CN107532849A - 用于活性金属和合金的电感应熔炼和保温炉 - Google Patents

用于活性金属和合金的电感应熔炼和保温炉 Download PDF

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Abstract

用于熔炼和保温活性金属或合金的电感应炉设置有上炉容器、位于上炉容器下方的感应线圈和位于感应线圈内部的含熔体容器，含熔体容器的外表面和感应线圈的内表面之间的间隙可用于循环冷却流体以冷却含熔体容器的壁，以防止活性金属或合金熔体从容器泄漏。含熔体容器可以与用于冷却含熔体容器的冷却系统成一体。含熔体容器、感应线圈和冷却系统可以作为模块化部件提供，以便于含熔体容器、感应线圈和冷却系统的维修。

Description

用于活性金属和合金的电感应熔炼和保温炉
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年2月18日提交的美国临时申请第62/117,883号的优先权，其全文通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于活性金属和合金的电感应熔炼和保温炉。
背景技术
高活性金属(诸如，周期表中的碱基)可以与贱金属组合以形成诸如铝-锂(A1-Li)的活性合金。活性合金可以优于贱金属，例如用于形成具有改进特征(诸如，增加强度或减轻重量)的铸件。
可以使用各种类型的电感应炉来加热和熔化活性合金。由于所有的碱金属和铝都会在一定程度上与水冷却系统爆发式地发生反应，水冷却系统伴随着从电感应炉的电感器中的电流消除的焦耳热，所以可以使用交替的冷却流体来避免可能引发的爆炸事件，例如，在感应炉的操作超出其设计的限制时。
无芯感应炉可以使用包括工作衬里和备用衬里的双衬里装置。内部工作衬里与在坩埚内加热或熔化的活性合金接触，而备用衬里在内部工作衬里(以及在异常操作条件下可能泄漏到工作衬里中的任何活性金属或合金熔体)和炉的感应线圈之间形成障碍。选择内部工作衬里的耐火组合物以使与活性合金熔体的反应最小化，但在使用中会磨损，并且将要周期性地更换，而外部备用衬里的耐火组合物被选择以利于耐久性，因为在适当操作的炉中，在备用衬里退化之前将更换工作衬里。
如果坩埚中的活性合金与内部工作衬里的耐火组合物之间的化学反应导致活性合金熔体泄漏到内部工作衬里中，则提供给炉的感应线圈的交流电的频率控制可用于调节内部工作衬里从化学反应中导致的退化程度。
或者，能够从Inductotherm Corp.(Rancoas，New Jersey USA)获得的诸如加热和熔融炉的感受器感应炉可用于加热活性合金。
美国专利第No.5,425,048号公开了一种感应加热炉，其包括感应线圈组件和钢包，该钢包具有支撑要由炉加热的坩埚保温金属的金属壳体。钢包确定地从感应线圈组件分离，使得加热的金属可以在操作台之间方便可靠地移动。感应线圈组件具有小于壳体长度的预选长度。感应线圈组件包围但不接触壳体并产生电磁感应场。感应线圈组件包括线圈、上轭和下轭以及与线圈共同延伸的中间轭。上轭和下轭彼此分离并通过中间轭电磁耦合在一起。上轭和下轭以及中间轭都包括由铁质材料片形成的堆叠层压板。
美国专利第8,242,420号公开了一种用于通过受控环境中的电感应感受器加热来定向凝固硅的装置和方法。感受器位于上和下感受器感应加热系统与受控环境中的周围感应线圈系统之间。选择性地施加到与上和下感受器加热系统相关联的感应线圈的交流电和构成周围感应线圈系统的感应线圈导致容器中硅电荷的熔化和熔融硅的随后定向凝固。可以将流体介质从容器下方向底部引导，然后向容器外侧上方引导，以增强定向凝固过程。
美国专利申请公开第No.2012/300806号公开了一种用于加热和熔化导电材料的电感应炉，其具有衬里磨损检测系统，该衬里磨损检测系统可以在炉子被适当地操作和维护时检测可更换的炉衬磨损。
发明内容
一方面，本发明是用于活性金属合金的电感应熔炼和保温炉，其中炉包括上炉容器；位于上炉容器下方的感应线圈；以及位于感应线圈内侧并且可连通地连接到上炉容器的含熔体容器，其中，含熔体容器在感应线圈内的定位在含熔体容器的外表面和感应线圈内表面之间形成间隙。
另一方面，本发明是一种用于活性金属和合金的电感应熔炼和保温炉，以及一种制造电感应炉的方法，其中炉包括上炉容器；位于上炉容器下方的感应线圈；以及位于感应线圈内侧并且可连通地连接到上炉容器的含熔体容器，其中，含熔体容器在感应线圈内的定位在含熔体容器的外表面和感应线圈的内表面之间形成间隙，并且含熔体容器和感应线圈形成具有冷却系统的集成电感应炉的一部分。
在另一方面，本发明是一种用于活性金属和合金的电感应熔炼和保温炉，以及一种制造电感应炉的方法，其中炉包括上炉容器；位于上炉容器下方的感应线圈；以及位于感应线圈内侧并且可连通地连接到上炉容器的含熔体容器，其中，含熔体容器在感应线圈内的定位在含熔体容器的外表面和感应线圈的内表面之间形成间隙，并且含熔体容器和感应线圈构成具有冷却系统的模块化电感应炉的一部分。可选地提供用于维修电感应炉的模块化部件的炉维修系统(furnace servicing system)。
在本说明书和所附权利要求中阐述了本发明的上述和其它方面。
附图说明
图1(a)是本发明的电感应炉的一个实施例的局部截面图。
图1(b)是本发明的电感应炉的另一实施例的局部截面图。
图2(a)是本发明的电感应炉的另一实施例的局部截面图。
图2(b)是图1所示的电感应炉中使用的模块化电感应炉的剖视图，其中模块被示出为彼此分离。
图3(a)至图3(d)是用于本发明的电感应电炉的炉维修系统的一个实施例的截面图。
具体实施例
图1(a)示出了用于熔炼和保温活性合金的电感应炉的实施例的局部截面图。在该实施例中，感应炉100是具有底部定位式电感器的两件式炉。感应炉100能够在200赫兹到80赫兹的高频和/或低频模式下工作。感应炉100在本实施例中包括：上炉容器110(如图1(a)部分地示出)；位于上炉容器110之下的感应线圈120(如图所示)；以及放置在感应线圈120内侧并且可连通地连接到上炉容器110的下含熔体容器130。将电感应炉识别为底部定位式感应类型指的是仅仅下或含熔体容器130定位或放置在感应线圈120内侧，而不是含熔体容器130和上炉容器110两者都这样定位或放置。上炉容器110的顶部(图1(a)中未示出)可以终止于盖中。
在一个实施例中，含熔体容器130具有通常为圆柱形的形状，具有10英寸至50英寸的代表性内径，内径取决于例如特定应用的炉熔融速率要求。
在图1(a)所示的实施例中，感应线圈120是由具有内腔或开口135的一个或多个线圈限定的卷曲感应线圈，诸如水或乙二醇的液体冷却剂或诸如制冷剂的气态冷却剂通过内腔或开口135被引入(例如，通过开口135泵送冷却剂)。在另一个实施例中，感应线圈120可以是固体芯线圈或外部空气冷却的线圈。在一个实施例中，感应线圈120具有大致圆柱形的形状，其具有适应含熔体容器130的内径。
在感应炉100的实施例中示出的是在含熔体容器130的外表面150和感应线圈120的内表面160之间的间隙140。间隙140可操作以允许流体循环，从进料口145进入并从排出口146排出，其中进料口145和排出口146分别与间隙140相关联。在一个实施例中，间隙140为至少二分之一英寸(0.5”)，优选为1.25英寸至1.5英寸宽。在一个实施例中，循环意味着流体在进料口145处被引入并移动通过围绕含熔体容器130的间隙140，并在排出口146排出废物。在另一个实施例中，循环意味着流体在进料口145处被引入，并且移动通过围绕含熔体容器130的间隙140，在排出口146处离开，然后被重新引入进料口145(经由循环环路)。在任一实施例中，期望流体围绕一部分循环或移动，在其它实施例中，围绕整个部件或基本上含熔体容器130的整个部分。以这种方式，液体可操作以冷却含熔体容器130的外部。为了有助于流体围绕含熔体容器130的循环，可以添加例如从感应线圈120的内表面160延伸并将流体引导到含熔体容器130的外表面150周围的挡板。
图1(a)所示的实施例具有一个进料口和一个排出口。在另外的实施例中，可以有多于一个进料口和/或排出口。
在一个实施例中，循环通过间隙140的流体是惰性气体。选自氩、氦、氖、氪、氙和氡的至少一种惰性气体循环通过感应线圈和含熔体容器之间的间隙。循环气体中优选具有至少5％的氦，以提高传热能力。
在一个实施例中，循环气体包括氩和氦的混合物。在另一个实施例中，循环气体是空气。在另一个实施例中，气体是空气或氮气，以及诸如氦气的惰性气体。
只要炉子处于300°F或更高的温度，代表性循环机构就连续运行。在一个实施例中，从与含熔体容器130相关联的排出口146排出的循环流体在炉外(远离)被冷却并再循环回到间隙中(即，被引入进料口145和间隙140)。在一个实施例中，惰性气体的代表性流速为约12000立方英尺/分钟(cfm)，并且含熔体容器的外表面的温度保温在150°F以下。这确保在含熔体容器130的耐火衬里内良好维持熔融活性合金的冷却平面。在一个实施例中，在使循环气体再循环之前，使用在线除湿器将其水分除去。对于不包含在空气中具有非常高活性的活性元素的某些活性合金，通过间隙140循环的流体可以是在环境温度下输入并排放到大气中的大气空气。在该公开内容中，活性元素包括在高温下与水、氢气或空气的组分(例如氮或氧)剧烈反应的元素。这种空气的代表性流速将为约12，000cfm或适当地为使得含熔体容器130的外部温度保温在约150°F或更低。
在本发明的其它实施例中，进料口145和排出口146的位置相反，使得进料口145位于邻近间隙140的底部并且排出口146位于邻近间隙140的顶部。
目前描述的炉容器和循环气体的方法，通过最小化或消除针对爆炸发生一定存在的那些成分，以提高在适当操作的炉中熔化活性金属或合金的安全性。
通过维持含熔体容器130内(优选地容器壁内)的停止平面(freeze plane)远离容器壁外部部件，活性合金熔体从容器逸出的机会被抑制。否则，这种逸出和与感应线圈120的接触可能是灾难性的。
在一个实施例中，含熔体容器130具有外表面，其用紧密缠绕的双花呢高温玻璃纤维布箍包裹，紧密缠绕的双花呢高温玻璃纤维布由含有碳化硅的耐高温耐火粘合剂粘合到容纳容器的外部。含熔体容器130设置有活性金属或合金耐熔工作衬里，在一个实施例中，其具有约1,000至约10,000微欧姆厘米的电阻率。在另一个实施例中，电阻率超过1,000,000微欧姆厘米。在一个实施例中，含熔体容器130的工作衬里是难熔陶瓷。
为了检测熔融活性金属或合金从含熔体容器130的泄漏或渗出，将至少一个云母包覆电导体的导电格(网)放置在含熔体容器130的外表面150处或周围，并且由前述至少一个云母包覆导体网的格限定的导电格连接到电路以检测熔体的泄漏。这种电路可以通过例如控制器与警报器相关联。代表性地，当泄漏的熔融金属与云母格接触时，通过完成泄漏的熔融活性金属或合金与炉系统的电气接地电位之间的电路，将云母格连接到报警系统并用作泄漏检测装置。在一个实施例中，为了进一步确保操作的安全性，云母包覆导体的多个格放置在至少三个位置，包括：含熔体容器130的外圆柱形表面、含熔体容器130的底部142、和感应线圈120的内表面160。
如果在本发明的感应电动机的特定应用中需要，可以使用用于对电感应炉100中的活性合金熔体进行脱气的真空发生装置。真空发生装置对感应炉100中的活性合金熔体的顶表面施加真空，该顶表面可能靠近上炉容器110的顶部(未示出)。用于炉除气的另一种方法是使用炉中的石墨或碳化硅的气体扩散块喷射氩气。
上炉容器110和含熔体容器130可与例如碳化硅的界面环170和热环形垫片180可连通地连接。啮合接口可以用一个或多个绳索垫片190(例如，钛绳垫片)进一步密封。
在图1(a)所示的实施例中，电感应炉100可以是倾斜式，例如倾斜装置能够实现位于上炉容器110顶部(图中未示出)附近的水平定向的轴向倾斜(关于倾斜轴)。
在一个实施例中，清洁(或浮渣)出口可以位于上炉容器110和钢壳115的上端(图中未示出)处或附近。在一个实施例中，清洁出口与倾斜轴线相对。
上炉容器110(在图1(a)中部分示出)用作放置在炉100内的活性合金的绝热容纳容器。可以在上炉容器110的内部开口顶部上提供盖(图1(a)中未示出)，以便密封用于受控环境的炉周围空气。在该实施例中，上炉容器110包括结构支撑壳体(诸如，钢壳115)和一个或多个绝热层(例如，内部工作衬里112，其具有选择用于抵抗上炉容器中的活性合金的组合物)、中间(备用)层116、和与钢壳115相邻的外(备用)层117。层116或117(或两个层)可以由高温可压缩耐火材料形成，以允许内部工作衬里112的膨胀和收缩。
在电感应炉100的一种用途中，可将活性元素和/或合金作为固体电荷引入炉100中，包括含熔体容器130，并由以合适的工作频率向感应线圈120提供的交流电而感应熔化。活性合金熔体可以通过任何合适的方式(诸如但不限于沿着炉100一边进行顶部浇注或密封(taping))从电感应炉100中抽出。或者，可以在熔化固体电荷之前将活性元素和/或合金熔体的跟部(heel)引入炉100中，或可以在从炉中抽出一定数量的活性元素和/或合金熔体之后，将活性元素和/或合金熔体的跟部保持在炉100中，而将额外的固体电荷添加到跟部，用于炉中连续的活性元素和/或合金熔体生产。
图1(b)在局部截面图中示出了用于熔炼和保温活性金属和合金的电感应炉200的另一实施例，其是具有底部定位式电感器的两件式炉。感应炉200能够以例如从200赫兹的高频到80赫兹的低频率的高和/或低频模式操作。在本实施例中，电感应炉200包括上炉容器110(图1(b)部分示出)、定位在上炉容器110下方的感应线圈320、以及放置在感应线圈320内侧的下含熔体容器330，其中下含熔体容器330的内部容积可连通地连接到上炉容器110的内部容积。将电感应炉450识别为底部定位式感应类型指的是仅仅下或含熔体容器330定位或放置在感应线圈320内侧，而不是含熔体容器330和上炉容器110两者如此定位或放置。
在本发明的该实施例中，下含熔体容器330和感应线圈320形成电感应炉405的一部分，其中下含熔体容器330的内部容积可连通地连接到上炉容器110的内部容积。
在本发明的该实施例中，下含熔体容器330包括围绕容器330的外侧的外壳412、永久衬里338和工作衬里336。永久衬里338可以是可浇铸耐火材料或其它合适的耐火材料。在图1(b)所示的实施例中，可选的炉边框块411和推动块413设置在下含熔体容器330的底部，以便推出工作衬里336。
在本发明的一个实施例中，金属壳412包括垂直定向的非磁性材料棒，并且被定位成由感应线圈320的内表面360包围但不接触，以形成感应线圈320的内表面和含熔体容器330的外表面350之间的间隙340。
在该实施例中，包括排出口346的上冷却导管433的内部与间隙340流体连通，并且上导管出口管道901连接到鼓风机(或泵)347的入口。
在该实施例中，绝缘层361接触感应线圈320，并且间隙340位于含熔体容器的外壳412的外表面350和绝缘层361之间。在一个实施例中，绝缘层361可以是灌浆材料。在本实施例中，磁轭位于感应线圈320的后方(中间轭324a)、上方(上轭324b)和下方(下轭324c)，并通过适当的紧固件(诸如，轭螺栓组件326)支撑在合适的位置。在一个实施例中，形成金属壳412的垂直定向的棒在位于上轭324b上方的它们顶端处以及位于下轭324c下方的它们的底端处电气地和机械地接合在一起。
在本发明的一个实施例中，提供了可选的弹簧加载的支撑件426，以允许在使用容器期间由于含熔体容器330的热膨胀和收缩而使含熔体容器330移动。
在一个实施例中，炉壁冷却流体封闭系统与电感应炉405集成设置。在该实施例中，合适的流体循环装置如鼓风机(或泵)347、可选的过滤器/净化器435和热交换器441位于含熔体容器330的外侧。下冷却导管439位于含熔体容器330的底部下方，并且与进料口345流体连通，用于将流体从热交换器441的出口引导到进料口345。在该实施例中，流体出口管道901将废液冷却流体供应到鼓风机(或泵)347的入口，流体出口管道903连接到可选的过滤器/净化器435的入口，并且可选的过滤器/净化器的出口通过入口管道905连接到热交换器441。在其它实施例中，上冷却导管433可连接到位于远离电感应炉200的流体冷却系统的返回(废物)端，下冷却导管439连接到流体冷却系统的供应端。
在一个实施例中，冷却流体供给歧管310设置在含熔体容器330下方，用于将热交换器冷却流体和感应线圈冷却流体分别供应到热交换器441和感应线圈320的内部通道(内腔)335，并且冷却流体排放歧管312设置在含熔体容器330下方，用于分别从热交换器441和感应线圈320的内部通道(内腔)335返回(废弃)热交换器冷却流体和感应线圈冷却流体。
在一个实施例中，含熔体容器330具有通常为圆柱形的形状，其具有代表性的内部直径，其范围可以为10英寸至50英寸，这取决于例如炉熔化速率要求。在其它实施例中，含熔体容器330可以具有其它形状，其具有针对特定应用所需的内部尺寸范围。
在图1(b)所示的实施例中，感应线圈320是由具有内部通道(内腔)335的一个或多个线圈限定的卷曲感应线圈，诸如水或乙二醇的液体冷却剂或诸如制冷剂的气态冷却剂通过内部通道335被引入(例如，通过开口335泵送液体冷却剂)。在另一个实施例中，感应线圈320可以是固体芯线圈或外部空气冷却的线圈。
在电感应炉200的该实施例中示出的是在含熔体容器330的壳体412的外表面350与感应线圈320周围的绝缘层361的内表面360之间的间隙340。间隙340可操作以允许炉壁冷却流体(液体或气体)分别与从进料口345进入的流体一起循环，并从排出口346排出，其中进料口345和排出口346与间隙340相关联。在电感应炉200的一个实施例中，间隙340为至少二分之一英寸(0.5英寸)，优选为1.25英寸至1.5英寸宽。循环炉壁流体在进料口345引入，并经过围绕含熔体容器330的外部的间隙340移动，在排出口346排出，然后通过循环回路重新引入进料口345，在一个实施例中，循环回路包括鼓风机(或泵)347、可选的过滤器/净化器435和热交换器441。在一个实施例中，热交换器441是气体/液体热交换器，其中炉壁冷却流体是气体，并且热交换器冷却液是乙二醇。期望炉壁冷却流体围绕一部件循环或移动，在其它实施例中，围绕整个部件或基本上含熔体容器330的整个部件。以这种方式，流体可操作以冷却含熔体容器330的外部。为了有助于冷却流体围绕含熔体容器330的循环，可以添加挡板，其可以例如从围绕感应线圈320的绝缘层361的内表面360延伸并将流体引导到含熔体容器330的外表面350周围。
图1(b)所示的本发明的实施例包括围绕含熔体容器330的上侧的环形排出口和位于含熔体容器330的底部下方的环形进料口，环形排出口连接到环形上冷却导管，环形进料口连接到环形下冷却导管，并且至少两个鼓风机(或泵)将上冷却导管连接到至少部分地围绕含熔体容器330的外壁的热交换器。在其它实施例中，进料口和排出口、上冷却导管和下冷却导管、鼓风机或泵以及热交换器的数量和设置可以不同，以适应特定应用，同时满足作为与电感应炉405成一体的封闭式炉壁冷却系统的要求。
通过间隙340循环的流体可以包括对于电感应炉100所公开的任何气体。在一个实施例中，只要炉子处于300°F或更高的温度，代表性的循环机构就连续运行。在一个实施例中，从与含熔体容器330相关联的排出口346排出的循环气体在热交换器441中冷却并再循环回间隙(即，被引入进料口345和间隙340)。在一个实施例中，用作炉壁冷却介质的惰性气体的代表性流速约为12，000cfm量级，并且含熔体容器的外表面的温度维持在150°F以下。这确保了熔融活性合金的停止平面很好地维持在含熔体容器330的耐火衬里336内。在一个实施例中，如果壁冷却流体是气体，则在使循环气体再循环之前，可以使用在线除湿器(例如，连接到热交换器441的入口或出口)将其水分除去至低于10ppm(parts per million，ppm)。
与感应炉100一样，通过将含熔体容器330内(优选地，容器壁内)的停止平面保持在远离容器壁外部部分，适当操作的炉中活性金属或合金熔体从容器逃逸的机会被抑制。否则，这种逃逸和与感应线圈320的接触可能是灾难性的。
含熔体容器330可以设置有活性合金耐熔工作衬里336，在一个实施例中，其具有约1,000至约10,000微欧姆厘米的电阻率。在另一个实施例中，电阻率超过1,000,000微欧厘米。在一个实施例中，含熔体容器330的工作衬里是耐火陶瓷。
为了检测熔融活性金属或合金从含熔体容器330的泄漏或渗出，将至少一个云母包覆电导体的导电格(网)放置在含熔体容器330的工作衬里336和永久衬里338之间的界面处或周围的，并且由网限定的导电格格连接到一电路以检测熔体的泄漏。这种电路可以通过例如控制器与警报相关联。代表性地，云母格连接到报警系统，并当泄漏的熔融金属与云母格接触时，通过完成泄漏的熔融活性金属或合金与炉系统的电气接地电位之间的电路，用作泄漏检测装置。在一个实施例中，为了进一步确保操作的安全性，云母包覆导体的多个格放置在至少三个位置，包括：含熔体容器330的可更换工作衬336和永久衬里338之间的外界面、位于可选的推动块413上方的工作衬里底部边界的含熔体容器330的底部342、和感应线圈320的内表面360。在另一个实施例中，云母包覆导体网的泄漏检测器格也设置在感应炉405的底部316。
上炉容器110和含熔体容器330可由合适的连接装置(诸如，例如碳化硅的接口环170和热环形衬垫180)可连通地连接。啮合接口可由一个或多个绳索垫片190(例如，钛绳垫片)进一步密封。
电感应炉200可能是类似于电感应炉100的倾斜式。与用于感应炉100的上炉壁110相关联的所有元件(包括耐火材料衬里的内部和炉内环境)也可用于感应炉200中。
在电感应炉200的一种用途中，可将活性元素和/或合金作为固体电荷引入炉200中，包括含熔体容器330中，并由以合适的工作频率向感应线圈220提供的交流电而感应熔化。活性合金熔体可以通过任何合适的方式(诸如但不限于沿着炉200一边顶部浇注或密封(taping))从电感应炉200中抽出。或者，可以在熔化固体电荷之前将活性元素和/或合金熔体的跟部引入炉200中，或可以在从炉中抽出一定数量的活性元素和/或合金熔体之后，将活性元素和/或合金熔体的跟部保持在炉200中，其中将额外的固体电荷添加到跟部，用于炉中连续的活性元素和/或合金熔体生产。
图2(a)在局部截面侧视图中绘示了用于熔炼和保温活性金属或合金的感应电炉300的另一个实施例，其是具有底部定位式电感器的两件式炉。感应炉300能够以例如从200赫兹的高频到80赫兹的低频率的高和/或低频模式操作。在本实施例中，电感应炉300包括上炉容器110(图2(a)部分示出)、定位在上炉容器110下方的感应线圈320以及放置在感应线圈320内侧的下含熔体容器330，其中下含熔体容器330的内部容积可连通地连接到上炉容器110的内部容积。将电感应炉400识别为底部定位式感应类型指的是仅仅下或含熔体容器330定位或放置在感应线圈320内，而不是含熔体容器330和上炉容器110两者如此的定位或放置。
在本发明的该实施例中，下含熔体容器330和感应线圈320形成模块化电感应炉的部分。在一个实施例中，模块化电感应炉400包括：上炉模块410、感应线圈模块420、和下炉模块430，如图2(b)所示彼此分开。
在本实施例中，上炉模块410包括下含熔体容器330和上冷却导管433，感应线圈模块420包括感应线圈320，并且下炉模块430包括下冷却导管439和热交换器441，如图2(b)的截面侧视图中所示，此时模块彼此分离。
当上炉模块410中的下含熔体容器330连通地连接到上炉容器110的内部容积时，感应线圈模块420连接到上炉模块410，并且下炉模块430连接到感应线圈模块和上炉模块，形成装配的模块化电感应炉400，如图2(a)的截面图中所示。
在本发明的该实施例中，下含熔体容器330包括围绕容器330的外侧的外壳412、永久衬里338和工作衬里336。永久衬里338可以是耐火浇注材料或其它合适的耐火材料。在图2(a)和图2(b)所示的实施例中，可选的炉边框块411、推动块413和上炉模块钩子414设置在含熔体容器330的底部，以便于推出工作衬里336。
在本发明的一个实施例中，金属壳412包括垂直定向的非磁性材料棒，并且被定位成由感应线圈320的内表面360包围但不接触，此时感应线圈模块420连接到上炉模块410以形成感应线圈320的内表面360和含熔体容器330的外表面350之间的间隙340。
在模块化电感应炉400装配为如图2(a)所示时，包括排出口346的上冷却导管433的内部与间隙340流体连通，并且上导管出口管道901连接到鼓风机(或泵)347的入口。
在本发明的本实施例中，感应线圈模块420包围壳412，但是由绝缘层361彼此分开，绝缘层361接触感应线圈320，并且当感应线圈模块420连接到上炉模块410时，空气间隙340位于外壳412的外表面350和绝缘层361之间。在一个实施例中，绝缘层361可以是灌浆材料。除了壳412和绝缘层361之间提供流体流动通路之外，间隙340还便于下含熔体容器330从感应线圈模块移除或分离，使得工作衬里336可以被方便地移除。在本实施例中，感应线圈模块外壳422围绕感应线圈320，提供有位于感应线圈320后方(中间轭324a)、上方(上轭324b)和下方(下轭324c)的磁轭，并通过合适的紧固件(诸如，轭螺栓组件326)支撑在合适位置。在一个实施例中，当感应线圈连接到上炉模块时，形成金属壳412的棒在位于上轭324b上方的其顶端处和位于下轭324c下方的其底端处电气地和机械地接合在一起。
在本发明的一个实施例中，在感应线圈模块420中提供用于上炉模块的安装的可选的弹簧加载支撑件426，以允许在使用含熔体容器330期间上炉模块410的热膨胀和收缩。
在本发明的该实施例中，下炉模块430包括合适的流体循环装置(诸如，鼓风机(或泵)347)、可选的过滤器/净化器435、热交换器441和下冷却导管439，其内部与进料口345流体连通，用于将流体从热交换器441的出口引导到进料口345，此时模块化感应炉400被组装为如图2(a)所示。在该实施例中，流体出口管道901将废液冷却流体供应到鼓风机(或泵)347的入口，流体出口管道903连接到可选的过滤器/净化器435的入口，并且可选的过滤器/净化器的出口通过入口导管905连接到热交换器441。在其它实施例中，上冷却导管433可连接到位于远离电感应炉400的流体冷却系统的返回(废物)端，下冷却导管439连接到流体冷却系统的供应端。
在一个实施例中，下炉模块430还包括冷却流体供给歧管310，用于将热交换器冷却流体和感应线圈冷却流体分别供应到热交换器441和感应线圈320的内部通道(内腔)335，并且冷却流体排放歧管312提供用于分别从热交换器441和感应线圈320的内部通道(内腔)335返回(废弃)热交换器冷却流体和感应线圈冷却流体。
在一个实施例中，含熔体容器330具有通常为圆柱形的形状，其具有代表性的内部直径，其范围可以为10英寸至50英寸，这取决于例如炉熔化速率要求。在其它实施例中，含熔体容器330可以具有其它形状，其具有针对特定应用所需的内部尺寸范围。
在图2(a)和图2(b)所示的实施例中，感应线圈320是由具有内部通道(内腔)335的一个或多个线圈限定的卷曲感应线圈，诸如水或乙二醇的液体冷却剂或诸如制冷剂的气态冷却剂通过内部通道335被引入(例如，通过开口335泵送液体冷却剂)。在另一个实施例中，感应线圈320可以是固体芯线圈或外部空气冷却的线圈。
在电感应炉300的该实施例中示出的是在含熔体容器330的壳体412的外表面350与感应线圈320周围的绝缘层361的内表面360之间的间隙340。间隙340可操作以允许炉壁冷却流体(液体或气体)进行循环，流体分别从进料口345进入，并从排出口346排出，其中进料口345和排出口346与间隙340相关联。在电感应炉300的一个实施例中，间隙340为至少二分之一英寸(0.5英寸)，优选为1.25英寸至1.5英寸宽。循环的炉壁流体在进料口345引入，并通过围绕含熔体容器330外部的间隙340，在排出口346排出，然后通过循环回路重新引入进料口345，在一个实施例中，循环回路包括鼓风机(或泵)347、可选的过滤器/净化器435和热交换器441。在一个实施例中，热交换器441是气体/液体热交换器，其中炉壁冷却流体是气体，并且热交换器液是乙二醇。期望炉壁冷却流体围绕一部分部件循环或移动，在其它实施例中，围绕整个部件或基本上含熔体容器330的整个部分。以这种方式，流体可操作以冷却含熔体容器330的外部。为了有助于冷却流体围绕含熔体容器330的循环，可以添加挡板，其例如从围绕感应线圈320的绝缘层361的内表面360延伸并引导流体围绕含熔体容器330的外表面350。
图2(a)和图2(b)所示的本发明的实施例包括围绕含熔体容器330上侧的环形排出口和位于含熔体容器330的底部的环形进料口，环形排出口连接到环形上冷却导管，并且环形进料口连接到环形下冷却导管，具有至少两个鼓风机(或泵)将上冷却导管连接到至少部分地围绕含熔体容器330的外壁的热交换器。在其它实施例中，进料口和排出口、上冷却导管和下冷却导管、鼓风机或泵以及热交换器的数量和设置可以不同，以适应特定应用，同时满足作为与组装模块化电感应炉405成一体的封闭式炉壁冷却系统的要求。
通过间隙340循环的流体可以包括对于电感应炉100所公开的任何气体。在一个实施例中，只要炉子处于300°F或更高的温度，代表性的循环机构就连续运行。在一个实施例中，从与含熔体容器330相关联的排出口346排出的循环气体在热交换器441中冷却并再循环回间隙(即，被引入进料口345和间隙340)。在一个实施例中，惰性气体的代表性流速约为12,000cfm的量级，并且含熔体容器的外表面的温度保温在150°F以下。这确保熔融活性合金的停止平面很好地维持在含熔体容器330的耐火工作衬里336内。在一个实施例中，如果壁冷却流体是气体，则在使循环气体再循环之前，可以使用在线除湿器(例如，连接到热交换器441的入口或出口)将其水分除去，例如至低于10ppm。
与感应炉100一样，通过将含熔体容器330内(优选地，容器壁内)的停止平面保持在远离容器壁外部部分，适当操作的炉中活性合金熔体从容器逃逸的机会被抑制。否则，这种逃逸和与感应线圈320的接触可能是灾难性的。
含熔体容器330可以设置有活性合金耐熔工作衬里336，在一个实施例中，其具有约1,000至约10,000微欧姆厘米的电阻率。在另一个实施例中，电阻率超过1,000,000微欧厘米。在一个实施例中，含熔体容器330的工作衬里是耐火陶瓷。
为了检测熔融活性金属或合金从含熔体容器330的泄漏或渗出，将至少一个云母包覆电导体的导电格(网)放置在含熔体容器330的工作衬里336和永久衬里338之间的界面处或周围，并且由网限定的导电格连接到一电路以检测熔体的泄漏。这种电路可以通过例如控制器与警报相关联。代表性地，当泄漏的熔融金属与云母格接触时，通过完成泄漏的熔融活性金属或合金与炉系统的电气接地电位之间的电路，将云母格连接到报警系统并作为泄漏检测装置工作。在一个实施例中，为了进一步确保操作的安全性，云母包覆导体的多个格放置在至少三个位置，包括：含熔体容器330的可更换工作衬里336和永久衬里338之间的外界面、位于可选的推动块413上方的工作衬里底部边界的含熔体容器330的底部342、和感应线圈320的内表面360。在另一个实施例中，云母包覆导体网的泄漏检测器格也设置在下炉模块430的底部316。
包括含熔体容器330的上炉容器110和上炉模块410在电感应炉300的运行期间，上炉容器110和上炉模块410由合适的连接装置(诸如，例如碳化硅的接口环170和热环形衬垫180)可连通地连接。啮合接口可由一个或多个绳索垫片190(例如，钛绳垫片)进一步密封。可以在其它实施例中提供替代连接装置，以使模块化电感应炉410到上炉容器110的连接相适应。
电感应炉300可能是类似于电感应炉100或200的倾斜式。与用于感应炉100的上炉壁110相关联的所有元件(包括耐火材料衬里的内部和炉内大气)也可用于感应炉300中。
在电感应炉300的一种用途中，可将活性元件和/或合金作为固体电荷引入炉300中，包括含熔体容器330，并由以合适的工作频率向感应线圈320提供的交流电而感应熔化。活性合金熔体可以通过任何合适的方式(诸如但不限于沿着炉300一边进行顶部浇注或密封(taping))从电感应炉300中抽出。或者，可以在熔化固体电荷之前将活性元素和/或合金熔体的跟部引入炉300中，或可以在从炉中抽出一定数量的活性元素和/或合金熔体之后，将活性元素和/或合金熔体的跟部保持在炉300中，其中将额外的固体电荷添加到跟部，用于炉中连续的活性元素和/或合金熔体生产。
在本发明的一个实施例中，当使用如图2(a)和图2(b)所示的模块化电感应炉400时，维修(包括更换或维护程序)可以包括使用如图3(a)至图3(d)所示的综合维修车500。在这些图中，仅示出了被维护的电感应炉400的模块。如图2(a)所示，维修开始于组装的模块化电感应炉300。
在该实施例中，维修车500包括平板车轮安装托架510，其具有适当地连接(并且优选地以图中示出的次序顺序定位)到该平板车轮安装托架的模块座位配件，即下炉模块520配件、感应线圈模块配件530和上炉模块540配件，以便于顺序移除和安装炉模块。托架轮560可容许安装在轨道上，也可以是自由旋转的，其中任一托架可集成到动力车辆，或可拆卸地固定到单独的动力车辆。
组装的模块化电感应炉300的底部(同样，下电感应炉400的底部)可以被升高到水平(grade)(地面高度)以上，或检修坑可以提供在水平以下，以允许维修车进入感应炉300的下炉模块430下方，如图所示。
下电感应炉模块430(当炉300处于服务状态时，下电感应炉模块430被适当地连接到感应线圈模块和/或上炉模块)可以从感应线圈模块420和/或上炉模块410(附连到上炉容器110，图3(a)未示出)断开连接，并且当维修车500位于炉300下方时，被下降到维修车500上的下炉模块配件520上，如图3(a)所示。如果需要移除感应线圈模块，维修车500可以被重新定位，以将感应线圈模块配件530定位在附接的感应线圈模块(当炉300处于服务状态时，其被适当地连接到上炉模块)下方，如图3(b)所示，并且感应线圈模块420可以从上炉模块410断开连接，并且下降到维修车中的感应线圈模块配件530上，如图3(b)所示。如果需要移除上炉模块410(当炉300处于服务状态时，其被适当地连接到上炉容器110)，维修车500可以被重新定位，以将上炉模块配件540定位在上炉模块410下方，如图3(c)所示，并且上炉模块可以从上炉容器110断开，并下降到维修车上的上炉模块配件540上，如图3(c)所示。将下炉模块430、感应线圈模块420和上炉模块410下降到维修车500可以用合适的机械吊举装置来实现。在一个实施例中，针对维修车中的每个模块配件，可以采用剪式千斤顶装置以用于移除(下降)现有炉模块和安装(升高)更换模块。
在一个实施例中，上炉模块配件540包括上炉模块重定位装置，以根据需要重新定位上炉模块配件上的上炉模块410，用于接合炉工作衬里推出装置600，以从下含熔体容器300移除工作衬里336，如图3(d)所示，其中上炉模块410的轴向长度被上炉模块重定位装置从水平方向到垂直方向旋转90度。在一个实施例中，合适的工作衬里推出装置600是液压缸，其接合上炉模块钩414，使得通过推压边框块411和推动器块413，液压缸推出磨损的炉工作衬里336，其中上炉模块410位于上炉模块配件540上，如图3(d)所示。
在已经将上炉模块410从炉300移除后，维修车500可用于安装具有新的工作衬里的备用上炉模块，或者可替换地，备用或维修的上和/或下炉模块。
可替换地，维修车可包括单个模块移除或安装车，其中合适的模块配件(上或下模块配件或感应线圈模块配件)可以附接和互换以容纳单个模块维修车中的每个炉模块。
可替换地，维修车可以包括具有合适配件的装配的电感应炉移除或安装车，以通过将单个炉模块分离远离上炉容器的位置而从上炉容器110移除装配的电感应炉。
在上面的描述中，出于解释的目的，已经提出许多具体的要求和一些具体细节，以提供对示例和实施例的透彻理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，一个或多个其它示例或实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。描述的特定实施例并不用于限制本发明，而是为了说明。
对贯穿本说明书的引用“一个示例或实施例”、“示例或实施例”、“一个或多个示例或实施例”或“不同的示例或实施例”，例如，意味着特定特征可被包括在本发明的实践中。在描述中，为了简化公开并助于理解各个发明方面，各种特征有时被组合到单个示例、实施例、图或它们的描述中。
已经根据优选示例和实施例描述了本发明。除了那些明确陈述的，等同物、替换和修改是可能的，并且本发明的范围之内。

Claims (32)

1.一种电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，包括：
上炉容器；
位于所述上炉容器下方的感应线圈；和
位于所述感应线圈内并且可连通地连接到所述上炉容器的含熔体容器，其中所述含熔体容器在所述感应线圈内的定位限定所述含熔体容器的外表面和所述感应线圈的内表面之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，还包括与所述间隙相关联的至少一个进料口和至少一个排出口，以及耦连到所述至少一个进料口的流体源。
3.根据权利要求2所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，所述流体源包括通过所述感应线圈的内表面和所述含熔体容器的外表面之间的间隙循环的选自氩、氦、氖、氪、氙和氡的至少一种惰性气体。
4.根据权利要求2所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述流体源包括空气。
5.根据权利要求2所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，来自所述流体源的流体可操作以在所述至少一个进料口和所述至少一个排出口之间的间隙中循环。
6.根据权利要求2所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，来自所述流体源的流体可操作以在所述至少一个进料口和所述至少一个排出口之间的间隙中循环，并且所述流体在远离所述电感应活性金属或合金熔化炉处被冷却，并被再循环回间隙中。
7.根据权利要求6所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述间隙中循环的所述流体的温度保持在150°F以下。
8.根据权利要求6所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，还包括净化器，其中所述流体是气体，并且配置成被再循环之前通过所述净化器。
9.根据权利要求8所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述净化器包括除湿器，并且所述除湿器可操作以将所述气体中的水分除去至低于10ppm。
10.根据权利要求1所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述含熔体容器的外表面和所述感应线圈的内表面之间的所述间隙在宽度上至少有半英寸。
11.根据权利要求1所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉被配置为倾斜。
12.根据权利要求1所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述感应线圈是冷却的感应线圈。
13.根据权利要求1所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，还包括位于所述含熔体容器的外表面处或周围的至少一个云母包覆电导体的导电格，至少一个导电格连接到电路以检测活性金属或合金熔体从所述含熔体容器的泄漏。
14.根据权利要求13所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述至少一个云母包覆电导体的导电格包括位于以下每个位置处的至少一个导电格：所述含熔体容器的外表面、所述含熔体容器的底部、以及所述感应线圈的内周上。
15.根据权利要求1所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，还包括耦连到所述上炉容器并且可操作用于对所述含熔体容器的活性金属或合金熔体进行脱气的真空发生装置，所述真空发生装置向所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉中的所述活性金属或合金表面施加真空。
16.根据权利要求2所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述流体源与所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉是一体的。
17.根据权利要求1所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述感应线圈和所述含熔体容器包括所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉的模块化部件。
18.根据权利要求2所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述流体源与所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉与所述感应线圈是一体的，所述含熔体容器和所述流体源包括所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉的模块化部件。
19.根据权利要求2所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，还包括模块化电感应炉，所述模块化电感应炉包括：
上电感应炉模块，所述上电感应炉模块包括：
上冷却导管，与和所述间隙相关联的所述至少一个排出口或所述至少一个进料口流体连通以及与流体源的流体返回或流体供应端连通；和
含熔体容器；
感应线圈模块，所述感应线圈模块包括：
感应线圈；和
围绕所述感应线圈的外壳；和
下电感应炉模块，所述下电感应炉模块包括：
下冷却导管，与和所述间隙相关联的所述至少一个排出口或所述至少一个进料口流体连通以及与流体源的流体返回或流体供应端连通。
20.根据权利要求19所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述上电感应炉模块、感应线圈模块和下电感应炉模块彼此分离，由此当所述感应线圈模块连接到所述上电感应炉模块时并且所述下炉模块连接到所述感应线圈模块和所述上电感应炉模块时，所述间隙限定在所述含熔体容器的外表面和所述感应线圈的内表面之间。
21.根据权利要求19所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述流体源与所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉是一体的。
22.根据权利要求20所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，还包括：
用于循环来自与所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉一体的所述流体源的流体的装置；和
与所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉成一体的热交换器。
23.根据权利要求22所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述上电感应炉模块、感应线圈模块和下电感应炉模块彼此分离，由此当所述感应线圈模块连接到所述上电感应炉模块时并且所述下炉模块连接到所述感应线圈模块和所述上电感应炉模块时，所述间隙限定在所述含熔体容器的外表面和所述感应线圈的内表面之间。
24.根据权利要求22所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，所述含熔体容器还包括由所述感应线圈包围的垂直定向的非磁性材料棒的外壳，垂直定向的所述棒在所有垂直定向的棒的顶端和所有垂直定向的棒的底端电气地和机械地接合在一起。
25.根据权利要求22所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，还包括位于所述含熔体容器的外表面处或周围的至少一个云母包覆电导体的导电格，至少一个导电格连接到电路以检测活性金属或合金熔体从所述含熔体容器的泄漏。
26.根据权利要求20所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，还包括炉模块维修系统。
27.根据权利要求26所述的电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，其中，所述炉模块维修系统包括具有下炉模块配件、感应线圈模块配件和上炉模块配件的可移动电感应炉维修车，用于顺序地分别将所述下炉电感器模块下降到所述下炉模块配件上、将所述感应线圈模块下降到所述感应线圈模块配件上和将所述上炉电感器模块下降到所述上炉模块配件上。
28.一种用于冷却电感应活性金属或合金熔炼和保温炉的方法，所述方法包括：
将流体引入感应线圈和位于感应线圈内的含熔体容器之间的间隙中；以及
使所述流体循环通过所述间隙。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，当所述含熔体容器内包含活性金属或合金熔体时，所述流体可操作以冷却所述含熔体容器的表面。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，使所述流体循环通过所述间隙包括：将从与所述间隙相关联的排出口排出的流体引入与所述间隙相关联的进料口。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，在将所述流体引入所述进料口之前，所述方法包括降低所述流体的温度。
32.根据权利要求28所述的方法，还包括用模块化电感应炉形成所述电感应活性金属或合金熔炼和保温炉，所述模块化电感应炉包括：
上电感应炉模块，所述上电感应炉模块包括：
上冷却导管，与和所述间隙相关联的所述至少一个排出口或所述至少一个进料口流体连通以及与流体源的流体返回或流体供应端连通；和
含熔体容器；
感应线圈模块，所述感应线圈模块包括：
感应线圈；和
围绕所述感应线圈的外壳；和
下电感应炉模块，所述下电感应炉模块包括：
下冷却导管，与和所述间隙相关联的所述至少一个排出口或所述至少一个进料口流体连通以及与流体源的流体返回或流体供应端连通。
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