ES2204522T3 - Agitacion electromagnetica de un metal en fusion. - Google Patents

Abstract

Instalación de tratamiento por inducción de un material metálico en un continente, caracterizada porque comprende: un primer enrollamiento (5) que comprende, en serie, al menos un primer bobinado (51) de al menos una espira y al menos un segundo bobinado (52) de al menos una espira, enrollados en sentidos opuestos alrededor de un continente (1), teniendo el primer enrollamiento dos bornes de extremos destinados a ser conectados a una fuente de alimentación alterna (3) y a los bornes de un primer condensador (C); y al menos un segundo enrollamiento (6) que comprende, en serie, al menos un primer bobinado (61) de al menos una espira y al menos un segundo bobinado (62) de al menos una espira, enrollados en sentidos opuestos alrededor del continente, estando imbricados en el primero enrollamiento (5), estando destinados los extremos del segundo enrollamiento (6) a ser conectados a los bornes de un segundo condensador (C'' ).

Description

Agitación electromagnética de un metal en fusión.

La presente invención se refiere a las instalaciones de tratamiento por inducción de materiales metálicos en fusión, como por ejemplo las instalaciones de agitación, de organización de los movimientos, y/o de elaboración de materiales metálicos. La invención se refiere más particularmente a instalaciones de este tipo que recurren a un crisol inductivo y entre ellas a las instalaciones en las cuales el crisol está destinado, no solamente a organizar la agitación por inducción de un metal en fusión, sino también a calentar este metal por inducción. La invención se aplica a instalaciones de este tipo con crisol inductivo, ya se trate de instalaciones de colada continua o no.

Se describirá seguidamente la presente invención con relación a un crisol frío inductivo, pero se señalará que se aplica más generalmente a cualquier otra instalación en la cual metal en fusión se encuentra en un campo magnético. Entre las instalaciones con crisol inductivo, se prefiere recurrir más a menudo, cuando el material a elaborar precisa un grado de pureza elevado, a un crisol frío y no a un crisol de material refractario debido a que un crisol frío minimiza la contaminación del material tratado.

La figura 1 representa, de forma esquemática, una instalación clásica de elaboración de un material metálico por inducción a partir de un crisol frío inductivo.

Una instalación de este tipo comprende un crisol 1 enfriado, por ejemplo, por circulación de agua por el interior de su pared, y destinado a contener el material a fundir. En la figura 1, los detalles constitutivos de las paredes del crisol no han sido representados para dar a la descripción mayor claridad. En particular, no han sido representados los medios de circulación del líquido de enfriado en el espesor de las paredes.

Un inductor, por lo general una bobina 2, rodea el crisol 1 y está conectada, por sus dos extremos, a los bornes de un generador 3 de tensión alterna monofásica. Un condensador C está conectado en paralelo sobre el generador 3, es decir a los bornes de la bobina 2.

El material metálico a fundir en el crisol es introducido en él, por ejemplo, en forma de virutas m. En el caso de un crisol de colada continua, estas virutas m son introducidas en continuo, generalmente por medio de un vertedero 4.

El campo magnético provocado por el inductor 2 calienta el material contenido en el crisol 1. La frecuencia de la corriente alterna de excitación del inductor 2 depende, en particular, del diámetro del crisol 1 y de la resistividad eléctrica del material contenido en el mismo. Como ya se conoce perfectamente, la resistividad eléctrica del material y la frecuencia de excitación del inductor 2 condicionan el espesor de la costra electromagnética (\delta). El espesor deseado de la costra depende de las aplicaciones. Por ejemplo, en el caso de una lingotera, el espesor deseable de la costra es el más pequeño posible, pero el suficiente para no perjudicar al rendimiento térmico en razón a las paredes frías del crisol. A título de ejemplo particular, para un crisol de un diámetro del orden de 10 centímetros, se desea generalmente tener un espesor de costra electromagnética del orden de 1 a 10 milímetros.

Se señalará que, aunque no se ha representado en la figura 1, un crisol frío es un crisol sectorizado, es decir provisto de sectores verticales aislados los unos de los otros para evitar que se produzca un bucle de las corrientes inducidas en la periferia del crisol. Como ilustra la figura 1, en un crisol alimentado mediante un generador monofásico, la superficie del baño de metal se presenta en forma de un domo líquido cuyo perfil resulta del equilibrio entre la presión hidrostática y la presión electromagnética producida por el inductor monofásico 2. Además, sobre esta superficie libre, existe una fuerza de agitación electromagnética que es una fuerza con componente radial siempre centrífuga en la superficie del baño como lo ilustran las flechas en la figura 1. Así, las virutas m provenientes del sistema de alimentación 4 que caen por gravedad en el baño son sistemáticamente, a su llegada, arrastradas del centro hacia la periferia, por lo tanto hacia las paredes frías del crisol 1.

Una circulación de este tipo es desfavorable para el rendimiento del sistema y para la ingestión de las virutas m en el baño. Puede incluso afectar al estado de la superficie del lingote solidificado obtenido por tirada en continuo en la parte inferior (no representada) del crisol 1.

Sería deseable invertir el sentido de agitado en la superficie del baño para que las virutas de material a fundir sean arrastradas hacia el centro del baño, y mejorar así la mezcla . Para ello, se puede pensar en disponer, alrededor del crisol, un sistema de inductores polifásicos que creen un campo magnético deslizante, dando origen a una fuerza electromagnética ascendente en el espesor de la costra electromagnética, por lo tanto en la periferia del crisol. Consecuentemente esta fuerza, en el espesor de la costra electromagnética, hace entonces subir el metal líquido del baño en la periferia, y por conservación del caudal, descender el metal líquido en el centro del baño. Se obtiene así una fuerza de agitación electromagnética radial centrípeta, lo que propicia el arrastre de las virutas de alimentación, a su llegada sobre el baño, no ya hacia la periferia, sino por el contrario hacia el centro del baño en donde son inmediatamente ingeridas y fundidas.

De todas formas, la ejecución de un principio de este tipo plantea varios problemas que han ocasionado, que hasta hoy, esta solución no sea, en la práctica, viable industrialmente.

Un primer problema está unido a la necesidad de disponer de un generador de inducción polifásica, por lo tanto de dos generadores de tensión desfasados el uno respecto al otro.

Para una instalación cuyo crisol es de un diámetro suficientemente elevado (del orden de una treintena de centímetros) que permita su alimentación mediante un generador que funcione sobre la frecuencia de la red eléctrica alterna (50 ó 60 hertzios), es necesario disponer de una alimentación polifásica (di o trifásica) para ejecutar este principio de inversión del sentido de agitación del baño. Así, esto prohibe la conexión simple de la instalación a una alimentación eléctrica monofásica.

Un problema similar se plantea para otros continentes, por ejemplo, el conducto de diámetro relativamente pequeño de una bomba electromagnética.

El problema se acrecienta para unos generadores de inducción de media frecuencia (del orden de una decena de kilohertzios) para los cuales es necesario disponer de un circuito electrónico de potencia para realizar el generador (3, figura 1) de manera que se alimente el inductor 2 con una corriente de frecuencia diferente a la frecuencia de distribución.

En aplicaciones de este tipo, que se refieren más particularmente a los crisoles o continentes de pequeño diámetro, será entonces necesario disponer de un circuito electrónico de potencia para cada fase, lo que aumentará considerablemente el coste de la instalación. En particular, será preciso multiplicar el número de conmutadores de potencia en función del número de fases. Además, la sincronización de los generadores con la fase de la alimentación alterna, suministrada por la red de distribución, se vuelve tanto más difícil cuanto más elevadas sean la frecuencia del generador de inducción y el número de fases.

Unos ejemplos de instalación de tratamiento por inducción de un material metálico se describen en las patentes americanas Nº 1 330 133 y Nº 1 986 353. Estas instalaciones no permiten una inversión del sentido de agitación del pan.

La presente invención prevé paliar los inconvenientes de las instalaciones clásicas con crisol inductivo. La invención prevé, en particular, proponer una nueva instalación que permita organizar la agitación del baño de metal en fusión, a voluntad, en un sentido centrípeto o en un sentido centrífugo.

Más generalmente, la invención prevé proponer una nueva solución a los problemas de agitación por inducción en unos continentes de metal en fusión.

La presente invención prevé también proponer una nueva solución para realizar una generación polifásica que sea económicamente viable. La invención prevé, en particular, proponer una solución que no precisa una multiplicación de los conmutadores de potencia para unas aplicaciones que precisan una inducción de frecuencia media.

La presente invención prevé también proponer una solución que pueda ser alimentada a partir de una fuente eléctrica monofásica.

La invención apunta además en proponer una solución que no presente problemas de sincronización de las diferentes fases entre sí.

Para alcanzar estos objetivos, las presente invención prevé una instalación de tratamiento por inducción de un material metálico en un continente, que comprende:

un primer enrollamiento que comprende, en serie, al menos un primer bobinado de al menos una espira y al menos un segundo bobinado de al menos una espira, enrollados en sentidos opuestos alrededor del continente, teniendo el primer enrollamiento dos bornes de extremos destinados a ser conectados a una fuente de alimentación alterna y a los bornes de un primer condensador; y

al menos un segundo enrollamiento que comprende, en serie, al menos un primer bobinado de al menos una espira y al menos un segundo bobinado de al menos una espira, enrollados en sentidos opuestos alrededor del continente estando imbricados en el primer enrollamiento, estando destinados los extremos del segundo enrollamiento a ser conectados a los bornes de un segundo condensador.

Según un modo de realización de la presente invención, los valores de los condensadores están en función de la frecuencia del generador y del espesor de la costra deseada en el interior del continente.

Según un modo de realización de la presente invención, aplicado a una instalación de calentamiento por inducción en un crisol inductivo que constituye el mencionado continente, las inductancias combinadas de dos enrollamientos están en función de la intensidad de calentamiento deseada en el interior del crisol.

Según un modo de realización de la presente invención, la instalación comprende además al menos un tercer enrollamiento cuyos bornes están conectados a un tercer condensador, estando formado el tercer enrollamiento al menos por dos bobinados asociados en serie oposición.

Estos objetivos, características y ventajas, así como otros de la presente invención serán expuestos en detalle en la siguiente descripción de unos modos de realización particulares realizada a título no limitativo en relación con la figuras adjuntas, entre las cuales:

la figura 1 descrita anteriormente está destinada a exponer el estado de la técnica y el problema planteado;

la figura 2 representa, de forma esquemática y en sección, un modo de realización de una instalación de agitación por inducción según la presente invención;

la figura 3 ilustra esquemáticamente el circuito eléctrico de la instalación de la figura 2; y

la figura 4 es una vista parcial en perspectiva de un crisol frío inductivo según la presente invención durante el funcionamiento.

Los mismos elementos han sido designados con las mismas referencias en las diferentes figuras. Por razones de claridad, sólo los elementos de una instalación de calentamiento por inducción que son necesarios para la comprensión de la invención han sido representados en las figuras, y serán descritos seguidamente. En particular, los medios de evacuación del metal líquido (por ejemplo los medios de tirado del lingote) no han sido representados y no constituyen el objeto de la presente invención. A este respecto, se significará que la aplicación tanto a un crisol ( frío o refractario) de una lingotera como a un crisol destinado a ser vaciado por vuelo. Más generalmente, se significará que la invención puede ser ejecutada en cualquier instalación que utiliza un medio inductivo alrededor de un continente de metal en fusión, con fines de organización de movimientos de metal. Se podrá tratar, por ejemplo, de agitadores electromagnéticos (en los cuales el metal es calentado por inducción, por arco, mediante una antorcha de plasma, u otros), de bombas electromagnéticas, y más generalmente de cualquier instalación en la cual se planteen problemas ligados a los diámetros del continente (crisol, conducto, etc.)

Una característica de la presente invención es prever, alrededor de un continente de metal en fusión, al menos dos enrollamientos constituidos cada uno por dos bobinados en serie oposición, estando conectado uno solo de los enrollamientos a los bornes de un generador monofásico. El o los otros enrollamientos constituyen unos enrollamientos inducidos o secundarios que están cerrados por medio de un condensador.

La figura 2 representa, de forma esquemática, un modo de realización de una instalación de calentamiento por inducción, por ejemplo de colada continua, según la presente invención. En el ejemplo de la figura 2, el continente es un crisol frío.

Como anteriormente, la instalación está basada en la utilización de un crisol frío 1 sectorizado, es decir que comprende varios sectores verticales enfriados, por ejemplo, por circulación de agua y que están ensamblados los unos a los otros para formar una estructura tubular. En la figura 2, el crisol ha sido representado en sección y sin hacer aparecer los medios clásicos de enfriado con fines de claridad.

Un primer enrollamiento 5 está envuelto alrededor del crisol 1 y está conectado, por sus dos extremos, a los bornes de un generador alterno monofásico 3 en paralelo con un condensador C. Según la presente invención, el enrollamiento 5 está constituido por al menos dos bobinas 51 y 52 asociadas en serie oposición, es decir enrolladas en sentidos opuestos alrededor del crisol 1 . Siempre según la invención, al menos un segundo enrollamiento 6 está también bobinado alrededor del crisol 1 y está conectado, por sus dos extremos, a los bornes de un condensador C'. Este segundo enrollamiento 6 comprende, como el primer enrollamiento 5, al menos dos bobinas 61, 62 asociadas en serie oposición.

Además, los enrollamientos 5 y 6 están imbricados el uno en el otro, es decir que las bobinas están dispuestas sucesivamente en la altura del crisol de manera que se alternan una bobina del primer enrollamiento con una bobina del segundo enrollamiento.

Así, en el ejemplo de un sistema difásico del tipo representado en la figura 2, se encuentra, desde lo alto del crisol 1, el primer bobinado 61 del enrollamiento 6, el primer bobinado 51 del enrollamiento 5, el segundo bobinado 62 del enrollamiento 6 y el segundo bobinado 52 del enrollamiento 5.

Según la presente invención, el segundo enrollamiento 6 ejerce la función de un circuito inducido cuya energía proviene del primer enrollamiento 5.

La figura 3 representa el circuito eléctrico de la instalación de la figura 2. Esta figura retoma los elementos descritos en relación con la figura 2 e ilustra por una vista en perspectiva, el sentido de las bobinas de los enrollamientos 5 y 6 en serie oposición. Se significará que, en la figura 2, el sentido de circulación de la corriente en las bobinas respectivas ha sido indicado por las anotaciones habituales (x,.) en electromagnetismo.

El enrollamiento 5 forma, con el generador C, un primer circuito oscilante conectado al generador 3 y que constituye una primera fase de excitación del sistema multifase. El segundo enrollamiento 6, desplazado espacialmente con respecto al primer enrollamiento 5 forma, con el condensador C', un segundo circuito oscilante. Este segundo circuito oscilante se encuentra en interacción magnética por su mutua inductancia con el primer circuito oscilante. Se puede entonces, por dimensionado, hacer de manera que el campo magnético resultante de la superposición de las dos fases presentes sea un campo deslizante susceptible de generar una fuerza motriz electromagnética de bombeo sobre el metal inducido contenido en el crisol 1.

Los dimensionados respectivos de los enrollamientos y de los condensadores dependen de la aplicación y, en particular, de la frecuencia del generador 3, del diámetro del crisol 1, y del espesor de costra deseado en el metal. Preferentemente, el número de espiras de las bobinas de un mismo enrollamiento es idéntico.

La optimización del sistema en función de la aplicación está al alcance del experto en la materia aplicando las reglas de funcionamiento eléctrico y electromagnético a partir de las inductancias respectivas, de las resistencias respectivas y de los condensadores respectivos de los circuitos oscilantes, así como de la mutua inductancia de estos dos circuitos y de la pulsación del generador monofásico.

Para obtener un efecto de campo deslizante lineal que permita el efecto de bombeo en la periferia del continente, se buscará, preferentemente, que los productos LC\omega^{2} y L'C'\omega^{2}, en donde L y L' representan las inductancias respectivas de los enrollamientos 5 y 6 y en donde \omega representa la pulsación del generador monofásico 3, sean lo más iguales posible a la unidad con el fin de optimizar el funcionamiento de los circuitos oscilantes.

Una ventaja de la presente invención es que permite invertir el sentido de agitación del baño como lo ilustran las flechas de la figura 2, por medio de un generador monofásico. Así, en el caso de una baja frecuencia correspondiente a la frecuencia de la red alterna de alimentación (50 ó 60 hertzios), no es ya necesario disponer de una alimentación multifase y una instalación según la invención puede ser conectada directamente en la conexión monofásica a la red de distribución. En el caso de una instalación que precisa una generación de frecuencia media, la presente invención presenta la ventaja de no necesitar más que un solo generador monofásico, lo que reduce considerablemente el coste de la instalación reduciendo el número de conmutadores de potencia necesarios.

Otra ventaja de la presente invención es que la sincronización de la fase inducida (fase obtenida por el enrollamiento secundario), o de las fases inducidas en el caso en que varios enrollamientos secundarios son utilizados, no plantea ningún problema particular.

Otra ventaja de la presente invención es que el sistema es particularmente estable una vez adaptado a la aplicación. En efecto, contrariamente al recurso a varios generadores distintos para obtener un sistema de calentamiento por inducción multifase, los elementos (inductores y condensadores) utilizados por la presente invención para generar la o las fases suplementarias no corren el riesgo de desregularse como podría ser el caso de los elementos activos (conmutadores de alta potencia).

La figura 4 ilustra, por una vista en perspectiva y en sección, la estructura esquemática de un crisol frío inductivo según la presente invención. Esta figura hace aparecer los sectores s del crisol 1 que están aislados eléctricamente los unos de los otros. En el ejemplo de la figura 4, cada bobina 61, 51, 62, 52 comprende cuatro espiras.

La representación de la figura 3 ilustra que el número de ruedas de agitación del metal en fusión depende del número de sectores del crisol. Así, no sólo la inversión del sentido de agitación por medio de un sistema multifase según la presente invención favorece la inclusión de las partículas en el centro del baño, sino que, en esta aplicación, la agitación está también favorecida por la estructura sectorizada del crisol que mejora la mezcla.

Las velocidades de agitación dependen de la intensidad de las corrientes i1 e i2, por lo tanto de la intensidad de la corriente suministrada por el generador 3.

Se significará que, según la presente invención, no es necesario tener un desfase de 90º entre los dos circuitos oscilantes. Un desfase del orden de 20 a 40º es suficiente en términos de eficacia para la agitación realizada por el sistema de la invención.

Se observará también que el ángulo de fase entre los dos circuitos oscilantes es regulable por los valores respectivos de los condensadores y de las inductancias utilizados. De todas formas, como ya se ha indicado anteriormente, este ángulo de fase es estable una vez fijado por los dimensionados de estos elementos.

En la práctica, cuando la aplicación se refiere a un calentamiento por inducción, se empezará preferentemente por fijar los valores requeridos por las inductancias respectivas de los enrollamientos. Estos valores condicionan, en efecto, el calentado del metal del baño. Se tendrá de todas formas en cuenta, según la invención, la existencia de la fase inducida que participa también en el calentamiento.

Se fijan seguidamente los valores respectivos de los condensadores C y C' en función de la frecuencia del generador monofásico y del espesor de costra deseado, que depende del diámetro del crisol 1. Se observará que las relaciones respectivas entre las inductancias de los enrollamientos y los condensadores C y C' deben ser compatibles con la impedancia de salida del generador monofásico 3.

A título de ejemplo particular de realización, para un crisol tenga un diámetro del orden de una decena de centímetros y para un generador monofásico que tenga una frecuencia de funcionamiento del orden de una veintena de KHz, se podrán utilizar unos condensadores que tengan unos valores del orden de 20 \muF con unos enrollamientos cuyas inductancias propias respectivas son del orden de 2 \muH y cuyas resistencias son del orden de una treintena de m\Omega. En un ejemplo de este tipo, se obtiene un desfase del orden de 40º entre las corrientes i1 e i2 de los enrollamientos respectivos, y una relación de amplitudes de las corrientes del orden de 1/1.

Obviamente, la presente invención es susceptible de diversas variantes y modificaciones que aparecerán al experto en la materia. En particular, aunque la invención haya sido descrita más arriba en relación con un sistema difásico, la misma puede también ser ejecutada con más de dos fases. A este respecto, se significará que cuanto mayor sea el número de fases, más controlable es el sistema, por ejemplo, para agitar el metal en fusión en una altura más importante. La adaptación del sistema descrito más arriba a un número más importante de fases está al alcance del experto en la materia. Se vigilará de todas formas respetar la imbricación de los diferentes enrollamientos en la altura del crisol así como las asociaciones en serie oposición de los bobinados que constituyen los diferentes enrollamientos.

Además, la elección del número de espiras por bobina, del número de bobinas por enrollamiento y de la disposición de las espiras está al alcance del experto en la materia a partir de las indicaciones dadas más arriba. En particular, la sección de las espiras dependerá obviamente de la intensidad de las corrientes, y la disposición en la altura del crisol dependerá de la altura de este último y del número de bobinas. Por ejemplo, refiriéndose al modo de realización descrito más arriba en relación con la figura 4, el nivel medio del metal líquido será escogido para corresponder aproximadamente a la mitad de la altura del primer bobinado 51 del primer enrollamiento 5. El aumento del número de bobinas de un mismo enrollamiento permite aumentar (por efecto de la acumulación debida al aumento de la altura de interacción) la fuerza de bombeo, por lo tanto la eficacia de agitación.

Claims (4)

1. Instalación de tratamiento por inducción de un material metálico en un continente, caracterizada porque comprende:

un primer enrollamiento (5) que comprende, en serie, al menos un primer bobinado (51) de al menos una espira y al menos un segundo bobinado (52) de al menos una espira, enrollados en sentidos opuestos alrededor de un continente (1), teniendo el primer enrollamiento dos bornes de extremos destinados a ser conectados a una fuente de alimentación alterna (3) y a los bornes de un primer condensador (C); y

al menos un segundo enrollamiento (6) que comprende, en serie, al menos un primer bobinado (61) de al menos una espira y al menos un segundo bobinado (62) de al menos una espira, enrollados en sentidos opuestos alrededor del continente, estando imbricados en el primero enrollamiento (5), estando destinados los extremos del segundo enrollamiento (6) a ser conectados a los bornes de un segundo condensador (C' ).

2. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque los valores de los condensadores (C,C') son función de la frecuencia de la fuente de alimentación alterna (3) y del espesor de costra deseado en el interior del continente (1).

3. Instalación según la reivindicación 1 ó 2, de calentamiento por inducción en un crisol inductivo que constituye el mencionado continente, caracterizada porque las inductancias combinadas de los dos enrollamientos (5,6) son función de la intensidad del calentamiento deseado en el interior del crisol (1).

4. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque comprende además al menos un tercer enrollamiento cuyos bornes están conectados a un tercer condensador, estando formado el tercer enrollamiento por al menos dos bobinados asociados en serie oposición.