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高效感應熔化系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:8013503閱讀:436來源:國知局
專利名稱:高效感應熔化系統(tǒng)的制作方法
要求優(yōu)先權本申請要求1999年11月12日提交的美國臨時申請No.60/165.304和2000年4月14日提交的美國申請No.09/550.305作為優(yōu)先權。
如圖2所示,磁場引起負荷電流1在導體材料外圓柱形表面上流動,并且線圈電流11在圖2所示的線圈導體的內表面上流動。在普通熔爐內的爐缸由陶瓷材料制成,并且一般不是導電的。熔爐的效率由下列公式計算等式(1)η=11+D1D2•ρ1ρ2•Δ2Δ1]]>其中η=熔爐效率D1=線圈內部直徑D2=負荷外部直徑P1=線圈繞阻材料的電阻率(銅)P2=負荷的電阻率(熔體)Δ1=銅繞組中的電流穿透深度;Δ2=負荷中的電流穿透深度電流穿過的深度(Δ)是表示有下述公式限定的材料特性的函數(shù)等式(2)Δ=k•ρf•μ]]>其中p=電阻率(歐姆.米)f=頻率(赫茲);u=導磁率(尺寸相對值);Δ=穿過深度(米);在等式(2)中常數(shù)503表示無因次參數(shù)。
因為電流不穿過深入到線圈的低電阻銅材料中,當熔料是鐵時,一般的線圈有效性大約為80%。熔化低電阻材料,例如鋁(一般的電阻率是2.6×10-8歐姆.米),鎂或銅合金的熔爐有更低的效率,大約65%。因為由于電損失而導致的明顯的加熱,感應線圈應當是水冷的,即,線圈由銅管12制成,并且水基冷卻劑通過這些管。當熔化鋁,鎂及其合金時,水的出現(xiàn)會有額外的危險。在爐缸破裂時,水可能進入熔融的鋁中,并且會發(fā)生劇烈的化學反應,其中鋁和水中的氧結合,釋放自由氫,這會引起爆炸。水和鎂之間的接觸也會導致爆炸和著火。當在普通的水冷熔爐中熔化鋁或鎂時,需要特別小心。
經常,在一種稱作“疊式熔爐(STACK FURNACE)”的煤氣加熱爐中熔化鋁廢料。如圖3“疊式熔爐”由兩個腔室組成,一干腔室20和一濕腔室21。利用一負載傳送料斗22裝載廢料18,所述料斗沿圖3表示的箭頭將廢料卸載到干腔室20。所述廢料由來自氣體燃燒器23的火焰熔化。熔融的金屬從干腔室20的下部出口24流入濕腔室21內的浴槽內,其中由第二氣體燃燒器26提供額外的熱量。
本發(fā)明的一個目的是通過增加負載的電阻改進感應爐的效率,增加負載的電阻是通過使用高溫導電材料制成的爐缸或高導磁率的高溫材料作為負荷來實現(xiàn)的。本發(fā)明的另一目的是通過減少感應線圈的電阻來改進感應爐的效率,減少感應線圈的電阻是通過使用彼此絕緣的多個銅導體電纜線束作為線圈實現(xiàn)的。本發(fā)明的再一個目的在于適當?shù)剡x擇操作頻率以產生感應爐的最佳效率。
本發(fā)明的又一個目的是提供具有熔爐和電源的高效感應熔化系統(tǒng),其不使用水冷,但能有效地氣冷。本發(fā)明的再一個目的是使用本發(fā)明的高效感應熔化系統(tǒng)來熔化金屬廢料和鑄模,并提供連續(xù)的熔融金屬源以進行加工,這種加工與感應熔化系統(tǒng)是一體進行的。
發(fā)明概述廣義上講,本發(fā)明是一種用于熔化金屬物料的感應爐。所述感應爐有以基本上由高電阻或高導磁率的材料制成,優(yōu)選由硅化碳或高導磁率的鋼制成。至少一個感應線圈圍繞所述爐缸。所述線圈由彼此絕緣的多個導體的電纜線束構成。一隔離套筒電、熱絕緣由至少一個感應線圈制成的爐缸。優(yōu)選,所述隔離套筒是一種復合陶瓷材料,例如兩層陶瓷之間的氣泡陶瓷。
銅特別適合于用作導體,因為其兼具高導電性和較高的熔化點。電纜的特別優(yōu)選的形式是李茲線(Litz),其中每個絕緣的導體這樣組織在一起,即,每個導體連續(xù)地在電纜的橫截面占據所有可能的位置,以最小化集膚效應并在導體之間均勻分布電源。
另一方面,本發(fā)明是一種感應熔化系統(tǒng),其用于熔化金屬物料。這種系統(tǒng)至少有一個電源。所述容納金屬物料的爐缸主要由一種高電阻的材料或高導磁率的材料,優(yōu)選為硅化碳或高導磁率的鋼制成。至少一個感應線圈圍繞圍繞爐缸。所述線圈由彼此絕緣的多個銅導體的電纜線束構成。一隔離套筒電和熱使爐缸與至少一個感應線圈絕緣。優(yōu)選所述隔離套筒是一種復合陶瓷材料,例如兩層陶瓷之間的氣泡陶瓷。優(yōu)選所述感應熔化系統(tǒng)是由氣源氣冷的,所述氣源大致冷卻電源的每個部件和線圈。所述金屬物料放置在爐缸中。從至少一個電源供應電流至至少一個線圈以感應加熱爐缸。熱量從爐缸通過輻射或傳導傳遞到金屬物料,并且熔化金屬物料。
另一方面,本發(fā)明是一種感應熔化系統(tǒng),用于從包含重金屬夾雜物的金屬廢料中分離金屬。所述系統(tǒng)包括至少一個電源。干腔室感應爐包括一個個爐缸用于容納金屬廢料。所述爐缸主要由高電阻率或高導磁率的材料制成,優(yōu)選為硅化碳或高導磁率的鋼。至少一個感應線圈圍繞爐缸。所述線圈由多個導體的電纜線束構成,優(yōu)選為彼此絕緣的大量銅導體。一隔離套筒使爐缸與至少一個感應線圈電和熱絕緣。優(yōu)選所述隔離套筒是一種復合陶瓷材料,例如例如兩層陶瓷之間的氣泡陶瓷。干腔室感應爐包括從熔爐中運出熔融金屬的裝置,優(yōu)選通過在熔爐底部的槽進行。濕腔室感應爐接受從干腔室感應爐中出來的熔融金屬。所述濕腔室感應爐具有由類似于干腔室感應爐中的爐缸的材料、高電阻或高導磁率的材料制成的爐缸,至少一個感應線圈類似于干腔室感應爐中的線圈,并且隔離套筒與干腔室感應爐中的隔離套筒相類似地放置。所述感應熔化系統(tǒng)還包括用于除去來自干腔室熔爐的感應室的重金屬夾雜物的裝置,優(yōu)選是鉸接的底部,其能打開以釋放夾雜物。干腔室熔爐的蓋可以包括輸送管用于排除在干腔室熔爐的爐缸內熔融金屬產生的煙。振動傳送器能用于將金屬廢料至入干腔室熔爐的傳送器內。額外的濕腔室熔爐能設有傳輸裝置,優(yōu)選為流水槽系統(tǒng),以從干腔室熔爐向任何一個濕腔室熔爐中選擇性地傳輸熔融金屬。優(yōu)選干腔室熔爐或濕腔室熔爐或兩個熔爐都是由單一氣源氣冷的,所述氣體連續(xù)冷卻至少一個電源的部件和至少一個與干腔室熔爐或濕腔室熔爐或兩個熔爐相連的感應線圈。金屬廢料放置在干腔室感應熔爐的干腔室爐缸中。來自至少一個電源的電流流至至少一個圍繞干腔室爐缸的感應線圈內,以感應加熱爐缸。熱量從爐缸傳遞至金屬廢料,由此生產出熔融金屬,其從干腔室熔爐中流出,選擇性地到達濕腔室感應爐的濕腔室爐缸內。來自至少一個電源的電流到達至少一個適當圍繞濕腔室爐缸之一的感應線圈,以感應加熱爐缸。熱量從爐缸傳遞至爐缸內的熔融金屬。一個或多個濕腔室爐缸能從相連的濕腔室感應爐中移出。
在又一方面,本發(fā)明是一種用于從熔融金屬鑄造鑄模的感應爐。所述系統(tǒng)有至少一個電源。一密封的爐缸容納并加熱熔融金屬。所述爐缸主要由高電阻率或高導磁率的金屬制成,優(yōu)選為硅化碳或高導磁率的鋼。至少一個感應線圈圍繞爐缸。所述線圈由彼此絕緣的多個銅導體的電纜線束構成。一隔離套筒電和熱使爐缸與至少一個感應線圈絕緣。優(yōu)選所述隔離套筒是一種復合陶瓷材料,例如兩層陶瓷之間的氣泡陶瓷。一種適當?shù)牡幌抻诖说奶沾蓮秃喜牧鲜卿X基或硅基陶瓷。一管優(yōu)選有一個凸緣端部,穿過爐缸的密封件并部分浸入熔融的金屬浴中。一模制件在管的凸緣端對準,這樣其門與管的開口相重合。在密封的爐缸上有一個開口用于連接控制的加壓氣體至爐缸的內部。優(yōu)選所述感應熔化系統(tǒng)是由氣源氣冷的,所述氣源大致冷卻電源的每個部件和線圈。所述金屬物料放置在爐缸中并且爐缸是密封的。從至少一個電源供應電流至至少一個線圈以感應加熱爐缸。熱量從爐缸傳遞到金屬物料,熔化金屬物料并保持金屬熔化。加壓氣體通過氣體出口噴入密封腔室,以對爐缸的內部加壓,并迫使熔融的金屬通過管,進入模腔。當鑄模內填充有熔融的金屬時,爐缸的內部受壓,鑄模從管的有凸緣的端部移出。
在再一方面,本發(fā)明是一種用于連續(xù)供應熔融的金屬的感應熔化系統(tǒng)。所述系統(tǒng)有至少一個電源。一密封的爐缸容納并加熱熔融金屬。所述爐缸主要由高電阻率或高導磁率的金屬制成,優(yōu)選為硅化碳或高導磁率的鋼。至少一個感應線圈圍繞爐缸。所述線圈由彼此絕緣的多個銅導體的電纜線束構成。一隔離套筒電和熱使爐缸與至少一個感應線圈絕緣。優(yōu)選所述隔離套筒是一種復合陶瓷材料,例如兩層陶瓷之間的氣泡陶瓷。入口管道有一在密封的爐缸外側的接收端和在密封的爐缸內側的相反的端部,所述相反的端部浸入熔融金屬浴中。出口管道伸入密封的爐缸中,有一端浸入熔融的金屬浴中,另一相反端部位于爐缸的外側。在密封的爐缸上有一個開口用于連接控制的加壓氣體至爐缸的內部。優(yōu)選所述感應熔化系統(tǒng)是由氣源氣冷的,所述氣源大致冷卻電源的每個部件和線圈。熔爐喂入物料由來自爐缸的熱傳遞進行加熱,爐缸通過至少一個圍繞爐缸的感應線圈進行感應加熱。加壓氣體通過氣體出口噴入密封腔室,以對爐缸的內部加壓,并迫使熔融的金屬通過出口管,到達出口端。出口管道可以是虹吸管,其能保持來自爐缸的熔融金屬的連續(xù)流,而不需要維持爐缸內的連續(xù)的壓力??梢栽诤缥艹隹诠艿捞峁┮粋€氣體出口,用于噴射氣體到出口管道以打破熔融金屬的連續(xù)流動特性。
從所附的說明書和權利要求書很明顯可以得知本發(fā)明的這些方面。


圖1是表示感應熔化系統(tǒng)的附圖,所述感應熔化系統(tǒng)包括一爐缸和整流器;圖2是圍繞爐缸的銅感應線圈的截面圖,所述爐缸內部有導電材料;圖3是包括干腔室和濕腔室的疊式熔爐,所述物料傳送料斗用于將物料卸載到干腔室內;圖4是示出用在本發(fā)明的感應爐內的高電阻率的爐缸內的電流分布的截面圖;圖5(a)是用在本發(fā)明的感應爐內的加捻的多個銅導體構成的電纜線束的立體圖;圖5(b)是圖5(a)所示的電纜的截面視圖;圖5(c)是制造電纜線束的絕緣銅導體的截面圖;圖6(a)是本發(fā)明的感應爐的截面圖,具有較高的電阻率,感應線圈在圖5(a)中示出;圖6(b)是圖6(a)所示的隔離套筒的截面視圖6(c)是示出流過電源和用于本發(fā)明的感應熔化系統(tǒng)的感應線圈的空氣流;圖7是本發(fā)明感應熔化系統(tǒng)的一個實施例的電路的電路圖;圖8(a)是本發(fā)明的用于從金屬廢料中分離金屬的感應熔融系統(tǒng)的橫截面圖;圖8(b)是與本發(fā)明的感應熔化系統(tǒng)一起使用的干腔室熔爐底部的一個實施例的立體圖;圖8(c)是圖8(b)的剖面線A-A所表示的干腔室熔爐的底部剖視立體圖;圖9是本發(fā)明的感應熔化系統(tǒng)的立體圖,用于從金屬廢料中分離金屬,其中設有兩個濕熔爐腔室用于儲存熔融的金屬,在濕熔爐腔室中的爐缸是輕便式的;圖10是本發(fā)明的感應熔化系統(tǒng)的截面圖;圖11是本發(fā)明的用于提供連續(xù)的熔融金屬的感應熔化系統(tǒng)的截面圖;圖12是本發(fā)明的用于提供連續(xù)的熔融金屬的感應熔化系統(tǒng)的截面圖,其中熔融金屬從爐缸中流出;圖13是本發(fā)明的用于加熱連續(xù)的工件的感應隧道式加熱系統(tǒng)的立體圖;圖14是本發(fā)明的用于加熱單個工件的感應加熱系統(tǒng)的立體圖。
發(fā)明詳述如果能增加負載的電阻率,就能改進由等式(1)和等式(2)表示的感應爐的效率。通過將電磁場連接到爐缸上而非金屬本身上可以增加熔爐內負載的電阻率,所述熔爐用于熔化高導電性金屬,例如鋁、鎂或銅合金。所述陶瓷爐缸可以由高溫、導電且具有較高電阻率的材料替代。硅化碳(SiC)是一種具有這些性能的材料,即電阻率大致為10~104歐姆·米。電阻率大致在3000~4000歐姆.米的硅化碳組合物特別適于本發(fā)明?;蛘撸鰻t缸可以由鋼做成。例如高導磁率的鐵磁鋼,導磁率在5000左右。在此情況下,不是取決于高電阻率,高導磁率會導致電流較深地穿過。圖4示出爐缸27內的電流28的分布,這會產生高的總電阻的效果。當爐缸的壁厚大約為電流穿入爐缸的深度的1.3至1.5倍時,可以取得最好的效果。在此情況下,高導電性的熔融金屬29的分流作用可以最小化。
通過減小線圈的電阻率可以實現(xiàn)額外的對感應爐的效果的改進。高導電性的銅廣泛地用作線圈繞阻的材料。然而由于銅的高導電性(低電阻),電流集中在面對負載的線圈表面的線圈電流的薄層上,如圖2所示。電流穿過的深度由等式(2)給出。由于層相當薄,特別是在頻率提高的情況下。有效的線圈電阻可以高過銅和銅線圈的整個橫截面區(qū)域的電阻率。這會明顯地影響熔爐的效率。不使用實心管導體,本發(fā)明的一個實施例使用彼此絕緣的多個銅導體卷繞而成的電纜17,如圖5(a),5(b),5(c)所示。在圖5(c)中示出了一絕緣的銅導體14,具有一絕緣件16,其使銅導體15與周圍的導體相絕緣。在電子工業(yè)中已知的電纜是李茲線。其能確保在每個單個的銅線的直徑明顯小于等式(2)給出的電流穿入深度Δ1時,在銅導體橫截面內的電流的均勻分布。對于本申請,適當?shù)?,但不限定于此,銅絞線的根數(shù)大約在1000至2000之間。也可以采用不同于李茲線的結構,只要不脫離本發(fā)明的構思。
適當?shù)剡x擇操作頻率可以產生感應爐的最佳效率。所述頻率選擇的標準基于電流在高電阻率的爐缸和銅線圈中的穿過深度。所述兩個標準是Δ1>>d1;并且Δ2≈1.2d2其中d1=李茲線的銅絞線的直徑,d2=爐缸壁的厚度。
例如,當銅絞線的直徑為d1=0.01英寸,并且硅化碳壁的厚度d2=2.0英寸時,最佳的頻率是3,000HZ.以此選擇,線圈中的相應的電損失可以減少至2.2%,其大于標準感應爐的15倍。
可接受地,但不限定于如此,根據本發(fā)明的的熔爐的參數(shù)選定為,d1在0.2到2.0米的范圍內,d2在0.15到1.8米的范圍內,并且頻率在1000至5000Hz的范圍內。
這種頻率的增加或線圈損失的減少,以及由此導致的線圈加熱的減少,消除了對水基冷卻系統(tǒng)的需要。相反,通過感應線圈的合理的氣流足以除去線圈產生中產生的熱量。熔爐爐缸能與線圈良好地絕緣,以使由于熱傳導而導致的熱損失和加熱銅繞組最小化。
現(xiàn)參照附圖,其中相同的標號表示相同的部件,在圖6(a)中示出了根據本發(fā)明的高效感應熔融系統(tǒng)33的一個實施例。所述感應熔融系統(tǒng)33包括高電阻率或高導磁率的容納金屬物料31的爐缸30。所述高電阻率或高導磁率是通過使用由高電阻率的材料(p>2500微歐·厘米),諸如硅化碳或高導磁率的鋼來實現(xiàn)的。所述熔爐材料的選擇取決于待熔化的材料的性質。對于鋁或銅合金,硅化碳是較好的爐缸材料,而對于鎂或鎂合金,鋼可以是爐缸材料較好的選擇。所述爐缸30由線圈32的電流產生的磁場加熱,所述線圈由李茲線制成。所述熱的爐缸由隔離套筒34與線圈熱和電絕緣。所述隔離套筒由高強度的復合陶瓷材料構成,所述復合陶瓷材料包括一個或多個內層35和外層36,填充有有良好絕熱性能的氣泡陶瓷37。所述隔離套筒的蜂房式結構提供了必要的強度和絕熱性能。所述隔離套筒的電絕緣特性,以及其低的導磁性能確保在隔離套筒的內部沒有可察覺到的感應熱的產生。其使熱量集中在爐缸30的內部,在隔離套筒34的熱絕緣的內側,這改進了感應熔化系統(tǒng)33的效率并減少了線圈32的發(fā)熱。
本發(fā)明的一個實施例包括一個整流器39,其將三相標準的線電壓,例如220,280,或660轉變成單相電壓,頻率在1000至3000Hz.所述整流器可以包括電源半導體二極管41,硅可控整流器(SCR)40,電容42,電感器43和46,和控制電子元件。在圖7中示出了整流器的一種實施形式的示意圖。所有的整流器的半導體元件通過熱交換器44進行氣冷。也可以使用其它的轉換電流系統(tǒng)和機電系統(tǒng)。
在本發(fā)明的一個實施例中,所述整流器39相鄰于感應線圈32安裝。如圖6(a)和圖6(b)所示,一氣流47(如由箭頭表示的來自外吹風機)47喂入整流器,其中冷空氣先冷卻半導體的熱交換器44,然后電容,電感器和其它元件。所述整流器殼體是受正壓力的,以放置鑄造廠的灰塵進入電子元件。所述氣流從電源39的后壁上的開口48出來,流過線圈室38以帶走線圈的熱量。在圖6(c)中,為了清楚地示出通過感應熔化系統(tǒng)的氣流47,所述感應熔化系統(tǒng)33用虛線表示。
為了熔化所包含的廢料79,本發(fā)明的另一個實施例包括一個感應廢料熔爐78,其包括兩個感應加熱的熔爐,一個形成以干腔室50,另一個形成一濕腔室60,如圖8(a)所示。干腔室熔爐所選擇的元件類似于圖6(a)所示出的感應熔化系統(tǒng)的部件。例如,所述干腔室包括高電阻率的導電的壁51,所述壁能通過外部的低電阻率的李茲線圈52中的電流感應加熱。所述腔室的壁通過陶瓷套筒53與線圈電和熱絕緣。與圖6(a)所示出的感應熔化系統(tǒng)不同,干腔室的底部54包括一個槽55(在圖8(b)和圖8(c)可以更清楚地看出,熔融金屬通過所述槽可以從干腔室流入濕腔室60。
可以有重金屬夾雜物,例如鐵或鋼(一般是當再熔帶有鋁套插入件的鋁發(fā)動機組時)的鋁廢料在振動式傳送器49的幫助下填充入干腔室的開口部分。熔爐的傾斜的蓋56具有一排氣管57。由于感應熔爐78不燃燒燃料,唯一的容器是盛裝金屬廢料的容器。因次通過連接到熔爐蓋56的排氣管57上的排除系統(tǒng)(附圖未示出)能很容易地排除。
所述鋁廢料79通過來自干腔室壁51的輻射而被加熱。隨著所裝載的物料預熱并且熔化,所述金屬廢料79朝向底部移動。熔融的金屬通過底部的槽55到達濕腔室60。所述未熔化的鋼夾雜物和非金屬浮渣留在干腔室底部54。
在本發(fā)明的另一個實施例中,所述干腔室的底部54鉸接在鉸接件58上。一個支撐所述干腔室的圓柱體59能傾斜底部,以將浮渣和重鋼余料移入渣料斗77中。所述渣料斗77和圓柱體59在圖8(a)中用虛線示出表示當?shù)撞?4打開時,其所在的位置。所述濕腔室60類似于前述的感應加熱的熔爐。
圖9示出本發(fā)明的另一個實施例,其中感應堆疊爐的干腔室熔爐70能連接兩個濕腔室爐71和72。一可轉動的流水槽73引導金屬流離開干腔室進入濕腔室中的一個。所述腔室以這種形式構造,即帶有熔融金屬的爐缸74可以通過降低熔爐或提高感應線圈從濕腔室感應爐中移出。所述帶有熔融金屬的爐缸可以送入工廠周圍的鑄造站或送到其他的工廠。因此通過干腔室爐70可以連續(xù)地供應熔融的金屬,其中金屬在爐缸中分布。
圖10示出本發(fā)明的感應熔化系統(tǒng)的另一個實施例。在此實施例下,熔爐覆有移密封蓋80,通過該密封蓋一高溫管81可以進入金屬浴中。在另一端,管81有一凸緣連接到鑄模82上,所述鑄??梢允怯谰眯缘蔫T模,或是砂模,鑄模內的進料門與管相連。壓力氣體通過口85噴入蓋80和金屬浴表面87之間的熔爐內。額外的壓力迫使熔融金屬31提升澆鑄管81并將熔融的金屬注入鑄模的模腔84內。在鑄模和澆鑄管之間的窄的入口86在鑄模能夠從凸緣上移動之前冷凍。所述熔爐降壓,并且管中多余的金屬回到熔融的金屬浴中。為了用熔融的金屬重新填充熔爐,蓋80能被抬起。
本發(fā)明的感應熔化系統(tǒng)能用于從感應爐中提供連續(xù)的熔融金屬。如圖11所示,高爐喂入材料放置在高溫入口管道91的接收器96內。入口管道91的出口端(與接收器96相對)位于熔融金屬浴87的表面的下方,優(yōu)選與爐缸30的壁相鄰,以實現(xiàn)從爐缸壁到輸入管道的高的熱傳輸率。喂入的材料,取決于特定的爐設計和操作條件,可以從不純的固體金屬變化至金屬漿或至低溫下能熔融的金屬。高爐喂入材料通過入口管道91到達出口端97進入爐缸,在爐缸內進一步熔化并與出來的熔融金屬31相混合。
高溫出口管道92提供了從爐缸30連續(xù)引導熔融金屬的方式。如圖11和圖12所示,出口管道的部分包括爐缸的內壁。完全與內壁分離的管道可以使用。從適當源(附圖未示出)出來的控制的加壓氣體通過口85噴射入封閉的容積,所述容積由爐缸和蓋組件和熔融金屬浴的表面界定。所述氣體保持在金屬浴上的壓力,以迫使熔融金屬通過出口管道92離開爐缸。
在圖12示出的另一個實施例中,出口管道93形成虹吸管,其使得感應熔融系統(tǒng)能通過出口管道的出口94提供來自爐缸30的連續(xù)的金屬流,無需通過口85的連續(xù)的氣體壓力。出口管道93的出口94能與指引澆鑄線相對準,運輸熔爐或其它這樣的容器,以在熔融金屬從出口管道出來時接受熔融金屬??梢栽O有口95以在壓力進入出口管道93時,注入足夠的氣體量,這樣可以在連續(xù)的熔融金屬流中產生氣體中斷??梢允褂靡粋€閥98控制流入出口管道的氣體流。兩個不連續(xù)的中斷的熔融金屬流可以流回爐缸,而另一中斷的熔融金屬流流出出口94。當連續(xù)的熔融金屬流從出口通道流出時,在通向出口管道93的入口95內能維持一小的正壓力。虹吸管和氣體中斷以停止流動的優(yōu)點在于,其可避免使用串聯(lián)的機械泵或閥,這些機械泵或閥會由于在泵送期間熔融金屬的冷凍和流動的中斷而導致的快速實效。
在圖13示出的另一實施例中,根據本發(fā)明的高效感應加熱系統(tǒng)33a采用隧道式烘爐的形式,通過所述隧道式烘爐,連續(xù)的工件90,例如金屬廢料,線或其他連續(xù)的代加熱的物體能由一機械傳輸系統(tǒng)(圖中未示出)沿由箭頭表示的方向(未示出)運送通過烘爐。在此實施例中,所述烘爐管道爐缸30a,由隔離套筒34a圍繞。所述線圈32a是圍繞隔離套筒34a的外部卷繞的并且連接到適當?shù)碾娫凑髌魃?如圖13)所示。一般,上述的爐缸30,線圈32和整流器39和隔離套筒34適用于爐缸30a,線圈32b和圖13未示出的電源整流器和隔離套筒34a。在另一實施例中,隧道式烘爐的縱向部分包括爐缸30a的縱向部件和隔離套筒34a,并且線圈32a的部分可以選擇性地從隧道式烘爐的其它部分上除下,這樣通過沿垂直于工件通過隧道式烘爐移動的方向移動隧道式烘爐,隧道式烘爐能從工件90的周圍移除。通過鉸接的和/或本領域中已知的互鎖電接觸元件(例如爪形接點)的設置,可以實現(xiàn)在可移除的線圈部分中的選擇性的電連續(xù)性。
在圖13所示出的隧道式烘爐的變動形式中,根據本發(fā)明的封閉的高效感應加熱系統(tǒng)33b能通過下述步驟而形成封閉圖14所示出的隧道式烘爐的第一端92,如圖14所示插入待在工件傳輸系統(tǒng)96上加熱的單個的工件94,封閉烘爐的第二端部98。烘爐的封閉端92和98由成分類似于隔離套筒34a的材料形成?;蛘呷绻皇褂梅忾]端92和98,工件傳輸系統(tǒng)96是連續(xù)的傳輸系統(tǒng),其移動多個位于傳送器上的單個的工件94,可以實現(xiàn)高效感應加熱系統(tǒng),以連續(xù)供應單個的工件。
前述實施例并不用于限制本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明的保護范圍在所附的權利要求書中。
權利要求
1.一種用于熔化金屬物料的感應爐,其包括一用于容納所述金屬物料的爐缸,所述爐缸主要由高電阻率或高導磁率的材料制成;至少一個感應線圈,所述感應線圈包括多個彼此隔離的導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸;和一個電和熱絕緣且導磁率較低的隔離套筒,所述隔離套筒將所述爐缸與所述至少一個感應線圈分離開來。
2.如權利要求1所述的感應爐,其特征在于,所述爐缸由硅化碳或高導磁率的鋼制成。
3.如權利要求1所述的感應爐,其特征在于,所述隔離套筒包括一種復合陶瓷材料。
4.如權利要求3所述的感應爐,其特征在于,所述復合陶瓷材料包括位于至少一內陶瓷層和至少一外陶瓷層之間的氣泡陶瓷。
5.一種用于熔化金屬物料的感應熔化系統(tǒng),其包括至少一個電源,其包括用于以選定的頻率提供交流電源的反相器;一用于容納所述金屬物料的爐缸,所述爐缸主要由高電阻率或高導磁率的材料制成;至少一個感應線圈,所述感應線圈包括多個彼此隔離的導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸;和一個使所述爐缸與所述至少一個感應線圈電和熱絕緣的隔離套筒;其中由所述至少一個感應線圈中的選定頻率的電流產生的磁場穿透進入爐缸材料內的深度在爐缸的一半厚度到整個厚度之間,所述磁場穿入導體材料的深度大于導體的厚度,并且所述磁場穿入隔離套筒材料的深度大于隔離套筒的厚度;在所述至少一個感應線圈內的電流產生的磁場與所述爐缸感應藕合,以用從爐缸傳遞過來的熱量加熱所述爐缸,熔化所述金屬物料。
6.如權利要求5所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述爐缸由硅化碳或高導磁率的鋼制成。
7.如權利要求5所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述隔離套筒包括一種復合陶瓷材料。
8.如權利要求7所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述復合陶瓷材料包括位于一內陶瓷層和一外陶瓷層之間的氣泡陶瓷。
9.如權利要求5所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個電源和所述至少一個感應線圈是氣冷的。
10.如權利要求5所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個電源相鄰于所述至少一個感應線圈安裝。
11.如權利要求10所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,一氣流大致冷卻所述至少一個電源的部件和所述至少一個感應線圈。
12.如權利要求5所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個電源以選定的頻率操作,使得在所述至少一個感應線圈內的電流穿入深度明顯大于每個銅導體的直徑,并且電流在所述爐缸內的穿入深度大致為所述爐缸的厚度的1.2倍。
13.一種熔化金屬物料的方法,所述方法包括以下步驟將金屬物料放置在大致由高電阻率或高導磁率材料制成的爐缸內;通過供應選定頻率的電流到至少一個感應線圈而感應加熱所述爐缸,所述所述感應線圈包括多個彼此隔離的導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸并通過一個隔離套筒與所述爐缸電和熱絕緣;和通過將熱量從所述爐缸傳導至所述金屬物料而熔化所述金屬物料;其中由所述至少一個感應線圈中的電流產生的磁場穿透進入爐缸材料內的深度在爐缸的一半厚度到整個厚度之間,所述磁場穿入每個導體材料的深度大于每個導體的厚度。
14.一種用于從包含重金屬夾雜物的金屬廢料中分離金屬的感應熔化系統(tǒng),其包括至少一個電源;一干腔室感應爐,用于接收和加熱所述金屬廢料,以產生熔融金屬,所述干腔室感應爐還包括用于容納和加熱所述金屬廢料的干腔室爐缸,所述爐缸大致由高電阻率和高導磁率的材料形成,以限制電流在有磁場的情況下穿入所述爐缸的深度;至少一個感應線圈,所述感應線圈包括多個彼此隔離的導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述干腔室爐缸;和一個隔離套筒,所述隔離套筒使所述干腔室爐缸與所述至少一個感應線圈電和熱絕緣;其中由電流在所述至少一個連接到所述至少一個電源上感應線圈內的電流感應藕合到所述干腔室爐缸上以加熱所述干腔室爐缸,加熱是由來自所述干腔室爐缸的熱量進行的,以由所述金屬廢料生產所述熔融金屬;用于從所述干腔室感應爐中運出所述熔融金屬的裝置;一濕腔室感應爐,通過所述運出熔融金屬的裝置接受所述熔融金屬,所述濕腔室感應爐還包括用于容納熔融金屬的濕腔室爐缸,所述爐缸大致由高電阻率和高導磁率的材料形成,以限制電流在有磁場的情況下穿入所述爐缸的深度;至少一個感應線圈,所述感應線圈包括多個彼此隔離的導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述濕腔室爐缸并連接到所述至少一個電源上;和一個隔離套筒,所述隔離套筒使所述濕腔室爐缸與所述至少一個感應線圈電和熱絕緣;和用于從所述干腔室感應熔爐中移出重金屬夾雜物的裝置。
15.如權利要求14所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述干腔室熔爐和所述濕腔室熔爐大致由硅化碳或高導磁性的鋼制成。
16.如權利要求14所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述用于干腔室感應爐的隔離套筒和用于濕感應爐的隔離套筒是復合陶瓷材料。
17.如權利要求16所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述復合陶瓷材料包括位于至少一內陶瓷層和至少一外陶瓷層之間的氣泡陶瓷。
18.如權利要求14所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個電源和所述至少一個干腔室感應爐以及濕腔室感應爐的感應線圈是氣冷的。
19.如權利要求14所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個電源相鄰于所述至少一個感應線圈安裝,并且其中所述至少一個電源、所述至少一個干腔室感應爐和所述濕腔室感應爐的至少一個線圈是氣冷的。
20.如權利要求19所述的感應熔融系統(tǒng),其特征在于,氣流連續(xù)冷卻所述至少一個電源的部件和至少一個感應線圈。
21.如權利要求14所述的感應熔融系統(tǒng),其特征在于,所述從干腔室感應爐運送所述熔融金屬到所述濕腔室感應爐的裝置包括在所述干腔室感應爐底部的槽。
22.如權利要求14所述的感應熔融系統(tǒng),其特征在于,所述用于移走重金屬夾雜物的裝置包括在所述干腔室感應爐內的鉸接的底部。
23.如權利要求22所述的感應熔融系統(tǒng),其特征在于,所述用于移走重金屬夾雜物的裝置包括一圓柱體和一渣料斗,所述圓柱體支撐所述鉸接的底部以選擇性地打開所述鉸接的底部,所述渣料斗用于當所述鉸接的底部打開時接受所述重金屬夾雜物。
24.如權利要求14所述的感應熔化系統(tǒng),其中所述干腔室感應爐具有一個蓋,所述蓋包括一個用于排出由于加熱所述廢料金屬而產生的煙。
25.如權利要求14所述的感應熔化系統(tǒng),其還包括在所述干腔室熔爐內放置所述金屬廢料的振動式傳送器。
26.如權利要求14所述的感應熔化系統(tǒng),其還包括,一個或多個濕腔室感應爐,并且其中所述用于從干腔室感應爐運出所述熔融金屬到所述濕腔室熔爐的裝置包括用于從所述干腔室傳送熔融的金屬的傳輸裝置。
27.如權利要求26所述的感應熔化系統(tǒng),其中,所述傳輸裝置用于從所述干腔室感應爐有選擇地在所述濕腔室感應爐和所述一個或多個濕腔室感應爐中傳輸熔融金屬。
28.如權利要求26所述的感應熔化系統(tǒng),其中,所述干腔室爐缸可以從所述干腔室感應爐上拆除。
29.如權利要求14所述的感應熔化系統(tǒng),其中,所述至少一個電源以選定的頻率操作,使得電流在所述干腔室感應爐和濕腔室感應爐內的所述至少一個感應線圈內穿入的深度明顯大于所述干腔室感應爐和是腔室感應爐的每個銅導體的直徑,并且電流在所述干腔室爐缸內的穿入深度大致等于所述爐缸厚度的1.2倍。
30.一種用于從包含重金屬夾雜物的金屬廢料中分離金屬的方法,所述方法包括以下步驟將上述金屬廢料放置在大致由高電阻率或高導磁率的材料制成的爐缸內;通過向至少一個感應線圈供應電流而感應加熱所述干腔室爐缸,所述感應線圈包括多個彼此隔離的銅導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸,并且電和熱絕緣所述干腔室爐缸;通過從所述干腔室爐缸向所述熔融金屬傳導熱量而熔化所述金屬廢料;有選擇地從所述干腔室爐缸將熔融的金屬運出到一個或多個大致由高電阻率或高導磁率的濕腔室爐缸內;通過向至少一個感應線圈供應電流而感應加熱所述一個或多個濕腔室爐缸,所述感應線圈包括多個彼此隔離的銅導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述一個或多個濕腔室爐缸,并且電和熱絕緣所述濕腔室爐缸;通過從濕腔室爐缸向所述熔融金屬物料傳導熱量而加熱所述一個或多個濕腔室爐缸內的熔融金屬。
31.根據權利要求30所述的方法,其還包括步驟從所述一個或多個濕腔室熔爐中移出一個或多個濕腔室爐缸。
32.一種用于從熔融金屬澆鑄出一鑄模的感應爐,其包括至少一個電源;用于容納并加熱所述熔融金屬的爐缸,所述爐缸大致由高電阻率或高導磁率的材料制成,以限制電流在有磁場的情況下穿入所述爐缸的深度;用于密封所述爐缸的內部的密封裝置;至少一個感應線圈,其包括多個彼此隔離的銅導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述高電阻率的爐缸;和一個隔離套筒,用于使所述高電阻率爐缸與所述至少一個感應線圈電和熱絕緣;一個管通過所述密封裝置伸出,所述管包括浸入所述熔融的金屬的第一端和一個與所述第一端相對的凸緣端;所述鑄模放置在所述凸緣端上,所述鑄模的入口與所述管的開口對準;和所述密封裝置內的開口,用于將壓力氣體注入所述爐缸的內部,以在所述爐缸內對著所述熔融金屬的表面施加一個壓力;其中所述熔融金屬被迫通過所述管內的開口進入所述鑄模的入口以填充所述鑄模的模腔。
33.如權利要求32所述的感應爐,其中所述爐缸大致由硅化碳或高導磁率的鋼制成。
34.如權利要求32所述的感應爐,其中所述隔離套筒是一種復合陶瓷材料。
35.如權利要求34所述的感應爐,其中所述復合陶瓷材料包括位于至少一陶瓷內層和至少一陶瓷外層之間的氣泡陶瓷。
36.如權利要求32所述的感應熔融系統(tǒng),其中所述至少一個電源和所述至少一個感應線圈是氣冷的。
37.如權利要求32所述的感應熔融系統(tǒng),其中所述至少一個電源相鄰于所述至少一個感應線圈安裝。
38.如權利要求37所述的感應熔化系統(tǒng),其中,氣流連續(xù)冷卻所述至少一個電源的部件和至少一個感應線圈。
39.如權利要求32所述的感應爐,其中所述至少一個電源以選定的頻率操作,使得電流在所述至少一個感應線圈內穿入的深度明顯大于多個銅導體中的每一個的直徑,并且電流在所述爐缸內的穿入深度大致等于所述爐缸厚度的1.2倍。
40.一種由熔融的金屬澆鑄鑄模的方法,其包括以下步驟將上述熔融的金屬放置在大致由高電阻率或高導磁率的材料制成的爐缸內;密封所述爐缸的內部;通過向至少一個感應線圈供應電流而感應加熱所述爐缸,所述感應線圈包括多個彼此隔離的銅導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸,并且電和熱絕緣所述爐缸;通過從所述爐缸向所述熔融金屬傳導熱量而加熱所述熔融金屬;將所述鑄模放置在通過所述爐缸伸出的管的凸緣端,這樣所述鑄模的入口位于所述凸緣端的開口處;使所述管的與凸緣端相對的一端浸入熔融的金屬中;將氣體注入所述爐缸中以對所述爐缸的內部加壓,并迫使熔融的金屬通過所述管進入所述鑄模內;用熔融的金屬填充所述鑄模;使所述爐缸降壓,并且將所述鑄模從所述管上移開。
41.一種用于提供連續(xù)的熔融金屬的感應熔化系統(tǒng),其包括至少一個電源;用于容納和加熱所述熔融金屬的爐缸,所述爐缸大致由高電阻率或高導磁率的材料制成,以限制電流在有磁場的情況下穿入所述爐缸的深度;密封所述爐缸內部的密封裝置;至少一個感應線圈,所述感應線圈包括多個彼此隔離的銅導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸;和一個隔離套筒,使所述爐缸與所述至少一個感應線圈電和熱絕緣;一個從所述密封裝置伸出的入口管道,所述入口管道有一個浸入所述熔融金屬中的出口端和一個與所述出口端相對的接受端,所述接受端設置成接受連續(xù)供應的喂入物料到所述熔融金屬內;一個出口管道,穿過所述密封裝置伸出,所述出口管道有浸入所述熔融金屬的第一端和與所述第一端相對的出口端;和在所述密封裝置內的口,用于將壓力氣體注入所述爐缸的內部以在所述爐缸內對著所述熔融金屬的表面施加一個力;其中,所述熔融金屬連續(xù)通過所述出口管道并離開所述出口管道的出口端。
42.如權利要求41所述的感應熔化系統(tǒng),其中所述出口管道形成虹吸管,以在沒有對著所述爐缸內的熔融金屬的表面施加的力的情況下,從所述爐缸引出熔融金屬的連續(xù)流。
43.如權利要求41所述的感應熔化系統(tǒng),其還包括在所述出口管道內的一個口,用于將壓力氣體注入所述出口管道內,以在所述連續(xù)流內形成氣體中斷,由此中斷所述連續(xù)的熔融金屬流。
44.如權利要求41所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述爐缸基本上由硅化碳或高導磁率的鋼制成。
45.如權利要求41所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述隔離套筒是復合陶瓷材料。
46.如權利要求45所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述復合陶瓷材料包括位于至少一陶瓷內層和陶瓷外層之間的氣泡陶瓷。
47.如權利要求41所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個電源和所述至少一個感應線圈是氣冷的。
48.如權利要求41所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個電源相鄰于所述至少一個感應線圈放置。
49.如權利要求48所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,一氣流連續(xù)冷卻所述至少一個電源的部件和所述至少一個感應線圈。
50.如權利要求41所述的感應熔化系統(tǒng),其特征在于,所述至少一個電源以選定的頻率操作,使得電流在所述至少一個感應線圈內穿入的深度明顯大于多個銅導體中的每一個的直徑,并且電流在所述爐缸內的穿入深度大致等于所述爐缸厚度的1.2倍。
51.一種連續(xù)提供熔融金屬流的方法,所述方法包括以下步驟連續(xù)供應喂入物料到密封的爐缸內,所述爐缸大致由高電阻率或高導磁率的材料制成;通過向至少一個感應線圈供應電流而感應加熱所述爐缸,所述感應線圈包括多個彼此隔離的銅導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸,并且電和熱與所述爐缸絕緣;通過從所述爐缸向所述熔融金屬傳導熱量而加熱所述喂入物料;將一出口管道部分浸入在所述熔融金屬內,以從所述出口管道的出口連續(xù)引出熔融金屬,所述出口管道從所述封閉的爐缸伸出。
52.如權利要求51所述的方法,其還包括以下步驟,連續(xù)注入壓力氣體到所述封閉的爐缸,以連續(xù)迫使熔融金屬通過在所述出口管道上的出口。
53.如權利要求52述的方法,其還包括以下步驟,將壓力氣體注入封閉的爐缸,以通過所述出口管道進行熔融金屬的連續(xù)排出。
54.如權利要求53所述的方法,其還包括將壓力氣體注入出口管道,以中斷所述熔融金屬連續(xù)排出的步驟。
55.一種加熱金屬的工藝,所述工藝包括以下步驟將所述金屬放在一容器內,所述容器大致由高電阻率或高導磁率的材料制成;通過向至少一個感應線圈內供應電流而感應加熱所述容器,所述感應線圈包括多個彼此隔離的導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述容器,并且通過一個隔離套筒與所述容器電或熱絕緣;調整電流的頻率,使得所述電流產生的磁場的穿入深度在容器厚度的一半到容器的整個厚度的范圍內,并且所述磁場穿入所述多個導體的每個導體材料的深度大于多個導體中的每個導體的厚度;并且通過從所述容器向所述金屬傳導熱量而加熱所述金屬。
56.如權利要求55的方法,其特征在于,所述容器大致由硅化碳或高導磁率的鋼制成。
57.一種用于加熱連續(xù)的工件的感應爐,其包括一個形成通道的爐缸,連續(xù)的工件可以通過所述通道移動,所述爐缸大致由高電阻率或高導磁率的材料制成,至少一個感應線圈,其包括彼此隔離的多個導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸;和一個低導磁率的電和熱絕緣隔離套筒,其將所述爐缸與所述至少一個感應線圈分離開來。
58.一種用于加熱連續(xù)的工件的感應爐,其包括一大致封閉的爐缸,其具有一選擇性地封閉的開口,其中一單獨的工件能在所述爐缸內移動,所述爐缸大致由高電阻率或高導磁率的材料制成;至少一個感應線圈,其包括彼此隔離的多個導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸;一個低導磁率的電和熱絕緣隔離套筒,其將所述爐缸與所述至少一個感應線圈分離開來;和一個傳送系統(tǒng),用于將單個的工件移入和移出所述爐缸。
59.一種用于加熱多個單獨的工件的感應爐,其包括;一隧道狀的熔爐;一包括連續(xù)的傳送器的傳送系統(tǒng),所述傳送器通過所述隧道狀熔爐的隧道,所述連續(xù)的傳送器運送多個單獨的工件通過所述隧道至少一個感應線圈,其包括彼此隔離的多個導體的電纜線束,所述至少一個感應線圈圍繞所述爐缸;一個低導磁率的電和熱絕緣隔離套筒,其將所述爐缸與所述至少一個感應線圈分離開來。
全文摘要
一種感應熔化系統(tǒng)(78)使用由高電阻率或高導磁率的材料制成的爐缸(50)和一個或多個感應線圈(52)以形成一感應爐,所述感應線圈包括多個彼此隔離的銅導體組成的電纜線束,所述感應爐與一相連的電源一起提供一結構緊湊的設計。所述系統(tǒng)部件是氣冷的,無需水冷。所述感應熔融系統(tǒng)特別適用于從金屬廢料(79)中分離金屬,直接從感應爐澆鑄鑄模,并提供連續(xù)的熔融金屬源。所述感應系統(tǒng)可以是隧道的形式或封閉的用于加熱工件的烘爐的形式。
文檔編號H05B6/24GK1364394SQ00802682
公開日2002年8月14日 申請日期2000年11月10日 優(yōu)先權日1999年11月12日
發(fā)明者O·S·費什門, J·H·莫蒂默, J·T·伯什, R·A·蘭勞弗, A·馬弗羅迪恩 申請人:應達公司
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