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Induktionsschmelzofen.
Die Erfindung bezieht sich auf verschiedene Bauformen und Einzelheiten von Induktionsschmelzöfen, die den guten und störungsfreien Ofenbetrieb sichern sollen.
Ein Ausführungsbeispiel des Ofens nach der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht. In Fig. 1 ist a die primäre Wicklung, b die sekundäre Windung des Erregertransformators, c der nötigenfalls unterteilte Transformatoreneisenkörper, d der Eisenblechkörper des Ofentransformators, e dessen primäre Windung, f die das Schmelzbad bildende sekundäre und k eine beliebige Kühleinrichtung, z. B. Kuhlfahnen, Luft- oder Flüssigkeitskühlung, um die leitenden Verbindungen zwischen Erregerund Ofentransformator kurzhalten zu können, ohne die Wicklung des Erregertransformators durch übergeleitete Wärme zu gefährden.
Um die Streuung möglichst herabzusetzen, wird die primäre Windung e so gestaltet, dass sie die sekundäre f möglichst vollständig umschliesst (Fig. 2) ; bei einem Ofen mit horizontaler Schmelzrinne wird sie beispielsweise mit U-förmigem Querschnitt ausgeführt, sie bildet dann zugleich eine feste Stampfform für den Schmelzherd.
Eine fast vollkommene Unterdrückung der Streuung erfolgt weiters durch möglichst vollkommene Umschliessung des sekundären Schme'2 : bades. Gemäss Fig. 4, von welcher Fig. 3 einen Horizontalschnitt nach y-z zeigt, ist die primäre Windung beispielsweise aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt.
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Verbindungsstück zwischen den beiden Primärrohren , e2. An einer Stirnseite des den sekundären Leiter bildenden Schmelzbades f schliesst sich das Schmelzgefäss i an. Das Transformatoreisen d kann aus einfachen ringförmigen Blechen hergestellt sein, welche dicht oder mit einem bestimmten Abstand über die primären Rohre el, d2 geschoben sind.
Da diese ringförmige Ausbildung des Primärleiters nur innerhalb der Rohre ein schwaches sekundäres Streufeld aufkommen lässt, aussen jedoch vollkommene Feldlosigkeit herrscht, so bleibt ein meüdiches Streufeld nur noch an den Stirnseiten bestehen, die ausserhalb des aktiven Eisens liegen, ähnlich wie bei den Wickelköpfen von elektrischen Maschinen. Erfindungs. gemäss werden daher die vollkommen umschlossenen Teile der Leiterstrecke des Schmelzbades möglichst lang im Verhältnis zu den weniger gut umfassten Teilen (Stirnverbindungen) gemacht, wodurch eine langgestreckte Bauart des Ofens entsteht.
Um auch die Induktivität der starken primären Leitungen zwischen Transformator und Ofen zu verringern, werden dieselben möglichst über die ganze Länge ineinander geschaltet, also bifilar geführt.
Zur Vermeidung der dynamischen Abschnürung des flüssigen Leiters (Pincheffekt nach Hering) wird neuerdings eine senkrechte Anordnung der Stromschleife bevorzugt und das Sammelgefäss oben angeordnet (Fig. 4). Dann ist zur Entleerung des Ofens eine Drehung um eine horizontale Achse notwendig.
Das bedingt nun ziemlich lange, umständlich geführte Stromzuführungen zum Erregertransformator, etwa flexible Bänder. Diese Schwierigkeit wird nun erfindungsgemäss dadurch umgangen, dass der Erregertransformator fest mit dem drehbaren Ofen verbunden ist und mit demselben gekippt wird. Der Erregertransformator kann dabei eventuell als Gegengewicht zum Ofen angeordnet werden, um die Drehung des Ofens zu erleichtern. Ferner kann nach der Erfindung die Welle selbst als Stromzuführung benutzt werden.
Sie wird aus zwei voneinander isolierten Teilen M'i, von halbrundem Querschnitt gebildet (Fig. 5,6 und 7), so dass der Strom in der einen Hälfte dem Ofen zu-und in der andern abfliesst,
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wodurch sich gegenseitig fast vollkommen aufhebende Felder entstehen und der induktive Spannungsabfalls in den kleinstmöglichen Grenzen gehalten wird.
In Fig. 6 und 7 bezeichnen u, v zwei feststehende Erregertransformatoren. Einer ist links und der andere rechts vom Ofen angeordnet und beide bilden gleichzeitig Lagerböcke für die Welle w."w"um die der Ofen kippbar ist. Der Erregerstrom wird von u zugeführt und fliesst auf der einen Wellenseite Wl dem Flansch g2 zu, von dort in das primäre Rohr e2 hinüber durch das U-förmige Verbindungsstück h nach dem Rohre e1 in den Flansch g1 und von dort durch die Wellenhälfte W2 zurück nach den beiden Transformatorenwicklungsenden v. Ersichtlich ist durch die geschilderte Anordnung überall eine gute elektrische und magnetische Verkettung vorhanden.
Das nicht verkettete eigentliche Schmelzbad im Sammelgefäss i bietet infolge seines grossen Querschnittes den umlaufenden Streulinien einen langen Weg, so dass die Streuung hier nicht sehr ins Gewicht fällt. Die Folge davon ist ein bisher nicht erreichbar hoher Leistungsfaktor, der es ermöglicht, bedeutend grössere Ofeneinheiten als bisher zu bauen und mit normalen Frequenzen zu betreiben.
Die beschriebene Bauart bietet aber auch ofentechnisch erhebliche Vorteile. Durch die vollkommene Einkapselung des Ofenfutters in gleichzeitig als Leiter dienende Rohre wird eine hohe Festigkeit des ganzen Ofens erzielt, da die Rohre beim Ausstampfen mit feueifester Masse eine geeignete Fassung für die Wärmeisolierung darstellen. Ferner wird hiedureh der Aufbau des Ofens aus mehreren Einzelteilen möglich, die für sich einzeln fertiggestellt werden können. Die Fugen werden in bekannter Weise beim Zusammenbau gedichtet und die Teile durch feste oder elastische Verschraubung zusammengehalten.
Damit die durch verschiedene Längenausdehnung bei der Erwärmung auftretenden mechanischen Spannungen sich ausgleichen können, werden die Primärrohre und deren Endflansche nach der Erfindung derart verbunden, dass die Kontaktflächen gegeneinander eine Längsversehiebung ausführen können, was für den Trocken-und Anheizprozess wichtig ist. Um einen sicheren Kontakt zwischen den Rohren e, % und den Flanschen gl, g2 zu erzielen, sind die Rohre an den Enden mit Schlitzen s versehen (Fig. 5), so dass einzelne federnde Lappen entstehen, die gegen die Innenfläche der Flanschen g drücken und durch Schrauben festgezogen werden können, sobald die Beharrungstemperatur des Ofens erreicht ist.
Um
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ferner die Kontaktstellen durch flexible Verbindungen zusammengeschlossen werden.
Die Erfindung betrifft ferner die besondere Ausgestaltung der Kontakte zwischen Welle und Transformatoren. Um einen hohen Kontaktdruck zu erzielen, der für den guten Stromübergang wichtiger ist als die Grösse der Kontaktflächen, ist an den als Lager ausgebildeten Sekundärlappen der Erregertransformatoren u, v eine leicht lösbare Klemmvorrichtung I, m, n (Fig. 7) vorgesehen. An den Lappen von u angreifende Traversen I sind durch Lenker m derart mit einem Exzenterhebel n verbunden, der auf den Lappen von v wirkt, dass beim Drehen des Hebels n die beiden Lappen genähert und gegen die Welle Wl, W2 gepresst werden.
Zwischen der einen (oder beiden) Traverse l, il und den Wicklungsenden von u bzw. v liegt eine dünne feste Isolierschichte, um Kurzschluss zwischen u und v zu vermeiden. Die Unterteilung der Sekundären der Transformatoren u, geschieht hier nicht nur zum Zwecke der Kühlung und bequemeren Herstellung, sondern soll auch eine gleichmässige Stromverteilung über einen grösseren Querschnitt bewirken, um lokale Überhitzung Z ! i vermeiden.
Ferner wird eine gegenseitige Verriegelung zwischen Sekundär-und Primärstromkreis mit dem Endzweekvorgesehen, um bei Drehung des Ofens einen Kurzschluss an der zweiteiligen Welle zu verhindern.
Das geschieht durch Anordnung eines Primärkontaktes o an der Welle wl, ? ; :, welcher im Betrieb einerseits mit dem festen Gegenkontakt p, anderseits mit dem am Hebel n isoliert befestigten Kontaktstück q in Verbindung steht. Wird nun der Ofen gedreht, ehe die Kontakte zwischen u und Wl bzw. v und C2 gelockert sind, so wird der primäre Strom des Erregertransformators bei 1) oder y unterbrochen, bei rechtzeitiger Lösung mittels Handhebels jedoch selbsttätig am Kontaktstück q. In beiden Fällen wird auch die Sekundäre der Transformatoren u, v spannungslos.
Um das vorzeitige Kippen des Ofens überhaupt auszuschliessen, kann auch eine mechanische Verriegelung zwischen dem Hebel n und der Antriebsvorrichtung, die beispielsweise aus dem Ritzel r und Zahnsegment t besteht, vorgesehen werden. Sie besteht z. B. aus einer Klinke z, die durch den Lenker y so mit dem Handhebel n gekuppelt ist, dass bei angezogenen Kontakten zwischen u und v die Klinke in das Ritzel r oder Zahnsegment t eingreift, bei gelüfteten Kontakten dieses jedoch freigibt.
Für die Brauchbarkeit und Leistungsfähigkeit eines Schmelzofens ist bekanntlich die gute Dl ! rch- mischung des Schmelzbades von ausschlaggebender Bedeutung. Diese kann im vorliegenden Ofen aut verschiedene Weise erzielt werden. Nach der deutschen Patentschrift Nr. 385655 wird der Umlauf des Schmelzbades durch den Repulsions (Thomson) effekt erzielt, indem durch Verschieben der Primärspule eine Unsymmetrie zwischen Primär-und Sekundärleiter gebracht wird. Auf diese Weise werden örtliche Druckerhöhungen im Bad und Wirbel erzeugt, welche den Umlauf bewirken.
Bei dem Ofen nach der Erfindung wird ein ähnlicher Erfolg dadurch erzielt, dass ein passender Teil des Primärrohrquerschnittes stromlos oder die Stromdichte ungleich gemacht wird, sei es durch geeignete Ausschnitte ! Y. in den Rohren nach Fig. 8, sei es durch Veränderung des Kontaktdruckes an- einzelnen Schraubverbindungen der Flansche Yl bzw. Y2 mit den Rohren e, % oder durch geeignete Bohrungen oder Einschnitte, welche die
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Gleichmässigkeit des Strompfades stören. Die Aussparungen sind bei beiden parallelen Stromleitern eH e2 an derselben Seite angebracht, z.
B. rechts, wodurch ein Druck auf den Schmelzleiter f in der Pfeilrichtung entsteht (Fig. 8), was die Wilkung hat, als ob zur Erdschwere eine horizontale Komponente zugefügt wird, wodurch der Flüssigkeitsspiegel eine schräge Lage erhält. Würden diese Horizontalkomponenten an allen Punkten gleich gross und gleich gerichtet sein, so würde sich nur eine neue Gleichgewichtslage ergeben und das Schmelzbad nur durch die Koehwirbelbewegungin sprudelnde Bewegung kommen können, also entsprechend hohe Temperaturen erfordern. Die Zahl und Lage der Stellen mit geänderter Stromdichte werden deshalb so gewählt, dass möglichst grosse Unterschiede des Druckes und der Druckrichtung entstehen, wodurch eine kräftige Wirbelbewegung in einem einzigen Umlauf sinn hervorgerufen wird.
Im Schmelzofenbetriebe ist es oft erwünscht, stellenweise. stärkere oder schwächere lokale Wirbel entstehen zu lassen. Erfindungsgemäss wird das dadurch bewerkstelligt, dass der Primärleiter stellenweise mit dem sekundären Leiter gekreuzt wird (Fig. 9). Dadurch entstehen dicht neben der Kreuzung Drücke entgegengesetzter Richtung, die Wirbel und einen Umlauf im Bad hervorrufen (Fig. 10).
Infolge der bei langem Betrieb allmählich eintretenden Dehnungen usw. können leicht Undichtigkeiten an den Fugen entstehen. Um diese unschädlich zu machen und ein Ausfliessen des Metalls zu unterbinden, sind erfindungsgemäss metallene elastische Verteilerringe in den Fugen vorgesehen, die geeignet sind, durch die rasche Wärmeleitung aus dem ersten Durchbruchsmetallfaden so viel Wärme zu entziehen und zu verteilen, dass das Metall sofort erstarrt und eine Selbstdiehtung entsteht. Solche dübelartige Metallringe 1 oder Bleche (Fig. 11) können überall dort angeordnet sein, wo Rissbildung zu
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windung zu verhindern, können auch volle oder unterteilte Schutzzylinder 2 durch eine dünne Schichte von den Primäirohren isoliert vorgesehen sein.
Der vorstehend beschriebene Ofen, der mit zwei Rohren für einphasigen Wechselstrom bestimmt ist, kann in sinngemässer Abänderung auch mit drei Rohren für Drehstrombetrieb oder mit vier Rohren für Zweiphasenbetrieb eingerichtet werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Induktionsschmelzofen, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die den Erregerkreis speisenden Erregertransformatoren derart mit dem Ofen fest zusammengebaut sind, dass sie mit demselben geschwenkt werden können.