用于灌注熔融金属过滤器的装置和方法制造方法及图纸

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。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2013年4月25日、申请号为201380022066.4、专利技术名称为“用于灌注熔融金属过滤器的装置和方法”的专利技术专利申请的分案申请。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。
本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。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(－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。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。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硅来构造过滤器介质。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(I2R)损耗可导致介质自加热，从而确保预热和完全灌注。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。本专利技术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。本专利技术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。定义如本文中使用的，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。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。
技术实现思路
本专利技术的各个方面涉及：(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(1－60Hz)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。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。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。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竖直或水平的。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，不需要构造本专利技术的线圈用于低电阻，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/mm2相对于1－10A/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匝，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。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一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。

【技术特征摘要】
2012.04.27 US 61/639,1961.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·W·肯尼迪，S·阿赫塔尔，R·弗里奇，J·A·巴肯，R·E·奥内，
申请(专利权)人：挪威科技大学，
类型：发明
国别省市：挪威;NO