EP2514266A1 - Induction melting/stirring furnace - Google Patents

Induction melting/stirring furnace

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Publication number
EP2514266A1
EP2514266A1 EP10807617A EP10807617A EP2514266A1 EP 2514266 A1 EP2514266 A1 EP 2514266A1 EP 10807617 A EP10807617 A EP 10807617A EP 10807617 A EP10807617 A EP 10807617A EP 2514266 A1 EP2514266 A1 EP 2514266A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
generator
power
induction furnace
inductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10807617A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Guillaume Lecomte
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EFD Induction SAS
Original Assignee
EFD Induction SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EFD Induction SAS filed Critical EFD Induction SAS
Publication of EP2514266A1 publication Critical patent/EP2514266A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/067—Control, e.g. of temperature, of power for melting furnaces
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/02—Stirring of melted material in melting furnaces

Definitions

  • the present invention relates to the use of an induction furnace for melting and maintaining a constant temperature at a material while ensuring a determined stirring speed in the molten material.
  • the present invention applies more particularly to a metallurgical silicon treatment to improve the quality and reduce the amount of impurities to obtain for example a photovoltaic grade silicon (SOlar Grade or SOG in English).
  • Figure 1 shows in an extremely simplified and schematic way a melting furnace and stirring silicon.
  • a crucible 1 made of refractory material is surrounded by an inductor winding 2 and contains a charge of metallurgical silicon 4.
  • This metallurgical silicon initially contains a significant percentage of impurities such as iron, titanium, boron, phosphorus, and others, the content of which must be reduced.
  • the representation of Figure 1 is extremely schematic and various means are provided to ensure the operation of the system, for example to control the ambient atmosphere and to ensure the introduction of silicon in the crucible and its casting at the end of operation.
  • additional treatment and heating means for example means for ensuring a vertical temperature gradient in the crucible such as a flame or a resistive heating or else inductive heating, and means for treating the surface.
  • upper bath such as a slag or a flame (eg plasma flame).
  • the bath in many installations, it is desirable for the bath to be maintained at an optimum temperature, for example at a fixed value of between 1450 and 1600 ° C., and that the stirring be regular, that is to say in particular that the displacement velocity v of the bath at the interfaces thereof is controlled and maintained at a determined value.
  • the brewing and maintaining temperature of the bath are provided by separate inductive fields.
  • the heating is provided by an inductive field at medium frequency, for example at a frequency of 1000 hertz
  • the mixing is provided by a low frequency inductive field, for example at a frequency of 50 hertz.
  • the power of the low frequency generator is kept constant to ensure a constant stirring speed.
  • the power of the medium frequency generator is slaved to maintain a constant temperature, it being understood that the medium frequency field has virtually no influence on the stirring.
  • Various types of inductors and generators have been provided to provide these two heating and mixing functions. In some installations, two are expected wraps ⁇ distinct elements, one for brewing and one dedicated to heating. It has been sought to use a single winding to provide these two functions, which has led to the use of electrical installations such as those used in Figure 2 and Figure 3.
  • the generators have an operating voltage of the order of 500 volts, this implies, for example to supply 50 kilowatts at 50 hertz, that the current delivered by the generator is 100 amperes by means of the power factor (coscp) and therefore a current of the order of 3000 amperes in an inductor with 14 turns on a charge of 80kg of silicon (without taking into account that all the power supplied by the inductors is not transformed into thermal power in the load ). It should also be noted that given the low values of the frequencies in question and especially with regard to the 50 hertz, the dimensions of the electrical components (capacitors and inductances) must be very important.
  • a low-frequency generator (LF) (10) (10 to about 100 Hz) whose operating frequency is set by a capacitor Cl and inductance of the inductor 2
  • a medium frequency generator (MF) 12 whose frequency of The operation is fixed by a capacitor C2 and the inductor of the inductor 2.
  • the medium frequency filter 14 essentially contains a series blocking inductance for blocking the medium frequency (1000 Hz). Such blocking inductance must have very large dimensions. In practice, it weighs 2 to 3 tons.
  • the low frequency filter 16 should include a high-value series capacitor and in practice weighs about 40 kg. The price of all the filters is high and constitutes about 20% of the price of the entire electrical installation. In addition, of course, the values of the components contained in the filters must be taken into account to determine the operation of the generators.
  • Figure 3 shows a simpler circuit to provide the same function. It contains the inductor 2, the generator BF 10, the generator MF 12, and the capacitors C1 and C2. In addition, a coupling transformer 18 on the BF side has been shown. As previously indicated, such a circuit could not work because of the interactions between the two generators. Thus, the generators are operated to turn, which is symbolized by the presence of two commuta ⁇ tors SWl and SW2 which in turn connect the generator BF and MF generator to the inductor 2. In practice, if one wants to ensure Regular mixing requires the low frequency to be supplied to the inductor during most of a cycle of operation. Thus, for example, the SW2 turn-on switch of the MF generator is closed only about 10% of the time. As a result, the generator MF, to perform its heating function, must be oversized by a factor of 10 with respect to the generator of FIG. heard also a disadvantage in terms of cost and Encom ⁇ BREMENT.
  • a melting and brewing furnace using a single inductor and a single power supply generator to maintain a constant speed and a constant temperature despite external disturbances, or to vary a speed at precise and desired values while maintaining a constant temperature, or to vary a temperature to precise and desired values while maintaining a constant speed, the external disturbances being able to be heat losses, a stronger external insulation, or even additional powers.
  • an embodiment of the present invention provides a melting and stirring induction furnace of a material, surrounded by a single inductor winding powered by a single variable frequency generator associated with regulation control means according to a abacus determined beforehand fixing, for said furnace and its environment, frequency and power values to maintain a chosen temperature while maintaining a selected stirring speed in the material.
  • the induction furnace is applied to the metallurgical silicon treatment.
  • the generator comprises a set of adjustment capabilities of frequency controlled so that, depending on the chosen power of maintaining temperature, the power-frequency relationship remains in the relationship fixed by said chart.
  • the generator is regulated by pulse width modulation, PWM.
  • An embodiment of the present invention provides a method of controlling a melting and mixing induction furnace of a material, associated with a single inductor, wherein the inductor is controlled by a single controlled variable frequency generator. so that its power and its frequency conform to a curve of a previously determined abacus.
  • FIGS. 2 and 3, described above, represent two examples of feed circuits of a melting furnace and brewing
  • FIG. 4 represents a power chart as a function of frequency
  • FIG. 5 shows an exemplary circuit elec tric power ⁇ according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates, by way of example, an abacus of the power in kilowatts applied to an inductor as a function of frequency.
  • the chart is plotted for a constant temperature, in the given example of 1550 ° C and for various stirring speeds. It can be seen that in order to maintain a determined surface baking speed v (v1, v2 v3), the operating point must be maintained according to one of the curves shown. For example, we will have the same stirring speed v3 if the power applied has a first value at a frequency of 50 Hz or a substantially double value at a frequency of 125 Hz or a substantially triple value at a frequency of 200 Hz.
  • FIG. 5 represents an example of a generator adapted to provide a frequency such that the operating point remains on one of the curves of the chart of FIG. 4, a function of the power required to remain at a constant temperature and at the desired stirring speed.
  • the generator shown comprises a current source 20 coupled via a transformer 21 to an inductor 2.
  • a capacitor network 22 is connected to the primary of the transformer 21.
  • capacitors includes capacitors, C11, C12, C13 ... Cln in series with respective switches SWC12, SWC13 ... SWCln which can be selectively closed to set the oscillation frequency of the generator.
  • an enslavement is scheduled to link the power applied to the tem ⁇ erasure bath.
  • regulation will be provided for, depending on the power generated by the generator, automatically adjust the oscillation frequency, by switching control SWC12 SWCln switches.
  • FIG. 5 also shows a circuit capable of supplying the inductor 2 with high power during phases of rise in temperature. Then, switches SW11 and SW12 are closed and the inductor 2 is then placed in parallel on a capacitor C20 to set the frequency to the maximum possible value with the chosen generator.
  • Another advantage of the installation described here is that it uses a single-phase power supply, which greatly simplifies the electrical circuits compared to polyphase installations.
  • FIG. 5 is only one example of a generator that can be used to implement the present invention.
  • various series assemblies may be used.
  • the relative position of the transformer can be modified.
  • a PWM (pulse width modulated power supply) switching setting may be used.
  • the present invention applies in particular to "segregation” installations whose principle is to solidify the silicon in a controlled manner from bottom to top to obtain the purest solid metal possible.
  • the liquid part remains on the surface.
  • the impurities tend to be pushed back into the liquid which generates a "purified” solid metal. For this, a temperature gradient is applied between the upper and lower surfaces.
  • the present invention also applies to “purification” installations in which the upper surface of a metallurgical silicon bath is treated with a slag or a plasma flame.

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Abstract

The invention relates to an induction furnace for melting and sturring a material, surrounded by a single field winding (2) powered by a single variable-frequency generator (20) associated with a regulation control means according to a predetermined graph, setting frequency and power values of said furnace and the environment thereof in order to maintain a selected temperature while maintaining a selected stirring speed in the material.

Description

FOUR A INDUCTION DE FUSION/BRASSAGE  MELTING / BREWING INDUCTION OVEN
Domaine de 1 ' invention Field of the invention
La présente invention concerne l'utilisation d'un four à induction pour mettre en fusion et maintenir à température constante un matériau tout en assurant une vitesse de brassage déterminée dans le matériau en fusion. La présente invention s'applique plus particulièrement à un traitement de silicium métallurgique pour en améliorer la qualité et en réduire la quantité d'impuretés afin d'obtenir par exemple un silicium de qualité photovoltaïque (SOlar Grade ou SOG en anglais) .  The present invention relates to the use of an induction furnace for melting and maintaining a constant temperature at a material while ensuring a determined stirring speed in the molten material. The present invention applies more particularly to a metallurgical silicon treatment to improve the quality and reduce the amount of impurities to obtain for example a photovoltaic grade silicon (SOlar Grade or SOG in English).
Exposé de 1 ' art antérieur Presentation of the prior art
La présente invention et l'état de la technique seront décrits plus particulièrement en relation avec le silicium métallurgique, mais on comprendra qu'elle s'applique à de nombreux autres matériaux, par exemple des métaux tels que le zinc ou des alliages métalliques tels que l'acier.  The present invention and the state of the art will be described more particularly in relation to metallurgical silicon, but it will be understood that it applies to many other materials, for example metals such as zinc or metal alloys such as steel.
La figure 1 représente de façon extrêmement simplifiée et schématique un four de fusion et de brassage de silicium. Un creuset 1 en matériau réfractaire est entouré d'un enroulement inducteur 2 et contient une charge de silicium métallurgique 4. Ce silicium métallurgique contient initialement un pourcentage non négligeable d'impuretés telles que le fer, le titane, le bore, le phosphore, et autres, dont il faut réduire la teneur. La représentation de la figure 1 est extrêmement schématique et divers moyens sont prévus pour assurer le fonctionnement du système, par exemple pour contrôler l'atmosphère ambiante et pour assurer l'introduction du silicium dans le creuset et sa coulée en fin d'opération. On pourra aussi prévoir des moyens de traitement et de chauffage supplémentaires, par exemple des moyens pour assurer un gradient de température vertical dans le creuset tels qu'une flamme ou un chauffage résistif ou encore un chauffage inductif, et des moyens de traitement de la surface supérieure du bain tels qu'un laitier ou une flamme (par exemple flamme de type plasma) . Figure 1 shows in an extremely simplified and schematic way a melting furnace and stirring silicon. A crucible 1 made of refractory material is surrounded by an inductor winding 2 and contains a charge of metallurgical silicon 4. This metallurgical silicon initially contains a significant percentage of impurities such as iron, titanium, boron, phosphorus, and others, the content of which must be reduced. The representation of Figure 1 is extremely schematic and various means are provided to ensure the operation of the system, for example to control the ambient atmosphere and to ensure the introduction of silicon in the crucible and its casting at the end of operation. It will also be possible to provide additional treatment and heating means, for example means for ensuring a vertical temperature gradient in the crucible such as a flame or a resistive heating or else inductive heating, and means for treating the surface. upper bath such as a slag or a flame (eg plasma flame).
Dans de tels fours, il est souvent souhaitable de créer un brassage du bain, de sorte que le milieu du bain reste homogène et que les échanges aux interfaces soient favorisés. On a représenté schématiquement en figure 1 des vortex 8 correspondant à ce mouvement de brassage. D'autres types de mouvements et de répartition de vortex peuvent exister.  In such furnaces, it is often desirable to create a stirring of the bath, so that the bath medium remains homogeneous and exchanges at the interfaces are favored. Diagrams 8 corresponding to this stirring movement are shown diagrammatically in FIG. Other types of motion and vortex distribution may exist.
De plus dans de nombreuses installations, il est souhaitable que le bain soit maintenu à une température optimale, par exemple à une valeur fixe comprise entre 1450 et 1600 °C, et que le brassage soit régulier, c'est-à-dire notamment que la vitesse de déplacement v du bain aux interfaces de celui- ci soit contrôlée et maintenue à une valeur déterminée.  Moreover, in many installations, it is desirable for the bath to be maintained at an optimum temperature, for example at a fixed value of between 1450 and 1600 ° C., and that the stirring be regular, that is to say in particular that the displacement velocity v of the bath at the interfaces thereof is controlled and maintained at a determined value.
De façon classique, les opérations de brassage et de maintien en température du bain sont assurées par des champs inductifs distincts. Couramment, le chauffage est assuré par un champ inductif à moyenne fréquence, par exemple à une fréquence voisine de 1000 hertz, et le brassage est assuré par un champ inductif à basse fréquence, par exemple à une fréquence voisine de 50 hertz. La puissance du générateur basse fréquence est maintenue constante pour assurer une vitesse de brassage constante. La puissance du générateur moyenne fréquence est asservie pour maintenir une température constante, étant entendu que le champ moyenne fréquence n'a quasiment pas d'influence sur le brassage. Divers types d'inducteurs et de générateurs ont été prévus pour assurer ces deux fonctions de chauffage et de brassage. Dans certaines installations, on prévoit deux enroule¬ ments distincts, l'un dédié au brassage et l'autre dédié au chauffage. On a cherché à utiliser un seul enroulement pour assurer ces deux fonctions, ce qui a amené à utiliser des installations électriques telles que celles utilisées en figure 2 et en figure 3. Conventionally, the brewing and maintaining temperature of the bath are provided by separate inductive fields. Commonly, the heating is provided by an inductive field at medium frequency, for example at a frequency of 1000 hertz, and the mixing is provided by a low frequency inductive field, for example at a frequency of 50 hertz. The power of the low frequency generator is kept constant to ensure a constant stirring speed. The power of the medium frequency generator is slaved to maintain a constant temperature, it being understood that the medium frequency field has virtually no influence on the stirring. Various types of inductors and generators have been provided to provide these two heating and mixing functions. In some installations, two are expected wraps ¬ distinct elements, one for brewing and one dedicated to heating. It has been sought to use a single winding to provide these two functions, which has led to the use of electrical installations such as those used in Figure 2 and Figure 3.
On notera au préalable les ordres de grandeur des puissances à fournir par les installations électriques. Couram¬ ment, un creuset contenant une charge de silicium de 150 à 200 kg et devant être maintenu à une température choisie comprise entre 1450 et 1600 °C présentera des pertes de 50 à 100 kilowatts. Si une source externe variable communique au four une puissance thermique de l'ordre de 20 kilowatts, la puissance complémentaire doit être fournie par l'inducteur, c'est-à-dire que l'énergie inductive fournie au four doit être de l'ordre de 30 à 80 kilowatts. Si les générateurs ont une tension de fonctionnement de l'ordre de 500 volts, cela implique, pour fournir par exemple 50 kilowatts à 50 hertz, que le courant délivré par le générateur est de 100 ampères moyennant le facteur de puissance (coscp) et donc un courant de l'ordre de 3000 ampères dans un inducteur avec 14 spires sur une charge de 80kg de silicium (sans tenir compte du fait que l'intégralité de la puissance fournie par les inducteurs n'est pas transformée en puissance thermique dans la charge) . On notera également qu'étant donné les faibles valeurs des fréquences en cause et surtout en ce qui concerne le 50 hertz, les dimensions des composants électriques (capacités et inductances) doivent être très importantes. The orders of magnitude of the powers to be supplied by the electrical installations will be noted beforehand. Couram ¬ a crucible containing a silicon charge of 150 to 200 kg and to be maintained at a selected temperature between 1450 and 1600 ° C will present losses of 50 to 100 kilowatts. If a variable external source furnishes a thermal power of the order of 20 kilowatts, the additional power must be supplied by the inductor, that is, the inductive energy supplied to the furnace must be order of 30 to 80 kilowatts. If the generators have an operating voltage of the order of 500 volts, this implies, for example to supply 50 kilowatts at 50 hertz, that the current delivered by the generator is 100 amperes by means of the power factor (coscp) and therefore a current of the order of 3000 amperes in an inductor with 14 turns on a charge of 80kg of silicon (without taking into account that all the power supplied by the inductors is not transformed into thermal power in the load ). It should also be noted that given the low values of the frequencies in question and especially with regard to the 50 hertz, the dimensions of the electrical components (capacitors and inductances) must be very important.
Dans le schéma de la figure 2, pour alimenter l'induc¬ teur 2, on prévoit un générateur basse fréquence (BF) (10) (10 à environ 100 hertz) dont la fréquence de fonctionnement est fixée par une capacité Cl et l'inductance de l'inducteur 2, et un générateur moyenne fréquence (MF) 12 dont la fréquence de fonctionnement est fixée par un condensateur C2 et 1 ' inductance de 1 ' inducteur 2. In the diagram of Figure 2, for supplying the Induc ¬ tor 2, there is provided a low-frequency generator (LF) (10) (10 to about 100 Hz) whose operating frequency is set by a capacitor Cl and inductance of the inductor 2, and a medium frequency generator (MF) 12 whose frequency of The operation is fixed by a capacitor C2 and the inductor of the inductor 2.
Toutefois, quand le système fonctionne, il faut éviter l'influence de chacun des oscillateurs sur l'autre et pour cela, on doit prévoir un filtre moyenne fréquence 14 du côté du géné¬ rateur BF et un filtre basse fréquence 16 du côté du générateur MF. Le filtre moyenne fréquence 14 contient essentiellement une inductance de blocage série pour bloquer la moyenne fréquence (1000 Hz) . Une telle inductance de blocage doit avoir des dimen- sions très importantes. En pratique, elle pèse 2 à 3 tonnes. De même, le filtre basse fréquence 16 devra comprendre notamment une capacité série de forte valeur et en pratique pèse environ 40 kg. Le prix de l'ensemble des filtres est élevé et constitue environ 20 % du prix de l'ensemble de l'installation électrique. De plus, bien entendu, les valeurs des composants contenus dans les filtres doivent être prises en compte pour déterminer le fonctionnement des générateurs . However, when the system works, it is necessary to avoid the influence of each of the oscillators to the other and for this, there must be a medium-frequency filter 14 on the side of the gene rator ¬ BF and a low frequency filter 16 from the side of the generator MF. The medium frequency filter 14 essentially contains a series blocking inductance for blocking the medium frequency (1000 Hz). Such blocking inductance must have very large dimensions. In practice, it weighs 2 to 3 tons. Similarly, the low frequency filter 16 should include a high-value series capacitor and in practice weighs about 40 kg. The price of all the filters is high and constitutes about 20% of the price of the entire electrical installation. In addition, of course, the values of the components contained in the filters must be taken into account to determine the operation of the generators.
La figure 3 représente un circuit plus simple pour assurer la même fonction. On y retrouve l'inducteur 2, le géné- rateur BF 10, le générateur MF 12, et les capacités Cl et C2. On a en outre représenté un transformateur de couplage 18 côté BF. Comme on l'a indiqué précédemment, un tel circuit ne pourrait pas fonctionner en raison des interactions entre les deux générateurs. Ainsi, on fait fonctionner les générateurs à tour de rôle, ce qui est symbolisé par la présence de deux commuta¬ teurs SWl et SW2 qui connectent alternativement le générateur BF et le générateur MF à l'inducteur 2. En pratique, si on veut assurer un brassage régulier, il faut que la basse fréquence soit fournie à l'inducteur pendant la plus grande partie d'un cycle de fonctionnement. Ainsi, par exemple, le commutateur SW2 de mise en route du générateur MF n'est fermé qu'environ 10 % du temps. Il en résulte que le générateur MF, pour assurer sa fonction de chauffage, doit être surdimensionné d'un facteur 10 par rapport au générateur de la figure 2. Ceci constitue bien entendu également un inconvénient en termes de coût et d'encom¬ brement . Figure 3 shows a simpler circuit to provide the same function. It contains the inductor 2, the generator BF 10, the generator MF 12, and the capacitors C1 and C2. In addition, a coupling transformer 18 on the BF side has been shown. As previously indicated, such a circuit could not work because of the interactions between the two generators. Thus, the generators are operated to turn, which is symbolized by the presence of two commuta ¬ tors SWl and SW2 which in turn connect the generator BF and MF generator to the inductor 2. In practice, if one wants to ensure Regular mixing requires the low frequency to be supplied to the inductor during most of a cycle of operation. Thus, for example, the SW2 turn-on switch of the MF generator is closed only about 10% of the time. As a result, the generator MF, to perform its heating function, must be oversized by a factor of 10 with respect to the generator of FIG. heard also a disadvantage in terms of cost and Encom ¬ BREMENT.
Résumé summary
Ainsi, selon un mode de réalisation de la présente invention, on cherche à remédier à un ou plusieurs des inconvé¬ nients des fours à induction de fusion et de brassage mentionnés ci-dessus . Thus, according to one embodiment of the present invention, it seeks to remedy one or more of the inconvé ¬ nients melt induction furnaces and brewing mentioned above.
Selon un objet plus particulier de la présente invention, on cherche à réaliser un four de fusion et de brassage utilisant un seul inducteur et un seul générateur d'alimentation électrique pour maintenir une vitesse et une température constante malgré des perturbations extérieures, ou faire varier une vitesse à des valeurs précises et voulues tout en conservant une température constante, ou encore faire varier une température à des valeurs précises et voulues en conservant une vitesse constante, les perturbations extérieures pouvant être des déperditions thermiques, une isolation extérieure plus forte, ou encore des puissances supplémentaires.  According to a more particular object of the present invention, it is sought to provide a melting and brewing furnace using a single inductor and a single power supply generator to maintain a constant speed and a constant temperature despite external disturbances, or to vary a speed at precise and desired values while maintaining a constant temperature, or to vary a temperature to precise and desired values while maintaining a constant speed, the external disturbances being able to be heat losses, a stronger external insulation, or even additional powers.
Selon un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention, on cherche à réaliser un four de fusion et de brassage associé à un système d'alimentation électrique de coût et d'encombrement réduit.  According to another object of an embodiment of the present invention, it is sought to provide a melting and mixing furnace associated with a power system of reduced cost and compactness.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un four à induction de fusion et de brassage d'un matériau, entouré d'un unique enroulement inducteur alimenté par un unique générateur à fréquence variable associé à des moyens de commande de régulation selon un abaque déterminé au préalable fixant, pour ledit four et son environnement, des valeurs de fréquence et de puissance pour maintenir une température choisie en conservant une vitesse de brassage choisie dans le matériau.  Thus, an embodiment of the present invention provides a melting and stirring induction furnace of a material, surrounded by a single inductor winding powered by a single variable frequency generator associated with regulation control means according to a abacus determined beforehand fixing, for said furnace and its environment, frequency and power values to maintain a chosen temperature while maintaining a selected stirring speed in the material.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le four à induction est appliqué au traitement de silicium métallurgique .  According to one embodiment of the present invention, the induction furnace is applied to the metallurgical silicon treatment.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le générateur comprend un ensemble de capacités de réglage de fréquence commandées pour que, en fonction de la puissance choisie de maintien en température, la relation puissance- fréquence reste dans la relation fixée par ledit abaque. According to an embodiment of the present invention, the generator comprises a set of adjustment capabilities of frequency controlled so that, depending on the chosen power of maintaining temperature, the power-frequency relationship remains in the relationship fixed by said chart.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le générateur est régulé par modulation de largeur d'impulsions, PWM.  According to one embodiment of the present invention, the generator is regulated by pulse width modulation, PWM.
Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de commande d'un four à induction de fusion et de brassage d'un matériau, associé à un inducteur unique, dans lequel l'inducteur est commandé par un unique générateur à fréquence variable commandé pour que sa puissance et sa fréquence se conforment à une courbe d'un abaque déterminé au préalable .  An embodiment of the present invention provides a method of controlling a melting and mixing induction furnace of a material, associated with a single inductor, wherein the inductor is controlled by a single controlled variable frequency generator. so that its power and its frequency conform to a curve of a previously determined abacus.
Brève description des dessins  Brief description of the drawings
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :  These and other objects, features, and advantages will be set forth in detail in the following description of particular embodiments in a non-limitative manner with reference to the accompanying figures in which:
la figure 1 décrite précédemment, représente de façon schématique et simplifiée un four à induction de fusion et de brassage ;  Figure 1 described above, schematically and simplifies a furnace induction melting and brewing;
les figures 2 et 3, décrites précédemment, représentent deux exemples de circuits d'alimentation d'un four de fusion et de brassage ;  Figures 2 and 3, described above, represent two examples of feed circuits of a melting furnace and brewing;
la figure 4 représente un abaque de puissance en fonction de la fréquence ; et  FIG. 4 represents a power chart as a function of frequency; and
la figure 5 représente un exemple de circuit élec¬ trique d'alimentation selon un mode de réalisation de la présente invention. 5 shows an exemplary circuit elec tric power ¬ according to an embodiment of the present invention.
Description détaillée detailed description
En se référant à nouveau à la figure 1, on rappellera que 1 ' on cherche à maintenir en température une charge de silicium fondu 4 dans un creuset 1 en conservant une vitesse constante de brassage v aux interfaces et ceci dans une installation à un seul enroulement inducteur. Au lieu de séparer une source de chauffage par induc¬ tion d'une source de brassage par induction fonctionnant à des fréquences différentes, on propose ici d'utiliser une source unique de chauffage et de brassage. Pour cela, les inventeurs ont étudié les phénomènes en cause et ont découvert que 1 ' on pouvait maintenir une vitesse de brassage constante et une température constante en faisant varier la puissance fournie par un inducteur unique 2 à condition de faire varier simultanément sa fréquence. Referring again to FIG. 1, it will be recalled that an attempt is made to keep a charge of molten silicon 4 in temperature in a crucible 1 while maintaining a constant stirring speed v at the interfaces and this in a single-winding installation. inductor. Instead of separating an induc ¬ tion heating source from an inductive stirring source operating at different frequencies, it is proposed here to use a single source of heating and stirring. For this, the inventors have studied the phenomena in question and have discovered that one could maintain a constant stirring speed and a constant temperature by varying the power supplied by a single inductor 2 provided that its frequency is varied simultaneously.
La figure 4 illustre, à titre d'exemple, un abaque de la puissance en kilowatts appliquée à un inducteur en fonction de la fréquence. L'abaque est tracé pour une température constante, dans l'exemple donné de 1550 °C et pour diverses vitesses de brassage. On constate que, pour maintenir une vitesse de brassage en surface v déterminée (vl, v2 v3) , il faut maintenir le point de fonctionnement selon l'une des courbes représentées. Par exemple, on aura une même vitesse de brassage v3 si la puissance appliquée a une première valeur à une fréquence de 50 Hz ou une valeur sensiblement double à une fréquence de 125 Hz ou une valeur sensiblement triple à une fréquence de 200 Hz.  FIG. 4 illustrates, by way of example, an abacus of the power in kilowatts applied to an inductor as a function of frequency. The chart is plotted for a constant temperature, in the given example of 1550 ° C and for various stirring speeds. It can be seen that in order to maintain a determined surface baking speed v (v1, v2 v3), the operating point must be maintained according to one of the curves shown. For example, we will have the same stirring speed v3 if the power applied has a first value at a frequency of 50 Hz or a substantially double value at a frequency of 125 Hz or a substantially triple value at a frequency of 200 Hz.
Ainsi, on peut maintenir une vitesse de brassage constante dans un four à un seul enroulement inducteur tout en faisant varier largement la puissance pour maintenir une température constante à condition de faire varier simultanément la fréquence en respectant la règle fournie par une courbe de 1 ' abaque .  Thus, it is possible to maintain a constant stirring speed in a single induction winding oven while varying the power widely in order to maintain a constant temperature provided that the frequency is varied simultaneously while respecting the rule provided by a curve of the abacus. .
La figure 5 représente un exemple de générateur adapté à fournir une fréquence telle que le point de fonctionnement reste sur une des courbes de l'abaque de la figure 4, fonction de la puissance requise pour rester à température constante et à vitesse de brassage désirée. Le générateur représenté comprend une source de courant 20 couplée par l'intermédiaire d'un transformateur 21 à un inducteur 2. Un réseau de condensateurs 22 est connecté au primaire du transformateur 21. Ce réseau de condensateurs comprend des condensateurs, Cil, C12, C13... Cln en série avec des commutateurs respectifs SWC12, SWC13... SWCln qui peuvent être sélectivement fermés pour fixer la fréquence d'oscillation du générateur. De façon classique, un asservisse- ment sera prévu pour lier la puissance appliquée à la tempé¬ rature de bain. En outre une régulation sera prévue pour, en fonction de la puissance produite par le générateur, ajuster automatiquement la fréquence d'oscillation, par commande de commutation des commutateurs SWC12 à SWCln. FIG. 5 represents an example of a generator adapted to provide a frequency such that the operating point remains on one of the curves of the chart of FIG. 4, a function of the power required to remain at a constant temperature and at the desired stirring speed. The generator shown comprises a current source 20 coupled via a transformer 21 to an inductor 2. A capacitor network 22 is connected to the primary of the transformer 21. capacitors includes capacitors, C11, C12, C13 ... Cln in series with respective switches SWC12, SWC13 ... SWCln which can be selectively closed to set the oscillation frequency of the generator. Conventionally, an enslavement is scheduled to link the power applied to the tem ¬ erasure bath. In addition regulation will be provided for, depending on the power generated by the generator, automatically adjust the oscillation frequency, by switching control SWC12 SWCln switches.
On a représenté en outre en figure 5, un circuit propre à alimenter à forte puissance l'inducteur 2 pendant des phases de montée en température. Alors, des commutateurs SW11 et SW12 sont fermés et l'inducteur 2 est alors placé en parallèle sur un condensateur C20 pour fixer la fréquence à la valeur maximum possible avec le générateur choisi.  FIG. 5 also shows a circuit capable of supplying the inductor 2 with high power during phases of rise in temperature. Then, switches SW11 and SW12 are closed and the inductor 2 is then placed in parallel on a capacitor C20 to set the frequency to the maximum possible value with the chosen generator.
Les avantages principaux de l'installation décrite ici sont que l'on utilise un seul générateur aussi bien pour le brassage que pour le chauffage pendant la période de maintien en température. De plus, on évite l'utilisation de filtres complexes tels que décrits en relation avec la figure 2.  The main advantages of the installation described here are that only one generator is used for both stirring and heating during the temperature maintenance period. In addition, the use of complex filters as described in connection with FIG. 2 is avoided.
Un autre avantage de l'installation décrite ici est qu'elle utilise une alimentation monophasée, ce qui simplifie beaucoup les circuits électriques par rapport à des installations polyphasées.  Another advantage of the installation described here is that it uses a single-phase power supply, which greatly simplifies the electrical circuits compared to polyphase installations.
Bien entendu, le mode de réalisation de la figure 5 ne constitue qu'un exemple de générateur utilisable pour mettre en oeuvre la présente invention. Notamment divers montages série pourront être utilisées. Également, la position relative du transformateur pourra être modifiée.  Of course, the embodiment of FIG. 5 is only one example of a generator that can be used to implement the present invention. In particular, various series assemblies may be used. Also, the relative position of the transformer can be modified.
Au lieu de réaliser un réglage par commutation de condensateurs de la façon décrite ci-dessus, on pourra utiliser un réglage par commutation de type PWM (alimentation électrique modulée en largeur d'impulsions).  Instead of performing a capacitor switching setting as described above, a PWM (pulse width modulated power supply) switching setting may be used.
La présente invention s'applique notamment à des installations de "ségrégation" dont le principe est de solidifier de manière contrôlée le silicium de bas en haut pour obtenir un métal solide le plus purifié possible. La partie liquide reste en surface. Les impuretés ont tendance à être repoussées dans le liquide ce qui engendre un métal solide "purifié". Pour cela, un gradient de température est appliqué entre la surface supérieure et inférieure. La présente invention s'applique également à des installations de "purification" dans lesquelles la surface supérieure d'un bain de silicium métallurgique est traitée par un laitier ou par une flamme plasma. The present invention applies in particular to "segregation" installations whose principle is to solidify the silicon in a controlled manner from bottom to top to obtain the purest solid metal possible. The liquid part remains on the surface. The impurities tend to be pushed back into the liquid which generates a "purified" solid metal. For this, a temperature gradient is applied between the upper and lower surfaces. The present invention also applies to "purification" installations in which the upper surface of a metallurgical silicon bath is treated with a slag or a plasma flame.

Claims

REVENDICATIONS
1. Four à induction de fusion et de brassage d'un matériau, entouré d'un unique enroulement inducteur (2) alimenté par un unique générateur à fréquence variable (20) associé à des moyens de commande de régulation selon un abaque déterminé au préalable fixant, pour le four et son environnement, des valeurs de fréquence et de puissance pour maintenir une température choisie en conservant une vitesse de brassage choisie dans le matériau . 1. Induction furnace melting and stirring of a material, surrounded by a single inductor winding (2) powered by a single variable frequency generator (20) associated with control means of control according to a predefined abacus fixing, for the oven and its environment, frequency and power values to maintain a selected temperature while maintaining a selected stirring speed in the material.
2. Four à induction selon la revendication 1, appliqué au traitement de silicium métallurgique.  2. Induction furnace according to claim 1, applied to the treatment of metallurgical silicon.
3. Four à induction selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le générateur comprend un ensemble de capacités de réglage de fréquence (Cil, C12... Cn) commandées pour que, en fonction de la puissance choisie de maintien en température, la relation puissance-fréquence reste dans la relation fixée par ledit abaque.  Induction furnace according to claim 1 or 2, wherein the generator comprises a set of frequency control capacitors (C11, C12 ... Cn) controlled so that, depending on the chosen power of maintaining the temperature, the power-frequency relation remains in the relation fixed by said abacus.
4. Four à induction selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le générateur est régulé par modulation de largeur d'impulsions, P M.  4. Induction furnace according to claim 1 or 2, wherein the generator is regulated by pulse width modulation, P M.
5. Procédé de commande d'un four à induction de fusion et de brassage d'un matériau, associé à un inducteur unique, dans lequel 1 ' inducteur est commandé par un unique générateur à fréquence variable commandé pour que sa puissance et sa fréquence se conforment à une courbe d'un abaque déterminé au préalable.  5. A method of controlling a melting and mixing induction furnace of a material, associated with a single inductor, wherein the inductor is controlled by a single controlled variable frequency generator so that its power and frequency conform to a curve of a previously determined abacus.
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