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Luftgekühlte Spule für Induktionsöfen
Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte Spule für Induktionsöfen, die aus mehreren übereinander angeordneten Teilspulen aufgebaut ist.
Für das Erwärmen und Schmelzen von Metallen werden derzeit in steigendem Masse elektrische Induktionsöfen ohne Eisenkern verwendet, die nach dem Prinzip eines Lufttransformators ausgebildet sind.
Die wichtigsten Bestandteile dieser Öfen sind Induktionsspulen, welche die Energieübertragung in den zum Erwärmen oder Schmelzen bestimmten Einsatz vermitteln und mit Strom von Netzfrequenz oder einer höheren Frequenz gespeist werden.
Die Konstruktion dieser Spulen ist derzeit im wesentlichen bei allen Fabrikaten dieselbe. Die Spule wird aus einem hohlen, aus Kupfer bestehenden profilierten Leiter mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt gewickelt. Sie wird einlagig gewickelt und bildet einen Zylinder, wobei durch den Hohlraum des Leiters das Kühlwasser durchströmt. Die einzelnen Windungen der Spule berühren einander nicht, so dass zwischen diesen Spulenwindungen jeweils ein Luftspalt freibleibt, der beim Trocknen der neu ausgebauten Auskleidung nötig ist. Die Windungen sind entweder isoliert, oder sie sind durch Isoliereinlagen, z. B. durch geklebte Glimmerplättchen, distanziert.
Damit die zylindrische Spule mit isolierten Windungen einen festen Körper bildet, ist sie in ihrer ganzen Höhe durch ein Isolierband gesichert (durch Asbest oder Glasband an mehreren Stellen des Umfanges) ; bei nichtisolierten Spulen wird das gleiche Ziel durch axiales und radiales Zusammenziehen direkt im Ofen erreicht.
Diese Spulenkonstruktion wird durch. folgende Umstände begründet.
Die Mittelfrequenz-Stromquelle, die dem gegebenen Ofentyp angegliedert ist, besitzt eine so gewählte Spannung und Frequenz, dass das durch Berechnung bestimmte Leiterprofil und die Windungszahl eine einfache konstruktive Lösung ermöglichen. Zwischen den Windungen ist lediglich die Spannung einer Windung, es ergibt sich ein kleiner Spannungsgradient in der Windungslücke, wodurch die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Windungen vermindert wird. Allerdings kommen derartige Kurzschlüsse dennoch vor, namentlich bei Spulen mit nichtisolierten Windungen.
Es sind auch Hochfrequenz-Schmelzöfen bekannt, welche in mehrere Arbeitszone unterteilt sind.
Jede Zone ist von einer Induktionsspule üblicher Bauart umgeben, wobei diese Spulen stufenweise in Serie an die Stromquelle geschaltet werden können. Ferner ist bereits einespulenkonstruktion bekanntgeworden, die in einem bestimmten Umfange eine Änderung des Querschnittes des Spuleninnenraumes, in welchem sich das zu erwärmende Gut befindet, ermöglicht. Es werden weiters Hochfrequenz-Induktionsöfen mit mehrlagigen Spulen hergestellt, deren Primärwicklung in zwei oder mehrere hochkant gestellte, voneinander isolierte Bänder von geringer Dicke unterteilt ist oder es werden wassergekühlte Spulen verwendet, die mittels eines dünnen, bandförmigen Leiters gebildet sind, dessen Breite der axialen Länge der ganzen Spule gleich ist.
Nachteile dieser Spulen sind, dass die Stromdichte sehr gross ist, bei Schmelzöfen z. B. über 50 A/mm. so dass sich grosse Verluste ergeben. Der elektrische Wirkungsgrad der Spulen von Öfen für Stahlschmelzen bewegt sich in den Grenzen von 70 bis750/0. Das bedeutet, dass ungefähr ein Viertel der Mittelfiequenzenergie, die an den Spulenklemmen zugeführt wird, in Joule'sche Wärme überführt wird, die durch das den Hohlraum der Spule durchfliessende Kühlwasser abgeführt wird.
Die Gegenwart des Wassers in der
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bindungsblech 10 aus Kupfer angeschlossen, welches Kühlrippen 10 aus Kupferblech trägt und mittels eines flachen Glimmerrohres 12 elektrisch von den übrigen Windungen der Teilspule isoliert ist. Die Zahl und die Abmessungen der Kühlrippen sind so gewählt, dass die Erwärmung der äusseren Zylinderfläche der Teil- spule und der Kühlrippen ungefähr gleich ist. In diesem Fall überschreitet der maximale Wärmeabfall in 5 der Teilspule nicht den Wert von 300C. Ql sei die durch die Tiegelwand aus dem Einsatz in die Teil- spule durchtretende Wärme, Qzdiejoule'sche Wärme, die in einer Teilspulenwindung erzeugt wird.
Die ganze durch die Kühlluft aus der Teilspule abgeführte Wärme ist Q = Ql + nQz, wobei n die Zahl der
Teilspulenwindungen ist.
Der innere Anschluss 5 der Teilspule gemäss Fig. 2 ist ähnlich ausgeführt. wie es in den Fig. 4 und 5 für ) die Verbindung mit den Kühlrippen angedeutet ist.
Die mechanische Steifheit der ganzen Spule wird durch ähnliche Mittel erzielt wie bei normalen, durch Wasser gekühlten Einschichtspulen.
Falls E die an die Sammelschienen 2 angelegte Spannung ist, entfällt auf eine Teilspule die Spannung
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deren Anzahl r. (p-l) beträgt, ist gleich Null.
Da es bei der Spule zu keinem Feuchtwerden der Oberfläche durch Kondensation kommt und eine vollkommene Isolierung der T eilspulen durchgeführt werden kann, wird die Möglichkeit von Kurzschlüssen zwischen den Teilspulen benachbarter Zweige praktisch beseitigt.
Die erfindungsgemäss ausgeführte Spule besitzt die folgenden Vorteile :
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Es entfällt die Gefahr von Explosionen bei einem Durchschmelzen des Tiegels, denn das flüssige Metall kommt nicht in Kontakt mit Wasser. Es kann somit weder zu einer Vernichtung des Ofens, noch zu einer Gefährdung des Lebens der Bedienungspersonen kommen. Die Spule wird niemals überkühlt, sie ist im Gegenteil während des Betriebes immer sehr warm und es kann daher auch beim Austrocknen von neuen Tiegeln nicht zu einer Kondensation der Dämpfe kommen. Dadurch ist die grösste Gefahr von Überschlägen zwischen den Windungen bzw. Teilspulen der Induktionsspule behoben. Der Spulenleiter ist einfach, da übliche, flache Kupferleiter verwendet werden oder Leiter, die aus Kupferblech geschnitten werden und es entfallen teure, für die Erzeugung von hohlen Profilleitern erforderliche Werkzeuge.
Die Herstellung der Teilspulen ist einfach und billig, da der Leiter nicht im erwärmten Zustand gewickelt werden muss.
Die Spule wird Åaus völlig gleichen Elementen (T eilspulen) zusammengestellt, welche bei Beschädigung leicht ausgewechselt werden können. Es ist nicht nötig, eine ganze Spule in Reserve zu haben. es genügen einige Teilspulen.
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Air-cooled coil for induction furnaces
The invention relates to an air-cooled coil for induction furnaces, which is composed of several sub-coils arranged one above the other.
For the heating and melting of metals, electrical induction furnaces without an iron core, which are designed on the principle of an air transformer, are currently being used to an increasing extent.
The most important components of these furnaces are induction coils, which transmit the energy to the insert intended for heating or melting and are fed with electricity at a mains frequency or a higher frequency.
The construction of these coils is currently essentially the same for all makes. The coil is wound from a hollow, profiled conductor made of copper with a rectangular or oval cross-section. It is wound in a single layer and forms a cylinder, with the cooling water flowing through the hollow space of the conductor. The individual turns of the coil do not touch each other, so that an air gap remains between these coil turns, which is necessary when the newly removed lining dries. The turns are either insulated, or they are covered by insulating inserts, e.g. B. by glued mica plates, distanced.
So that the cylindrical coil with insulated turns forms a solid body, it is secured in its entire height by an insulating tape (by asbestos or glass tape at several points on the circumference); in the case of uninsulated coils, the same goal is achieved by axial and radial contraction directly in the furnace.
This coil design is made by. the following circumstances are justified.
The medium-frequency power source, which is attached to the given furnace type, has a voltage and frequency selected in such a way that the conductor profile determined by calculation and the number of turns enable a simple structural solution. There is only the voltage of one winding between the windings; there is a small voltage gradient in the winding gap, which reduces the risk of short circuits between the windings. However, such short circuits do occur, especially in coils with non-insulated turns.
High-frequency melting furnaces are also known which are divided into several working zones.
Each zone is surrounded by an induction coil of the usual type, and these coils can be connected in series to the power source. Furthermore, a coil construction has already become known which, to a certain extent, enables the cross-section of the interior of the coil in which the material to be heated is located to be changed. Furthermore, high-frequency induction furnaces with multi-layer coils are produced, the primary winding of which is divided into two or more edgewise, insulated strips of small thickness, or water-cooled coils are used, which are formed by means of a thin, strip-shaped conductor, the width of which corresponds to the axial length the whole coil is the same.
Disadvantages of these coils are that the current density is very high. B. over 50 A / mm. so that there are great losses. The electrical efficiency of the coils of furnaces for steel melts is in the range of 70 to 750/0. This means that about a quarter of the medium-frequency energy that is supplied to the coil terminals is converted into Joule heat, which is carried away by the cooling water flowing through the cavity of the coil.
The presence of water in the
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Binding sheet 10 made of copper connected, which carries cooling fins 10 made of copper sheet and is electrically isolated from the other turns of the coil section by means of a flat mica tube 12. The number and dimensions of the cooling fins are selected so that the heating of the outer cylindrical surface of the coil section and the cooling fins is approximately the same. In this case, the maximum heat drop in 5 of the sub-coil does not exceed the value of 300C. Let Ql be the heat that passes through the crucible wall from the insert into the coil section, Qzdiejoule heat that is generated in a coil section.
All the heat dissipated from the coil section by the cooling air is Q = Ql + nQz, where n is the number of
Partial coil turns is.
The inner connection 5 of the partial coil according to FIG. 2 is designed similarly. as indicated in FIGS. 4 and 5 for) the connection with the cooling fins.
The mechanical rigidity of the whole coil is achieved by means similar to normal, water-cooled single-layer coils.
If E is the voltage applied to the busbars 2, the voltage is not applied to a sub-coil
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their number r. (p-l) is zero.
Since the surface of the coil does not become damp due to condensation and the sub-coils can be completely isolated, the possibility of short circuits between the sub-coils of adjacent branches is practically eliminated.
The coil designed according to the invention has the following advantages:
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There is no danger of explosions if the crucible melts, because the liquid metal does not come into contact with water. The furnace cannot be destroyed or the lives of the operators are endangered. The coil is never overcooled; on the contrary, it is always very warm during operation and therefore the vapors cannot condense even when new crucibles dry out. This eliminates the greatest risk of flashovers between the turns or sub-coils of the induction coil. The coil conductor is simple, since conventional, flat copper conductors are used or conductors that are cut from copper sheet and there is no need for expensive tools required for the production of hollow profile conductors.
The production of the partial coils is simple and cheap because the conductor does not have to be wound when it is heated.
The coil is made up of completely identical elements (sub-coils), which can easily be replaced if damaged. It is not necessary to have an entire spool in reserve. a few sub-coils are sufficient.
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