Calentamiento, fusión y agitación por inducción eléctrica de materiales eléctricamente no conductores en estado sólido.

Un sistema de calentamiento y fusión por inducción eléctrica en el que el sistema comprende:

un contenedor para retener un material a calentar y fundir;

al menos una bobina (44a) de inducción activa dispuesta alrededor de una sección inferior del contenedor;

una fuente de alimentación (20; 20') de frecuencia variable que tiene su salida conectada a la al menos una bobina de inducción activa;

al menos una bobina (44b) de inducción secundaria dispuesta alrededor de una sección del recipiente susceptor por encima de la sección inferior; y

al menos un condensador (CSINTONIZ; C'SINTONIZ) de resonancia conectado a la al menos una bobina de inducción secundaria para formar un circuito de bobina de inducción pasiva;

caracterizado por que

el contenedor comprende un recipiente (42) susceptor para retener un material de transición;

un aparato (26, 26') de control de frecuencia para cambiar la frecuencia de salida de la fuente de alimentación de frecuencia variable cuando un material de transición contenido en el interior del recipiente susceptor experimenta una transición desde un material no conductor de electricidad a un material conductor de electricidad.

Calentamiento, fusión y agitación por inducción eléctrica de materiales eléctricamente no conductores en estado sólido.

Campo de la invención La presente invención se refiere al control del calentamiento, fusión y agitación por inducción eléctrica de un material, en el que la zona de calentamiento o de fusión es controlada selectivamente y el material no es conductor de electricidad en el estado sólido y es conductor de electricidad en el estado no sólido.

Antecedentes de la invención El calentamiento y fusión por lotes mediante inducción eléctrica de un material eléctricamente conductor puede conseguirse en un crisol rodeando el crisol con una bobina de inducción. Un lote de un material conductor de electricidad, tal como lingotes o material de desecho de metal, es colocado en el crisol. Una o más bobinas de inducción rodean el crisol. Una fuente de alimentación adecuada proporciona una corriente ca a las bobinas, generando de esta manera un campo magnético alrededor de las bobinas. El campo está dirigido hacia el interior de manera que se acopla magnéticamente con el material en el crisol, lo que induce corrientes parásitas en el material. Básicamente, el circuito acoplado magnéticamente se describe comúnmente como un circuito transformador en el que la una o más bobinas de inducción representan el devanado primario, y el material acoplado magnéticamente en el crisol representa un devanado secundario cortocircuitado.

La Fig. 1 ilustra, en forma simplificada, un ejemplo de un circuito que comprende una fuente de alimentación, un elemento adaptador de impedancia de carga (condensador de tanque CT) , y una bobina de inducción LL que puede ser usada en un procedimiento de fusión por lotes. La fuente de alimentación 102 comprende un rectificador 104 de ca a cc y un inversor 106. El rectificador 104 rectifica la potencia ca disponible (red eléctrica de CA) en potencia cc. Típicamente, después del filtrado de la potencia cc, el inversor 106 proporciona potencia de ca monofásica a través de componentes semiconductores de conmutación adecuados. La potencia de ca alimenta el circuito de carga, que comprende la impedancia de la bobina de inducción y la impedancia del material acoplado electromagnéticamente en el crisol, tal como se refleja de nuevo en el circuito de carga primario. El valor del condensador de tanque CT se selecciona para maximizar la transferencia de potencia al circuito de carga, principalmente inductivo. La bobina LL de inducción comprende la sección LP primaria y la sección LS secundaria, que están conectadas, preferiblemente, en una configuración en paralelo enrollada en sentido contrario para establecer un flujo instantáneo de corriente a través de la bobina, tal como se indica mediante las flechas en la Fig. 1.

La Fig. 2 (a) ilustra el uso de la disposición en la Fig. 1 con el crisol 110 para fundir por lotes la composición 112 de metal generalmente sólida (mostrada esquemáticamente como círculos discretos) que está colocada en el crisol. El estado del procedimiento de fusión por lotes en la Fig. 2 (a) se conoce como el "estado frío", ya que generalmente no hay casi ninguna parte fundida de la composición de metal. La impedancia de carga para el circuito de carga de bobina superior (principal) es sustancialmente igual a la impedancia de carga para el circuito de carga de bobina inferior (secundario) . Conforme la composición de metal es calentada por inducción, se forma material fundido en la parte inferior del crisol mientras que, generalmente, se añade material sólido a la sección superior del crisol. La Fig. 2 (b) ilustra el "estado templado" del procedimiento de fusión por lotes en el que la mitad inferior del crisol contiene generalmente material fundido (mostrado esquemáticamente como líneas) y la mitad superior del crisol contiene generalmente material sólido. En el estado templado, la impedancia de carga del circuito de carga de bobina inferior es menor que la impedancia de carga de la carga de bobina superior, principalmente debido a que la resistencia de carga equivalente del material fundido es más baja que la resistencia de carga equivalente del material sólido. Por último, en la Fig. 2 (c) , que ilustra el "estado caliente" del procedimiento de fusión por lotes, generalmente todo el material en el crisol está en el estado fundido, y las impedancias de carga en los circuitos de carga de bobina superior e inferior son iguales, pero de menor magnitud que las impedancias de carga en el estado frío.

La Fig. 3 (a) , la Fig. 3 (b) y la Fig. 3 (c) ilustran gráficamente la división de la potencia suministrada desde la fuente de alimentación en las secciones de bobina superior (la sección C1i primaria en estas figuras) e inferior (la sección C2i secundaria en estas figuras) para la bobina total (Ci en estas figuras) mostrada en la Fig. 1 y las Figs. 2 (a) a 2 (c) , conforme el procedimiento de fusión por lotes pasa a través de las etapas fría, templada y caliente, respectivamente. Por ejemplo: en el estado frío (Fig. 3 (a) con la salida de la fuente de alimentación a 600 kW y aproximadamente 390 Hz) , aproximadamente, se suministran 300 kW a la sección de bobina superior y se suministran 300 kW a la sección de bobina inferior; en el estado templado (Fig. 3 (b) con la salida de la fuente de alimentación a 600 kW y aproximadamente 365 Hz) , aproximadamente se suministran 200 kW a la sección de bobina superior y se suministran 400 kW a la sección de bobina inferior; y en el estado caliente (Fig. 3 (c) con la salida de la fuente de alimentación a 600 kW y aproximadamente 370 Hz) , se suministran aproximadamente 300 kW a la sección de bobina superior y se suministran 300 kW a la sección de bobina inferior. Este ejemplo ilustra la condición del procedimiento general de que conforme la fusión por lotes pasa desde el estado frío al estado templado, se proporciona más energía a la sección de la bobina inferior que a la sección de bobina superior ya que la sección de bobina inferior rodea una cantidad cada vez mayor de material fundido, que tiene una resistencia menor que el material sólido, conforme el procedimiento avanza hasta que la altura del material fundido es suficiente para acoplarse magnéticamente con el campo generado por la sección de bobina superior. Esta condición es opuesta a la condición preferida, concretamente, que el material sólido debería recibir más potencia que el material fundido para acelerar la fusión de todo el lote de metal. La línea sólida en la Fig. 4 ilustra gráficamente la eficiencia típica de un procedimiento de fusión por lotes durante el tiempo del procedimiento, mientras que la línea de trazos ilustra una eficiencia media típica del 82% para el procedimiento.

De manera similar, cuando las secciones de bobina primaria y secundaria rodean un susceptor o un material conductor de electricidad, tal como un tocho o losa de metal, la disposición en la Fig. 1 y las Figs. 2 (a) a 2 (c) , con el susceptor o material conductor de electricidad que remplaza el crisol 110 que contiene la composición 112 de metal sólido, resulta en un patrón de temperatura no controlado a lo largo de la longitud del material debido al hecho de que el patrón de suministro de energía viene definido por la disposición de la bobina y el patrón de consumo de energía viene definido por los procesos en el interior de un susceptor, o las características de absorción de calor del material de tocho.

Hay una clase de materiales, tales como el silicio, que son sustancialmente no conductores de electricidad en el estado "frío" o sólido (cristalino) y son conductores de electricidad en el estado no sólido (semi-sólido, líquido o fundido) . Por ejemplo, la resistividad del silicio cristalino es mayor de 100.000 µohm.cm por debajo de su temperatura de fusión nominal de 1.410ºC y, típicamente 75-80 μohm.cm en el estado fundido. En la presente memoria, esta clase de materiales se denominan materiales de transición. Típicamente, un material de transición es calentado al estado fundido para conformar de nuevo el material o para separar las impurezas del material. La potencia eléctrica de inducción calienta directamente un material conductor de electricidad mediante la inducción de corrientes parásitas en el material, tal como se ha descrito anteriormente, y en la Fig. 1 y las Figs. 2 (a) a 2 (c) . Si el material no es conductor de electricidad, entonces debe usarse un procedimiento de calentamiento por inducción indirecta para calentar el material. Por ejemplo, puede usarse la potencia de inducción eléctrica para calentar electromagnéticamente un susceptor discreto, siendo transferido el calor desde el susceptor al material de transición por conducción y, a continuación, por convección a través del material de transición.... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de calentamiento y fusión por inducción eléctrica en el que el sistema comprende:

un contenedor para retener un material a calentar y fundir;

al menos una bobina (44a) de inducción activa dispuesta alrededor de una sección inferior del contenedor;

una fuente de alimentación (20; 20’) de frecuencia variable que tiene su salida conectada a la al menos una bobina de inducción activa;

al menos una bobina (44b) de inducción secundaria dispuesta alrededor de una sección del recipiente susceptor por encima de la sección inferior; y

al menos un condensador (CSINTONIZ; C’SINTONIZ) de resonancia conectado a la al menos una bobina de inducción secundaria para formar un circuito de bobina de inducción pasiva;

caracterizado por que el contenedor comprende un recipiente (42) susceptor para retener un material de transición;

un aparato (26, 26’) de control de frecuencia para cambiar la frecuencia de salida de la fuente de alimentación de frecuencia variable cuando un material de transición contenido en el interior del recipiente susceptor experimenta una transición desde un material no conductor de electricidad a un material conductor de electricidad.

2. Sistema según la reivindicación 1, que incluye un material (46) de revestimiento que reviste el interior del recipiente (42) susceptor para asilar el material de transición contenido en el recipiente susceptor de la pared interior del recipiente susceptor.

3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, en el que el aparato (26;26’) de control de frecuencia comprende además

un aparato de control para reducir la frecuencia de salida de la fuente de alimentación de frecuencia variable cuando el material de transición está en un estado parcialmente fundido, conductor de electricidad, y aumentar la frecuencia de salida de la fuente de alimentación de frecuencia variable cuando el material de transición en el recipiente en la región de la al menos una bobina (44b) de inducción secundaria está en un estado fundido, conductor de electricidad, de manera que el circuito de bobina de inducción pasiva funciona cerca de, o en, resonancia.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que incluye un aparato (26, 26’) de control de potencia para cambiar la potencia de salida de la fuente de alimentación (20, 20’) de frecuencia variable conforme el material

de transición experimenta una transición desde un material no conductor de electricidad a un material conductor de electricidad.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que incluye:

un detector (30; 30’) de tensión para detectar el valor instantáneo del voltaje a través de la al menos una bobina (44a) de inducción; y

un detector (34; 34’) de corriente para detectar el valor instantáneo de la corriente suministrada a la al menos una bobina de inducción; y

un procesador (26; 26’) que tiene entradas a los detectores de tensión y corriente, en el que el procesador proporciona una serie de valores periódicos de la resistencia equivalente instantánea para su almacenamiento en un dispositivo de almacenamiento;

comparar cada una de las series de valores periódicos de la resistencia equivalente instantánea con el valor inmediatamente anterior de la resistencia equivalente instantánea en la serie de valores periódicos de la resistencia equivalente instantánea; y

proporcionar una señal a la fuente de alimentación (20; 20`) de frecuencia variable para reducir la frecuencia de salida a una frecuencia templada cuando la una de las series de valores periódicos de la resistencia equivalente instantánea es menor que el valor inmediatamente anterior de la resistencia equivalente instantánea.

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que incluye una cámara de vacío para retener el recipiente (42) susceptor.

7. Procedimiento de calentamiento y fusión de un material de transición, en el que el procedimiento comprende las etapas de:

depositar el material de transición en un estado no conductor de electricidad en un recipiente (42) susceptor que tiene al menos una sección inferior y una sección superior situada sobre la sección inferior, en el que la sección inferior está rodeada por al menos una bobina (44a) de inducción activa conectada a la salida de una fuente de alimentación (20; 20’) de frecuencia variable; y en el que la sección superior está rodeada por al

menos una bobina (44b) de inducción secundaria conectada a al menos un condensador de resonancia (CSINTONIZ.;C’SINTONIZ) para formar un circuito de bobina pasiva;

caracterizado por

suministrar potencia desde la salida de la fuente de alimentación a la al menos una bobina de inducción activa a una frecuencia inicial de manera que la profundidad de penetración estándar no sea sustancialmente mayor que el espesor de la pared del recipiente susceptor para calentar electromagnéticamente el recipiente susceptor y hacer que el metal de transición experimente una transición en el recipiente susceptor al estado conductor de electricidad mediante un calentamiento por conducción suministrado desde el recipiente susceptor; y

reducir la frecuencia de la salida de la fuente de alimentación desde la frecuencia inicial en respuesta a la transición del material de transición en el recipiente susceptor desde el estado no conductor de electricidad al estado conductor de electricidad.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, que incluye la etapa de reducir la frecuencia de la salida de la fuente de alimentación cuando el material de transición en la región de la al menos una bobina (44b) secundaria está en el estado conductor de electricidad para hacer funcionar el circuito de bobina pasiva en o cerca de la resonancia.

9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, que incluye la etapa de cambiar la magnitud de la potencia desde la

fuente de alimentación (20; 20’) de frecuencia variable en respuesta a la transición del material de transición en el

recipiente susceptor desde el estado no conductor de electricidad al estado conductor de electricidad.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, que incluye las etapas de:

introducir un valor instantáneo de corriente que fluye en la al menos una bobina de inducción a un procesador

(26; 26’) ;

introducir un valor instantáneo de la tensión aplicada a través de la al menos una bobina de inducción al procesador, en el que el procesador determina periódicamente una resistencia equivalente instantánea del recipiente susceptor y el material de transición;

almacenar los valores periódicos sucesivos de la resistencia equivalente instantánea en un dispositivo de almacenamiento;

comparar los valores periódicos sucesivos de la resistencia equivalente instantánea en el procesador, en el que el procesador determina si un valor periódico almacenado en último lugar de la resistencia equivalente instantánea es mayor o menor que un valor periódico almacenado previamente de la resistencia equivalente instantánea; y

realizar una transición de la salida de la fuente de alimentación (20; 20’) de frecuencia variable desde la frecuencia de corriente en estado frío a la frecuencia de corriente en estado caliente en el momento en el que el último valor periódico almacenado de la resistencia equivalente instantánea es menor que el valor periódico almacenado previamente de la resistencia equivalente instantánea.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, que incluye las etapas de:

comparar los valores periódicos sucesivos de la resistencia equivalente instantánea en el procesador (26; 26’) después de realizar una transición de la salida de la fuente de alimentación (20; 20’) de frecuencia variable desde la frecuencia de corriente en el estado frío a la frecuencia de corriente en el estado templado, en el que el procesador determina si el último valor periódico almacenado de la resistencia equivalente instantánea es aproximadamente igual al valor periódico almacenado previamente de la resistencia equivalente instantánea; y

realizar una transición de la salida de la fuente de alimentación de frecuencia variable desde la frecuencia de corriente en el estado templado a una frecuencia de corriente en o cerca de la frecuencia de corriente de resonancia cuando el último valor periódico almacenado de la resistencia equivalente instantánea es aproximadamente igual al valor periódico almacenado previamente de la resistencia equivalente instantánea.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, que incluye las etapas de añadir el material de transición en el estado no conductor de electricidad al material de transición en el estado no conductor de electricidad en el recipiente (42) susceptor; y

ajustar la frecuencia de la salida de la fuente de alimentación (20; 20’) de frecuencia variable en respuesta al

cambio en la resistencia del material de transición en el recipiente susceptor.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 12, que incluye las etapas de:

revestir el interior del recipiente (42) susceptor con un material (46) de revestimiento previamente a depositar el material de transición en el estado no conductor de electricidad en el recipiente susceptor; y limitar la potencia suministrada a una densidad de resistencia máxima del material de revestimiento.

14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 13, que incluye la etapa de retener el recipiente (42) susceptor en una cámara de vacío.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 14, que incluye la etapa de eliminar el material de transición fundido en el recipiente (42) susceptor mediante un aparato de extracción adecuado.