу тока в вырабатывающих поле катушках оставляют неизменной вплоть до завершения разливки.

Под воздействием окружающего электромагнитного переменного поля в кольцеобразном элементе наводятся вихревые токи, которые воздействуют на внешнее магнитное поле. При этом под определением «кольцеобразный» в соответствии с изобретением понимают не только округлые элементы и полногранные элементы, но и любой многогранный объект, удовлетворяющий обоим следующим условиям:

1. Поверхность объекта образует замкнутый контур, в результате чего магнитный поток не может пройти сквозь этот объект, а должен обтекать его. Тем самым минимум магнитного поля можно создать под расплавом.

2. Объект содержит в своем центре отверстие, которое позволяет расплаву стекать сквозь него.

В соответствии с изобретением примерами таких полногранных, кольцеобразных элементов согласно этому наряду с цилиндрической трубой являются также имеющие форму трубы структуры на базе многоугольных элементов, которые образуют главным образом округлую структуру, например, многоугольники с пятью или более углами. Примерами, не являющихся полногранными, кольцеобразных элементов являются кубы или квадраты, которые аналогично решетчатой структуре образованы лишь их кромками из электропроводящего материала.

При этом на концах кольцеобразного элемента возникают магнитные поля с особо высокой напряженностью, которые надежно предохраняют расплав от соприкосновения с верхним краем кольцеобразного элемента при прохождении сквозь плоскости катушек. Поскольку к тому же в центре кольцеобразного элемента одновременно уменьшается напряженность окружающего магнитного поля, для расплава возникает эффект воронки, через которую он может целенаправленно и без разбрызгивания стекать в позиционированную ниже кольцеобразного элемента литейную форму. Остальной расплав продолжает левитировать выше кольцеобразного элемента, медленно стекая в его центре. Диаметр кольцеобразного элемента соответствует предпочтительно диаметру имеющего форму воронки участка заполнения литьевой формы или меньше на минимальную величину.

В соответствии с изобретением в отличие от известных способов левитационной плавки разливку расплава осуществляют, следовательно, не за счет устранения силы Лоренца магнитного поля, компенсирующей силу тяжести, посредством уменьшения силы тока в катушках или вообще полного отключения катушек, а лишь за счет целенаправленного манипулирования характеристикой магнитного поля с помощью кольцеобразного элемента.

В форме исполнения электропроводящий материал кольцеобразного элемента содержит один или несколько элементов из группы: серебро, медь, золото, алюминий, родий, вольфрам, цинк, железо, платина и олово. В частности, она включает в себя также сплавы, например, латуни и бронзы. Особо предпочтительно группа состоит из серебра, меди, золота и алюминия. Наиболее предпочтительно электропроводящий материал кольцеобразного элемента состоит из меди, причем в весовом процентном отношении возможно присутствие до 5% посторонних составных частей.

В особо предпочтительной форме исполнения изобретения кольцеобразный элемент конически сужается на стороне, которую вводят первой в область электромагнитного переменного поля. Хотя это и ведет к уменьшению диаметра, который находится в распоряжении для стекания расплава, однако, снижает опасность соприкосновения кольцеобразного элемента во внутреннем пространстве с расплавом и его загрязнения. Магнитное поле на наклонно ориентированной оболочке, направленное более вовнутрь и усиленное за счет меньшего диаметра, надежно обеспечивает возможность входа расплава без соприкосновения в кольцеобразный элемент, несмотря на уменьшенную площадь прохождения. Концентрированная таким образом в центре кольцеобразного элемента струя расплава находится в расширяющемся в этом случае диаметре на оптимальном расстоянии от кольцевой стенки.

В предпочтительной форме исполнения кольцеобразный элемент выполнен с полыми стенками и заполнен в этом полом пространстве материалом с фазовым переходом (phase change material PCM). Это обеспечивает эффективное охлаждение кольцеобразного элемента, который нагревается при разливке расплава в переменном поле катушек индуктивности.

Охлаждение кольцеобразного элемента осуществляют предпочтительно таким образом, что во время процесса разливки он покоится на охлажденной опорной поверхности. Последнюю можно интенсивно охлаждать для регенерации материала с фазовым переходом во время следующего процесса плавки и повторного охлаждения кольцеобразного элемента, прежде чем он будет вновь поднят в переменное магнитное поле для следующей разливки.

Для этого особой предпочтительным вариантом исполнения предусмотрено, что подъем кольцеобразного элемента для введения в область электромагнитного переменного поля происходит между катушками индуктивности со стороны литейной формы. Для этого кольцеобразный элемент содержит пригодные средства, обеспечивающие захват при подъеме литейной формы в позицию разливки, например, уменьшение поперечного сечения в форме бутылочного горла на верхнем конце до диаметра, который меньше верхнего поперечного сечения литейной формы, или штифтов, которые могут входить с зацеплением в соответствующим образом выполненные крепления на литьевой форме. В случае кольцеобразного элемента с конически сужающейся областью она может служить в качестве захватывающего средства. При опускании литейной формы после разливки кольцеобразный элемент вновь устанавливают на охлажденную опорную поверхность и литьевую форму можно извлечь в направлении вниз. Это создает то преимущество, что для одной плавильной установки необходим лишь один кольцеобразный элемент и его можно использовать совместно с несколькими литейными формами. Так как литьевая форма принимает на себя функцию подъема, в конструкции плавильной установки можно отказаться от дополнительной механики для подъема кольцеобразного элемента, что упрощает и удешевляет конструкцию.

Следующая, чрезвычайно предпочтительная форма исполнения предусматривает, что кольцеобразный элемент является частью литейной формы. При этом кольцеобразный элемент может быть расположен в форме бортика вокруг верхнего края выполненного, как правило, в форме воронки участка заполнения литейной формы. Альтернативно он может также образовывать продолжение верхнего диаметра участка заполнения. В результате эффекта воронки кольцеобразного элемента диаметр воронкообразного участка заполнения может быть выбран меньшим по сравнению с обычно принятым, так что диаметр можно уменьшить настолько, что верхний конец литейной формы можно ввести в область между катушками.

Посредством этого можно добиться дальнейшего упрощения и ускорения процесса плавки, поскольку литейную форму так или иначе необходимо поднять из позиции подвода в позицию разливки ниже конструкции катушек. Для соответствующей изобретению разливки в этом случае этот подъем необходимо произвести лишь на несколько большую высоту. Таким образом, можно отказаться от дополнительной механики для специального подъема кольцеобразного элемента. Кроме того, подъем формы в позицию разливки можно комбинировать с разливкой. Именно в случае утерянных форм из керамики кольцеобразный элемент может быть также выполнен съемным, так что перед разбиванием форм его можно удалить и использовать непосредственно повторно на новой форме. Это можно осуществить, например, за счет имеющего форму платформы расширения верхней области литьевой формы, на которую должен быть установлен кольцеобразный элемент, если его вдвигают через край имеющего форму воронки участка заполнения.

Электропроводящий материал, используемый в соответствии с изобретением в качестве шихты, содержит, по меньшей мере, один высокоплавкий металл из следующей группы: титан, цирконий, ванадий, тантал, вольфрам, гафний, ниобий, рений, молибден. Альтернативно можно использовать также менее высокоплавкий металл, например, никель, железо или алюминий. В качестве электропроводящего материала можно использовать также смесь или сплав с одним или каждым из названных металлов. Доля электропроводящего материала в металле составляет в весовом процентном содержании, по меньшей мере, 50%, в частности, по меньшей мере, 60% или, по меньшей мере, 70%. Было установлено, что эти металлы особенно удачны в свете преимуществ настоящего изобретения. В особо предпочтительной форме исполнения токопроводящим материалом является титан или сплав титана, в частности, TiAl или TiAlV.

Эти металлы или сплавы особенно предпочтительно удобны в обработке, так как они обладают выраженной зависимостью вязкости от температуры и, помимо этого, являются особенно реактивными, в частности, в отношении материалов литейной формы. Поскольку соответствующий изобретению способ комбинирует бесконтактную плавку в состоянии левитации с экстремально быстрым заполнением литейной формы, именно для этих металлов можно реализовать особое преимущество. С помощью соответствующего изобретению способа можно изготавливать отливки, которые содержат особенно тонкий слой оксида или вообще не содержат никакого слоя оксида из реакции расплава с материалом литейной формы. И именно при высокоплавких металлах становятся особенно заметными достигнутое улучшение использования наведенного вихревого тока и весьма значительное уменьшение тепловых потерь в результате термического контакта в течение временных циклов. Далее, можно увеличить несущую силу магнитного поля, так что в состоянии левитации можно удерживать также тяжелые шихты.

В предпочтительной форме исполнения изобретения при плавке электропроводящий материал перегревают до температуры, которая, по меньшей мере, на 10°С, по меньшей мере, на 20°С или, по меньшей мере, на 30°С выше точки плавления материала. За счет перегрева предотвращают мгновенное застывание материала при контакте с литьевой формой, температура которой ниже температуры плавления. Добились того, что шихту в литьевой форме можно распределить прежде, чем вязкость материала станет слишком высокой. Преимущество левитационной плавки состоит в том, что нет необходимости в использовании тигля, который находится в контакте с расплавом. Так избегают высоких потерь материала на стенке тигля, присущих технологии холодного тигля, равно как и загрязнения расплава составными элементами тигля. Следующее преимущество заключается в том, что расплав можно нагревать до высокой температуры, так как возможна работа в вакууме или в среде защитного газа и не происходит контакта с реакционноспособными материалами. Все же материалы нельзя перегревать любым образом, поскольку в противном случае следует опасаться мощной реакции с литейной формой. Поэтому перегрев ограничен предпочтительно максимально до 300°С, в частности, максимально до 200°С и, в частности, предпочтительно максимально до 100°С сверх точки плавления электропроводящего материала.

При способе для концентрации магнитного поля и стабилизации шихты, по меньшей мере, один ферромагнитный элемент расположен горизонтально вокруг области, в которой плавят шихту. Ферромагнитный элемент может быть расположен кольцеобразно вокруг области плавки, причем под «кольцеобразным» понимают не только округлые элементы, но и содержащие углы, в частности, четырех- или многоугольные кольцевые элементы. Далее, ферромагнитный элемент может содержать несколько стержневых участков, которые выступают, в частности, горизонтально в направлении области плавки. Ферромагнитный элемент состоит из ферромагнитного материала, предпочтительно с амплитудной магнитной проницаемостью μ_a >10, более предпочтительно μ_a >50 и особо предпочтительно μ_a >100. Амплитудная магнитная проницаемость составляет, в частности, по меньшей мере сотую часть, в частности, по меньшей мере, 10 сотых или 25 сотых амплитудной магнитной проницаемости магнитомягкого феррита (например, 3С92). Специалисту в данной области техники известны пригодные материалы.

В форме исполнения электромагнитные поля вырабатывают, по меньшей мере, двумя парами катушек индуктивности, продольные оси которых ориентированы горизонтально, то есть проводники катушек намотаны предпочтительно соответственно на горизонтально ориентированные тела катушек. Катушки могут быть расположены соответственно вокруг выступающего в направлении плавки участка стержня ферромагнитного элемента. Катушки могут содержать проводники, охлаждаемые охлаждающим средством.

Далее, изобретению соответствует также устройство для левитационной плавки, содержащее, по меньшей мере, пару расположенных напротив друг друга катушек индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала для приведения шихты в состояние левитации при помощи электромагнитных переменных полей и кольцеобразный элемент из электропроводящего материала, который может быть введен в область электромагнитного переменного поля между катушками индуктивности.

Кроме того, изобретению соответствует также использование кольцеобразного элемента, который состоит из электропроводящего материала и является составным элементом литейной формы, в способе левитационной плавки для разливки шихты в литейную форму посредством ввода в область между катушками индуктивности, которые вырабатывают электромагнитное переменное поле для приведения шихты в состояние левитации.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает в сечении вид сбоку на литейную форму ниже области плавки с ферромагнитными элементами, катушками, кольцеобразным элементом и шихтой из электропроводящего материала.

Фиг. 2 показывает в сечении вид сбоку на вариант по фиг. 1, при котором кольцеобразный элемент является частью литьевой формы.

Фиг. 3а-3с показывают в сечении вид сбоку на вариант с кольцеобразным элементом с коническим сужением в ходе процесса разливки.

Фиг. 4а-4d показывают в сечении вид сбоку на вариант с кольцеобразным элементом с материалом с фазовым переходом в ходе процесса разливки.

Фигуры показывают предпочтительные формы исполнения. Они служат только для наглядного объяснения.

Фиг. 1 показывает шихту (1) из электропроводящего материала, которая расположена в области электромагнитных переменных полей (области плавки), вырабатываемых с помощью катушек (3). Под шихтой (1) расположена пустая литейная форма (2), которую держатель (5) удерживает в области заполнения. Литейная форма (2) содержит имеющий форму воронки участок (6) заполнения. Держатель (5) выполнен для подъема литейной формы (2) из позиции подвода в позицию разливки, что символически показано стрелкой. В сердечнике катушек (3) расположен ферромагнитный материал (4). Оси пары катушек (3) ориентированы горизонтально, причем соответственно две противолежащих катушки (3) образуют одну пару. Между шихтой (1) и имеющим форму воронки участком (6) заполнения литьевой формы (2) ниже пары катушек (3) расположен кольцеобразный элемент (7). Как показывает стрелка, его можно перемещать в вертикальном направлении.

В соответствующем изобретению способе шихту (1) плавят в состоянии левитации и после плавки разливают в литьевую форму (2). Для разливки кольцеобразный элемент (7) медленно поднимают в область магнитного поля между катушками (3). Вследствие этого расплав медленно и контролируемо стекает через кольцеобразный элемент (7) в литьевую форму (2), не загрязняя при этом катушки (3) или их сердечники и внутреннюю сторону кольцеобразного элемента (7) или не образуя брызг на имеющем форму воронки участке (6) заполнения литьевой формы (2).

Аналогично фиг. 1 фиг. 2 показывает вариант исполнения, при котором кольцеобразный элемент (7) является частью литьевой формы (2). В показанном варианте кольцеобразный элемент (7) выполнен в форме закраины вокруг имеющего форму воронки участка (6) заполнения литейной формы (2). В то время как при разливке держатель (5) в варианте по фиг. 1 в показанной позиции неподвижен и лишь кольцеобразный элемент (7) приводят в движение с помощью не изображенной механики, в этом случае для разливки всю литьевую форму (2) с держателем (5) перемещают из изображенной позиции еще дальше вверх. Это создает то дополнительное преимущество, что одновременно еще более уменьшается расстояние между расплавом и имеющим форму воронки участком (6) заполнения и, таким образом, участок свободного падения расплава уменьшают до минимума. За счет этого можно надежно предотвратить разбрызгивание.

Фиг. 3 показывают поэтапное протекание процесса разливки при варианте исполнения с кольцеобразным элементом (7) с коническим сужением на верхней стороне. На чертеже не изображена литьевая форма (2), расположенная ниже кольцеобразного элемента (7).

Фиг. 3а показывает стадию в конце процесса плавки. Кольцеобразный элемент (7) находится ниже магнитного поля катушек (3). Расплав левитирует в области поверх катушек (3). Изображенные линии магнитного поля свободно проходят между полюсами из ферромагнитного материала (4) катушек (3).

Фиг. 3b показывает ситуацию к моменту начала входа кольцеобразного элемента (7) в магнитное поле катушек (3). Как видно, происходит более значительное отклонение линий магнитного поля, в частности, в области конуса, и обтекание ими кольцеобразного элемента (7), в результате чего они не проникают в область. внутри конуса и цилиндрической части. Проходящие позади кольцеобразного элемента (7) линии поля изображены пунктиром. При этом под воздействием магнитного поля, выработанного вихревыми токами в кольцеобразном элементе (7), величина силы Лоренца существенно возрастает в области вдоль скоса в направлении остриев кольцеобразного элемента (7).

Фиг. 3с показывает, наконец, ситуацию в начале разливки. В центре кольцеобразного элемента (7) в результате эффекта воронки, созданного отклоненными магнитными силами, образовано начало струи расплава. Первая большая капля расплава шихты (1) уже выступает внутрь отверстия конуса, причем магнитное поле на вершине конуса обеспечивает сужение левитирующей шихты (1) на ее нижней стороне, а также предотвращает соприкосновение. Соответствующим образом объем расплава в области катушки уже несколько уменьшен. На чертеже линии магнитного поля, проходящие позади кольцеобразного элемента (7) и каплей расплава, снова изображены штриховыми линиями. Теперь кольцеобразный элемент (7) непрерывно медленно перемещают дальше вверх до тех пор, пока весь расплав шихты (1) не стечет в литейную форму (2).

Фиг. 4 показывают поэтапное протекание процесса разливки при варианте исполнения с кольцеобразным элементом (7) с материалом с фазовым переходом в полой стенке и с охлажденной опорной поверхностью.

Фиг. 4а показывает ситуацию в конце процесса плавки. Готовый расплав (1) левитирует выше катушек (3) индуктивности с их сердечниками из ферромагнитного материала (4). Ниже приготовлена литьевая форма (2) с ее имеющим форму воронки участком (6) заполнения. Для разливки, литейную форму (2), как показано стрелкой, перемещают вверх. В этом примере разливку осуществляют с помощью кольцеобразного элемента (7) в форме цилиндрической трубы, который в полой стенке заполнен материалом (8) с фазовым переходом. Во время фазы плавки он покоится на сильно охлажденной опорной поверхности (10). При подъеме литейной формы (2) участок заполнения проходит сквозь охлажденную опорную поверхность в кольцеобразный элемент (7) и поднимает кольцеобразный элемент (7) с помощью закраины (9). Кольцеобразного элемент (7) и охлажденная опорная поверхность (10), на которой он покоится, имеют такой внутренний диаметр, что они охватывают с небольшим зазором верхний наружный диаметр участка (6) заполнения. При этом выполненная в форме фланца закраина (9) выступает внутрь настолько, что она опирается о край участка (6) заполнения, не перекрывая поверхность воронки.

Фиг. 4b показывает ситуацию к началу процесса разливки. Литьевая форма (2) с расположенным над ней кольцеобразным элементом (7) была поднята внутрь поля катушки вплоть до области ниже левитирующего расплава (1). Для осуществления разливки ее еще несколько поднимают вверх до тех пор, пока расплав (1) не стечет в литейную форму (2). При этом кольцеобразный элемент (7) нагревается лучистой теплотой расплава (1) и магнитным переменным полем. Повышение температуры можно уменьшать или замедлять с помощью фазового перехода материала (8) с фазовым переходом внутри кольцеобразного элемента (7).

На фиг. 4с показана заполненная расплавом (1) литейная форма (2) после разливки вновь на указанном стрелкой пути вниз. При этом она снова отрывает горячий кольцеобразный элемент (7) от охлажденной опорной поверхности (10), где происходит его охлаждение с повторной сменой фазы материала (8) со сменой фазы для следующей партии расплава.

Это состояние в конце процесса разливки показано на фиг. 4d. Литейная форма (2) была полностью опущена сквозь охлажденную опорную поверхность (10) и теперь может быть заменена новой пустой формой. Теперь кольцеобразный элемент (7) вновь покоится, как и на фиг. 4а, на охлажденной опорной поверхности (10). После позиционирования новой литейной формы (2) можно запускать следующий процесс плавки посредством ввода следующей шихты (1) в магнитное поле.

Перечень ссылочных обозначений

1 Шихта

2 Литейная форма

3 Катушка индуктивности

4 Ферромагнитный материал

5 Держатель

6 Участок заполнения

7 Кольцеобразный элемент

8 Материал со сменой фазы

9 Закраина

10 Охлажденная опорная поверхность.

Claims

1. Способ изготовления отливок, выполненных из электропроводящего материала методом левитационной плавки, причем для приведения шихты (1) в состояние левитации используют электромагнитные переменные поля, вырабатываемые, по меньшей мере, одной парой расположенных друг против друга катушек (3) индуктивности с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала (4), включающий в себя следующие этапы:

- ввод шихты (1) исходного материала в область, по меньшей мере, одного электромагнитного переменного поля, в результате чего шихту (1) удерживают в состоянии левитации,

- плавка шихты (1),

- позиционирование литейной формы (2) в области заполнения ниже левитирующей шихты (1),

- разливка всей шихты (1) в литейную форму (2),

- извлечение застывшей отливки из литейной формы (2),

отличающийся тем, что разливку всей шихты (1) в литейную форму (2) осуществляют посредством ввода кольцеобразного элемента (7), выполненного из электропроводящего материала, в область электромагнитного переменного поля между катушками (3) индуктивности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электропроводящий материал кольцеобразного элемента (7) содержит один или несколько элементов из группы, содержащей: серебро, медь, золото, алюминий, родий, вольфрам, цинк, железо, платина и олово.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что кольцеобразный элемент (7) конически сужается на стороне, которую вводят первой в область электромагнитного переменного поля.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что кольцеобразный элемент (7) является частью литейной формы (2).

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что электромагнитные поля вырабатывают с помощью, по меньшей мере, двух пар катушек (3) индуктивности.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что кольцеобразный элемент (7) выполнен с полыми стенками и это полое пространство заполнено материалом с фазовым переходом.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что кольцеобразный элемент (7) во время процесса плавки покоится на охлаждающей опорной поверхности.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что для ввода в область электромагнитного переменного поля между катушками (3) индуктивности кольцеобразный элемент (7) поднимают над литейной формой (2).

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что кольцеобразный элемент (7) является составной частью литейной формы (2).

10. Устройство для левитационной плавки электропроводящего материала, содержащее, по меньшей мере, одну пару расположенных друг против друга катушек (3) индуктивности с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала (4), для приведения шихты (1) в состояние левитации с помощью электромагнитных переменных полей, отличающееся тем, что оно содержит кольцеобразный элемент (7) из электропроводящего материала, выполненный с возможностью его введения в область электромагнитного переменного поля между катушками (3) индуктивности.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что электропроводящий материал кольцеобразного элемента (7) содержит один или несколько элементов из группы, содержащей: серебро, медь, золото, алюминий, родий, вольфрам, цинк, железо, платина и олово.

12. Устройство по п. 10 или 11, отличающееся тем, что кольцеобразный элемент (7) конически сужается на стороне, которую вводят первой в область электромагнитного переменного поля.

13. Устройство по любому из пп.10-12, отличающееся тем, что электромагнитные поля вырабатывают с помощью, по меньшей мере, двух пар катушек (3) индуктивности.

14. Устройство по любому из пп.10-13, отличающееся тем, что кольцеобразный элемент (7) выполнен с полыми стенками и это полое пространство заполнено материалом с фазовым переходом.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что кольцеобразный элемент (7) во время процесса плавки покоится на охлажденной опорной поверхности.