專(zhuān)利名稱(chēng)：冷壁式感應(yīng)導(dǎo)管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及ESR-CIG設(shè)備中精煉金屬的流動(dòng)控制，更具體說(shuō)涉及一種CIG設(shè) 備，其提供了更高效和受控的液態(tài)精煉金屬流動(dòng)。ESR設(shè)備是一種電渣精煉設(shè)備，且CIG是 一種冷壁式感應(yīng)引導(dǎo)設(shè)備。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及作為到達(dá)、通過(guò)以及來(lái)自CIG的液態(tài)金 屬流來(lái)控制液態(tài)金屬的流動(dòng)。這樣的液態(tài)金屬流可與成核鑄造一同用于在制造工件-例如 渦輪葉輪_時(shí)使用的大型金屬坯料。
背景技術(shù)：
電渣精煉(ESR)是用來(lái)熔融和精煉許多合金以從中去除各種雜質(zhì)的工藝?？墒褂?電渣精煉來(lái)有效地精煉的典型合金包括以鎳、鈷或鐵為基的那些合金。最初的未精煉的合 金典型地以具有各種缺陷或雜質(zhì)的坯料的形式來(lái)提供，在精煉過(guò)程期間期望去除這些缺陷 或雜質(zhì)，以增強(qiáng)冶金屬性，包括例如氧化物潔凈度、晶粒尺寸和顯微結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的電渣設(shè)備中，坯料被連接到電源上并限定了電極，其恰當(dāng)?shù)貞覓煸诎?對(duì)應(yīng)于被精煉的特定合金的合適的渣料的水冷式坩堝中。渣料通過(guò)將電流從電極傳送通過(guò) 該渣料、進(jìn)入坩堝中而被加熱，并且被維持在合適的高溫下以用于熔融坯料電極的較低端。 隨著電極熔融，精煉動(dòng)作發(fā)生，坯料熔體中的氧化物內(nèi)含物暴露在液態(tài)渣料中且溶解在其 中。坯料熔體的液滴通過(guò)重力下落通過(guò)渣料，且被收集在坩堝的底部處的液態(tài)熔體池中。精煉熔體可通過(guò)傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱的、節(jié)段式的、冷壁式的感應(yīng)加熱引導(dǎo)件(CIG) 從坩堝中提取。以這種方式從坩堝中提取的精煉熔體為各種固化過(guò)程，包括噴射沉積，提供 了理想的液態(tài)金屬源。電渣設(shè)備可以傳統(tǒng)的方式冷卻，以便在表面上形成固態(tài)渣殼，以界定液態(tài)渣料并 防止對(duì)坩堝本身的損壞，并且防止由于接觸坩堝的特有的(patent)材料對(duì)坯料熔體的污 染。坩堝的底部典型地包括水冷式銅制冷爐底，精煉熔體的固態(tài)渣殼靠著該爐底形成，以 保持坩堝的底部處收集的熔體的純度。爐底下面的CIG排放導(dǎo)管或下泄管也典型地由銅制 成，并且被分段及水冷，以便也允許形成精煉熔體的固態(tài)渣殼，以在從坩堝中提取熔體時(shí)保 持該熔體的純度。傳統(tǒng)電渣精煉設(shè)備的冷爐底和導(dǎo)管結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且因此制造起來(lái)花費(fèi)高昂。導(dǎo) 管典型地以錐形澆口連接冷爐底，其中感應(yīng)加熱線(xiàn)圈圍繞液態(tài)金屬流動(dòng)通過(guò)其中的澆口和 下泄管的外表面。多個(gè)水冷式感應(yīng)加熱電纜圍繞導(dǎo)管來(lái)感應(yīng)加熱熔體，以控制通過(guò)該管的熔體的排 放流率。圍繞銅澆口節(jié)段的感應(yīng)加熱電纜中的交流電在銅節(jié)段內(nèi)引起交流渦流。隨之，導(dǎo) 管的銅澆口節(jié)段內(nèi)的交流渦流在通過(guò)導(dǎo)管的流路中的液態(tài)金屬中引起電流。圖1示出了用于液態(tài)金屬的成核鑄造的系統(tǒng)5。該系統(tǒng)包括精煉系統(tǒng)10、澆注系 統(tǒng)60以及噴射系統(tǒng)80，在下面對(duì)它們進(jìn)行描述。圖1示出了用于在電渣精煉爐中精煉合金 金屬的精煉系統(tǒng)10。參看圖1，在頂部處是熔融系統(tǒng)，其主要是短的電渣精煉爐15。自耗 電極20通過(guò)使用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出)而從上面供給至電渣精煉爐15中。自耗電極20的底面25浸入熱的液態(tài)渣料35中，液態(tài)渣料35加熱電極20的底面25，導(dǎo)致其熔融。金屬 液滴在電極表面上形成，并下落通過(guò)渣料35，以便在渣料35下方形成液態(tài)金屬池40。在電 極20內(nèi)存在的任何氧化物內(nèi)含物將暴露在渣料中并將被溶解。利用來(lái)自自耗電極電源45 的交流電流46，渣料35保持較熱，交流電流46大體處于低電壓和傳統(tǒng)頻率，其通過(guò)自耗電 極20而饋送到渣料中。作為用于控制在底面25熔融時(shí)自耗電極20的前進(jìn)速率的信號(hào)來(lái) 測(cè)量所需電壓。還示出了一種非自耗電極50，其是ESR坩堝55的上部部分。然后，作為供 給自耗電極20的電流的替代或者除了該電流之外，可將電流47從電源70饋送到非自耗電 極50。澆注系統(tǒng)60從ESR爐15提供底部澆注來(lái)形成液態(tài)金屬流30。為了避免可能從 陶瓷噴嘴上腐蝕下來(lái)的氧化物內(nèi)含物污染液態(tài)金屬流30，使用帶有無(wú)陶瓷感應(yīng)加熱銅澆口 61的CIG 65來(lái)形成液態(tài)金屬流30。銅澆口 61可以是沿徑向分段的，并且被一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈66，67圍繞。電流在 感應(yīng)線(xiàn)圈66，67中振蕩，在各個(gè)銅節(jié)段中引發(fā)電流，并隨后在流動(dòng)的液態(tài)金屬流30中引發(fā) 加熱電流。銅構(gòu)件中所引發(fā)的熱被冷卻水流63消除。在一些這樣的傳統(tǒng)的CIG系統(tǒng)中，功率可以不同的頻率被輸送到各個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈。 被輸送到各個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈的功率的量以及冷卻銅澆口 61的冷卻水的量可受控制，以便啟動(dòng) 和停止噴嘴里的液態(tài)金屬的流動(dòng)、供應(yīng)的過(guò)熱的量以及流動(dòng)的容積流率。帶有傳統(tǒng)銅澆口 91的CIG90，例如來(lái)自Benz等的US 5160532中的(CIG)，以剖面 的形式示于圖2中。澆口 91由圍繞中心軸線(xiàn)93沿徑向分布的多個(gè)銅節(jié)段92組成。感應(yīng) 線(xiàn)圈94安裝在澆口 91的下側(cè)上。作為銅制指狀件而已知的銅節(jié)段92在外側(cè)徑向端部處 由CIG90的基板95或其它結(jié)構(gòu)機(jī)械支承。可通過(guò)槽96將冷卻水提供給CIG，其對(duì)單獨(dú)的銅 節(jié)段92提供供應(yīng)和返回管路97。單獨(dú)的電絕緣層98被應(yīng)用于銅節(jié)段92之間。然而，使 用大量的銅節(jié)段導(dǎo)致了與液態(tài)金屬流接觸的在結(jié)構(gòu)上不足的指狀結(jié)構(gòu)，從而引起機(jī)械穩(wěn)定 性問(wèn)題以及關(guān)于用于液態(tài)金屬流的孔大小的變化缺乏控制。利用使用這樣的分段的銅澆口 65的CIG進(jìn)行的試驗(yàn)顯示該裝置產(chǎn)生了不合乎需要地低的效率。絕緣體是防止電荷流動(dòng)、因此防止電流流動(dòng)的材料或者物質(zhì)。當(dāng)電絕緣材料必須 能承受希望它們來(lái)絕緣的電源的電壓和頻率時(shí)，該材料也必須適于其進(jìn)行操作所處的環(huán) 境。這些環(huán)境因素包括溫度、機(jī)械磨損以及周?chē)h(huán)境的化學(xué)組成。另外，當(dāng)保持適當(dāng)?shù)碾娊^ 緣保護(hù)屬性時(shí)，絕緣材料同樣必須不能不利地影響與該絕緣材料發(fā)生接觸或該絕緣材料暴 露于其中的其它材料或構(gòu)件。暴露到苛刻的環(huán)境下需要可承受該環(huán)境的絕緣材料。這樣的 苛刻環(huán)境在金屬精煉過(guò)程中會(huì)遇到。由于該苛刻的環(huán)境，沒(méi)有在澆口 92內(nèi)將電絕緣應(yīng)用于銅節(jié)段和液態(tài)金屬池(未示 出)之間。傳統(tǒng)的電絕緣體不能承受該應(yīng)用的苛刻的環(huán)境。其它非傳統(tǒng)的絕緣體，例如等 離子噴射氧化鋁，厚而易碎。當(dāng)接觸液態(tài)金屬的精煉流時(shí)，這樣的絕緣體破裂或者碎裂，且 因此對(duì)于使用而言無(wú)法接收，因?yàn)樗鼈儠?huì)作為雜質(zhì)將絕緣材料引入精煉金屬中。然而，除非導(dǎo)管的銅節(jié)段與液態(tài)金屬電絕緣，否則導(dǎo)管的銅節(jié)段內(nèi)的一些感應(yīng)電 流將流入液態(tài)金屬，從而減少通過(guò)感應(yīng)而進(jìn)入液態(tài)金屬的能量傳遞。因此，希望使導(dǎo)管的銅 節(jié)段與流過(guò)該導(dǎo)管的液態(tài)金屬電絕緣。銅節(jié)段上的絕緣層必須承受在加熱和冷卻液態(tài)金屬 期間所施加的高熱梯度和熱沖擊。絕緣層必須是健壯的，但是同時(shí)又是薄的，以便不會(huì)干涉在澆口的特別地成形的流路中發(fā)生的液態(tài)金屬流動(dòng)。再參看圖1，霧化和收集系統(tǒng)80也是這種鑄造系統(tǒng)的一部分。在從CIG90短暫的 自由下落之后，使用傳統(tǒng)的開(kāi)式霧化器81來(lái)霧化液態(tài)金屬流30。該霧化器81將氣體射流 引導(dǎo)到液態(tài)金屬流30上，并且將其轉(zhuǎn)化成噴霧83，從而加速了從霧化區(qū)域82朝向收集模 85的噴射液滴，在飛行中將它們冷卻。可使用其它的收集系統(tǒng)，包括但不限于金屬粉末霧化、熔融紡絲、噴射成形、成核 鑄造、直接澆注(casgting)等。因此，需要提供一種用于成核鑄造過(guò)程的更高效且健壯的冷感應(yīng)引導(dǎo)件。提高的 效率一方面是需要用于冷壁式感應(yīng)加熱導(dǎo)管的電絕緣材料，該電絕緣材料將導(dǎo)管中的感應(yīng) 電流電絕緣，防止其泄漏到穿過(guò)該導(dǎo)管的液態(tài)金屬流中，但是該電絕緣材料不會(huì)污染被處 理的液態(tài)金屬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)上更可靠的并且更高效的冷壁式感應(yīng)加熱引導(dǎo)件，以及其關(guān)于電 渣精煉和成核鑄造的應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種適于液態(tài)金屬澆注的冷壁式感應(yīng)加熱引導(dǎo)件 (CIG)。該CIG包括中頻(MF) CIG，其操作地通過(guò)中心槽連接到液態(tài)金屬源和高頻(HF)CIG 的接收器上。該MF CIG包括中頻電源(MFPS)。來(lái)自MFPS的感應(yīng)能量熔融液態(tài)金屬源上 的渣殼，并熔融中心槽內(nèi)的固態(tài)金屬的塞，從而保持可用于高頻(HF)CIG的液態(tài)金屬池。該 CIG進(jìn)一步包括HF CIG, HF CIG操作地連接到MF CIG的中心槽和液態(tài)金屬排放路徑。HF CIG包括高頻電源(HFPS)和中心孔口。當(dāng)應(yīng)用HFPS時(shí)，來(lái)自HFPS的感應(yīng)能量熔融中心孔 口中的固態(tài)金屬的塞，從而建立流向排放路徑的液態(tài)金屬流。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于被精煉的液態(tài)金屬的成核鑄造的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)包括包括冷爐底(hearth)的電渣精煉(ESR)設(shè)備。該ESR適于將液態(tài)金屬供應(yīng)到 澆注設(shè)備。該澆注設(shè)備至少包括一系列冷壁式感應(yīng)加熱引導(dǎo)件(CIG)。該CIG包括圍繞適 于接收和排放液態(tài)金屬的中心槽的多個(gè)銅制指狀件節(jié)段。感應(yīng)線(xiàn)圈適于通過(guò)銅制指狀件節(jié) 段將感應(yīng)功率供應(yīng)給液態(tài)金屬。接觸液態(tài)金屬的銅制指狀件節(jié)段的內(nèi)壁包括電絕緣涂層。 該系統(tǒng)還包括成核鑄造設(shè)備，其適用于接收來(lái)自澆注設(shè)備的所排放的液態(tài)金屬，并鑄造該 液態(tài)金屬。


在參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將得到 更好的理解；在附圖中，同樣的符號(hào)在所有圖中代表同樣的部件，其中圖1示出了用于在電渣精煉爐中精煉合金金屬的現(xiàn)有技術(shù)精煉系統(tǒng)；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)冷壁式感應(yīng)加熱引導(dǎo)件，其結(jié)合了在它們之間具有絕緣材料 的多個(gè)銅制指狀件部分；圖3示出了本發(fā)明CIG的一個(gè)實(shí)施例的剖面正視圖；圖4示出了本發(fā)明CIG的一個(gè)實(shí)施例的等軸分解剖面圖；圖5示出了圖3中AA截面處的、從MF模塊的通量線(xiàn)圈到中心孔中的液態(tài)金屬的能量傳遞的簡(jiǎn)化示意圖；圖6示出了帶有半圓形孔口的HF CIG的簡(jiǎn)化截面。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在提供用于電渣精煉(ESR)和成核鑄造的冷壁式感應(yīng)加熱引導(dǎo)件(CIG)方 面有許多優(yōu)點(diǎn)，具有機(jī)械簡(jiǎn)化、更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、更高效以及改進(jìn)的流動(dòng)控制。將噴射成形的金屬引入飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)和電力生產(chǎn)行業(yè)的重要應(yīng)用中由于來(lái)自傳 統(tǒng)的噴射成形裝備中的坩堝內(nèi)襯、澆口盤(pán)或澆注噴嘴的氧化物粒子侵蝕的可能性而受到阻 礙。這些氧化物粒子可能變成限制部件的低循環(huán)疲勞壽命的內(nèi)含物。本發(fā)明的下列實(shí)施例 有許多優(yōu)點(diǎn)，包括在提供改進(jìn)的電耦合效率和熱效率的同時(shí)將無(wú)陶瓷合金輸送到噴射系統(tǒng) 的方法。本發(fā)明的CIG通過(guò)一種新的爐硬焊制造技術(shù)來(lái)制造，該技術(shù)有助于解決感應(yīng)線(xiàn)圈 環(huán)境隔離問(wèn)題，糾正熱應(yīng)變?nèi)莶顔?wèn)題，有利于雙頻感應(yīng)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致改進(jìn)的熔體流啟動(dòng)，并且 有助于在沒(méi)有來(lái)自固化的熔體的損害的情況下拆分。軟磁材料的使用允許有改進(jìn)的效率、 在中頻線(xiàn)圈和高頻線(xiàn)圈之間具有有限的串?dāng)_的更緊湊的設(shè)計(jì)以及感應(yīng)線(xiàn)圈的受促進(jìn)的環(huán) 境封閉。已經(jīng)提供了超薄、高性能陶瓷涂層的可靠的使用，其中這些涂層允許CIG中所需要 的節(jié)段在數(shù)量上有所減少，但不與熔體發(fā)生相互化學(xué)作用。較少的節(jié)段的使用提高了節(jié)段 的機(jī)械穩(wěn)定性，并且顯著地降低了制造成本。法拉第定律規(guī)定熔體內(nèi)磁通量的變化產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(emf)(公式1)。圍繞銅制指狀 件表面的積分估算(包括在加熱金屬時(shí)有用的通量)表明一定存在與熔體中的通量變化率 成比例的電場(chǎng)。這表明在指狀件之間將存在電場(chǎng)。增加指狀件的數(shù)量會(huì)降低相鄰指狀件之 間的場(chǎng)。<(^參說(shuō)=—，公式1 Jat在傳統(tǒng)的冷感應(yīng)坩堝中，洛倫茲懸浮力保持熔體的至少一部分離開(kāi)指狀件。然而， 由于局部流體靜壓力大于洛倫茲懸浮力，冷感應(yīng)引導(dǎo)件在所有表面上有潛在的熔體接觸的 情況下操作。通常假設(shè)發(fā)生非穩(wěn)定隨機(jī)過(guò)程，其中熔體隨著其接觸、凝固和拉離而間歇性地 接觸銅制指狀件。如果兩個(gè)相鄰指狀件之間的場(chǎng)不大，則只有小的電流通過(guò)熔體暫時(shí)被分 流，而高的分流電流可導(dǎo)致熔體與銅熔合。在感應(yīng)加熱熔體時(shí)，如果所有的間隙均被分流， 在銅制指狀件內(nèi)的二次電流會(huì)變得不起作用。對(duì)于噴嘴大小的CIG幾何結(jié)構(gòu)，大量的指狀 件在實(shí)踐中不能實(shí)現(xiàn)。六到八個(gè)節(jié)段就是在實(shí)踐中可能適用于5-10mm的熔體流的最多的 數(shù)量了，從而需要很大的制造復(fù)雜性和成本。一種用于來(lái)自ESR熔融器的底部澆注的八指狀件式冷感應(yīng)引導(dǎo)件之前已經(jīng)建好， 并作為用于噴射成形的ESR耦聯(lián)的潔凈熔體輸送系統(tǒng)的一部分對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。雖然該裝 置呈現(xiàn)了對(duì)構(gòu)思的論證，但它也顯示出了許多設(shè)計(jì)問(wèn)題，其中突出的有四點(diǎn)1)初級(jí)感應(yīng) 線(xiàn)圈不能與噴射室絕緣，導(dǎo)致了初級(jí)線(xiàn)圈和CIG指狀件通過(guò)粉末滲透的短路，因?yàn)檫@損害 了系統(tǒng)的潔凈度；2)該裝置的設(shè)計(jì)由于熱應(yīng)變而引起CIG的機(jī)械扭曲和塑性變形；因此指 狀件間隙和流動(dòng)孔口直徑每次使用都會(huì)變化；3)制造成本非常高；以及4)熔體流的啟動(dòng)不 可靠。在兩部分式CIG上的直接熱量測(cè)定表明，當(dāng)電絕緣表面涂層被施加到CIG時(shí)，CIG凈熱效率以2為因數(shù)增大，這提供了有說(shuō)服力的證據(jù)對(duì)于較少數(shù)量的指狀件，短路可 以嚴(yán)重?fù)p害CIG的性能。標(biāo)準(zhǔn)陶瓷絕緣體的引入被視作是不可接受的。塊體陶瓷(bulk ceramic)用做熱絕緣體，而且這些材料的表面溫度接近熔融溫度，在該溫度處，化學(xué)侵蝕， 尤其是鈦引起的化學(xué)侵蝕，在熱力學(xué)上是有利的。此外，在化學(xué)侵蝕之后或由于熱應(yīng)力或沖 擊的結(jié)果，陶瓷可釋放不可接受地大的粒子。但是在每微米大約20伏的電介質(zhì)強(qiáng)度時(shí)，非 常薄的氧化鋁或鉭氧化物(tantala)薄膜就可以提供必要的電絕緣，并且薄膜在銅表面溫 度處保持熱力學(xué)穩(wěn)定。濺射和化學(xué)氣相沉積(CVD)沉積兩者都可以生產(chǎn)這樣的涂層該涂 層100%緊密且無(wú)缺陷，并且在諸如飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片這樣非常侵蝕性的環(huán)境中，已經(jīng) 被證明是耐用的。銅是一種導(dǎo)電、導(dǎo)熱的材料。一些應(yīng)用要求在銅的表面上有電絕緣層以避免在銅 的外側(cè)傳導(dǎo)電流。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是用于澆注液態(tài)金屬的CIG。CIG的感應(yīng)加熱要求 該裝置是沿徑向分段的。周?chē)袘?yīng)線(xiàn)圈在CIG流內(nèi)產(chǎn)生電流。重要的是防止通過(guò)銅流動(dòng)的 電流流入液態(tài)金屬中。如果電流這樣流動(dòng)，單元的效率就會(huì)損失。需要絕緣層。對(duì)于這個(gè) 應(yīng)用，對(duì)絕緣層的需求是很強(qiáng)烈(strenuous)的。它必須承受高熱梯度和熱沖擊，而且還要 健壯和薄。為超合金和不銹鋼基底而開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有涂敷技術(shù)在銅表面上的直接應(yīng)用證實(shí)是不 成功的，并且需要粘結(jié)涂層。銅上的鎳和鈦涂層被示范為粘結(jié)涂層，并且薄涂層不影響CIG 的電磁性能。使用了大約1微米的濺射鎳涂層和數(shù)十微米的陰極電弧鈦涂層。粘結(jié)涂層上 的濺射氧化鋁和CVD沉積的鉭氧化物涂層作為絕緣層而被測(cè)試。在濺射鎳上(的)濺射氧 化鋁是一種發(fā)展良好的技術(shù)，且在我們的測(cè)試中占首要地位。但是，濺射是有方向性的，并 且需要精確的表面制備，從而給在帶有曲面的CIG上進(jìn)行涂敷帶來(lái)了困難。盡管涂敷期間 使用了高溫，但CVD沉積避免了這些問(wèn)題并被證實(shí)與硬焊的CIG構(gòu)件相容。提供了用于銅表面的薄電絕緣涂層。該涂層通過(guò)首先用陰極電弧沉積工藝涂敷一 層50微米的鈦金屬來(lái)生產(chǎn)。該層被拋光并在其頂部設(shè)置通過(guò)濺射涂敷的5到10微米的氧 化鋁層。產(chǎn)生的涂層是健壯的，因?yàn)樗沙惺軣釠_擊而不與離銅基底分離。鈦層與銅形成健壯的冶金接合。不會(huì)與銅良好地結(jié)合的濺射氧化鋁被涂敷到鈦層 上，形成另一健壯的層。所產(chǎn)生的層是薄的，但電絕緣。當(dāng)傳統(tǒng)的絕緣體不能承受這種應(yīng)用 的苛刻環(huán)境時(shí)，本發(fā)明的涂層良好地起作用。不像其它傳統(tǒng)絕緣體，例如厚且易碎的等離子 噴射氧化鋁，本發(fā)明的絕緣涂層薄且緊緊地粘在所涂敷的鈦層上。來(lái)自諸如ESR，電子束和等離子弧爐底熔融器，或感應(yīng)加熱冷坩堝的潔凈熔融裝置 的底部澆注很少被考慮，因?yàn)樘沾蓢娮烨都?huì)損害無(wú)陶瓷產(chǎn)品的目標(biāo)。對(duì)于來(lái)自潔凈熔 體源的受調(diào)節(jié)的潔凈熔體輸送，CIG可以滿(mǎn)足需要，因?yàn)槠涫侨饘傺b置。在CIG中，感應(yīng) 加熱線(xiàn)圈圍繞若干個(gè)包含熔體的水冷式銅制指狀件。感應(yīng)線(xiàn)圈內(nèi)的交流電在指狀件內(nèi)產(chǎn)生 電流，該電流轉(zhuǎn)而在熔體中引發(fā)加熱電流。水冷用于消除由于振蕩的電流而在線(xiàn)圈和指狀 件兩者中產(chǎn)生的熱量。本發(fā)明的CIG布置示于圖3中，且呈現(xiàn)了與現(xiàn)有技術(shù)-如Benz等(US5160532)-的 CIG設(shè)計(jì)的顯著偏差。該CIG系統(tǒng)可以理解為具有大、中和小直徑的大致圓柱形的三個(gè)堆疊 的區(qū)域，其中最大的在頂部而最小的在底部。大的頂部圓柱是液態(tài)金屬源，在本案中是ESR 爐。在液態(tài)金屬周?chē)撬涫姐~坩堝，且在底部處是帶中心孔的板。孔的存在對(duì)由在熔體池中在熱和電磁方面被驅(qū)動(dòng)的對(duì)流所控制的流線(xiàn)僅具有局部影響?；迳系闹行目椎南旅?是中直徑圓柱，被稱(chēng)做是中頻CIG(MF CIG)。這個(gè)區(qū)域的直徑被選擇成以便當(dāng)流線(xiàn)良好地 延伸到這個(gè)區(qū)域中時(shí)保證與上面的液態(tài)金屬的對(duì)流耦合。這個(gè)區(qū)域被水冷式銅制指狀件和 感應(yīng)線(xiàn)圈圍繞，感應(yīng)線(xiàn)圈的頻率選擇成使得感應(yīng)耦合的集膚深度接近該區(qū)域的半徑。MF頻 率可合乎需要地設(shè)置為約5千赫茲(kHz)。在MF CIG下面是較小直徑區(qū)域，被稱(chēng)做是高頻 CIG(HFCIG)。這個(gè)區(qū)域的直徑選擇為與期望的液態(tài)金屬澆注速率相匹配。水冷式銅制指狀 件和HF CIG的感應(yīng)線(xiàn)圈也圍繞著這個(gè)小直徑區(qū)域。再次，操作頻率可能合乎需要地給出與 半徑大致相等的集膚深度，本案中約110千赫茲。期望頻率處的功率自MF電源210和HF 電源220從CIG外部提供(圖5)。圖3示出了本發(fā)明的CIGlOO系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，其用于來(lái)自ESR熔體供應(yīng)的底部 澆注。圖3的右手側(cè)顯示了 CIG的獨(dú)特的電和磁方面。圖3的左手側(cè)顯示了用于該CIG的 冷卻布置。圖4示出了本發(fā)明冷壁式感應(yīng)引導(dǎo)件的一個(gè)實(shí)施例的等距分解剖視圖。CIGlOO包括附連到液態(tài)金屬源105 (它可以是ESR爐)的底部上的中頻CIG模塊 110和高頻CIG模塊140。在頂部是用于液態(tài)金屬源的帶有中心孔112的基板111。在該基 板下方，使用適中直徑的中頻(MF) CIG模塊110 (5千赫茲)來(lái)熔透ESR105的底部渣殼106， 并為液態(tài)金屬提供過(guò)熱。在底部是具有窄尺寸的高頻(110千赫茲)控制模塊130。HF控 制模塊130需要提供足夠的凈加熱來(lái)阻止在流動(dòng)控制噴嘴孔口 144中的液態(tài)金屬的凝固。MF模塊110的基板111可以包括上部的、大體圓形的、帶有中心孔112的表面板 113，以及將上部表面板113聯(lián)接到下部凸緣面116上的豎直地定向的圓柱形部分114?；?板111可以和MF模塊的銅制指狀件115接合，以形成在環(huán)境方面密閉的MF腔117，以保護(hù) 封閉在內(nèi)的MF感應(yīng)線(xiàn)圈120。表面板113的頂部表面109可以形成ESR的底部中心，并與 液態(tài)金屬持續(xù)接觸。早期CIG的設(shè)計(jì)通過(guò)ESR基板提供冷卻。但是，在大基板上的熱應(yīng)變導(dǎo)致了 CIG 指狀件的移動(dòng)。各種約束或限定指狀件的嘗試，或者關(guān)于非金屬部件損失了潔凈度，或者通 過(guò)短路CIG指狀件或盜用初級(jí)線(xiàn)圈電流而破壞了 CIG的有效性。在測(cè)試期間以及測(cè)試后 (兩種情況下)，對(duì)指狀件的有效約束導(dǎo)致CIG內(nèi)的塑性屈服并帶有尺寸容差的損失。CIG 模塊使用了嵌入到ESR(或其它熔體供應(yīng))基板111的嵌件，其會(huì)限制熱應(yīng)變?；迳系膽?yīng) 變只影響基板的容差。除非當(dāng)軸向移動(dòng)時(shí)，否則其不會(huì)傳遞到由CIG支承板容納的指狀件 上。CIG內(nèi)的殘余熱應(yīng)變將CIG指狀件置于壓縮狀態(tài)，從而在運(yùn)行期間趨向于閉合間隙而不 是打開(kāi)它們。較早期的銅制指狀件應(yīng)用承受不充分的支承，這允許與液態(tài)金屬接觸的銅制指狀 件的通量傳送臂的變化，且甚至在中心孔的大小上引起顯著的變化，從而導(dǎo)致澆注速率的 顯著而不合乎需要的改變。對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例，基板111和MF銅制指狀件115在剛好處 于MF感應(yīng)線(xiàn)圈120外側(cè)的內(nèi)部支承位置118處可以包括螺栓孔136和螺栓137?；?11 和銅制指狀件115可以包括螺栓孔134和螺栓138以便在接近(這些)部件的外側(cè)徑向端 部的外部支承位置處接合。本發(fā)明的布置為MF銅制指狀件115與液態(tài)金屬間的接合處提 供了堅(jiān)固的機(jī)械支承?；?11的中心孔112可以和由MF模塊110的銅制指狀件115沿CIG100的中心 軸線(xiàn)101形成的中心孔121沿軸向?qū)?zhǔn)。MF模塊110的中心孔121是由MF銅制指狀件115的內(nèi)表面141形成的。內(nèi)表面141從頂部到底部沿徑向向內(nèi)稍微漸縮，以防止液態(tài)金屬凝 固期間發(fā)生阻塞，并允許容易地取出渣殼以及在使用之間拆卸。在MF模塊110的一種優(yōu)選布置中，提供兩個(gè)MF節(jié)段125。在兩個(gè)MF節(jié)段125間 的小直徑間隙122處提供了電絕緣體195。直徑間隙122將基板111分開(kāi)，并將MF銅制指 狀件115分開(kāi)。MF節(jié)段125的各個(gè)銅制指狀件115包括凸起的中心半圓柱體123，其用作通量傳 送臂。中心半圓柱體123可以包括中心半孔124。半圓柱體123的頂部表面126與基板111 的表面板113的下側(cè)127接合。在各個(gè)節(jié)段125的底側(cè)處，徑向半圓板128沿徑向向外延 伸。徑向半圓板128包括內(nèi)凸緣面129和凸起的外凸緣面130。凸起的半圓形凸緣面130 可以包括用于結(jié)合基板111的下表面127上的螺栓孔134進(jìn)行緊固的螺栓孔138。銅制指 狀件115還可以包括螺栓孔154，其利用螺栓178與基板111附連、與間隔件135附連、且 與HF模塊140的銅制指狀件145附連。用于將基板111聯(lián)接到MF模塊110的銅制指狀件 115的螺栓連接孔沿周向散布于CIG的周邊周?chē)渲新菟ㄟB接孔用于附連HF模塊140、間 隔件135和MF模塊110。HF模塊140的銅制指狀件145的一種優(yōu)選布置可以包括兩個(gè)大致半圓形節(jié)段 150。在兩個(gè)節(jié)段150間的小直徑間隙142處提供了電絕緣。各個(gè)節(jié)段150包括凸起的中 心圓柱體143(通量傳送臂)。中心圓柱體143包括用于對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行流動(dòng)控制的漸縮的 中心孔口 144。中心圓柱體143設(shè)置于凸起的內(nèi)凸緣146上。外凸緣部分147從中心圓柱 體143徑向地向外延伸。外凸緣部分147包括階梯面148和用于與上方的間隔件135、MF 銅制指狀件115以及基板111相匹配的螺栓孔149。凸起的內(nèi)凸緣146包括用于與上方的 MF銅制指狀件115的下表面152相接合的螺栓孔151。各個(gè)螺栓178分別延伸穿過(guò)在HF 銅制指狀件內(nèi)、間隔件內(nèi)、MF銅制指狀件內(nèi)和基板內(nèi)的螺栓孔149，177，154和176。各個(gè)HF 銅制指狀件節(jié)段150的內(nèi)部徑向凸緣146和外部徑向凸緣147周?chē)脑撀菟ㄟB接將HF模 塊140附連在MF模塊110上，并為與液態(tài)金屬接觸的HF節(jié)段150提供了堅(jiān)固的機(jī)械支承。上面的MF模塊110的銅制指狀件115、間隔件135和HF模塊140的HF銅制指狀 件145結(jié)合在一起形成了環(huán)境密閉的HF腔165，用于保護(hù)封閉在其內(nèi)的HF感應(yīng)線(xiàn)圈155。 現(xiàn)有技術(shù)的CIG已經(jīng)受到了由于缺乏對(duì)感應(yīng)線(xiàn)圈和其它構(gòu)件的保護(hù)(尤其是來(lái)自置于CIG 之下的噴射系統(tǒng)中的霧化液態(tài)金屬?lài)娚涞母g性環(huán)境)而帶來(lái)的損害。使感應(yīng)線(xiàn)圈與最終 工藝室隔離對(duì)于潔凈熔體應(yīng)用是很重要的，且對(duì)于在其中細(xì)小粉末會(huì)引起感應(yīng)線(xiàn)圈或CIG 指狀件短路的霧化工藝而言是必需的。但是，HF銅制指狀件145各包括帶有蓋板193的允 許通向HF腔以用于最終電連接的底部進(jìn)入口 192。用全金屬外殼圍繞CIG感應(yīng)線(xiàn)圈攔截 了影響CIG效率和機(jī)械設(shè)計(jì)兩者的雜散通量。比集膚深度厚的連續(xù)金屬表面對(duì)于通量的滲 透而言是一個(gè)阻礙，因而使線(xiàn)圈與工藝室分開(kāi)的板在被置于初級(jí)線(xiàn)圈附近時(shí)將分流大量電 流，在感應(yīng)線(xiàn)圈的內(nèi)表面盜用有用的電流。使CIG機(jī)械支承和水供應(yīng)系統(tǒng)與ESR熔體供應(yīng) 系統(tǒng)的底板分開(kāi)來(lái)是非常合乎需要的，因?yàn)檫@些支承構(gòu)件可盜用初級(jí)線(xiàn)圈電流。在MF模塊110的腔117的內(nèi)部，多個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈120緊密地設(shè)置在MF銅制指狀件 115的通量傳送中心圓柱體123的周?chē)?。由于MF模塊110的中心孔121的豎直定向，感應(yīng) 線(xiàn)圈120及因此通量傳送中心圓柱體123中的通量可設(shè)置成緊靠中心半孔124內(nèi)的液態(tài)金 屬，因此提升了從MF感應(yīng)線(xiàn)圈到液態(tài)金屬的能量傳遞的效率，并避免了到ESR105中的大批液態(tài)金屬的大的能量傳遞。因?yàn)镋SR渣殼106只有幾毫米厚，ESR渣殼的可靠熔融可以通 過(guò)通向MF模塊的較小入口幾何結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著自ESR105的初始熔透，MF模塊110內(nèi)的 電磁攪動(dòng)將MF模塊的熱以對(duì)流方式傳遞到ESR，從而在CIG之上及穿過(guò)ESR渣殼106保持 熔融的液體柱。這種對(duì)流的熱表示凈效率的減小，并利用MF模塊幾何結(jié)構(gòu)而被最小化。類(lèi)似地，在HF模塊140的腔165內(nèi)，多個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈155緊密地設(shè)置在HF銅制指狀 件145的通量傳送中心圓柱體143的周?chē)Ｔ俅?，HF感應(yīng)線(xiàn)圈155與在HF模塊140的中 心孔口 144內(nèi)的液態(tài)金屬的緊密耦合提升了到其中的液態(tài)金屬的能量傳遞的效率。圖5示出了從CIG模塊的通量線(xiàn)圈到液態(tài)金屬的能量傳遞的簡(jiǎn)化示意圖。下面描 述了 MF模塊的能量傳遞。括號(hào)內(nèi)的參考標(biāo)號(hào)表明了關(guān)于HF模塊的相應(yīng)的能量傳遞。在圖 3的AA截面處，能量從MF模塊110(140)傳到中心孔內(nèi)的液態(tài)金屬。剖視圖示出了圍繞兩 個(gè)銅制指狀件節(jié)段125 (145)的通量臂123(143)的MF線(xiàn)圈120(155)。通量臂123(143)的 內(nèi)壁124(160)形成液態(tài)金屬199流過(guò)其中的中心孔121(144)。MF電源210(220)在線(xiàn)圈 內(nèi)建立電流195，MF通量線(xiàn)圈120(155)在通量臂123(143)內(nèi)引發(fā)電流197，它們轉(zhuǎn)而又在 液態(tài)金屬199中引發(fā)電流198，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)金屬的能量傳遞。相對(duì)的銅制指狀件節(jié)段 125(145)間的徑向面191可以被絕緣192。此外，通量臂123 (143)的內(nèi)壁141(160)可以 被絕緣194，以提升通量臂123和液態(tài)金屬199間的感應(yīng)效率。MF模塊110(140)的通量臂 123(143)的內(nèi)表面141(160)暴露于高溫液態(tài)金屬中，且有利地利用了這樣的薄電絕緣涂 層該薄電絕緣涂層結(jié)合了表面上的拋光金屬的粘結(jié)層和氧化鋁或鉭氧化物的絕緣層。HF 通量線(xiàn)圈和液態(tài)金屬間的能量傳遞以相似的方式實(shí)現(xiàn)。相似地，功率由HF電源220供應(yīng)給 HF模塊140。再參看圖3，在HF模塊的腔165內(nèi)，可進(jìn)一步提供接近HF通量線(xiàn)圈的鐵氧體元件， 以限制否則可能從銅制指狀件的通量傳送臂分流出來(lái)的通量。鐵氧體可能會(huì)以位于HF感 應(yīng)線(xiàn)圈155上方及下方的半圓柱形板形元件170的形式提供。在MF模塊110的腔117內(nèi)， 半圓柱形鐵氧體元件171可提供于基板111的豎直內(nèi)壁172上，以限制那個(gè)模塊的通量損 失。對(duì)于MF模塊110和HF模塊140兩者，可以在螺栓137周?chē)M(jìn)一步提供鐵氧體套筒173， 否則螺栓137可能會(huì)過(guò)熱，并且被來(lái)自MF模塊和HF模塊的泄漏通量災(zāi)難性地破壞。鐵氧 體使得能夠有許多重要的設(shè)計(jì)選擇。最重要的是，初級(jí)線(xiàn)圈上方和下方的鐵氧體容許有通 量循環(huán)封閉而不在初級(jí)線(xiàn)圈上方和下方的支承板內(nèi)產(chǎn)生大量電流，從而在維持緊湊軸向設(shè) 計(jì)的同時(shí)保持了 CIG的效率。初級(jí)線(xiàn)圈外側(cè)的鐵氧體限制了場(chǎng)的徑向范圍，并且屏蔽了未 被冷卻的結(jié)構(gòu)元件，如螺栓。線(xiàn)圈外側(cè)的有效屏蔽意味著鐵氧體外側(cè)的感應(yīng)場(chǎng)(公式1)是 零，并且板和支承結(jié)構(gòu)無(wú)需分離。這就在密封、高度加強(qiáng)的支承結(jié)構(gòu)及精確對(duì)準(zhǔn)輔助方面相 當(dāng)大地簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在參看圖3的左側(cè)，為MF模塊和HF模塊提供了冷卻布置180，以消除由于感應(yīng) 線(xiàn)圈的運(yùn)行、通過(guò)電和磁損失而產(chǎn)生的熱。CIG設(shè)計(jì)的很大一部分困難是需要在有限的幾 何結(jié)構(gòu)內(nèi)用水冷卻MF節(jié)段和HF節(jié)段?？蓪?shí)施使用銀-銅硬焊的爐硬焊程序來(lái)避免空間要 求、部件扭曲以及清理伴隨銅焊技術(shù)的機(jī)械加工。爐硬焊構(gòu)造容許利用簡(jiǎn)單的淺深度鉆孔 和銑削操作來(lái)形成冷卻通道，從而產(chǎn)生針對(duì)局部熱荷載要求而設(shè)計(jì)的復(fù)雜的內(nèi)部冷卻通道 網(wǎng)絡(luò)。熔體表面3mm內(nèi)的水通道可以通過(guò)這種方式可靠地形成。銀-銅硬焊不影響熱或電 性能。與液態(tài)金屬直接接觸的硬焊縫沒(méi)有顯示出優(yōu)先侵蝕或故障的跡象，且涂敷了絕緣體的表面上的硬焊縫毫無(wú)困難地接受了鎳濺射涂層，以及化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層和濺射表 面絕緣體涂層兩者。在對(duì)CIG構(gòu)件爐硬焊后，可以使用金屬絲放電加工來(lái)分離CIG(各)部 分。爐硬焊組件容許產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)槽，以便使重要區(qū)域的熱傳遞最大化且使大的低 能量密度區(qū)域中的水壓差最小化。相應(yīng)的CIG和基板組件中的硬焊平面如圖所示。一些典 型的流動(dòng)通道位置用虛線(xiàn)顯示，支承板中的水平曲折槽181和CIG銅制指狀件內(nèi)的軸向槽 182的組合。爐硬焊容許將不銹鋼供水管道直接結(jié)合到CIG組件中，從而提供了一些使用薄 壁供應(yīng)管和焊接的流動(dòng)轉(zhuǎn)接元件的設(shè)計(jì)靈活性。如果使它們與高磁場(chǎng)屏蔽，則例如帶螺紋 的嵌件的不銹鋼機(jī)械元件也可以結(jié)合在爐硬焊工藝中。第一冷卻水入口路徑185和出口路徑(未示出)可以對(duì)用于MF模塊110的曲折 通道181提供冷卻。第二冷卻水入口路徑186和出口路徑(未示出)可以對(duì)MF模塊110 的MF銅制指狀件115內(nèi)的軸向通道182提供冷卻水。第三冷卻路徑187是為HF模塊140 的HF銅制指狀件145內(nèi)的軸向通道182提供的。顯示了用于MF模塊110的MF感應(yīng)線(xiàn)圈 120的冷卻路徑190。為HF模塊140的HF感應(yīng)線(xiàn)圈155提供了冷卻路徑，但在這里沒(méi)有顯 示。間隔件135包括用于通向MF線(xiàn)圈120的功率191和冷卻水190以及用于通向HF線(xiàn)圈 155的功率的在直徑方向上相對(duì)的且沿徑向定向的進(jìn)入口 175。用于MF線(xiàn)圈的功率191和 冷卻水190傳送通過(guò)MF銅制指狀件節(jié)段125的開(kāi)口，以便可以通入MF腔117。新穎的線(xiàn)圈接口可容許線(xiàn)圈做為CIG模塊組件的一部分，且在CIG于ESR內(nèi)就位 后插入功率總線(xiàn)部件(bus-work)。接口使線(xiàn)圈冷卻水與電源分開(kāi)。一旦完成插入，水連接 就通過(guò)滑入式密封件，且電連接就通過(guò)螺栓連接的扁平的匹配的總線(xiàn)連接。扁平的總線(xiàn)供 應(yīng)可以使雜散場(chǎng)最小化，以便于它們可以在金屬環(huán)境圍罩內(nèi)延伸而不會(huì)有對(duì)該圍罩的感應(yīng) 加熱，并且可以容許儀器到達(dá)CIG而無(wú)不可接受的電磁干擾。鐵氧體170、171、173的有效使用允許一些CIG構(gòu)件不被冷卻。用于高頻CIG的底 部支承板的大部分是未被冷卻的，在外徑處的全部螺栓凸緣也是未被冷卻的。這大大簡(jiǎn)化 了螺栓布置、密封設(shè)計(jì)和線(xiàn)圈連接。軸向螺栓連接系統(tǒng)允許很大的軸向預(yù)加載，使HFCIG系統(tǒng)和MFCIG系統(tǒng)之間的任 何熔體滲透最小化。CIG可以在工作臺(tái)上以上端朝下的方式組裝，且然后在ESR爐下投入使 用。這個(gè)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)CIG模塊被分成兩個(gè)節(jié)段(半部)。這種組裝使拆裝時(shí)的損壞最小 化。合金渣殼可以滲進(jìn)指狀件間隙中，且可在冷卻時(shí)收縮及預(yù)加載CIG。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，CIG 可以從渣殼內(nèi)沿徑向拉出以避免銅的劃傷(如果沿軸向移除固化的渣殼，將會(huì)發(fā)生劃傷)。整個(gè)裝置的運(yùn)行要求將固態(tài)金屬塞插入HF模塊孔口中，并且可選地插入MF模塊 區(qū)域中。剛開(kāi)始時(shí)，操作ESR熔體供應(yīng)爐，直到液態(tài)金屬充滿(mǎn)MF模塊。在那時(shí)，施加MF模 塊功率以避免在MF模塊區(qū)域內(nèi)的金屬凝固。當(dāng)需要流時(shí)，對(duì)HF模塊施加功率以熔融HF模 塊孔口中的塞，并開(kāi)啟金屬流?？烧{(diào)節(jié)功率以影響金屬流的過(guò)熱。MF模塊用做HF模塊(孔 口)噴嘴的入口調(diào)節(jié)裝置。ESR渣殼的最初熔透可填充HF噴嘴，然而，MF模塊保持HF噴嘴 頂部的金屬是熔融的，因此不要求HF模塊熔透渣殼，只熔融到它的噴嘴塞即可。來(lái)自MF模 塊和ESR供應(yīng)的金屬流體靜壓頭確保可靠的(solid)初始流將克服任何表面張力和洛倫茲 懸浮力。與液態(tài)金屬相接觸的電絕緣體的性能測(cè)試包括試樣測(cè)試和在澆注期間運(yùn)行裝置的情況下的測(cè)試兩者。扁平盤(pán)試樣的試樣測(cè)試包括熱沖擊和無(wú)電場(chǎng)情況下的持續(xù)熔體接 觸。帶涂層的扁平盤(pán)銅制試樣經(jīng)受液態(tài)熔體滴。通過(guò)將裝有熔融的IN718的感應(yīng)加熱的、 底部敞開(kāi)的陶瓷管放置在水冷的測(cè)試試樣上來(lái)得到持續(xù)接觸。在持續(xù)的熔體接觸后，1微 米涂層不再維持高阻抗。沒(méi)有觀察到涂層有肉眼可見(jiàn)的故障的跡象，但認(rèn)為小孔(微米大 小)缺陷引起了微弱的電流短路。施加5微米和10微米的氧化鋁涂層并進(jìn)行相似的測(cè)試， 沒(méi)有顯現(xiàn)出機(jī)械故障或電阻故障。銅上的氧化鋁涂層的典型掃描電子顯微鏡截面表明沒(méi)有 來(lái)自試樣測(cè)試的物理的或化學(xué)的損壞。操作中，測(cè)試使絕緣材料經(jīng)受來(lái)自熔體的、銅中的更高的平均熱通量以及表面集 中的電耗散，其會(huì)導(dǎo)致更高的熱應(yīng)變和更熱的表面。曲面在涂層內(nèi)增加了張力，且涂層會(huì)經(jīng) 受電應(yīng)力。濺射涂層被成功地涂敷到以大約5千赫茲(250千瓦初級(jí)線(xiàn)圈)和110千赫茲 (80千瓦初級(jí)線(xiàn)圈)運(yùn)行的CIG裝置上。對(duì)CIG涂層的評(píng)價(jià)包括三個(gè)因素；在用鉍做為合 金718(其具有相當(dāng)大的電阻系數(shù))的低溫替代物的情況下測(cè)試，涂層電阻的直觀和現(xiàn)場(chǎng)電 阻測(cè)量，以及合金718和合金304的反復(fù)的40千克澆注。CIG總效率是加熱目標(biāo)金屬的初級(jí)線(xiàn)圈電功率的分?jǐn)?shù)，利用CIG線(xiàn)圈功率的變化 差異對(duì)其進(jìn)行測(cè)量以確定平均渣殼熱傳遞；CIG總線(xiàn)功率的向上及向下的小變動(dòng)直接影響 電耗散，但不會(huì)顯著改變?cè)鼩醾鬟f。凈效率基于添加到CIG內(nèi)的熔體的熱量，該熱量提高 傳送通過(guò)CIG的金屬的熔體焓；總功率減去CIG的損失和熔體供應(yīng)的對(duì)流損失。凈效率將 取決于合金，而附加損失將取決于溫度和粘度。之前，中頻CIG-機(jī)械和熱設(shè)計(jì)限制約束了中頻CIG構(gòu)件的深度，迫使在較大的徑 向位置處不高效地放置線(xiàn)圈匝。在初級(jí)線(xiàn)圈匝靠著ESR基板布置所處的幾何結(jié)構(gòu)中，初級(jí) 線(xiàn)圈功率被基板盜用，且次級(jí)感應(yīng)加熱發(fā)生在ESR渣殼上。這種幾何結(jié)構(gòu)中，入口區(qū)域中的 電磁驅(qū)動(dòng)流有效地將CIG提供的能量的大部分傳輸?shù)酱笈鶨SR熔體中。由于更大體積ESR 內(nèi)的強(qiáng)對(duì)流，這種能量對(duì)于過(guò)熱(供應(yīng))到CIG噴嘴的熔體供應(yīng)而言幾乎沒(méi)有關(guān)系。4指狀件式第一代MF CIG的總效率被測(cè)得為20%?；诰植客繙y(cè)量的熱量測(cè) 定和結(jié)合兩者，帶有絕緣涂層的2指狀件式第二代MF CIG的總效率是30%到35%。通過(guò) 有限元分析計(jì)算出這個(gè)幾何結(jié)構(gòu)的總效率約為35%。本發(fā)明的CIG的另一方面是不對(duì)稱(chēng)的噴嘴設(shè)計(jì)。雖然圓截面噴嘴是傳統(tǒng)的(噴 嘴)，但非圓截面對(duì)出口流有相對(duì)較小的影響。在出來(lái)后，表面張力迅速把流拉成圓截面。對(duì) 于經(jīng)涂敷的CIG，這具有顯著優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榘雸A形孔口允許CIG噴嘴構(gòu)件中的一個(gè)是扁平的。 這使得定向涂敷工藝更容易使用，且很大程度上簡(jiǎn)化了針對(duì)涂層的表面拋光和準(zhǔn)備。在半 圓形孔口上進(jìn)行了廣泛的成功的測(cè)試，展示了極好的流動(dòng)流(flow stream)。圖6示出了帶有半圓形孔口的HF CIG的簡(jiǎn)化截面。帶有半圓形孔口 76的HF CIG200包括兩個(gè)HF銅制指狀件節(jié)段75，150。半圓形孔口 76形成于一個(gè)HF銅制指狀件節(jié) 段150內(nèi)。第二 HF銅制指狀件節(jié)段75有與液態(tài)金屬199相接觸的平坦表面。第一電絕緣 材料192被提供給HF銅制指狀件節(jié)段的毗鄰部分的電絕緣鄰接面191。第二電絕緣材料 194被提供給暴露于高溫液態(tài)金屬的表面。暴露于液態(tài)金屬的HF銅制指狀件節(jié)段的表面 77，124有利地采用薄電絕緣涂層，其結(jié)合了該表面上的拋光金屬的粘結(jié)層和氧化鋁或鉭氧 化物的絕緣層。對(duì)與液態(tài)金屬199相接觸的MF銅制指狀件節(jié)段的相應(yīng)表面(圖5)提供了 第二絕緣材料。
本發(fā)明的冷壁式感應(yīng)引導(dǎo)件有助于用于以無(wú)陶瓷的方式輸送來(lái)自ESR爐的超合 金金屬的高效且可靠的澆注系統(tǒng)。這些設(shè)計(jì)構(gòu)思包括使用超薄絕緣涂層、軟磁材料和簡(jiǎn)化 的爐硬焊構(gòu)造。已展示了高達(dá)35%的總效率。雖然本文中只圖示和描述了本發(fā)明的僅一些特性，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多 修改和變動(dòng)。因此，將理解，所附的權(quán)利要求意圖涵蓋落入本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神內(nèi)的所有這樣的 修改和變動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種適用于液態(tài)金屬澆注的冷壁式感應(yīng)引導(dǎo)件(CIG)，所述CIG包括中頻(MF)CIG，其通過(guò)中心槽而操作地連接到液態(tài)金屬源且連接到高頻(HF)CIG的接 收器，所述MF CIG包括中頻電源(MFPS)，其中，來(lái)自所述MFPS的感應(yīng)能量熔融液態(tài)金屬源 上的渣殼并熔融中心槽內(nèi)的固態(tài)金屬的塞，從而保持可用于所述高頻(HF)CIG的液態(tài)金屬 池；以及所述HF CIG，其操作地連接到所述MF CIG的中心槽且連接到液態(tài)金屬排放路徑，所述 HF CIG包括高頻電源(HFPS)和中心孔口，其中，當(dāng)應(yīng)用所述HFPS時(shí)，來(lái)自所述HFPS的感應(yīng) 能量熔融所述中心孔口中的固態(tài)金屬的塞，從而形成通向所述排放路徑的液態(tài)金屬流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CIG，其特征在于，還包括由所述MFPS供電的多個(gè)中頻(MF)感應(yīng)線(xiàn)圈；多個(gè)MF銅制指狀件，包括圍繞所述MF CIG的中心槽布置的大體環(huán)狀的節(jié)段，并且其 中，該多個(gè)MF感應(yīng)線(xiàn)圈圍繞所述多個(gè)MF銅制指狀件節(jié)段纏繞，并且其中，所述MF銅制指狀 件的內(nèi)壁形成所述中心槽；接觸液態(tài)金屬的、所述MF銅制指狀件節(jié)段的內(nèi)壁上的電絕緣涂層；由所述HFPS供電的多個(gè)高頻(HF)感應(yīng)線(xiàn)圈；多個(gè)HF銅制指狀件，包括圍繞所述HF CIG的中心孔口布置的大體環(huán)狀的節(jié)段，其中， 所述多個(gè)HF感應(yīng)線(xiàn)圈緊密地纏繞在所述多個(gè)HF銅制指狀件節(jié)段周?chē)?，并且其中，所述HF 銅制指狀件節(jié)段的內(nèi)壁形成所述中心孔口 ；以及接觸液態(tài)金屬的、所述HF銅制指狀件節(jié)段的內(nèi)壁上的電絕緣涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CIG，其特征在于，所述電絕緣涂層包括用陰極電弧沉積工藝涂敷并且被拋光的一種鈦金屬的粘結(jié)層；以及在所述粘結(jié)層頂部、通過(guò)濺射和化學(xué)氣相沉積中的一種涂敷的氧化鋁和鉭氧化物其中 之一的層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CIG，其特征在于，所述第一CIG的中心槽包括名義上豎直 的槽，其中，所述MF感應(yīng)線(xiàn)圈緊密地纏繞在所述MF銅制指狀件的環(huán)狀的節(jié)段周?chē)拷?述中心槽，促進(jìn)從所述MF感應(yīng)線(xiàn)圈到所述中心槽內(nèi)的液態(tài)金屬的高效功率感應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CIG，其特征在于，還包括圍繞所述MF感應(yīng)線(xiàn)圈的MF密封腔，所述MF密封腔適用于保護(hù)所述MF感應(yīng)線(xiàn)圈免受 環(huán)境氣體和金屬粉末影響；以及圍繞所述HF感應(yīng)線(xiàn)圈的HF密封腔，所述HF密封腔適用于保護(hù)所述HF感應(yīng)線(xiàn)圈免受 環(huán)境氣體和金屬粉末影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CIG，其特征在于所述MF密封腔包括形成上部封閉部的基 板和形成下部封閉部的所述多個(gè)MF銅制指狀件節(jié)段之間的空間；且所述HF密封腔包括形 成上部封閉部的MF銅制指狀件節(jié)段，形成下部封閉部的HF銅制指狀件節(jié)段和形成外部周 向封閉部的環(huán)狀間隔件之間的空間。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CIG，其特征在于，還包括用于所述MF CIG的支承布置，所述支承布置包括形成所述液態(tài)金屬源的底部的基板， 其中，所述多個(gè)MF銅制指狀件節(jié)段在多個(gè)外部周向位置和多個(gè)內(nèi)部周向位置處固定地接 合到所述基板上；以及用于所述HF CIG的支承布置，所述支承布置包括在外部徑向位置處將所述多個(gè)HF銅 制指狀件節(jié)段與所述多個(gè)銅制指狀件節(jié)段分開(kāi)的環(huán)狀間隔件，其中，所述多個(gè)HF銅制指狀 件節(jié)段在多個(gè)內(nèi)部周向位置處固定地接合到所述基板的下側(cè)，并且所述多個(gè)HF銅制指狀 件節(jié)段通過(guò)所述間隔件和所述多個(gè)MF銅制指狀件節(jié)段固定地接合到所述基板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CIG，其特征在于，所述多個(gè)HF銅制指狀件節(jié)段包括兩個(gè)基 本上半圓形的節(jié)段，且其中，所述多個(gè)MF銅制指狀件節(jié)段包括兩個(gè)基本上半圓形的節(jié)段。
9.一種用于被精煉的液態(tài)金屬的成核鑄造的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包括冷爐底的電渣精煉(ESR)設(shè)備，所述ESR適于供應(yīng)液態(tài)金屬到澆注設(shè)備； 所述澆注設(shè)備，其包括至少一系列冷壁式感應(yīng)引導(dǎo)件(CIG)，所述CIG包括圍繞適于接 收和排放所述液態(tài)金屬的中心槽的多個(gè)銅制指狀件節(jié)段；適于通過(guò)所述銅制指狀件節(jié)段將 感應(yīng)功率供應(yīng)給所述液態(tài)金屬的感應(yīng)線(xiàn)圈；其中，接觸所述液態(tài)金屬的所述銅制指狀件節(jié) 段的內(nèi)壁包括電絕緣涂層；和成核鑄造設(shè)備，其適用于接收來(lái)自所述澆注設(shè)備的所排放的液態(tài)金屬并鑄造所述液態(tài)金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電絕緣涂層包括 用陰極電弧沉積工藝涂敷并且被拋光的鈦金屬的粘結(jié)層；以及通過(guò)濺射和化學(xué)氣相沉積中的一種涂敷到所述粘結(jié)層上的由氧化鋁和鉭氧化物其中 之一構(gòu)成的絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冷壁式感應(yīng)導(dǎo)管。使用在銅制CIG元件和液態(tài)金屬之間帶有電絕緣層的冷壁式感應(yīng)導(dǎo)管(CIG)提供了一種具有改進(jìn)的效率的、將無(wú)陶瓷合金輸送到噴射系統(tǒng)的方法。通過(guò)新的爐硬焊制造技術(shù)促進(jìn)的CIG設(shè)計(jì)選項(xiàng)解決感應(yīng)線(xiàn)圈環(huán)境隔離問(wèn)題，糾正熱應(yīng)變?nèi)莶顔?wèn)題，有助于雙頻感應(yīng)設(shè)計(jì)，允許改進(jìn)的電耦合效率和熱效率，導(dǎo)致改進(jìn)的熔體流激發(fā)，并有助于從固化的熔體上無(wú)損地拆分。軟磁材料的使用允許有改進(jìn)的效率、在中頻線(xiàn)圈和高頻線(xiàn)圈之間具有有限的串?dāng)_的更緊湊的設(shè)計(jì)，以及受促進(jìn)的對(duì)感應(yīng)線(xiàn)圈的環(huán)境封閉。
文檔編號(hào)B22D23/10GK102102151SQ20101058262
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者H·R·小哈特, R·S·米勒, W·T·卡特 申請(qǐng)人:通用電氣公司