УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЛЕВИТАЦИОННОЙ ПЛАВКИ С НАКЛОННО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ИНДУКЦИОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
DEVICE AND METHOD OF LEVITATION MELTING WITH INCLINED INDUCTION DEVICES

Настоящее изобретение относится к способу левитационной плавки и устройству для изготовления отливок с наклонно расположенными индукционными устройствами. В случае способа используют индукционные устройства, при которых соответственно противолежащие ферритовые полюса выполнены расположенными не в одной плоскости с катушками индуктивности, а наклоненными под определенным углом к плоскости левитации. Таки образом при использовании индукционных устройств можно повысить эффективность наведенного магнитного поля для плавления шихт. За счет наклонного расположения увеличивают долю наведенного магнитного поля, которая эффективно способствует удерживающей силе поля для левитации расплава.
Уровень техники
Способы левитационной плавки известны из уровня техники. Так, заявка DE 422004 А1 уже раскрывает способ левитационной плавки, при котором электропроводящий расплавляемый материал нагревают индукционными токами и одновременно с помощью электродинамического воздействия переводят в состояние свободного парения. Там описан также способ литья, при котором расплавленный материал с помощью магнитов вдавливают в форму (электродинамическое литье под давлением). Способ можно осуществлять в вакууме.
Заявка US 2686864 A также описывает способ, при котором электропроводящий расплавляемый материал, например, в вакууме или под воздействием одной или нескольких катушек без использования тигля переводят в состояние левитации. В форме исполнения для стабилизации материала в состоянии левитации используют две коаксиальных катушки. После осуществленной плавки материал путем его падения или сливания направляют в форму. С помощью описанного там способа можно удерживать в состоянии левитации порцию алюминия массой 60 г. Извлечение расплавленного металла осуществляют посредством уменьшения напряженности поля, так что расплав уходит вниз через конически сужающуюся катушку. Если напряженность поля снижают очень быстро, происходит выпадание металла в расплавленном состоянии из устройства. Уже было установлено, что «слабым местом» таких конструкций катушек является центр катушек, в результате чего количество материала, которое можно расплавить, является ограниченным.
Заявка US 4578552 A также раскрывает устройство и способ левитационной плавки. Одну и ту же катушку используют как для нагрева, так и для удержания расплава, при этом для регулирования мощности нагрева частоту приложенного переменного тока варьируют, поддерживая силу тока на постоянной величине.
Особые преимущества левитационной плавки заключаются в предотвращении загрязнения расплава материалом тигля или другими материалами, которые в случае других способов находятся в контакте с расплавом. Также предотвращают реакцию реактивного расплава, например, титановых сплавов, с материалом тигля, которая в ином случае вынуждает переходить с керамических тиглей на медные тигли, используемые в технологии холодного тигля. Левитирующий расплав находится в контакте лишь с окружающей его атмосферой, при которой речь может идти, например, о вакууме или защитном газе. За счет того, что можно не опасаться химической реакции с материалом тигля, расплав можно также нагревать до очень высоких температур. В отличие от плавки технологии холодного тигля не возникает также та проблема, что ее эффективность очень мала, поскольку почти вся энергия, которую вводят в расплав, отводится в охлажденные стенки тигля, что ведет к очень длительному повышению температуры при больших затратах мощности. При левитационной плавке единственные потери приходятся на излучение и испарения, которые существенно меньше в сравнении с тепловой мощностью при холодном тигле. Таким образом, при меньшей внесенной мощности достигают большего перегрева расплава в течение также более короткого промежутка времени.
Помимо этого, в частности, по сравнению с расплавом в холодном тигле, при левитационной плавке уменьшается брак вследствие загрязненного материала. И все же левитационная плавка не нашла практического применения. Причина этого заключается в том, что при левитационной плавке можно удерживать в состоянии левитации лишь относительно небольшое 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 катушек должна компенсировать ее силу тяжести. При этом она выдавливает шихту вверх из поля катушки. Для повышения эффективности выработанного магнитного поля обычно стремятся к уменьшению расстояния между противолежащими ферритовыми полюсами. Уменьшение расстояния позволяет при более низком напряжении выработать то же магнитное поле, которое необходимо для удержания определенной массы расплава. Таким образом можно улучшить эффективность удержания установки для обеспечения возможности левитации большей по размеру шихты.
Чем меньше становится расстояние между ферритовыми полюсами, тем больше наведенное магнитное поле. Конечно, с уменьшением расстояния возрастает также опасность загрязнения ферритовых полюсов и катушек индуктивности расплавом, так как для осуществления разливки напряженность поля необходимо уменьшать. При этом удерживающая сила уменьшается, однако, не только в вертикальном, но и также в горизонтальном направлении. В результате происходит горизонтальное растяжение расплава, слегка левитирующего поверх поля катушки, что чрезвычайно затрудняет его падение без соприкосновения сквозь узкий зазор между ферритовыми полюсами в позиционированную под ними литейную форму. Поэтому увеличение несущей силы поля катушки за счет уменьшения расстояния между ферритовыми полюсами ограничено практическими рамками, которые определены вероятностью контакта.
Недостатки известных из уровня техники способов можно резюмировать следующим образом. Способ левитационной плавки можно осуществлять только при небольших количествах материала, в результате чего он до настоящего времени не нашел промышленного применения. Далее, в случае, когда эффективность поля катушки при выработке вихревых токов должна быть увеличена за счет уменьшения расстояния между ферритовыми полюсами, становится затруднительным разливка в литейные формы.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предоставление способа и устройства, которые делают возможным промышленное применение способа левитационной плавки. В частности, за счет улучшенной эффективности поля катушки способ должен позволять использовать большие по весу шихты. Наряду с этим он должен обеспечивать возможность высокой пропускной способности в течение более коротких временных циклов при сохранении гарантии того, что процесс отливки будет происходить и впредь непременно без контакта расплава с катушками или их полюсами.
Задачу решают с помощью соответствующего изобретению способа и соответствующего изобретению устройства. В соответствии с изобретением предложен способ изготовления отливок из электропроводящего материала способом левитационной плавки, причем для достижения состояния левитации шихты используют электромагнитные переменные поля, вырабатываемые, по меньшей мере, парой расположенных друг против друга катушек индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала, включающий в себя следующие этапы:
- подвод шихты исходного материала в зону действия, 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,
- извлечение застывшей отливки из литейной формы,
причем продольные оси катушек (3) индуктивности с их сердечниками (4) в, по меньшей мере, одной паре не расположены внутри горизонтальной плоскости.
Объем расплавленной шихты («объем заполнения») при этом предпочтительно достаточен для заполнения литейной формы в мере, достаточной для изготовления отливки. После заполнения литьевой 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, обладающей электропроводимостью, достаточной для индукционного нагрева материала и удержания его в состоянии левитации.
Под «состоянием левитации» в соответствии с изобретением понимают состояние полного парения, в результате которого обработанная шихта никоим образом не входит в контакт с тиглем или платформой или т.п.
Обозначение «ферритовый полюс» используют в рамках настоящей заявки в качестве синонима обозначению «сердечник из ферромагнитного материала». Обозначения «катушка» и «катушка индуктивности» также используют как равнозначные.
В соответствии с изобретением продольные оси катушек индуктивности с их сердечниками в, по меньшей мере, одной паре не расположены внутри горизонтальной плоскости. В этом случае катушки индуктивности расположены под углом вниз от плоскости левитации. Угол β между продольными осями катушек индуктивности с их сердечниками и горизонтальной плоскостью, по меньшей мере, в одной паре составляет соответственно 0° < β ≤ 60°, особо предпочтительно 10° ≤ β ≤ 45°.
При обычной ориентации осей катушек индуктивности в общей горизонтальной плоскости магнитный поток в отсутствие шихты в магнитном поле является одинаковым как выше, так и ниже плоскости. Магнитный поток ниже плоскости, однако, почти не содействует удерживающей силе магнитного поля при левитации шихты. За счет соответствующего изобретению Λ-образного расположения осей катушек удается увеличить удерживающую силу поля, так как в результате этого происходит усиление магнитного потока в области выше плоскости.
В предпочтительном варианте исполнения катушки индуктивности и/или их сердечники из ферромагнитного материала имеют, по меньшей мере, в их частях форму усеченного конуса или коническую форму. При этом специальная коническая форма ферритовых сердечников выбрана таким образом, что концентрация магнитного поля в промежуточном пространстве между противолежащими парами катушек достигает максимума, причем материал остается, однако, еще далеким от насыщения. Ферромагнитный элемент (ферритовое кольцо), который расположен снаружи вокруг сердечников из ферромагнитного материала и который еще будет описан ниже более подробно, отделяет магнитный поток, который в противном случае уменьшил бы напряженность магнитного поля в промежуточном пространстве.
Катушки индуктивности расположены парами, которые работают на одной и той же частоте и вырабатывают магнитное поле в одном и том же направлении. Со своей конической формой, аналогично полюсам, они, с одной стороны, оптимизированы, с одной стороны, в отношении уменьшения потерь джоулева тепла, чтобы добиться повышения эффективности. С другой стороны, они выполнены для оптимального распределения магнитного поля ниже расплава, которое обеспечивает левитацию, и магнитных полей выше и сбоку от расплава, которые хотя и противодействуют левитации, однако, обеспечивают стабильность формы расплава.
Дополнительно к этому катушки индуктивности можно позиционировать еще ближе друг к другу, в результате чего уменьшается расстояние между противолежащими полюсами, что ведет к дальнейшему повышению магнитной индукции поля на нижней стороне левитирующего расплава и, следовательно, к более эффективному процессу плавки.
Эффективность выработанного электромагнитного переменного поля можно еще более увеличить за счет сдвигания пар катушек индуктивности друг к другу. За счет этого удается переводить в состояние левитации даже еще 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 затруднительно и затратно и в результате их возникает длительный простой установки. Для обеспечения возможности использования по возможности в полной мере преимуществ более узкого расстояния между парами катушек индуктивности, не опасаясь загрязнений при разливке, в особо предпочтительном варианте исполнения катушки индуктивности с их сердечниками, по меньшей мере, в одной паре укреплены соответственно с возможностью движения. Движение катушек одной пары происходит предпочтительно центросимметрично в противоположных направлениях вокруг центра конструкции катушек индуктивности.
Для плавки шихты катушки сдвигают друг к другу в позицию плавки. После расплавления шихты и необходимости ее разливки в литейную форму катушки не просто отключают или не просто уменьшают силу тока, как это обычно происходит в уровне техники, а в соответствии с изобретением перемещают наружу в позицию разливки. В результате увеличивается расстояние между катушками, что, с одной стороны, создает больший свободный диаметр для расплава на его пути в литейную форму и, с другой стороны, обуславливает непрерывное и контролируемое уменьшение несущей силы наведенного магнитного поля. Таким образом расплав при прохождении через плоскость катушек надежно удерживают на удалении от катушек индуктивности и их сердечников и он переходит в состояние падения лишь медленно, поскольку хотя напряженность магнитного поле уже и ослаблена в центре, на катушках она, однако, все еще достаточно высока для того, чтобы предотвратить контакт. Таким образом предотвращают загрязнение катушек, а также достигают чистоты разливки без разбрызгивания в литейную форму.
В следующей форме исполнения изобретения векторы движения катушек индуктивности в парах катушек индуктивности не идентичны их продольным осям. В случае конструкций катушек, расположенных под наклоном относительно горизонтальной плоскости, при этом катушки не удаляют друг от друга вдоль их продольной оси, а расположенные под наклоном катушки перемещают внутри горизонталей. За счет этого плоскость магнитного поля для левитации остается в той же вертикальной позиции также при разливке шихты.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения при разливке шихты одновременно с движениями катушек индуктивности в парах катушек индуктивности от позиции плавки в позицию разливки уменьшают силу тока в этих катушках индуктивности. За счет этого можно добиться уменьшения необходимого пути перемещения катушек индуктивности, поскольку напряженность наведенного магнитного поле уменьшают уже не только лишь за счет большего расстояния между индуцирующими катушками. Однако при этом следует обратить внимание на то, что уменьшение силы тока координируют с перемещением катушек таким образом, что напряженность поля постоянно остается достаточно высокой для того, чтобы удерживать расплав на расстоянии от катушек.
В форме исполнения расстояние катушек индуктивности в парах катушек индуктивности между позицией плавки и позицией разливки увеличивают на 5-100 мм, предпочтительно 10-50 мм. При этом при определении пути перемещения следует соответственно учитывать, для какой массы шихты должна быть выполнена установка и насколько велики минимальное расстояние между катушками, а также напряженность вырабатываемого ими поля.
Используемый в соответствии с изобретением электропроводящий материал содержит в предпочтительной форме исполнения высокоплавкий металл из следующей группы: титан, цирконий, ванадий, тантал, вольфрам, гафний, ниобий, рений, молибден. Альтернативно можно использовать также менее высокоплавкие металлы, такие как никель, железо или алюминий. В качестве электропроводящего материала можно использовать также смесь или сплав с одним или несколькими названным выше металлами. Доля электропроводящего материала в металле составляет в весовом процентном отношении, по меньшей мере, 50%, в частности, по меньшей мере, 60% или, по меньшей мере, 70%. Было установлено, что эти преимущества настоящего изобретения можно особенно применимы к этим металлам. В особо предпочтительной форме исполнения электропроводящим материалом является титан или его сплавы, в частности, TiAl или TiAlV.
Эти металлы или сплавы особенно предпочтительны в использовании, поскольку они обладают выраженной зависимостью вязкости от температуры и являются, помимо этого, особенно реактивными, в частности, в отношении материалов литейной формы. Так как соответствующий изобретению способ комбинирует бесконтактную плавку в состоянии левитации с чрезвычайно быстрым заполнением литейных форм, именно для таких металлов можно реализовать особое преимущество. С помощью соответствующего изобретению способа можно изготавливать отливки, которые содержат особенно тонкий или даже не содержат никакого слоя окиси оксида, который обусловлен реакцией с литейной формой. И именно при высокоплавких металлах становятся особенно заметными достигнутое улучшение использования наведенного вихревого тока и весьма значительное снижение тепловых потерь вследствие термического контакта в течение временных циклов. Далее, можно увеличить подъемную силу выработанного магнитного поля, так что в состоянии левитации можно удерживать также более тяжелые шихты.
В предпочтительной форме исполнения при плавке электропроводящий материал перегревают до температуры, которая лежит, 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 пресс-формой, температура которой ниже температуры расплава. Достигаю возможности распределения шихты в литейной форме прежде, чем вязкость материала станет слишком большой. Преимущество левитационной плавки в том, что нет необходимости в использовании тигля, который входит в контакт с расплавом. Тем самым предотвращают большие потери материала на стенке тигля, присущие технологии холодного тигля, равно как и загрязнение расплава составными элементами тигля. Следующее преимущество заключается в том, что расплав можно нагреть до сравнительно высокой температуры, поскольку работу выполняют в вакууме или в среде защитного газа и отсутствует контакт с реакционноспособными материалами. И все же некоторые материалы нельзя нагревать любым образом, так как в противном случае следует опасаться мощной реакции с литьевой формой. Поэтому перегрев ограничен предпочтительно максимально 300°С, в частности, максимально 200°С и особо предпочтительно максимально 100°С сверх точки плавления электропроводящего материала.
а
а
а
В случае способа для концентрирования 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 определением «кольцеобразно» понимают не только округлые элементы, но и содержащие углы, например, четырех- или многоугольные кольцевые элементы. Для достижения возможности соответствующего изобретению движения катушек индуктивности кольцевые элементы в соответствии с количеством катушек распределены на частичные сегменты, между которыми двигаются с геометрическим замыканием соответствующие катушки индуктивности с их полюсами. Далее, ферромагнитный элемент может содержать несколько стержневых участков, которые, в частности, горизонтально выступают в направлении области плавки. Ферромагнитный элемент состоит из ферромагнитного материала, предпочтительно с амплитудной магнитной проницаемостью μ > 10, более предпочтительно μ > 50 и особо предпочтительно μ > 100. Амплитудная магнитная проницаемость относится, в частности, в магнитной проницаемости в диапазоне температур между 25°С и 150°С и при плотности магнитного потока между 0 и 500 мТ. Амплитудная магнитная проницаемость составляет, в частности, по меньшей мере, одну сотую, в частности, по меньшей мере, 10 сотых или 25 сотых амплитудной магнитной проницаемости магнитомягкого феррита (например, 3С92). Пригодные материалы известны специалисту в данной области техники.
Далее, изобретению соответствует также устройство для левитационной плавки электропроводящего материала, содержащее, по меньшей мере, одну пару расположенных напротив друг друга катушек индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала для приведения шихты в состояние левитации с помощью электромагнитных переменных полей, причем продольное оси катушек индуктивностей с их сердечниками в, по меньшей мере, одной паре не расположены внутри одной горизонтальной плоскости.
Описание фигур
Фиг. 1 показывает в сечении вид сбоку на расположенную ниже области плавки литьевую форму с ферромагнитным материалом, катушками и шихтой электропроводящего материала.
Фиг. 2 показывает вид сбоку на наклонно расположенные катушки.
Фиг. 3 показывает в сечении вид сбоку на вариант исполнения с имеющими форму усеченного конуса катушками индуктивности и полюсами.
Фиг. 4 показывает вид на конструкцию катушек из фиг. 3.
Фиг. 5 показывает перспективный вид сбоку на конструкцию катушек из фиг. 3.
Фигуры показывают предпочтительные формы исполнения. Они служат только для наглядного объяснения.
Фиг. 1 показывает шихту (1) из электропроводящего материала, которая находится в зоне действия электромагнитных переменных полей (в области плавки), которые вырабатывают с помощью катушек (3). Ниже шихты (1) расположена порожняя литьевая форма (2), удерживаемая в области заполнения держателем (5). Литейная форма (2) содержит воронкообразный участок (6) заполнения. Держатель (5) выполнен для подъема литейной формы (2) из позиции подвода в позицию разливки, что символически показано стрелкой. В сердечниках катушек (3) расположен ферромагнитный материал (4). Изображенные на чертеже пунктиром оси пары катушек наклонены вниз к горизонтальной плоскости левитации, причем две противолежащих катушки (3) образуют одну пару.
Фиг. 2 показывает в сечении вид сбоку аналогично фиг. 1 на наклонно расположенные катушки (3) с их сердечниками из ферромагнитного материала (4). Здесь штриховой показана линей горизонтальная плоскость и обозначены углы β, на которые изображенные пунктирной линией продольные оси катушек (3) наклонены относительно горизонтальной плоскости.
Фиг. 3 показывает в сечении вид сбоку на вариант исполнения с имеющими форму усеченного конуса катушками и изображенными черным цветом полюсами. При этом плоскость сечения проходит центрально через продольную ось пары катушек. Катушки (3) индуктивности и их сердечники из ферромагнитного материала (4) выполнены соответственно в форме усеченного конуса и вместе окружены ферритовым кольцом. В показанном примере катушки (3) индуктивности выполнены в форме полых проводников, что дополнительно обеспечивает возможность для внутреннего охлаждения охлаждающей жидкостью. Хорошо видны продольные оси полюсов и катушек, расположенные под наклоном к плоскости левитации.
Фиг. 4 и фиг. 5 показывают вид сверху или перспективный вид сбоку конструкцию катушек из фиг. 3. Конструкция состоит из двух пар катушек, которые ориентированы относительно друг друга под углом 90°. При этом катушки (3) индуктивности с их сердечниками из ферромагнитного материала (4) подвижно укреплены с геометрическим замыканием между четырьмя ферритовыми сегментами, так что в целом возникает восьмиугольный ферромагнитный элемент и их можно перемещать между позицией плавки, в которой они находятся вплотную друг к другу, и расположенной на большом расстоянии от нее позицией разливки. Позицию плавки катушек показывают фиг. 4 и 5. В частности, на фиг. 5 хорошо виден путь перемещения катушек между внутренней стороной кольца и наружной стороной кольца.
Перечень ссылочных обозначений
1 Шихта
2 Литейная форма
3 Катушка индуктивности
4 Ферромагнитный материал
5 Держатель
6 Участок заполнения.