专利名称：用于熔化金属的感应炉、用于感应炉的衬层以及制造这种衬层的方法
技术领域：
本发明涉及用于熔化金属(尤其是硅)的感应炉，且更具体地涉及用于这种炉的衬层。
背景技术：
通过在感应炉中熔化金属，大多数金属具有如此高导电率以致在固态感应地连接。对于在感应炉中熔化这种金属，在感应炉中衬层的电属性是不重要的，且衬层可由电绝缘材料制成。然而，在固态时具有低导电率的金属(例如，硅和锗)在它们处于固态时将不会感应地连接。为了开始熔化过程，必须使用承座(suscector)，其在开始固态硅的熔化过程时被插入到炉中；或者衬层必须由导电材料(例如，石墨)制成，其感应地连接。当使用石墨作为衬层时，在石墨衬层通过感应加热时将间接地开始熔化，且其中金属通过来自于石墨衬层的热辐射而加热。由于石墨也具有比熔化硅更高的导电率，在整个熔化阶段期间以及当硅的一部分处于熔融状态时，热传递将基于石墨衬层的感应加热。这是不利的，因为在整个熔化阶段期间石墨衬层将是感应炉的最热部分。这需要石墨衬层的十分全面冷却，从而导致高的热损失。此外，石墨衬层、感应线圈和用于衬层的冷却系统将经受高热应力。通过本发明，提供一种用于具有低导电率的金属(尤其是硅)的感应炉，其中在熔化固态金属的开始时通过感应加热衬层，而当金属的至少一部分熔化时加热的主要部分通过感应连接到熔融金属而不是衬层来完成。还提供一种用于感应炉的衬层，其中在制造衬层期间衬层的导电率可定制，使得衬层的导电率根据应当在感应炉中熔化的金属来调节。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于熔化在固态不感应地连接的金属的感应炉，所述感应炉具有衬层，所述衬层包括石墨和碳化硅的混合物并且其导电率高于要熔化金属在金属处于固态的导电率但是低于要熔化金属在该金属处于熔融状态的导电率。衬层优选地包括按重量计80-20%的石墨和按重量计20-80%的碳化硅，且更优选地衬层包括按重量计70-30%的石墨和按重量计30-70%的碳化硅。通过调整衬层中碳化硅的含量，衬层的导电率可被定制成与要熔化金属导电率的导电率有关，因为衬层的导电率随着碳化硅含量的增加而降低。本发明还涉及一种用于感应炉的衬层，所述感应炉用于熔化在固态不感应地连接的金属，其中所述衬层的导电率高于要熔化金属在该金属处于固态的导电率但低于要熔化金属在该金属处于熔融状态的导电率。衬层优选地包含按重量计80-20%的石墨和按重量计20-80%的碳化硅，且更优选地衬层包含按重量计30-70%的石墨和按重量计70-30%的碳化硅。衬层可以是能够十分容易地交换的自保持炉缸的形式。在使用根据本发明用于熔化在固态不感应地连接且具有低导电率的金属(例如，硅)的感应炉时，当炉开始填充固态金属在熔化循环的开始时感应炉中的衬层将感应地连接并且因此被加热。炉中固态金属将藉此通过来自衬层的辐射而被加热。当金属的一部分熔化时，熔融金属将感应地连接并且热能将直接供应给熔融金属，所述熔融金属的导电率远高于固态金属的导电率。因此，在每个熔化循环的开始时，衬层将仅经受十分高的温度。 因此，由于热能被直接传递到炉中的熔融金属且因此衬层上的热应力将充分减少，因此实现好得多的能量利用。因此也减少了对于冷却衬层和炉的其它部分的需要。这导致充分增加的衬层寿命。根据本发明的衬层还具有优势，在于其可由十分清洁的材料制成。本发明还涉及一种用于制造感应炉的衬层的方法，其中衬层的导电率可被调节以使要熔化的金属适于炉，所述方法特征在于，石墨颗粒、碳化硅颗粒和碳基粘结剂的混合物形成为衬层，之后所形成的衬层在高于1100°c的温度下固化并烘焙，其中通过调节石墨颗粒和碳化硅颗粒之间的比，调节衬层的导电率。优选地，所述混合物包括按重量计20-80%的石墨颗粒和按重量计80-20%的碳化硅颗粒以及基于石墨颗粒和碳化硅颗粒混合物重量的10-25%量的碳基粘结剂。更优选地，所述混合物包括按重量计30-70%的石墨颗粒和按重量计70-30%的碳化硅颗粒以及基于石墨颗粒和碳化硅颗粒混合物重量的11-18%量的碳基粘结剂。碳基粘结剂选自天然树脂、合成树脂(例如，苯酚甲醛树脂和糠醇)或者柏油基粘结剂(例如，石油焦炭浙青或柏油浙青)。当合成树脂或天然树脂(harpik)用作粘结剂时，选自六胺和有机或无机酸的固化剂优选地被添加到粘结剂。当碳基粘结剂被添加到石墨颗粒和碳化硅颗粒的混合物时，这将在低温下提供良好的强度。在加热和烘焙期间，粘结剂将碳化并形成固态碳。此外，使用碳基粘结剂导致更为致密的衬层，从而防止熔融金属渗透到衬层中。进一步优选的是，向石墨颗粒、碳化硅颗粒和碳基粘结剂的混合物添加硅颗粒，其量足以与在粘结剂的碳化期间形成的碳反应得到SiC。
图1示出了通过根据本发明的感应炉的竖直切面。
具体实施例方式在图1中示出了根据本发明的感应炉的实施例，所述感应炉包括绝缘衬层1，在所述衬层的外侧具有嵌入到耐火材料3中的感应线圈2。绝缘衬层1可包括不与碳反应的耐火材料，例如Al2O315在绝缘衬层1的内侧，布置根据本发明的衬层4，其包括石墨、碳化硅、 碳基粘结剂和可选硅颗粒的混合物。在填实衬层4时使用内部钢形成部分5。衬层在从150 至600°C之间的温度下固化，且在高于1100°C的温度下烘焙。固化温度取决于所使用的碳基粘结剂类型。调节碳化硅的量，以得到在衬层中希望的导电率。通常，调节碳化硅的量，使得烘焙衬层4的导电率高于要在感应炉中熔化的金属在该金属处于固态时的导电率，但低于要熔化金属在该金属处于熔融状态时的导电率。烘焙衬层4中碳化硅的量在按重量计20%到80%之间、更优选地在按重量计30%至70%之间。在开始熔化循环之前，感应炉填充有固态金属。当将电能供应给线圈2时，衬层4 将感应地连接，而要熔化的金属将不会感应地连接。在熔化循环的第一周期中，衬层4因此将由于感应而被加热，且热量将通过热辐射而从衬层传递到固态金属。当金属开始熔化时， 熔融金属的导电率将高于衬层4的导电率。熔融金属因而将感应地连接，且所供应的能量的一部分将藉此直接传递到熔融金属。当其它量的金属熔化时，供应的电能的越来越大的部分将直接传递到熔融金属。衬层4上的热应力因而在熔化过程的其余部分期间将充分减少。当完成熔化时，熔融金属从炉倾倒，但是由此一池熔融金属保持例如25%在感应炉中。因此，在开始下一熔化循环时，该池熔融金属将感应地连接。示例衬层的制造
用于操作在3000 Hz频率下的75 kff感应炉的衬层如下制造在耐火层3有嵌入线圈 2 (图1)的内侧铸造绝缘耐火层1。绝缘耐火层1包括按重量计96%的Al2O3，其余是诸如 Si02、Ca0*i^0的杂质。绝缘耐火层1的厚度是25 mm。在绝缘耐火层1的内侧填实衬层 4，所述衬层包括按重量计40%的石墨粉末、按重量计49%的碳化硅、以及按重量计11%的硅颗粒的粉末混合物。基于按重量的石墨颗粒、碳化硅颗粒和硅颗粒的混合物，向该混合物添加14. 3%的苯酚甲醛树脂粘结剂。向粘结剂添加六胺(hexamin)作为固化剂。因此，衬层通过将以石墨柱形式的承座连同热电偶放置在炉中心而被固化并烘焙。衬层4的固化和烘焙通过在最大100°C每小时的加热速率下至1500°C的温度来完成。衬层4通过将衬层4在外部和内部模制部件之间填实而在感应炉外侧分离地替代性地制造。在填实之后，内部模制部件被移除，之后衬层被固化。外部模制部件因此移除且固化衬层被放置在合适炉或加热反应器中，其中衬层在高于1100°c的温度下被烘焙。在1000°C测试衬层的感应率。在开始向感应线圈2供应电能时，炉一次效用最大75 kW。之后，固态硅被供应给炉并熔化。在从炉熔化并倾倒硅之后，衬层被允许冷却至 200°C并且再次测试其在75 kW下的最大效用的感应性。于是，衬层效用为65 kW。因此，衬层效用减少15%。这示出了，在衬层的固化和烘焙期间，衬层的导电率增加使得其感应地连接。硅的熔化
硅块被填充到炉中并加热至1550°C。当供应的效用达到45 kW时，开始熔化。在55分钟时熔化一共15 kg的硅。观测到熔融浴的良好运动，这示出了供应能量的主要部分直接传递到熔融硅。
权利要求
1.一种用于熔化在固态不感应地连接的金属的感应炉，其特征在于，所述感应炉具有衬层，所述衬层包括石墨和碳化硅的混合物，并且所述衬层的导电率高于要熔化金属在金属处于固态的导电率但低于要熔化金属在该金属处于熔融状态的导电率。
2.根据权利要求1所述的感应炉，其特征在于，所述衬层包括按重量计80-20%的石墨和按重量计20-80%的碳化硅。
3.根据权利要求2所述的感应炉，其特征在于，所述衬层包括按重量计70-30%的石墨和按重量计30-70%的碳化硅。
4.一种用于感应炉的衬层，所述感应炉用于熔化在固态下不感应地连接的金属，其特征在于，所述衬层包括石墨和碳化硅的混合物；并且所述衬层的导电率高于要熔化金属在该金属处于固态时的导电率但是低于要熔化金属在该金属处于熔融状态的导电率。
5.根据权利要求4所述的衬层，其特征在于，所述衬层优选地包含按重量计80-20%的石墨和按重量计20-80%的碳化硅。
6.根据权利要求5所述的衬层，其特征在于，所述衬层包含按重量计30-70%的石墨和按重量计70-30%的碳化硅。
7.—种制造用于感应炉的衬层的方法，其中所述衬层的导电率可根据要在炉中熔化的金属的导电率进行调节，使得衬层的导电率高于该金属在固态的导电率但是低于该金属在固态的导电率，其特征在于，将石墨颗粒、碳化硅颗粒和碳基粘结剂的混合物形成衬层， 之后所形成的衬层在大于1100°C的温度下被固化并烘焙。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过调整石墨颗粒和碳化硅颗粒之间的比，调节衬层的导电率。
9.根据权利要求7和8所述的方法，其特征在于，所述混合物包括按重量计20-80%的石墨颗粒和按重量计80-20%的碳化硅颗粒以及基于石墨颗粒和碳化硅颗粒混合物重量的 10-25%量的碳基粘结剂。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述混合物包含按重量计30-70%的石墨颗粒和按重量计70-30%的碳化硅颗粒以及基于石墨颗粒和碳化硅颗粒混合物重量的11-18%量的碳基粘结剂。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳基粘结剂选自天然树脂、合成树脂和柏油基粘结剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述碳基粘结剂选自苯酚甲醛树脂和糠醇。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，添加固化剂。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述固化剂选自六胺和无机酸。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述粘结剂是石油焦炭浙青或柏油浙
16.根据权利要求9-14所述的方法，其特征在于，向石墨颗粒、碳化硅颗粒和碳基粘结剂的混合物添加硅颗粒，其量足以与在粘结剂的碳化期间形成的碳反应得到SiC。
全文摘要
本发明涉及用于熔化在固态不感应地连接的金属的感应炉。感应炉具有衬层，所述衬层包括石墨和碳化硅的混合物，并且其导电率大于要熔化金属在金属在固态时的导电率但是小于要熔化金属在金属在熔融状态的导电率。本发明还涉及用于感应炉的衬层和制造这种衬层的方法。
文档编号H05B6/24GK102204405SQ200980143353
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月19日 优先权日2008年10月31日
发明者A·哈伯格, B·埃格兰, J·A·约翰森, S·马德舒斯 申请人:埃尔凯姆碳有限公司