СПОСОБ ЛЕВИТАЦИОННОЙ ПЛАВКИ С ПОДВИЖНЫМИ ИНДУКЦИОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
METHOD OF LEVITATION MELTING WITH MOVABLE INDUCTION DEVICES

Настоящее изобретение относится к способу левитационной плавки и устройству для изготовления отливок, содержащему подвижные индукционные устройства. При этом способе используют индукционные устройства, в случае которых соответственно противолежащие ферритовые полюса подвижно оснащены индукционными катушками и двигаются в противоположных направлениях относительно друг друга. Так, для плавки шихты индукционные устройства можно расположить вплотную друг к другу для повышения эффективности наведенного магнитного поля. При разливке расплавленной шихты напряженность наведенного магнитного поля уменьшают путем увеличения расстояния между ферритовыми полюсами и индукционными катушками и за счет этого предотвращают соприкосновение расплава с ферритовыми полюсами или индукционными катушками.
Уровень техники
Способы левитационной плавки известны из уровня техники. Так, уже заявка DE 422004 А раскрывает способ плавки, при котором токопроводящий расплав нагревают индукционными токами и одновременно с помощью электродинамического воздействия переводят в состояние свободного парения. Там описан также способ плавки, при котором расплавленный материал с помощью магнита вдавливают в форму (электродинамическое литье под давлением). Способ можно осуществлять в вакууме.
Заявка US 2686864 А также описывает способ, при котором токопроводящий расплавленный материал, например, в вакууме или под воздействием одной или нескольких катушек переводят в состояние левитации без использования тигля. В форме исполнения для стабилизации материала используют две коаксиальных катушки. После плавки материал направляют в форму посредством его падения или сливания. С помощью описанного там способа можно удерживать в состоянии левитации порцию алюминия весом 60 г. Выгрузку расплавленного металла производят посредством уменьшения напряженности поля, в результате чего расплав уходит вниз через конически суживающуюся катушку. Если напряженность поля уменьшают очень быстро, то металл в расплавленном состоянии выпадает из устройства. Уже было установлено, что «слабое место» таких конструкций катушек лежит в центре катушек, так что количество материала, который можно расплавить таким образом, ограничено.
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 регулировки мощности нагрева частоту приложенного переменного тока варьируют, поддерживая силу тока на постоянной величине.
Особые преимущества способа левитационной плавки заключаются в том, что предотвращают загрязнение расплава материалом тигля или другими материалами, которые при других способах находятся в контакте с расплавом. Таким же образом исключают реакцию реактивных расплавов, например, титановых сплавов, с материалом тигля, которая в ином случае вынуждает заменять керамические тигли на медные тигли, используемые в технологии холодного тигля. Левитирующий расплав находится в контакте с лишь окружающей его атмосферой, в случае которой речь может идти, например, о вакууме или защитном газе. В результате того, что не приходится опасаться химической реакции с материалом тигля, расплав можно нагревать также до очень высоких температур. К тому же в отличие от технологии плавки с холодным тиглем при этом не возникает проблема ее очень низкой эффективности, поскольку почти вся энергия, которую вводят в расплав, отводится в холодную стенку тигля, что ведет к весьма длительному повышению температуры при больших затратах мощности. В случае левитационной плавки единственные потери приходятся на излучение и испарения, которые существенно меньше по сравнению с теплопроводностью при холодном тигле. Таким образом, при меньших затратах мощности достигают большего перегрева расплава, в том числе и в течение более короткого промежутка времени.
Помимо этого, при левитационной плавке, в частности, по сравнению с расплавом в холодном тигле, уменьшают выход загрязненного материала. И все же левитационная плавка не нашла широкого практического использования. Причина этого в том, что при способе левитационной плавки в состоянии левитации можно удерживать лишь относительно небольшое количество материала (см. DE 69617103 Т2, стр. 2, абзац 1).
Далее, для осуществления способа левитационной плавки сила Лоренца поля катушки должна компенсировать силу тяжести шихты, чтобы обеспечить возможность ее удержания в состоянии левитации. При этом она выдавливает шихту вверх из поля катушки. Для повышения эффективности выработанного магнитного поля стремятся уменьшить расстояние между противоположными ферритовыми полюсами. Уменьшение расстояния позволяет при более низком напряжении вырабатывать то же магнитное поле, которое необходимо для удержания определенной массы расплава. Таким образом можно улучшить коэффициент удерживания установки, чтобы заставить левитировать большую по объему шихту. Далее, возрастает эффективность нагрева, поскольку уменьшаются потери в катушках индуктивности.
Чем меньше расстояние между ферритовыми полюсами, тем больше наведенное магнитное поле. Однако, с уменьшением расстояния также увеличивается опасность загрязнения ферритовых полюсов и катушек индуктивности расплавом, так как для разливки необходимо уменьшить напряженность поля. При этом сила удержания уменьшается не только в вертикальном, но и также в горизонтальном направлениях. В результате этого возникает горизонтальное растяжение слегка левитирующего выше поля катушки расплава, что чрезвычайно затрудняет его падение без соприкосновения сквозь узкий зазор между ферритовыми полюсами в позиционированную под ними литьевую форму. Поэтому увеличение несущей силы поля катушки за счет уменьшения расстояния между ферритовыми полюсами поставлено в практические границы, определенные вероятностью контакта.
Недостатки известных из уровня техники способов можно обобщить следующим образом. Способы полностью левитационной плавки можно осуществлять лишь при небольших количествах материала, так что до настоящего времени не удалось добиться их промышленного использования. Далее, оказывается затруднительным разливка в литейные формы. Это справедливо, в частности, для случая, когда эффективность поля катушки при выработке вихревых токов необходимо повысить за счет уменьшения расстояния между ферритовыми полюсами.
Раскрытие сущности изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложение способа и устройства, которые делают возможным промышленное применение способа левитационной плавки. В частности, за счет повышенной эффективности поля катушек способ должен позволять использовать большие по объему шихты и обеспечивать более высокую пропускную способность в течение циклов с меньшей длительностью с сохранением обеспечения осуществления процесса литья, далее, надежно без контакта расплава с катушками или ее полюсами.
Задачу решают с помощью соответствующего изобретению способа и соответствующего изобретению устройства. В соответствии с изобретением способ изготовления отливок из электропроводного материала является способом левитационной плавки, причем для достижения левитирующего состояния шихты используют электромагнитные переменные поля, вырабатываемые с помощью, по меньшей мере, пары расположенных напротив друг друга катушек индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала, причем катушки индуктивности с их сердечниками в каждой паре расположены с возможностью движения относительно друг друга и перемещаются между позицией плавки с малым расстоянием и позицией разливки с большим расстоянием, который включает в себя следующие этапы:
- перевод пары катушек индуктивности в позицию плавки с малым расстоянием,
- ввод 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 посредством перемещения катушек индуктивности в, по меньшей мере. одной паре из позиции плавки с малым расстоянием в позицию разливки с большим расстоянием,
- извлечение застывшей отливки из литьевой формы.
При этом объем расплавленной шихты предпочтительно достаточен для заполнения литьевой формы в достаточной для изготовления отливки мере («объем заполнения»). После заполнения литьевой формы ей дают охладиться или охлаждают с помощью охлаждающего средства, так что происходит застывание материала в форме. После этого отливку извлекают из формы.
В соответствии с изобретением под определением «электропроводный материал» понимают материал, обладающий электропроводимостью, достаточной для индукционного нагрева материала и его удержания в состоянии левитации.
Под «состоянием левитации» в соответствии с изобретением понимают состояние полного парения, в результате которого обрабатываемая шихта ни в коей мере не входит в контакт с тиглем или платформой или т.п.
В рамках этой заявки обозначение «ферритовый полюс» используют как синоним понятию «сердечник из ферромагнитного материала». Таким же образом понятия «катушка» и «катушка индуктивности» используют в одинаковом значении.
За счет сближения пар катушек индуктивности можно повысить эффективность выработанного электромагнитного переменного поля. За счет этого удается перевести в состояние левитации также более тяжелые шихты. Однако, при разливке шихты опасность соприкосновения расплавленной шихты с катушками или ферритовыми полюсами возрастает по мере уменьшения свободного поперечного сечения между катушками. Таких загрязнений следует, однако, обязательно избегать, поскольку их удаление является очень трудным и дорогостоящими, и они ведут к длительной паузе в работе установки. Для того, чтобы по возможности в полной мере использовать преимущества сокращенного расстояния между парами катушек индуктивности без возникновения опасности загрязнения при разливке, катушки индуктивности с их сердечниками укреплены в соответствии с изобретением соответственно подвижно в, по меньшей мере, одной паре. Катушки одной пары перемещают предпочтительно встречно и центросимметрично вокруг центра конструкции индукционных катушек.
Для расплавления шихты катушки сдвигают в позицию плавки. После того, как шихта расплавится и ее будет необходимо вылить в литьевую форму, производят не отключение катушек или уменьшение силы тока, как это обычно происходит в уровне техники, а в соответствии с изобретением катушки перемещают наружу в позицию разливки. В результате расстояние между катушками увеличивается, что, с одной стороны, создает больший свободной диаметр для расплава на его пути в литьевую форму и, с другой стороны, обуславливает непрерывное и контролируемое уменьшение подъемной силы наведенного магнитного поля. Таким образом расплав при прохождении через плоскости катушек надежно удерживают на расстоянии от катушек индуктивности и их сердечников и он лишь медленно переходит в состояние падения, поскольку, хотя поле и является уже ослабленным в центре, на катушках оно является, однако, еще достаточно сильным для того, чтобы предотвратить контакт. Таким образом, добиваются как предотвращения загрязнения катушек, так и чистую разливку в литейную форму без разбрызгивания.
В предпочтительном варианте исполнения изобретения при разливке шихты одновременно с движением катушек индуктивности пар катушек индуктивности из позиции плавки в позицию разливки уменьшают силу тока в этих катушках индуктивности. За счет этого можно сократить необходимый путь перемещения катушек индуктивности, так как наведенное магнитное поле более не уменьшают лишь за счет большего расстояния между наводящими поле 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 удалении от катушек.
В форме исполнения расстояние от позиции плавки до позиции разливки катушек индуктивности в парах катушек индуктивности увеличивают на 5-100 мм, предпочтительно на 10-50 мм. При этом при определении пути перемещения следует соответственно учитывать то, на какой вес шихты должна быть рассчитана установка и насколько велики минимальное расстояние между катушками, а также напряженность вырабатываемого ими поля.
В предпочтительной форме исполнения используемый в соответствии с изобретением электропроводящий материал содержит, по меньшей мере, высокоплавкий металл из следующей группы: титан, цирконий, ванадий, тантал, вольфрам, гафний, ниобий, рений, молибден. Альтернативно возможно также использование такого менее высокоплавкого металла, как никель, железо или алюминий. В качестве электропроводящего материала можно использовать также смесь или сплав с одним или несколькими названными 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 в свете преимуществ настоящего изобретения эти металлы становятся наиболее удачно пригодными. В особо предпочтительной форме исполнения электропроводящий материал представляет собой титан или сплав титана, в частности, TiAl или TiAlV.
Эти металлы или сплавы можно особо предпочтительным образом обрабатывать, поскольку они обладают ярко выраженной зависимостью вязкости от температуры и, помимо этого, являются особенно реактивными, в частности, применительно к материалам литейной формы. Так как соответствующий изобретению способ комбинирует бесконтактную плавку в условиях левитации с экстремально быстрым заполнением литейной формы, именно для таких металлов можно реализовать особое преимущество. С помощью соответствующего изобретению способа можно изготавливать отливки, которые содержат особо тонкий слой оксида, образованный в результате реакции расплава с материалом литейной формы, или вообще не содержат его. И именно при высокоплавких металлах становятся отчетливо заметными улучшенное использование индуцированного вихревого тока и весьма большое уменьшение тепловых потерь в результате термического контакта во время циклов. Далее, несущую силу выработанного магнитного поля можно увеличить, в результате чего в состоянии левитации можно удерживать также 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 литейной формой, температуры которой меньше температуры расплава. Была достигнута возможность распределения шихты в литейной форме, прежде чем вязкость материала станет слишком высокой. Преимущество способа левитационной плавки состоит в том, что нет необходимости в использовании тигля, который находится в контакте с расплавом. Так предотвращают присущие технологии холодного тигля высокие потери материала на стенке тигля, равно как и загрязнение расплава составными частями тигля. Следующее преимущество заключается в том, что расплав можно нагревать до относительно высокой температуры, поскольку возможна работа в вакууме или в среде защитного газа и не происходит контакта с реакционноспособными материалами. Несмотря на это большинство материалов нельзя перегревать любым образом, так как иначе следует опасаться мощной реакции с литейной формой. По этой причине перегрев ограничен предпочтительно максимально до 300°, в частности, максимально до 200°С и особо предпочтительно максимально до 100°С сверх точки плавления электропроводящего материала.
а
а
а
Для концентрации магнитного поля и стабилизации шихты в случае способа один ферромагнитный элемент расположен горизонтально вокруг области, в которой расплавляют шихту. Ферромагнитный элемент может быть расположен вокруг области плавки кольцеобразно, причем под определением «кольцеобразно» понимают не только округлые элементы, но и также угловатые, в частности, четырех- или многоугольные кольцевые элементы. Для обеспечения возможности выполнения соответствующего изобретению движения катушек индуктивности кольцевые элементы распределяют в соответствии с количеством катушек на частичные сегменты, между которыми двигаются геометрическим замыканием соответствующие катушки индуктивности с их полюсами. 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 > 10, более предпочтительно μ > 50 и особо предпочтительно μ > 100. Амплитудная магнитная проницаемость относится, в частности, к 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, 3C92). Специалисту известны пригодные материалы.
В соответствии с изобретением предложено, далее, также устройство для левитационной плавки электропроводящего материала, содержащее, по меньшей мере, пару расположенных напротив друг друга катушек индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала для перевода шихты в состояние левитации с помощью электромагнитного переменного поля, причем катушки индуктивности с их сердечниками располагают в каждой паре подвижно относительно друг друга и перемещают между позицией плавки с малым расстоянием и позицией разливки с большим расстоянием.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 показывает в сечении вид сбоку на литейную форму ниже области плавки с ферромагнитным материалом, катушками и шихтой из электропроводящего материала.
Фиг. 2 показывает вид сверху на устройство с двумя парами катушек и ферромагнитным кольцеобразным элементом.
Фигуры показывают предпочтительные формы исполнения. Они служат лишь для наглядного объяснения.
Фиг. 1 показывает шихту (1) из электропроводящего материала, которая расположена в зоне действия электромагнитных переменных полей (области плавки), вырабатываемых катушками (3). Ниже шихты (1) расположена пустая литейная форма (2), удерживаемая держателем (5) в области разливки. Литейная форма (2) содержит воронкообразный впускной участок (6). Держатель (5) пригоден 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. На чертеже для конструкции катушек изображена позиция плавки с малым расстоянием.
В соответствующем изобретении способе шихту (1) плавят в состоянии левитации и после плавки разливают в литейную форму (2). Для литья катушки (3), как показано изображенной стрелкой, удаляют друг от друга в наружном направлении до тех пор, пока сила Лоренца не сможет более компенсировать силу тяжести шихты (1).
Фиг. 2 показывает вид сверху на конструкцию с двумя парами катушек и ферромагнитным кольцеобразным элементом (7). При этом кольцеобразный элемент (7) выполнен в качестве восьмиугольного кольцевого элемента. Соответственно две катушки (3) с их ферромагнитным материалом (4), расположенные на оси А, В, образуют пару катушек. Оси А, В катушек расположены относительно друг друга под прямым углом. На изображении для конструкции катушек показана позиция плавки с узкими расстояниями между катушками (3). Ферромагнитные материалы (4), расположенные с геометрическим замыканием в кольцеобразном элементе (7), перемещают в этом случае вместе с их катушками (3), как показано двойными стрелками, наружу для разливки левитирующего расплава.
Перечень ссылочных обозначений
1 Шихта
2 Литейная форма
3 Катушка индуктивности
4 Ферромагнитный материал
5 Держатель
6 Впускной участок
7 Кольцеобразный элемент