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Induktionsofenspule für Vakuumöfen
Bei Öfen zum induktiven Heizen unter vermindertem Druck mit im Ofen angeordneter Spule werden in bestimmten Druckgebieten Lichtbögen gezündet, sobald die SpuJenspannung über 130 - 250 V (je nach der Gasart) steigt. Dies führt einmal dazu, dass grosse Leistungen nur mit ausserordentlich hohen Stromstär- ken erreicht werden können. Schon ein kleiner Vakuumofen für das Schmelzen von 25 kg Stahl arbeitet bei 250 V Spulenspannung mit etwa 5 000 A, um 70 kW in den Ofen zu bringen. Zum Warmhalten einer
Vakuumpfanne für 50 t Stahl würde etwa eine Ofenleistung von 1000 kW nötig sein ; wollte man die Ofenspannung dabei auf 250 V beschränken, dann wären Ströme von der Grössenordnung 70000 A notwendig.
Das ist praktisch kaum durchführbar.
Anderseits können Lichtbögen im Vakuuminduktionsofen, die durch zu hohe Spulenspannung auftreten, zu Explosionen führen.
Die Zündung von Lichtbögen im Vakuumofen könnte vermieden werden durch Isolierung aller spannungsführenden Teile gegen das Vakuum. Das ist nur sehr schwer betriebssicher auszuführen. Diese Begrenzung der Ofenspannung auf 130 - 250 V macht den Betrieb von grösseren Vakuumöfen, z. B. zum Schmelzen von mehr als 1 t Stahl oder zum Warmhalten von mehr als 10 t Stahl, ausserordentlich schwierig. Die erfindungsgemässe Anordnung von Induktionsspulen für Vakuumöfen durchbricht diese Beschränkung und ermöglicht es, auch im Vakuum die Spulenspannung auf die bei offenen Öfen üblichen Werte von 1000 V und mehr ohne Lichtbogengefahr zu erhöhen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Induktionsspule für Vakuumöfen, in denen metallische Werkstoffe geschmolzen oder warmgehalten werden sollen und bei denen der Schmelztiegel zusammen mit der ihn umgebenden Induktionsspule in einem Vakuumkessel angeordnet ist. Die Erfindung macht es sich nun zur Aufgabe, die oben angeführte Beschränkung zu durchbrechen und zu ermöglichen, auch im Vakuum die Spulenspannung auf die bei offenen Öfen üblichen Werte von 1000 V und mehr ohne Lichtbogengefahr zu erhöhen.
Zu diesem Zweck kennzeichnet sich die Erfindung vor allem durch eine flüssigkeitsgekühlte metallische Hülle, welche ausschliesslich die Spule vakuumdicht umschliesst und quer zur induzierten Spannung geschlitzt ist, wobei dieser Schlitz mit einem elektrischen Isoliermaterial vakuumdicht abgeschlossen und der Raum zwischen Hülle und Spule auf einem andern (höheren) Druck als das Ofenvakuum gehalten ist.
Der Schlitz verläuft dabei vorzugsweise etwa in Achsrichtung der Spule. Seine Abdichtung kann durch beliebige Mittel erfolgen, wobei die Schlitzränder stumpf oder überlappend angeordnet sein können. Vorteilhaft besteht die Hülle der Spule aus unmagnetischem Metall oder einer unmagnetischen Metall- oder Stahllegierung.
Die Stromzuführungen zur Spule werden in einem (z. B. rohrförmigen) Ansatz der Hülle aus dem Ofenkessel herausgeführt, wobei der Ansatz dicht im Kessel gelagert ist. Dabei kann eine der Stromzuführungen mit der metallischen, geschlitzten Hülle verbunden werden, so dass diese die zweite Stromzuführung darstellt.
Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht in der Möglichkeit, die Induktionsspule aus Litzendrähten herzustellen. Hiedurch können die elektrischen Verluste im. Vergleich zu massiven Kupferleitun-
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metallische Behandlungsgut, z. B. geschmolzener Stahl, eine grössere Oberfläche im Vergleich zum Gewicht erhalten, als es bei normalen Induktionsofenschmelzen der Fall ist. Für diese Durchführung sprechen metallurgische Gründe, insbesondere die bessere Entgasung.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Beispiele noch näher erläutert werden. Dabei zeigen in der Zeichnung Fig. l einen Schnitt durch den Ofen nach der Linie A-A der Fig. 2, Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Ofen, Fig. 3 eine besondere Ausfüh- rungsform der Spule und Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Vakuum-Pfanne.
Gemäss denFig. 1 und 2 ist der Vakuumkessel 7 des Ofens zylindrisch mit der gleichen Achse wie die Spule 1 angenommen. Die Spule 1 mit ihren Stromzuführungen 4 ist vollkommen von der metallischen Hülle 2 bzw. 5 umgeben. Die Hülle 2 ist bei 3 so aufgeschlitzt, dass in ihr kein dem Spulenstrom entsprechender Strom fliessen kann. Wenn nun der Schlitz 3 ebenso wie die Durchführung 6 des Teils 5 der Hülle auch am Vakuumkessel 7 dicht, etwa mit Gummi- oder Silikondichtung, ausgeführt sind, dann lässt sich der Raum innerhalb des ofenkessels beliebig evakuieren. Dabei kann der Raum zwischen Hülle 2 und Spule 1 auf beliebigem Druck, z. B. 1 atm, gehalten werden. Die Spulenspannung kann also ebenso hoch wie bei offenen Öfen sein.
Da das elektromagnetische Feld der Spule 1 durch die geschlitzte Hülle 2 nicht wesentlich gestört wird, kann der Einsatz 8 so geheizt werden, als ob keine Hülle vorhanden wäre.
Die Spule selbst kann, wie üblich, aus Kupferrohr bestehen und mit Wasser gekühlt sein. Dadurch, dass bei der erfindungsgemässen Ausführung der Spule die Haiterung des Tiegels nicht mehr von der Spule selbst, sondern von der Hülle übernommen wird, kann der Spulenleiter auch aus Litze bestehen, die in einem Isolierschlauch geführt und mit einem Kühlmittel, z. B. Wasser, gekühlt werden kann. Die Hülle, insbesondere der Schlitz, wird zweckmässig auch, z. B. mit Wasser oder Öl. gekühlt.
Eine Stromzuführung 4 in Fig. 3 kann konzentrisch in der zylindrischen Hülle angeordnet sein. Die andere Stromzuführung kann an die metallische Hülle angeschlossen werden. Der Teil 5 der Hülle dient als Stromleitung durch das Vakuumgefäss nach aussen.
Zur leichteren Montage der Spule kann ein Teil der Hülle, z. B. der obere, ringförmige Abschluss, abnehmbar ausgeführt sein. Die Dichtung dazu kann eine Gummi- oder Klebdichtung sein. Der abnehmbare Teil der Hülle kann auch nach Montage der Spule mit dem andern Teil der Hülle verschweisst wer-
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durch die Öffnung eingeführt werden kann ; worauf die Einführungsöffnung nach Einführung der Spule abgedichtet oder verschweisst oder verlötet wird.
Fig. 3 zeigt als Beispiel eine Ausführungsform einer Induktionsspule zum Schmelzen von 500 kg Stahl im Vakuum. Ziffer 1 stellt die Spule dar mit einem Durchmesser von 70 cm, einer Höhe von 28 cm und
7 Windungen. Der Spulenleiter aus Kupferrohr mit der Wandstärke 2 mm und dem rechteckigen Querschnitt 38 x 8 mm ist mit einem 1 mm dicken Isolierschlauch überzogen. Die Spule 1 liegt so in der Hülle 2 aus. 3 mm starkem Messingblech, dass zwischen Spule und Hülle noch Raum für den Kühlwasserfluss ist, u. zw. an der dem Heizgut zugewandten Seite. Die Hülle 2 hat einen inneren Durchmesser von 68,6 cm bei einem äusseren Durchmesser von 72,4 cm, ihre Höhe ist 34 cm. An der Schlitzstelle 3 werden die beiden Seitenwandungen der Hülle gegen eine zwischen ihnen liegende Dichtung, z. B. aus Gummi, mit isolierten Schrauben angepresst.
Vom oberen Spulenende aus wird der Spulenleiter als Stromzuführung 4 nach aussen durch den rohrförmigen Ansatz 5 der Hülle 2 geführt. Das untere Spulenende wird leitend mit der Hülle 2 verbunden, so dass der Hüllenteil 5 als zweite Stromzuführung wirkt.
Der Anschlussteil 5 der Hülle 2 ist drehbar in einer Vakuumdichtung gelagert. Auf der andern Seite ist die Hülle mit einem Achsstummel 6 isoliert gelagert, ohne durch die Hülle des Vakuumofens hindurchzustossen.
Zur Halterung des keramischen Tiegels 7 hängt an der Hülle 2 ein Traggestell 14. Im Tiegel liegt das zu erwärmende bzw. zu erschmelzende metallische Gut 9, das beispielsweise einen Durchmesser von 56 cm und eine Höhe von 28 cm hat.
Wird die Spule an eine 1000 kHz-Anlage mit 900 V Spannung angeschlossen, dann nimmt der Ofen bei einem Strom von 6 000 A eine Wirkleistung von 480 kW auf.
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Pfanne zur Entgasung von 50 t Stahl im Vakuum, die durch eine erfindungsgemäss gestaltete Induktionsspulenanordnung beheizt werden kann. Dabei wird ein Temperaturverlust des Stahls bei der Entgasung verhindert und zugleich das Bad gerührt. Die Spule 1 mit 38 Windungen ausKupferrohr mit dem Querschnitt 50 X 20 mm und der Wandstärke 2 mm nimmt aus dem 50 HzNetz bei 2 000 V Spulenspannung bei einer Stromstärke von 4600 A eine Wirkleistung von 1700 kW auf. Der Innendurchmesser der Spule ist 250 cm, ihre Höhe 210 cm. Der Spulenleiter ist von einer 2 mm dikken Isolierschicht gegen das umgebende Kühlwasser getrennt.
Die Hülle 2'aus unmagnetischem Stahl mit
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einer Wandstärke von 5 mm hat innen einen Durchmesser von 246 cm, aussen von 257 cm und eine Höhe von 215 cm. Aus der Hülle führen zwei Rohre 5 die beiden Stromzuführungen 4 der Spule aus der Pfanne heraus. Ein weiteres Rohr 5'ermöglicht die Aufteilung des Wasserkreislaufs durch Spule und Hülle in zwei
Teile. Die Hülle ist an der Stelle 3 vollständig aufgeschlitzt, mit einer Dichtung versehen und elektrisch isoliert. Um die Stromaufnahme des Pfannengehäuses 9 zu vermindern, wird die Hülle mit der Spule von einer Anzahl von Paketen 10 aus Transformatorblech in L-Form umgeben. Die feuerfeste Auskleidung der Pfanne mit Magnesitsteinen 7 hat eine Wandstärke von 20 cm.
Unter dem nichtgezeichneten Stopfenausguss ist ein Stutzen mit Deckel 11 vorgesehen, um die Pfanne während der Entgasung dicht abzuschliessen.
Es kann auch mit mehreren Ausgüssen gearbeitet werden und im Vakuum in dicht angeschlossene Kokillen vergossen werden. Durch die Badheizung kann sehr langsam vergossen werden, so dass sehr lange Blöcke mit kleinem Querschnitt und stranggussähnlichem Gefüge erhalten werden. Die Kokillen können dazu wassergekühlt sein und über Schleusen an die Ausgussstutzen angeschlossen werden.
Den oberen Abschluss der Pfanne bildet ein Deckel, in dem Pumpstutzen, Zugabschleuse, Blase-, Mess- und Beobachtungseinrichtungen angebracht sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Induktionsofenspule für Vakuumöfen, in denen metallische Werkstoffe geschmolzen oder warmgehalten werden sollen und bei denen der Schmelztiegel zusammen mit der ihn umgebenden Induktionsspule in einem Vakuumkessel angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine flüssigkeitsgekühlte metallische Hülle, welche ausschliesslich die Spule vakuumdicht umschliesst und quer zur induzierten Spannung geschlitzt ist, wobei dieser Schlitz mit einem elektrischen Isoliermaterial vakuumdicht abgeschlossen und der Raum zwischen Hülle und Spule auf einem andern (höheren) Druck als das Ofenvakuum gehalten ist.