MXPA04009660A - Horno de induccion para operacion a alta temperatura. - Google Patents

Abstract

Un horno de induccion capaz de trabajar a temperaturas por arriba de los 3,100¦C tiene un montaje de enfriamiento (60), el cual esta selectivamente motando a un extremo superior de la pared (76) del horno. El montaje de enfriamiento incluye un domo (62), el cual es activamente enfriado por serpentines de enfriamiento (68). Durante la parte de enfriamiento de una corrida del horno, el enfriamiento inicialmente procede de manera natural, mediante la conduccion del calor lejos de la zona caliente a traves de una capa de aislamiento (58) del horno. Una vez que la temperatura dentro de la zona caliente (20) del horno alcanza aproximadamente los 1,500¦C, un mecanismo elevador (80), montado al domo, sube una tapa (16) del horno ligeramente, permitiendo que los gases calientes procedentes de la zona caliente se mezclen con gas mas frio que se encuentra en el domo. Esto acelera el enfriamiento de la zona caliente, reduciendo los tiempos de enfriamiento de manera importante, sin la necesidad de abrumar al horno mismo con valvulas u otros complejos mecanismos de enfriamiento que tienen que ser reemplazados periodicamente. La vida de un susceptor (10) de horno de grafito a la elevada temperatura de operacion aumenta rodeando el susceptor con una capa barrera (40) de grafito flexible, la cual inhibe la evaporacion del grafito. Adicionalmente, discos testigo (154), colocados dentro del susceptor, proveen un perfil de temperatura exacto de la zona caliente.

Description

HORNO DE INDUCCIÓN PARA OPERACIÓN A ALTA TEMPERATURA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un horno de inducción adecuado para operar a temperaturas de alrededor de 3,000°C y más. Encuentra aplicación particular conjuntamente con la grafítación de fibras de betún natural y otras fibras que contienen carbón, y se describirá con referencia particular a ellas. Sin embargo, se debe apreciar que el horno también es adecuado para otros procesos de alta temperatura, tales como la purificación con halógeno de materiales graníticos para eliminar las impurezas metálicas.

DISCUSIÓN DE LA TÉCNICA Los hornos de inducción intermitentes han sido usados durante muchos años para grafitar fibras y para otras operaciones de alta temperatura. Un horno de inducción típico incluye un recipiente eléctricamente conductor, conocido como susceptor. Se genera un campo electromagnético variable con el tiempo haciendo fluir corriente alterna (AC) en una bobina calefactora de inducción. El campo magnético generado por la bobina pasa a través del susceptor. El campo magnético induce corrientes en el susceptor, que generan calor. El material que va a ser calentado está contenido dentro del susceptor, en lo que comúnmente se denomina como la "zona caliente" o la parte más caliente del horno. Para operaciones que requieren de temperaturas elevadas, hasta de 3,000°C, el grafito es un material preferido para formar el susceptor, puesto que a la vez es eléctricamente conductor y capaz de resistir temperaturas muy elevadas. Sin embargo, hay tendencia a que el grafito se sublime, volviéndose vapor. La sublimación aumenta notablemente conforme se eleva la temperatura por encima de alrededor de 3,100°C. Debido a las variaciones en temperatura a través de todo el susceptor, la vida del horno, a una temperatura de operación nominal de alrededor de 3,100°C, se mide típicamente en semanas. La vida a 3,400°C frecuentemente sólo es cuestión de horas. De tal modo, los hornos que son operados a temperaturas de más de 3,000°C, tienden a sufrir un tiempo de paro considerable para reemplazar los componentes. La grafítación de fibras que contienen carbón, en particular, se beneficia de temperaturas de tratamiento de más de 3,000°C. Por ejemplo, en la formación de baterías de litio, la absorción de litio depende de la temperatura de grafítación, que mejora a medida que aumenta la temperatura de grafítación. Se han logrado ciertas mejoras en la distribución de calor a través de la totalidad del susceptor, midiendo las temperaturas en diferentes puntos dentro del horno durante el calentamiento, mediante el uso de pirómetros. Luego se suministran densidades de corriente de inducción diferentes a múltiples secciones del susceptor, a todo lo largo del mismo, de acuerdo con las temperaturas medidas. Sin embargo, los pirómetros son susceptibles de fallar y necesitan ser recalibrados con el tiempo. Para incrementar el tiempo de vida del susceptor es conveniente enfriar rápidamente el horno, una vez que se completa la operación de calentamiento a alta temperatura. Típicamente los serpentines de enfriamiento llevan agua alrededor del horno. Sin embargo, debido a que en general el horno está bien aislado, con frecuencia se tarda aproximadamente una semana en enfriar el horno desde su temperatura de operación. En algunas aplicaciones se emplean cambiadores de calor para acelerar el enfriamiento. En esos diseños se enfría el horno a una temperatura aproximada de 1,500°C, por pérdida de calor a través del aislamiento del horno. Entonces se abren las válvulas situadas encima y debajo de la zona caliente, y se inicia la circulación forzada a través de un cambiador de calor externo. Este sistema funciona bien para hornos que raras veces trabajan por encima de los 2,800°C. En los hornos operados rutinariamente por encima de los 3,000°C, el reemplazo frecuente de los componentes de la zona caliente hace que estos diseños sean de operación costosa. En otros diseños, el material de aislamiento flojo, situado encima dei horno, es golpeado para que se desprenda del horno, a fin de acelerar el enfriamiento. Como resultado, es necesario reemplazar el aislamiento después de cada operación del horno. La presente invención provee un horno de inducción nuevo y mejorado, y un método de uso, que resuelve los problemas a los que se hizo referencia arriba, y otros.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se provee un horno. El horno incluye un recipiente que define una cámara interior para recibir los artículos que van a ser tratados, y un medio calefactor que calienta el recipiente. Una tapa cierra selectivamente la cámara interior del recipiente. Un ensamble enfriador incluye un domo que define una cámara y un mecanismo elevador, que eleva selectivamente la tapa, lo que permite que fluya el gas caliente desde la cámara interior del recipiente, al domo. De acuerdo con otro aspecto de la presente invención se provee un ensamble enfriador para un horno. El ensamble enfriador incluye un domo que define una cámara interior. Un medio de enfriamiento enfría el domo. El ensamble incluye medios para proveer selectivamente comunicación de fluido entre una zona caliente del horno de inducción y el domo, y medios para controlar los medios de comunicación, de acuerdo con al menos uno de los siguientes: la temperatura de la zona caliente y la temperatura de la cámara interior. De acuerdo con otro aspecto más de la presente invención se provee un horno de inducción. El horno incluye un susceptor que define una cámara interior para recibir los artículos que van a ser tratados; estando formado el susceptor de grafito. Una bobina de inducción induce una corriente en el susceptor, para calentar el susceptor. Una capa de grafito flexible, exterior con respecto al susceptor, inhibe el escape de vapor de carbón que se haya sublimado del susceptor. De acuerdo con otro aspecto adicional de la presente invención se provee un método para operar un horno. El método incluye calentar los artículos que se van a tratar en una primera cámara que contiene un gas, y enfriar activamente una segunda cámara que contiene un gas. La segunda cámara es conectable selectivamente de manera fluida con la primera cámara. Después del paso de calentar, se enfría la primera cámara conectando selectivamente de manera fluida la primera cámara con la segunda cámara, lo que permite que fluya el calor desde el gas de la primera cámara, al gas de la segunda cámara. Es una ventaja de por lo menos una modalidad de la presente invención que se incrementa significativamente la vida del horno. Es otra ventaja de por lo menos una modalidad de la presente invención que se reducen los tiempos de paro para enfriamiento. Otra ventaja de por lo menos una modalidad de la presente invención es que el ensamble de enfriamiento es retirable del horno, lo que simplifica la separación y el reemplazo del susceptor y de otros componentes de la zona caliente. Otras ventajas de por lo menos una modalidad de la presente invención se derivan de la mayor precisión en la vigilancia de las variaciones en la temperatura del horno, en la totalidad del horno. Otras ventajas adicionales más de la presente invención serán fácilmente aparentes para quienes sean expertos en la materia, cuando se lea la descripción siguiente y se revisen los dibujos anexos.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista en sección lateral de un horno de inducción intermitente, de acuerdo con la presente invención; que muestra una tapa de horno en una posición cerrada. La figura 2 es una vista en sección lateral del horno de inducción intermitente de la figura 1, que muestra la tapa del horno en una posición abierta. La figura 3 es una vista en sección ampliada, tomada en A-A de la figura 2, de la pared del horno; que muestra un pirómetro montado en ella. La figura 4 es una vista en sección lateral ampliada de la pared del horno de las figuras 1 y 2, que muestra un pirómetro montado en ella. La figura 5 es una vista en sección lateral del ensamble enfriador de la figura 1. La figura 6 es una gráfica que ilustra los efectos del ensamble enfriador sobre la temperatura del horno, con el tiempo. La figura 7 es una vista en sección lateral ampliada del accionador de la figura 5. La figura 8 es una vista en sección ampliada del mecanismo sellador y de guía de la figura 5. La figura 9 es una vista en alzado lateral del domo de la figura 5, que muestra los serpentines de enfriamiento montados en el exterior. La figura 10 es una vista en planta superior del domo de la figura 5, que muestra los serpentines de enfriamiento montados en el exterior; y La figura 11 es una vista en sección lateral del mecanismo inmovilizador de la figura 5.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA MODALIDAD PREFERIDA Con referencia a las figuras 1 y 2, un horno de inducción, adecuado para operar a temperaturas de más de 3,000°C incluye un susceptor 10 formado de un material eléctricamente conductor, tal como grafito. El susceptor incluye una pared lateral cilindrica 12, cerrada en un extremo inferior mediante una base 14. Una tapa 16 aislante, separable, cierra un extremo superior abierto 18 del susceptor, para definir una cámara interior 20, que provee una zona caliente para recibir los artículos que van a ser tratados. La tapa 16 incluye una porción de tapadera 22, formada de grafito, que se asienta sobre un pedestal 24, definido por el susceptor adyacente al extremo superior 18. La porción de tapadera 22 está fijada a una superficie inferior de un tapón aislante 26, alargado, de preferencia formado a partir de un material de aislamiento rígido, tal como un aislamiento rígido de grafito. El tapón 26 tiene una pestaña periférica que se extiende hacia fuera , en su extremo superior. La tapa 16 cierra la cámara interior 20 durante una fase de calentamiento de un ciclo de operación del horno de inducción, lo que permite que el horno opere bajo una presión positiva ligera de un gas inerte, tal como argón. El gas inerte es uno que no reacciona con los componentes del horno ni con el producto que se está tratando térmicamente, a la escala de temperaturas a la que están expuestos los componentes y el producto. Esto previene la oxidación de los componentes de carbón y de grafito del horno, y del producto que se está tratando térmicamente. A temperaturas de operación inferiores a alrededor de 1,900°C, se puede usar nitrógeno como gas inerte, el cual es reemplazado con argón cuando la temperatura alcanza este nivel. De preferencia la presión positiva es hasta de unos 20 kg/m2. El susceptor 10 es calentado de manera inductiva mediante una bobina de inducción 30, alimentada mediante una fuente de CA (no mostrada). La bobina 30 produce un campo magnético alternante, que pasa a través del susceptor, que induce una corriente eléctrica en el susceptor y que lo hace que se caliente. Los artículos que van a ser tratados con calor, tales como las fibras de betún para formar grafito, son colocados en un receptáculo 32, que de preferencia está formado de grafito. El receptáculo 32 es cargado en la cámara 20 del susceptor, antes de operar el horno. Se transfiere calor desde el susceptor a las fibras, por radiación. La corriente inducida que fluye a través del susceptor 10 no es uniforme en la totalidad de su sección transversal. La densidad de corriente es mayor en una superficie exterior 34, y decae exponencialmente hacia una superficie interior 36. Se selecciona el espesor del susceptor para obtener un perfil de corriente relativamente uniforme en todo el susceptor e inducir alguna corriente y algo de calor directamente en los receptáculos 32 de grafito, dentro del horno. Un espesor adecuado para el horno es aproximadamente 5 cm. El perfil de temperatura a través de la sección transversal del susceptor es de temperatura que se eleva, desde la superficie exterior 34, hasta un máximo dentro del susceptor, y después disminuye a más fría en la superficie interna 36. Como se muestra mejor en las figuras 3 y 4, la superficie exterior 34 del susceptor está envuelta con una capa de barrera 40, de un material de lámina de grafito flexible. La lámina de grafito adecuada puede ser obtenida bajo la marca Grafoil® de Graftech Inc., Lakewood, OH, E. U. A. Se forma de preferencia el material de lámina flexible de grafito intercalando escamas de grafito con una solución de intercalación que comprende ácidos, tales como una combinación de ácidos sulfúrico y nítrico, y luego exfoliando las partículas intercaladas con calor. Al exponer a una temperatura suficiente, típicamente de unos 700°C o más, las partículas se dilatan en una forma parecida a acordeón, para producir partículas que tienen una apariencia vermiforme. Los "gusanos" pueden ser comprimidos entre sí a láminas flexibles o integradas del grafito expandido, denominadas típicamente "gráfico flexible", sin necesidad de aglutinante. La densidad y el espesor del material de lámina para la capa de barrera 40 puede variarse controlando el grado de compresión. La densidad del material de lámina generalmente está dentro de la escala aproximada de alrededor de 0.4 g/cm3 a 2.0 g/cm3, y de preferencia el espesor es alrededor de 0.7 a 1.6 mm. Se puede aplicar un adhesivo (no mostrado) entre la lámina 40 flexible de grafíto y la superficie externa 34 del susceptor 10, para mantener en contacto la lámina con el susceptor durante el ensamble del horno. De preferencia la lámina de grafito cubre toda la superficie exterior 34 del susceptor, incluyendo la pared lateral 12 y la base 14, aunque también está contemplado que se pueda emplear la lámina de grafito sólo adyacente a aquellas áreas que son calentadas a las temperaturas más altas, denominadas comúnmente la "zona caliente". El material de lámina de grafito sirve como una barrera de vapor alrededor del susceptor, lo que inhibe el escape del vapor de carbón que se ha sublimado desde la superficie 34 del susceptor. Esto hace que la presión parcial del vapor de carbón aumente en la región adyacente al susceptor. Pronto se alcanza un equilibrio entre la velocidad de vaporización y la velocidad de redeposición del carbón sobre el susceptor, lo que inhibe la pérdida adicional de vapor del grafito desde el susceptor. Al continuar con la referencia a las figuras 1 y 3, el susceptor está alojado en un recipiente 50 de presión, formado, por ejemplo, de fibra de vidrio, con una pestaña inferior 52, formada de aluminio. El recipiente de presión está forrado con tubos de enfriamiento 54, de preferencia formados de un material no magnético, tal como cobre. Los serpentines de enfriamiento están dispuestos en circuitos tortuosos verticales. Los tubos de enfriamiento están aislados eléctricamente entre sí, para prevenir el flujo de corriente en la dirección circunferencial. Un fluido de enfriamiento, tal como agua, es operado a través de los tubos de enfriamiento en todo momento, para prevenir el sobrecalentamiento de los tubos y demás componentes del horno. Los tubos de enfriamiento están empotrados en una capa gruesa 56 de un material refractario, que comprende primariamente carburo de silicio; lo que provee buena conductividad térmica, buena resistencia y buen aislamiento térmico. Una capa 58 de un material de aislamiento, tal como negro de humo, está empacada entre el material refractario y el susceptor 10, adyacente a los lados 12 y la base 14. La capa 40 de grafito flexible es mantenida en su lugar, durante la operación del horno, mediante la capa 58 de material de aislamiento. El negro de humo de preferencia está en la forma de un polvo fino, lo que le permite ser extraído por vacío desde el horno, cuando es tiempo de reemplazar o reparar el susceptor 10. Luego se retira fácilmente el susceptor del horno. Se mantiene a un mínimo el espesor de la capa 58 del material aislante para permitir tiempos de enfriamiento rápidos. El nivel de aislamiento, de preferencia, se selecciona para prevenir pérdidas excesivas de calor, y proveer al mismo tiempo el tiempo de enfriamiento más corto que sea posible. Los requerimientos incrementados de energía para calentar, en comparación con un horno convencional, son contrarrestados por la ganancia en la productividad del horno, derivada del tiempo rápido de paro para enfriamiento. Con referencia ahora a la figura 5, un ensamble de enfriamiento 60 es montable selectivamente en un extremo superior del horno, para cerrar el extremo superior de la cámara 20 del susceptor. El ensamble de enfriamiento incluye un domo 62, formado de cobre o de otro material no magnético. El domo 62 define una cámara de domo 64 interior, estanca al gas, que mantiene un gas inerte a una ligera presión positiva. Durante la porción de calentamiento del ciclo de operación del horno, un extremo inferior 66 del domo está cerrado respecto de la cámara 20 del susceptor, por la tapa del horno 16 (figura 1). No es necesario que la tapa 16 selle la cámara interior 20 del entorno ambiental, puesto que el domo sirve para ese propósito. El domo es enfriado activamente durante ia porción de enfriamiento del ciclo del horno. Específicamente, como se muestra en las figuras 9 y 10, están provistos serpentines de enfriamiento 68 en una superficie exterior del domo y están conectados con un cambiador de calor externo 70. De preferencia toda la superficie del domo es usada para enfriar, a fin de elevar al máximo la velocidad de eliminación de calor. Un primer juego de serpentines de enfriamiento 68A rodea una pared lateral cilindrica 72 del domo; mientras que un segundo juego de serpentines de enfriamiento 68B está dispuesto exterior con respecto a una pared superior 74 del domo. El ensamble de enfriamiento 60 es movible mediante un izador (no mostrado) dispuesto de manera adecuada, desde una posición alejada del horno, a una posición sobre el extremo superior del horno. Una pestaña periférica 76, en el extremo inferior del domo, es asegurada a una porción superior 78 de la pared del horno (que comprende los extremos superiores del material refractario y del recipiente a presión de fibra de vidrio, respectivamente), que se extiende por encima del susceptor (figura 2). El domo sirve como un cambiador de calor para el horno durante el enfriamiento. Como se muestra en la figura 5, un mecanismo izador 80 es operable para levantar la tapa 16 del horno. Esto crea una abertura 82 (figura 2) entre la cámara del horno y la cámara de domo 64. Específicamente, se levanta la tapa 16 desde la posición cerrada, mostrada en la figura 1 , donde la porción de tapadera 22 se asienta sobre el pedestal 24, a una posición abierta, mostrada en la figura 2, donde la porción de tapadera está espaciada del pedestal. El mezclado rápido del gas caliente procedente de la cámara 20 de susceptor y el gas frío dentro del domo 62, tiene lugar por convección natural. Se ajusta el grado de apertura levantando la tapa 16 usando un control de realimentación para limitar la temperatura dentro de la cámara 64 de domo, a menos del punto de fusión del cobre, de preferencia en la escala aproximada de 200 a 300°C, si bien se mantienen opcionalmente temperatura más altas cuando son particularmente precisos la detección y el control de la temperatura. La tapa 16 es movible, en cantidades infinitamente variables, en la dirección de la flecha B, hasta una posición en la que está alojada totalmente en el domo (figura 5). Todo el ensamble de enfriamiento 60 es separable del horno, lo que permite que el susceptor 10 sea retirado fácilmente para reparación o reemplazo. Un mecanismo inmovilizador 84, que está mostrado mejor en la figura 11, inmoviliza selectivamente la pestaña periférica 76 del mecanismo enfriador a la pared 78 del horno. De esa manera, el domo 62 sella el extremo superior de la cámara 20 y la cámara de domo 64 respecto al entorno ambiental externo, durante una operación del horno. El mecanismo inmovilizador 84 incluye un serpentín de enfriamiento 86, que es alimentado con agua de enf iamiento, para mantener frío el mecanismo inmovilizador. Opcionalmente, como se muestra en la figura 1, un soporte externo 88 sostiene la mayor parte del peso del domo, para evitar daños potenciales al extremo superior de la pared del horno 78. Con referencia a la figura 5, uno o más detectores de temperatura 90, tales como termopares, están situados dentro del domo 62. Los detectores de temperatura proveen una señal para controlar el sistema 92, que señala al mecanismo izador 80 que baje la tapa para disminuir el tamaño de la abertura 82, si la temperatura dentro de la cámara de domo 64 se vuelve alta, y da instrucciones al mecanismo izador para que aumente el tamaño de la abertura elevando la tapa 16, si la temperatura cae por debajo de un nivel preseleccionado. Opcionalmente, como se muestra en la figura 5, están provistos medios mezcladores de fluido, tales como los ventiladores 94, dentro de la cámara 64 de domo, para mejorar la circulación de los gases entre la cámara 20 de susceptor y la cámara 64 de domo. Por encima de unos 1,500°C, el calor fluye más rápidamente a través de los costados del horno y, de tal manera, la velocidad de enfriamiento a través de la capa de aislamiento 58 es relativamente rápida. Así, los efectos de enfriamiento del domo 62 no son benéficos, por lo general, durante un periodo inicial de la porción de enfriamiento del ciclo. La tapa 16 del horno, por lo tanto, de preferencia es mantenida cerrada durante este periodo de enfriamiento inicial, entre alrededor de 3,100°C y alrededor de 1,500°C. Una vez que la temperatura del horno alcanza alrededor de 1500°C, el material de aislamiento inhibe el enfriamiento y se vuelve efectiva la acción de enfriamiento del domo 62. Por lo tanto, se comienza de preferencia, en esta etapa, el izamiento de la tapa 16. La figura 6 demuestra el efecto del ensamble de enfriamiento superior 60 sobre la velocidad de enfriamiento del horno. Están mostradas dos curvas: una que muestra el enfriamiento predicho de un horno sin domo, y la otra que muestra el enfriamiento predicho usando el domo 62. Se puede ver que el tiempo de enfriamiento es aproximadamente de 48 horas cuando se usa el domo, reduciéndose así el tiempo de paro para enfriamiento, en total, aproximadamente a la mitad. Estos resultados fueron predichos para un susceptor de 63 cm de diámetro interno, 241 cm de alto y 4.65 m2 de área de transferencia de calor en el domo (es decir, el área total de la pared lateral 72 del domo y de la pared superior 74 del domo). Con referencia una vez más a la figura 5, y con referencia también a la figura 7, el mecanismo izador 80 incluye ventajosamente un accionador lineal 100. El accionador 100 está acoplado en su extremo inferior a una placa de montaje 102, mediante una junta de acoplamiento 104. La placa de montaje 102 está montada a la pared superior 74 del domo mediante pernos 106, u otros miembros de fijación adecuados. El accionador lineal 100, que puede comprender un pistón 107 operado neumática o hidráulicamente, se extiende o se retrae para empujar sobre, o para soltar un extremo de una cadena de rodillos 108, que pasa sobre un sistema de poleas 110. El otro extremo de la cadena 108 está conectado con un extremo superior de una barra izadora cilindrica 112, orientada verticalmente. El accionador lineal 100, la placa de montaje 102, la cadena 108 y el sistema de poleas 110, están soportados dentro de un alojamiento 114, formado de acero inoxidable o similares, y no están sujetos a los gases calientes, dentro de la cámara 64 de domo. Un extremo inferior de la barra izadora 112 se extiende dentro de la cámara de domo 64, y está acoplado con la tapa de horno 16, por medio de un acoplamiento 120 de acero inoxidable. El acoplamiento 120 está montado a una barra soportadora de grafito 121, que se extiende directamente a través de la tapa 16. Con referencia también a la figura 8, la barra 112 pasa a través de una primera abertura 122, en la placa de montaje 102 del accionador, y una segunda abertura 124 en la pared superior 74 del domo. Al continuar con la referencia a la figura 8, un ensamble de sello y guía 130 sirve para guiar el extremo inferior de la barra 112 a través de las aberturas 122, 124, y para proveer un sello entre la cámara 64 de domo y el interior del alojamiento 114. De manera específica, el ensamble de sello y guía incluye un manguito cilindrico 132, formado de acero inoxidable. El manguito está soldado, o montado de otra manera, a corta distancia por encima de su extremo inferior 133, a una pestaña 134 de montaje, anular, que a su vez está empernada a la placa 102 de montaje, alrededor de la abertura 122. Un extremo superior del manguito está montado a una segunda pestaña anular 136 mediante pernos 138. El extremo 133 inferior del manguito 132 se extiende debajo de la pestaña de montaje 102. Un sello anular 140, tal como un anillo toroidal, es presionado por el extremo inferior 133 del manguito 132 contra una superficie superior de la pared superior 74 del domo. El sello se acopla de manera selladora con la barra 112 de izamiento, cuando se mueve hacia arriba y hacia abajo a través de ella. Un tubo separador 142 está soportado dentro del manguito 132, entre cojinetes superior e inferior 144, 146, que están asentados contra la pestaña 136 y el sello 140, respectivamente. El tubo separador 142 recibe la barra izadora 1 12 a través de él. De regreso una vez más a la operación del horno, están montados varios pirómetros 150 (tres, en la modalidad preferida) en comunicación térmica con tubos correspondientes 152, que pasan a través de la pared 12 del susceptor, hacia la cámara 20 de susceptor (figuras 2-4). Los pirómetros 150 están colocados en diferentes regiones de la cámara 20 de susceptor y permiten vigilar la temperatura circundante durante el calentamiento y el enfriamiento de la cámara de susceptor. De preferencia los pirómetros 150 señalan al sistema de control 92, el cual usa las temperaturas detectadas para determinar cuando señalar al mecanismo izador 80 que comience a levantar la tapa 16. También están colocados en la cámara 20 del susceptor varios discos testigos 154, en diversos puntos por toda la zona caliente, antes de iniciar un ciclo del horno. Los discos testigos 154 proveen una determinación precisa de la máxima temperatura a la que ha sido expuesto cada disco. En una modalidad preferida, los discos testigos están formados de carbón, que queda grafitado durante la operación del horno. La máxima temperatura es determinada midiendo el tamaño de los cristalitos de grafito en los discos expuestos 154, y comparando las mediciones con las obtenidas de discos de muestra, calibrados con precisión. Están disponibles técnicas de difracción de rayos X para la determinación automática del tamaño de cristalitos, desde los patrones de difracción producidos. Se examinan los discos testigos 154 después que se opera el horno para revelar un patrón más detallado de distribución de temperaturas que el que se puede proveer mediante los pirómetros 150 solos. Adicionalmente, los discos 154 proveen una comprobación de los pirómetros 150, que tienden a perder su calibración con el tiempo, o a fallar completamente. Debido al bajo costo de los discos, y a la facilidad de uso, se pueden usar muchos más discos testigos de lo que es posible con los pirómetros. Los discos 154 son descartados después de cada operación del horno y reemplazados con discos nuevos. De preferencia se mantiene una base de datos para cada horno, para almacenar las lecturas de pirómetro y las mediciones de disco, y se la analiza para las tendencias. Los errores de pirómetro, los efectos finales sobre la bobina de inducción y las áreas deficientemente aisladas, pueden ser detectadas y corregidas en el curso de varios ciclos del horno. Una operación típica del horno es como sigue. Se cargan los artículos que van a ser tratados, tales como fibras de betún natural que van a ser convertidas a grafito, en uno o más de los receptáculos 32. Se cierran los receptáculos y se los coloca dentro de la cámara 20 de susceptor, junto con varios discos testigos 154 nuevos. Se maniobra el ensamble de enfriamiento, mediante un izador (no mostrado) situado adecuadamente, hasta que se asiente la pestaña 76 sobre la porción 78 de pared del horno. Se reemplaza la atmósfera dentro de la cámara 20 de susceptor y la cámara 64 de domo, con un gas inerte, a una presión positiva ligera. Se hace pasar continuamente el gas inerte a través de la cámara 20 durante la operación, por medio de líneas de alimentación de entrada y de salida (no mostradas). Se baja la tapa 16 mediante el accionador lineal 100, a la posición cerrada, en la cual la tapa cierra la cámara 20 del susceptor. Se comienza el flujo de agua de enfriamiento a través de los tubos de enfriamiento 54 (el enfriamiento del domo puede retardarse hasta un cierto tiempo posterior, antes de levantar la tapa 16). Se alimentan con energía las bobinas de inducción 30 para calentar el susceptor 10, llevando de esa manera la cámara 20 de susceptor a la temperatura de operación. Esto puede tardar de uno a dos días o más. Una vez que se alcanza la temperatura de operación, por ejemplo, 3,150°C, se mantiene la temperatura en la cámara 20 del susceptor a la temperatura de operación, durante un periodo de tiempo suficiente para lograr el nivel deseado de grafítación o para completar de otra manera un proceso de tratamiento. El sistema de control 92 emplea controles de realimentación, basados en mediciones de pirómetro, para accionar las bobinas de inducción 30, de acuerdo con las temperaturas detectadas. Una vez que se completa la fase de calentamiento, se desconecta la energía para las bobinas de inducción 30, y se comienza a enfriar el horno por conducción a través de la capa de aislamiento 58. Una vez que la temperatura de la cámara 20 del susceptor cae aproximadamente a 1,500°C, se dan instrucciones al accionador lineal 100 para que levante ligeramente la tapa 16, hasta una posición abierta, que permita que el gas caliente dentro de la cámara 20 del susceptor, se mezcla con el gas más frío dentro de la cámara 64 de domo. Cuando la temperatura dentro de la cámara de susceptor cae adicionalmente, el accionador 100 levanta la tapa 16 adicionalmente alejándola de la cámara, lo que aumenta el tamaño de la abertura 82, de modo que se puede mantener la velocidad máxima de enfriamiento, sin sobrecalentar la cámara 64 de domo. Por debajo de alrededor de 1000°C, los pirómetros 150 de preferencia son reemplazados por termopares. Una vez que la cámara 20 del susceptor alcanza una temperatura baja adecuada, se retira el ensamble de enfriamiento 60 o se abre de otra manera a la atmósfera, por ejemplo, abriendo válvulas (no mostradas) en el domo 62. El enfriamiento mejorado provisto por el ensamble de enfriamiento 60, la capa 40 de barrera de grafito flexible, y la vigilancia precisa de temperatura, provista por los discos testigos 154 descritos, todo contribuye a mejorar la operación del horno. Se mejora significativamente la vida del susceptor mediante el uso del grafito flexible. Las pruebas en las que una pared del susceptor se protegió mediante grafito flexible, mientras que otra parte se dejó sin proteger, mostraron diferencias visibles en el espesor de cada una de esas partes del susceptor, después de únicamente un periodo de tiempo breve. Se ha encontrado que los hornos que operan a más de 3,000°C tardan por lo menos cuatro a cinco veces más entre los reemplazos de susceptor, que los hornos convencionales, que operan sin la capa de barrera de grafito flexible 40. El horno de inducción es adecuado para operación prolongada a temperaturas de operación de hasta 3,150°C, lo que no había sido posible con los homos de inducción previos. Se apreciará que, si bien se ha descrito el ensamble de enfriamiento con referencia a un horno de inducción, el sistema de enfriamiento también puede ser empleado para enfriar otros tipos de hornos, que operan a temperaturas altas. Se ha descrito la invención con referencia a la modalidad preferida. Obviamente se les ocurrirán a otros modificaciones y alteraciones cuando lean y entiendan la descripción detallada precedente. Se pretende que la invención sea considerada incluyendo todas aquellas modificaciones y alteraciones que queden dentro del alcance de las reivindicaciones que vienen a continuación, o de sus equivalentes.

Claims (28)

REIVINDICACIONES

1. - Un homo, caracterizado porque comprende: un recipiente que define una cámara interior para recibir artículos que se van a tratar; medios para calentar el recipiente; una tapa que cierra selectivamente la cámara interior del recipiente; y un ensamble de enfriamiento, que incluye: un domo, que define una cámara; y un mecanismo izador que levanta selectivamente la tapa, permitiendo que fluya gas caliente desde la cámara interior del recipiente, hacia el domo.

2. - El horno de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el domo es montable selectivamente sobre el recipiente.

3. - El horno de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el mecanismo izador incluye un accionador lineal.

4. - El horno de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el accionador lineal está conectado operativamente con la tapa mediante una barra izadora.

5. - El horno de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el extremo inferior de la barra izadora está montado para moverse verticalmente dentro del domo, y el accionador lineal es llevado por el domo.

6. - El horno de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el mecanismo izador mueve la tapa entre una primera posición, en la que la tapa cierra la cámara interior del recipiente, y una segunda posición, en la que la tapa está en posición dentro de la cámara del domo.

7. - El horno de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la cámara de domo es capaz de mantener una presión positiva de un gas inerte.

8. - El horno de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye: medios de enfriamiento para enfriar activamente el domo.

9. - El horno de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque los medios de enfriamiento incluyen serpentines de enfriamiento montados en una superficie del domo, a través de los cuales se hace pasar un fluido de enfriamiento.

10. - El horno de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque incluye adicionalmente: un detector de temperatura, que vigila la temperatura del domo.

11. - El horno de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque los medios de calentamiento incluyen una bobina de inducción, y el recipiente incluye un susceptor; induciendo la bobina de inducción una corriente en el susceptor, para calentar el susceptor.

12. - El horno de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque el domo está formado de un material no magnético.

13. - El horno de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque el susceptor está formado de grafito; incluyendo adicionalmente el horno de inducción: una capa de grafito flexible, exterior respecto al susceptor, que inhibe el escape de vapor de carbón que se ha sublimado del receptor.

14. - Un ensamble de enfriamiento para un horno de inducción, caracterizado porque comprende: un domo que define una cámara interior; medios de enfriamiento para enfriar el domo; medios para proveer selectivamente comunicación de fluido entre una zona caliente del horno de inducción y el domo; y medios para controlar los medios de comunicación de acuerdo con al menos uno de: la temperatura de la zona caliente; y la temperatura de la cámara interior.

15. - El ensamble de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque los medios de enfriamiento incluyen: serpentines de enfriamiento, a través de los cuales se hace pasar un fluido de enfriamiento para enfriar eí domo.

16. - El ensamble de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque los medios para proveer selectivamente comunicación de fluido incluyen: un mecanismo izador, que mueve selectivamente una tapa del homo desde una primera posición, en la que la tapa cierra la zona caliente respecto a la cámara interior del domo; y una segunda posición en la que fluye gas caliente desde la zona caliente hacia el domo. 17.- Un horno de inducción, caracterizado porque comprende: un susceptor que define una cámara interior para recibir artículos que van a ser tratados; estando formado de grafito el susceptor; una bobina de inducción, que induce una corriente en el susceptor para calentar el susceptor; y una capa de grafito flexible, exterior al susceptor, que inhibe el escape de vapor de carbón que se ha sublimado, del susceptor 18. - El horno de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado además porque incluye adicionalmente: una capa de material de aislamiento en polvo, empacada alrededor de la capa de grafito flexible, que mantiene la capa de grafito flexible en contacto con el susceptor. 19. - Un método para operar un horno, caracterizado porque comprende: calentar los artículos que van a ser tratados, en una primera cámara que contiene un gas; enfriar activamente una segunda cámara que contiene un gas; siendo conectable selectivamente de manera fluida la segunda cámara con la primera cámara; después del paso de calentar, enfriar la primera cámara conectando selectivamente de manera fluida la primera cámara con la segunda cámara, de manera que se permita que fluya calor desde el gas de la primera cámara, al gas de la segunda cámara. 20. - El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque incluye adicionalmente: detectar una temperatura de la segunda cámara; y controlar el tamaño de una abertura entre las cámaras primera y segunda, para asegurar que la temperatura de la segunda cámara permanezca por debajo de un nivel preseleccionado. 21.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque incluye adicionalmente: antes del paso de calentar, colocar discos testigos en la primera cámara; y después del paso de enfriar la primera cámara, retirar los discos testigos y examinar los discos para determinar una temperatura máxima a la que se expuso cada uno de los discos durante el paso de calentamiento. 22. - El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el paso de calentar incluye calentar la primera cámara a una temperatura de por lo menos 3,000°C. 23. - El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque el paso de calentar incluye: calentar la primera cámara a una temperatura de por lo menos 3,100°C. 24. - El método de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado además porque incluye, antes del paso de calentar: rodear una pared de la primera cámara, que está formada de grafito, con un material de grafito flexible, que inhiba la evaporación del grafito desde la pared, durante el paso de calentamiento. 25. - El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el gas en las cámaras primera y segunda es un gas inerte, a una presión positiva. 26. - El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el paso de enfriar la primera cámara incluye conectar selectivamente de manera fluida la primera cámara con la segunda cámara, cuando la temperatura dentro de la primera cámara cae aproximadamente a 1,500°C. 27. - El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el paso de conectar selectivamente de manera fluida la primera cámara con la segunda cámara, incluye: levantar una tapa que cierra selectivamente la primera cámara, para proveer una abertura entre las cámaras primera y segunda; siendo ajustable el tamaño de la abertura subiendo o bajando la tapa. 28. - El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque incluye adicionalmente: montar un domo sobre la primera cámara, para sellar la primera cámara con respecto al entorno ambiental; definiendo el domo la segunda cámara, y estando separado de la primera cámara por una tapa; el domo lleva un mecanismo izador que levanta selectivamente la tapa, lo que permite la comunicación de fluido entre la primera cámara y la segunda cámara, durante el paso de enfriamiento.