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Ofen zum Schmelzen und Giessen unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ofen zum Schmelzen und Giessen unter Vakuum oder Schutzgasatmosphäre, bei welcher in einem um eine horizontale Achse kippbaren Ofenkessel ein Schmelztiegel fest eingebaut ist und die Gussform in einem anschliessenden, nicht kippbaren aber mit dem kippbaren Ofenkessel in Verbindung stehenden, ebenfalls evakuierten Behälter sich befindet, wobei das Abgiessen der Schmelze aus dem Tiegel durch Kippen des Ofenkessels über die hohl ausgebildete Kippachse erfolgt. Mit der Anlage nach der vorliegenden Erfindung können mehrere Schmelz- und Giessoperationen nacheinander ohne Unterbrechung des Vakuums durchgeführt werden. Das Schmelzen und Giessen unter Vakuum bringt bekanntlich viele Vorteile.
Im Vaknum können Metalle und Legierungen höchster Reinheit hergestellt werden, da jede störende Atmosphäre vermieden wird. Insbesondere sind es die in den Metallen gelösten Elemente Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff, welche die mechanischen Eigenschaften vieler metallischer Werkstoffe in unerwiinschter Weise beeinträchtigen. Man ist daher dazu übergegangen, Metalle nicht nur im Vakuum zu erschmelzen sondern auch im Vakuum zu vergiessen, um die neuerliche Aufnahme von Verunreinigungen, wie sie beim Abgiessen in normaler Atmosphäre eintreten würde, sicher zu vermeiden. Da auch Massenstähle mit Vorteil einer Vakuumbehandlung unterzogen werden, werden in steigendem Masse Grossanlagen gebraucht, welche imstande sein müssen, Chargen von z.
B. einer Tonne und mehr auf einmal zu erschmelzen und zu vergiessen.
Öfen, bei denen das Metall in induktionsbeheizten Tiegeln und unter Vakuum geschmolzen und anschliessend durch Kippen des Tiegels in eine ebenfalls im selben Vakuumkessel aufgestellte Giessform vergossen wird, sind bekannt. Bei diesen Öfen muss der Vakuumkessel natürlich so gross sein, dass Raum zum Schwenken des Tiegels zur Verfügung steht. In kleineren Anlagen spielt dieser Umstand noch keine ausschlaggebende Rolle und Öfen dieser Bauart haben sich bis zu Einsatzgewichten von einigen hundert Kilogramm bewährt. Bei grösseren Tiegeln aber, mit einem Fassungsvermögen von beispielsweise einer Tonne und mehr wird der benötigte Ofenraum sehr gross werden. Es muss dann ein grosses Kesselvolumen evakuiert werden, weiter sind grosse innere Oberflächen mit entsprechend starker Gasabgabe vorhanden.
Diese beiden Umstände erfordern sehr grosse Pumpleistungen und lange Pumpzeiten und machen so das ganze Verfahren unwirtschaftlich. ganz abgesehen vom hohen Materialaufwand und von den hohen Kosten für die Erstellung einer solchen Grossanlage. Daher haben Väkuumschmelzöfen mit kippbarem Tiegel für so hohe Einsatzgewichte bisher nicht befriedigt. Eine Möglichkeit zur Reduktion des Kesselvolumens bestünde darin, dass man einen feststehenden Tiegel verwendet und den Abguss durch den Tiegelboden durchführt, ähnlich wie es für Stopfenpfannen in der Stahlindustrie gebräuchlich ist. Hiefür wurde jedoch bis jetzt keine betriebssichere und universell verwendbare Lösung gefunden.
Vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, diese Schwierigkeiten zu überwinden und einen Vakuumofen für halbkontinuierliche Betriebsweise dadurch zu schaffen, dass die den Ofenkessel und den gesamten Behälter verbindende Hohlachse einen Innendurchmesser von über 300 mm aufweist und dass in der Hohlachse eine feststehende Gussrinne angeordnet ist, in die das Schmelzgut beim Kippen des Ofengehäuses aus dem Tiegel eingegossen wird und die es zur Gussform überleitet. Nach der Erfindung wird
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ZuleitungenOfenkessel l über den Rohrstutzen 3 in Verbindung steht. Der Vakuumraum 37 wird durch die Teile 38, 39 und 29 begrenzt.
Teil 38 ist an das Lagergehäuse 5 vakuumdicht angeflanscht. 40 bezeichnet einen Gusstrichter, der insbesondere für Güsse in schlanke Kokillen zweckmässig vorgesehen ist. Der Stutzen 35 steht über eine Leitung 41 und ein Ventil 42 mit einer Hilfsvakuumpumpe 43 in Verbindung. Die vorbeschriebene Giesseinrichtung ermöglicht den Wechsel der Giessformen ohne Unterbrechung des Vakuums. Beim Wechsel einer Form muss zuerst das Ventil 36 geschlossen, Luft oder Schutzgas in den Behälter 32 (über ein nichtgezeichnetes Flutventil) eingelassen werden und dann kann der Behälter 32 vom Stutzen 35 angeflanscht und weggefahren werden. Zweckmässig steht die neu anzuschliessende Gussform in einem gleich wie 32 gebauten ändern Behälter schon bereit, welcher dann an den Anschlussstutzen 35 herangefahren und angeschlossen wird.
Mit der Hilfspumpe 43 wird die Evakuierung des neu angeschlossenen Behälters durchgeführt. Wenn das Vakuum erreicht ist, kann das Ventil 36 geöffnet und die Verbindung mit dem schon unter Vakuum stehenden Ofenraum 1 hergestellt werden.
Der erfindungsgemässe Ofen ermöglicht ebenso leicht den Wechsel der Tiegel. Zu diesem Zweck ist unter dem Ofenkessel l eine hydraulische oder andere Hebevorrichtung 45 vorhanden. Mit dieser Hebevorrichtung kann das Bodenstück 7 mit dem daran befestigten Tiegel 8 nach Lösen der Verbindung mit dem Ofengehäuse la nach unten abgesenkt werden. Wenn das Bodenstück, wie in den Figuren gezeigt, fahrbar ausgebildet ist, kann es nach Absenken auf Flurebene und Lösen der Stromzuführungen 10 weggefahren und ein mit einem neuen Tiegel bestücktes, bereitstehendes anderes Bodenstück 7a (Fig. 2) an den Kessel angeschlossen werden.
Durch diese schnelle Auswechselbarkeit der Tiegel wird die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit der Anlage sehr erhöht, denn es lassen sich auf diese Weise nicht nur Tiegelreparaturen nahezu ohne Unterbrechung der laufenden Produktion durchführen, sondern es ist auch ein schnelles Umstellen auf verschiedene Schmelzen, die etwa ver"chiedene Tiegelmaterialien erfordern und die Anpassung an die jeweilige optimale Tiegelgrösse leicht möglich.
Damit das Bodenstück 7 mitsamt dem Tiegel 8 nach unten abgesenkt werden kann, muss, wie die Zeichnungen zeigen, zuerst die Rinne, die der Giessschnauze gegenübersteht und mit ihr beim Absenken sonst zusammenstossen würde, entweder etwas in Richtung nach der Platte 29 zurückgezogen oder etwas gedreht werden. Die Haltevorrichtungen für die Rinne, die dieses Zurückziehen oder eine gewisse Verdrehbarkeit gestatten, sind leicht auszubilden. Man kann aber auch die Rinne starr einbauen, muss aber dann bei Vertikalbewegung des Tiegels denselben zuerst um seine vertikale Tiegelachse mitsamt dem gelösten Bodenstück etwas drehen. so dass die Tiegelschnauze beim Absenken nicht mehr mit dem Rinnenrand zusammenstösst.
Bei vorbekannten Öfen mit einem an einer Achse befestigten kippbaren Tiegel war der Wechsel der Tiegel sehr umständlich, weil erst die kompliziert ausgeführte elektrische Isolation der Stromzuführung über die Achse zum Tiegel gelöst werden musste. Beim erfindungsgemässen Ofen dagegen sitzt der Tiegel 38 fest auf dem Bodenstück 7 auf. Bei Übertragung grosser Leistungen ist es unter Umständen, um die elektrischen Verluste und den Materialaufwand für die Zuleitungen herabzusetzen, vorteilhaft, wenn eine hohe Spulenspannung gewählt werden kann, bei der an sich im Vakuum die Gefahr von Überschlägen besteht, die nur'dadurch vermieden werden kann, dass alle spannungsführenden Teile gegen den Vakuumraum dicht isoliert sind.
Bei den vorbekannten Öfen mit kippbarem Tiegel musste die isolierte Stromzuführung drehbar im Kessel angeordnet werden und es war notwendig, beim Auswechseln des Tiegels, das gemeinsam mit der Induktionsspule erfolgt, die im Vakuumraum befindlichen Stromanschlüsse zur drehbaren koaxialen Stromzuführung zu lösen. Bei der erfindungsgemässen Ausführungsform dagegen kann die Stromzuführung fest in die Wandung des Vakuumkessels eingebaut werden, so dass beim Auswechseln des Tiegels nur äussere, nicht im Vakuumraum befindliche Anschlüsse 10a zur Stromzuführung gelöst werden müssen. Hiedurch ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung und Erhöhung der Betriebssicherheit, auch wenn hohe Spannungen angewendet werden.
Es sei noch auf folgende Einzelheiten eines erfindungsgemässen Ofens hingewiesen. Der feste Aufbau des Tiegels auf dem Boden des Ofenkessels lässt es zu, den Tiegel aussen mit magnetischen Jochen 46 zu versehen, die am einfachsten durch Blechpaket aus magnetisch weichem Material z. B. Dynamoblech, die ringsherum an den Tiegelwänden und am Tiegelboden angeordnet sind, gebildet werden. Dadurch wird das magnetische Streufeld ausserhalb der Spule stark verringert, was wiederum einen geringeren Durchmesser des Kessels 1 erlaubt ohne dass die Wirbelstromverluste in den metallischen Kesselwänden unzulässig gross werden. Solche magnetische Joche, die für feststehende Tiegel allgemein bekannt sind, lassen sich bei kippbaren Tiegeln kaum verwenden, da dadurch die zu manipulierenden Gewichte unpraktisch gross werden.
Der feststehende Aufbau des Tiegels, den die erfindungsgemässe Konstruktion zulässt, bringt auch
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sonst eine Reihe beachtlicher Vorteile gegenüber kippbaren Tisgeln. Bei kippbaren Tiegeln muss der Rah- men der Tiegelhalterung sehr stabil aufgebaut sein, damit beim Bewegen desselben nicht elastische Deformation de : Halterahmens mechanische Spannungen auf den sehr empfindlichen keramischen Tiegel. übertragen, was sehr leicht zu Tiegelrissen oder gar Brüchen führen kann. Da überdies wegen der Wärmeausdehnung der Tiegel nicht starr gehaltert sein darf, dennoch aber gut abgestützt sein muss, muss bei Öfen mit kippbaren Tiegeln eine sorgfältige Abstützung mit Asbestzement u. dgl. Isolierstoffe vorgenommen werden.
Beim vorliegenden Ofen dagegen bietet das magnetische Joch zugleich eine sehr stabile Abstützung der Spule, die jedoch der Wärmeausdehnung Spiel gewährt, wobei Asbest und ähnliche im Vakuum nicht gern gesehene, weil stark Gas abgebende Stoffe vermieden werden können.
Der erfindungsgemässe Ofen kann ohne jede Änderung des Aufbaues wahlweise unter Vakuum oder mit Schutzgasatmosphäre betrieben werden. Infolge des kleinen Kesselvolumens ist der Aufwand für die Fül-
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Betracht gezogen werden kann. Es ist oft von Interesse beim Giessen in Sandformen, welche wegen ihrer
Porosität bzw. wegen des sich daraus ergebenden starken Gasgehaltes und starker Gasabgabe die Herstel- lung eines Vakuums sehr erschweren.
Es ist auch ohne Abänderung des Ofens ein ; Arbeitsweise möglich, bei der das Schmelzen in Schutz- gasatmosphäre bei geschlossenem Schleusenventil 36 erfolgt, das Abgiessen dagegen in Luft. Zum Ab- giessen wird in diesem Falle das Ventil 36 geöffnet (wobei eine nur geringe Menge Schutzgas aus dem Ofen entweicht) und das Schmelzgut wird alsdann über den Trichter 40 in die in freier Atmosphäre stehende
Gussform 25 abgegossen. Während des Giessens schliesst der Gie'3strahl beim Durchgang durch den Trichter die Ofenschutzgasatmosphäre gegen die Aussenluft hermetisch ab. Wenn der Fallweg zwischen der Mün- dung des Giesstrichters und der Gussform 25 entsprechend kurz (kürzer als in den Figuren schematisch ge- zeigt) ausgebildet wird, ist Keine nennenswerte neuerliche Sauerstoffaufnahme des Giessstrahls aus der
Luft zu befürchten.
Da beim Giessen in Luft das Vorevakuieren der Behälter 32 entfällt, kann bei rasch i hintereinanderfolgenden Abgüssen in mehrere Gussformen wesentlich an Arbeitszeit eingespart werden.
Eine weitere Möglichkeit der Abkürzung der Arbeitszeiten ist gegeben, wenn die Heizvorrichtung für die Giessrinne so ausgebildet wird, dass der Heizkörper 27 wahlweise aus der Heizzone in eine Kühl- zone zurückgezogen werden kann, um ihn schneller abkühlen zu lassen, bevor der Ofen geöffnet wer- den kann. Die Möglichkeit des Zurückziehens des Heizkörpers aus der Giessrinne hat den weiteren Vor- teil, dass mit Sicherheit vermieden wird, dass er beim Giessen durch Spritzer aus der Schmelze beschädigt werden kann.
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gen 10 nicht einfach flexible Zuleitungskabel zu verwenden (was möglich wäre), sondern massive Stroir- leiterschienen entsprechender Breite, die an der Aussenwand des Ofenkessels befestigt sein können und die zu Kupferringen an der Aussenseite der Kippachse führen, wie die Zeichnungen zeigen.
Die Generator- leitungen sind ebenfalls mit Kupferringen verbunden, die den erstgenannten Ringen gegenüberstehen und zwischen den Ringen sind ähnlich wie bei einem Kugel-oder Rollenlager kontaktgebende Kugeln bzw.
Rollen angeordnet, über die die Stromübertragung von den Speiseleitungen zu den Stromzuführungsschie- nen am Kessel erfolgt. Auf diese Weise können auch sehr starke Ströme und hohe Leistungen betriebs- sicher übertragen werden. Diese Anordnung hat weiter den Vorteil, dass in jeder beliebigen Schwenklage des Ofenkessels der Strom eingeschaltet bleiben kann. Diese Möglichkeit ist wichtig, da es beim Schmel- zen oft darauf ankommt, auch während des Vergiessens, also in gekippter Tiegelstellung nachzuheizen oder den Tiegel unter Heizen auch nach der andern Seite schwenken zu können, um Krusten an den Wän- den, die sich häufig bilden, abzuschmelzen.
Grundsätzlich ist die Erfindung bei Öfen beliebiger Grösse realisierbar. Ihr wichtigstes Anwendungs- gebiet liegt jedoch, wie schon eingangs erwähnt, bei den Grossanlagen, da vor allem bei diesen die
Schwierigkeiten einer stabilen Tiegelhalterung bei Öfen vorbekannter Bauart nahezu unüberwindlich wer- den.
Bei diesen grossen Anlagen müssen auch die Pumpleitungen entsprechend dimensioniert werden ; vor- zugsweise wird die vorliegende Erfindung bei Vakuum-Grossanlagen angewendet, bei denen die Pump- 0 leitung, hier also der Stutzen 2 und 3 in den Figuren einen Durchmesser von wenigstens 300 mm oder mehr besitzen, so dass Pumpen sehr hoher Saugleistung von beispielsweise einigen tausend Litern pro Sekunde angeschlossen werden können und in den Stutzen 2 und 3 so viel Raum zur Verfügung steht, dass die Giess-
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Möglichkeit der MaterialzugabeVakuum-Schmelz-und-Giessanlage wird durch die bewusste Verwendung von Ringdichtungen sehr grosser Durchmesser ermöglicht.