專利名稱：用于熔化金屬的感應爐、用于感應爐的襯層以及制造這種襯層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于熔化金屬(尤其是硅)的感應爐，且更具體地涉及用于這種爐的襯層。
背景技術(shù)：
通過在感應爐中熔化金屬，大多數(shù)金屬具有如此高導電率以致在固態(tài)感應地連接。對于在感應爐中熔化這種金屬，在感應爐中襯層的電屬性是不重要的，且襯層可由電絕緣材料制成。然而，在固態(tài)時具有低導電率的金屬(例如，硅和鍺)在它們處于固態(tài)時將不會感應地連接。為了開始熔化過程，必須使用承座(suscector)，其在開始固態(tài)硅的熔化過程時被插入到爐中；或者襯層必須由導電材料(例如，石墨)制成，其感應地連接。當使用石墨作為襯層時，在石墨襯層通過感應加熱時將間接地開始熔化，且其中金屬通過來自于石墨襯層的熱輻射而加熱。由于石墨也具有比熔化硅更高的導電率，在整個熔化階段期間以及當硅的一部分處于熔融狀態(tài)時，熱傳遞將基于石墨襯層的感應加熱。這是不利的，因為在整個熔化階段期間石墨襯層將是感應爐的最熱部分。這需要石墨襯層的十分全面冷卻，從而導致高的熱損失。此外，石墨襯層、感應線圈和用于襯層的冷卻系統(tǒng)將經(jīng)受高熱應力。通過本發(fā)明，提供一種用于具有低導電率的金屬(尤其是硅)的感應爐，其中在熔化固態(tài)金屬的開始時通過感應加熱襯層，而當金屬的至少一部分熔化時加熱的主要部分通過感應連接到熔融金屬而不是襯層來完成。還提供一種用于感應爐的襯層，其中在制造襯層期間襯層的導電率可定制，使得襯層的導電率根據(jù)應當在感應爐中熔化的金屬來調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種用于熔化在固態(tài)不感應地連接的金屬的感應爐，所述感應爐具有襯層，所述襯層包括石墨和碳化硅的混合物并且其導電率高于要熔化金屬在金屬處于固態(tài)的導電率但是低于要熔化金屬在該金屬處于熔融狀態(tài)的導電率。襯層優(yōu)選地包括按重量計80-20%的石墨和按重量計20-80%的碳化硅，且更優(yōu)選地襯層包括按重量計70-30%的石墨和按重量計30-70%的碳化硅。通過調(diào)整襯層中碳化硅的含量，襯層的導電率可被定制成與要熔化金屬導電率的導電率有關(guān)，因為襯層的導電率隨著碳化硅含量的增加而降低。本發(fā)明還涉及一種用于感應爐的襯層，所述感應爐用于熔化在固態(tài)不感應地連接的金屬，其中所述襯層的導電率高于要熔化金屬在該金屬處于固態(tài)的導電率但低于要熔化金屬在該金屬處于熔融狀態(tài)的導電率。襯層優(yōu)選地包含按重量計80-20%的石墨和按重量計20-80%的碳化硅，且更優(yōu)選地襯層包含按重量計30-70%的石墨和按重量計70-30%的碳化硅。襯層可以是能夠十分容易地交換的自保持爐缸的形式。在使用根據(jù)本發(fā)明用于熔化在固態(tài)不感應地連接且具有低導電率的金屬(例如，硅)的感應爐時，當爐開始填充固態(tài)金屬在熔化循環(huán)的開始時感應爐中的襯層將感應地連接并且因此被加熱。爐中固態(tài)金屬將藉此通過來自襯層的輻射而被加熱。當金屬的一部分熔化時，熔融金屬將感應地連接并且熱能將直接供應給熔融金屬，所述熔融金屬的導電率遠高于固態(tài)金屬的導電率。因此，在每個熔化循環(huán)的開始時，襯層將僅經(jīng)受十分高的溫度。 因此，由于熱能被直接傳遞到爐中的熔融金屬且因此襯層上的熱應力將充分減少，因此實現(xiàn)好得多的能量利用。因此也減少了對于冷卻襯層和爐的其它部分的需要。這導致充分增加的襯層壽命。根據(jù)本發(fā)明的襯層還具有優(yōu)勢，在于其可由十分清潔的材料制成。本發(fā)明還涉及一種用于制造感應爐的襯層的方法，其中襯層的導電率可被調(diào)節(jié)以使要熔化的金屬適于爐，所述方法特征在于，石墨顆粒、碳化硅顆粒和碳基粘結(jié)劑的混合物形成為襯層，之后所形成的襯層在高于1100°c的溫度下固化并烘焙，其中通過調(diào)節(jié)石墨顆粒和碳化硅顆粒之間的比，調(diào)節(jié)襯層的導電率。優(yōu)選地，所述混合物包括按重量計20-80%的石墨顆粒和按重量計80-20%的碳化硅顆粒以及基于石墨顆粒和碳化硅顆?；旌衔镏亓康?0-25%量的碳基粘結(jié)劑。更優(yōu)選地，所述混合物包括按重量計30-70%的石墨顆粒和按重量計70-30%的碳化硅顆粒以及基于石墨顆粒和碳化硅顆?；旌衔镏亓康?1-18%量的碳基粘結(jié)劑。碳基粘結(jié)劑選自天然樹脂、合成樹脂(例如，苯酚甲醛樹脂和糠醇)或者柏油基粘結(jié)劑(例如，石油焦炭浙青或柏油浙青)。當合成樹脂或天然樹脂(harpik)用作粘結(jié)劑時，選自六胺和有機或無機酸的固化劑優(yōu)選地被添加到粘結(jié)劑。當碳基粘結(jié)劑被添加到石墨顆粒和碳化硅顆粒的混合物時，這將在低溫下提供良好的強度。在加熱和烘焙期間，粘結(jié)劑將碳化并形成固態(tài)碳。此外，使用碳基粘結(jié)劑導致更為致密的襯層，從而防止熔融金屬滲透到襯層中。進一步優(yōu)選的是，向石墨顆粒、碳化硅顆粒和碳基粘結(jié)劑的混合物添加硅顆粒，其量足以與在粘結(jié)劑的碳化期間形成的碳反應得到SiC。


圖1示出了通過根據(jù)本發(fā)明的感應爐的豎直切面。
具體實施例方式在圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的感應爐的實施例，所述感應爐包括絕緣襯層1，在所述襯層的外側(cè)具有嵌入到耐火材料3中的感應線圈2。絕緣襯層1可包括不與碳反應的耐火材料，例如Al2O315在絕緣襯層1的內(nèi)側(cè)，布置根據(jù)本發(fā)明的襯層4，其包括石墨、碳化硅、 碳基粘結(jié)劑和可選硅顆粒的混合物。在填實襯層4時使用內(nèi)部鋼形成部分5。襯層在從150 至600°C之間的溫度下固化，且在高于1100°C的溫度下烘焙。固化溫度取決于所使用的碳基粘結(jié)劑類型。調(diào)節(jié)碳化硅的量，以得到在襯層中希望的導電率。通常，調(diào)節(jié)碳化硅的量，使得烘焙襯層4的導電率高于要在感應爐中熔化的金屬在該金屬處于固態(tài)時的導電率，但低于要熔化金屬在該金屬處于熔融狀態(tài)時的導電率。烘焙襯層4中碳化硅的量在按重量計20%到80%之間、更優(yōu)選地在按重量計30%至70%之間。在開始熔化循環(huán)之前，感應爐填充有固態(tài)金屬。當將電能供應給線圈2時，襯層4 將感應地連接，而要熔化的金屬將不會感應地連接。在熔化循環(huán)的第一周期中，襯層4因此將由于感應而被加熱，且熱量將通過熱輻射而從襯層傳遞到固態(tài)金屬。當金屬開始熔化時， 熔融金屬的導電率將高于襯層4的導電率。熔融金屬因而將感應地連接，且所供應的能量的一部分將藉此直接傳遞到熔融金屬。當其它量的金屬熔化時，供應的電能的越來越大的部分將直接傳遞到熔融金屬。襯層4上的熱應力因而在熔化過程的其余部分期間將充分減少。當完成熔化時，熔融金屬從爐傾倒，但是由此一池熔融金屬保持例如25%在感應爐中。因此，在開始下一熔化循環(huán)時，該池熔融金屬將感應地連接。示例襯層的制造
用于操作在3000 Hz頻率下的75 kff感應爐的襯層如下制造在耐火層3有嵌入線圈 2 (圖1)的內(nèi)側(cè)鑄造絕緣耐火層1。絕緣耐火層1包括按重量計96%的Al2O3，其余是諸如 Si02、Ca0*i^0的雜質(zhì)。絕緣耐火層1的厚度是25 mm。在絕緣耐火層1的內(nèi)側(cè)填實襯層 4，所述襯層包括按重量計40%的石墨粉末、按重量計49%的碳化硅、以及按重量計11%的硅顆粒的粉末混合物?；诎粗亓康氖w粒、碳化硅顆粒和硅顆粒的混合物，向該混合物添加14. 3%的苯酚甲醛樹脂粘結(jié)劑。向粘結(jié)劑添加六胺(hexamin)作為固化劑。因此，襯層通過將以石墨柱形式的承座連同熱電偶放置在爐中心而被固化并烘焙。襯層4的固化和烘焙通過在最大100°C每小時的加熱速率下至1500°C的溫度來完成。襯層4通過將襯層4在外部和內(nèi)部模制部件之間填實而在感應爐外側(cè)分離地替代性地制造。在填實之后，內(nèi)部模制部件被移除，之后襯層被固化。外部模制部件因此移除且固化襯層被放置在合適爐或加熱反應器中，其中襯層在高于1100°c的溫度下被烘焙。在1000°C測試襯層的感應率。在開始向感應線圈2供應電能時，爐一次效用最大75 kW。之后，固態(tài)硅被供應給爐并熔化。在從爐熔化并傾倒硅之后，襯層被允許冷卻至 200°C并且再次測試其在75 kW下的最大效用的感應性。于是，襯層效用為65 kW。因此，襯層效用減少15%。這示出了，在襯層的固化和烘焙期間，襯層的導電率增加使得其感應地連接。硅的熔化
硅塊被填充到爐中并加熱至1550°C。當供應的效用達到45 kW時，開始熔化。在55分鐘時熔化一共15 kg的硅。觀測到熔融浴的良好運動，這示出了供應能量的主要部分直接傳遞到熔融硅。
權(quán)利要求
1.一種用于熔化在固態(tài)不感應地連接的金屬的感應爐，其特征在于，所述感應爐具有襯層，所述襯層包括石墨和碳化硅的混合物，并且所述襯層的導電率高于要熔化金屬在金屬處于固態(tài)的導電率但低于要熔化金屬在該金屬處于熔融狀態(tài)的導電率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應爐，其特征在于，所述襯層包括按重量計80-20%的石墨和按重量計20-80%的碳化硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應爐，其特征在于，所述襯層包括按重量計70-30%的石墨和按重量計30-70%的碳化硅。
4.一種用于感應爐的襯層，所述感應爐用于熔化在固態(tài)下不感應地連接的金屬，其特征在于，所述襯層包括石墨和碳化硅的混合物；并且所述襯層的導電率高于要熔化金屬在該金屬處于固態(tài)時的導電率但是低于要熔化金屬在該金屬處于熔融狀態(tài)的導電率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的襯層，其特征在于，所述襯層優(yōu)選地包含按重量計80-20%的石墨和按重量計20-80%的碳化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的襯層，其特征在于，所述襯層包含按重量計30-70%的石墨和按重量計70-30%的碳化硅。
7.—種制造用于感應爐的襯層的方法，其中所述襯層的導電率可根據(jù)要在爐中熔化的金屬的導電率進行調(diào)節(jié)，使得襯層的導電率高于該金屬在固態(tài)的導電率但是低于該金屬在固態(tài)的導電率，其特征在于，將石墨顆粒、碳化硅顆粒和碳基粘結(jié)劑的混合物形成襯層， 之后所形成的襯層在大于1100°C的溫度下被固化并烘焙。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過調(diào)整石墨顆粒和碳化硅顆粒之間的比，調(diào)節(jié)襯層的導電率。
9.根據(jù)權(quán)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計20-80%的石墨顆粒和按重量計80-20%的碳化硅顆粒以及基于石墨顆粒和碳化硅顆?；旌衔镏亓康?10-25%量的碳基粘結(jié)劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述混合物包含按重量計30-70%的石墨顆粒和按重量計70-30%的碳化硅顆粒以及基于石墨顆粒和碳化硅顆粒混合物重量的11-18%量的碳基粘結(jié)劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳基粘結(jié)劑選自天然樹脂、合成樹脂和柏油基粘結(jié)劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述碳基粘結(jié)劑選自苯酚甲醛樹脂和糠醇。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，添加固化劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述固化劑選自六胺和無機酸。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑是石油焦炭浙青或柏油浙
16.根據(jù)權(quán)利要求9-14所述的方法，其特征在于，向石墨顆粒、碳化硅顆粒和碳基粘結(jié)劑的混合物添加硅顆粒，其量足以與在粘結(jié)劑的碳化期間形成的碳反應得到SiC。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于熔化在固態(tài)不感應地連接的金屬的感應爐。感應爐具有襯層，所述襯層包括石墨和碳化硅的混合物，并且其導電率大于要熔化金屬在金屬在固態(tài)時的導電率但是小于要熔化金屬在金屬在熔融狀態(tài)的導電率。本發(fā)明還涉及用于感應爐的襯層和制造這種襯層的方法。
文檔編號H05B6/24GK102204405SQ200980143353
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者A·哈伯格, B·埃格蘭, J·A·約翰森, S·馬德舒斯 申請人:埃爾凱姆碳有限公司