TWI414609B - 藉由電感應餘留鐵水製程（ｈｅｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）熔化和混合材料於坩堝內 - Google Patents

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Description

藉由電感應餘留鐵水製程(HEEL PROCESS)熔化和混合材料於坩堝內
本發明係關於在向一最初保存導電熔化材料之一餘留鐵水或底部層的感應耐火坩堝逐漸添加時處於一非導電狀態的材料之電感應熔化及混合。
本申請案主張2007年11月17日申請的美國臨時申請案第60/988,783號之權利，其全部內容係以引用的方式併入於此。
批次與餘留鐵水係用於加熱和熔化導電材料之兩類電感應製程。在該批次製程中，藉由一批次的導電固體裝料來填充一坩堝，該批次的導電固體裝料係藉由電感應來熔化並接著從該坩堝倒空。在該餘留鐵水製程中，始終將導電材料之一熔化的餘留鐵水(底部池)保持於該坩堝內並在此時向在該坩堝內的餘留鐵水添加固體導電裝料並接著藉由電感應將其熔化。由於固體非導電裝料向該熔化的餘留鐵水之添加必須經充分熔化與混合以使得所添加的固體裝料不會在該熔化材料之表面之中或之上累積而形成聚合的非導電固體塊，因此當該材料在該固體狀態中係非導電而在該熔化狀態中係導電(稱為一轉變材料)(例如矽)時藉由該餘留鐵水製程之感應加熱與熔化會有問題。
本發明之一目的係提供在一餘留鐵水電感應加熱與熔化製程中加熱與熔化在該固體狀態中係非導電而在該熔化狀態中係導電之一材料的裝置及方法。
在一態樣中，本發明係提供在一餘留鐵水電感應加熱與熔化製程中電感應加熱與熔化在該固體狀態中係非導電而在該熔化狀態中係導電之一轉變材料的裝置及方法。多個線圈係圍繞該坩堝之高度來提供，在該熔化製程開始時該坩堝包含熔化轉變材料之一餘留鐵水。最初，從一或多個電源供應向各線圈循序供應處於一相對較高頻率之相對較高量值的同相熔化電力，直至該坩堝係填充有轉變材料。當該坩堝實質上係填充有轉變材料時，該一或多個電源供應之輸出頻率係隨同該輸出功率之量值一起降低至一攪拌頻率，而在該等電源供應的輸出電壓之間建立一異相關係以達到一較佳的電磁攪拌圖案。
在此說明書及隨附申請專利範圍中提出本發明之以上及其他態樣。
參考圖1及圖2(a)，在本發明之一非限制性範例中，耐火坩堝12係在外部由下部體積感應線圈14a、中心體積感應線圈14b及上部體積感應線圈14c所包圍。該坩堝之內部下部體積A一般係由下部體積感應線圈14a包圍的坩堝之內部區域；該坩堝之內部中心體積B一般係由中心體積感應線圈14b包圍的坩堝之內部區域；而該坩堝之內部上部體積C一般係由上部體積感應線圈14c包圍的坩堝之內部區域。圖中以虛線指示每一內部體積之大致邊界。下部體積感應線圈14a係圍繞一般欲維持於爐內之最小位準的材料之操作餘留鐵水而佈置。分離的電源供應16a、16b及16c將交流電力分別供應給該等下部、中心及上部感應線圈之每一者。每一電源供應可包含，例如將交流公用電力整流為直流電力之一轉換器/反相器，該直流電力係轉換為具有適用於連接至該等感應線圈之一線圈的特性之一交流電力。在操作中，僅以在該坩堝內之熔化的轉變材料之餘留鐵水開始，在將裝料添加於該坩堝時，電源供應16a操作於一相對較高頻率f1 (例如在此非限制性範例中的120赫茲)及一相對較高的功率輸出(例如全部輸出電壓(功率)額定(正規化為1.0))。向在該坩堝內的材料之餘留鐵水逐漸添加固體及/或半固體轉變材料之裝料。例如，熔化轉變材料之起始餘留鐵水可表示該坩堝的全部(100%)容量之20%。若該轉變材料係矽，則所添加的裝料可以係矽顆粒之形式或者冶金等級矽之其他形式，而藉由通量與經由感應線圈14a的電流流動所產生的磁場之耦合將熔化矽之餘留鐵水保持處於或高於其熔化溫度(標稱係1,450℃)。在已添加足夠的裝料以至於至少部分佔據該坩堝之中心體積B時，以與電源供應16a的輸出實質上相同的頻率f1 並以於針對電源供應16a者實質上相同的相對較高功率輸出將電源供應16b之輸出施加於中心體積感應線圈14b。針對電源供應16a與16b之電壓輸出係同相同步。藉由經由感應線圈14b的電流流動產生之磁場與在該坩堝的中心體積中的矽耦合來感應加熱主要在該中心體積中的矽。在已添加足夠的裝料以至於至少部分佔據該坩堝之上部體積C時，以與電源供應16a與16b的輸出實質上相同的頻率f1 並以於針對電源供應16a與16b者實質上相同的相對較高功率輸出將電源供應16c之輸出施加於上部體積感應線圈14c，而該三個電源供應之電壓輸出係同相操作。藉由經由感應線圈14c的電流流動產生之磁場與在該坩堝的上部體積中的矽耦合來感應加熱主要在該上部體積中的矽。下表概述針對本發明之此非限制性範例的以上操作條件：
對於上表所識別之操作條件，可將所感應的電磁攪拌圖案表示為圖1中的範例性流動線92a(顯示為虛線)，其在該坩堝的下半與上半部分中具有分離的渦旋環之雙渦旋環或環向渦旋流動圖案。
在藉由轉變材料之固體及/或半固體裝料將該坩堝實質上填充至包括上部坩堝體積C的至少一部分之一位準後，可將所有三個電源供應之輸出頻率降低至相同頻率，其係低於f1 ，例如f2 =0.5f1 (在此非限制性範例中係60赫茲)而所有三個電源供應以一降低的電壓(功率)輸出(例如，0.5的正規化功率輸出)操作，並具有120度的異相電壓方位，如圖2(b)中的向量圖所示。下表概述針對本發明之此非限制性範例的以上操作條件：
對於上表中所識別之操作條件，可將所感應的電磁攪拌圖案表示為圖2(a)中的範例性流動線92b(顯示為虛線)以產生在該坩堝中之一單一渦旋環流動圖案，其具有關於該環的角向(圓)軸Z之一向下流動圖案或逆時針的角向旋轉。對於此流動圖案，將圍繞在該坩堝內部的中心垂直區域中之環之角向軸向下拖曳從該坩堝中的裝料之剩餘固體或半固體轉變材料並沿該坩堝的內部壁將其向上拖曳，從而快速熔化從向在該坩堝中的材料之餘留鐵水添加的裝料之剩餘固體或半固體轉變材料94。可藉由讓該等電源供應之相位旋轉反向來讓該角向旋轉反向成順時針；即，可將針對逆時針角向旋轉之A-C-B相位旋轉改變為針對順時針角向旋轉之A-B-C相位旋轉。在本發明之某些範例中，該等逆時針與順時針方向之間的來回交替或慢行在該攪拌時間週期之至少部分週期中可較佳地用於輔助所添加裝料之熔化及攪拌。
在熔化所有所添加的轉變裝料材料後，可藉由任何合適的擷取製程來從該坩堝擷取熔化的轉變材料，例如(但不限於)透過在該坩堝中之一可重新閉合的分接頭作底部傾倒、藉由合適的坩堝傾斜裝置作傾斜傾倒、或藉由封閉該坩堝並藉由向在該坩堝內的熔化材料之體積施加正壓力將該熔化材料從該坩堝壓迫出一通道作壓力傾倒，並在此時在該坩堝內留下一所需要的熔化轉變材料之餘留鐵水以供在下一裝料熔化製程開始時使用。
或者，可藉由循序從該等下部、中心及上部體積感應線圈移除電力以使得在該坩堝內的大量熔化矽從底部至頂部凝固，來使得該熔化轉變材料在該坩堝內定向凝固。
藉由範例而非限制的方式，在本發明之某些範例中，電源供應16a、16b及16c僅可交替地操作：在固定的輸出頻率f1 、高輸出電壓(功率)量值及為熔化轉變材料而同步化的相位之條件下；或在固定的輸出頻率f2 、低輸出電壓(功率)量值及用於攪拌轉變材料的120度相位間偏移之條件下。在本發明之其他範例中，可用一單一的三相電源供應來替換該三個電源供應，且具有120度相位間偏移及每一相位與該三個線圈之一線圈的連接以用於攪拌。對於以上範例，由於該攪拌頻率f2 係在標稱公用頻率之範圍(50至60赫茲)內，因此若需要則可藉由相移從一公用電源導出該攪拌電源供應。可提供一合適的切換配置用於將具有一同相電力源的單一三相供應之輸出切換至該三個感應線圈以從攪拌為主轉變為熔化。例如，在圖7中，在向該坩堝添加裝料之製程步驟期間，可經由開關S1 、S2 及S3 將所有三個感應線圈連接至單一的高功率、高頻率輸出電源供應16'之共同的單一相位輸出。在已向該坩堝添加一坩堝批次的轉變材料後，可將開關S1 、S2 及S3 之位置改變成使得三個感應線圈連接至一三相公用電源16"(如圖8所示)。在本發明之其他範例中，可將該等電源供應配置成在該等熔化與攪拌狀態之間交替。
在本發明之另一範例中，參考圖3及圖4(a)，耐火坩堝12係在外部由下部體積感應線圈24a與上部體積感應線圈24b包圍。該坩堝之內部下部體積D一般係由該坩堝的下部體積感應線圈24a包圍之該坩堝的內部區域，而該坩堝的內部上部體積E一般係由上部體積感應線圈24b包圍之該坩堝的內部區域。圖中以虛線指示每一內部體積之大致邊界。下部體積感應線圈24a係圍繞一般欲維持於該爐內之最小位準的材料之操作餘留鐵水而佈置。分離的電源供應26a與26b將交流電力分別供應給該等下部與上部感應線圈之每一者。每一電源供應可包含，例如將交流公用電力整流為直流電力之一轉換器/反相器，該直流電力係轉換為具有適用於連接至該等感應線圈之一線圈的特性之一交流電力。在操作中，僅以在該坩堝內之熔化的轉變材料之餘留鐵水開始，在將裝料添加於該坩堝時，電源供應26a操作於一相對較高頻率f1 (例如在此非限制性範例中的120赫茲)及一相對較高的功率輸出(例如全部輸出電壓(功率)額定(正規化為1.0))。向在該坩堝內的材料之餘留鐵水逐漸添加固體及/或半固體轉變材料之裝料。例如，熔化轉變材料之起始餘留鐵水可表示該坩堝的全部(100%)容量之20%。若該轉變材料係矽，則所添加的裝料可以係矽顆粒之形式或者冶金等級矽之其他形式，而藉由通量與經由感應線圈24a的電流流動所產生的磁場之耦合將熔化矽之餘留鐵水保持處於或高於其熔化溫度(標稱係1,450℃)。在已添加足夠的裝料以至於至少部分佔據該坩堝之上部體積E時，以與電源供應26a的輸出實質上相同的頻率f1 並以於針對電源供應26a者實質上相同的相對較高功率輸出將電源供應26b之輸出施加於上部體積感應線圈24b。針對電源供應26a與26b之電壓輸出係同相同步。藉由經由感應線圈24b的電流流動產生之磁場與在該坩堝的上部體積中之矽耦合以加熱主要在該上部區域中的矽。下表概述針對本發明之此非限制性範例的以上操作條件：
藉由上表所識別之操作條件，可將所感應的電磁攪拌圖案表示為圖3中的範例性流動線92a(顯示為虛線)，其在該坩堝的下半與上半部分中具有分離的渦旋環之一雙渦旋環流動圖案。
在藉由轉變材料之固體及/或半固體裝料將該坩堝填充至包括上部坩堝體積E的至少一部分之一位準後，可將兩個電源供應之輸出頻率降低至相同頻率，其係低於f1 ，例如f2 =0.5f1 (在此非限制性範例中係60赫茲)而兩個電源供應以一降低的電壓(功率)輸出(例如，0.5的正規化功率輸出)操作，並具有90度的異相電壓方位，如圖4(b)中的向量圖所示。下表概述針對本發明之此非限制性範例的以上操作條件：
對於上表中所識別之操作條件，可將所感應的電磁攪拌圖案表示為圖4(a)中的範例性流動線92b(顯示為虛線)以產生在該坩堝中之一單一渦旋環流動圖案，其具有關於該環的角向(圓)軸Z之一向下流動圖案或逆時針的角向旋轉。對於此流動圖案，將圍繞在該坩堝內部的中心垂直區域中之環之角向軸向下拖曳從該坩堝中的裝料之剩餘固體或半固體轉變材料並沿該坩堝的內部壁將其向上拖曳，從而快速熔化從向在該坩堝中的餘留鐵水添加的裝料之剩餘固體或半固體轉變材料94。可藉由讓該等電源供應之相位旋轉反向來讓該角向旋轉反向成順時針；即，可將針對逆時針角向旋轉之B-A相位旋轉改變為針對順時針角向旋轉之A-B相位旋轉。在本發明之某些範例中，該等逆時針與順時針方向之間的來回交替或慢行在該攪拌時間週期之至少部分週期中可較佳地用於輔助所添加裝料之熔化及攪拌。
在熔化所有所添加的轉變裝料材料後，可藉由任何合適的擷取製程來從該坩堝擷取熔化的轉變材料，例如(但不限於)透過在該坩堝中之一可重新閉合的分接頭作底部傾倒、藉由合適的坩堝傾斜裝置作傾斜傾倒、或藉由封閉該坩堝並藉由向在該坩堝內的熔化材料之體積施加正壓力將該熔化材料從該坩堝壓迫出一通道作壓力傾倒，並在此時在該坩堝內留下一所需要的熔化轉變材料之餘留鐵水以供在下一裝料熔化製程開始時使用。
或者，可藉由循序從該等下部與上部體積感應線圈移除電力以使得在該坩堝內的大量熔化矽從底部至頂部凝固，來使得該熔化轉變材料在該坩堝內定向凝固。
藉由範例而非限制的方式，在本發明之某些範例中，電源供應26a與26b僅可交替地操作：在固定的輸出頻率f1 、高輸出電壓(功率)量值及為熔化轉變材料而同步化的相位之條件下；或在固定的輸出頻率f2 、低輸出電壓(功率)量值及用於攪拌轉變材料的90度相位間偏移之條件下。在本發明之其他範例中，可將該兩個電源供應替換為一單一的雙相電源供應，其具有90度相位間偏移及每一相位與該兩個線圈之一線圈的連接以用於攪拌。對於以上範例，由於該攪拌頻率f2 係公用頻率60赫茲，因此若需要則可藉由相移從一公用電源導出該攪拌電源供應。可提供一合適的切換配置用於將具有一同相電力源的單一雙相供應之輸出切換至該兩個感應線圈以從攪拌為主轉變為熔化。在本發明之其他範例中，可將該等電源供應配置成在該等熔化與攪拌狀態之間交替。
在本發明之另一範例中，參考圖5及圖6(a)，耐火坩堝12係在外部由第一象限體積感應線圈34a、第二象限體積感應線圈34b、第三象限體積感應線圈34c及第四象限體積感應線圈34d包圍。該坩堝之內部第一象限體積K一般係由第一象限體積感應線圈34a包圍之該坩堝的內部區域；該坩堝之內部第二象限體積L一般係由第二象限體積感應線圈34b包圍之該坩堝的內部區域；該坩堝之內部第三象限體積M一般係由第三象限體積感應線圈34c包圍之該坩堝的內部區域；而該坩堝之內部第四象限體積N一般係由第四象限體積感應線圈34d包圍之該坩堝的內部區域。圖中以虛線指示每一內部體積之大致邊界。第一象限體積感應線圈34a係圍繞一般欲維持於該爐內之最小位準的操作餘留鐵水而佈置。電源供應36a、36b、36c及36d分別向該等第一、第二、第三及第四象限感應線圈供應交流電力。每一電源供應可包含，例如將交流公用電力整流為直流電力之一轉換器/反相器，該直流電力係轉換為具有適用於連接至該等感應線圈之一線圈的特性之一交流電力。在操作中，僅以在該坩堝內之熔化的轉變材料之餘留鐵水開始，在將裝料添加於該坩堝時，電源供應36a操作於一相對較高頻率f1 (例如在此非限制性範例中的120赫茲)及一相對較高的功率輸出(例如全部輸出電壓(功率)額定(正規化為1.0))。向在該坩堝內的材料之餘留鐵水逐漸添加固體及/或半固體轉變材料之裝料。例如，熔化轉變材料之起始餘留鐵水可表示該坩堝的全部(100%)容量之20%。若該轉變材料係矽，則所添加的裝料可以係矽顆粒之形式或者冶金等級矽之其他形式，而藉由通量與經由感應線圈34a的電流流動所產生的磁場之耦合將熔化矽之餘留鐵水保持處於或高於其熔化溫度(標稱係1,450℃)。在已添加足夠的裝料以至於至少部分佔據該坩堝之第二象限體積L時，以與電源供應36a的輸出實質上相同的頻率f1 並以於針對電源供應36a者實質上相同的相對較高功率輸出將電源供應36b之輸出施加於第二象限體積感應線圈34b。針對電源供應36a與36b之電壓輸出係同相同步。藉由經由感應線圈34c的電流流動產生之磁場與在該坩堝的第二象限體積中的矽耦合以感應加熱主要在該第二象限體積中的矽。在已添加足夠的裝料以至於至少部分佔據該坩堝之第三象限體積M時，以與電源供應36a與36b的輸出實質上相同的頻率f1 並以於針對電源供應36a與36b者實質上相同的相對較高功率輸出將電源供應36c之輸出施加於第三象限體積感應線圈34c，而該三個電源供應之電壓輸出係同相操作。藉由經由感應線圈34c的電流流動產生之磁場與在該坩堝的第三象限體積中的矽耦合以感應加熱主要在該第三象限體積中的矽。在已添加足夠的裝料以至於至少部分佔據該坩堝之第四象限體積N時，以與電源供應36a、36b及36c的輸出實質上相同的頻率f1 並以於針對電源供應36a、36b及36c者實質上相同的相對較高功率輸出將電源供應36d之輸出施加於第四象限體積感應線圈34d，而該四個電源供應之電壓輸出係同相操作。藉由經由感應線圈34d的電流流動產生之磁場在該坩堝的第四象限體積中耦合以感應加熱主要在該第四象限體積中的矽。下表概述針對本發明之此非限制性範例的以上操作條件：
針對上表所識別之操作條件，可將所感應的電磁攪拌圖案表示為圖5中的範例性流動線92a(顯示為虛線)，其在該坩堝的下半與上半部分中具有分離的渦旋環之雙渦旋環或環向渦旋流動圖案。
在藉由轉變材料之固體及/或半固體裝料將該坩堝填充至包括第四象限坩堝體積N的至少一部分之一位準後，可將所有四個電源供應之輸出頻率降低至相同的相對較低頻率，例如，f2 =0.5f1 (在此非限制性範例中係60赫茲)，而所有四個電源供應以一降低的電壓(功率)輸出(例如0.5的正規化功率輸出)操作，並具有90度的異相電壓方位，如圖6(b)中的向量圖所示。下表概述針對本發明之此非限制性範例的以上操作條件：
對於上表中所識別之操作條件，可將所感應的電磁攪拌圖案表示為圖6(a)中的範例性流動線92b(顯示為虛線)以產生在該坩堝中之一單一渦旋環流動圖案，其具有關於該環的角向(圓)軸Z之一向下流動圖案或逆時針的角向旋轉。對於此流動圖案，將圍繞在該坩堝內部的中心垂直區域中之環之角向軸向下拖曳從該坩堝中的裝料之剩餘固體或半固體轉變材料並沿該坩堝的內部壁將其向上拖曳，從而快速熔化從向在該坩堝中的餘留鐵水添加的裝料之剩餘固體或半固體轉變材料94。可藉由讓該等電源供應之相位旋轉反向來讓該角向旋轉反向成順時針；即，可將針對逆時針角向旋轉之A-D-B-C相位旋轉改變為針對順時針角向旋轉之A-C-B-D相位旋轉。在本發明之某些範例中，該等逆時針與順時針方向之間的來回交替或慢行在該攪拌時間週期之至少部分週期中可較佳地用於輔助所添加裝料之熔化及攪拌。
在熔化所有所添加的轉變裝料材料後，可藉由任何合適的擷取製程來從該坩堝擷取熔化的轉變材料，例如(但不限於)透過在該坩堝中之一可重新閉合的分接頭作底部傾倒、藉由合適的坩堝傾斜裝置作傾斜傾倒、或藉由封閉該坩堝並藉由向在該坩堝內的熔化材料之體積施加正壓力將該熔化材料從該坩堝壓迫出一通道作壓力傾倒，並在此時在該坩堝內留下一所需要的熔化轉變材料之餘留鐵水以供在下一裝料熔化製程開始時使用。
或者，可藉由循序從該等第一象限、第二象限、第三象限及第四象限體積感應線圈移除電力以使得在該坩堝內的大量熔化矽從底部至頂部凝固，來使得該熔化轉變材料在該坩堝內定向凝固。
藉由範例而非限制的方式，在本發明之某些範例中，電源供應36a、36b、36c及36c僅可交替地操作：在固定的輸出頻率f1 、高輸出電壓(功率)量值及為熔化轉變材料而同步化的相位之條件下；或在固定的輸出頻率f2 、低輸出電壓(功率)量值及用於攪拌轉變材料的90度相位間偏移之條件下。在本發明之其他範例中，可將該四個電源供應替換為一單一的四相電源供應，其具有90度相位間偏移及每一相位與該四個線圈之一線圈的連接以用於攪拌。對於以上範例，由於該攪拌頻率f2 係公用頻率60赫茲，因此若需要則可藉由相移從一公用電源導出該攪拌電源供應。可提供一合適的切換配置用於將具有一同相電力源的單一四相供應之輸出切換至該四個感應線圈以從攪拌為主轉變為熔化。在本發明之其他範例中，可將該等電源供應配置成在該等熔化與攪拌狀態之間交替。
儘管本發明之上述範例包含一特定數目的感應線圈及電源供應，但在本發明中可使用其他數量的感應線圈及電源供應並對特定配置作適當修改。儘管該等感應線圈之每一線圈包圍該耐火坩堝之一相等部分，但在本發明之其他範例中，由每一線圈包圍之該耐火坩堝的部分可能並不相等以至於在每一線圈中的每一電流流動可產生與在該坩堝之不相等的內部體積中之非固體轉變材料耦合之一磁場。
本發明之上述範例係基於說明之目的提供而非限制本發明。儘管已參考各項具體實施例來說明本發明，但本文所使用之詞彙係說明及解說性詞彙，而非限制性詞彙。儘管本文已參考特定構件、材料及具體實施例來說明本發明，但本發明並不希望受限於本文所揭示的特定細節；實際上，本發明延伸至所有在功能上等效的結構、方法及使用。受益於本說明書教導內容及隨附申請專利範圍之熟習此項技術者可對其實施諸多修改，而且只要不背離本發明關於其態樣之範疇即可進行變更。
12．．．耐火坩堝
14a．．．下部體積感應線圈
14b．．．中心體積感應線圈
14c．．．上部體積感應線圈
16'．．．高頻率輸出電源供應
16"．．．三相公用電源
16a．．．電源供應
16b．．．電源供應
16c．．．電源供應
24a．．．下部體積感應線圈
24b．．．上部體積感應線圈
26a．．．電源供應
26b．．．電源供應
34a．．．第一象限體積感應線圈
34b．．．第二象限體積感應線圈
34c．．．第三象限體積感應線圈
34d．．．第四象限體積感應線圈
36a,36b,36c,36d．．．電源供應
92a．．．流動線
92b．．．流動線
94．．．剩餘固體或半固體轉變材料
S1 ．．．開關
S2 ．．．開關
S3 ．．．開關
上面所簡要概述之附圖係提供用以對本發明作範例性的瞭解，而不限制在本說明書中進一步提出之本發明。
圖1及2(a)係利用纏繞一坩堝的外部之三個分離的感應線圈(顯示為斷面)之本發明之一範例的簡化圖，而圖2(b)係解說在該範例中為達到一較佳電磁攪拌圖案而使用之針對電源供應的電壓輸出之相位關係之一向量圖。
圖3及4(a)係利用纏繞一坩堝的外部之兩個分離的感應線圈(顯示為斷面)之本發明之另一範例的簡化圖，而圖4(b)係解說在該範例中為達到一較佳電磁攪拌圖案而使用之針對電源供應的電壓輸出之相位關係之一向量圖。
圖5及6(a)係利用纏繞一坩堝的外部之四個分離的感應線圈(顯示為斷面)之本發明之另一範例的簡化圖，而圖6(b)係解說在該範例中為達到一較佳電磁攪拌圖案而使用之針對電源供應的電壓輸出之相位關係之一向量圖。
圖7及圖8係利用纏繞一坩堝的外部之三個分離的感應線圈(顯示為斷面)之本發明之另一範例的簡化圖。
12．．．耐火坩堝
14a．．．下部體積感應線圈
14b．．．中心體積感應線圈
14c．．．上部體積感應線圈
16a．．．電源供應
16b．．．電源供應
16c．．．電源供應
92b．．．流動線
94．．．剩餘固體或半固體轉變材料

Claims (15)

  1. 一種藉由向在一坩堝中的一轉變材料之一熔化的餘留鐵水(molten heel)逐漸添加該轉變材料之一固體或半固體裝料來熔化一坩堝批次之該轉變材料的方法，該坩堝具有包圍該坩堝的外部之複數個感應線圈，該複數個感應線圈之每一者專門包圍該坩堝之複數個部分內部體積之一者，該複數個部分內部體積之最低者包含一底部內部體積，而該複數個部分內部體積之最高者包含該坩堝之一頂部內部體積，該複數個感應線圈之每一者係連接至一獨立交流電源之輸出，該方法包含以下步驟：將該熔化的餘留鐵水載入至該底部內部體積之至少一部分，並將連接至包圍該底部內部體積之該複數個感應線圈之一者的該獨立交流電源之輸出調整為一熔化頻率及一熔化功率位準，以將該熔化的餘留鐵水保持為至少處於該轉變材料之最低熔化溫度；將該固體或半固體裝料循序添加進在該底部內部體積上方之該複數個部分內部體積之下一最高者之每一者之至少一部分內直至該頂部內部體積，以在該坩堝內形成一熔化轉變材料之該坩堝批次，並在此時將與包圍該固體或半固體裝料經添加所至之該複數個部分內部體積之該下一最高者的該複數個感應線圈之該一者連接的該獨立交流電源之該輸出調整為該熔化頻率及該熔化功率位準，並使得與包圍該裝料經添加所至之該複數個部分內部體積之該下一最高者的該複數個感應線圈之該一者連 接的該獨立交流電源之輸出電壓之相位同步化於與包圍該裝料經添加所至之該複數個部分內部體積之前一最高者的該複數個感應線圈之該一者連接的該獨立交流電源之該輸出電壓之該相位；以及將該等獨立交流電源之每一者之該輸出同時減小為一攪拌頻率及一攪拌功率位準並在此時使得該等獨立交流電源之每一者之該輸出電壓相移以感應在該坩堝中之該坩堝批次的該熔化轉變材料之一單向電磁攪拌，該攪拌頻率係低於該熔化頻率，而該攪拌功率位準係低於該熔化功率位準。
  2. 如請求項1之方法，其中該等獨立交流電源之每一者之該等輸出電壓的相移之旋轉方向係重複反向以使得該單向攪拌在反向的流動方向之間交替。
  3. 如請求項1或2之方法，其進一步包含從該底部內部體積至該頂部內部體積循序移除該等獨立交流電源之每一者之該輸出以使得該坩堝中該坩堝批次之該熔化轉變材料定向凝固之步驟。
  4. 如請求項1或2之方法，其中該攪拌頻率約為該熔化頻率之一半，及/或該攪拌功率位準約為該熔化功率位準之一半。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該複數個部分內部體積包含該底部內部體積與該頂部內部體積，且該等獨立交流電源之每一者之該等輸出電壓之相移包含連接至包圍該底部內部體積的該複數個感應線圈之一與包圍該頂部內部 體積的該複數個感應線圈之一之該等獨立交流電源之每一者的該等電壓輸出之間的90度相移。
  6. 如請求項1或2之方法，其中該複數個部分內部體積包含該底部內部體積、一中間內部體積及該頂部內部體積，該中間內部體積係置於該底部及頂部內部體積之間，及相移該等獨立交流電源之每一者之該等輸出電壓包含在連接至包圍該底部內部體積的該複數個感應線圈之一、包圍該中間內部體積的該複數個感應線圈之一及包圍該頂部內部體積的該複數個感應線圈之一之該等獨立交流電源之每一者的該等電壓輸出之間循序相移120度。
  7. 如請求項1或2之方法，其中該複數個部分內部體積包含該底部內部體積、一第一中間內部體積、一第二中間內部體積及該頂部內部體積，該第一中間內部體積係佈置於該底部內部體積之上，該第二中間內部體積係佈置於該第一中間內部體積之上，該頂部內部體積係佈置於該第二中間內部體積之上，及相移該等獨立交流電源之每一者之該等輸出電壓包含連接到包圍該底部內部體積、該頂部內部體、該第二中間內部體積及該第一中間內部體積的該複數個感應線圈之一的該等獨立交流電源之每一者之該等輸出電壓循序逆時針旋轉相移90度。
  8. 一種藉由向在一坩堝內的轉變材料之一熔化的餘留鐵水逐漸添加該轉變材料之一固體或半固體裝料來熔化一坩堝批次之該轉變材料的方法，該坩堝具有：一下部感應線圈，其在外部包圍該坩堝之一底部內部體積；及一上 部感應線圈，其在外部包圍該坩堝之一頂部內部體積，該等下部與上部感應線圈分別係分離地連接至下部與上部交流電源之輸出，該方法包含以下步驟：將該熔化的餘留鐵水載入至該底部內部體積之至少一部分並將該下部交流電源之該輸出調整為一熔化頻率及一熔化功率位準以將該熔化的餘留鐵水保持為至少處於該轉變材料之該最低熔化溫度；同時向該坩堝之該頂部內部體積之至少一部分內添加該固體或半固體裝料以形成該坩堝批次之該轉變材料並將該上部交流電源之該輸出調整為該熔化頻率及該熔化功率位準，並在此時使得該上部交流電源之該輸出電壓之該相位與該下部交流電源之該輸出電壓之該相位同步化；以及同時將該等下部與上部交流電源之該輸出減小為一攪拌頻率及一攪拌功率位準，並在此時使得該等上部與下部交流電源之該等輸出電壓彼此相移90度，該攪拌頻率係低於該熔化頻率，而該攪拌功率位準係低於該熔化功率位準。
  9. 一種藉由向在一坩堝內的轉變材料之一熔化的餘留鐵水逐漸添加該轉變材料之一固體或半固體裝料來熔化一坩堝批次之一轉變材料的方法，該坩堝具有：一下部感應線圈，其在外部包圍該坩堝之一底部內部體積；一中間感應線圈，其在外部包圍該坩堝之一中間內部體積；及一上部感應線圈，其在外部包圍該坩堝之一頂部內部體 積，該等下部、中間與上部感應線圈之輸出分別係分離地連接至下部、中間與上部交流電源，該方法包含以下步驟：將該熔化的餘留鐵水載入至該坩堝之該底部內部體積之至少一部分並將該下部交流電源之該輸出調整為一熔化頻率及一熔化功率位準以將該熔化的餘留鐵水保持為至少處於該轉變材料之該最低熔化溫度；同時向該坩堝之該中間內部體積之至少一部分內添加該轉變材料之該固體或半固體裝料並將該中間交流電源之該輸出調整為該熔化頻率及該熔化功率位準，並在此時使得該中間交流電源之該輸出電壓之該相位與該下部交流電源之該輸出電壓之該相位同步化；同時向該坩堝之該頂部內部體積之至少一部分內添加該轉變材料之該固體或半固體裝料以形成該坩堝批次之該轉變材料並將該上部交流電源之該輸出調整為該熔化頻率及該熔化功率位準，並在此時使得該上部交流電源之該輸出電壓之該相位與該等下部及中間交流電源之該輸出電壓之該相位同步化；以及同時將該等下部、中間及上部交流電源之該輸出減小為一攪拌頻率及一攪拌功率位準，並在此時使得該等上部、中間及下部交流電源之該等輸出電壓彼此相移120度，該攪拌頻率係低於該熔化頻率，而該攪拌功率位準係低於該熔化功率位準。
  10. 一種藉由向在一坩堝內的一轉變材料之一熔化的餘留鐵 水逐漸添加該轉變材料之一固體或半固體裝料來熔化一坩堝批次之該轉變材料的方法，該坩堝具有：一下部感應線圈，其在外部包圍該坩堝之一底部內部體積；一第一中間感應線圈，其在外部包圍佈置於該底部內部體積之上的該坩堝之一第一中間內部體積；一第二中間感應線圈，其在外部包圍佈置於該第一中間感應線圈之上的該坩堝之一第二中間內部體積；及一上部感應線圈，其在外部包圍佈置於該第二中間感應線圈之上的該坩堝之一頂部內部體積，該等下部、第一中間、第二中間及上部感應線圈分別係分離地連接至下部、第一中間、第二中間及上部交流電源之輸出，該方法包含以下步驟：將該熔化的餘留鐵水載入至該底部內部體積之至少一部分並將該下部交流電源之該輸出調整為一熔化頻率及一熔化功率位準以將該熔化的餘留鐵水保持為至少處於該轉變材料之該最低熔化溫度；同時向該坩堝之該第一中間內部體積之至少一部分內添加該固體或半固體裝料並將該第一中間交流電源之該輸出調整為該熔化頻率及該熔化功率位準，並在此時使得該第一中間交流電源之該輸出電壓之該相位與該下部交流電源之該輸出電壓之該相位同步化；同時向該坩堝之該第二中間內部體積之至少一部分內添加該固體或半固體裝料並將該第二中間交流電源之該輸出調整為該熔化頻率及該熔化功率位準，並在此時使得該第二中間交流電源之該輸出電壓之該相位與該等下 部及第一中間交流電源之該輸出電壓之該相位同步化；同時向該坩堝之該頂部內部體積之至少一部分內添加該固體或半固體裝料以形成該坩堝批次之轉變材料並將該上部交流電源之該輸出調整為該熔化頻率及該熔化功率位準，並在此時使得該上部交流電源之該輸出電壓之該相位與該等下部交流電源、第一中間及第二中間交流電源之該輸出電壓之該相位同步化；以及同時將該等下部、第一中間、第二中間及上部電源之該輸出減小為一攪拌頻率及一攪拌功率位準，並在此時使得該等下部、第一中間、第二中間及上部交流電源之該等輸出電壓彼此相移90度，該攪拌頻率係低於該熔化頻率，而該攪拌功率位準係低於該熔化功率位準。
  11. 一種藉由向在一坩堝中的一轉變材料之一熔化的餘留鐵水逐漸添加該轉變材料之一固體或半固體裝料來熔化一坩堝批次之該轉變材料的方法，該坩堝具有包圍該坩堝的該外部之複數個感應線圈，該複數個感應線圈之每一者專門包圍形成該坩堝的總內部體積之複數個部分內部體積之一者，該複數個部分內部體積之該最低者包含該底部內部體積，而該複數個部分內部體積之該最高者包含該坩堝之該頂部內部體積，該方法包含以下步驟：將該熔化的餘留鐵水載入至該底部內部體積之至少一部分；將一熔化交流電源之該輸出連接至該等感應線圈中包圍該底部內部體積的該線圈，該熔化交流電源之該輸出 操作於一熔化頻率及一熔化位準以將該熔化的餘留鐵水保持為至少處於該轉變材料之該最低熔化溫度；將該固體或半固體裝料循序添加至該複數個部分內部體積之該下一最高者之每一者之至少一部分直至該頂部內部體積，並將該熔化交流電源之該輸出與該複數個感應線圈中包圍待添加該裝料之該複數個部分內部體積之該下一最高者之該線圈連接直至該坩堝係藉由該坩堝批次來填充；以及同時將該熔化交流電源之該輸出與該複數個感應線圈斷開並將至少一攪拌交流電源之該等輸出之一者連接至該複數個感應線圈之每一者，該至少一攪拌交流電源之該等輸出操作於一攪拌頻率及一攪拌功率位準，該攪拌頻率係低於該熔化頻率，而該攪拌功率位準係低於該熔化功率位準，該至少一攪拌交流電源之該等輸出之每一者之該等電壓係彼此相移以感應在該坩堝內之該坩堝批次的一熔化轉變材料之一單向電磁攪拌。
  12. 如請求項11之方法，其中該至少一攪拌電源係大致在50至60赫茲的範圍內操作之一公用電源。
  13. 如請求項11或12之方法，其中該至少一攪拌電源之該等輸出之每一者的相移電壓之旋轉方向係重複反向以使得該單向電磁攪拌在反向的流動方向之間交替。
  14. 如請求項11或12之方法，其進一步包含從圍繞該坩堝的該底部內部體積至該頂部內部體積之該複數個感應線圈之每一者移除該熔化交流電源或該至少一攪拌電源之該 等輸出，以使得該坩堝批次之該熔化轉變材料定向凝固。
  15. 如請求項11或12之方法，其中該攪拌頻率約為該熔化頻率之一半，及/或該攪拌功率位準約為該熔化功率位準之一半。
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