ES2602702T3

ES2602702T3 - Horno de inducción de crisol frío

Info

Publication number: ES2602702T3
Application number: ES05705808.3T
Authority: ES
Inventors: Graham A. Keough
Original assignee: Consarc Corp
Current assignee: Consarc Corp
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: WO2005072167A3; EP1716376B1; US7796674B2; US20050175064A1; JP2007522425A; WO2005072167A2; EP1716376A4; EP1716376A2

Abstract

Horno de inducción de crisol frío (10) para calentar una carga eléctricamente conductora, comprendiendo el horno de crisol frío: una pared de horno al menos parcialmente ranurada (12) y una base para formar el volumen de crisol en el que está contenida la carga eléctricamente conductora; una pluralidad de salientes (11) que separan la pared (12) de horno que tiene una pluralidad de ranuras (18) desde la base (14); al menos una bobina (16) de inducción que rodea al menos parcialmente la altura de la pared de horno; y una fuente de alimentación de CA que tiene su salida conectada a la al menos una bobina (16) de inducción para suministrar alimentación de CA a la al menos una bobina de inducción y generar un campo de CA alrededor de la al menos una bobina de inducción, acoplándose magnéticamente el campo de CA con la carga eléctricamente conductora para calentar de manera inductiva el material eléctricamente conductor mediante corrientes parásitas inducidas en el material eléctricamente conductor, y en el que las ranuras (18) en la pared (12) de horno al menos parcialmente son más anchas por debajo de la base (14) que la anchura de las ranuras (18) por encima de la base (14).

Description

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DESCRIPCION

Horno de induccion de crisol fno Campo de la invencion

La presente invencion se encuentra en el campo tecnico de la fusion de materiales electricamente conductores mediante induccion magnetica con un horno de induccion de crisol fno.

Antecedentes de la invencion

Un horno de induccion de crisol fno se usa para fundir materiales electricamente conductores colocados dentro del crisol aplicando un campo magnetico al material. Una aplicacion comun de tal horno es la fusion de una aleacion o metal reactivo, tal como una composicion basada en titanio, en un vado o una atmosfera controlada. La figura 1 ilustra las principales caractensticas de un horno de crisol fno convencional. Haciendo referencia a la figura, el crisol 100 incluye una pared 112 ranurada. El interior de la pared 112 es generalmente cilmdrico. La parte superior de la pared puede ser de forma relativamente conica para ayudar a eliminar lobos tal como se describe adicionalmente a continuacion. La pared esta formada de un material que no reaccionara con una carga de metal colocada en el crisol y se enfna con fluido mediante medios convencionales. Para una carga basada en titanio, una composicion basada en cobre es adecuada para la pared 112. Las ranuras 118 tienen una anchura muy pequena (exagerada para mayor claridad en la figura), normalmente del orden de 10 a 12 milesimas de pulgada (de 0,25 a 0,31 mm), y se llenan con un material conductor termico, pero aislante electrico, tal como mica. La base 114 forma el fondo del volumen de crisol que esta disponible para la carga de metal. La base se forma normalmente del mismo material que la pared 112 y tambien se enfna con fluido mediante medios convencionales. La base esta soportada por encima del elemento 126 estructural de fondo por medios 122 de soporte que tambien pueden usarse como la alimentacion y el retorno de un medio de enfriamiento. La base 114 se eleva por encima del elemento 126 estructural de fondo y generalmente limita el fondo de la bobina de induccion para que este por encima de la altura de la base 114. Una capa de un material 124 conductor termico, pero aislante electrico (cuyo grosor esta exagerado en la figura) separa la base de la pared. Normalmente, pero no a modo de limitacion, la distancia de separacion esta en el intervalo de 0,008 pulgadas a 0,012 pulgadas (de 0,21 a 0,31 mm), pero tal como se indica, puede estar en contacto, o puede ser de hasta 1/16 de pulgada (1,6 mm). La bobina 116 de induccion rodea la pared del crisol y esta conectada a una fuente de alimentacion de CA adecuada (no mostrada en la figura). Cuando se activa la fuente, fluye corriente a traves de la bobina 116 y se crea un campo que produce flujo magnetico de CA. El flujo magnetico induce corrientes parasitas en la pared 112, la base 114 y la carga de metal colocada en el crisol. La penetracion de flujo en la carga de metal es principalmente a traves de las ranuras 118 y una capa delgada de material de pared de delimitacion. El calor generado por las corrientes parasitas en la carga funde la carga. Una parte de la carga de metal adyacente a la pared enfriada y la base se congela para formar un lobo alrededor de un producto de metal fundido que se retira del crisol. Despues de la retirada del producto de metal fundido del crisol, se retira el lobo del crisol y puede usarse como alimentacion de chatarra para una fusion posterior de la misma composicion. La cantidad de energfa calonfica generada en la carga con relacion a la energfa electrica aplicada define la eficiencia aproximada del crisol. El calor generado en la pared y la base representa las principales perdidas en el procedimiento.

Una desventaja del crisol 100 fno en la figura 1 es que la superficie de contacto pared-base interfiere en la transferencia de flujo a la carga en las proximidades de la superficie de contacto. Tal como se muestra en la figura 1, la lmea 120 de flujo representativa ilustra que en las proximidades de la superficie de contacto, hay una disminucion sustancial de la penetracion de flujo magnetico en el crisol, lo que limita el calentamiento de la carga en la zona de la superficie de contacto. Esta disminucion del flujo limita eficientemente el intervalo de capacidad de carga de metal en el que puede funcionar eficientemente el horno. Por ejemplo, el horno mostrado en la figura 1 puede proporcionar un funcionamiento satisfactorio cuando la capacidad de carga esta entre la capacidad completa y aproximadamente el 60 por ciento, tal como se representa por la lmea discontinua 127. Por debajo de la capacidad del 60 por ciento, la cantidad de energfa suministrada y/o el tiempo de procesamiento aumentan hasta el punto de que el procedimiento de fusion se vuelve extremadamente ineficiente. Por consiguiente, el usuario del horno se ve gravemente limitado en cuanto al intervalo operativo de capacidad real con relacion a la capacidad total del crisol.

Por tanto, existe la necesidad de un aparato y un metodo de fusion por induccion con un crisol fno en el que la transferencia de flujo a la carga de metal en las proximidades de la superficie de contacto pared-base permita un aumento global de la eficiencia asf como un aumento del posible intervalo de capacidad de cargas de metal que puede fundirse eficientemente.

El documento US-A-4 923 508 da a conocer un horno de induccion de crisol fno para calentar una carga electricamente conductora. El horno tiene una pared segmentada ranurada y una base que encaja dentro de una abertura circular formada por un pie de segmento de pared inferior para cada segmento de pared. Los pies de segmento de pared inferior forman una superficie interior que se curva hacia dentro. Una bobina de induccion rodea la pared del horno y una alimentacion de Ca suministrada a la bobina de induccion genera un campo de flujo de CA que se acopla magneticamente con la carga para calentar de manera inductiva la carga. La pared ranurada del horno no se extiende por debajo de la base, impidiendo, por tanto, la transferencia de flujo a la carga dentro del horno en las proximidades de la superficie de contacto de la base y la pared segmentada.

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Breve sumario de la invencion

En un aspecto, la invencion proporciona un horno de induccion de crisol fno segun la reivindicacion 1.

En otro aspecto, la invencion proporciona un metodo segun la reivindicacion 2.

Otros aspectos de la invencion se exponen en esta memoria descriptiva.

Breve descripcion de los dibujos

Con el fin de ilustrar la invencion, se muestra en los dibujos una forma que se prefiere actualmente; entendiendose, sin embargo, que esta invencion no se limita a las disposiciones e instrumentalidades precisas mostradas.

La figura 1 es un alzado en seccion transversal parcial de un horno de induccion de crisol fno convencional.

La figura 2 es un alzado en seccion transversal parcial de un ejemplo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion.

La figura 3 es un alzado en seccion transversal de un ejemplo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion.

La figura 4(a) es un alzado en seccion transversal desde arriba parcial de una pared ranurada con salientes desde la misma que se usa en un ejemplo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion.

La figura 4(b) es un alzado lateral de los saliente usados en un ejemplo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion.

La figura 4(c) es una vista detallada de una ranura de una pared ranurada con un saliente desde la misma que se usa en un ejemplo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion.

La figura 5(a) es una ilustracion grafica de la reduccion de las perdidas ohmicas en la base de un ejemplo tfpico, no limitativo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion a medida que se aumenta la anchura de los salientes.

La figura 5(b) es una ilustracion grafica de la reduccion de las perdidas ohmicas en la pared de un ejemplo tfpico, no limitativo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion a medida que se aumenta la anchura de los salientes.

La figura 5(c) es una ilustracion grafica de la reduccion de las perdidas ohmicas en la pared de otro ejemplo tfpico, no limitativo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion a medida que se aumenta la anchura de los salientes.

La figura 5(d) es una ilustracion grafica de la mejora de la eficiencia global de un horno de induccion de crisol fno de la presente invencion a medida que se aumenta la anchura de los salientes. En las figuras 5(a)-5(d) la anchura se expresa en pulgadas. Una pulgada equivale a 2,54 cm.

La figura 6 ilustra un ejemplo del horno de induccion de crisol fno de la presente invencion en el que se proporcionan ranuras en los salientes y la base del horno.

Descripcion detallada de la invencion

Se muestra en la figura 2 y la figura 3, un ejemplo de un horno 10 de induccion de crisol fno de la presente

invencion. El horno 10 incluye la pared 12 que tiene una pluralidad de salientes 11 en el volumen del crisol

adyacente a la base 14. Los salientes se extienden alrededor del penmetro interno de la pared y pueden formarse o

bien como parte integral de la pared o bien ajustarse dentro de la pared 12. Los salientes 11 anulares se componen

generalmente del mismo material que la pared 12. Aunque se muestran los salientes anulares con una seccion transversal sustancialmente rectangular, otras formas de la seccion transversal, tales como pero sin limitarse a, semicirculares y semielfpticas, o inclinadas, estan dentro del alcance de la invencion. Ademas, aunque todos los salientes 11 para este ejemplo particular de la invencion son todos del mismo tamano y forma, pueden usarse salientes de tamanos y formas variables. Las ranuras 18 son ranuras verticales sustancialmente continuas a traves de la pared 12 y los salientes 11. Las ranuras pueden terminar en la pared a una distancia por debajo de la parte superior del crisol y/o por encima del fondo del crisol. Sin embargo, las ranuras se proporcionan normalmente en la pared al menos para la longitud a lo largo de la cual se fundira el metal fundido y entre los salientes 11.

Las ranuras 18 tienen una anchura muy pequena (exagerada para mayor claridad en la figura), normalmente del orden de 10 a 12 milesimas de pulgada (de 0,25 a 0,31 mm), y se llenan con un material conductor termico, pero aislante electrico, tal como mica. La base 14 esta dispuesta dentro del penmetro de los salientes 11 anulares y forma el fondo del volumen de crisol para una carga de metal u otro material electricamente conductor que va a calentarse. Tanto la pared 12 (incluyendo los salientes 11) como la base 14 se enfnan con fluido generalmente y se

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forman de un material que no reaccionara con el material que va a fundirse en el crisol. La base esta soportada por debajo del elemento 26 estructural de fondo por los soportes 22 que tambien pueden usarse como la alimentacion y el retorno para un medio de enfriamiento. En el presente ejemplo, hay un hueco estrecho que separa los salientes de la base que pueden llenarse o no con una capa delgada de un material conductor termico, pero aislante electrico (no mostrado en las figuras). La anchura del hueco esta normalmente en el intervalo de 0,008 pulgadas a 0,012 pulgadas (de 0,21 a 0,31mm) Alternativamente, la base y los salientes pueden estar termica y/o electricamente en contacto entre sf.

En algunos ejemplos de la invencion, uno o mas de los salientes 11 pueden estar ranurados. Es decir, uno o mas salientes pueden tener ranuras de saliente que no corresponden a las ranuras de pared. Para algunos disenos, la provision de ranuras de saliente puede proporcionar una trayectoria para flujo adicional para acoplarse a la carga. Las ranuras de saliente normalmente oscilan en achura segun la anchura de las ranuras en la pared superior del crisol. Adicionalmente, pueden practicarse ranuras en la periferia de la base o bien haciendo tope con los salientes o bien separadas aleatoriamente alrededor de la periferia de la base. Tambien en algunos ejemplos de las invenciones, pueden usarse tanto las ranuras de saliente como las ranuras en la periferia de la base. La figura 6 ilustra un ejemplo no limitativo de la invencion en el que se proporcionan ranuras 11a de saliente en los salientes y se proporcionan ranuras 14a de base en la base.

La profundidad de penetracion de las corrientes parasitas, que se atribuye al efecto pelicular de la corriente CA, es una funcion de la resistividad electrica y la permeabilidad magnetica de la carga de metal y la frecuencia con que la fuente de alimentacion de CA suministra corriente a la bobina 16 de induccion. Aproximadamente el 63 por ciento de la corriente parasita y el 86 por ciento del poder de fusion, se concentran en lo que se define como “una profundidad de penetracion de corriente”. Por tanto, el crisol 10 fno de la presente invencion proporciona normalmente, pero no a modo de limitacion, un saliente con una anchura de aproximadamente una profundidad de penetracion de corriente en la carga de metal cerca de la base del crisol, que permite que el crisol se use eficazmente a mayor eficiencia asf como con un intervalo mas amplio de capacidades de carga incluyendo menores capacidades de carga que las que pueden lograrse para el crisol en la figura 1.

La bobina 16 de induccion rodea la pared del crisol generalmente por encima de la base 14 y se conecta a una fuente de alimentacion de CA adecuada (no mostrada en las figuras). Cuando se activa la fuente, fluye corriente a traves de la bobina 16 y se crea un campo que produce flujo magnetico de CA. El flujo magnetico induce corrientes parasitas en la pared 12, la base 14 y la carga de metal colocada en el crisol. La penetracion de flujo en la carga de metal es principalmente a traves de las ranuras 18 y entre los salientes 11, y una capa delgada de material de pared de delimitacion. El calor generado por las corrientes parasitas en la carga funde la carga.

Tal como se indico anteriormente, las ranuras 18 tienen una anchura muy pequena. La anchura de las ranuras por encima de la base 18 debe ser muy estrecha puesto que ranuras mas anchas permitinan que la carga de metal fundido fundiese el aislamiento en las ranuras y penetrase en las ranuras, donde se congela como lobo. El lobo formado con estos salientes irregulares en las ranuras se vuelve extremadamente diffcil de retirar del crisol y normalmente da como resultado dano del crisol. En otro ejemplo de la presente invencion, las ranuras por debajo de la base 14 pueden ensancharse tal como se muestra en la figura 3. Las ranuras 18a parciales inferiores ensanchadas, cuando se usan con los salientes 11, permiten una mayor penetracion del campo de flujo en la superficie de contacto pared-zona de base, lo que potencia el flujo magnetico total en la carga en la superficie de contacto pared-zona de base. Por encima de la base 14, la anchura de la ranura parcial superior esta limitada por la necesidad de evitar la penetracion de metal lfquido en la ranura. Por debajo de la base 14, no se aplica esa limitacion, pero la anchura maxima de la ranura parcial inferior (en o por debajo de los salientes) esta limitada efectivamente por la disposicion del medio de enfriamiento de cada segmento de la pared. Asf, normalmente, pero no a modo de limitacion, cuando la anchura de una ranura 18b parcial inferior es de 0,010 pulgadas (0,25 mm), la anchura correspondiente de la ranura 18a parcial inferior podna ampliarse hasta estar normalmente, pero no a modo de limitacion, en el intervalo de 2 a 4 veces la anchura de la ranura parcial superior correspondiente. En algunos casos, la ranura parcial inferior puede ser de hasta ocho veces la anchura de la anchura de la ranura parcial superior correspondiente, pero en cada caso, el beneficio de ensanchar la ranura parcial inferior solo se observa cuando, como en el caso de esta invencion, se proporciona una trayectoria para que el flujo adicional se acople con la carga. En algunos ejemplos de la invencion, pueden usarse anchuras variables de ranura parcial inferior para conformar adicionalmente la penetracion del campo de flujo en la superficie de contacto pared-zona de base.

En un ejemplo no limitativo de la invencion, los salientes tienen una altura, hp, tal como se muestra en la figura 4(b), de 0,38 pulgadas (9,7 mm) y una longitud que esta determinada por la anchura del segmento de pared respectivo. El numero de salientes coincide normalmente con el numero de segmentos de pared que es suficientemente grande, de modo que los salientes son generalmente de seccion transversal en alzado rectangular. Es decir, la longitud exterior lout en la figura 4(c) no es sustancialmente mas larga que la longitud interior Iin. Las ranuras 18 tienen una anchura de aproximadamente 0,010 pulgadas (0,25 mm) y el horno 10 se llena con una carga de metal de un peso dentro del intervalo de diseno especificado para el crisol y la aleacion o el metal electricamente conductor, respectivamente. El volumen solido equivalente no sena generalmente menor que el representado por la lmea 27 (lmea de carga del 60 por ciento) mostrada en la figura 2. La corriente en la bobina 16 de induccion para este ejemplo no limitativo de la invencion es de 8 kHz. La reduccion tfpica estimada de las perdidas ohmicas acopladas a la base 14 como porcentaje de las perdidas ohmicas totales (es decir, perdidas ohmicas de bobina + pared + base +

metal fundido) se representa graficamente en la figura 5(a) para homos que van de sin salientes (anchura de saliente 0) a una anchura de saliente, wp de aproximadamente 0,567 pulgadas (14 mm). Se representa graficamente la reduccion relativa de las perdidas ohmicas en la pared 12 ranurada frente a las perdidas ohmicas en el metal fundido en la figura 5(b) para hornos que van de sin salientes a una anchura de saliente de aproximadamente 0,567 5 pulgadas (14 mm). La figura 5(c) ilustra la reduccion relativa de las perdidas ohmicas en la pared 12 ranurada frente a las perdidas ohmicas en el metal fundido en la que la pared ranurada comprende cobre y la magnitud de la corriente de la bobina de induccion es de 7.590 amperios. Se representa graficamente en la figura 5(d), la ganancia de eficiencia global del horno para hornos con los datos de diseno en la figura 5(a) y la figura 5(b) para hornos que van de sin salientes a una anchura de saliente de aproximadamente 0,567 pulgadas (14 mm). Se generaron los 10 graficos anteriores modelando los campos electromagneticos respectivos usando un software de modelado de campo electromagnetico, de analisis por elementos finitos tridimensional.

Los ejemplos anteriores no limitan el alcance de la invencion dada a conocer. El alcance de la invencion dada a conocer se expone adicionalmente en las reivindicaciones adjuntas.

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REIVINDICACIONES

Horno de induccion de crisol fno (10) para calentar una carga electricamente conductora, comprendiendo el horno de crisol fno:

una pared de horno al menos parcialmente ranurada (12) y una base para formar el volumen de crisol en el que esta contenida la carga electricamente conductora;

una pluralidad de salientes (11) que separan la pared (12) de horno que tiene una pluralidad de ranuras (18) desde la base (14);

al menos una bobina (16) de induccion que rodea al menos parcialmente la altura de la pared de horno; y

una fuente de alimentacion de CA que tiene su salida conectada a la al menos una bobina (16) de induccion para suministrar alimentacion de CA a la al menos una bobina de induccion y generar un campo de CA alrededor de la al menos una bobina de induccion, acoplandose magneticamente el campo de Ca con la carga electricamente conductora para calentar de manera inductiva el material electricamente conductor mediante corrientes parasitas inducidas en el material electricamente conductor, y en el que las ranuras (18) en la pared (12) de horno al menos parcialmente son mas anchas por debajo de la base (14) que la anchura de las ranuras (18) por encima de la base (14).

Metodo de calentamiento de manera inductiva de una carga electricamente conductora, comprendiendo el metodo las etapas de:

formar un volumen de crisol a partir de una pared (12) de horno al menos parcialmente ranurada y una base (14);

separar la base (14) de la pared (12) de horno mediante una pluralidad de salientes;

colocar la carga electricamente conductora en el volumen de crisol;

rodear al menos parcialmente el volumen de crisol con al menos una bobina de induccion;

suministrar alimentacion de CA a la al menos una bobina de induccion para generar un campo magnetico para acoplamiento con la carga electricamente conductora en el volumen de crisol; y

ensanchar al menos una de las ranuras (18) en la pared (12) de horno al menos parcialmente ranurada por debajo de la base (14).