(57)【要約】  液体金属から固体含有物を除去するために、非電気伝導性フィルタを効果的にプライム処理するための装置および方法が記載される。一実施形態では、セラミックフィルタ媒体が低周波数誘導コイル（１〜６０Ｈｚ）によって取り囲まれ、その軸は正味の金属流の方向に位置合わせされている。コイルは、フィルタ要素上でまたはフィルタ要素の細孔内で固まった任意の金属の加熱を増強するように位置決めされる。一実施形態では、コイルは、加熱された金属をフィルタ要素の上面に当てるように作用するローレンツ力を発生させ、プライム処理動作を増強するために位置決めされる。そのようなコイルを備えたフィルタがプライム処理されると、フィルタは高温のまま保持されまたは再加熱することができ、その後、いくつかの一連のバッチ式湯出し中に再使用することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属から固体含有物を除去するために、非電気伝導性セラミックフィルタをプライム処理する方法であって、前記フィルタは、フィルタボウルに収容されかつ誘導コイルによって取り囲まれており、前記誘導コイルの軸は、所望の正味の金属流の方向に実質的に位置合わせされており、
ａ）交流励磁電流を前記誘導コイルに印加するステップと、
ｂ）前記フィルタ要素の上流側を覆うように十分な液体金属を添加するステップと、
ｃ）前記コイルにより前記液体金属内に誘導された電流と前記コイルの磁場とによって、前記液体金属を加圧し撹拌するローレンツ力を生成させて、前記液体金属を前記セラミック内に押し入れるようにし、それによって前記フィルタをプライム処理するステップと、
ｄ）所定の程度のプライム処理が得られたら、前記励磁電流を中断するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記コイルのデザインおよび前記印加された電流の大きさが、前記コイルと前記セラミックフィルタとの間の空間に少なくとも０．０５Ｔの平均磁場強度を発生させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記平均磁場強度が、前記コイルと前記セラミックフィルタとの間の空間において０．０５から０．２５Ｔの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記平均磁場強度が、前記コイルと前記セラミックフィルタとの間の空間において０．１から０．２Ｔの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記液体金属がアルミニウム合金である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記液体金属が、最初に前記フィルタボウルに添加され、次いで電流が前記誘導コイルに印加される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記非電気伝導性セラミックフィルタが、３０から８０ＰＰＩの間、および２５〜７５ｍｍの厚さのセラミックフォームフィルタである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
２つ以上のセラミックフォームフィルタを組み合わせて全厚５０〜１５０ｍｍにする、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記コイルが、前記フィルタ上部の上面の上方に、少なくとも１巻き分および前記コイルの半径の５から１０％の間であるが前記コイルの全長の半分未満延びる、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属が、前記コイルの上部の上方に５から１５ｃｍの間延びる、請求項１または５に記載の方法。
【請求項１１】
前記誘導コイルに印加される周波数が１〜６０Ｈｚの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記誘導コイルの前記周波数が、０．５から３．０の間、好ましくは０．７から１．４の間の電磁侵入深さの比を与えるように選択される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記好ましい比が実現されるように、前記フィルタ要素の幅または直径を調節することによって、局所電気線周波数を使用することができる、請求項１１および１２に記載の方法。
【請求項１４】
先に使用されたセラミックフィルタ要素を再使用する方法であって、５０Ｈｚ超の周波数で、請求項１に記載の誘導コイルに交流を印加するステップを含み、前記フィルタの細孔内に含有される固体アルミニウムを誘導的に融解するのに十分な電流がある方法。
【請求項１５】
高効率融解のために特に設計された第２のコイルが、混合コイルと同軸上に据え付けられる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
液体金属流を受容するように構成されたフィルタ要素と、
前記フィルタ要素を取り囲みかつ磁場を生成するように構成された誘導コイルであって、前記誘導コイルの軸が、前記液体金属流の導入方向に実質的に位置合わせされている誘導コイルと、
前記フィルタ要素の周辺にセキュアエンクロージャを設けるように構成されたガスケットと、
前記誘導コイルを収容し、前記誘導コイルを前記液体金属流から分離するセパレータと
を含む、フィルタをプライム処理するための装置。
【請求項１７】
前記誘導コイルが、前記フィルタ要素の、前記軸に沿って、上面の上方に、前記液体金属流に面して延びる、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記誘導コイルが、単層コイルまたは多層コイルである、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記フィルタ要素まで導かれるように構成された液体金属供給材と、排出デバイスとをさらに含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記液体金属流を導入する前に前記フィルタ要素を予熱するように構成された予熱デバイスをさらに含む、請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれる、２０１２年４月２７日に出願された米国仮出願第６１／６３９，１９６号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、固体含有物を液体金属から除去するための、フィルタのプライム処理に関する。本明細書には、溶融金属フィルタをプライム処理するための装置および方法が開示されている。
【背景技術】
【０００３】
セラミックフィルタ、一般にはセラミックフォームフィルタ（ＣＦＦ）は、米国特許第３，８９３，９１７号に開示されるように、液体金属を精製するのに現在利用可能である。ほとんどの場合、このフィルタは、鋼やアルミニウムなど、液体金属からの固体含有物の除去を行う。これらの固体含有物は、凝固前に除去されない場合、最終金属製品に物理的欠陥をもたらす可能性がある。
【０００４】
フィルタ媒体を最も効率的に使用するために、フィルタの開放細孔は液体金属で完全に満たされなければならない。フィルタが液体金属で完全に満たされることにより、フィルタ媒体の表面の濡れ性が改善して、固体含有物の収集が容易になる。解決すべき問題は、不完全なプライム処理によって、フィルタの活性部分での局所的に速い液体速度、より大きな操作上の圧力降下、またはより低い総液体金属処理量が、固体含有物に関するより低い収集効率と合わせて生じることである。
【０００５】
一般的な実践例は、セラミックフォームフィルタをガスケット材料と共に濾過デバイスまたは「ボウル」内に配置して、金属の高さがフィルタよりも高く蓄積されるように、かつ重力により強制的にフィルタ媒体内に入って通過するようにすることである。次いで含有物を、深部または層濾過のいずれかのメカニズムによって除去する。これらのセラミックフィルタの濡れ特性が不十分であり、細孔内に含有される空気を除去する必要がある場合には、特に濾過操作の開始時にしばしば問題が生じる。
【０００６】
濾過におけるプライム処理の重要性は、いくつかの特許および特許出願に開示されており、例えば米国特許第４，８７２，９０８号で、Ｅｎｒｉｇｈｔ，Ｐ．Ｇ．らはプライム処理の定義および役割を詳細に記載しており、３０  ＰＰＩフィルタ用にＬｉＭＣＡを使用して２０ミクロンの粒子（１３．４から５４．８％の間）を除去するときの特定の効率データも示している。濾過効率の大半は、１つにはフィルタ性能に対するプライム処理の影響に起因する可能性がある。米国特許第４，０８１，３７１号、Ｙａｒｗｏｏｄ，Ｊ．Ｃ．らは、セラミックフォームフィルタ内から気泡を除去する必要性と、プライム処理における金属静水ヘッドおよびフィルタ角の役割について記載する。概して、より高い全圧力（金属静水ヘッドまたはその他の手段から）は、プライム処理効率を改善する。米国特許出願第０９／８６７，１４４号、Ｑｕａｃｋｅｎｂｕｓｈ，Ｍ．Ｓ．は、捕捉された気泡を放出してフィルタ媒体のより容易でより完全なプライム処理を確実にする目的で、気泡放出を助長するのに機械的な力を加えることのない、フィルタ媒体を開示する。
【０００７】
米国特許第７，６６６，２４８号、Ｂｅｌｌｅｙ，Ｌ．らは、６０またはそれ以上ＰＰＩのフィルタに典型的な、厚さが２．５から７．６ｃｍでありかつ低平均細孔または「ウィンドウ」サイズ１５０〜５００ミクロンであるセラミックフォームフィルタの適切なプライム処理を確実にするために、有効プライム処理圧力を増大させることを説明する目的で、約６ｋＰａの追加の圧力勾配または約２５ｃｍの液体アルミニウムヘッド相当を発生させるのに真空システムを使用する方法を開示する。これらのフィルタは、通常なら、適切なプライム処理を確実にするためにかなりの金属静水ヘッド（トラフ底部からフィルタ上部までの垂直距離）を必要とする。Ｂｅｌｌｅｙらは、セラミックフォームフィルタのプライム処理ヘッドの典型的な範囲が約２０〜８０ｃｍであることも開示する。より高い値は、より高い細孔密度およびより小さいウィンドウサイズを伴うものであり、既存の鋳造操作で実施するにはしばしば実用的でない。
【０００８】
フィルタは通常、フィルタ媒体への金属の流れ、したがってフィルタ上の固定された金属高さでのプライム処理効率を改善しようとして、予熱される。フィルタ媒体の熱損傷をもたらす可能性のある局在化した過熱なしに、均一な加熱を得る際に、しばしば問題に遭遇する。これは、全フィルタ面積が液体金属を通すのに利用可能になるのを確実にすることが、困難になる。米国特許第４，８３４，８７６号、Ｗａｌｋｅｒ，Ｎ．Ｇ．は、ニッケルのような伝導性物質でフィルタ媒体粒子をコーティングすることにより、またはフィルタ媒体を構成するのに炭化ケイ素などの電気伝導性材料を使用することにより、非伝導性セラミックフィルタに電気伝導性を与えるプロセスを主張する。媒体に電流を通すことによって、またはフィルタを誘導コイルで取り囲んで渦電流を誘導することによって、媒体は、予熱および完全なプライム処理が確実になるように、抵抗（Ｉ２Ｒ）損失に起因した自己加熱を引き起こすことができた。
【０００９】
低周波数誘導コイルおよびセラミックフォームフィルタ要素を使用するプロセスは、Ｃａｌｏｇｅｒｏ，Ｃ．らによる米国特許第４，８３７，３８５号に提示されている。このプロセスではいくつかの異なる手段が提示され、ローレンツ力を発生させ得る交差電流および磁場を生成することができた。これらの方法のいくつかでは電極を使用し、電極としては望ましくないいわゆる「注入電流」は、濾過される液体金属の汚染の潜在的な源である。Ｃａｌｏｇｅｒｏらにより開示されたプロセスの背後にある理論は、ローレンツ力が含有物ではなく金属に対して優先的に作用する可能性があり、したがってフィルタ媒体の壁面によって含有物の移行および含有物の遮断を引き起こすということであった。フィルタ媒体のプライム処理に対する磁場の影響は、開示されなかった。さらに、Ｃａｌｏｇｅｒｏにより記載されたメカニズムは、磁場およびローレンツ力場における任意の有意な渦巻きまたは渦巻き状態が存在しないことに依存する。しかし米国特許第４，９０９，８３６号に開示されるように、一定の螺旋ピッチを有する通常の誘導コイルが交差電流および磁場の供給源として使用される場合、渦巻き状態はこれらの場に常に存在する。本発明の一態様は、液体金属の直接接触および汚染を回避するために、誘導コイルを使用する。標準的な一定ピッチの誘導コイルが使用される。本発明者らは、そのような誘導コイルを介して生成された磁力およびローレンツ力での渦巻き状態に十分気付いており、したがって金属をフィルタ媒体に押圧して、低金属静水ヘッドのより良好なプライム処理の程度を実現するために、渦巻き状態を最大限有利に利用する方法を設計した。
【００１０】
定義
本明細書で使用される「プライム処理」という用語は、フィルタ（例えば、セラミックフォームフィルタ）の開放細孔構造に含有される空気の置換と、液体金属によるフィルタ媒体の濡れ性の改善とを指し、したがって、流れを通過させ粒子を収集するのに最大限の体積および内部表面積を利用可能にすることができる。
【００１１】
本明細書で使用される「含有物」という用語は、金属よりも高い融点を有する、したがって加工温度では固体である、液体金属の任意の汚染物質を指す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の様々な態様は：（１）非電気伝導性フィルタ要素の完全なプライム処理を確実にするために、低周波数誘導コイル（１〜６０Ｈｚ）を適用することによって、外部から加えられる真空または気体圧力を使用せずにプライム処理する方法と；（２）より高い効率で操作するためにかつより少ない含有物を含有する金属生成物を生成するために、５０〜８０ＰＰＩの市販のセラミックフォームフィルタに典型的なものなど小さい「ウィンドウ」サイズを有するセラミックフォームフィルタの、プライム処理および後続の操作が改善されるようにプライム処理する方法と；（３）伝統的なセラミックフォームフィルタよりも厚くまたは伝統的なフィルタの積層体をプライム処理することを可能にする、プライム処理の方法と；（４）先に使用されたフィルタ媒体を含むフィルタ媒体を高温のまま維持しまたは再加熱し、その後、複数回の鋳造サイクルで再使用可能にする装置とに関する。
【００１３】
一実施形態では、フィルタをプライム処理するための装置は、液体金属流を受容するように構成されたフィルタ要素と；フィルタ要素を取り囲みかつ磁場を生成するように構成された誘導コイルであって、この誘導コイルの軸が液体金属流の導入方向に実質的に位置合わせされている誘導コイルと；フィルタ要素の周辺にセキュアエンクロージャを設けるように構成されたガスケットと；誘導コイルを収容しかつ誘導コイルを液体金属流から分離するセパレータとを含む。
【００１４】
一実施形態では、低周波数誘導コイルが、セラミックフォームフィルタ要素または前記フィルタ要素の積層体などのセラミックフィルタ媒体の周りにかつ非常に接近して配置される。磁場の存在により、従来の工業規格である約５０ｍｍよりも厚いフィルタをプライム処理することが可能になる。許容可能な厚さ全体は、誘導コイルが据え付けられた長さによって決定される。
【００１５】
コイルおよびフィルタ要素の向きは、プライム処理中に気体を逃がすための経路が利用できることを前提として、垂直または水平のいずれかにすることができる。
【００１６】
誘導コイルの電気伝導体は、多くの異なる形状を有することができる。例えば、平らな形状、丸みの付いた形状、管状、長方形、または正方形である。伝統的な誘導炉コイルとは異なって、本発明のコイルは、電気的に効率的な融解が主として意図されるデバイスの一部として使用されないので、低い電気抵抗に合わせて構成する必要がない。したがって、より高い電流密度を有利に使用することができ（例えば、５０Ａ／ｍｍ２対１〜１０Ａ／ｍｍ２の典型的な値）、その結果、所与のコイル高さでより多くの巻き数を与えることができる、直径が比例的に小さくなる伝導体が得られ、それに対応して磁場強度が増大する。単一、二重、またはそれ以上の層のコイルも、フィルタ媒体の高さでさらに高い磁場強度を実現するのに有利に使用することができる。３層を超える層を有する誘導コイルも使用できるが、追加の磁場強度の利益は減じられる。
【００１７】
一実施形態では、フィルタ媒体は実質的に水平であり、誘導コイルで取り囲まれる。誘導コイルは、フィルタ要素の上面に延びるように位置決めされ、フィルタの上部は、高い縦磁束密度のゾーン内に配置されている。磁場の束密度はコイルの完全な高さで非常に強く、しかしコイルの最後の巻き部分の後で急速に散逸する。
【００１８】
本発明の別の態様は、少なくともコイル上部と同じ程度の高さまでフィルタ上に注がれた金属を特徴とする。好ましい実施形態では、金属は、コイルの上部よりも実質的に高く、その結果、著しい金属メニスカスの形成が防止され、かつプライム処理中に金属が酸化する可能性が低減される。コイルの磁場は、フィルタ媒体上に置かれる金属の内部に渦電流を誘導し、それがコイルの強力な磁場と相互に作用して、強力なローレンツ力を生成する。これらの力を生成することができる深さは、低交流周波数をコイル励磁電流で使用することによって増強される。幅が大きなフィルタ要素は、より小さい幅のフィルタの場合に類似した結果を実現するために、より低い周波数の使用を必要とすることになる。
【００１９】
コイルの加熱効率は、周波数と共に増大する。本発明の態様では、コイル励磁電流の周波数が好ましくは１から６０Ｈｚの間であり、より好ましくは５０から６０Ｈｚの間である。この周波数範囲は、撹拌および加熱の最適な組合せを提供する。より高い周波数は、先に使用したフィルタ媒体で固まった金属を再融解するのにより大きな加熱の程度が必要とされる場合、任意選択で使用することができる。好ましい実施形態では、丸みの付いたフィルタの半径または長方形もしくは正方形のフィルタの幅は、最適な有益な効果を得るために５０または６０Ｈｚの標準的な電気線周波数を利用することができるよう選択される。
【００２０】
コイルおよびフィルタ装置は、本発明の目的から逸脱することなく、その断面を、丸みが付いたもの、正方形、または長方形とすることができる。長方形の形状には、磁場を侵入させなければならない幅を最小限に抑えながら全フィルタ面積を最大限にすることができるという利点がある。長方形の形状は、費用のかかる固体電源が必要になる、線周波数（５０または６０Ｈｚ）よりも低い周波数を使用する必要性をなくすことができる。
【００２１】
ローレンツ力は、最初に金属でのみ生成され、非電気伝導性フィルタ媒体では生成されない。したがって、大きな初期渦巻き状態はローレンツ力場に存在し、金属の回転と、フィルタ要素の表面への衝突を引き起こす。金属をフィルタ内に押し遣るのは、衝突する金属の運動量である。
【００２２】
本発明者らは、フィルタ媒体内では、セラミック母材の存在によって電流の流れが驚くほどの程度まで阻止されることを見出した。その結果、フィルタの上または下の金属内よりも少ない電流がフィルタ内部を流れ、したがってローレンツ力の大きさが低減される。フィルタ内で低減した有効電気伝導度は、ローレンツ力におけるかなりの渦巻き状態が、完全なフィルタのプライム処理の点までかつその点を過ぎるまで、存在し続けることを確実にする。結果は、金属がフィルタ媒体内に押し遣られて通過する。より高い細孔密度のフィルタ、例えば５０および８０ＰＰＩは、高い抵抗率を有し、ローレンツ力の渦巻き状態を増大させ、これらの「より緊密な」フィルタ要素をプライム処理する高い駆動力を提供する。
【００２３】
フィルタ媒体が予熱されない場合、液体金属は、最初にフィルタ媒体の表面で固まることになる。固体金属が同じ温度で液体金属よりも実質的に高い電気伝導度を有するなら（アルミニウムに関しては約２倍）、固体は優先的に電流を流し、一方それと同時に、素早く流れる液体金属によって衝突される。強制的に静止状態のままにしかつインダクタの高さの範囲内にすると、液化するまで継続的な加熱を経験することになる。好ましい実施形態では、フィルタ要素は、亀裂を防止するために熱応力が低減するよう、従来の手段によって予熱される。しかし予熱は、非常に緊密な８０ＰＰＩフィルタ要素の場合であっても、プライム処理の要件ではない。
【００２４】
フィルタ媒体が金属で実質的に満たされたら、コイルの励磁を停止することができる。その後、従来の鋳造手順を使用することができる。バッチ式鋳造プロセスが終了したら、フィルタ媒体は、連続金属流が存在しない状態で再使用することは難しいので、フィルタ媒体を処分するのが典型的である。
【００２５】
本発明の別の実施形態では、含有物を除去するその能力が完全に使い果たされるまで、使用済みフィルタ要素を再使用することができる。使用済みフィルタ要素は、液体金属を用いたプライム処理の前に誘導加熱の期間を付加することによって、または連続誘導加熱を使用することにより鋳造と鋳造の間に液体金属で満たされたフィルタを維持することによって、再使用することができる。一態様では、６０Ｈｚよりも高い励磁電流が有利に使用される。この実施形態は、融解操作のために特に設計された第２のコイルと任意選択で組み合わせることができる、二重周波数電源を利用する。
参考文献
3,893,917     7/1975      Pror et al.  ..............................210/69
4,081,371     3/1978      Yarwood et al.  ...........................210/69
4,834,876     5/1989      Walker  ...................................210/185
4,837,385     6/1989      Conti et al.  .............................210/695
4,872,908     10/1989     Enright et al.  ...........................75/68
7,666,248     2/2010      Belley et al.  ............................75/407
09/867,144    12/2002     Quackenbush  ..............................210/510.1
4,909,836     03/1990     El-Kaddah  ................................75/10.67
【００２６】
特許または出願ファイルは、着色して作成された少なくとも１つの図面を含有する。（１つまたは複数の）着色図面を有するこの特許または特許出願公開のコピーは、請求および必要な料金の支払いに応じて当局により提供されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態の概略図である。
【図２】新しい３０ＰＰＩセラミックフォームフィルタの相対的開放構造を示す、走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】新しい８０ＰＰＩセラミックフォームフィルタの金属流の法線方向に直交する相対的閉鎖構造を示す、走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施形態による、３０ＰＰＩセラミックフィルタをプライム処理する非限定的な例の写真を示す。
【図５】本発明の実施形態による、３０ＰＰＩセラミックフィルタをプライム処理する非限定的な例の写真を示す。
【図６】誘導コイルの存在なしで３０ＰＰＩセラミックフィルタを不完全にプライム処理した写真を示す。
【図７】実施例１に関する、データログされたデータを示すグラフである。
【図８】実施例２に関する、データログされたデータを示すグラフである。
【図９】実施例３に関する、データログされたデータを示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態による、５０ＰＰＩ  ＣＦＦをプライム処理する非限定的な例の写真を示す。
【図１１】誘導コイルの存在なしで、５０ＰＰＩ  ＣＦＦに無視できるほどのプライム処理を行った写真を示す。
【図１２】本発明の実施形態による、８０ＰＰＩ  ＣＦＦをプライム処理する非限定的な例の写真を示す。
【図１３】誘導コイルが存在しない状態の、８０ＰＰＩ  ＣＦＦに対する無視できるほどのプライム処理を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の原理の理解を促進させる目的で、次に図面に示された実施形態を参照する。それにも関わらず、本発明のある実施形態の図示および記載によって、本発明の範囲は限定されないことが理解されよう。加えて、図示されかつ／または記載される（１つまたは複数の）実施形態の任意の変更および／または修正が、本発明の範囲内にあることが企図される。さらに、本明細書に図示されかつ／または記載される本発明の原理の任意のその他の適用例は、本発明が関係する技術分野の当業者なら通常は思い浮かべるように、本発明の範囲内にあることが企図される。
【００２９】
図１は、セラミックフォームフィルタと共に典型的に使用されたような、従来のフィルタ「ボウル」１を示す。図１は、誘導コイル２を含むように、本発明により適切に修正される。二層誘導コイル２が図１に示される。単層、二重層、またはそれ以上の層のコイルも、本発明の目的を変えることなく使用することができる。
【００３０】
標準的なセラミックフォームフィルタ要素３が、誘導コイル２内に据え付けられている状態が示されている。あるいは、本発明の目的から逸脱することなく２つ以上のフィルタ要素を積層することができ、但しコイル２は、図１の点線１３により示されるように、コイル１巻き分だけ、またはコイル半径の少なくとも５％、好ましくは１０％だけ、フィルタ３の上部の上面の上方に延びることを前提とする。
【００３１】
誘導コイル２は、磁場の最も有利な結果を実現するために、フィルタ３の縁部の可能な限り近くに好ましくは配置される。フィルタ３の周りで液体金属が漏れないようにするガスケット材料４と、断熱および難燃材料５のために、適切な空間を設けなければならない。十分な断熱および難燃材料は、ボウルの上方部分６またはボウルの排出部分７の高温金属と、コイル２またはコイルリード８との接触を回避するために、存在しなければならない。当業者なら、電気的または熱的な過熱および電気伝導体への損傷を防止するために、コイルリード８およびコイル２と組み合わせて適切な冷却媒体（有機物または水）を使用しなければならないことを理解する。接触は、励磁電流の電気短絡を防止するために、伝導体８同士の間およびコイル２の層同士の間で防止しなければならない。
【００３２】
濾過デバイスとして機能させるために、ボウルは、適切な液体金属供給材９および排出手段１０を備えなければならない。ボウルの側部１１および底部１２は、濾過される金属の熱平衡が維持されるように、適度な難燃性を有するように設計されなければならない。フィルタ３は、使用前の過剰な熱衝撃が防止されるように、従来の手段によって予熱されてもよい。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態では、電流が誘導コイルに十分な大きさで印加されて、プライム処理していないフィルタの幅の端から端まで平均磁束密度０．０５〜０．２５Ｔを発生させる。コイル励磁電流の周波数は、好ましくは１から６０Ｈｚの間である。コイル励磁電流の周波数は、十分高い磁気侵入を実現すると共に過剰な加熱を回避するために、好ましくは、ボウルの上方部分６の液体金属における電磁侵入深さ（δ）とフィルタ３の平均半径または幅との間の比が好ましくは０．５から３．０の間、より好ましくは０．７から１．４の間の範囲である。
【００３４】
１つの好ましい実施形態では、電流をコイル２に印加した状態で、入口９を介して液体金属がボウルの上方部分６に添加される。あるいは液体金属が最初に添加され、次いで電流がコイル２に印加される。好ましい実施形態では、液体金属が、コイル２の最後の巻き線よりも十分高くボウルの上方部分６を満たして、電磁メニスカスが形成されないようにする。この実施形態は、プライム処理中の金属の過剰な酸化も回避する。
【００３５】
電磁プライム処理は、フィルタの上面で、最小限に抑えられた液体金属で実現することができる。好ましくは、約５〜１０ｃｍの液体金属の高さが、コイル２の最上部の巻き線上にある。あるいは、約１．１から３．６ｋＰａの金属静水圧が、過剰なメニスカス形成を回避しながらかつコイルとフィルタとの間の空間で０．１〜０．２Ｔの範囲の平均磁束密度を使用しながら、３０から８０ＰＰＩの間のＣＦＦフィルタの適度なプライム処理を実現するのに好ましい。
【００３６】
本発明の一態様では、電流が約３０秒から約１０分の期間にわたり、さらにより好ましくは約３〜６分にわたり継続する。適度なプライム処理が達成されると、コイル２への励磁電流を停止することができる。
【００３７】
フィルタ要素３の使用後、この要素は、フィルタ３の細孔内で固まった金属を再融解するのに誘導コイル２を最初に使用することによって、任意選択で再使用することができる。当業者なら、より高い周波数が融解には有利であることを理解する。周波数＞６０Ｈｚを適用することができる。したがって二重周波数電源が、本発明の方法と共に有益に使用されてもよい。当業者なら、著しく過熱することなくかつおそらくはフィルタ要素に損傷を与えることなく、高い電気効率を実現しながら、正確な時間の長さで所望の融解を実現するために、周波数、電流、および時間を特定することができる。第２のコイルは、さらによりエネルギー効率的な融解が実現されるよう、任意選択でコイル２と同軸になるように設計し据え付けることができる。
【００３８】
本発明は、特定の実施例を参照しながら、より良好に理解することができる。これらの実施例は、例示的なものであり、本発明の適用可能性を制限するものではない。これらの実施例は、表Ｉに示されるようないくつかの異なるコイルを使用して実施した。これらのコイルは、様々な実施例で示されるような印加電流を使用して、５０Ｈｚで動作した。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
呼びフィルタ寸法である直径１００〜１０５ｍｍおよび厚さ５０ｍｍを、これらの実施形態で使用した。３０、５０、および８０ＰＰＩの市販のセラミックフォームフィルタ（ＣＦＦ）要素を使用した。３０および８０ＰＰＩの市販のＣＦＦのＳＥＭ写真を、図２および３に示す。これらの図では、３０ＰＰＩが非常に開放された構造を有し、一方、８０ＰＰＩの細孔およびウィンドウサイズは非常に低減することを、明らかに見ることができる。３０ＰＰＩの開放構造は、低い金属ヘッドおよび少ない予熱で非常に容易なプライム処理を可能にするが、特に液体金属の微細な含有物に関する濾過効率を低減させもする。８０ＰＰＩ  ＣＦＦの閉鎖した緊密な構造に金属を侵入させかつその構造から空気を除去することは、より困難であり、したがって、当業者に周知のように、プライム処理する金属の高さを増加させる必要がある。
【００４１】
標準的なアルミニウム鋳造合金、Ａ３５６を、全ての実施例で使用し、そこに様々なレベルの汚染物質を添加した。１．５重量％（実施例４〜６）〜３重量％（実施例１〜３）のＳｉＣを、Ａ３５６合金の母材に埋め込まれた１３〜２３ミクロンのＳｉＣ粒子を使用して添加した。実施例１〜３では、２０重量％の陽極酸化されラッカー処理されたアルミニウム板の付加によって、酸化物粒子も添加した。
【実施例１】
【００４２】
実験室規模のフィルタボウルを、呼び直径１０５ｍｍの３０ＰＰＩ  ＣＦＦを長さ１５０ｍｍ×直径４”の繊維絶縁坩堝の２つのセクションにセメント接合することにより生成し、コイル１の中心線がＣＦＦの底部に一致しかつコイルのおよそ１回の巻き分がＣＦＦの上面に存在するようにした。ボウルの底部は、直径３．２ｍｍの排出穴が開けられている厚さ約２５ｍｍの稠密なセラミック板から構成した。
【００４３】
フィルタを、手持ち式プロパンバーナを使用して赤熱温度まで予熱した。７３１ＡのＲＭＳ電流を、５０Ｈｚでコイル１に印加した。ＳｉＣおよび酸化物粒子の両方を含有するＡ３５６アルミニウム合金を、呼び初期鋳込み温度７５０℃で（鋳込む前に熱電対を数秒間浸漬することにより測定された。）、ＣＦＦの上部よりも１００ｍｍ高いレベルまで、ボウルの上方部分に添加した。このレベルを、１１０秒後に供給材坩堝が空になるまで維持した。アルミニウムが出口穴からもはや排出されない２６０秒後に電力を中断した。フィルタの上および下で測定された温度と、アルミニウムの排出率を、図７に示すようにデータログした。誘導コイルの加熱効果を図１３に明瞭に示すが、フィルタ上の金属の温度が低下するときでも、時間と共により低い温度は上昇した。濾過中の平均コイル電流は、液体金属により引き起こされた高い電気抵抗により、７１５Ａであった。この効果は全ての実施例で存在し、当業者に周知である。
【００４４】
フィルタを、高濃度の極めて硬質であり研磨性のあるＳｉＣ粒子により、研磨水切断を使用して、その後切断した。１つの断面を図４に示す。高い気体細孔率を含有しかつ不十分な金属−セラミックの濡れ性を示す面積を、切断プロセス中に切除した。フィルタを「強力な」磁場でプライム処理するこの実施例では、非常に少ない材料しか切除されず、走査型電子顕微鏡を用いた後続の金属組織解析中に、良好な濡れ性が巨視的ならびに微視的に観察された。
【実施例２】
【００４５】
装置を、コイル２を使用して構成したが、その他は実施例１と同一であった。フィルタを同様に予熱した。ＲＭＳ電流９５６Ａをコイル２に印加した。合金の同じレシピの合金、ＳｉＣおよび酸化物を、呼び鋳込み温度７５０℃で添加した。フィルタの上および下の温度と、アルミニウムの排出率とを、図８に示すように再び測定した。供給材坩堝を１１０秒後に空にし、電力を２１５秒後に中断した。「弱い」磁場でプライム処理されたこのフィルタ要素を、水研磨切断を使用して再び切断し、この場合は、図５に明らかに示される切断中のセラミック材料の損失によって示されるように、セラミックのさらに大きい細孔率および少ない濡れ性が観察された。
【実施例３】
【００４６】
装置は、誘導コイルなしで構成したが、その他は実施例１および２と同一であった。フィルタを、赤熱色になるまで予熱し、やはり同じ供給材レシピおよび目標鋳込み温度を使用した。プライム処理する金属のレベルは、供給材坩堝が空になるまで１４５秒間、フィルタ要素上１００ｍｍで維持した。アルミニウムの上、下の温度と排出率を、同様に図９に示されるように測定した。フィルタ要素の１つのセクションを図６の写真に示すが、実施例１および２から得た図４および５と比べた場合、フィルタ要素の非常に高い細孔率と非常に不十分な濡れ性を示している。また、フィルタの不十分なプライム処理は、フィルタ上の同じ金属静水ヘッドおよび同じ排出オリフィスサイズでの、金属の低い排出率によって示される。プライム処理の結果は、「強い」場を用いたときに最良であり、「弱い」場を用いたときはそれほど良好ではなく、磁場がないときは最も不十分であった。
【実施例４】
【００４７】
実施例１〜３に類似する装置を構成したが、底板の排出穴はない。コイル番号３を使用した。５０ＰＰＩの市販のセラミックフォームフィルタ（ＣＦＦ）、直径１００ｍｍを、フィルタの底部がコイルの中心線と同じ高さになるようにかつコイルが厚さ５０ｍｍのフィルタの上面の上方におよそ１巻き分延びるように配置した。Ａ３５６アルミニウム合金および１．５重量％のＳｉＣからなる供給材を使用した。フィルタは、予熱しなかった。フィルタボウルの上方部分に、呼び鋳込み温度７５０℃で、フィルタ要素の上面から１００ｍｍのレベルまで液体アルミニウム供給材料を満たした。次いで励磁電流７３８Ａをコイルに印加した。約２０秒にわたり、金属をフィルタ内に引き込み、金属をフィルタ上１００ｍｍのほぼ一定の高さで維持されるように添加した（固まった後には１０４ｍｍと測定された。）。電流を、厳密に１８０秒間維持した。次いで電力を停止し、サンプルを凝固した。次いでフィルタ要素を、鋼製ブレードを使用して切断した。研削断面を図１０に示すが、フィルタ要素の非常に低い細孔率および完全な金属侵入が示されている。
【実施例５】
【００４８】
実施例４と実質的に同一の装置を構成したが、誘導コイルはない。同じ供給材レシピおよび充填手順を使用した。この場合も、フィルタ要素の予熱は行わなかった。ＣＦＦの上部の上に１００ｍｍまで満たした後、金属高さの低下は観察されなかった。装置を分解すると、フィルタ要素は、フィルタ上で固まった金属１００ｍｍから離れ、図１１に示されるように非常に少量の金属侵入のみが生じたことが観察された（＜２０ｍｍ）。フィルタ媒体の残部で金属が完全に欠けており、したがってプライム処理はできなかった。実施例４と５の間の結果の相違は劇的であり、実行する際の唯一の実質的な相違は、実施例４の場合に「強い」磁場であり、実施例５では磁場がないことであった。
【実施例６】
【００４９】
実施例４および５に実質的に同一な装置を構成したが、５０ＰＰＩ  ＣＦＦの代わりに８０ＰＰＩを使用した。実施例４と同じ手順および供給材レシピを使用した。液体合金をフィルタの上部から１００ｍｍまで満たした後、励磁電流７４７Ａをコイル３に印加した。約３０〜４０秒間にわたり、金属をフィルタ要素内に引き込み、金属を、１００ｍｍのレベルで維持されるようにフィルタ上に添加した（固まった後、９９ｍｍと測定された。）。電流を、やはり厳密に１８０秒間、維持した。次いで電力を停止し、サンプルを凝固させた。次いでこのフィルタ要素を、水研磨切断を使用して切断した。プライム処理は、図１２に示される完全な金属侵入、低い気体細孔率、および良好な濡れ性により示されるように、極めて首尾良く行われた。
【実施例７】
【００５０】
実施例６と実質的に同一の装置を構成したが、誘導コイルは用いなかった。同じ充填手順および供給材レシピを同様に使用した。ＳｉＣ粒子を含有する液体アルミニウム合金を、約１００ｍｍの高さまで８０ＰＰＩフィルタ要素上に添加した。金属高さの低下は検出されなかった。次いでサンプルを凝固した。分解すると、フィルタ要素の上部で１０３ｍｍに届く金属は、フィルタの残部から分離され、この部分では金属を完全に含んでいなかった。フィルタ材料の約０〜５ｍｍは、図１３に示されるように、固まった金属に取着したままであった。プライム処理は完全にできなかったと結論付けた。この場合も、実施例６と７との間の唯一の実質的な相違は、「強い」磁場が実施例６で使用され、実施例７では磁場が印加されなかったことであった。
【００５１】
実施例４および６での強い磁場の存在は、フィルタの予熱がない状態であっても良好なプライム処理が行われることに寄与する。磁場が不足すると、実施例５および７のように予熱とも組み合わせずかつフィルタ上の金属静水高さが低い場合には、プライム処理が失敗するという結果になった。
【００５２】
本明細書に記載される実施例および実施形態は、単なる例示を目的とするものであり、その内容に照らして様々な修正または変更が当業者に示唆されることになり、それらは本出願の精神および範囲内に含まれ添付される特許請求の範囲に含まれるものであることを理解すべきである。
【符号の説明】
【００５３】
１  ボウル
２  誘導コイル
３  フィルタ
４  ガスケット材料
５  難燃材料
６  ボウルの上方部分
７  ボウルの排出部分
８  コイルリード
９  液体金属供給材
１０  排出手段
１１  ボウルの側部
１２  ボウルの底部
１３  点線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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