专利名称：采用可轴向移动坩埚的浮熔设备及其方法
技术领域：
本发明涉及一种用于熔化浮置材料的浮熔设备，把一种材料，如金属，投入在感应线圈之内由导体材料制成的坩埚，并使该材料悬浮于坩埚之中。
当在金属中感应的涡流在按浮熔方法分割成扇形片的坩埚内，沿相反方向流动时，由此产生的力使金属悬浮于坩埚之中，并使之被它自身的涡流加热。因没有来自坩埚的杂质与熔化的金属混合，而可制备出高纯液体金属。将该液体金属浇注到一个结晶模中，可制出超高纯的产品。采用上述方法来熔化Ti和Si之类的材料。并且，坩埚适合于熔化高熔点材料，因为液体金属无热导损失。
图4是一常规浮熔设备的纵剖透视图。如图4中所示，其中装有圆筒形坩埚4，在圆筒形高频感应线圈1和下底3之内设有多个水冷扇形铜片2，该扇形片在圆周方向上相互电绝缘。当把冷金属材料放入坩埚4，且同时用电源6给感应线圈1施加KHz量级的电能时，致使金属5熔化且悬浮。
在常规的浮熔设备中，仅有上部金属熔化并悬浮于坩埚之内，而下部金属仍保持与坩埚的下底和侧壁接触。随之而来的是，由水冷坩埚引起的热量耗散的增加使熔化金属所需的电能加大。而且，一次熔化操作可制取的液体金属总量是由坩埚的大小确定的。当冷金属材料为薄金属片状小块时，由于小块尺寸与它感应的电流密度间的正比关系定则，为提供大的电能则需耗费时间，这就使得它特别难以熔化大量的高熔点材料。
本发明的目的是提供一种浮熔设备，通过使得可熔金属的量越大、坩埚的容量就越大的方式;而能连续浮熔小块高熔点金属，及其操作方法。
按照本发明的第一实施例的一种浮熔设备设有包括隔开的环状扇形片的导体坩埚及感应线圈。该坩埚包括一圆筒形上坩埚和一封底下坩埚，上坩埚和感应线圈或下坩埚可同轴相互相对移动。
按照本发明的第二实施例的一种浮熔设备设有一个下坩埚驱动单元，用于降低第一实施例中的下坩埚。
一种按照第三实施例的浮熔设备是这样装配的，即将第一和第二实施例中的感应线圈竖直地分隔成多个线圈。
按照第四实施例的一种浮熔设备，是递次降低电源的频率，以便递次降低第三实施例中的感应线圈。
按照第五实施例的一种浮熔设备，是在第一、第二、第三或第四实施例中的坩埚上方，设有一个连续的冷材料给料斗。
按照第六实施例的一种浮熔设备，设有一个加热器，用于预热第五实施例中填入的冷材料。
按照第七实施例的一种浮熔设备，是把绕在上坩埚外侧的上感应线圈用作第六实施例中的加热器。
按照第八实施例的一种浮熔设备，除第一、第二、第三、第四、第五、第六或第七实施例提及的装配外，还设有一个熔融金属表面水准仪，或一个熔融金属表面温度计。
根据本发明的第九实施例，提供一种操作浮熔设备的方法，该设备包括具有感应线圈和隔开的环状扇形片的导体坩埚，该坩埚包括一个圆筒形上坩埚和一个封底下坩埚。按本发明的方法，当冷材料给进时，通过降低下坩埚，在上坩埚中的熔融金属与下坩埚之间生长并固化形成柱状金属。
按照第十实施例，提供一种操作浮熔设备的方法，该设备包括一个具有感应线圈和隔开的环状扇形片的导体坩埚，该坩埚包括圆筒形上坩埚和封底下坩埚，该设备还包括一个位于坩埚上方的冷材料给料斗，以及一个熔融金属表面的温度针。按本发明的方法，当控制给进的冷材料的量，以使熔融金属表面温度计指示值稳定在所要求的范围内时，通过降低下坩埚，在熔融金属与下坩埚之间生长并固化形成柱状金属。
按照第十一实施例，提供一种操作浮熔设备的方法，该设备包括一个具有感应线圈和隔开的环状扇形片的导体坩埚，用于降低下坩埚的驱动单元，以及一熔融金属表面水准仪。该坩埚包括圆筒上坩埚和封底下坩埚。按本发明的方法，当控制下坩埚的下降速率，以使熔融金属表面水准仪的指示值稳定在所要求的范围时，通过降低下坩埚，在熔融金属与下坩埚之间生长并固化形成柱状金属。
按照第十二实施例，操作实施例九、十、十一中浮熔设备的方法包括，把感应线圈沿垂直方向分成多个线圈，在用下感应线圈使该表面再次熔化后，固化柱状金属表面，此时，至少在熔融金属下部的该表面已被固化，以使该柱状金属表面粗糙度得以改善。
编入并构成本说明书一部分的附图表明本发明的一个优选实施例，并与说明文字一起对本发明的目的、优点和原理加以解释。附图中的
图1是依本发明第一实施例装配的浮熔设备的纵剖透视图;
图2是图1设备动作起始阶段坩埚部位的纵剖透视图;
图3是依本发明第二实施例装配的另一种浮熔设备的纵剖透视图;
图4是一种常规浮熔设备的纵剖透视图。
图1是按本发明第一实施例运作中的浮熔设备的纵剖透视图。图2是图1主要部分起始阶段的纵剖透视图。图3是按本发明第二实施例运作中的另一种浮熔设备的纵剖透视图。附图中类似的参考标号代表具有相应作用的类似的组成部件，并略去其说明。
如图1和图2所示，具有隔开的环状扇形片11a、12a的导体铜坩埚13包括一个圆筒状上坩埚11和一个封底下坩埚12。一个感应线圈14设置在上坩埚11的外侧，而另一个感应线圈15设置在感应线圈14的下方。
如图2所示，在起始熔化阶段，下坩埚12是与上坩埚11接触的，并套在感应线圈15的内侧。当在感应加热熔融金属18和下坩埚12间生长并固化柱状金属19时，下坩埚12被下坩埚驱动单元下降。
更具体地说，在坩埚13上方设有一个连续给料斗21，如用于连续给进冷材料20的传送带和漏斗，一个熔融金属表面温度计23和一个熔融金属表面水准仪24。当由熔融金属表面温度计23测出的温度超出所要求的范围时，给料驱动单元22驱动连续给料斗21。以递次给进少量的冷材料20。当测得温度低于所要求的范围时，给料驱动单元停止驱动给料斗21。
另一方面。当用熔融金属表面水准仪24测出的熔融金属液面超过所要求的范围时，由位置控制单元25驱动下坩埚驱动单元26，递次降低下坩埚12，当液面低于所要求的范围时，停止降低下坩埚12。尽管冷材料20靠它自身的感应电流产生的热熔化得慢，但因其块小，靠处于高温的熔融金属传来的热也使其熔化速率提高。随着固化的柱状金属19的生长，降低下坩埚12。冷材料给进与下坩埚下降的同步配合是经恰当校准的。
当固化的柱状金属19生长时，调整供给下组感应线圈15的电源，在用下感应线圈再次熔化其表面后，使柱状金属19的表面固化，此时至少在熔融金属18下部的该表面已被固化，以改善柱状金属19的表面粗糙度。连续给料斗21可配备一个电源28和一个感应线圈27作为预热器。
在如图2所示的起始熔化阶段，感应线圈15的磁通穿过延伸至下坩埚12底部的扇形片间的狭缝，在有效磁通相互交叉的底部的小金属团块29开始充分熔化，同时悬浮于下坩埚12上方。即使在填入小块金属，感应电流小、自加热也小的情况下，熔融金属的热容量也有熔化小块的能力，使熔融金属生长变大。
随后，进一步加大感应电流，有效地加速熔化。当与下坩埚12紧密接触的上坩埚11完全充满了熔融金属时，下坩埚12被降低，以便重开操作条件。关于本实施例，即使材料总量超过坩埚13的容量，也能高速连续地熔化冷材料，特别是小块高熔点材料。
若使下坩埚12可同轴向下移动，其机械结构可被简化。相反，使上坩埚11和感应线圈14、15联合可同轴向上移动，具有相同效果。并且，若下感应线圈15与相应的低频电源17相连接，当体积增加时，加速悬浮和加热熔融金属18的下部，以确保熔融金属上部稳定，并且可只用一个感应线圈代替已被分成的多个线圈。在下坩埚12的底下安装的熔融金属表面水准仪的一个实例是一个测压计。坩埚11、12均用水冷。
关于图3所示的第二实施例，在上坩埚11的外侧，设有感应线圈14用于下侧的熔化，在上侧设有一个电源32和一个附加感应线圈31作为预热器。感应线圈31替代了图1的感应线圈27，并简单再现连续给料斗21的热结构。虽然是采用熔融金属表面温度计23测量堆在此处的冷材料20的温度，以此代替熔融金属18的实际温度，但这个温度很容易转换成熔融金属18的表面温度。
图1和图2在第一次实施例的具体操作说明中被引用参考。在起始熔化阶段(图2)感应线圈15所产生的磁通穿过延伸到下坩埚12底部的扇形片间狭缝，以使坩埚底部的小金属团块29开始熔化并悬浮在下坩埚12上方。即使在填入小块金属，只产生小感应电流，自加热弱的情况下，在小金属块下面的熔融金属的热容量也有熔化小块的能力，使熔融金属生长变大。随后，进一步增加感应电流，有效地加速熔化。
当与下坩埚12紧密接触的上坩埚11完全填满熔融金属时，下坩埚12相对于上坩埚11下降，以便重开运作条件。已填入的冷金属由于它自身的感应电流而熔化，并接收自高温熔融金属18传来热量继续熔化。
固化在熔融金属18下面的柱状金属19生长，并在它生长时，下降下坩埚12。即使材料总量超过上坩埚和下坩埚11、12的容量，也能高速连续地熔化冷材料，特别是小块高熔点材料。
按照第二实施例，下坩埚驱动单元26配备一个用以降低下坩埚12的机构。
按照第三实施例，若电源16、17分别连到垂直分开的感应线圈14、15，则可实现最适合用于有关的存在于水平截面中的熔融金属的感应加热。
按照第四实施例，若下感应线圈分别由相应的递次降低的低频电源激励，则将促进下侧的悬浮和加热，并使上侧的熔融金属稳定。
按照第五实施例，驱动一个连续给料斗21，以所要求的周期按时添加所要求量的冷材料20。
按照第六实施例，冷材料使坩埚中的熔融金属得到热稳定。
图3涉及第七实施例。将一个预热上感应线圈31绕在上坩埚11的外侧，作加热器用，在结构上使该线圈能与其它熔化线圈相配合，这样就简化了整体结构。
按照第八实施例，熔融金属的表面温度和高度是用熔融金属表面温度计23和熔融金属表面水准仪24测量的，温度计和水准仪同连续给料斗21和下坩埚驱动单元26是联动的。
图1涉及第九实施例。当上坩埚11完全填满熔融金属时，下坩埚12被降低，以便重开运作条件。已加填的冷材料靠它自身感应电流熔化，并靠接收高温熔融金属18传来的热量继续熔化。在熔融金属18下面固化的柱状金属19在生长，当它生长时，下坩埚12进一步下降。
在上坩埚11和下坩埚12之间熔融金属18总是保持在感应线圈14的水准，然后新填入的冷材料20得以适当处理。所以，即使材料的总量大于上、下坩埚11、12的容量，也能高速连续地熔化冷材料，特别是高熔点小块材料。
图1涉及第十实施例。当用熔融金属表面温度计23所测出的熔融金属的温度超过所要求的温度时，给料驱动单元22驱动连续给料斗21，以便及时递次填入少量冷材料20。当测出的温度变为低于所要求温度时，将给料驱动单元22设计成能停止给料运作。不管感应加热的进程，当冷材料20递次填入时，只要熔融金属18的温度保持在所要求的范围，就会使柱状金属19生长。
图1涉及第十一实施例。当用熔融金属表面水准仪24测出的熔融金属的液面超出所要求的范围时，位置控制单元25驱动下坩埚驱动单元26逐渐下降下坩埚12。当熔融金属表面水准仪24的指示值变为低于所要求的范围，也将位置控制单元25设计成能使下坩埚停止，不再递降。不管柱状金属19的生长，保持熔融金属处于上坩埚11的范围内。
图1涉及第十二实施例。感应线圈被分成多个线圈;上感应线圈14和下感应线圈15。当固化的柱状金属19生长时，对供给下感应线圈15的电能作调整，在用下感应线圈再次熔化其表面后，使柱状金属19的表面固化，此时至少在熔融金属18下部的该表面已被固化，以此改善柱状金属19的表面粗糙度。
按照第一实施例的浮熔设备，具有连续高速悬浮和熔化甚至小块的高熔点材料的效果，同时将可熔化的冷材料的总量设定为大于坩埚容量的总量，因为在起始熔化阶段能使材料快速熔化并悬浮，且由于柱状金属在上下坩埚间以正常运作条件生长并固化。第二实施例具有只移动水冷的下坩埚的效果，而结构复杂的上坩埚、感应线圈以及与此连接的电源保持静止不动。
按照第三实施例的浮熔设备具有在垂直互相分开的每个感应线圈的水平截面内对可熔金属进行感应加热的效果。第四实施例具有提供较大的电能高速浮熔材料的效果，因为促进了下侧的悬浮和加热，同时上侧的熔融金属是稳定的。
按照第五实施例的浮熔设备具有采用连续给料斗，按所要求的周期按时递次填加所要求量的冷材料的效果。第六实施例具有高速浮熔材料的效果，因为由预热坩埚中的熔融金属可获得热稳定性。
而且，第七实施例具有使机械结构简单的效果，因为加热器和熔化线圈在结构上是相关的。
第八实施例具有使熔融金属的表面温度和液面与连续给料斗和下坩埚驱动单元相关联的效果，因为它们是由熔融金属表面温度计和熔融金属表面水准仪测出的，而无须依靠专业人员劳动。
按照第九实施例的操纵浮熔设备的方法，具有连续高速悬浮熔化特别小块高熔点材料的效果，同时可使可熔化的冷材料的总量大于坩埚容量，因为在起始阶段能使材料快速悬浮熔化，且在上、下坩埚间以正常运作条件生长固化出柱状金属。
按照第十实施例的操纵浮熔设备的方法，具有通过递次填入冷材料、自动生长柱状金属的效果，因为虽然感应加热前进，熔融金属的温度仍被调节在所要求的范围内。按照第十一实施例的操纵浮熔设备的方法，具有允许浮熔进程稳定的效果。因为尽管柱状金属生长，而上坩埚中的熔融金属则保持固定的位置。按照第十二实施例的操纵浮熔设备的方法，具有改善柱状金属表面粗糙度的效果，因为已固化的柱状金属表面经再次熔化后，使熔融金属下部的表面再固化。
上面关于优选实施例的说明旨在解释本发明，并不意味着本发明仅限于所公开的形式。
在本发明的应用中，所属领域的技术人员无须脱离本发明的范畴和精神即可做出各种改进和变型。这意味着本发明的范围只受到所附的权利要求及等同物的限定。
权利要求
1.一种浮熔设备包括安置在感应线圈之内的，具有隔开的环状扇形片的导体坩埚，所说的坩埚包括一个圆筒状上坩埚和一个封底的下坩埚，所说的上坩埚和所说的感应线圈或所说的下坩埚可同轴移动。
2.一种如权利要求1请求的浮熔设备，进一步包括用于下降所说的下坩埚驱动单元。
3.一种如权利要求1或2请求的浮熔设备，其中所说的感应线圈在垂直方向上被分成多个线圈。
4.一种如权利要求3请求的浮熔设备，其中的下感应线圈分别与按比例递次降低的低频电源相连接。
5.一种如权利要求1、2、3或4请求的浮熔设备，进一步包括放置在所说的坩埚上方的连续冷材料给料斗。
6.一种如权利要求5请求的浮熔设备，进一步包括一个用以预热填入的冷材料的加热器。
7.一种如权利要求6请求的浮熔设备，其中的环绕在所说的上坩埚外侧的上感应线圈用作所说的加热器。
8.一种如权利要求1、2、3、4、5、6或7请求的浮熔设备，进一步包括一个熔融金属表面水准仪或一个熔融金属表面温度计。
9.一种浮熔设备的操纵方法，该设备包括具有赋能感应线圈和分隔开的环状扇形片的导体坩埚，所说的坩埚包括一个圆筒上坩埚和一个封底下坩埚，方法的步骤包括将冷材料填入所说的上坩埚，以及将所说的下坩埚下降，在所说的下坩埚和所说的上坩埚中的熔融金属之间生长固化出柱状金属。
10.一种浮熔设备的操作方法，该设备包括具有赋能感应线圈和分隔开的环状扇形片的导体坩埚，该坩埚包括一个圆筒上坩埚和一个封底下坩埚，设备还包括在所说坩埚上方的冷材料给料斗，以及一个熔融金属表面温度计，方法的步骤包括将冷材料填入所说的上坩埚;将所说的下坩埚下降，在所说的下坩埚和所说的上坩埚中的熔融金属之间生长固化出柱状金属;以及控制所说的冷材料的填入量，以便使所说的熔融金属表面温度计指示值保持所要求的范围内。
11.一种浮熔设备的操纵方法，该设备包括具有赋能感应线圈和分隔开的环状扇形片的导体坩埚，该坩埚包括一个圆筒上坩埚和一个封底下坩埚，该设备还包括一个降低所说的下坩埚的驱动单元，和一个熔融金属表面水准仪，该方法的步骤包括将冷材料填入所说的上坩埚;将所说的下坩埚下降，在所说的下坩埚和所说的上坩埚中的熔融金属之间生长固化出柱状金属;以及控制下坩埚的下降速率，以使所说的熔融金属表面水准仪的指示值保持在所要求的范围内。
12.一种如权利要求9、10或11请求的浮熔设备的操纵方法，该方法的步骤进一步包括，将所说的感应线圈垂直地分成多个线圈，并在用所说的下感应线圈再次熔化其表面之后，固化柱状金属的表面，此时至少在所说的熔融金属下部的该表面已被固化，以便可改善所说的柱状金属表面的粗糙度。
全文摘要
为了连续浮熔特别小块高熔点金属，同时使可熔的液态金属的总量大于坩埚的容量。具有扇形片的导体坩埚包括一个圆筒上坩埚和一个封底下坩埚。一个感应线圈安放在上坩埚之外侧，在该线圈下边又安放一个感应线圈。在起始熔化阶段，下坩埚是与上坩埚接触的，并位于感应线圈之内侧。当在熔融金属和下坩埚之间生长并固化一个柱状金属时，下坩埚被下降。连续给料斗连续给进冷材料。在坩埚的上方配备一个熔融金属表面温度计和一个熔融金属表面水准仪。调节连续给料斗运作在熔融金属表面温度计所要求值的范围内。另一方面，下坩埚递次降低到所要求的熔融金属表面水准仪指示值的范围内。
文档编号F27D11/06GK1082702SQ93107580
公开日1994年2月23日 申请日期1993年6月2日 优先权日1992年6月2日
发明者福泽章, 渡边敏昭, 森田公, 藤田满, 樱谷和之, 山崎素央, 武达男 申请人:科学技术厅金属材料技术研究所, 中部电力株式会社, 富士电机株式会社