使用可移动感应单元的悬浮熔化方法

摘要

本发明是有关于一种悬浮熔融方法以及一种通过可移动感应单元而产生铸件的装置。在此方法中，运用可移动感应单元，其中相对的铁氧体磁极设计成可与可移动感应线圈一起移动且可于相反方向上移动。因此，感应单元可以靠近地布置以熔融批料，以提高感应磁场的效能。当浇铸熔融批料时，通过提高铁氧体磁极以及感应线圈的距离而减小感应磁场，因此避免熔融金属接触到铁氧体磁极或感应线圈。

权利要求

1.一种产生铸件的方法，通过悬浮熔融方法从导电材料而产生铸件，其中运用多个交变电磁场而造成一批料(1)的悬浮状态，该些交变电磁场由具有一铁磁材料(4)的一芯材的至少一配对的相对感应线圈(3)所产生，其中具有该些芯材的该些感应线圈(3)相对于彼此可移动地布置彼此配对，且在一小间距处的熔融位置与一宽间距处的浇铸位置之间移动，该方法包括以下步骤：

‑将该些配对的该些感应线圈移动到该小间距处的该熔融位置；

‑将一起始材料的一批料(1)引入至少一该交变电磁场的作用范围中，使该批料(1)维持在悬浮状态；

‑熔融该批料(1)；

‑将一铸模(2)定位于位于悬浮的该批料(1)的下方的一充填区域；

‑通过将至少一配对的该些感应线圈从该小间距处的该熔融位置移动到该宽间距处的该浇铸位置，而将该批料(1)全部浇铸到该铸模(2)中；以及‑从该铸模(2)中移出固化的该铸件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在该批料(1)的浇铸期间，同时于从该熔融位置移动该些感应线圈配对中的该些感应线圈(3)到该浇铸位置，该些感应线圈(3)中的电流强度减小。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该些配对的该些感应线圈(3)的间距从该熔融位置到该浇铸位置增加了5至100毫米。

4.根据权利要求3所述的方法，其中该些配对的该些感应线圈(3)的间距从该熔融位置到该浇铸位置增加了10至50毫米。

5.一种用于悬浮熔融一导电材料的装置，该装置包括具有一铁磁材料的一芯材的至少一对相对感应线圈(3)，该些相对感应线圈(3)通过多个交变电磁场而造成一批料(1)的悬浮状态，其中具有该些芯材的该些感应线圈(3)相对于彼此可移动地布置彼此配对，且在一小间距处的熔融位置与一宽间距处的浇铸位置之间移动。

6.根据权利要求5所述的装置，其中该些配对的该些感应线圈(3)的间距从该熔融位置到该浇铸位置增加了5至100毫米。

7.根据权利要求6所述的装置，其中该些配对的该些感应线圈(3)的间距从该熔融位置到该浇铸位置增加了10至50毫米。

说明书

使用可移动感应单元的悬浮熔化方法

[0001] 本发明是有关于一种悬浮熔融方法以及一种通过可移动感应单元而产生铸件的装置。在此方法中，运用可移动感应单元，其中具有可移动感应线圈的相对的铁氧体磁极布
置成可移动的且于相反方向上移动。以此方式，用于熔融批料的感应单元可以靠近地布置，
以提高感应磁场的效能。当浇铸熔融批料时，通过提高铁氧体磁极以及感应线圈之间的间
距，而减小感应磁场，且避免熔融物接触到铁氧体磁极或感应线圈。

[0002] 先前技术

[0003] 悬浮熔融过程为现有已知技术。因此，专利案DE 422 004已揭示了一种熔融方法，其中待熔融的传导材料被感应电流加热，同时通过电动力作用(electrodynamic action)
以维持悬浮。其中还描述了一种浇铸方法，通过磁体将熔融材料压入铸模中，此为电动力压
入浇铸(electrodynamic pressed casting)，此方法可以在真空下进行。

[0004] 专利案US 2,686,864A也描述了一种过程，其中待熔融的传导材料处于悬浮状态(例如，在真空中在一个或多个线圈的影响下，且没有使用坩埚(crucible))。在一实施例
中，两个同轴线圈(coaxial coils)用于保持材料的悬浮。在熔融后，将材料滴落或浇铸
(casting)到铸模中。这里描述的过程可以维持60克的铝部分于悬浮。通过降低磁场强度，
将熔融金属移出，使熔融金属向下离开通过圆锥状线圈。如果磁场强度快速降低，熔融金属
以熔融状态从装置中掉落出去。已经认识到，此线圈布置的“弱点”在于线圈的中心，使得可
通过这种方式所产生的熔融金属产量受限。

[0005] 专利案US 4,578,552 A也公开了一种悬浮熔融方法与装置。同样的线圈用于加热和固持熔融物、改变所施加的控制加热功率的交流电的频率，同时维持电流恒定。

[0006] 悬浮熔融的特别优点在于其避免了在其他方法期间与熔融物接触的坩埚材料或其他材料的熔融物的污染。反应性熔融物(例如，钛合金)与坩埚材料反应也被避免了，否则
其将迫使将陶瓷坩埚变更为在冷坩埚方法中操作的铜坩埚。悬浮熔融物仅与周围空气接
触，例如，可以是真空或惰性气体。因为不需要害怕与坩埚材料发生化学反应，熔融物也可
以加热到非常高的温度。与冷坩埚熔融相比，因为几乎所有引入熔融物的能量都被转移到
冷坩埚壁中，毫无疑问地冷坩埚熔融的加温效能非常低，其导致高功率输入时温度上升仍
非常缓慢。在悬浮熔融中，唯一的损失是由于辐射和蒸发，其相较于在冷坩埚中的热传导是
非常低的。因此，由于较低的功率输入，可在更短的时间内实现更高的熔融物过度加热
(overheating)。

[0007] 另外，特别是与冷坩埚中的熔融物相比，在悬浮熔融期间受污染材料的废料(scrap)减少。然而，悬浮熔融尚未在实践中确立。其原因在于，在悬浮熔融方法中，仅相对
少量的熔融材料可以维持于悬浮(参见专利案DE 696 17 103 T2，第2页，第1段)。

[0008] 此外，为了施行悬浮熔融方法，线圈场(coil field)的劳仑兹力(Lorentz force)须能补偿批料的重力，以维持其悬浮。劳仑兹力将批料向上推出线圈场。为提高磁场的产生
效能，旨在减少相对铁氧体磁极(opposing ferrite poles)之间的间距。此间距减少允许
在较低电压下产生固持预定熔融物重量所需的磁场。通过这种方式，可以改善工厂的固持
效能，以悬浮更大的批料。此外，因为感应线圈的损耗减少，加热效能也提高。

[0009] 铁氧体磁极之间的间距越小，感应磁场越大。然而，因为用于浇铸的场强度必须降低，随着间距的减小，铁氧体磁极和感应线圈受到污染的风险随之提高。这不仅降低了垂直
方向上的固持力，而且还降低了水平方向上的固持力。此导致略在线圈场上方的悬浮熔融
物的水平膨胀，其使熔融物极度困难不接触铁氧体磁极而通过铁氧体磁极之间的狭窄间隙
落入位于下方的铸模中。因此，通过减小铁氧体磁极的间距来提高线圈场的承载能力是通
过接触可能性所决定的实际限制。

[0010] 现有技术中已知方法的缺点可归纳如下。全悬浮熔融方法仅能在小量材料产生进行，使得工业化应用尚未发生。此外，浇铸在铸模中是困难的。特别是通过减小铁氧体磁极
之间的间距，而提高线圈场产生涡电流的效能的情况中。

[0011] 目的

[0012] 因此，本发明的目的之一为提供一种能经济地使用的悬浮熔融的方法和装置。特别是，此方法应通过改善线圈场的效率，而允许使用更大的批料，并应通过缩短周期时间来
实现高产量，同时确保浇铸过程中，熔融物安全地不接触感应线圈或其磁极。

发明内容

[0013] 此目的通过根据本发明的方法以及根据本发明的装置而解决。根据本发明，是一种通过悬浮熔融方法从导电材料产生铸件的方法，其中运用交变电磁场而造成批料的悬浮
状态，通过具有铁磁材料的芯材的至少一配对的相对感应线圈(opposing induction 
coils)而产生交变电磁场，其中具有芯材的感应线圈可移动地布置彼此配对，且在小间距
处的熔融位置与一宽间距处的浇铸位置之间彼此移动，包括以下步骤:

[0014] ‑将配对的感应线圈移动至小间距处的熔融位置；

[0015] ‑将一起始材料的一批料引入至少一交变电磁场的影响范围(sphere of influence)中，使批料维持在悬浮状态；

[0016] ‑熔融此批料；

[0017] ‑将一铸模定位于悬浮的批料下方的一充填区域；

[0018] ‑通过将至少一配对的感应线圈从小间距处的熔融位置移动到宽间距处的浇铸位置，而将批料全部浇铸于铸模中；

[0019] ‑从铸模移出固化的铸件；

[0020] 熔融批料的体积较佳为足以将铸模充填到足以产生铸件(“充填体积”)的高度。在充填铸模后，允许冷却或使用冷却剂而冷却，使得材料固化于铸模中。然后可以从铸模中移
出铸件。

[0021] “导电材料”应理解为具有合适传导性的材料，以对材料感应地加热并使材料能维持悬浮。

[0022] 根据本发明的“悬浮状态”被定义为完全悬浮状态，使得被处理的批料无任何接触于坩埚、或平台等。

[0023] 用语“铁氧体磁极(ferrite pole)”与用语“铁磁材料芯材”为同义地使用的。同样地，用语“线圈”和“感应线圈”也为可互相运用的同义词。

[0024] 通过移动靠近配对的感应线圈，可提高产生交变电磁场的效能。此使更重的批料也可产生悬浮。然而，当浇铸批料时，随着线圈之间的空隙剖面(free cross‑section)减
小，熔融批料接触线圈或铁氧体磁极的风险增加。然而，必须严格避免这些杂质，因为其耗
费时间且难以移除，且因此导致工厂的停机时间延长。为了能够尽量利用感应线圈配对的
较窄间距的优点，而不在浇铸期间接受杂质风险，根据本发明，具有芯材的感应线圈可移动
地分别地安装在至少一配对的感应线圈。较佳地，配对线圈中心对称地围绕感应线圈布置
的中心而反向旋转(counter rotating)移动。

[0025] 为了熔融批料，将线圈一起推到熔融位置。一旦批料已熔融并将浇铸到铸模中，线圈不会如现有技术中的惯例而简单地切断或减小电流，而是根据本发明，线圈向外移动到
浇铸位置中。这增加了线圈之间的间距，其一方面为熔融物在到铸模的路径上创造了更大
的空隙直径(free diameter)，另一方面以受控的方式连续地减小了感应磁场的乘载能力。
以此方式，熔融物安全地固持远离感应线圈和其芯材，因为在中心的磁场已经弱化，当其通
过线圈平面时且仅缓慢地进入掉落状态，但是在线圈处的磁场仍然够强以避免接触。这样
可以避免线圈的污染，并确保在熔融物不喷洒而干净地浇铸到铸模中。

[0026] 在本发明的一个较佳的设计变化中，在批料浇铸期间，配对的感应线圈同时从熔融位置移动到浇铸位置，感应线圈的电流强度减小。如此，因为不再仅通过增加感应线圈之
间的间距而降低感应磁场，可实现感应线圈的所需位移路径的缩短。然而，必须确保电流强
度的减小与线圈的位移相协调，使得场强度总是足够强，以使熔融物维持远离线圈。

[0027] 在一实施例中，配对的感应线圈中的感应线圈的间距从熔融位置到浇铸位置增加了5至100毫米，较佳为10至50毫米。在决定位移路径时，必须考虑为其设计的系统的批料重
量、线圈之间的最小间距、以及可用其所产生的场强度。

[0028] 在一较佳的实施例中，根据本发明使用的导电材料具有至少一种下列高熔融点金属：钛、锆、钒、钽、钨、铪、铌、铼、钼。或者，也可运用熔点较低的高熔融点金属，例如镍，铁或
铝。具有一种或多种上述金属的混合物或合金也可运用作为传导材料。较佳地，传导材料具
有至少50％重量比例的金属，特别是传导材料具有至少60％、或至少70％重量比例的金属。
已显示这些金属可特别凸显本发明的优点。在特别佳的实施例中，传导材料可以是钛或钛
合金，特别是铝钛(TiAl)合金或钒铝钛(TiAlV)合金。

[0029] 这些金属或合金可以特别有利的方式加工，因其明显地具有与温度的粘度相关性、以及特别高的反应性，特别是对于铸模的材料。因为根据本发明的方法结合悬浮无接触
熔融与铸模的极快充填，特定优点通过这些金属而实现。根据本发明的方法可用于产生铸
件，此铸件由于熔融物与铸模材料的反应而可表现出特别薄的氧化物层或甚至没有氧化物
层。而且特别是在高熔融点金属的情况下，对于产生周期时间来说和改善感应涡流的利用、
以及改善由于热接触造成的热损失的过度减小是显著的。此外，可增加所产生的磁场的承
载能力，使得更重的批料也可维持悬浮。

[0030] 在本发明的一有利的实施例中，传导材料在熔融期间过热至比材料的熔点高至少10℃、至少20℃或至少30℃。铸模的温度低于熔融温度，而过热可以避免材料在与铸模接触
时立即固化。此达成了在材料粘度变得过高之前，批料可分布在铸模中。悬浮熔融的一优点
是不必使用与熔融物接触的坩埚接触。可以避免在坩埚壁上的冷坩埚过程的高材料损失以
及坩埚成分对熔融物的污染。另一个优点是熔融物可以加热到相对高的温度，因为在真空
中或在保护性气体下的操作是可能的，且不接触高反应性材料。然而，大多数材料不能任意
过热，否则担心可能与铸模会产生剧烈反应。因此，过热较佳地限制在高于传导材料的熔融
温度最高300℃、特别是最高200℃，或特别佳地最高100℃。

[0031] 在此方法中，至少一铁磁元件水平布置在批料被熔融的区域周围，以集中磁场并稳定批料。铁磁元件可以围绕熔融区域布置成环形，其中“环形”不仅指圆形元件，还可指多
角元件，特别是正方形或多边形环形元件。为了使根据本发明的感应线圈能够移动，环形元
件根据线圈的数量分成子区段，在其之间，各别的具有磁极的感应线圈以形状配合(form‑
fitting)的方式移动。铁磁元件还可以具有多个杆段部，这些杆段部尤其在熔融区域的方
向上水平地突出。铁磁元件由铁磁材料组成，较佳具有振幅磁导率(μa)>10、更佳地振幅磁
导率(μa)>50、或特别佳地(μa)>100。振幅磁导率特别指在25℃至150℃的温度范围内，磁通
密度在0至500毫特斯拉(mT)之间的磁导率。振幅磁导率量例如是软磁铁氧体(例如3C92)的
振幅磁导率的至少百分之一、特别是至少百分之十、或百分之二十五。本领域技术人员知道
合适的材料。

[0032] 根据本发明，还具有一种用于悬浮熔融导电材料的装置，包括至少一配对的相对感应线圈，此相对感应线圈具有铁磁材料的芯材，以造成批料通过交变电磁场而悬浮，其中
具有芯材的感应线圈各自配对，在小间距处的熔融位置和宽间距处的浇铸位置之间可移动
地布置和移动。

[0033] 附图简单说明

[0034] 图1为具有铁磁材料、线圈以及传导材料的批料熔融区域下方的铸模的侧向剖视图。

[0035] 图2为两个配对的线圈与一铁磁元件的布置的上视图。

附图说明

[0036] 附图显示较佳实施例。其仅用于说明目的。

[0037] 图1显示了传导材料的一批料(1)，其位于交变电磁场的影响区域(熔融区域)，此影响区域由线圈(3)所产生。批料(1)下方具有一空的铸模(2)，此空的铸模(2)由固持部(5)
固持在充填区域中。铸模(2)具有漏斗形状充填段(6)。固持部(5)适用于将铸模(2)从供料
位置提升到浇铸位置，其由绘示的箭头而表示。铁磁材料(4)布置在线圈(3)的芯材中。此线
圈(3)配对的轴线为水平对齐，其中每两个相对线圈(3)组成一配对。在附图中，线圈的熔融
位置布置在短间距处。

[0038] 根据本发明的过程中，批料(1)在悬浮时熔融，且在发生熔融后浇铸到铸模(2)中。对于浇铸，线圈(3)如所绘示的箭头而表示为彼此分离，直到磁场的劳仑兹力不再能够补偿
批料(1)的重量。

[0039] 图2显示了具有两配对线圈和一铁磁环形元件(7)的布置的平面图。环形元件(7)被设计为八角形环元件。两个线圈(3)中的每一个位于轴线A、B上，而它们的铁磁材料(4)形
成一配对线圈。线圈轴线A、B彼此布置成直角。附图显示了线圈布置的熔融位置，而线圈(3)
之间具有窄间距。铁磁材料(4)正确地位于环形元件(7)中，然后与它们的线圈(3)如双箭头
所指示的一起向外移动，以用于悬浮熔融物的浇铸。

[0040] 符号说明

[0041] 1  批料

[0042] 2  铸模

[0043] 3  线圈

[0044] 4  铁磁材料

[0045] 5  固持部

[0046] 6  充填段

[0047] 7  环形元件