ITMI20002846A1 - Resistenza per il riscaldamento di un crogiolo - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

Resistenza per il riscaldamento di un crogiolo”

Campo dell’invenzione.

Il presente trovato riguarda il campo dei forni elettrici per fusione di metalli, e in particolare le resistenze elettriche per il riscaldamento del loro crogiolo.

Tecnica anteriore

Sono attualmente noti forni elettrici per la fusione (o rifusione) di leghe metalliche costituiti essenzialmente da una resistenza a forma di elica cilindrica in materiale ceramico, all'interno della quale viene ospitato un crogiolo. Tale resistenza viene isolata termicamente dall’ambiente esterno con una serie di pannelli o blocchi di materiale refrattario, in modo da racchiuderla in una cosiddetta “camera di fusione”; la (o le) spirali resistive della resistenza secondo lo stato della tecnica attuale sono nude e risultano esposti all'atmosfera interna alla camera di fusione. In caso di rottura accidentale del crogiolo, o di tracimamento del suo contenuto fuso per un qualsiasi altro motivo, il metallo fuso caduto alla base della resistenza può creare un cortocircuito distruttivo tra i due capi della resistenza: essa stessa, assieme ai componenti del controllo elettronico di potenza e/o la sonda di rilevamento termico (danneggiata per contaminazione), deve essere il più delle volte sostituita. Altri danni alle parti eletriche possono essere causati inoltre dal gocciolamento incontrollato del metallo fuso nella camera di fusione.

Un ulteriore modalità di danneggiamento, riscontrata in alcuni casi, è la seguente: il gocciolamento del metallo fuso produce microsfere di metallo che vagano rotolando nella camera di fusione, andando infine a fissarsi sulle spire della resistenza e creando archi eletrici che portano pure essi alla distruzione della resistenza.

Sommario dell’invenzione

Forma oggeto del presente trovato una resistenza eletrica per il riscaldamento di crogioli, avente le caratteristiche della Rivendicazione 1 , che risolva i problemi sopra indicati.

Un vantaggio di una resistenza con tali carateristiche è una estrema semplicità costrutiva, compatezza di forma e resistenza meccanica. La resistenza risulta inoltre perfetamente isolata, sia elettricamente che chimicamente, dall’ambiente esterno, avendo così una vita operativa più lunga. Il metallo fuso eventualmente fuoriuscito dal crogiolo viene raccolto e contenuto in modo totale e può essere facilmente recuperato e/o eliminato una volta solidificato. Il forno mantiene velocità e precisione della risposta in temperatura molto simili a quelle di un forno a resistenza nuda, pur mantenendo tempi ciclo di lavorazione relativamente veloci. Elenco delle figure

Ulteriori vantaggi conseguibili con il presente trovato risulteranno più evidenti, al tecnico del setore, dalla seguente descrizione detagliata di un esempio di realizzazione particolare a caratere non limitativo, con riferimento alle seguenti figure, di cui

Las Figura 1 mostra schematicamente un forno elettrico per la fusione di metalli di tipo noto;

la Figura 2 mostra la vista laterale di una resistenza tubolare per il riscaldamento di un crogiolo di tipo noto;

la Figura 2a mostra una sezione secondo la linea A-A della resistenza di Figura 2;

la Figura 2b mostra lo schema elettrico della resistenza di Figura 2; la Figura 2c mostra una diversa forma di resistenza secondo la tecnica nota;

la Figura 3 mostra schematicamente un forno elettrico per la fusione di metalli con una resistenza tubolare secondo il presente trovato;

la Figura 3a mostra una vista laterale della resistenza del forno di Figura 3;

la Figura 3b mostra schematicamente una sezione secondo il piano B-B della resistenza di Figura 3a.

Descrizione dettagliata

La Figura 1 mostra un esempio di forno per fusione di metalli di tipo noto, sul quale può essere successivamente applicata una resistenza secondo il presente trovato.

Tale forno comprende un involucro esterno 10 generalmente metallico, chiuso inferiormente da una base 12 ad esso solidale e provvisto superiormente di un coperchio di chiusura 14, eventualmente a tenuta. L’interno del forno può essere messo in comunicazione con una sorgente di aspirazione per porre l'interno del forno sotto vuoto, oppure con una sorgente di alimentazione di un fluido in pressione per portare l’interno del forno ad una pressione predeterminata.

Gli elementi di sostegno del forno 18 ne permettono una rotazione attorno a un asse sostanzialmente orizzontale indicato dalla doppia freccia F.

All'interno dell’involucro 10 si trova una camera di riscaldamento o fusione, indicata nel suo complesso con 20 ed essenzialmente costituita da una resistenza R, generalmente in carburo di silicio, la quale nella sua porzione superiore 22 si avvolge a elica e alloggia internamente un crogiolo 24, mentre nella parte inferiore 26 (Figura 2a) essa è costituita sostanzialmente da due semigusci cilindrici 260 e 261 a parete continua, isolati elettricamente l'uno dall’altro e di sezione trasversale maggiore della sezione trasversale dell’elica di riscaldamento (per concentrare la generazione di calore per effetto Joule principalmente nella sola parte riscaldante), realizzando un collegamento meccanico e termico -nel senso di passaggio più graduale tra l’alta temperatura del filamento e le parti relativamente più fredde del resto del forno- con un supporto 28 (o con il corrispondente supporto 280 di Figura 3). La resistenza R è alimentata elettricamente dai morsetti elettrici 30, ciascuno dei quali si innesta su un semiguscio 260 o 261 .

La Figura 2 mostra una vista laterale della resistenza R, in se nota; la Figura 2b rappresenta lo schema elettrico del resistore di Figura 2, e le frecce indicano il percorso della corrente elettrica; la Figura 2c mostra una diversa variante di una resistenza di riscaldamento R2 dello stato della tecnica: la parte riscaldante è realizzata con una pluralità di anse 221 anziché con una o più eliche.

Tornando alla Figura 1 , la camera di riscaldamento 20 è circondata da una massa termicamente isolante 32, detta anche muffola e realizzata per esempio in materiale ceramico, contro la dispersione di calore verso l'esterno.

Nell’esempio raffigurato, la muffola 32 è sostenuta e collegata alla base 12 del forno dai montanti 38, mentre la resistenza R poggia su uno scudo termico 28 contro la propagazione di raggi infrarossi prodotti dalla resistenza riscaldante R: questo protegge dai surriscaldamenti per esempio i cavi elettrici dell’alimentazione della resistenza R, i contatti della sonda per il controllo in temperatura del forno ed altri componenti ancora. Lo scudo termico 28 è sostenuto dalle mensole 40 fissate alla parte inferiore della muffola 32, ed è inoltre raffreddato dai canali 42, 48 e 50, percorsi da un fluido in pressione (per esempio acqua).

Sopra la bocca del crogiolo 24 è posizionato io stampo 54 che viene riempito per caduta con il metallo fuso nel crogiolo 24 rovesciando l’intero corpo del forno, secondo un procedimento noto.

Le Figure 3, 3a, 3b mostrano un esempio preferenziale di resistenza cava R3 secondo il presente trovato: essa pure comprende una porzione superiore di riscaldamento 225, atta a riscaldare un crogiolo inserito almeno parzialmente all’interno della resistenza stessa, e una parte inferiore 226 (nell’esempio raffigurato, di collegamento termico e meccanico con uno scudo termico 280), e caratterizzata dal fatto che un materiale elettricamente isolante 220 riveste e incorpora nella sua massa la parte riscaldante superiore 225 e la parte inferiore 226, formando una parete 223 unica, continua e compatta.

Come mostrato in Figura 3a, il materiale 220 riempie gli spazi 222 tra spira e spira della resistenza R3 originando una parete cilindrica chiusa e priva di aperture che non siano la bocca superiore 224 atta ad introdurre il crogiolo 24.

Inoltre, secondo un altro aspetto del presente trovato, la suddetta parete unica, continua e compatta 223 di materiale 220 si prolunga in modo da realizzare nella parte inferiore 226 della resistenza R3 un recipiente inferiore atto a raccogliere e a contenere il metallo fuso eventualmente fuoriuscito, per esempio in caso di cricca o rottura, dal crogiolo; nelle Figure 3 e 3a la parete 223 si prolunga in modo da chiudere con un fondo 227 l’estremità tubolare inferiore della resistenza R3.

La parete unica 223 inoltre isola elettricamente tra loro i due terminali elettrici della resistenza cava R3 (Figura 3b).

In questo modo si evita che il metallo fuso caduto nella parte inferiore della resistenza crei un cortocircuito elettrico tra i due semigusci 260 e 261 nella parte inferiore della resistenza R3, il che produrrebbe tra l’altro danni alla circuiteria elettrica e la formazione di ossidi indesiderati nella parte inferiore 26 della resistenza R (che dovrebbe essere quindi sostituita); per contro una soluzione alternativa che adottasse per esempio degli interruttori (che interrompessero l’alimentazione elettrica in caso di sovracorrenti) non potrebbe comunque evitare gravi danni al sistema e la sostituzione di componenti.

Il riempimento degli spazi 222 tra spira e spira ha il seguente vantaggio: con una spirale elettrica nuda, gocce di metallo fuso cadute dal crogiolo per esempio sullo scudo termico 28 produrrebbero microsfere di metallo che, a causa dei ripetuti movimenti di ribaltamento del forno girevole (si pensi che un forno come quello di Figura 1 può arrivare anche a 50-60 colate al giorno) ed eventualmente a causa del campo elettromagnetico delle spire riscaldanti rotolano negli spazi tra la resistenza R e i vari scudi termici finché non si incastrano, o si depositano, o semplicemente transitano, tra due spire della resistenza R causando archi voltaici che in breve tempo (indicativamente qualche ora) ne danneggiano permanentemente il materiale. L’arco voltaico inoltre, bypassando una spira, riduce la potenza termica sviluppata dalla resistenza R.

Riempiendo invece, come sopra descritto, i vuoti 222 tra spire adiacenti con il materiale di rivestimento 220 formando una sola parete 223 compatta e continua, si impedisce il deposito delle microsfere di metallo sulle spire, con l’eliminazione di tutti gli svantaggi connessi.

La capacità di isolamento elettrico del materiale 220 sarà scelta dal tecnico del settore in base alla tensione tra due spire adiacenti (oltre che alla loro distanza e ad altri dati di progetto) in modo da non alterare significativamente la potenza elettrica dissipata per effetto Joule nelle spire, mentre si sceglieranno materiali 220 con alte capacità di trasmissione del calore. Un esempio di tale materiale 220 potrebbe essere una miscela refrattaria a base di allumina porosa .

Il metallo fuso può invece solidificare nel recipiente di raccolta inferiore senza produrre archi o cortocircuiti elettrici, ed essere successivamente rimosso; essendo il recipiente di raccolta ricavato integralmente con lo stesso materiale di rivestimento 220 delle spire, è possibile un recupero del metallo solidificato agevole e pressoché totale; ciò è particolarmente vantaggioso nella fusione di metalli preziosi.

La spirale (o le anse) riscaldante della resistenza elettrica R3 risulta completamente isolata anche dall’atmosfera della camera di fusione, e questo ne aumenta ulteriormente la durata.

Inoltre la presenza del recipiente inferiore con il suo fondo chiuso 227 di materiale di rivestimento 220 riduce l'emissione di raggi infrarossi che lo scudo termico 280 (o 28) deve schermare, migliorando la protezione termica dei cavi di alimentazione e dell’elettronica di potenza nelle vicinanze dello scudo termico 280; ciò permette di mantenere il forno entro dimensioni contenute (si tenga presente che il problema del surriscaldamento dei suddetti componenti elettrici vicino allo scudo termico 280 (o 28) esiste perché nella progettazione si tende ad avvicinare quanto più possibile tali componenti al suddetto scudo termico 280 per contenere al massimo le dimensioni generali del forno: un forno piccolo presenta minori consumi di energia, durante la fase di riscaldamento successiva alla carica del crogiolo presenta una salita in temperatura più veloce avendo minore inerzia termica e in generale può avere tempi ciclo più brevi tra una colata e l’altra).

La velocità della salita in temperatura successiva alla carica del crogiolo 24, a parità di ogni altra condizione, risulta maggiore rispetto per esempio alle soluzioni della tecnica nota che avevano risolto il problema del travaso di liquido dal crogiolo 24 frapponendo tra la resistenza R e il crogiolo 24 un cosiddetto “tubo di lavoro”: rispetto a simili soluzioni, in una resistenza R3 secondo il presente trovato non si ha praticamente riflessione dei raggi infrarossi e il problema della cattiva trasmissione per convezione da parte del tubo di lavoro; si ha quindi un ritardo molto minore nel riscaldamento del crogiolo 24 all'inizio di un nuovo ciclo di fusione.

Il presente trovato è suscettibile di diverse varianti oltre a quelle descritte più sopra; per esempio è possibile applicare la resistenza R3 ricoperta a forni elettrici di fusione dove il prelievo del materiale fuso avviene con un sistema di navette; chiaramente la geometria della resistenza cava R3 può essere diversa da quella cilindrica, ed essere per esempio troncoconica, a sezione trasversale genericamente poligonale oppure sezione longitudinale variamente profilata, eccetera; il materiale elettricamente isolante 220 può essere usato per realizzare un recipiente inferiore per la raccolta del metallo fuso fuoriuscito dal crogiolo anche nel caso di resistenza cava oblunga la cui dimensione maggiore sia disposta orizzontalmente anziché verticalmente; possono essere scelti differenti materiali, che non quelli sopra menzionati, per realizzare la resistenza R3 e il suo rivestimento 220.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1) Resistenza cava, comprendente una parte superiore (225) di riscaldamento atta a riscaldare un crogiolo (24) inserito almeno parzialmente all'interno di detta resistenza cava, e una parte inferiore (226), caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre un materiale elettricamente isolante (220) che riveste e incorpora nella sua massa almeno la parte superiore riscaldante (225) e la parte inferiore (226) formando una parete (223) unica, continua e compatta, e inoltre tale parete unica (223) si prolunga realizzando nella parte inferiore (226) un recipiente inferiore atto alla raccolta e al contenimento del metallo fuso eventualmente fuoriuscito dal crogiolo e isolando elettricamente tra loro i due terminali (30) di alimentazione elettrica della resistenza cava.
2. 2) Resistenza cava secondo la Rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la parte riscaldante superiore (225) comprende una spirale di riscaldamento le cui spire sono incorporate all’interno della parete unica, continua e compatta (223) della massa di materiale elettricamente isolante (220).
3. 3) Resistenza cava secondo la Rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che la parte riscaldante (225) comprende una o più anse riscaldanti (221) incorporate all’interno della parete unica, continua e compatta (223) della massa di materiale elettricamente isolante (220).
4. 4) Resistenza cava secondo la Rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che la parte inferiore (26, 226) realizza un collegamento meccanico e un raccordo termico con un supporto (28, 280).
5. 5) Resistenza cava secondo la Rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la parte inferiore (26, 226) è costituita sostanzialmente da due semigusci (260, 261) isolati elettricamente tra loro e atti ad essere connessi ciascuno con un terminale di alimentazione elettrica (30).
6. 6) Resistenza cava secondo la Rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che il materiale elettricamente isolante (220) comprende una miscela refrattaria a base di allumina.