浮熔装置

1.一种浮熔装置，包括：
感应线圈；
电源，用于对所说感应线圈励磁；和圆柱形坩埚， 放置在所说感应线圈内部，由导体材料构成，并具有一 底部，该坩埚用于存放加入的材料，以使其悬浮和熔 化，此坩埚由其圆周方向上的多个狭缝分别分开的多 个扇形段构成，每个扇形段都有一个圆柱部分和一个 底部以及在底部处的导端部，该多个导端部在所说坩 埚中心部分限定了一个轴向孔，其特征在于：
所说扇形段底部处形成的所说各狭缝均宽于所说 扇形段圆柱部分处形成的各狭缝；或
所说扇形段底部处形成的所说狭缝的数目多于所 说扇形段圆柱部分处形成的所说狭缝的数目。
2.如权利要求1所说的浮熔装置，其特征在于，所 说电源为频率可以变化的电源。
3.如权利要求1所说的浮熔装置，其特征在于：
所说感应线圈包括多个感应线圈；
所说电源包括多个电源；且
所说各电源分别对所说各感应线圈励磁。
4.如权利要求3所说的浮熔装置，其特征在于，还 包括一个磁屏蔽板，插放在所说多个感应线圈之间。
5.如权利要求3或4所说的浮熔装置，其特征在 于，所说多个感应线圈中下面的感应线圈以较低频率 或较大电流进行励磁。
6.如权利要求1所说的浮熔装置，其特征在于，所 说狭缝用于使惰性气体从所说坩埚底部向上流入所说 坩埚。
7如权利要求1所说的浮熔装置，其特征在于，还 包括旋转磁场发生装置，设置在所说坩埚的外周边上， 用于搅拌所说材料。

本发明涉及一种浮熔装置。在该装置中，一种待 加热材料，诸如金属或类似材料，可以插放到一坩埚 中，并被浮起，在悬浮状态下被加热熔化。在此，所说 的坩埚由一组扇形段构成，这组扇形段的每一个都由 导体材料制造并被设置在一感应线圈内。\n由于由上述类型的浮熔装置所熔化的金属可以不 受坩埚所含杂质的影响，因而它可以提供一种高纯度 的熔化金属。这样，只要将这种高纯度的熔化金属浇 铸到一个铸模中就可制造出高质量的产品。这种浮熔 装置例如可以用于熔化钛、硅或类似材料。\n图13是一种常规坩埚的俯视图。图14是图13 所示坩埚的局部剖视袖视图，其中，该坩埚上设置有感 应线圈。如图13和14所示，按照一种常规的浮熔装 置，有一组扇形段2沿圆形感应线圈1的周边方向设 置在圆形感应线圈1中，构成坩埚3。每个扇形段都 由一种经过电绝缘处理的导体材料(如铜或类似材料) 制成。坩埚3的内部被挖空，形成带有一底部的圆柱 形坩埚，从而，待加热材料(如金属或类似材料)可以插 放在圆柱形坩埚中。此外，坩埚3的底部中央部分开 有一圆柱形小孔4。磁力线通过孔4和在毗邻扇形段 2之间的狭缝5可以进入坩埚3并接触到待加热材 料。扇形段2由水或类似物冷却，使其不被加热。\n在感应线圈1中流动的电流在每个经过电绝缘处 理的扇形段2中感应出一涡流电流，同时它也在待加 热材料中感应出一涡流电流。这种情况不仅发生于待 加热材料是非磁性金属的场合，而且也发生于待加热 材料是磁性金属的场合，这是因为磁性金属加热升温 到等于或大于居里温度点时磁性金属将转弯为非磁性 金属。因此，在坩埚3和待加热材料中分别流动的涡 流电流的方向在坩埚3和待加热材料的相对表面部分 上彼此相反，从而在坩埚3和待加热材料之间产生一 对磁反作用力。由于坩埚3是固定的，因此如果作用 于待加热材料的磁反作用力(即上浮力)大于待加热材 料的重量，那么待加热材料将从坩埚上浮起。并且，在 待加热材料6中流动的涡流中流由于电阻损耗而产生 热使待加热材料被连续地加热，从而使其在悬浮的状 态下熔化。然而，在使用按照上述特征构成或常规浮 熔装置时，一直不能以充分高的能量利用率和稳定方 式将已熔公的金属悬浮起来。\n本发明的一个目的是提供这样一种浮熔装置，即 该装置可以以较高的能量利用率和较稳定的方式使已 熔化的金属悬浮，从而可使已熔化的金属得到均匀的 搅拌。\n为了达到上述目的，按照本发明的一个方面，所提 供的浮熔装置包括一带有一底部的圆柱形坩埚，该坩 埚放置在一感应线圈内，由导体材料构成，在该浮熔装 置中，坩埚由一组沿坩埚周边方向被一组狭缝分开的 扇形段构成，这组扇形段的底部导端部在坩埚的中心 部分共同限定了一个与其同轴的孔，该浮熔装置的特 征在于，在扇形段底部上形成的每个狭缝都分别宽于 在其圆柱部分上形成的每个狭缝，或者是在扇形段底 部上形成的狭缝在数目上多于在其圆柱部分上形成的 狭缝。\n按照本发明的另一方面，所提供的浮熔装置包括 一带有一底部的圆柱形坩埚，该坩埚放置在一感应线 圈内，由导体材料构成，在该浮熔装置中。坩埚由一组 沿坩埚周边方向被一组狭缝分开的扇形段构成，这组 扇形段的底部异端部在坩埚的中央部分共同限定了一 个与其同轴的孔，该浮熔装置的特征在于，所说感应线 圈由一有可变频率的电源励磁。\n按照本发明的又一方面，所提供的浮熔装置包括 一带有一底部的圆柱形坩埚，该坩埚放置在一感应线 圈内，由导体材料构成，在该浮熔装置中，坩埚由一组 沿坩埚周边方向被一组狭缝分开的扇形段构成，这组 扇形段的底部导端部在坩埚的中央部分共同限定了一 个与其同轴的孔，该浮熔装置的特征在于，所说的感应 线圈被分成一组分感应线圈，每个分感应线圈由与其 对应的独立电源励磁。此时，在分感应线圈之间放置 有一磁屏蔽板，或者这组分感应线圈以这样的方式励 磁，即，在这组分感应圈中位于下部的分感应线圈以较 低的频率或较大的电流励磁。\n按照本发明的再一方面，所提供的浮熔装置包括 一带有底部的圆柱形坩埚，该坩埚放置在一感应线圈 内，由导体材料构成，在该浮熔装置中，坩埚由一组沿 坩埚周边方向被一组狭缝分开的扇形段构成，这组扇 形段的底部导端部在坩埚的底部中央部分共同限定了 一个与其同轴的孔，该浮熔装置的特征在于，一种惰性 气体通过所说狭缝被输入到坩埚中，并从坩埚的底部 向上流动。\n按照本发明的再另一方面，所提供的浮熔装置包 括一带有一底部的圆柱形坩埚，该坩埚放置在一感应 线圈内，由导体材料构成，在该浮熔装置中，坩埚由一 组沿坩埚周边方向被一组狭缝分开的扇形段构成，这 组扇形段的底部导端部在坩埚的底即中央部分共同限 定了一个与其同轴的孔，该浮熔装置的特征在于，在坩 埚的外周边上设有旋转磁场发生装置。\n在按照本发明的浮熔装置中，如果在坩埚底部的 狭缝的宽度增加，那么漏入到坩埚中的磁通量增加，从 而使上浮力增加。然而，这增加了熔化金属在狭缝附 近受到上浮力作用的部分与其几乎不受到上浮力作用 部分在所受上浮力方面的差异，从而使稳定性减少。 如果狭缝的数目增加，那么漏磁通增加，由此使上浮力 增加，同时也使熔化了的金属在多点处受到支承，从而 也增加了稳定性。\n此外，按照本发明的浮熔装置，所说感应线圈可以 由一个频率可变的电源励磁。这是因为，在金属被熔 化之前，使用较低频率以在稳定性较低的情况下产生 一较大的上浮力，从而促进金属的加热和熔化；一旦金 属熔化，如果电源从较低频率换到较高频率以得到一 较高的稳定性，那么即使上浮力较小，金属也能熔化。 此时，具有可变频率的电源包括一组彼此具有不同频 率的电源。\n另外，在本发明的浮熔装置中，如果一下感应线圈 以较低频率或较大电流励磁，那么该下感应线圈可以 使金属的上浮力和加热速度增加，同时熔化了的金属 可以由一上感应线圈稳定。在这种情况下，在上、下感 应线圈之间可以插入一磁屏蔽板，作为一磁屏蔽。\n另外，在本发明的一浮熔装置中，如果通过所说狭 缝均匀地吹入一种惰性气体，那么可以防止熔化了的 金属与空气中的各种气体成份发生化学反应。此外， 设置一旋转磁场发生装置可以使熔化了的金属得到均 匀地搅拌，从而使熔化了的金属的组份能够分布均匀。\n图1是一坩埚的俯视图，该坩埚使用在按照本发 明第一实施例的浮熔装置中。\n图2是一轴测图，表示了使用在图1所示坩埚中 的一个扇形段。\n图3是一坩埚的俯视图，该坩埚使用在按照本发 明另一实施例的浮熔装置中。\n图4是一轴测图，表示了使用在图3所示坩埚中 的一扇形段。\n图5是一按照本发明又一实施例的浮熔装置的剖 视图。\n图6(a)至(d)是本发明的特性曲线图。表示了本 发明浮熔装置的设计参数对已熔化的金属的上浮力F 和稳定性S的影响。\n图7是一上浮力F测量装置的示意性主视图。\n图8是三个情况的半剖视图，分别表示用于图7 所示测量装置的坩埚和感应线圈之间的位置关系。\n图9是当使用狭缝N作为参数时、在图8的情况 1的条件下上浮力F的特性图。\n图10是当使用独缝N作为参数时、在图8的情况 2的条件下上浮力F的特性图。\n图11是当使用狭维N作为参数时、在图8的情况 3的条件下上浮力F的特性图。\n图12是当狭缝数图N＝6时、在图8的情况3的 条件下，利用狭缝宽度S作为参数时上浮力F的特性 图。\n图13是一常规坩埚的俯视图。\n图14是一局部剖视轴测图，表示一安装有感应线 圈的常规坩埚。\n下面将参照附图描述本发明的最佳实施例。\n图1是一坩埚的俯视图，该坩埚构成使用在按照 本发明第一实施例的浮熔装置中；图2是一轴测图，表 示了构成图1所示坩埚的一个扇形段。图3是一坩埚 的俯视图，该坩埚使用在按照本发明第二实施例的浮 熔装置中；图4是一轴测图，表示了构成图3所示坩埚 的一个扇形段。\n在图1和2中，若干扇形段12设置在一圆形感应 线圈1内沿着感应线圈1的周边方向布置，构成一坩 埚3。每个扇形段都是由一种经电绝缘处理过的导电 材料(如铜或类似物)构成。坩埚3的内部为中空圆柱 形，该中空圆柱形具有一这样的底部；即：一待加热材 料(如金属)可以插入到该底部。此外，在坩埚3底部 的中心部分还具有一小圆柱形孔4，磁力线可以通过 孔4和在相邻扇形段之间的狭缝进入坩埚3，与待加 热材料连结起来。扇形段由水和类似物冷却，以防止 具被加热。\n在图1和2中，在彼此相到毗连形成狭缝15的扇 形段中，每个扇形段的底面12a都窄于这样一种底面 12x，即，该底面12X由一从扇形段圆柱部分平行延伸 至其底部所确定的底面构成。因此，扇形块12底部相 互间形成的狭缝15宽于扇形块12圆柱部分之间形成 的狭缝15。此外，在图3和4所示的坩埚中，在每个扇 形段22的底部具有一狭缝25a，这样，坩埚底部上所具 有的狭缝数量多于其圆柱部份所具有的狭缝数量。\n图6是本发明的特性曲线图，其中省略了具体数 值，概念性地表示了浮熔装置的设计参数对一熔化金 属的上浮力F和稳定性S所产生的影响.图7是一示 意性主视图，表示了一个用于测量上浮力F的测量装 置。图8是三种情况下的三个半剖视图，分别表示了 图7中所用线圈和坩埚的位置关系。图9是当使用狭 缝数量N作为参数时，在图8的情况1的条件下上浮 力F的特性图，图10是当使用狭缝数量N作为参数 时在图8的情况2的条件下上浮力F的特性图，图11 是当使用狭缝数量N作为参数时在图8的情况3的条 件下上浮力F的特性图。图12是当狭缝数目N＝6 时，在图8的情况1、2、3的条件下，利用狭缝宽度S作 为参数，上浮力F的特性图。图9至12所示出的数值 都是实际测到的数值。图9至12所示的上浮力F经 整理后由图6示出。图6所示的稳定性是这样确定 的，即，当一种金属处于熔化悬浮状态时，用肉眼对其 水平和垂直的运动、对其表面的不规则流动变形以及 对其与坩埚局部接触并被冷却和固化的方式进行观 察、判断和测定，据比确定其稳定性。\n为了测定上浮力F，在图7所示的测量装置中，一 个Φ52的铜球放置在坩埚3中，并利用数字天平对上 浮力进行测量。如图8所示，线圈和坩埚之间的位置 关系有三种情况，即有h＝15、-30和0。\n进一步就本发明第一和第二实施例而论，如图6 (a)至6(c)所示，如果增加在扇形段底部所形成的狭缝 的宽度，那么漏入坩埚的磁通量便会增加，由此使上浮 力F增加。然而，沿扇形段的周边方向，这也增加了熔 化金属靠近狭缝并受到上浮力作用的部分与其几乎不 受上浮力作用的部分在所受上浮力作用方面的差异。 如果狭缝的数目N增加，那么漏磁通量增加，进而使 上浮力F增加，同时已熔化的金属也可以在多个支点 处受到支承，从而使稳定性S也可以得到增加。因此， 在设计时最好能够增加狭缝N的数目。\n在这种情况下，如图6(d)所示，如导频率较低，那 么漏磁通量增加，这从加热和增加上浮力的角度看是 理想的，但从增加稳定性S的角度出发，最好是选择高 的频率。由于这个原因，为了使已熔化的金属在其静 态压力下平衡在坩埚底部上形成的狭缝要宽一些，以 便熔化的金属能够在各种位置都受到一个均匀稳定的 作用力作用，这样，金属可以以一种稳定的方式被熔 化。通过使坩埚的狭缝数目、励磁电流以及在一下面 将要描述的分段线圈中的频率等最佳化，也可以获得 一种类似的效果。由于上浮力F的变化趋势已在国6 (a)至6(d)中被清楚地示出，因此，没有必要在图9至 12中进一步地示出。然而，在示出情况3的图11中， 有一种相反的变化趋势，即，当狭缝N的数目增加时， 上浮力F则减少。这是因为的熔化的金属中，由从狭 缝进入的磁通量产生的涡流电流与感应电流之间存在 一种反作用，这种反作用不能产生一种上浮力，而只能 产生一种将熔化的金属从上面向下压的作用力。这样 的反作用是由于线圄的位置而产生的。\n图5是按照本发明的第三实施例的浮熔装置的剖 视图。\n在图5所示的实施例中，一个感应线圈放置在由 扇形段2构成的坩埚的外周边上。该线圈被分成两个 感应线圈31a、31b，这两个感应线圈由独立的、具有不 同频率的电源分别励磁，并且，一个磁屏蔽极33插放 在感应线圈31a和31b之间。参照图(d)，如果坩埚首 先以较低的频率工作，以在金属熔化之前加快其加热 速度，待金属熔化以后再以较高的频率工作，以提高稳 定性，那么这样可以以较高的效率对金属进行熔化。 如果对下感应线圈31b以较低的频率或较大的电流进 行励磁.那么坩埚下都有助于金属的悬浮和加热，而坩 埚上部则可以稳定已熔化的金属。在这样的设计中， 磁屏蔽板33在感应线圈31a和31b之间起作磁屏蔽 的作用。\n虽然图中未示，但如果使惰性气体(如氮气或类似 物)通过上述狭缝从坩埚3的底部向上流入坩埚3中， 那么该惰性气体可以被均匀地吹入坩埚3中，这样可 以有助于脱去包含在金属中的气体，诸如氢气、氧气、 氮气和类似物.同时也防止了已熔化的金属与上述这 些气体发生化学反应。由于熔化了的金属将有一部分 变成蒸汽，弥散到该金属周围的空气中，产生对绝缘有 害的悬浮电极，因此，线圈和类似物可以用一由陶瓷或 类似材料制造的绝缘罩罩盖上，以防止金属蒸汽与线 圈或类似物接触。此时，惰性气体可以从绝缘罩的下 都喂入。另外，如果在上述感应线圈的外周边部分设 置上由交变电源励磁的线圈，诸如那种用于异步电机 或同步电机定子中的公知交变线圈，或者设置上由诸 如可以旋转的永久磁体或类似物构成的旋转磁场发生 装置，那么，熔化了的金属可以得到充分搅拌，从而使 熔化金属的组份均匀化。\n如上所述，按照本发明制造的浮熔装置具有与现 有技术通用的基本部分，该部分由这样一种结构构成， 即，在这种结构中，一个由导电材料制造的圆柱形坩埚 具有一底部并被放置在一个感应线圈中，该坩埚由若 干沿坩埚周边方向由若干狭缝分别分开的扇形段构 成，这些扇形段的底部导端在坩埚的中心部分共同限 定了一个与坩埚同轴线的孔。琏有这样的基本部分的 本发明的浮熔装置具有下述特征。\n即，按照本发明的一个方面，在坩埚底部上形成的 每个上述狭缝宽于在坩埚圆柱形部分上形成的每个狭 缝，或者，在坩埚底部上的狭缝数目多于在坩埚圆柱形 部分上形成的狭缝数目。这是因为，如果狭缝的宽度 增加，上浮力F增加而稳定性S下降；如果狭缝的数目 增加，则上浮力F和稳定性S都增加。\n按照本发明的另一方面，上述的感应线圈由一个 频率可变的电源励磁。这是因为当坩埚中的金属熔化 之前，使用较低的频率有助于金属的加热和熔化，而当 金属熔化后，使用较高的频率可以使熔化了的金属具 有较高的稳定性S。\n按照本发明的又一方面，上述的感应线圈被分成 两段分感应线圈，每个分感应线圈都由一对应的电源 励磁，这是因为，如果下感应线圈以较低的频率或较大 的电源励磁，那么坩埚的下部可以加快金属的加热及 悬浮过程，同时坩埚的上部则可稳定已熔化的金属。 在这种情况下，可以采用一磁屏蔽板，用于在两段分感 应线圈之间起磁屏蔽作用。\n按照本发明的再一方面，使一种惰性气体通过上 述的狭缝进入坩埚，并从坩埚的下部向上流动。这是 因为，该惰性气体通过狭缝可以被均匀地吹入，由此防 止熔化了的金属与空气中的各种气体组分发生化学反 应。\n按照本发明的又另一方面，本发明的浮熔装置设 置有旋转磁场发生装置，以便熔化了的金属可以得到 充分地搅拌，从而使熔化金属的组分能够分布均匀