TWI727370B - 產生鑄件之方法及用於懸浮熔融的導電材料之裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關於一種懸浮熔融方法以及一種藉由可移動感應單元而產生鑄件的裝置。在此方法中，運用可移動感應單元，其中具有可移動感應線圈的相對的鐵氧體磁極佈置成可移動的且於相反方向上移動。以此方式，用於熔融批料的感應單元可以靠近地佈置，以提高感應磁場的效能。當澆鑄熔融批料時，藉由提高鐵氧體磁極以及感應線圈之間的間距，而減小感應磁場，且避免熔融物接觸到鐵氧體磁極或感應線圈。

Description

產生鑄件之方法及用於懸浮熔融的導電材料之裝置
本發明係有關於一種產生鑄件之方法及用於導電材料之裝置，特別係有關於一種藉由懸浮熔融方法從導電材料產生鑄件之方法及用於懸浮熔融的導電材料之裝置。
懸浮熔融過程為現有已知技術。因此，專利案DE 422 004已揭示了一種熔融方法，其中待熔融的傳導材料被感應電流加熱，同時藉由電動力作用(electrodynamic action)以維持懸浮。其中還描述了一種澆鑄方法，藉由磁體將熔融材料壓入鑄模中，此為電動力壓入澆鑄(electrodynamic pressed casting)，此方法可以在真空下進行。
專利案US 2,686,864 A也描述了一種過程，其中待熔融的傳導材料處於懸浮狀態(例如，在真空中在一個或多個線圈的影響下，且沒有使用坩堝(crucible))。在一實施例中，兩個同軸線圈(coaxial coils)用於保持材料的懸浮。在熔融後，將材料滴落或澆鑄(casting)到鑄模中。這裡描述的過程可以維持60公克的鋁部分於懸浮。藉由降低磁場強度，將熔融金屬移出，使熔融金屬向下離開通過圓錐狀線圈。如果磁場強度快速降低，熔融金屬以熔融狀態從裝置中掉落出去。已經認識到，此線圈佈置的“弱點”在於線圈的中心，使得可藉由這種方式所產生的熔融金屬產量受限。
專利案US 4,578,552 A也公開了一種懸浮熔融方法與裝置。同樣的線圈用於加熱和固持熔融物、改變所施加的控制加熱功率的交流電的頻率，同時維持電流恆定。
懸浮熔融的特別優點在於其避免了在其他方法期間與熔融物接觸的坩堝材料或其他材料的熔融物的汙染。反應性熔融物(例如，鈦合金)與坩堝材料反應也被避免了，否則其將迫使將陶瓷坩堝變更為在冷坩堝方法中操作的銅坩堝。懸浮熔融物僅與周圍空氣接觸，例如，可以是真空或惰性氣體。因為不需要害怕與坩堝材料發生化學反應，熔融物也可以加熱到非常高的溫度。與冷坩堝熔融相比，因為幾乎所有引入熔融物的能量都被轉移到冷坩堝壁中，毫無疑問地冷坩堝熔融的加溫效能非常低，其導致高功率輸入時溫度上升仍非常緩慢。在懸浮熔融中，唯一的損失是由於輻射和蒸發，其相較於在冷坩堝中的熱傳導是非常低的。因此，由於較低的功率輸入，可在更短的時間內實現更高的熔融物過度加熱(overheating)。
另外，特別是與冷坩堝中的熔融物相比，在懸浮熔融期間受污染材料的廢料(scrap)減少。然而，懸浮熔融尚未在實踐中確立。其原因在於，在懸浮熔融方法中，僅相對少量的熔融材料可以維持於懸浮(參見專利案DE 696 17 103 T2，第2頁，第1段)。
此外，為了施行懸浮熔融方法，線圈場(coil field)的勞侖茲力(Lorentz force)須能補償批料的重力，以維持其懸浮。勞侖茲力將批料向上推出線圈場。為提高磁場的產生效能，旨在減少相對鐵氧體磁極(opposing ferrite poles)之間的間距。此間距減少允許在較低電壓下產生固持預定熔融物重量所需的磁場。藉由這種方式，可以改善工廠的固持效能，以懸浮更大的批料。此外，因為感應線圈的損耗減少，加熱效能也提高。
鐵氧體磁極之間的間距越小，感應磁場越大。然而，因為用於澆鑄的場強度必須降低，隨著間距的減小，鐵氧體磁極和感應線圈受到汙染的風險隨之提高。這不僅降低了垂直方向上的固持力，而且還降低了水平方向上的固持力。此導致略在線圈場上方的懸浮熔融物的水平膨脹，其使熔融物極度困難不接觸鐵氧體磁極而通過鐵氧體磁極之間的狹窄間隙落入位於下方的鑄模中。因此，藉由減小鐵氧體磁極的間距來提高線圈場的承載能力是藉由接觸可能性所決定的實際限制。
現有技術中已知方法的缺點可歸納如下。全懸浮熔融方法僅能在小量材料產生進行，使得工業化應用尚未發生。此外，澆鑄在鑄模中是困難的。特別是藉由減小鐵氧體磁極之間的間距，而提高線圈場產生渦電流的效能的情況中。
因此，本發明的目的之一為提供一種能經濟地使用的懸浮熔融的方法和裝置。特別是，此方法應藉由改善線圈場的效率，而允許使用更大的批料，並應通過縮短週期時間來實現高產量，同時確保澆鑄過程中，熔融物安全地不接觸感應線圈或其磁極。
此目的藉由根據本發明的方法以及根據本發明的裝置而解決。根據本發明，是一種藉由懸浮熔融方法從導電材料產生鑄件的方法，其中運用交變電磁場而造成批料的懸浮狀態，藉由具有鐵磁材料的芯材的至少一配對的相對感應線圈(opposing induction coils)而產生交變電磁場，其中具有芯材的感應線圈可移動地佈置彼此配對，且在小間距處的熔融位置與一寬間距處的澆鑄位置之間彼此移動，包括以下步驟: -將配對的感應線圈移動至小間距處的熔融位置； -將一起始材料的一批料引入至少一交變電磁場的影響範圍(sphere of influence)中，使批料維持在懸浮狀態； -熔融此批料； -將一鑄模定位於懸浮的批料下方之一充填區域； -藉由將至少一配對的感應線圈從小間距處的熔融位置移動到寬間距處的澆鑄位置，而將批料全部澆鑄於鑄模中； -從鑄模移出固化的鑄件；
熔融批料的體積較佳為足以將鑄模充填到足以產生鑄件(“充填體積”)的高度。在充填鑄模後，允許冷卻或使用冷卻劑而冷卻，使得材料固化於鑄模中。然後可以從鑄模中移出鑄件。
“導電材料”應理解為具有合適傳導性的材料，以對材料感應地加熱並使材料能維持懸浮。
根據本發明的“懸浮狀態”被定義為完全懸浮狀態，使得被處理的批料無任何接觸於坩堝、或平台等。
用語“鐵氧體磁極(ferrite pole)”與用語“鐵磁材料芯材”為同義地使用的。同樣地，用語“線圈”和“感應線圈”也為可互相運用的同義詞。
藉由移動靠近配對的感應線圈，可提高產生交變電磁場的效能。此使更重的批料也可產生懸浮。然而，當澆鑄批料時，隨著線圈之間的空隙剖面(free cross-section)減小，熔融批料接觸線圈或鐵氧體磁極的風險增加。然而，必須嚴格避免這些雜質，因為其耗費時間且難以移除，且因此導致工廠的停機時間延長。為了能夠盡量利用感應線圈配對的較窄間距的優點，而不在澆鑄期間接受雜質風險，根據本發明，具有芯材的感應線圈可移動地分別地安裝在至少一配對的感應線圈。較佳地，配對線圈中心對稱地圍繞感應線圈佈置的中心而反向旋轉(counter rotating)移動。
為了熔融批料，將線圈一起推到熔融位置。一旦批料已熔融並將澆鑄到鑄模中，線圈不會如現有技術中的慣例而簡單地切斷或減小電流，而是根據本發明，線圈向外移動到澆鑄位置中。這增加了線圈之間的間距，其一方面為熔融物在到鑄模的路徑上創造了更大的空隙直徑(free diameter)，另一方面以受控的方式連續地減小了感應磁場的乘載能力。以此方式，熔融物安全地固持遠離感應線圈和其芯材，因為在中心的磁場已經弱化，當其通過線圈平面時且僅緩慢地進入掉落狀態，但是在線圈處的磁場仍然夠強以避免接觸。這樣可以避免線圈的污染，並確保在熔融物不噴灑而乾淨地澆鑄到鑄模中。
在本發明的一個較佳的設計變化中，在批料澆鑄期間，配對的感應線圈同時從熔融位置移動到澆鑄位置，感應線圈的電流強度減小。如此，因為不再僅藉由增加感應線圈之間的間距而降低感應磁場，可實現感應線圈的所需位移路徑的縮短。然而，必須確保電流強度的減小與線圈的位移相協調，使得場強度總是足夠強，以使熔融物維持遠離線圈。
在一實施例中，配對的感應線圈中的感應線圈的間距從熔融位置到澆鑄位置增加了5至100毫米，較佳為10至50毫米。在決定位移路徑時，必須考慮為其設計的系統的批料重量、線圈之間的最小間距、以及可用其所產生的場強度。
在一較佳的實施例中，根據本發明使用的導電材料具有至少一種下列高熔融點金屬：鈦、鋯、釩、鉭、鎢、鉿、鈮、錸、鉬。或者，也可運用熔點較低的高熔融點金屬，例如鎳，鐵或鋁。具有一種或多種上述金屬的混合物或合金也可運用作為傳導材料。較佳地，傳導材料具有至少50%重量比例的金屬，特別是傳導材料具有至少60%、或至少70%重量比例的金屬。 已顯示這些金屬可特別凸顯本發明的優點。在特別佳的實施例中，傳導材料可以是鈦或鈦合金，特別是鋁鈦(TiAl)合金或釩鋁鈦(TiAlV)合金。
這些金屬或合金可以特別有利的方式加工，因其明顯地具有與溫度的黏度相關性、以及特別高的反應性，特別是對於鑄模的材料。因為根據本發明的方法結合懸浮無接觸熔融與鑄模的極快充填，特定優點藉由這些金屬而實現。根據本發明的方法可用於產生鑄件，此鑄件由於熔融物與鑄模材料的反應而可表現出特別薄的氧化物層或甚至沒有氧化物層。而且特別是在高熔融點金屬的情況下，對於產生週期時間來說和改善感應渦流的利用、以及改善由於熱接觸造成的熱損失的過度減小是顯著的。此外，可增加所產生的磁場的承載能力，使得更重的批料也可維持懸浮。
在本發明的一有利的實施例中，傳導材料在熔融期間過熱至比材料的熔點高至少10℃、至少20℃或至少30℃。鑄模的溫度低於熔融溫度，而過熱可以避免材料在與鑄模接觸時立即固化。此達成了在材料黏度變得過高之前，批料可分佈在鑄模中。懸浮熔融的一優點是不必使用與熔融物接觸的坩堝接觸。可以避免在坩堝壁上的冷坩堝過程的高材料損失以及坩堝成分對熔融物的污染。另一個優點是熔融物可以加熱到相對高的溫度，因為在真空中或在保護性氣體下的操作是可能的，且不接觸高反應性材料。然而，大多數材料不能任意過熱，否則擔心可能與鑄模會產生劇烈反應。因此，過熱較佳地限制在高於傳導材料的熔融溫度最高300℃、特別是最高200℃，或特別佳地最高100℃。
在此方法中，至少一鐵磁元件水平佈置在批料被熔融的區域周圍，以集中磁場並穩定批料。鐵磁元件可以圍繞熔融區域佈置成環形，其中“環形”不僅指圓形元件，還可指多角元件，特別是正方形或多邊形環形元件。為了使根據本發明的感應線圈能夠移動，環形元件根據線圈的數量分成子區段，在其之間，各別的具有磁極的感應線圈以形狀配合(form-fitting)的方式移動。鐵磁元件還可以具有多個桿段部，這些桿段部尤其在熔融區域的方向上水平地突出。鐵磁元件由鐵磁材料組成，較佳具有振幅磁導率(μa )> 10、更佳地振幅磁導率(μa )> 50、或特別佳地(μa )> 100。振幅磁導率特別指在25℃至150℃的溫度範圍內，磁通密度在0至500毫特斯拉(mT)之間的磁導率。振幅磁導率量例如是軟磁鐵氧體(例如3C92)的振幅磁導率的至少百分之一、特別是至少百分之十、或百分之二十五。本領域技術人員知道合適的材料。
根據本發明，還具有一種用於懸浮熔融導電材料的裝置，包括至少一配對的相對感應線圈，此相對感應線圈具有鐵磁材料的芯材，以造成批料藉由交變電磁場而懸浮，其中具有芯材的感應線圈各自配對，在小間距處的熔融位置和寬間距處的澆鑄位置之間可移動地佈置和移動。
圖式顯示較佳實施例。其僅用於說明目的。
第1圖顯示了傳導材料的一批料(1)，其位於交變電磁場的影響區域(熔融區域)，此影響區域由線圈(3)所產生。批料(1)下方具有一空的鑄模(2)，此空的鑄模(2)由固持部(5)固持在充填區域中。鑄模(2)具有漏斗形狀充填段(6)。固持部(5)適用於將鑄模(2)從供料位置提升到澆鑄位置，其由繪示的箭頭而表示。鐵磁材料(4)佈置在線圈(3)的芯材中。此線圈(3)配對的軸線為水平對齊，其中每兩個相對線圈(3)組成一配對。在圖式中，線圈的熔融位置佈置在短間距處。
根據本發明的過程中，批料(1)在懸浮時熔融，且在發生熔融後澆鑄到鑄模(2)中。對於澆鑄，線圈(3)如所繪示的箭頭而表示為彼此分離，直到磁場的勞侖茲力不再能夠補償批料(1)的重量。
第2圖顯示了具有兩配對線圈和一鐵磁環形元件(7)的佈置的平面圖。環形元件(7)被設計為八角形環元件。兩個線圈(3)中的每一個位於軸線A、B上，而它們的鐵磁材料(4)形成一配對線圈。線圈軸線A、B彼此佈置成直角。圖式顯示了線圈佈置的熔融位置，而線圈(3)之間具有窄間距。 鐵磁材料(4)正確地位於環形元件(7)中，然後與它們的線圈(3)如雙箭頭所指示的一起向外移動，以用於懸浮熔融物的澆鑄。
1‧‧‧批料 2‧‧‧鑄模 3‧‧‧線圈 4‧‧‧鐵磁材料 5‧‧‧固持部 6‧‧‧充填段 7‧‧‧環形元件 A、B‧‧‧軸線
第1圖為具有鐵磁材料、線圈以及傳導材料之批料熔融區域下方之鑄模之側向剖視圖。 第2圖為兩個配對的線圈與一鐵磁元件的佈置之上視圖。
1‧‧‧批料
2‧‧‧鑄模
3‧‧‧線圈
4‧‧‧鐵磁材料
5‧‧‧固持部
6‧‧‧充填段

Claims (5)

  1. 一種產生鑄件之方法，藉由懸浮熔融方法從導電材料而產生鑄件，其中運用複數個交變電磁場而造成一批料(1)之懸浮狀態，該些交變電磁場由各自具有一鐵磁材料(4)之一芯材之至少一配對的相對感應線圈(3)所產生，其中具有該些芯材之該些感應線圈(3)相對於彼此可移動地佈置彼此配對，且在一小間距處的熔融位置與一寬間距處的澆鑄位置之間移動，該方法包括以下步驟：將該些配對的該些感應線圈移動到該小間距處之該熔融位置；將一起始材料的一批料(1)引入至少一該交變電磁場之作用範圍中，使該批料(1)維持在懸浮狀態；熔融該批料(1)；將一鑄模(2)定位於位於懸浮的該批料(1)之下方之一充填區域；藉由將至少一配對的該些感應線圈從該小間距處的該熔融位置移動到該寬間距處的該澆鑄位置，而將該批料(1)全部澆鑄到該鑄模(2)中；以及從該鑄模(2)中移出固化的該鑄件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在該批料(1)的澆鑄期間，同時於從該熔融位置移動該些感應線圈配對中的該些感應線圈(3)到該澆鑄位置，該些感應線圈(3)中之電流強度減小。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該些配對的該些感應線圈(3)的間距從該熔融位置到該澆鑄位置增加了5至100毫米。
  4. 一種用於懸浮熔融一導電材料之裝置，該裝置包括各自具有一鐵磁材料之一芯材之至少一對相對感應線圈(3)，該些相對感應線圈(3)藉由複數個交變電磁場而造成一批料(1)之懸浮狀態，其中具有該些芯材之該些感應線圈(3) 相對於彼此可移動地佈置彼此配對，且在一小間距處的熔融位置與一寬間距處的澆鑄位置之間移動。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該些配對的該些感應線圈(3)的間距從該熔融位置到該澆鑄位置增加了5至100毫米。
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