用于灌注熔融金属的装置和方法

用于灌注熔融金属的装置和方法
【专利摘要】描述了有效灌注非导电性过滤器用于从液体金属移除固体夹杂物的装置和方法。在一个实施方案中，陶瓷过滤器介质被低频感应线圈(1－60Hz)围绕，该感应线圈的轴线与净金属流的方向对准。放置线圈以增强过滤器元件上或过滤器元件的孔隙中凝结的任何金属的加热。在一个实施方案中，放置线圈以产生洛伦兹力，该洛伦兹力起到引起加热的金属冲击过滤器元件上表面的作用，从而增强灌注作用。一旦灌注了配备有这样的线圈的过滤器，其就可保持为热的或被再加热并在几个分批放液工序期间被再利用。
【专利说明】用于灌注熔融金属的装置和方法
[0001] 本申请要求2012年4月27日提交的美国临时申请No. 61/639, 196的优先权，通 过引用将其全部内容并入本文。

【技术领域】
[0002] 本发明涉及用于从液体金属移除固体夹杂物的过滤器灌注。本文公开的是用于灌 注熔融金属过滤器的装置和方法。

【背景技术】
[0003] 陶瓷过滤器和通常地多孔陶瓷过滤器（CFF)对于净化液体金属是目前可用的，例 如美国专利号3, 893, 917中公开的。最经常地这涉及从液体金属例如钢和铝移除固体夹杂 物。如果在凝固之前没有被移除，这些固体夹杂物可导致最终金属产品中的物理缺陷。
[0004] 为了最有效地使用过滤器介质，必须用液体金属完全填充过滤器的开口孔隙。用 液体金属完全填充过滤器改进了过滤器介质表面的润湿，从而促进固体夹杂物的收集。待 解决的问题是不完全的灌注导致过滤器的活性部分中局部较高的液体速度、较高的操作压 力降或较低的总体液体金属生产率连同对固体夹杂物较低的收集效率。
[0005] 通常的做法是将具有垫圈材料的多孔陶瓷过滤器放置在过滤设备或"杯"中，使得 金属高度在过滤器上方积累并且被重力迫入和通过过滤器介质。随后通过深度或滤床式过 滤机构移除夹杂物。这些陶瓷过滤器差的润湿特性和需要移除包含在孔隙内的空气经常导 致困难，特别是在过滤操作开始时。
[0006] 灌注在过滤中的重要性公开于多个专利和专利申请中，例如美国专利号 4, 872, 908,其中Enright，P. G.等人详细描述了灌注的定义和作用并且还给出了当使用 用于30PPI过滤器的LiMCA移除20微米颗粒（一 13. 4和54. 8%之间）时的具体效率数 据。过滤效率的大范围可部分归因于灌注对过滤器性能的影响。美国专利号4, 081，371， Yarwood，J. C.等人描述了从多孔陶瓷过滤器内移除气泡的需要和金属静力学头和过滤器 角度对灌注的作用。通常来说，较高的总体压力（来自金属静力学头或其它装置）改进灌 注效率。在美国专利申请09/867, 144中，Quackenbush, M.S.公开了一种过滤器介质，没有 施加机械力来支持空气泡释放，用于释放被捕获的空气泡以确保过滤器介质较容易和更完 全的灌注的目的。
[0007] 在美国专利号7, 666, 248中，Belly, L.等人公开了使用真空系统以产生约6kPa 或约25cm的铝液体头当量的额外压力梯度的方法，用于增加有效的灌注压力以确保对于 具有2. 5 - 7. 6cm的厚度和150 - 500微米的低平均孔隙或"窗口"尺寸的多孔陶瓷过滤 器（其通常为具有60或更多PPI的过滤器）的充分灌注的明确目的。这些过滤器另外需 要大量的金属静力学头（从槽底部到过滤器顶部的垂直距离）以确保充分的灌注。Belley 等人还公开了用于多孔陶瓷过滤器的灌注头的通常范围为约20 - 80cm。较高的值与较高 的孔隙密度和较小的窗口尺寸相关，并且对于在存在的铸造操作下实施经常是不实际的。
[0008] 通常预热过滤器以尝试改进金属到过滤器介质中的流动，和因此对于在过滤器上 方固定金属高度的灌注效率。在没有局部过热下在获得均匀加热方面经常遇到困难，而局 部过热可导致过滤器介质的热损坏。这使得难以确保整个过滤器区域对于通过液体金属将 是可用的。在美国专利号4, 834, 876中，Walker，N.G.请求保护一种方法，通过该方法使非 传导性陶瓷过滤器导电：通过用导电物质例如镍涂覆过滤器介质颗粒或通过使用导电性材 料例如碳化娃来构造过滤器介质。通过使电流通过介质或通过用感应线圈围绕过滤器以诱 发涡流，由于电阻（I 2R)损耗可导致介质自加热，从而确保预热和完全灌注。
[0009] 在Calogero, C.等人的美国专利4, 837, 385中提出了涉及使用低频感应线圈和多 孔陶瓷过滤器元件的方法。在该方法中，提出了多种不同的装置，由此可产生交叉的电流 和磁场，这会产生洛伦兹力。这些方法中的一些涉及使用电极和所谓的"注射电流"，该"注 射电流"是不需要的，因为电极是对正在被过滤的液体金属的污染的潜在来源。Calogero 等人公开的方法下的理论是洛伦兹力会优选作用于金属而不是夹杂物，从而引起夹杂物迁 移和夹杂物被过滤器介质的壁拦截。没有公开磁场对过滤器介质的灌注的影响。此外，由 Calogero描述的机制取决于在磁场和洛伦兹力场中不存在任何明显的涡流或旋涡。然而， 如美国专利4, 909, 836中公开的，当使用具有恒定螺距的正常感应线圈作为交叉电流和磁 场的来源时，旋涡通常存在于这些场中。本发明的一个方面使用感应线圈以避免液体金属 的直接接触和污染。使用标准的恒定螺距感应线圈。本发明人很好地意识到通过这样的感 应线圈产生的磁和洛伦兹力中的旋涡并且因此设计了最有利地利用旋涡的方法，以便将金 属压入过滤器介质中，从而用低的金属静力学头实现较好程度的灌注。
[0010] 定义
[0011] 如本文中使用的，术语"灌注"是指过滤器（例如多孔陶瓷过滤器）的开口孔隙结 构中包含的空气的置换和过滤器介质对液体金属润湿的改进，因而使最大的体积和内表面 积对于通过流和收集颗粒是可用的。
[0012] 如本文中使用的，术语"夹杂物"是指对于液体金属具有大于该金属的熔点的任何 污染物，并且因此在加工温度下为固体。


【发明内容】

[0013] 本发明的各个方面涉及：（1)灌注方法，不使用外部施加的真空或气体压力，通过 施加低频感应线圈（1 一 60HZ)以确保非导电性过滤器元件的完全灌注；(2)灌注方法，以 改进具有小"窗口"尺寸的多孔陶瓷过滤器（例如那些通常为50 - 80PPI商业多孔陶瓷 过滤器）的灌注和随后的操作，以便以较高的效率操作并且产生含有较少夹杂物的金属产 品；（3)灌注方法，其允许灌注比传统多孔陶瓷过滤器更厚的过滤器或传统过滤器的堆叠 体；和（4) 一种装置，其允许包括先前使用过的过滤器介质的过滤器介质保持为热的或被 再加热和随后再利用持续多于一个铸造循环。
[0014] 在一个实施方案中，用于灌注过滤器的装置包括配置成接收液体金属流的过滤器 元件；围绕过滤器元件并配置成产生磁场的感应线圈，该感应线圈的轴线与液体金属流的 引入方向基本上对准；配置成向过滤器元件外周提供安全围栏的垫圈；和容纳感应线圈并 分隔感应线圈与液体金属流的分隔体。
[0015] 在一个实施方案中，围绕并且非常接近陶瓷过滤器介质例如多孔陶瓷过滤器元件 或所述过滤器元件的堆叠体放置低频感应线圈。磁场的存在允许比约50mm的常规工业标 准更厚的过滤器的灌注。可允许的总厚度由感应线圈的安装长度确定。
[0016] 假如在灌注期间使通道对于气体离开是可用的，线圈和过滤器元件的取向可为坚 直或水平的。
[0017] 感应线圈的电导体可具有许多不同的形状。例如，扁圆形、管形、矩形或正方形。不 像传统的感应炉线圈，不需要构造本发明的线圈用于低电阻，因为它们不用做主要旨在有 效电熔化的设备的部分。因此，可有利地使用较高的电流密度（例如50A/mm 2相对于1 一 10A/mm2的通常值），导致成比例更小直径的导体，其可在给定的线圈高度下提供更多阻，并 且磁场强度相应地增加。还可有利地使用单层、双层或更多层的线圈以在过滤器介质的高 度内实现甚至更高的磁场强度。还可使用多于3层的感应线圈，但是额外的磁场强度的益 处减少。
[0018] 在一个实施方案中，过滤器介质基本上是水平的并且被感应线圈围绕。放置感应 线圈以在过滤器元件的上表面上方延伸，其将过滤器顶部置于高纵向磁通密度的区域内。 磁场的通量密度在线圈的全部高度内非常强，但是在线圈的最后一匝后快速消散。
[0019] 本发明的另一个方面特征在于浇注至过滤器上至少与线圈顶部一样高的金属。在 一个优选的实施方案中，金属大体上高于线圈顶部以防止明显的金属弯月面的形成，并且 减少金属在灌注期间氧化的可能性。线圈的磁场在位于过滤器介质上的金属中诱发涡流， 其与线圈的强磁场相互作用以产生强大的洛伦兹力。通过在线圈激励电流中使用低的交变 频率来增强可产生这些力的深度。具有大宽度的过滤器元件将需要使用较低频率以实现与 较小宽度过滤器类似的结果。
[0020] 线圈的加热效率随着频率而增加。在本发明的一个方面，线圈激励电流的频率优 选为1 一 60Hz，并且更优选50 - 60Hz。该频率范围提供了搅拌和加热的优化组合。如果 需要较高程度的加热以重熔在先前使用过的过滤器介质中凝结的金属，那么可任选使用较 高的频率。在一个优选的实施方案，选择圆形过滤器的半径或者矩形或正方形过滤器的宽 度，使得可利用50或60Hz的标准电行频（electrical line frequency)以提供优化的有 益效果。
[0021] 在不偏离本发明的目的下，线圈和过滤器装置的截面可为圆形、正方形或矩形。矩 形形状具有优点：可使总的过滤器区域最大化，同时使得必须让磁场穿透的宽度最小化。矩 形形状可消除使用低于行频（50或60Hz)的频率（其中昂贵的固态电源变成必要的）的需 要。
[0022] 洛伦兹力首先仅在金属中产生而不在非导电性过滤器介质中产生。因此，大的初 始旋涡存在于洛伦兹力场中，这引起金属的旋转和过滤器元件表面上的冲击。正是冲击金 属的动量迫使金属进入过滤器中。
[0023] 发明人发现，在过滤器介质内通过陶瓷基体的存在将电流流动抑制到令人惊讶的 程度。因此，与在过滤器上方或下方的金属中相比，更少的电流在过滤器内流动，因而降低 洛伦兹力的数值。过滤器中降低的有效导电性确保了洛伦兹力中大量的旋涡持续存在直到 并且通过完全过滤器灌注的点。结果是迫使金属进入并通过过滤器介质。较高孔隙密度的 过滤器，例如50和80PPI，具有增加的电阻，其增加洛伦兹力中的旋涡并且提供增加的驱动 力来灌注这些"较紧密"的过滤器元件。
[0024] 如果不预热过滤器介质，那么液体金属将首先在过滤器介质的表面上凝结。考虑 到在相同温度下固体金属具有比液体金属显著更高的电导率（对于铝约为两倍），固体将 优选传导电流，而与此同时受到快速流动的液体金属冲击。被迫使保持静止并且在感应器 的高度内，其将经历持续的加热直至其液化。在一个优选的实施方案中，通过常规手段预热 过滤器元件来降低热应力以便防止开裂。然而，预热不是对于灌注、甚至对于非常紧密的 80PPI过滤器元件的要求。
[0025] -旦过滤器介质基本上用金属填充，就可停止线圈的激励。此后，可使用常规的铸 造工序。在完成分批铸造工艺时，通常处置过滤器介质，因为其难以在连续金属流的不存在 下再利用。
[0026] 在本发明的另一个实施方案中，可再利用使用过的过滤器元件直至完全消耗其移 除夹杂物的能力。通过在用液体金属灌注之前施加感应加热期或通过使用连续的感应加热 在铸造之间保持过滤器填充有液体金属，可再利用使用过的过滤器元件。在一方面，有利地 使用高于60Hz的激励电流。该实施方案利用双频率电源，其可任选与专门设计用于熔化操 作的第二线圈组合。
[0027] 参考文献
[0028] 3,893,917 7/1975 Pror 等人......................................21 0/69
[0029] 4,081,371 3/1978 Yarwood 等人................................210/6 9
[0030] 4,834,876 5/1989 Walker.......................................... 210/185
[0031] 4,837,385 6/1989 Conti 等人....................................210 /695
[0032] 4,872,908 10/1989 Enright 等人..................................75/ 68
[0033] 7,666,248 2/2010 Belley 等人....................................75 /407
[0034] 09/867, 144 12/2002 Quackenbush.................................210/ 510. 1
[0035] 4, 909, 836 03/1990 EI-Kaddah.....................................75 /10.67

【专利附图】

【附图说明】
[0036] 本专利或申请文件包含至少一幅以彩色执行的图。在要求和支付必要的费用时由 事务所提供该具有（一幅或多幅）彩图的专利或专利申请公开的副本。
[0037] 图1是本发明的一个实施方案的示意图。
[0038] 图2是显示新的30PPI多孔陶瓷过滤器的相对开放的结构的扫描电子显微镜图 片。
[0039] 图3是显示与新的80PPI多孔陶瓷过滤器的金属流的法线方向垂直的相对封闭的 结构的扫描电子显微镜图片。
[0040] 图4描绘了根据本发明的一个实施方案灌注30PPI陶瓷过滤器的非限制性实施例 的照片。
[0041] 图5描绘了根据本发明的一个实施方案灌注30PPI陶瓷过滤器的非限制性实施例 的照片。
[0042] 图6描绘了在没有感应线圈存在下30PPI陶瓷过滤器的不完全灌注的照片。
[0043] 图7显示了对于实施例1的经数据记录的数据的图表。
[0044] 图8是显示对于实施例2的经数据记录的数据的图表。
[0045] 图9是显示对于实施例3的经数据记录的数据的图表。
[0046] 图10描绘了根据本发明的一个实施方案灌注50PPI CFF的非限制性实施例的照 片。
[0047] 图11描绘了在没有感应线圈存在下50PPI CFF的可忽略的灌注的照片。
[0048] 图12描绘了根据本发明的一个实施方案灌注80PPI CFF的非限制性实施例的照 片。
[0049] 图13描绘了在没有感应线圈存在下80PPI CFF的可忽略的灌注的照片。

【具体实施方式】
[0050] 出于增进本发明原则的理解的目的，现在将参考在图中说明的实施方案。然而将 理解本发明的某些实施方案的说明和描述意思不是本发明范围的限制。此外，将说明和/ 或描述的（一个或多个）实施方案的任何改变和/或修改视为在本发明的范围内。另外， 如本文中说明和/或描述的，将本发明原则的任何其它应用（如对于本发明涉及的领域的 技术人员通常会发生的）视为在本发明的范围内。
[0051] 图1显示了通常与多孔陶瓷过滤器一起使用的常规过滤"杯"1。根据本发明适当 地修改图1以包括感应线圈2。在图1中显示了两层感应线圈2。还可使用单层、双层或更 多层线圈而不改变本发明的目的。
[0052] 显示将标准多孔陶瓷过滤器元件3安装在感应线圈2内。或者，可将两个或更多 个过滤器元件堆叠而不偏离本发明的目的，条件是线圈2在过滤器3顶部的上表面上方延 伸一个线圈匝或至少5%和优选10%的线圈半径，如由图1中虚线13所示。
[0053] 优选尽可能地接近过滤器3的边缘放置感应线圈2以实现最有利的磁场结果。必 须允许合适的空间用于垫圈材料4以防止过滤器3附近的液体金属的泄露并且用于绝热以 及耐火材料5。充分的绝热和耐火材料必须存在以避免杯6的上部或杯7的排放部分中的 热金属与线圈2或与线圈引线8接触。本领域技术人员理解必须将合适的冷却介质（有机 物或水）与线圈引线8和线圈2组合使用以防止对电导体的电或热的过热和损坏。必须防 止导体8之间和线圈2的各层之间的接触以防止激励电流的电短路。
[0054] 为了充当过滤设备，该杯必须配备有合适的液体金属进给机构9和排放装置10。 必须将该杯的侧部11和底部12设计具有充足的耐火材料以保持待过滤的金属的热平衡。 可通过常规手段预热过滤器3以防止在使用之前的过度热冲击。
[0055] 在本发明的一个优选实施方案中，在感应线圈上外加足够数值的电流以跨过未灌 注的过滤器的宽度产生〇. 05 - 0. 25T的平均磁通密度。线圈激励电流的频率优选为1 一 60Hz。线圈激励电流的频率优选在这样的范围内：其中杯6的上部中的液体金属中的电 磁穿透深度（S )与过滤器3的平均半径或宽度之间的比例优选为0. 5 - 3. O和更优选为 〇. 7 - 1. 4,以便同时实现足够高的磁穿透和避免过度加热。
[0056] 在一个优选的实施方案中，通过进口 9向杯6的上部添加液体金属，伴随向线圈2 施加电流。或者，首先添加液体金属，然后向线圈2施加电流。在一个优选的实施方案中， 液体金属填充杯6的上部至超过线圈2的最后一匝足够的高度，使得防止形成电磁弯月面。 该实施方案还避免了金属在灌注期间的过度氧化。
[0057] 可在过滤器的上表面上方用最少的液体金属完成电磁灌注。优选地，约5-lOcm的 液体金属高度在线圈2的顶部匝上方。或者，优选约I. 1至3. 6的金属静力学压力以实现 30-80PPI的CFF过滤器的充分灌注，同时避免过量的弯月面形成，并且在线圈与过滤器之 间的空间中使用0. 1-0. 2T的平均磁通密度。
[0058] 在本发明的一个方面，电流持续约30秒至约10分钟、甚至优选约3-6分钟的时间 段。一旦实现了充分的灌注，就可停止线圈2的激励电流。
[0059] -旦使用了过滤器元件3，就可通过首先使用感应线圈2来重熔过滤器3的孔隙中 凝结的金属。本领域技术人员理解较高的频率对于熔化是有利的。可施加>60Hz的频率。 因此双频率电源可有益地与本方法一起使用。技术人员可指定频率、电流和时间以在恰当 量的时间中实现所需的熔化，而没有对过滤器元件的明显过热和可能的损坏，同时实现高 的电效率。可任选地设计第二线圈并将其与线圈2同轴安装以实现甚至更加能量有效的熔 化。
[0060] 可参考具体的实施例更好地理解本发明。这些实施例是说明性的并且不旨在限制 本发明的适用性。使用如表1所示的几种不同的线圈进行这些实施例。使用如在各个实施 例中所示的施加电流在50Hz下操作这些线圈。
[0061] 表 1
[0062]

【权利要求】
1. 一种灌注非导电性陶瓷过滤器用于从液体金属移除固体夹杂物的方法，其中所述过 滤器包含在过滤杯中，并且被感应线圈围绕，该感应线圈的轴线与所需的净金属流的方向 基本上对准，所述方法包括： a) 向感应线圈施加交变激励电流； b) 添加充足的液体金属以覆盖过滤器元件的上游侧； c) 使通过线圈在液体金属中诱发的电流和线圈的磁场产生洛伦兹力，该洛伦兹力推进 和搅拌液体金属，使得液体金属被压入陶瓷中，因此灌注过滤器；和 d) -旦获得了预定程度的灌注，就停止激励电流。
2. 根据权利要求1的方法，其中线圈的设计和施加的电流的数值在线圈与陶瓷过滤器 之间的空间中产生至少0. 05T的平均磁场强度。
3. 根据权利要求1的方法，其中在线圈与陶瓷过滤器之间的空间中平均场强度为 0. 05 - 0. 25T。
4. 根据权利要求1的方法，其中在线圈与陶瓷过滤器之间的空间中平均场强度为 0? 1 - 0? 2T。
5. 根据权利要求1的方法，其中液体金属为铝合金。
6. 根据权利要求1的方法，其中首先向过滤杯添加液体金属然后向感应线圈施加电 流。
7. 根据权利要求1的方法，其中非导电性陶瓷过滤器是具有30 - 80PPI和25 - 75mm 厚度的多孔陶瓷过滤器。
8. 根据权利要求1的方法，其中将2个或更多个多孔陶瓷过滤器组合成50 - 150_的 总厚度。
9. 根据权利要求1的方法，其中线圈延伸超过过滤器顶部的上表面至少一匝和5 - 10%的线圈半径，但小于线圈总长度的一半。
10. 根据权利要求1或5的方法，其中金属延伸超过线圈顶部5 - 15cm。
11. 根据权利要求1的方法，其中向感应线圈施加的频率为1 一 60Hz。
12. 根据权利要求11的方法，其中选择感应线圈的频率以给出0. 5 - 3. 0和优选0. 7 - 1. 4的电磁穿透深度的比例。
13. 根据权利要求11和12的方法，其中通过调节过滤器元件的宽度或直径能够使用局 部电行频以实现优选的比例。
14. 再利用先前使用过的陶瓷过滤器元件的方法，其包括以大于50Hz的频率向权利要 求1中的感应线圈施加交变电流，其中存在充足的电流来感应熔化过滤器的孔隙中包含的 固体铝。
15. 根据权利要求14的方法，其中将专门设计用于高效熔化的第二线圈与混合线圈同 轴安装。
16. -种用于灌注过滤器的装置，其包括： 配置成接收液体金属流的过滤器元件； 围绕过滤器元件并且配置成产生磁场的感应线圈，该感应线圈的轴线与液体金属流的 引入方向基本上对准； 配置成向过滤器元件外周提供安全围栏的垫圈；和 容纳感应线圈并分隔感应线圈与液体金属流的分隔体。
17. 根据权利要求16的装置，其中感应线圈在过滤器元件面对液体金属流的上表面之 上沿着过滤器元件的轴延伸。
18. 根据权利要求16的装置，其中感应线圈是单层线圈或多层线圈。
19. 根据权利要求16的装置，还包括配置成引导液体金属进料到过滤器元件的液体金 属进给机构；和排放设备。
20. 根据权利要求16的装置，还包括配置成在引入液体金属流之前预热过滤器元件的 预热设备。
【文档编号】C22B9/02GK104334758SQ201380022066
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年4月25日 优先权日:2012年4月27日
【发明者】M·W·肯尼迪, S·阿赫塔尔, R·弗里奇, J·A·巴肯, R·E·奥内 申请人:挪威科技大学