CN114303035A - 包括附加谐振电路的感应炉 - Google Patents

Abstract

一种坩埚，包括至少两个电感应加热电路，两个电感应加热电路中的一个位于侧壁周围，而另一个位于坩埚的底板下方或之中。电路(18)中的一个包括连接至电感器(3)的电发生器(15)，而另一个电路(19)不具有电发生器，但与电路(18)电磁耦合并由辅助电感器(7)和具有可调总电容的电容器(17)组成。耦合条件、穿过两个电感器(3、7)的相应电力和加热分布可被修改，以均匀化加热或将加热集中在坩埚的底板。可预期具有良好的热效率。

Description

包括附加谐振电路的感应炉

本发明涉及一种包括附加谐振电路的感应炉。

本发明涉及具有电磁感应加热的冷坩埚炉，该冷坩埚炉用于熔融特别是例如至少一种导电材料，比如氧化物或氧化物混合物，或具有高达大约30重量％的金属比例的此类混合物，这些混合物代表熔融的熔化物。本发明还特别适用于玻璃工业中使用的炉，用于生产在高温——例如1200K至大于3000K下生产的搪瓷或其他高纯度材料。根据坩埚的大小，感应频率通常介于100kHz至1000kHz之间。

本发明必须改进冷坩埚炉，特别是通过使装料温度更好地均匀化，从而减少坩埚底部硬皮的厚度，而不涉及液池或熔融材料的大量过热或产生感应电流，这些是有害的并可能干扰构成一个或多个电感器的电路的部件，具体是例如电流发生器。获得的优势与更好的效率和更好的热均匀性相关联；它们使得可以简化安装，通过对流改善液池的混合，并促进液体受重力作用通过底板倾倒。

众所周知感应炉在铸造或冶金领域或用于材料生产或形成均质混合物的核工业领域。这种感应炉包括容纳装料的坩埚和至少一个电感器，电感器的激励在装料中产生电流，从而促使装料的加热和熔融。这种加热过程实施起来很简单，并可以避免热能源与坩埚之间的任何接触。

坩埚通常包括接合至底板的侧壁，底板可以是平坦的并构成底部。如果坩埚具有导电材料，则导电材料通常形成扇区，即，由在角扇区上延伸的部分组成，这些部分由电绝缘隔板分离，以避免在其中出现感应电流在装料周围形成涡流以及对应的能量损失。

一些坩埚由耐火材料制成，比如捣打料或石墨。它们的优点是熔融温度高，但某些装料，特别是由氧化物组成的装料，必须在更高的温度或至少足以物理或化学腐蚀它们的温度下熔融。

此外，本发明采用的非常普遍的设计是冷坩埚的设计，该冷坩埚配备有通过水或另一种液体冷却并在坩埚内延伸的冷却回路。因此，在工艺的操作期间，坩埚比装料的中心温度要低得多，并且材料凝固层可以保护坩埚免受腐蚀或其他物理或化学侵蚀，免受其容纳的装料的影响，该材料凝固层可被认为是构成坩埚的内壁并且这种坩埚被称为凝壳坩埚。这些冷坩埚能够在1500K以上或甚至3000K以上的高温熔融高反应性材料，这些材料可以是金属，诸如钛、钢或各种由氧化物组成的合金(诸如玻璃、氧化钛、稀土金属或混合物)；或者例如低导电率的材料，比如硅或搪瓷。

然而，可观察到坩埚中加热均匀性的缺陷。装料的最热部分倾向于通过对流上升到自由表面。然而，负责加热的感应电流往往集中在导电率最高的部分，尤其对应于氧化物装料的热部分。这种对流可能通过不均匀的加热和通过减少底板(如果底板是金属的)附近的电磁感应而加强，其结果是装料在坩埚底部更难加热，此处的温度保持较低，并且凝固层通常在底板顶部更厚(与坩埚侧壁的几毫米相比，有时有几十毫米)。这使得熔融更难实现，同时伴随冷却结构的高电损耗，这本身是有害的，并且并会影响工艺的质量。当通过打开底板中心处的塞子而不是通过倒置坩埚来从坩埚底部排出熔融的装料时，仍然会遇到更大的障碍，因为倒置坩埚操作起来很精细并经常被禁止。事实上，当塞子被去除时，凝固硬皮可防止倾倒。可设想增加功率以使坩埚底部的硬皮熔融并将热量集中在中心；但在其他地方存在加热过度的风险，同时增加某些氧化物的挥发性，从而改变装料的组分以熔融，同时熔融覆盖侧壁的装料凝固层或同时损坏坩埚的某些结构，比如扇区之间的绝缘体。在已经以低效率为特征的工艺中，热损失也可乘以可能为1.5或2的因数，其中，来自熔池的自由表面的辐射、坩埚壁上的传导以及与周围大气的对流都很高。

也可以作用于感应频率以尝试在坩埚底部获得装料的熔融：如果电感器设置在侧壁周围(这是最常见的)，则坩埚内部的加热分布在径向上取决于电感器的激励频率：频率越高，壁内的热量就越集中；因此可以选择或调整激发频率以调整熔池的体积，并在一定程度上调整坩埚内的温度分布；但熔池中温度的不均匀性可能会变得不可接受。在实践中，电路和冷却系统通常尺寸过大，而装置的这种负担不一定是令人满意的。

在冷坩埚具有导电材料(诸如铜或某些等级的不锈钢)的当前情况下，这种缺陷尤其明显，具体是考虑到这些结构中的电损耗增加，但不论构成坩埚的材料及其结构为何，这种电损耗都存在。

目前为止所描述的最简单的感应炉的最后一个缺点是它们不能很好地适应可变体积的装料，因此如果电感器的高度明显不同，则在坩埚内具有不同的高度。

有大量现有技术说明这种感应炉。现将详述某些特定设计，假设它们可提高加热的均匀性。

除了围绕坩埚侧壁的主电感器之外，文献EP 1 045 216 B1描述了一种补充电感器，该补充电感器设置在底板下方的倾倒区域周围，围绕能够从坩埚倾倒的塞子。它可在穿过底板的倾倒孔周围产生附加的感应电流，以防止装料在此处凝固，并确保在去除塞子时可进行倾倒。然而实现的难度仍然存在，此装置不一定适用于熔融具有极高熔点的材料。它的影响在有限的时间内仅是局部的，因此在加热装料以熔融时缺乏均匀性的更普遍的问题没有得到解决。如果正如已经提出的那样，在下电感器与倾倒孔之间提供未冷却的金属管，希望借助于所述管获得更大的热量，则同样适用；此外，后者还有被快速腐蚀的风险，在高温下尤其如此。

在诸如文件US 6 185 243 B1的设计等某些设计中，设置在坩埚侧壁周围的更常规的电感器位于底板下方并且其形状可以是一个或多个螺旋形的电感器代替。这种设计仅适用于相对于直径而言高度较小的熔池，并且它可能与熔池的自由表面的对流和侧壁上的传导引起的高热损失相关联。所提供的功率仍然是不均匀的，在电感器匝处通常较高，但在靠近侧壁和坩埚中心(如果没有匝)处要弱得多。

此外还提议设置在侧壁周围和底板下延伸的单个电感器(US-1645526–A)或各自由电源驱动的两个单独的电感器(US 4 609 425、JP 10 253 260、US 4 687 646)。然而，由两个电感器或电感器部件产生的电场之间的冲突抵消了更均匀地加热装料的可能性，这干扰了它们的操作并且甚至可能损伤控制电子装置。最后，在文献WO 2017/093165 A1中提议对这些设计的改进，其中，称为磁通量集中器的部分位于侧壁与底板的接合处，从而将两个电感器分离。此部分是具有高磁导率的材料的静态部分，因此减少磁场之间的相互作用。减少了上述缺点，并且有望获得更好的效率。不幸的是，具体对于这里设想的工作范围(关于电源的激励频率)，有必要冷却该磁通量集中器以使其保持其性能，并且这在一些情况下可能在技术上是困难的。集中器必须放置在难以接近并可能需要电感器相对于装料移动的区域；最后，在放射性装料的情况下，它很容易受到辐射影响。另一种放置顺序的一个缺点是此装置不能在两个电感器之间分配加热功率。

本发明涉及一种改进的感应炉，其中最重要的方面在于它使得可以提高加热熔融装料的效率，并可根据需要借助于更有利的两个电感器的结构调整加热体积中的加热分布，其中，一个电感器位于坩埚侧壁周围，因此另一个位于底板下方(或之中)。有望获得比早期的装置和工艺的电效率具有更高的电效率。由于坩埚底部的加热更有效，预计倾倒也更容易。

具体而言，它涉及一种感应炉，该感应炉包括坩埚，坩埚具有通过流体循环冷却的侧壁和位于侧壁下方的底板，包括电感器和电发生器的第一感应加热电路，以及包括第二电感器的第二感应加热电路，其中，感应器中的一个位于侧壁周围，并且另一个位于底板下方或之中，其特征在于，第二电路不具有电发生器但与第一电路电磁耦合，并且设有具有可调电容的电容器装置，所述电容器装置连接至第二电感器。

具有双电路的这种电气装置利用炉的电谐振现象，这得益于两个电路的自由电磁相互作用。与围绕侧壁的电感器和分配给底板的电感器由同一电源激励同时彼此连接，或由两个不同的电源激励然后彼此分离的已知装置相反，在它们接合处的感应磁场之间不会观察到冲突，并且对电路没有干扰。这促使了更好的电效率和更低的损耗。

本发明的另一个优点是用于更好地分配加热的设施，具体是可在中心和底部，正好在底板上方增加加热，以改进均匀的过程并且可能有利于倾倒。这种加热分布取决于总电容的设置(在熔融期间可调节)，此外，对该电容的变化、对可能获得良好的温度均匀性水平的程度或相反地对基本上在外围、中心或熔融装料底部的热量具有非常高的敏感度。

由于第一电感器构成主电感器，因此第一电感器通常设置在侧壁周围，然后将第二电路分配给底板。然而，毫无疑问，可能会遇到相反的布置，具体是对于具有大表面积和低高度的坩埚。

坩埚底部的电感器可形成覆盖有电绝缘体的螺旋，电绝缘体是非常好的热导体：然后可能且有利的是坩埚底部的底板由所述电感器本身构成，从而简化了坩埚的设计并提高了加热效率。

感应炉可包括至少一个附加电路，该附加电路不具有任何电发生器并包括电感器和电容器装置，其具有可调节总电容并与至少第一电路电磁耦合；因此，此附加电路或这些附加电路与所提及的第二电路具有相同的特性。附加电路可能在炉的顶部被证明是有用的，以改进对新添加的装料的加热。然后可将附加电路放置在坩埚的顶点上方，面向位于底板上或底板中的指示器，并与其平行。

然后，一个或多个附加电路可有利地配备有使它们能够随意断开的断路器。

本发明的不同方面、特征和优点现在借助于表示本发明某些特定实施例的以下附图进行描述，这些实施例仅是说明性的。

图1是感应炉的总体视图；

图2是横向电感器的视图；

图3是底部电感器的视图；

图4是电路图；

图5是电容器组的实施例；

图6示出另一个实施例；

图7示出第一加热状态；

图8是从下而上视角的第一加热状态；

图9示出第二加热状态；

图10是从下而上视角的第二加热状态；

图11示出第三加热状态；

图12是从下而上视角的第三加热状态；

图13示出坩埚的另一个实施例；

图14示出坩埚的第三实施例；

图15示出第三实施例的底板；

图16是第一实施例的底板的横截面。

将借助于图1至图3描述实施例。感应炉的此实施例包括由铜或不锈钢的竖直管2组成的侧壁1或圆柱形套筒，竖直管相邻并通过电绝缘隔板连接以防止在侧壁1中出现环形感应电流。根据已知布置，管2被诸如水等冷却液体穿过。冷却回路12可交替地向上和向下循环液体，其中，管2之间的连接器交替地位于上端和下端。除其他外，另一种可能的结构是US–6 996 153–B2的结构，其中，每根管通过竖直往返的电路独立冷却。

横向电感器3包围侧壁1。在此，它是由沿高度重叠的平行绞线4组成的单个匝，并且每根绞线绕坩埚单圈。它们的末端通过两个竖直连接件5和6接合在一起，此外还提供与交流电发生器的电连接和液压连接，绞线4也通过冷却液的循环被冷却，绞线连接至冷却回路13。此外，横向电感器的其他布置，特别是连续螺旋布置的匝，会是可能的。

坩埚由主要由螺旋形式的辅助电感器7组成的底板8完成(图3和图16)。辅助电感器7也是水冷管，并且其末端9和10也通向冷却回路14。螺旋的匝31由隔板电绝缘体32接合，该隔板电绝缘体是电绝缘的、非常好的导热体，从而将它们全部分离并为底板8提供连续结构。此外，辅助电感器7在其上表面覆盖有薄层33，该薄层是是电绝缘的、非常好的导热体，例如由氧化铝组成。这种设计使得可消除传统使用的底板并通过辅助电感器7直接保存坩埚的装料。

底板8和侧面对1的冷却也导致凝壳坩埚的形成，即，与它们接触的装料层保持固体并保护它们免受腐蚀。

倾倒塞子11设置在螺旋的中心。它由传统装置冷却，此处未示出。侧壁1、主电感器3和辅助电感器7的冷却回路12、13和14在此仅示意性地表示，根据已知的实施例并且各自都可具体包括例如泵和热交换器。

电气装置如图4所示。主电感器3连接至交流电发生器15的端子。电容器组16也与主电感器3并联地连接至电发生器15的端子。组件形成闭合的主电路18。此主电路18的电阻主要归因于坩埚结构的电阻、其中包含的装料和主电感器3的电阻。辅助电感器7与可调节电容器组17一起形成闭合的辅助电路19，该辅助电路与电发生器15物理分离并不具有自己的电发生器。此辅助电路19的电阻主要归因于辅助电感器7的电阻。电感器3和7的邻近意味着在操作中在电路18与19之间出现电磁耦合，尽管辅助电路19中不存在电发生器。这种耦合具体地根据输入的功率和坩埚中的装料以及电容器组17的总电容的设置而变化，电容器组由各个电容器组成，这些电容器可连接至辅助电路19或由开关21分离。如图5所示，各个电容器20可并联放置，或以其他方式放置。作为变型(图6)，电容器组17可被可调节电容器22代替，其效果将是相同的。

本发明基于通过电感器3和7在电路18与19之间的电磁耦合，以调整由它们感应的电流并作用于坩埚中所含装料中的热量分布，尤其是为了使装料在熔融和混合过程中的温度均匀化，或(在其他可能性中)增加底部的加热以释放倾倒塞子11并促进倾倒操作。

获得的效果可能是下表1中给出的效果：

第一行表示在辅助电路19断开的情况下装置的操作。主电感器3的端子处的电压和其中通过的电流较高，辅助电感器7的端子处的电压较低，因此主要通过主电感器3进行加热，但侧壁1中损耗较高且效率相对较低。这种操作模式与已知条件类似，既不代表本发明，也不是通常寻求的模式。图7和图8是从上而下视角和从下而上视角的熔融装料的温度分布(浅色调指示局部加热较大)的表示，它们示出在装料外围加热较高，在中心较弱，因此装料在此处更冷，特别是紧靠底板上方的电发生器15的加热非常微弱。选择不同的激发频率可能会导致加热的分布在径向上发生变化，但在任何情况下，坩埚底部的加热仍然很弱，无法实现温度均匀性。

下表的以下行示出增加电容器组17或可调电容器22的电容的效果。电磁谐振增强，主电感器3的端子处的电压和电流值减小，而辅助电感器7的端子处的电压和其中通过的电流值增加。侧壁1中的损耗大幅减少且幅度越来越大，辅助电感器7中的损耗增加但保持在低得多的值，这意味着炉的效率要高得多，在电容值估计为69.45nF时达到最大值85％。因此，装料中加热的典型分布直径如图9和图10所示，同样分别从上而下和从下而上观察：在装料中获得了极好的加热均匀性，并且这次观察到底部坩埚的一部分被加热，同时与位于上面的部分几乎处于相同的温度。

通过进一步增加电容器组17或可调电容器22的电容，坩埚底部的加热可能会加剧，从而损害其余部分：图11和图12示出了用90nF的电容获得的状态，在这种情况下，这在实验上对应于最大电谐振，其中，主电感器3的端子处的电压和电流值最小，而辅助电感器7的端子处的电压和从中流动的电流最大。如图12所示，装料的顶点很少受热，并且加热集中在坩埚底部。保持这种组17的高总电容和最大谐振的状态，其中，辅助电路19在提供最大功率时工作得最多，使得可以将加热集中在辅助电路19附近(即此处集中在坩埚底部)并在熔池继续混合的同时促进固态硬皮的熔融。然后倾倒可通过打开塞子11受重力作用来实现。

图13示出了包括电感器24和电容器25的第二辅助电路23的使用，所述电容器放置在电感器24的端子处，从而闭合电路。电容器25可以是可调的或可以是不可调的。电感器24位于坩埚的顶点之上，其形式与面对它的辅助电路19的形式相似。第二辅助电路23不具有电发生器。它还通过与主电路18的谐振电磁耦合并通过明智地调整或选择电容器25的电容进行操作，使得可以在坩埚的上部建立附加的加热，这适用于预热新引入坩埚中的装料的一部分，例如特别是在逐渐引入装料的工艺中，或适用于例如装料体积更大且其体积其高度的工艺。第二辅助电路26可通过断开断路器26来停用。

本发明可以许多其他方式实施。图14和图15示出了实施例，其中，带有附图标记27的底板由圆形扇区的水箱28组成，它们由弧形管29接合以使冷却流体从一个水箱28循环到下一个水箱。冷却回路的末端30也用于如前述实施例中连接可调节电容器组。装置此外与前一装置相同，并且操作类似；但此实施例不是优选的，因为有利于辅助电路的电磁耦合会差很多。

仍然可将辅助电感器放置在耐火和电惰性底板上方，如在已知装置中那样，同样以降低效率为代价。

电感器可属于任何已知类型。主要设想的辅助电感器具有螺旋形式，但可设想具有单匝的电感器，该电感器由平行设置的若干根同心绞线或单根绞线形成，并且它们会产生良好的效果。此处设想的具有若干平行单股的绞的主电感器可对应地由多匝螺旋电感器代替。

必须选择可以调整电容器组17的总电容，以实现对应于期望获得的加热分布(比如体积的最大部分中的良好均匀性)以及在坩埚底部充分集中以实现倾倒的加热的不同操作模式。通常会指出，可达到电路的最大谐振状态，以便能够将最大功率发送至辅助电路19中。对应于最高效率的状态在工艺的大部分期间将是优选的，但这不是必不可少的，因为在电容器组17的总电容值的大范围内效率仍然得到改善。

主电感器(连接至电发生器)与辅助电感器(配备有可调电容器)的位置可互换，而无需特别改变坩埚和图1至图4表示的电路的布置的结构。

如果需要，也可在坩埚的不同位置添加其他辅助电路，它们与主电路电磁耦合，由电感器和电容器组成，并不具有自己的电发生器。

Claims (10)

1.一种感应炉，包括具有通过流体循环冷却的侧壁(1)和位于所述侧壁(1)下方的底板(8)的坩埚(1、8)、包括第一电感器(3)和电发生器(15)的第一感应加热电路(18)以及包括第二电感器(7)的第二感应加热电路(19)，所述感应器中的一个位于所述侧壁周围，而另一个位于所述底板下方或之中，其特征在于，所述第二电路(19)不具有电发生器但与所述第一电路(18)电磁耦合，并且设有具有可调电容的电容器装置(17)，所述电容器装置连接至所述第二电感器(7)。

2.根据权利要求1所述的感应炉，其特征在于，所述底板(8)由所述电感器(7)中的一个电感器构成，该电感器呈螺旋形式，由通过电绝缘体(32)接合的匝(31)构成。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的感应炉，其特征在于，所述电容器装置包括具有可变电容的电容器(22)。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的感应炉，其特征在于，所述电容器装置包括通过断路器(21)连接至所述第二电路(19)的电容器(20)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的感应炉，其特征在于，所述第一电感器(3)位于所述侧壁(2)周围。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的感应炉，其特征在于，所述第一电感器位于所述底板下方或之中。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的感应炉，其特征在于，所述感应炉包括至少一个附加的感应加热电路(23)，所述感应加热电路不具有任何电发生器并且包括电感器(24)和具有可调总电容的电容器装置，并与至少所述第一电路(18)电磁耦合。

8.根据权利要求7所述的感应炉，其特征在于，至少一个所述附加电路配备有能够使所述附加电路断开的断路器(26)。

9.根据权利要求7或8中任一项所述的感应炉，其特征在于，至少一个附加电路的电感器位于所述坩埚上方并面向所述第二电路。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的感应炉，其特征在于，所述第二电路的电容器装置的总电容可调节至所述炉的最大电谐振状态。

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