[发明专利]浮熔设备及其操作方法

说明书

本发明涉及浮熔设备，其中将待熔化的导电材料置于交变磁场中通过在材料中产生电磁感应使其经受感应加热，而且磁场以预定的方式分布以便将电磁力产生的浮力作用于待熔化材料上从而使待熔化材料在悬浮状态下熔化，由此获得高纯度材料。本发明还涉及操作浮熔设备的方法。

浮熔设备是这样一种设备，即将待熔化材料置于以预定分布形式产生的交变磁场中，因电磁力而形成的感应加热和浮力同时作用于材料上，以便使材料在避免与熔炉等其它物体接触的浮起状态下熔化，从而获得预定质量和尺寸的产品。该设备具有诸如以下的特点，即，在熔化过程中材料不与其它物体相接触，因此材料几乎不会受到杂质的污染，可熔化高熔点材料且热传导的损失很小。由于具有这些特性，所以在熔化例如钛或硅这样的高熔点和要求高纯度的材料的过程中使用这种设备。

图8为处于操作状态下的整个浮熔设备的纵剖面透视图，图9为在开始工作的状态下图8中主要部分的纵向剖面透视图。这些附图展示在美国专利申请号08/067，149中。在这些图中，浮熔设备包括：由上熔炉11和下熔炉12构成的熔炉1;缠绕在熔炉1外表面上的感应线圈2;通过熔炉1的上部开口连续填充用作待熔化导电材料5的屑片53的连续加料装置3;控制连续加料装置的控制装置31;用于控制装置获得控制信息的熔融金属温度计32;竖向移动下熔炉12的第一驱动装置4;控制第一驱动装置的第一控制装置41;和用于第一控制装置获得控制信息的熔融金属液面指示器42。驱动装置4和控制装置41是用术语“第一”作为标志的，因为在本发明中还使用了另一个驱动装置和控制装置，而这些装置需要彼此加以区分。

感应线圈2由感应线圈21和22组成，线圈21和22分别接在用于激励各自线圈的交流电源23和24上。连续加料装置3带有感应线圈33，该线圈由交流电源34激励以便预热屑片53。在需要在两个线圈之间进行功能分配的情况下，即在将感应加热的任务主要分配给上感应线圈21而将产生浮力的任务分配给下感应线圈22的情况下，采用由不同的交流电源23和24分别激励分成两个线圈的感应线圈2的结构，以便有效地执行这些功能。在这种情况下，通常用低于激励感应线圈21所需频率的频率来激励感应线圈22。然而，在本发明中不需要对两个感应线圈21和22加以区分。因此，在以下的说明中将这些线圈合并为线圈2进行介绍。

如图中所示，上下熔炉11和12是以这样的方式构成的，即将具有预定形状的多个扇形体111和121进行排列并在它们之间安插绝缘材料，例如云母。由上下熔炉组合而成的熔炉1实际上形成一个带底的圆筒形。每个扇形体111和121均由铜制成而且其上设有冷却孔以便由冷却水进行冷却。

图8表示接近熔化过程最后阶段的状态，图9表示最初的状态，其中少量的待熔化材料5浮在熔融金属上。换句话说，图8表示这样一种状态，其中被熔化的材料5通过下面将要详细说明的过程而逐渐增加其长度。下面将说明待熔化材料5的实际熔化过程和获得预定产品的过程。

（1）如图9所示，最初，填充少量待熔化材料5并激励感应线圈2。这样在感应线圈2环绕的空间内便产生了交变磁场，通过电磁感应感应产生的涡流在扇形体111和121以及待熔化材料5中流动。磁力线沿着熔炉1的内表面分布。由于下部熔炉12的扇形体121的形状，下部熔炉12内侧的底部空间如图所示呈狭窄状，因此，待熔化材料5所在的底部附近磁力线分布具有向上扩展的形状。当这样的涡流流动时，待熔化材料5被加热。另一方面，涡流和上述磁力线分布之间的相互作用产生电磁力，该电磁力在与重力相反的方向上即在向上的方向上作用于待熔化的材料5。在此省略了有关力的产生的详细说明。如图中所示，将下熔炉12底部的形状设计成能获得适合于产生浮力的磁力线分布。

（2）在激励感应线圈2的同时电磁力就开始作用于待熔化材料5上，而且待熔化材料5在很短的时间滞后之后开始浮动并停在电磁力与重力平衡的位置上。待熔化材料5具有很高的熔点并需要很长的熔化周期。因此，当待熔化材料的温度达到熔点时，待熔化材料5已经进入浮起状态。接着，待熔化材料5不再与其它物体接触，由此可避免受杂质的污染。