NO328469B1

NO328469B1 - Induksjonsovn for smelting av metaller, foring for induksjonsovn og fremgangsmate for fremstilling av slik foring

Info

Publication number: NO328469B1
Application number: NO20084613A
Authority: NO
Inventors: Johan Arnold Johansen; Bjorn Egeland; Alf Haberg; Stian Madshus
Original assignee: Elkem As
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-02-22
Also published as: WO2010050819A1; CA2741808A1; US20120205829A1; NO20084613A; JP2012505365A; NZ590591A; US8535581B2; US20110192254A1; EP2363012A4; EA201170633A1; KR20110081314A; ZA201101251B; CN102204405A; JP2014025696A; BRPI0919517A2; AU2009310488A1; EP2363012A1

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en induksjonsovn for smelting av metaller som ikke kobler induktivt i fast tilstand. Induksjonsovnen er utstyrt med en foring omfattende en blanding av grafitt og silisiumkarbid hvilken foring har en elektrisk ledningsevne som er høyere enn den elektriske ledningsevne for metallet som skal smeltes, men lavere enn den metalliske ledningsevnen for metallet som skal smeltes når dette er i smeltet tilstand. Oppfinnelsen vedrører videre foring for induksjonsovn og en fremgangsmåte for fremstilling av foring.

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en induksjonsovn for smelting av metaller, særlig silisium, og mer spesielt til en foring for slike ovner.

Teknisk bakgrunn

Ved smelting av metaller i induksjonsovner vil de fleste metaller ha så høy elektrisk ledningsevne at de kobler induktivt i fast form. For smelting av slike metaller i induksjonsovner spiller derfor de elektriske egenskapene av foringen i induksjonsovnen liten rolle og foringen kan fremstilles av elektrisk isolerende materialer. Metaller med lav elektrisk ledningsevne i fast form, slik som silisium og germanium vil imidlertid ikke koble induktivt når metallene er i fast form. Det må da enten benyttes en susceptor som innføres i eller ved ovnen ved start av smeltingen av fast silisium eller foringen må utgjøres av et elektrisk ledende materiale som kobler induktivt, så som grafitt.

Fra US patentsøknad 2005/0259712 er det kjent en induksjonsovn for smelting av materialer som i utgangspunktet er ikke-ledende slik at de ikke kobler induktivt. Ifølge denne US patentsøknaden benyttes det en ikke-ledende digel og en susceptor som eksempelvis kan plasseres under bunnen av digelen. I starten oppvarmes susceptoren induktivt og overfører varme til bunnen av digelen og derfra til materialet i ovnen. Dette utgjør en treg og langsom oppvarming med store varmetap idet varme må transporteres ved varmeledning fra susceptoren gjennom digelbunnen og til materialet i ovnen.

DE19909495 A1 beskriver en induksjonsovn for smelting av halvledermaterialer hvor digelen utgjøres av et godt elektrisk ledende materiale så som grafitt hvor det benyttes to induksjonsspoler anordnet over hverandre hvor induksjonsspolene enten tilføres elektrisk strøm med forskjellig frekvens eller hvor spolene tilføres samme frekvens men hvor veggtykkelsen av digelen er forskjellig for området for de to induksjonsspolene.

Ved bruk av grafitt som foring slik som i DE19909495 vil smeltingen av metallet foregå indirekte ved at grafittforingen oppvarmes induktivt og hvor metallet oppvarmes ved varmestråling fra grafittforingen. Da grafitt også har en høyere elektrisk ledningsevne enn smeltet silisium vil varmeoverføringen under hele nedsmeltingsperioden, også når silisiumet er smeltet foregå via induktiv oppvarming av grafittforingen. Dette har flere ulemper. Således vil grafittforingen under hele nedsmeltingsperioden være den varmeste del av induksjonsovnen. Dette krever en omfattende kjøling av grafittforingen med derav høyt varmetap. Videre blir det en høy termisk belastning både på grafittforingen, induksjonsspolen og på kjølesystemet.

Ved den foreliggende oppfinnelse tas det sikte på å fremskaffe en induksjonsovn for smelting av metaller med lav elektrisk ledningsevne, særlig silisium, hvor foringen oppvarmes induktivt ved start av nedsmelting av fast metall, mens størstedelen oppvarmingen når i det minste en del av metallet er smeltet foretas ved induktiv kobling til metall istedenfor til foringen. Det tas videre sikte på å fremskaffe en foring for induksjonsovn hvor foringens elektriske ledningsevne under fremstilling av foringen kan skreddersys slik at foringen får en elektrisk ledningsevne som er tilpasset til det metall som skal smeltes i induksjonsovnen.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en induksjonsovn for smelting av metaller som ikke kobler induktivt i fast tilstand hvilken induksjonsovn er utstyrt med en foring omfattende en blanding av grafitt og silisiumkarbid hvilken foring har elektrisk ledningsevne som er høyere enn den elektriske ledningsevne for det metallet som skal smeltes når metallet er i fast form, men lavere enn den elektriske ledningsevne for metallet som skal smeltes når dette er i smeltet tilstand.

Fortrinnsvis inneholder foringen 80 - 20 vekt % grafitt og 20 - 80 vekt % silisiumkarbid, og mere spesielt inneholder foringen 30 - 70 vekt % grafitt og 70 - 30 vekt % silisiumkarbid.

Den elektriske ledningsevnen for foringen kan skreddersys for å tilpasse den elektriske ledningsevnen i forhold til ledningsevnen for det metall som skal smeltes ved å regulere innholdet av silisiumkarbid i foringen, idet den elektriske ledningsevnen i foringen vil avta med økende innhold av silisiumkarbid.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører videre en foring for bruk i induksjonsovner for smelting av metaller som ikke kobler induktivt i fast tilstand hvilken foring har en høyere elektrisk ledningsevne enn det metallet som skal smeltes når metallet er i fast form, men lavere enn den elektriske ledningsevne for metallet som skal smeltes når metallet er i smeltet tilstand.

Foringen kan være i form av en selvbærende digel som enkelt kan skiftes ut.

Ved bruk av induksjonsovnen ifølge oppfinnelsen for smelting av metaller med lav elektrisk ledningsevne som ikke kobler induktivt i fast tilstand, eksempelvis silisium, vil foringen i induksjonsovnen ved start av en nedsmeltingssyklus hvor ovnen er chargert med fast metall, koble induktivt og derved oppvarmes. Det faste metallet i ovnen vil derved oppvarmes ved stråling og varmeledning fra foringen. Når en viss andel av metallet er smeltet vil metallsmelten koble induktivt og varmeenergien vil tilføres direkte til det smeltede metallet. Foringen vil derved kun utsettes for høy varmebelastning i starten av en smeltesyklus. Det oppnås en langt bedre energiutnyttelse ved at varmeenergien overføres direkte til den smeltede del av metallet i ovnen samtidig som varmebelastningen på foringen reduseres vesentlig. Det blir følgelig mindre behov for kjøling av foringen og av andre deler av ovnen. Dette fører også til en vesentlig forlenget levetid av foringen.

Foringen i henhold til oppfinnelsen har videre den fordel at den kan fremstilles av meget rene materialer.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører videre en fremgangsmåte for fremstilling av en foring for induksjonsovner hvor den elektriske ledningsevnen for foringen kan bestemmes utfra det metall som skal smeltes i ovnen, hvilken fremgangsmåte omfatter forming av en foring bestående av en blanding av grafittpartikler, silisiumkarbidpartikler og et karbonbasert bindemiddel samt herding og brenning av foringen ved en temperatur over 1100 °C hvor ønsket elektrisk ledningsevne for foringen reguleres av forholdet mellom grafittpartikler og silisiumkarbidpartikler.

Det anvendes fortrinnsvis en blanding inneholdende 20 - 80 vekt % grafittpartikler og 80 - 20 vekt % silisiumkarbidpartikler samt karbonbasert bindemiddel i en mengde av 10 - 25 % basert på vekten av blandingen av grafittpartikler og silisiumkarbidpartikler.

Mere foretrukket anvendes det en blanding inneholdende 30 - 70 vekt % grafittpartikler og 70 -30 vekt % silisiumkarbidpartikler og et karbonbasert bindemiddel i en mengde av 11-18 % basert på vekten av blandingen av grafittpartikler og silisiumkarbidpartikler.

Det karbonbaserte bindemiddelet kan velges blant naturbasert harpiks (rosin) syntetisk harpiks (resin) for eksempel fenol formaldehyd resin, furfuryl alkohol resin eller tjærebaserte bindemidler som petroleumsbek eller tjærebek.

Når det benyttes syntetisk harpiks eller naturbasert harpiks tilsettes bindemiddelet fortrinnsvis en herder valgt blant hexamin og organiske eller uorganiske syrer.

Når blandingen av grafittpartikler og silisiumkarbidpartikler tilsettes det karbonbaserte bindemiddel vil dette gi en god fasthet ved lave temperaturer, mens det under oppvarmingen og brenningen vil karbonisere og danne en karbonrest. I tillegg vil bruk av karbonbasert bindemiddel føre til en tettere foring som hindrer inntrenging av metall i foringen.

Det er videre foretrukket å tilsette silisiumpartikler til blandingen av grafittpartikler, silisiumkarbidpartikler og karbonbasert bindemiddel i en mengde tilstrekkelig til at det karbon som dannes ved karbonisering av bindemiddelet kan reagere til SiC.

Kort beskrivelse av figur

Figur 1 viser et vertikalt snitt gjennom en induksjonsovn ifølge oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

På figur 1 er det vist en utførelsesform av en induksjonsovn ifølge oppfinnelsen omfattende en isolasjonsforing 1 omgitt av en induksjonsspole 2 i en spolemasse 3. På innsiden av spolemassen 3 er det anordnet en isolasjonsforing 1 som kan utgjøres av et isolerende ildfast materiale som ikke reagerer med karbon, eksempelvis AI2O3. På innsiden av isolasjonsforingen 1 stampes en foring 4 omfattende en blanding av grafitt, silisiumkarbid, karbonbasert bindemiddel og eventuelt silisiumpartikler ved bruk av en sjablon 5 (støpeform). Foringen herdes ved en temperatur mellom 150 og 600 °C og brennes ved en temperatur på over 1100 °C. Herdetemperaturen avhenger av type karbonbasert bindemiddel som benyttes.

Mengden av silisiumkarbid tilpasses den elektriske ledningsevne som ønskes i foringen. Generelt justeres innholdet av silisiumkarbid i foringen slik at den elektriske ledningsevne for foringen 4 er høyere enn den elektriske ledningsevne for det metall som skal smeltes i induksjonsovnen, men lavere enn ledningsevnen for metallet som skal smeltes når dette er i smeltet tilstand. Andelen av silisiumkarbid i den brente foringen 4 er mellom 20 og 80 vekt %, og mer foretrukket mellom 30 og 70 vekt %.

Ved start av induksjonsovnen med ovnen fylt med fast metall vil foringen 4 koble induktivt, mens metallet som skal smeltes p.g.a. sin lave elektriske ledningsevne ikke vil koble induktivt. I denne første periode vil derfor foringen oppvarmes induktivt og varme vil overføres ved varmestråling og varmeledning fra foringen til det faste metallet. Når metallet begynner å smelte vil den elektriske ledningsevne for metallet overstige den elektriske ledningsevnen for foringen 4. Det smeltede metallet vil derved koble induktivt og en del av tilført energi vil derved overføres direkte til det smeltede metallet. Ettersom ytterligere metall smelter vil en større og større andel av tilført elektrisk energi overføres direkte til smeltet metall. Derved vil den termiske belastningen på foringen 4 avta vesentlig under resten av smelteprosessen.

Når smelteprosessen er ferdig kan det smeltede metallet helles ut slik at det står igjen en rest av smeltet metall i induksjonsovnen, for eksempel 25 % slik at ved neste smeltesyklus vil denne restsmelten koble induktivt.

Eksempel

Fremstilling av foring

Det ble fremstilt en foring for en 75 kW induksjonsovn med en frekvens på 3000 Hz som følger: På innsiden av spolemassen 3 (figur 1) ble det støpt inn en isolasjonsmasse 1 bestående av en støpemasse inneholdende 96 vekt % Al203 hvor resten utgjøres av forurensninger som Si02 og CaO og FeO i en tykkelse av 25 mm. På innsiden av isolasjonsmassen 1 ble det stampet en foring 4 bestående av pulverblanding av 40 vekt % grafittpulver, 49 vekt % silisiumkarbid og 11 vekt % silisiumpartikler tilsatt 14,3 % fenol formaldehydresin bindemiddel basert på vekten av blandingen av grafittpartikler, silisiumkarbidpartikler og silisiumpartikler. Bindemiddelet var tilsatt hexamin som herder. Foringen 4 ble deretter herdet og bakt ved at en susceptor i form av en grafittsylinder ble plassert midt i ovnen sammen med et termo-element. Herdingen og bakingen av foringen 4 ble foretatt ved en oppvarmingshastighet på maksimum 100°C pr. time til 1500°C .

Foringen 4 kan alternativt fremstilles separat utenfor induksjonsovnen ved stamping av foringen 4 mellom ytre og indre formhalvdeler (sjablonger). Etter stampingen fjernes den indre formhalvdel hvoretter foringen herdes. Den ytre formhalvdel fjernes og foringen plasseres i en passende ovn eller oppvarmingsenhet hvor den brennes ved en temperatur over 1100°C.

Foringen ble deretter testet for induktivitet ved 1000°C. Ved start av induksjonsspolen tok ovnen maksimum effekt på 75 kW med en gang. Deretter ble induksjonsovnen tilsatt silisium som ble smeltet. Etter smelting og tømming ble foringen avkjølt til ca. 200°C og igjen testet for induktivitet på maks effekt av 75 kW. Foringen tok da 65 kW, d.v.s. at effektopptaket var senket med ca. 15 %. Dette viser at ved herding og baking av foringen økes ledningsevnen for foringen 4 slik at den tar induksjon.

Smelting av silisium

Stykkformet silisium ble fylt i ovnen og ovnen ble varmet opp til 1550°C og smelting ble startet ved tilført energi på 45 kW. I alt ble 15 kg silisium smeltet på 55 min. Det ble observert meget god badbevegelse i det smeltede silisiumet hvilket viser at en vesentlig del av energitilførselen overføres direkte til det smeltede silisium.

Claims

1. Induksjonsovn for smelting av metaller som ikke kobler induktivt i fast tilstand, karakterisert ved at induksjonsovnen er utstyrt med en foring omfattende en blanding av grafitt og silisiumkarbid hvilken foring har elektrisk ledningsevne som er høyere enn den elektriske ledningsevne for det metallet som skal smeltes når metallet er i fast form, men lavere enn den elektriske ledningsevne for metallet som skal smeltes når dette er i smeltet tilstand.

2. Induksjonsovn ifølge krav 1,karakterisert ved at foringen omfatter 20 - 80 vekt % grafitt og 80 - 20 vekt % silisiumkarbid.

3. Induksjonsovn i følge krav 2, karakterisert ved at foringen omfatter 30 - 70 vekt % grafitt og 70 - 30 vekt % silisiumkarbid.

4. Foring for bruk i induksjonsovner for smelting av metaller som ikke kobler induktivt i fast tilstand, karakterisert ved at foringen omfatter en blanding av grafitt og silisiumkarbid hvilken foring har elektrisk ledningsevne som er høyere enn den elektriske ledningsevne for det metallet som skal smeltes når metallet er i fast form, men lavere enn den elektriske ledningsevne for metallet som skal smeltes når dette er i smeltet tilstand.

5. Foring ifølge krav 4, karakterisert ved at foringen omfatter 20 - 80 vekt % grafitt og 80 - 20 vekt % silisiumkarbid.

6. Foring i følge krav 5, karakterisert ved at foringen omfatter 30 - 70 vekt % grafitt og 70 - 30 vekt % silisiumkarbid.

7. Fremgangsmåte for fremstilling av en foring for induksjonsovner hvor den elektriske ledningsevnen for foringen kan tilpasses utfra den elektriske ledningsevne for det metall som skal smeltes i ovnen slik at foringen har en høyere elektrisk ledningsevne enn metallet når metallet er i fast form, men lavere elektrisk ledningsevne enn metallet når metallet er i smeltet tilstand, karakterisert ved at det formes en foring bestående av en blanding av grafittpartikler og silisiumkarbidpartikler samt et karbonbasert bindemiddel og at foringen herdes og brennes ved en temperatur over 1100 °C.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at foringens elektriske ledningsevne justeres ved å variere forholdet mellom grafittpartikler og silisiumkarbidpartikler.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7 -8, karakterisert ved at det anvendes en blanding som inneholder 20 - 80 vekt % grafittpartikler og 80 - 20 vekt % silisiumkarbidpartikler samt et karbonholdig bindemiddel i en mengde av 10 - 25 % basert på vekten av blandingen av grafittpartikler og silisiumkarbidpartikler.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at det anvendes en blanding som inneholder 30 - 70 vekt % grafittpartikler og 30 - 70 vekt % silisiumkarbidpartikler samt karbonholdig bindemiddel i en mengde av 11 - 18 % basert på vekten av blandingen av grafittpartikler og silisiumkarbidpartikler.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at det karbonbaserte bindemiddelet velges blant syntetisk harpiks, naturlig harpiks og tjærebasert bindemiddel.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11,karakterisert ved at det karbonholdige bindemiddelet utgjøres av fenolformaldhydresin eller furfurylalkohol.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at det tilsettes en herder.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at herderen utgjøres av hexamin eller en uorganisk syre.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 11,karakterisert ved at det karbonholdige bindemiddelet utgjøres av petroleumsbek eller tjærebek.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 9-14, karakterisert ved at det tilsettes elementært partikkelformet silisium til blandingen av grafittpartikler, silisiumkarbidpartikler og karbonbasert bindemiddel i en mengde tilstrekkelig til at det karbon som dannes ved karbonisering av bindemiddelet under herding og brenning av foringen reagerer til SiC.