感应电炉的专利技术分析

感应电炉的专利技术分析

郭晓明

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心   江苏 苏州 215000

摘要：本文通过对冶炼用感应电炉的专利文件进行收集、标引和梳理，分析了冶炼用感应电炉的专利申请趋势，对于重要节点技术的专利申请进行梳理。

关键词：感应电炉；工频；有芯；无芯；真空

1 引言

感应炉就是利用电磁感应原理，使处于交变磁场中的金属材料内部产生感应电流，从而把材料加热至熔化的一种电热设备。目前电磁感应熔炼技术是一种加热效率高、速度快、低耗节能环保型的加热技术，尤其是真空感应炉的出现，在特殊钢与合金的冶炼中能够工艺要求，而像弹性合金、不锈钢、膨胀合金等特殊材料很多都是采用真空感应冶炼炉来冶炼。

2冶炼用感应电炉专利申请趋势

图1示出了冶炼用感应电炉专利申请量排名世界前6的国家或地区在各时间区域内的申请情况。结合该图可得各主要申请国在该领域的专利申请时间各不相同，中国在该领域的专利申请主要在1985年以后。

图1 主要国家冶炼用感应电炉的全球专利申请情况

在冶炼用感应电炉专利申请的初期，该领域的专利申请主要集中在欧美国家，从专利库中查到的最早提到将感应电炉用于金属冶炼的专利是英国人Parker.Thomas在1905年7月19日申请的GB190514884A，该专利申请中提到可以在精炼钢、镍或其他金属的电炉中采用感应加热元件，感应加热电阻a呈螺旋状布置在炉床b的顶部、底部或侧部。这主要归功于第一次工业革命最早发生于欧美国家。

冶炼用感应电炉专利申请到1925至1965年间德国一直是该领域专利申请的主要国家，这与德国将感应电炉用于军工技术的冶炼和铸件生产密不可分。1965年后，前苏联、德国和美国在该领域的专利申请量并驾齐驱，成快速增长趋势，这与第二次工业革命“电气时代”有关，在该阶段航空航天、电子信息、石油化工以及机械制作等工业的迅速发展，对金属材料的需求日益增长。80年代后随着亚洲经济的崛起，中国、韩国和日本在冶炼用感应电炉领域迅速发展；尤其是中国的专利申请量一跃成为世界第一，中国最早关于冶炼用感应电炉的专利申请来自于四川省彭县渝江机械厂的张于彬，该申请人在1985年10月14日申请的CN85107606专利中，提到了一种用于工频感应电炉平衡调功的方法，具体采用星形接法，使电炉的功率调节显示了更大的灵活性，限制了电炉短路及ｃｏｓφ失控给系统带来的事故过电流，降低了对电气系统的要求，提高了熔炼设备的可靠性和事故抵御能力，启动冲击小，易于实现自动调节。

3感应电炉专利申请中的重要节点专利

根据炉子结构中是否有铁芯穿过被熔化金属这一特点，可把感应熔炼炉分为无芯感应电炉和有芯感应电炉。

3.1.1有芯感应电炉

有芯感应电炉设有围绕铁芯的金属熔沟，因此又被称为熔沟炉或沟槽式感应熔炼炉。1917年美国人MR.J.R.Wyatt开发了第一台用于工业生产的工频有芯感应电炉，用于黄铜的熔炼。在早期提到利用工频有芯感应电炉来进行冶炼的具有代表性的专利申请是英国专利库中1906年3月的专利申请GB190607597A，参见图2。

该专利申请公开了一种从矿石中获得金属或用于加热金属的改进方法以及与其一起使用的电炉，使用高炉作为熔炼炉，在熔炼炉的圆形截面的轴上设置中央立柱2，中央立柱2下部设置有具有绕组5的铁芯4，在铁芯4上的绕组5相当于初级绕组，炉床上的金属铁或其他待熔融金属承载电流，相当于次级绕组；中央立柱2为中空结构，通过中央立柱2向铁芯提供冷却气流，防止绕组5和铁芯4高温损毁。在接通工频交流电源后，金属熔池1形成闭合的金属熔沟，利用电磁感应加热原理，当铁芯4上的多匝线圈绕组5接通交流电源后，闭合的金属熔沟产生感应电流，从而产生大量热量，通过熔化的金属液循环流动，将热量向外传递，达到熔化全部金属的目的。该专利申请与当前冶炼领域使用的感应电炉原理一致，结构布局已经非常接近。

图2 GB190607597A

3.1.2真空有芯感应电炉

虽然常见的真空感应熔炼炉多用于无芯感应电炉，但1935年10月19日申请号为GB477720A的英国专利申请中还是提到了在有芯感应炉中采用真空熔炼方式来精炼金属，参见图3。

图3 GB477720A

结合图3，该专利申请中在铸造脱氧铜或其它金属时，将待熔炼金属装入含有还原气氛的炉室中，然后从所述炉室流入真空室内的模具中。工作时，首先将金属液从倾斜炉21倒入耐火U形炉室10中，耐火U形炉室10通过管道23和40向炉内供应惰性气体或还原气体。当通过窗口35观察到金属液到达分支管13中的预定水平时，为了避免金属液从漏斗20和排放旋塞38处逸出，将管37、40关闭，利用管41抽真空，并且暂停浇注。降低的压力使得分支管13中的金属液上升并流入盆26中，在盆26中溶解的气体被抽出，熔融金属液从边沿27进入模具50中，模具50通过套环30夹紧在底座52上，通过设置在端壁28上的活塞32驱动套环30在颈部29上滑动达到驱动流体的操作。然后重新将熔融金属液倒入漏斗中。当通过窗口36观察到模具充满时，管41关闭并且管40打开。当分支13中的水平下降时，旋塞38打开。然后将套环30升高，用空的模具替换，并重复操作循环。如果使用还原气体，则在通风口38和漏斗处将逸出的气体点燃。该熔炼炉包括熔沟铁芯电加热元件43和感应线圈加热器47，具体结构参见图3。

虽然专利GB477720A提到了在冶炼感应电炉上设置有抽真空装置，但是通过该专利的描述可知，该具有真空装置的冶炼感应电炉主要起到是保温作用，金属熔化工艺是在倾斜炉21中完成。

3.2.1无芯感应电炉

最早的无芯感应电炉的专利申请为1925年11月24日的德国专利申请DE502691C，该专利和1925年11月26日的德国专利申请DE591169C申请的申请人相同，参见图4a。接着在1928年6月6日的德国专利申请DE542536C公开了一种用于运行无芯感应熔炼炉的装置，该发明专利主要在于坩埚炉外侧的感应线圈布置方式，参见图4b。然后是1931年2月4日英国专利申请GB378396A一种感应炉及其相关的改进，包括围绕在坩埚a上的连续线圈b，坩埚a内盛放待熔融金属e，熔融金属e上放置熔渣层d，在坩埚a的衬里设置有高导电性材料石墨c，该专利申请的改进在于设置高导电性材料石墨，利用感应线圈和石墨达到快速熔炼的目的，参见图4c。

图4 早期冶炼用工频无芯感应电炉

3.2.2真空无芯感应电炉

早在1930年12月6日申请号为GB3686930A的英国专利申请中，申请人Willoughby Statham Smith等就提出在真空环境下对磁性金属或其合金进行熔炼，特别是铁、镍及其合金的精炼，参见图5。

图5 GB3686930A

结合图5可得在该感应电炉熔炼时，首先利用减压抽吸装置将密闭容器中氧化气体抽出，然后鼓入惰性气体，金属在炉中熔化，该炉包括由感应线圈b加热的气密密封的坩埚a，并且设置有云母窗口d、风口e和联接到抽吸泵的出口g。气体风口可以位于坩埚的侧壁中高于金属的正常水平，熔炉是可倾斜的，以便使金属越过入口风口。当氧存在于原始材料中时，其将通过与在真空中的初始熔融期间存在的碳的相互作用而转移，例如通过使用一氧化碳来除去过量的氧，结合图5可知该感应熔炼炉为无芯感应电炉。

参考文献

[1] 王文礼，王快社等编著．有色金属及合金的熔炼与铸锭[M].北京: 冶金工业出版社, 2009.08.

[2] 薛正良，朱航宇，常立忠编著．特种熔炼[M].北京: 冶金工业出版社, 2010.10.

作者简介：

郭晓明（1986-），男，汉族，江苏连云港人。助理研究员，天津科技大学，双学士。现主要从事窑炉领域专利审查工作。