冷壁式感应导管的制作方法

专利名称：冷壁式感应导管的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及ESR-CIG设备中精炼金属的流动控制，更具体说涉及一种CIG设 备，其提供了更高效和受控的液态精炼金属流动。ESR设备是一种电渣精炼设备，且CIG是 一种冷壁式感应引导设备。更具体地说，本发明涉及作为到达、通过以及来自CIG的液态金 属流来控制液态金属的流动。这样的液态金属流可与成核铸造一同用于在制造工件-例如 涡轮叶轮_时使用的大型金属坯料。
背景技术：
电渣精炼(ESR)是用来熔融和精炼许多合金以从中去除各种杂质的工艺。可使用 电渣精炼来有效地精炼的典型合金包括以镍、钴或铁为基的那些合金。最初的未精炼的合 金典型地以具有各种缺陷或杂质的坯料的形式来提供，在精炼过程期间期望去除这些缺陷 或杂质，以增强冶金属性，包括例如氧化物洁净度、晶粒尺寸和显微结构。在传统的电渣设备中，坯料被连接到电源上并限定了电极，其恰当地悬挂在包含 对应于被精炼的特定合金的合适的渣料的水冷式坩埚中。渣料通过将电流从电极传送通过 该渣料、进入坩埚中而被加热，并且被维持在合适的高温下以用于熔融坯料电极的较低端。 随着电极熔融，精炼动作发生，坯料熔体中的氧化物内含物暴露在液态渣料中且溶解在其 中。坯料熔体的液滴通过重力下落通过渣料，且被收集在坩埚的底部处的液态熔体池中。精炼熔体可通过传统的感应加热的、节段式的、冷壁式的感应加热引导件(CIG) 从坩埚中提取。以这种方式从坩埚中提取的精炼熔体为各种固化过程，包括喷射沉积，提供 了理想的液态金属源。电渣设备可以传统的方式冷却，以便在表面上形成固态渣壳，以界定液态渣料并 防止对坩埚本身的损坏，并且防止由于接触坩埚的特有的(patent)材料对坯料熔体的污 染。坩埚的底部典型地包括水冷式铜制冷炉底，精炼熔体的固态渣壳靠着该炉底形成，以 保持坩埚的底部处收集的熔体的纯度。炉底下面的CIG排放导管或下泄管也典型地由铜制 成，并且被分段及水冷，以便也允许形成精炼熔体的固态渣壳，以在从坩埚中提取熔体时保 持该熔体的纯度。传统电渣精炼设备的冷炉底和导管结构相对复杂，且因此制造起来花费高昂。导 管典型地以锥形浇口连接冷炉底，其中感应加热线圈围绕液态金属流动通过其中的浇口和 下泄管的外表面。多个水冷式感应加热电缆围绕导管来感应加热熔体，以控制通过该管的熔体的排 放流率。围绕铜浇口节段的感应加热电缆中的交流电在铜节段内引起交流涡流。随之，导 管的铜浇口节段内的交流涡流在通过导管的流路中的液态金属中引起电流。图1示出了用于液态金属的成核铸造的系统5。该系统包括精炼系统10、浇注系 统60以及喷射系统80，在下面对它们进行描述。图1示出了用于在电渣精炼炉中精炼合金 金属的精炼系统10。参看图1，在顶部处是熔融系统，其主要是短的电渣精炼炉15。自耗 电极20通过使用驱动机构(未示出)而从上面供给至电渣精炼炉15中。自耗电极20的底面25浸入热的液态渣料35中，液态渣料35加热电极20的底面25，导致其熔融。金属 液滴在电极表面上形成，并下落通过渣料35，以便在渣料35下方形成液态金属池40。在电 极20内存在的任何氧化物内含物将暴露在渣料中并将被溶解。利用来自自耗电极电源45 的交流电流46，渣料35保持较热，交流电流46大体处于低电压和传统频率，其通过自耗电 极20而馈送到渣料中。作为用于控制在底面25熔融时自耗电极20的前进速率的信号来 测量所需电压。还示出了一种非自耗电极50，其是ESR坩埚55的上部部分。然后，作为供 给自耗电极20的电流的替代或者除了该电流之外，可将电流47从电源70馈送到非自耗电 极50。浇注系统60从ESR炉15提供底部浇注来形成液态金属流30。为了避免可能从 陶瓷喷嘴上腐蚀下来的氧化物内含物污染液态金属流30，使用带有无陶瓷感应加热铜浇口 61的CIG 65来形成液态金属流30。铜浇口 61可以是沿径向分段的，并且被一个或多个感应线圈66，67围绕。电流在 感应线圈66，67中振荡，在各个铜节段中引发电流，并随后在流动的液态金属流30中引发 加热电流。铜构件中所引发的热被冷却水流63消除。在一些这样的传统的CIG系统中，功率可以不同的频率被输送到各个感应线圈。 被输送到各个感应线圈的功率的量以及冷却铜浇口 61的冷却水的量可受控制，以便启动 和停止喷嘴里的液态金属的流动、供应的过热的量以及流动的容积流率。带有传统铜浇口 91的CIG90，例如来自Benz等的US 5160532中的(CIG)，以剖面 的形式示于图2中。浇口 91由围绕中心轴线93沿径向分布的多个铜节段92组成。感应 线圈94安装在浇口 91的下侧上。作为铜制指状件而已知的铜节段92在外侧径向端部处 由CIG90的基板95或其它结构机械支承。可通过槽96将冷却水提供给CIG，其对单独的铜 节段92提供供应和返回管路97。单独的电绝缘层98被应用于铜节段92之间。然而，使 用大量的铜节段导致了与液态金属流接触的在结构上不足的指状结构，从而引起机械稳定 性问题以及关于用于液态金属流的孔大小的变化缺乏控制。利用使用这样的分段的铜浇口 65的CIG进行的试验显示该装置产生了不合乎需要地低的效率。绝缘体是防止电荷流动、因此防止电流流动的材料或者物质。当电绝缘材料必须 能承受希望它们来绝缘的电源的电压和频率时，该材料也必须适于其进行操作所处的环 境。这些环境因素包括温度、机械磨损以及周围环境的化学组成。另外，当保持适当的电绝 缘保护属性时，绝缘材料同样必须不能不利地影响与该绝缘材料发生接触或该绝缘材料暴 露于其中的其它材料或构件。暴露到苛刻的环境下需要可承受该环境的绝缘材料。这样的 苛刻环境在金属精炼过程中会遇到。由于该苛刻的环境，没有在浇口 92内将电绝缘应用于铜节段和液态金属池(未示 出)之间。传统的电绝缘体不能承受该应用的苛刻的环境。其它非传统的绝缘体，例如等 离子喷射氧化铝，厚而易碎。当接触液态金属的精炼流时，这样的绝缘体破裂或者碎裂，且 因此对于使用而言无法接收，因为它们会作为杂质将绝缘材料引入精炼金属中。然而，除非导管的铜节段与液态金属电绝缘，否则导管的铜节段内的一些感应电 流将流入液态金属，从而减少通过感应而进入液态金属的能量传递。因此，希望使导管的铜 节段与流过该导管的液态金属电绝缘。铜节段上的绝缘层必须承受在加热和冷却液态金属 期间所施加的高热梯度和热冲击。绝缘层必须是健壮的，但是同时又是薄的，以便不会干涉在浇口的特别地成形的流路中发生的液态金属流动。再参看图1，雾化和收集系统80也是这种铸造系统的一部分。在从CIG90短暂的 自由下落之后，使用传统的开式雾化器81来雾化液态金属流30。该雾化器81将气体射流 引导到液态金属流30上，并且将其转化成喷雾83，从而加速了从雾化区域82朝向收集模 85的喷射液滴，在飞行中将它们冷却。可使用其它的收集系统，包括但不限于金属粉末雾化、熔融纺丝、喷射成形、成核 铸造、直接浇注(casgting)等。因此，需要提供一种用于成核铸造过程的更高效且健壮的冷感应引导件。提高的 效率一方面是需要用于冷壁式感应加热导管的电绝缘材料，该电绝缘材料将导管中的感应 电流电绝缘，防止其泄漏到穿过该导管的液态金属流中，但是该电绝缘材料不会污染被处 理的液态金属。

发明内容
本发明涉及结构上更可靠的并且更高效的冷壁式感应加热引导件，以及其关于电 渣精炼和成核铸造的应用。根据本发明的第一方面，提供了一种适于液态金属浇注的冷壁式感应加热引导件 (CIG)。该CIG包括中频(MF) CIG，其操作地通过中心槽连接到液态金属源和高频(HF)CIG 的接收器上。该MF CIG包括中频电源(MFPS)。来自MFPS的感应能量熔融液态金属源上 的渣壳，并熔融中心槽内的固态金属的塞，从而保持可用于高频(HF)CIG的液态金属池。该 CIG进一步包括HF CIG, HF CIG操作地连接到MF CIG的中心槽和液态金属排放路径。HF CIG包括高频电源(HFPS)和中心孔口。当应用HFPS时，来自HFPS的感应能量熔融中心孔 口中的固态金属的塞，从而建立流向排放路径的液态金属流。根据本发明的另一方面，提供了一种用于被精炼的液态金属的成核铸造的系统。 该系统包括包括冷炉底(hearth)的电渣精炼(ESR)设备。该ESR适于将液态金属供应到 浇注设备。该浇注设备至少包括一系列冷壁式感应加热引导件(CIG)。该CIG包括围绕适 于接收和排放液态金属的中心槽的多个铜制指状件节段。感应线圈适于通过铜制指状件节 段将感应功率供应给液态金属。接触液态金属的铜制指状件节段的内壁包括电绝缘涂层。 该系统还包括成核铸造设备，其适用于接收来自浇注设备的所排放的液态金属，并铸造该 液态金属。


在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到 更好的理解；在附图中，同样的符号在所有图中代表同样的部件，其中图1示出了用于在电渣精炼炉中精炼合金金属的现有技术精炼系统；图2示出了现有技术冷壁式感应加热引导件，其结合了在它们之间具有绝缘材料 的多个铜制指状件部分；图3示出了本发明CIG的一个实施例的剖面正视图；图4示出了本发明CIG的一个实施例的等轴分解剖面图；图5示出了图3中AA截面处的、从MF模块的通量线圈到中心孔中的液态金属的能量传递的简化示意图；图6示出了带有半圆形孔口的HF CIG的简化截面。
具体实施例方式本发明在提供用于电渣精炼(ESR)和成核铸造的冷壁式感应加热引导件(CIG)方 面有许多优点，具有机械简化、更好的结构稳定性、更高效以及改进的流动控制。将喷射成形的金属引入飞行器发动机和电力生产行业的重要应用中由于来自传 统的喷射成形装备中的坩埚内衬、浇口盘或浇注喷嘴的氧化物粒子侵蚀的可能性而受到阻 碍。这些氧化物粒子可能变成限制部件的低循环疲劳寿命的内含物。本发明的下列实施例 有许多优点，包括在提供改进的电耦合效率和热效率的同时将无陶瓷合金输送到喷射系统 的方法。本发明的CIG通过一种新的炉硬焊制造技术来制造，该技术有助于解决感应线圈 环境隔离问题，纠正热应变容差问题，有利于双频感应设计，导致改进的熔体流启动，并且 有助于在没有来自固化的熔体的损害的情况下拆分。软磁材料的使用允许有改进的效率、 在中频线圈和高频线圈之间具有有限的串扰的更紧凑的设计以及感应线圈的受促进的环 境封闭。已经提供了超薄、高性能陶瓷涂层的可靠的使用，其中这些涂层允许CIG中所需要 的节段在数量上有所减少，但不与熔体发生相互化学作用。较少的节段的使用提高了节段 的机械稳定性，并且显著地降低了制造成本。法拉第定律规定熔体内磁通量的变化产生电动势(emf)(公式1)。围绕铜制指状 件表面的积分估算(包括在加热金属时有用的通量)表明一定存在与熔体中的通量变化率 成比例的电场。这表明在指状件之间将存在电场。增加指状件的数量会降低相邻指状件之 间的场。<(^參说=—，公式1 Jat在传统的冷感应坩埚中，洛伦兹悬浮力保持熔体的至少一部分离开指状件。然而， 由于局部流体静压力大于洛伦兹悬浮力，冷感应引导件在所有表面上有潜在的熔体接触的 情况下操作。通常假设发生非稳定随机过程，其中熔体随着其接触、凝固和拉离而间歇性地 接触铜制指状件。如果两个相邻指状件之间的场不大，则只有小的电流通过熔体暂时被分 流，而高的分流电流可导致熔体与铜熔合。在感应加热熔体时，如果所有的间隙均被分流， 在铜制指状件内的二次电流会变得不起作用。对于喷嘴大小的CIG几何结构，大量的指状 件在实践中不能实现。六到八个节段就是在实践中可能适用于5-10mm的熔体流的最多的 数量了，从而需要很大的制造复杂性和成本。一种用于来自ESR熔融器的底部浇注的八指状件式冷感应引导件之前已经建好， 并作为用于喷射成形的ESR耦联的洁净熔体输送系统的一部分对其进行了测试。虽然该装 置呈现了对构思的论证，但它也显示出了许多设计问题，其中突出的有四点1)初级感应 线圈不能与喷射室绝缘，导致了初级线圈和CIG指状件通过粉末渗透的短路，因为这损害 了系统的洁净度；2)该装置的设计由于热应变而引起CIG的机械扭曲和塑性变形；因此指 状件间隙和流动孔口直径每次使用都会变化；3)制造成本非常高；以及4)熔体流的启动不 可靠。在两部分式CIG上的直接热量测定表明，当电绝缘表面涂层被施加到CIG时，CIG净热效率以2为因数增大，这提供了有说服力的证据对于较少数量的指状件，短路可 以严重损害CIG的性能。标准陶瓷绝缘体的引入被视作是不可接受的。块体陶瓷(bulk ceramic)用做热绝缘体，而且这些材料的表面温度接近熔融温度，在该温度处，化学侵蚀， 尤其是钛引起的化学侵蚀，在热力学上是有利的。此外，在化学侵蚀之后或由于热应力或冲 击的结果，陶瓷可释放不可接受地大的粒子。但是在每微米大约20伏的电介质强度时，非 常薄的氧化铝或钽氧化物(tantala)薄膜就可以提供必要的电绝缘，并且薄膜在铜表面温 度处保持热力学稳定。溅射和化学气相沉积(CVD)沉积两者都可以生产这样的涂层该涂 层100%紧密且无缺陷，并且在诸如飞行器发动机涡轮叶片这样非常侵蚀性的环境中，已经 被证明是耐用的。铜是一种导电、导热的材料。一些应用要求在铜的表面上有电绝缘层以避免在铜 的外侧传导电流。这种应用的一个例子是用于浇注液态金属的CIG。CIG的感应加热要求 该装置是沿径向分段的。周围感应线圈在CIG流内产生电流。重要的是防止通过铜流动的 电流流入液态金属中。如果电流这样流动，单元的效率就会损失。需要绝缘层。对于这个 应用，对绝缘层的需求是很强烈(strenuous)的。它必须承受高热梯度和热冲击，而且还要 健壮和薄。为超合金和不锈钢基底而开发的现有涂敷技术在铜表面上的直接应用证实是不 成功的，并且需要粘结涂层。铜上的镍和钛涂层被示范为粘结涂层，并且薄涂层不影响CIG 的电磁性能。使用了大约1微米的溅射镍涂层和数十微米的阴极电弧钛涂层。粘结涂层上 的溅射氧化铝和CVD沉积的钽氧化物涂层作为绝缘层而被测试。在溅射镍上(的)溅射氧 化铝是一种发展良好的技术，且在我们的测试中占首要地位。但是，溅射是有方向性的，并 且需要精确的表面制备，从而给在带有曲面的CIG上进行涂敷带来了困难。尽管涂敷期间 使用了高温，但CVD沉积避免了这些问题并被证实与硬焊的CIG构件相容。提供了用于铜表面的薄电绝缘涂层。该涂层通过首先用阴极电弧沉积工艺涂敷一 层50微米的钛金属来生产。该层被抛光并在其顶部设置通过溅射涂敷的5到10微米的氧 化铝层。产生的涂层是健壮的，因为它可承受热冲击而不与离铜基底分离。钛层与铜形成健壮的冶金接合。不会与铜良好地结合的溅射氧化铝被涂敷到钛层 上，形成另一健壮的层。所产生的层是薄的，但电绝缘。当传统的绝缘体不能承受这种应用 的苛刻环境时，本发明的涂层良好地起作用。不像其它传统绝缘体，例如厚且易碎的等离子 喷射氧化铝，本发明的绝缘涂层薄且紧紧地粘在所涂敷的钛层上。来自诸如ESR，电子束和等离子弧炉底熔融器，或感应加热冷坩埚的洁净熔融装置 的底部浇注很少被考虑，因为陶瓷喷嘴嵌件将会损害无陶瓷产品的目标。对于来自洁净熔 体源的受调节的洁净熔体输送，CIG可以满足需要，因为其是全金属装置。在CIG中，感应 加热线圈围绕若干个包含熔体的水冷式铜制指状件。感应线圈内的交流电在指状件内产生 电流，该电流转而在熔体中引发加热电流。水冷用于消除由于振荡的电流而在线圈和指状 件两者中产生的热量。本发明的CIG布置示于图3中，且呈现了与现有技术-如Benz等(US5160532)-的 CIG设计的显著偏差。该CIG系统可以理解为具有大、中和小直径的大致圆柱形的三个堆叠 的区域，其中最大的在顶部而最小的在底部。大的顶部圆柱是液态金属源，在本案中是ESR 炉。在液态金属周围是水冷式铜坩埚，且在底部处是带中心孔的板。孔的存在对由在熔体池中在热和电磁方面被驱动的对流所控制的流线仅具有局部影响。基板上的中心孔的下面 是中直径圆柱，被称做是中频CIG(MF CIG)。这个区域的直径被选择成以便当流线良好地 延伸到这个区域中时保证与上面的液态金属的对流耦合。这个区域被水冷式铜制指状件和 感应线圈围绕，感应线圈的频率选择成使得感应耦合的集肤深度接近该区域的半径。MF频 率可合乎需要地设置为约5千赫兹(kHz)。在MF CIG下面是较小直径区域，被称做是高频 CIG(HFCIG)。这个区域的直径选择为与期望的液态金属浇注速率相匹配。水冷式铜制指状 件和HF CIG的感应线圈也围绕着这个小直径区域。再次，操作频率可能合乎需要地给出与 半径大致相等的集肤深度，本案中约110千赫兹。期望频率处的功率自MF电源210和HF 电源220从CIG外部提供(图5)。图3示出了本发明的CIGlOO系统的一个实施例，其用于来自ESR熔体供应的底部 浇注。图3的右手侧显示了 CIG的独特的电和磁方面。图3的左手侧显示了用于该CIG的 冷却布置。图4示出了本发明冷壁式感应引导件的一个实施例的等距分解剖视图。CIGlOO包括附连到液态金属源105 (它可以是ESR炉)的底部上的中频CIG模块 110和高频CIG模块140。在顶部是用于液态金属源的带有中心孔112的基板111。在该基 板下方，使用适中直径的中频(MF) CIG模块110 (5千赫兹)来熔透ESR105的底部渣壳106， 并为液态金属提供过热。在底部是具有窄尺寸的高频(110千赫兹)控制模块130。HF控 制模块130需要提供足够的净加热来阻止在流动控制喷嘴孔口 144中的液态金属的凝固。MF模块110的基板111可以包括上部的、大体圆形的、带有中心孔112的表面板 113，以及将上部表面板113联接到下部凸缘面116上的竖直地定向的圆柱形部分114。基 板111可以和MF模块的铜制指状件115接合，以形成在环境方面密闭的MF腔117，以保护 封闭在内的MF感应线圈120。表面板113的顶部表面109可以形成ESR的底部中心，并与 液态金属持续接触。早期CIG的设计通过ESR基板提供冷却。但是，在大基板上的热应变导致了 CIG 指状件的移动。各种约束或限定指状件的尝试，或者关于非金属部件损失了洁净度，或者通 过短路CIG指状件或盗用初级线圈电流而破坏了 CIG的有效性。在测试期间以及测试后 (两种情况下)，对指状件的有效约束导致CIG内的塑性屈服并带有尺寸容差的损失。CIG 模块使用了嵌入到ESR(或其它熔体供应)基板111的嵌件，其会限制热应变。基板上的应 变只影响基板的容差。除非当轴向移动时，否则其不会传递到由CIG支承板容纳的指状件 上。CIG内的残余热应变将CIG指状件置于压缩状态，从而在运行期间趋向于闭合间隙而不 是打开它们。较早期的铜制指状件应用承受不充分的支承，这允许与液态金属接触的铜制指状 件的通量传送臂的变化，且甚至在中心孔的大小上引起显著的变化，从而导致浇注速率的 显著而不合乎需要的改变。对于本发明的实施例，基板111和MF铜制指状件115在刚好处 于MF感应线圈120外侧的内部支承位置118处可以包括螺栓孔136和螺栓137。基板111 和铜制指状件115可以包括螺栓孔134和螺栓138以便在接近(这些)部件的外侧径向端 部的外部支承位置处接合。本发明的布置为MF铜制指状件115与液态金属间的接合处提 供了坚固的机械支承。基板111的中心孔112可以和由MF模块110的铜制指状件115沿CIG100的中心 轴线101形成的中心孔121沿轴向对准。MF模块110的中心孔121是由MF铜制指状件115的内表面141形成的。内表面141从顶部到底部沿径向向内稍微渐缩，以防止液态金属凝 固期间发生阻塞，并允许容易地取出渣壳以及在使用之间拆卸。在MF模块110的一种优选布置中，提供两个MF节段125。在两个MF节段125间 的小直径间隙122处提供了电绝缘体195。直径间隙122将基板111分开，并将MF铜制指 状件115分开。MF节段125的各个铜制指状件115包括凸起的中心半圆柱体123，其用作通量传 送臂。中心半圆柱体123可以包括中心半孔124。半圆柱体123的顶部表面126与基板111 的表面板113的下侧127接合。在各个节段125的底侧处，径向半圆板128沿径向向外延 伸。径向半圆板128包括内凸缘面129和凸起的外凸缘面130。凸起的半圆形凸缘面130 可以包括用于结合基板111的下表面127上的螺栓孔134进行紧固的螺栓孔138。铜制指 状件115还可以包括螺栓孔154，其利用螺栓178与基板111附连、与间隔件135附连、且 与HF模块140的铜制指状件145附连。用于将基板111联接到MF模块110的铜制指状件 115的螺栓连接孔沿周向散布于CIG的周边周围，其中螺栓连接孔用于附连HF模块140、间 隔件135和MF模块110。HF模块140的铜制指状件145的一种优选布置可以包括两个大致半圆形节段 150。在两个节段150间的小直径间隙142处提供了电绝缘。各个节段150包括凸起的中 心圆柱体143(通量传送臂)。中心圆柱体143包括用于对液态金属进行流动控制的渐缩的 中心孔口 144。中心圆柱体143设置于凸起的内凸缘146上。外凸缘部分147从中心圆柱 体143径向地向外延伸。外凸缘部分147包括阶梯面148和用于与上方的间隔件135、MF 铜制指状件115以及基板111相匹配的螺栓孔149。凸起的内凸缘146包括用于与上方的 MF铜制指状件115的下表面152相接合的螺栓孔151。各个螺栓178分别延伸穿过在HF 铜制指状件内、间隔件内、MF铜制指状件内和基板内的螺栓孔149，177，154和176。各个HF 铜制指状件节段150的内部径向凸缘146和外部径向凸缘147周围的该螺栓连接将HF模 块140附连在MF模块110上，并为与液态金属接触的HF节段150提供了坚固的机械支承。上面的MF模块110的铜制指状件115、间隔件135和HF模块140的HF铜制指状 件145结合在一起形成了环境密闭的HF腔165，用于保护封闭在其内的HF感应线圈155。 现有技术的CIG已经受到了由于缺乏对感应线圈和其它构件的保护(尤其是来自置于CIG 之下的喷射系统中的雾化液态金属喷射的腐蚀性环境)而带来的损害。使感应线圈与最终 工艺室隔离对于洁净熔体应用是很重要的，且对于在其中细小粉末会引起感应线圈或CIG 指状件短路的雾化工艺而言是必需的。但是，HF铜制指状件145各包括带有盖板193的允 许通向HF腔以用于最终电连接的底部进入口 192。用全金属外壳围绕CIG感应线圈拦截 了影响CIG效率和机械设计两者的杂散通量。比集肤深度厚的连续金属表面对于通量的渗 透而言是一个阻碍，因而使线圈与工艺室分开的板在被置于初级线圈附近时将分流大量电 流，在感应线圈的内表面盗用有用的电流。使CIG机械支承和水供应系统与ESR熔体供应 系统的底板分开来是非常合乎需要的，因为这些支承构件可盗用初级线圈电流。在MF模块110的腔117的内部，多个感应线圈120紧密地设置在MF铜制指状件 115的通量传送中心圆柱体123的周围。由于MF模块110的中心孔121的竖直定向，感应 线圈120及因此通量传送中心圆柱体123中的通量可设置成紧靠中心半孔124内的液态金 属，因此提升了从MF感应线圈到液态金属的能量传递的效率，并避免了到ESR105中的大批液态金属的大的能量传递。因为ESR渣壳106只有几毫米厚，ESR渣壳的可靠熔融可以通 过通向MF模块的较小入口几何结构来实现。随着自ESR105的初始熔透，MF模块110内的 电磁搅动将MF模块的热以对流方式传递到ESR，从而在CIG之上及穿过ESR渣壳106保持 熔融的液体柱。这种对流的热表示净效率的减小，并利用MF模块几何结构而被最小化。类似地，在HF模块140的腔165内，多个感应线圈155紧密地设置在HF铜制指状 件145的通量传送中心圆柱体143的周围。再次，HF感应线圈155与在HF模块140的中 心孔口 144内的液态金属的紧密耦合提升了到其中的液态金属的能量传递的效率。图5示出了从CIG模块的通量线圈到液态金属的能量传递的简化示意图。下面描 述了 MF模块的能量传递。括号内的参考标号表明了关于HF模块的相应的能量传递。在图 3的AA截面处，能量从MF模块110(140)传到中心孔内的液态金属。剖视图示出了围绕两 个铜制指状件节段125 (145)的通量臂123(143)的MF线圈120(155)。通量臂123(143)的 内壁124(160)形成液态金属199流过其中的中心孔121(144)。MF电源210(220)在线圈 内建立电流195，MF通量线圈120(155)在通量臂123(143)内引发电流197，它们转而又在 液态金属199中引发电流198，从而实现对液态金属的能量传递。相对的铜制指状件节段 125(145)间的径向面191可以被绝缘192。此外，通量臂123 (143)的内壁141(160)可以 被绝缘194，以提升通量臂123和液态金属199间的感应效率。MF模块110(140)的通量臂 123(143)的内表面141(160)暴露于高温液态金属中，且有利地利用了这样的薄电绝缘涂 层该薄电绝缘涂层结合了表面上的抛光金属的粘结层和氧化铝或钽氧化物的绝缘层。HF 通量线圈和液态金属间的能量传递以相似的方式实现。相似地，功率由HF电源220供应给 HF模块140。再参看图3，在HF模块的腔165内，可进一步提供接近HF通量线圈的铁氧体元件， 以限制否则可能从铜制指状件的通量传送臂分流出来的通量。铁氧体可能会以位于HF感 应线圈155上方及下方的半圆柱形板形元件170的形式提供。在MF模块110的腔117内， 半圆柱形铁氧体元件171可提供于基板111的竖直内壁172上，以限制那个模块的通量损 失。对于MF模块110和HF模块140两者，可以在螺栓137周围进一步提供铁氧体套筒173， 否则螺栓137可能会过热，并且被来自MF模块和HF模块的泄漏通量灾难性地破坏。铁氧 体使得能够有许多重要的设计选择。最重要的是，初级线圈上方和下方的铁氧体容许有通 量循环封闭而不在初级线圈上方和下方的支承板内产生大量电流，从而在维持紧凑轴向设 计的同时保持了 CIG的效率。初级线圈外侧的铁氧体限制了场的径向范围，并且屏蔽了未 被冷却的结构元件，如螺栓。线圈外侧的有效屏蔽意味着铁氧体外侧的感应场(公式1)是 零，并且板和支承结构无需分离。这就在密封、高度加强的支承结构及精确对准辅助方面相 当大地简化了机械设计。现在参看图3的左侧，为MF模块和HF模块提供了冷却布置180，以消除由于感应 线圈的运行、通过电和磁损失而产生的热。CIG设计的很大一部分困难是需要在有限的几 何结构内用水冷却MF节段和HF节段。可实施使用银-铜硬焊的炉硬焊程序来避免空间要 求、部件扭曲以及清理伴随铜焊技术的机械加工。炉硬焊构造容许利用简单的浅深度钻孔 和铣削操作来形成冷却通道，从而产生针对局部热荷载要求而设计的复杂的内部冷却通道 网络。熔体表面3mm内的水通道可以通过这种方式可靠地形成。银-铜硬焊不影响热或电 性能。与液态金属直接接触的硬焊缝没有显示出优先侵蚀或故障的迹象，且涂敷了绝缘体的表面上的硬焊缝毫无困难地接受了镍溅射涂层，以及化学气相沉积(CVD)涂层和溅射表 面绝缘体涂层两者。在对CIG构件炉硬焊后，可以使用金属丝放电加工来分离CIG(各)部 分。炉硬焊组件容许产生复杂的流动槽，以便使重要区域的热传递最大化且使大的低 能量密度区域中的水压差最小化。相应的CIG和基板组件中的硬焊平面如图所示。一些典 型的流动通道位置用虚线显示，支承板中的水平曲折槽181和CIG铜制指状件内的轴向槽 182的组合。炉硬焊容许将不锈钢供水管道直接结合到CIG组件中，从而提供了一些使用薄 壁供应管和焊接的流动转接元件的设计灵活性。如果使它们与高磁场屏蔽，则例如带螺纹 的嵌件的不锈钢机械元件也可以结合在炉硬焊工艺中。第一冷却水入口路径185和出口路径(未示出)可以对用于MF模块110的曲折 通道181提供冷却。第二冷却水入口路径186和出口路径(未示出)可以对MF模块110 的MF铜制指状件115内的轴向通道182提供冷却水。第三冷却路径187是为HF模块140 的HF铜制指状件145内的轴向通道182提供的。显示了用于MF模块110的MF感应线圈 120的冷却路径190。为HF模块140的HF感应线圈155提供了冷却路径，但在这里没有显 示。间隔件135包括用于通向MF线圈120的功率191和冷却水190以及用于通向HF线圈 155的功率的在直径方向上相对的且沿径向定向的进入口 175。用于MF线圈的功率191和 冷却水190传送通过MF铜制指状件节段125的开口，以便可以通入MF腔117。新颖的线圈接口可容许线圈做为CIG模块组件的一部分，且在CIG于ESR内就位 后插入功率总线部件(bus-work)。接口使线圈冷却水与电源分开。一旦完成插入，水连接 就通过滑入式密封件，且电连接就通过螺栓连接的扁平的匹配的总线连接。扁平的总线供 应可以使杂散场最小化，以便于它们可以在金属环境围罩内延伸而不会有对该围罩的感应 加热，并且可以容许仪器到达CIG而无不可接受的电磁干扰。铁氧体170、171、173的有效使用允许一些CIG构件不被冷却。用于高频CIG的底 部支承板的大部分是未被冷却的，在外径处的全部螺栓凸缘也是未被冷却的。这大大简化 了螺栓布置、密封设计和线圈连接。轴向螺栓连接系统允许很大的轴向预加载，使HFCIG系统和MFCIG系统之间的任 何熔体渗透最小化。CIG可以在工作台上以上端朝下的方式组装，且然后在ESR炉下投入使 用。这个结构中的各个CIG模块被分成两个节段(半部)。这种组装使拆装时的损坏最小 化。合金渣壳可以渗进指状件间隙中，且可在冷却时收缩及预加载CIG。在这个设计中，CIG 可以从渣壳内沿径向拉出以避免铜的划伤(如果沿轴向移除固化的渣壳，将会发生划伤)。整个装置的运行要求将固态金属塞插入HF模块孔口中，并且可选地插入MF模块 区域中。刚开始时，操作ESR熔体供应炉，直到液态金属充满MF模块。在那时，施加MF模 块功率以避免在MF模块区域内的金属凝固。当需要流时，对HF模块施加功率以熔融HF模 块孔口中的塞，并开启金属流。可调节功率以影响金属流的过热。MF模块用做HF模块(孔 口)喷嘴的入口调节装置。ESR渣壳的最初熔透可填充HF喷嘴，然而，MF模块保持HF喷嘴 顶部的金属是熔融的，因此不要求HF模块熔透渣壳，只熔融到它的喷嘴塞即可。来自MF模 块和ESR供应的金属流体静压头确保可靠的(solid)初始流将克服任何表面张力和洛伦兹 悬浮力。与液态金属相接触的电绝缘体的性能测试包括试样测试和在浇注期间运行装置的情况下的测试两者。扁平盘试样的试样测试包括热冲击和无电场情况下的持续熔体接 触。带涂层的扁平盘铜制试样经受液态熔体滴。通过将装有熔融的IN718的感应加热的、 底部敞开的陶瓷管放置在水冷的测试试样上来得到持续接触。在持续的熔体接触后，1微 米涂层不再维持高阻抗。没有观察到涂层有肉眼可见的故障的迹象，但认为小孔(微米大 小)缺陷引起了微弱的电流短路。施加5微米和10微米的氧化铝涂层并进行相似的测试， 没有显现出机械故障或电阻故障。铜上的氧化铝涂层的典型扫描电子显微镜截面表明没有 来自试样测试的物理的或化学的损坏。操作中，测试使绝缘材料经受来自熔体的、铜中的更高的平均热通量以及表面集 中的电耗散，其会导致更高的热应变和更热的表面。曲面在涂层内增加了张力，且涂层会经 受电应力。溅射涂层被成功地涂敷到以大约5千赫兹(250千瓦初级线圈)和110千赫兹 (80千瓦初级线圈)运行的CIG装置上。对CIG涂层的评价包括三个因素；在用铋做为合 金718(其具有相当大的电阻系数)的低温替代物的情况下测试，涂层电阻的直观和现场电 阻测量，以及合金718和合金304的反复的40千克浇注。CIG总效率是加热目标金属的初级线圈电功率的分数，利用CIG线圈功率的变化 差异对其进行测量以确定平均渣壳热传递；CIG总线功率的向上及向下的小变动直接影响 电耗散，但不会显著改变渣壳热传递。净效率基于添加到CIG内的熔体的热量，该热量提高 传送通过CIG的金属的熔体焓；总功率减去CIG的损失和熔体供应的对流损失。净效率将 取决于合金，而附加损失将取决于温度和粘度。之前，中频CIG-机械和热设计限制约束了中频CIG构件的深度，迫使在较大的径 向位置处不高效地放置线圈匝。在初级线圈匝靠着ESR基板布置所处的几何结构中，初级 线圈功率被基板盗用，且次级感应加热发生在ESR渣壳上。这种几何结构中，入口区域中的 电磁驱动流有效地将CIG提供的能量的大部分传输到大批ESR熔体中。由于更大体积ESR 内的强对流，这种能量对于过热(供应)到CIG喷嘴的熔体供应而言几乎没有关系。4指状件式第一代MF CIG的总效率被测得为20%。基于局部通量测量的热量测 定和结合两者，带有绝缘涂层的2指状件式第二代MF CIG的总效率是30%到35%。通过 有限元分析计算出这个几何结构的总效率约为35%。本发明的CIG的另一方面是不对称的喷嘴设计。虽然圆截面喷嘴是传统的(喷 嘴)，但非圆截面对出口流有相对较小的影响。在出来后，表面张力迅速把流拉成圆截面。对 于经涂敷的CIG，这具有显著优点，因为半圆形孔口允许CIG喷嘴构件中的一个是扁平的。 这使得定向涂敷工艺更容易使用，且很大程度上简化了针对涂层的表面抛光和准备。在半 圆形孔口上进行了广泛的成功的测试，展示了极好的流动流(flow stream)。图6示出了带有半圆形孔口的HF CIG的简化截面。带有半圆形孔口 76的HF CIG200包括两个HF铜制指状件节段75，150。半圆形孔口 76形成于一个HF铜制指状件节 段150内。第二 HF铜制指状件节段75有与液态金属199相接触的平坦表面。第一电绝缘 材料192被提供给HF铜制指状件节段的毗邻部分的电绝缘邻接面191。第二电绝缘材料 194被提供给暴露于高温液态金属的表面。暴露于液态金属的HF铜制指状件节段的表面 77，124有利地采用薄电绝缘涂层，其结合了该表面上的抛光金属的粘结层和氧化铝或钽氧 化物的绝缘层。对与液态金属199相接触的MF铜制指状件节段的相应表面(图5)提供了 第二绝缘材料。
本发明的冷壁式感应引导件有助于用于以无陶瓷的方式输送来自ESR炉的超合 金金属的高效且可靠的浇注系统。这些设计构思包括使用超薄绝缘涂层、软磁材料和简化 的炉硬焊构造。已展示了高达35%的总效率。虽然本文中只图示和描述了本发明的仅一些特性，但本领域技术人员将想到许多 修改和变动。因此，将理解，所附的权利要求意图涵盖落入本发明实质精神内的所有这样的 修改和变动。
权利要求
1.一种适用于液态金属浇注的冷壁式感应引导件(CIG)，所述CIG包括中频(MF)CIG，其通过中心槽而操作地连接到液态金属源且连接到高频(HF)CIG的接 收器，所述MF CIG包括中频电源(MFPS)，其中，来自所述MFPS的感应能量熔融液态金属源 上的渣壳并熔融中心槽内的固态金属的塞，从而保持可用于所述高频(HF)CIG的液态金属 池；以及所述HF CIG，其操作地连接到所述MF CIG的中心槽且连接到液态金属排放路径，所述 HF CIG包括高频电源(HFPS)和中心孔口，其中，当应用所述HFPS时，来自所述HFPS的感应 能量熔融所述中心孔口中的固态金属的塞，从而形成通向所述排放路径的液态金属流。
2.根据权利要求1所述的CIG，其特征在于，还包括由所述MFPS供电的多个中频(MF)感应线圈；多个MF铜制指状件，包括围绕所述MF CIG的中心槽布置的大体环状的节段，并且其 中，该多个MF感应线圈围绕所述多个MF铜制指状件节段缠绕，并且其中，所述MF铜制指状 件的内壁形成所述中心槽；接触液态金属的、所述MF铜制指状件节段的内壁上的电绝缘涂层；由所述HFPS供电的多个高频(HF)感应线圈；多个HF铜制指状件，包括围绕所述HF CIG的中心孔口布置的大体环状的节段，其中， 所述多个HF感应线圈紧密地缠绕在所述多个HF铜制指状件节段周围，并且其中，所述HF 铜制指状件节段的内壁形成所述中心孔口 ；以及接触液态金属的、所述HF铜制指状件节段的内壁上的电绝缘涂层。
3.根据权利要求2所述的CIG，其特征在于，所述电绝缘涂层包括用阴极电弧沉积工艺涂敷并且被抛光的一种钛金属的粘结层；以及在所述粘结层顶部、通过溅射和化学气相沉积中的一种涂敷的氧化铝和钽氧化物其中 之一的层。
4.根据权利要求2所述的CIG，其特征在于，所述第一CIG的中心槽包括名义上竖直 的槽，其中，所述MF感应线圈紧密地缠绕在所述MF铜制指状件的环状的节段周围，靠近所 述中心槽，促进从所述MF感应线圈到所述中心槽内的液态金属的高效功率感应。
5.根据权利要求2所述的CIG，其特征在于，还包括围绕所述MF感应线圈的MF密封腔，所述MF密封腔适用于保护所述MF感应线圈免受 环境气体和金属粉末影响；以及围绕所述HF感应线圈的HF密封腔，所述HF密封腔适用于保护所述HF感应线圈免受 环境气体和金属粉末影响。
6.根据权利要求2所述的CIG，其特征在于所述MF密封腔包括形成上部封闭部的基 板和形成下部封闭部的所述多个MF铜制指状件节段之间的空间；且所述HF密封腔包括形 成上部封闭部的MF铜制指状件节段，形成下部封闭部的HF铜制指状件节段和形成外部周 向封闭部的环状间隔件之间的空间。
7.根据权利要求2所述的CIG，其特征在于，还包括用于所述MF CIG的支承布置，所述支承布置包括形成所述液态金属源的底部的基板， 其中，所述多个MF铜制指状件节段在多个外部周向位置和多个内部周向位置处固定地接 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径向位置处将所述多个HF铜 制指状件节段与所述多个铜制指状件节段分开的环状间隔件，其中，所述多个HF铜制指状 件节段在多个内部周向位置处固定地接合到所述基板的下侧，并且所述多个HF铜制指状 件节段通过所述间隔件和所述多个MF铜制指状件节段固定地接合到所述基板上。
8.根据权利要求2所述的CIG，其特征在于，所述多个HF铜制指状件节段包括两个基 本上半圆形的节段，且其中，所述多个MF铜制指状件节段包括两个基本上半圆形的节段。
9.一种用于被精炼的液态金属的成核铸造的系统，该系统包括包括冷炉底的电渣精炼(ESR)设备，所述ESR适于供应液态金属到浇注设备； 所述浇注设备，其包括至少一系列冷壁式感应引导件(CIG)，所述CIG包括围绕适于接 收和排放所述液态金属的中心槽的多个铜制指状件节段；适于通过所述铜制指状件节段将 感应功率供应给所述液态金属的感应线圈；其中，接触所述液态金属的所述铜制指状件节 段的内壁包括电绝缘涂层；和成核铸造设备，其适用于接收来自所述浇注设备的所排放的液态金属并铸造所述液态金属。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电绝缘涂层包括 用阴极电弧沉积工艺涂敷并且被抛光的钛金属的粘结层；以及通过溅射和化学气相沉积中的一种涂敷到所述粘结层上的由氧化铝和钽氧化物其中 之一构成的绝缘层。
全文摘要
本发明涉及一种冷壁式感应导管。使用在铜制CIG元件和液态金属之间带有电绝缘层的冷壁式感应导管(CIG)提供了一种具有改进的效率的、将无陶瓷合金输送到喷射系统的方法。通过新的炉硬焊制造技术促进的CIG设计选项解决感应线圈环境隔离问题，纠正热应变容差问题，有助于双频感应设计，允许改进的电耦合效率和热效率，导致改进的熔体流激发，并有助于从固化的熔体上无损地拆分。软磁材料的使用允许有改进的效率、在中频线圈和高频线圈之间具有有限的串扰的更紧凑的设计，以及受促进的对感应线圈的环境封闭。
文档编号B22D23/10GK102102151SQ20101058262
公开日2011年6月22日 申请日期2010年10月15日 优先权日2009年12月16日
发明者H·R·小哈特, R·S·米勒, W·T·卡特 申请人:通用电气公司