Niederfrequenz-Induktionsofen. Bei der üblichen Bauart der Nieder frequenz-Induktionsöfen mit im Querschnitt allseitig geschlossenen Schmelzrinnen sind diese Rinnen halbkreisförmig oder nach Art eines<B>U</B> bezw. <B>V</B> geführt, liegen in senkrech ten Ebenen und münden senkrecht in den Boden des Schmelzraumes ein. Diese Anord nung hat sich jedoch für die Zwecke des Schmelzens hochprozentiger Kupferlegierun gen, ferner beim Schmelzen von Eisen und Stahl als nachteilig herausgestellt, insbeson dere dann, wenn es sich um Öfen für grosse Schmelzleistungen handelte.
Bei diesen Öfen ist wegen der grossen Leistungen die Entfer nung von der Badoberfläche bis zum untern Scheitel der Rinnen sehr gross. Aus diesem Grunde wächst der hydrostatische Druck in der Rinne beträchtlich an, zumal das spezifi sche Gewicht des Schmelzgutes hoch ist.
Ausserdem ist die Auftriebsgeschwindigkeit gerade in den senkrechten und senkrecht ein mündenden Rinnen beträchtlich und führt in Verbindung mit dem hohen hydrostatischen Druck zu schneller Abnutzung der Binnen wandungen. Ausserdem ruft der starke Auf trieb lebhafte Bewegungen der Schmelze an der Badoberfläche hervor, wodurch sich Oxy dationsvorgänge,- verlustbringendem Ab brand einstellen. Will man mit Rücksicht auf diese Oxydationsvorgänge die Radober fläche möglichst klein halten, so muss .der Schmelzraum mit geringem Durchmesser und entsprechend grösserer Höhe ausgebildet wer den.
Dann nehmen aber der hydrostatische Druck und damit die Abnutzung der Binnen wandungen weiter zu.
Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man bereits Ofen benutzt, bei denen eine Schmelz rinne waagrecht oder annähernd waagrecht verläuft und waagrecht in die untere Seiten wand des Schmelzraumes einmündet. Bei die ser Ofenbauart sind der hydrostatische Druck und der Auftrieb geringer; es stellen sich jedoch neue Nachteile ein. So bedeutet es zu nächst einen Nachteil, dass die Schmelze nicht so gleichmässig wie bei Öfen mit senkrechten Rinnen durchmischt wird.
Bei diesen Öfen mündet nämlich die Schmelzrinne im Boden des Schmelzraumes ein, und es bildet sich eine starke, aufwärts gerichtete Strömung etwa in der Mitte des Schmelzbades aus, so dass alle Teile der Schmelze gleichmässig an der Badbewegung teilnehmen. Bei den Öfen mit einer waagrecht einmündenden Rinne tritt jedoch das geschmolzene Gut zunächst in waagrechter Richtung aus. Es wird dann durch thermischen Auftrieb senkrecht nach oben abgelenkt. Je nach der Geschwindigkeit des Austrittes aus der Rinne wird dabei das Schmelzgut entweder nahe der die Mündung enthaltenden Wandung emporsteigen oder auch mehr zur Mitte des Schmelzraumes hin.
Es kommt hinzu, da,ss lediglich das unmittelbar vor den notwendigerweise einseitig angeord neten Rinnenmündungen befindliche kältere Schmelzgut nach dem Austritt heissen Schmelzgutes in die Rinne nachdrängt, so dass die weiter von den Rinnenmündungen entfernten Teile der Schmelze nicht in den Umlauf des Gutes einbezogen werden. Bei der beschriebenen Bauart tritt daher einer der wichtigsten Vorteile des Induktionsofens mit senkrechten Rinnen, nämlich die Erzielung homogener Schmelzen durch intensive, dabei gleichmässige Durchmischung des Bades nicht mehr in Erscheinung.
Diese Erscheinung wirkt sich ganz besonders nachteilig aus, wenn, wie in der Eisengiesserei grosse Ofen leistungen und damit grosses Fassungsver mögen des Schmelzraumes verlangt werden. Dann ist nämlich die eine waagrechte Rinne nicht mehr imstande, den Schmelzgutumlauf in der erforderlichen Stärke und Gleich mässigkeit zu bewältigen.
Vorliegende Erfindung (Erfinder: Dipl.- Ing. Friedrich Essmann, Köln-Bayenthal) be zweckt nun, eine Ofenbauart zu schaffen, welche grosse Schmelzleistungen und dabei doch eine genügend lebhafte und über den gesamten Ofeninhalt gleichmässig verteilte Badbewegung ermöglicht, und betrifft einen Niederfrequenz-Induktionsofen mit in einen Tiegel wenigstens annähernd waagrecht ein mündenden, im Querschnitt ringsum geschlos- senen und von Primärspulen beeinflussten Schmelzrinnen,
bei welchem Ofen erfindungs gemäss mindestens drei Schmelzrinnen gleich mässig über den Umfang des Tiegels verteilt angeordnet. sind, wobei die Zahl der Primär spulen zum Zwecke der gleichmässigen Be- las tung eines Netzes mit mindestens drei Pha sen der Zahl der Phasen oder einem ganz- zahligen Vielfachen dieser Zahl gleich ist und jede der Phasen die gleiche Zahl von Primär spulen mit Strom versorgt.
Die Auftriebs strömungen von drei oder mehr Schmelz rinnen in Verbindung mit der gleichmässigen Verteilung auf dem Umfang des Schmelz raumes ergibt eine gute und vor allen Dingen gleichmässige Durchmischung des Bades, ohne dass deswegen der hydrostatische Druck in den Rinnen gesteigert werden müsste. Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes ist in den Fig. 1 und 2 der Zeich nung in einem Vertikalschnitt und in einem Horizontalschnitt dargestellt.
a ist der Schmelzraum (Tiegel), welcher nach der obern Öffnung hin verengt ist. b ist die feuerfeste Zustellung, welche in bekann ter Weise durch einen Mantel c aus Metall fest zusammengehalten ist. Der Ofenraum ist am obern Ende in bekannter Weise mit einer Giessschnauze d versehen.
Beim dargestellten Beispiel sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, gleichmässig über den Um fang verteilt, drei U-förmig gebogene Schmelzrinnen vorgesehen. Die bogenförmi gen Umkehrstellen der Rinnen sind mit f, die geraden und annähernd radial zur Mitte des Ofenraumes a verlaufenden Aste mit g, h bezeichnet. Mit Bezug auf eine Ebene, wel che durch die Mittelachse des Ofenraumes a und durch die Mitte des Kernes der zuge hörigen Primärspule hindurchgelegt ist, ist jede Hälfte der Rinnen<I>f, g,</I> h spiegelbildlich gleich ausgebildet.
Die Rinnenäste g, lt und ihre halbkreisförmig verlaufende Umkehr strecke f sind in seitlichen Ansätzen e der Zu stellung vorgesehen und haben geschlossenen Querschnitt. Etwa im Mittelpunkt des Um kehrbogens der Rinnen sind die Spulenkerne i der Primärspulen angeordnet. Oberhalb und unterhalb des seitlichen Ansatzes e sind die Enden dieses Kernes in bekannter Weise mit einem ringsum geschlossenen Joch p in Ver bindung gebracht.
Man kann aber auch mit tels der Rinnen je einen Eisenkern des Joches umschliessen lassen und die Spule ausserhalb des Ansatzes e auf einem Schenkel des Trans- formatorjoches anordnen. Jede der zu den Kernen i gehörenden Spulen soll an je eine Phase eines Drehstromnetzes angeschlossen werden.
Wie Fig. 1 erkennen lässt, liegen die Bah nen jeder Rinne <I>f, g, h</I> in einer nur sehr schwach gegen die Horizontale geneigten Ebene, das heisst der Neigungswinkel dieser Ebene zur Horizontalebene beträgt höch stens 10 Winkelgrade, so dass die Schmelz rinnen wenigstens annähernd waagrecht in den Tiegel a münden.
Die drei gezeigten Rinnen sind zudem so angeordnet, dass einander entsprechende Punkte der Rinnen<I>f, g, h</I> in derselben Hori zontalebene liegen.
Je nach der Austrittsgeschwindigkeit des Schmelzgutes wird das Gut entweder verhält nismässig nahe an der die Mündung enthal tenden Wandung emporsteigen, oder es wer den sich die aus den verschiedenen Rinnen auftretenden Ströme zur Ofenmittelachse hin zusammendrängen. Gegebenenfalls wird aber auch jede der aus den verschiedenen Rinnen entstammenden Strömungen in den Bereich zwischen den Wandungen des Schmelzraumes und der Ofenmittelachse für sich emporstei gen. In jedem Falle wird aber die Schmelze von mehreren aufwärts gerichteten Strömen mässiger Geschwindigkeit und gleichmässig durchsetzt.
Wenn (siehe Fig. 2) sowohl der lineare Abstand zwischen den Mittellinien des Ast paares g, h jeder in sieh geschlossenen Rinne an der Einmündestelle - er soll mit A be zeichnet sein - wie auch der Mittellinien- abstand zwischen den einander benachbarten geraden Strecken g, h zweier aufeinander folgender Rinnen<I>f, g, h,</I> an deren Einmünde stellen - er soll mit A' benannt sein gleich oder annähernd gleich, das heisst auf wenigstens<B>10%</B> des mittleren Abstandes gleich ist,
und wenn die durch die Mitte des Kernes i gelegte Verbindungslinie der End punkte jeder Umkehrstrecke f grösser ist als jeder der gleichen Abstände<I>A, A',</I> verlaufen die Äste g, h etwa radial zur Ofenraummitte und dann werden sich die Strömungen im Sinne der Symmetrie in bezug auf die Ofen mittelachse ausbilden und verteilen, woraus eine gleichmässige Verteilung der Badbewe- gung über den gesamten Ofeninhalt resultiert.
Die Schmelzrinnen können aber auch der art angeordnet sein, dass sie, statt auf gleicher Höhe, in zwei oder mehr Höhen liegen. In. gleicher Höhe befindet sich dann je eine Gruppe von wie in den Fig. 1, 2 angeord neten Rinnen. Auf diese Weise ist es mög lich, an dem gleichen Ofen eine erheblich grössere Anzahl von Schmelzrinnen anzuord nen und damit die Leistung wesentlich zu steigern.
Es ergibt sich eine besonders zweck mässige Ofenbauart im Hinblick auf die Unterbringung der Primärspulen, wenn von den in verschiedenen Höhen befindlichen Rinnen je eine Rinne die gleiche Primärspule umschliesst. Liegen die in den zwei oder drei verschiedenen Höhen befindlichen. Rinnen immer genau übereinander, so wird die Pri märspule senkrecht stehen; sind jedoch die Rinnen in den verschiedenen Höhen auf den Umfang des Ofens gegeneinander versetzt, so wird eine entsprechende Schrägstellung der Primärspulen notwendig.
Selbstverständlich wird man diese Schrägstellung nicht zu gross wählen. Es ist ferner eine Ausbildung des Ofens denkbar, bei welcher die Mündungen der Schmelzrinnen in verschiedener Höhe von seitwärts waagrecht oder höchstens in einem Winkel von 10 zur Horizontalen in den Schmelzraum einmünden und die Abstände der Rinnenmündimgen, im Grundriss gesehen, gleich wie in Fig. 1, 2 sind. In diesem Falle schneiden die die Schmelzrinnenachsen enthaltenden Ebenen die senkrechte Ofen mittelachse unter einem spitzen Winkel.
Die ser Winkel kann für jede Rinne gleich sein. Es ist zweckmässig, wenn bei einer solchen Neigung der Rinnenebenen die Schmelzrinnen in insgesamt zwei waagrechten Ebenen ein münden. Auch diese Bauart ermöglicht es, eine besonders grosse Anzahl von Rinnen auf dem Umfang des Ofens anzuordnen und damit dessen Leistung erheblich zu steigern. Auch dann, wenn die Mündungen jeder Rinne in verschiedenen Höhen von seitwärts in den Ofen einmünden, kann eine Primärspule von mehreren Schmelzrinnen umgeben sein.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Zahl der Schmelzrinnen drei oder auch ein Mehrfaches von drei beträgt und wenn gleich zeitig die Schmelzrinnen gleichmässig auf die Primärwicklungen und diese gleichmässig zwischen drei Phasenanschlüsse des Ofens verteilt sind. In diesem Falle werden näm lich die Vorteile der neuen Ofenbauart mit. den Vorteilen der gleichmässigen Phasenbe lastung verknüpft.
Wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, die bei den in den Ofenraum einmündenden Hälften jeder Rinne in bezug auf eine die Ofenmittel- achse enthaltende Ebene, im Grundriss ge sehen, spiegelbildlich gleich ausgebildet sind, beeinflusst jeder Ast der Schmelzrinne die Badbewegungen in gleicher Weise und gleich stark.
blan hat schon den Vorschlag gemacht, zwei waagrecht in den Ofenraum einmün dende Rinnen nebeneinander oder einander gegenüber anzuordnen und jede mit einer Pri märspule auszustatten. Auf diese Weise kön nen wohl grössere Schmelzleistungen erzielt werden, jedoch kann eine für grosse Ofen leistung völlig ausreichende und ausserdem sehr gleichmässige Badbewegung nicht ver wirklicht werden, weil dazu die Rinnen nach Zahl und Anordnung zu ungünstig ausge wählt sind. Ausserdem hat man die zwei Rin nen mittels der sogenannten Scottschen Schal tung an ein Drehstromnetz angeschlossen und musste damit eine sehr ungleichmässige Bela stung der drei Phasen mit allen ihren Nach teilen in Kauf nehmen.
Der dargestellte und beschriebene Induk tionsofen ist nicht nur hinsichtlich gleich mässiger Belastung aller drei Phasen und hin sichtlich der gleichmässigen Durchmischung der Schmelze vorteilhaft, sondern stellt auch in baulicher Beziehung eine glückliche Lö sung dar. Alle Teile sind zur senkrechten Ofenmittelachse hin orientiert. Das ermög licht die Unterbringung hoher Ofenleistungen in einer gedrängten, raumsparenden Bauart. Auch die Primärspulen sind gleichmässig über den Aussenumfang verteilt und können senk recht oder annähernd senkrecht angeordnet werden, so dass zunächst die unbedingt not wendige Kühlung der Spulen bis zu einem gewissen Grade durch natürliche Ventilation bewirkt wird.
Ausserdem bietet aber die neue Bauart auch noch hinreichend Platz zur An bringung von Kühlgeblüsen, eine Möglich keit, die beispielsweise bei Ofen mit senkrecht stehenden Rinnen nicht vorteilhaft gegeben ist, weil bei denselben die Primärspulen waagrecht angeordnet sind, was grosse seit liche Abmessungen und die Zuführung der Kühlluft von seitwärts bedingt.
Low frequency induction furnace. In the usual design of low-frequency induction furnaces with melt channels that are closed on all sides in cross section, these channels are semicircular or in the manner of a <B> U </B> or. <B> V </B>, lie in vertical planes and open vertically into the bottom of the melting chamber. However, this arrangement has proven to be disadvantageous for the purpose of melting high-percentage copper alloys, and also when melting iron and steel, especially when it comes to furnaces for high melting capacities.
With these ovens, the distance from the bath surface to the lower apex of the channels is very large because of the high performance. For this reason, the hydrostatic pressure in the channel increases considerably, especially since the specific weight of the melt is high.
In addition, the buoyancy rate is considerable, especially in the vertical and vertical channels opening into a channel and, in conjunction with the high hydrostatic pressure, leads to faster wear of the internal walls. In addition, the strong buoyancy causes vigorous movements of the melt on the bath surface, as a result of which oxidation processes occur - loss-making burning off. If one wants to keep the wheel surface as small as possible, taking into account these oxidation processes, the melting chamber must be designed with a small diameter and a correspondingly greater height.
But then the hydrostatic pressure and thus the wear and tear of the internal walls continue to increase.
In order to avoid these disadvantages, furnace has already been used in which a melting channel runs horizontally or approximately horizontally and opens horizontally into the lower side wall of the melting chamber. In this type of furnace, the hydrostatic pressure and the buoyancy are lower; however, there are new disadvantages. First of all, it means a disadvantage that the melt is not mixed as evenly as in furnaces with vertical channels.
In these furnaces, the melt channel opens into the bottom of the melting chamber, and a strong, upward flow is formed approximately in the middle of the melt bath, so that all parts of the melt evenly participate in the bath movement. In the case of furnaces with a horizontally opening channel, however, the molten material initially emerges in a horizontal direction. It is then deflected vertically upwards by thermal lift. Depending on the speed at which it emerges from the channel, the material to be melted will either rise near the wall containing the mouth or more towards the center of the melt space.
In addition, only the colder melt material located immediately in front of the channel mouths, which must necessarily be arranged on one side, pushes hot melt material into the channel after the outlet, so that the parts of the melt further away from the channel mouths are not included in the circulation of the material. With the design described, one of the most important advantages of the induction furnace with vertical channels, namely the achievement of homogeneous melts through intensive and even mixing of the bath, is no longer apparent.
This phenomenon has a particularly disadvantageous effect when, as in the iron foundry, large furnace outputs and thus large capacities of the melting chamber are required. Then the one horizontal channel is no longer able to cope with the circulation of the molten material in the required strength and evenness.
The present invention (inventor: Dipl.-Ing.Friedrich Essmann, Cologne-Bayenthal) is now intended to create a furnace design which enables high melting rates and at the same time a sufficiently lively bath movement that is evenly distributed over the entire furnace contents, and relates to a low-frequency Induction furnace with melting channels opening into a crucible at least approximately horizontally, closed all round in cross-section and influenced by primary coils,
In which furnace according to the invention, at least three melting channels are arranged evenly distributed over the circumference of the crucible. where the number of primary coils is the same for the purpose of uniform loading of a network with at least three phases of the number of phases or an integral multiple of this number and each of the phases supplies the same number of primary coils with current .
The buoyancy currents of three or more melt channels in connection with the even distribution over the circumference of the melt area results in good and, above all, even mixing of the bath without the hydrostatic pressure in the channels having to be increased. An embodiment of the subject matter of the invention is shown in Figs. 1 and 2 of the drawing voltage in a vertical section and in a horizontal section.
a is the melting chamber (crucible), which is narrowed towards the upper opening. b is the refractory lining, which is held together in a well-known manner by a jacket c made of metal. The furnace chamber is provided with a pouring spout d at the upper end in a known manner.
In the example shown, as can be seen from Fig. 2, evenly distributed over the order, three U-shaped curved melt channels are provided. The arc-shaped reversal points of the channels are denoted by f, the straight branches running approximately radially to the center of the furnace chamber a are denoted by g, h. With reference to a plane which is laid through the central axis of the furnace chamber a and through the center of the core of the associated primary coil, each half of the grooves <I> f, g, </I> h is mirror-inverted.
The channel branches g, lt and their semicircular reversal route f are provided in lateral approaches e to position and have a closed cross-section. The coil cores i of the primary coils are arranged approximately in the center of the reverse arc of the grooves. Above and below the lateral approach e, the ends of this core are brought into connection in a known manner with a closed yoke p.
However, one can also use the channels to enclose an iron core of the yoke and arrange the coil outside the attachment e on one leg of the transformer yoke. Each of the coils belonging to the cores i should be connected to one phase of a three-phase network.
As can be seen in Fig. 1, the paths of each channel <I> f, g, h </I> lie in a plane that is only very slightly inclined to the horizontal, that is, the inclination angle of this plane to the horizontal plane is at most 10 degrees, so that the melt channels open at least approximately horizontally into the crucible a.
The three channels shown are also arranged in such a way that corresponding points of the channels <I> f, g, h </I> lie in the same horizontal plane.
Depending on the exit speed of the melted material, the material will either rise relatively close to the wall containing the mouth, or it will force the currents emerging from the various channels towards the furnace center axis. If necessary, however, each of the currents originating from the various channels in the area between the walls of the melting chamber and the furnace center axis will rise separately. In any case, the melt is penetrated by several upwardly directed currents of moderate speed and evenly.
If (see Fig. 2) both the linear distance between the center lines of the pair of branches g, h each in a closed channel at the confluence point - it should be labeled A - as well as the center line distance between the adjacent straight sections g , h of two consecutive gutters <I> f, g, h, </I> at their confluence - it should be named with A 'the same or approximately the same, i.e. at least <B> 10% </B> des mean distance is the same,
and if the line connecting the end points of each reversal section f through the center of the core i is greater than each of the same distances <I> A, A ', </I> the branches g, h run approximately radially to the center of the furnace and then become form and distribute the flows in the sense of symmetry with respect to the furnace center axis, which results in a uniform distribution of the bath movement over the entire furnace contents.
The melting channels can also be arranged in such a way that, instead of being at the same height, they are at two or more heights. In. the same height is then a group of as in Figs. 1, 2 angeord designated gutters. In this way, it is possible, please include a considerably larger number of melt channels to be arranged in the same furnace and thus to increase the performance significantly.
The result is a particularly useful furnace design with regard to the accommodation of the primary coils if one of the grooves located at different heights encloses the same primary coil. Are those located at the two or three different heights. Grooves always exactly one above the other, so the primary coil will be vertical; However, if the grooves are offset from one another at different heights on the circumference of the furnace, the primary coils must be positioned accordingly.
Of course, you will not choose this inclination too large. A design of the furnace is also conceivable in which the mouths of the melting channels open into the melting chamber at different heights from the side horizontally or at most at an angle of 10 to the horizontal and the distances between the channel mouths, viewed in plan, are the same as in Fig. 1 , 2 are. In this case, the planes containing the melt channel axes intersect the vertical furnace center axis at an acute angle.
These angles can be the same for each channel. It is useful if, with such an inclination of the channel levels, the melt channels open into a total of two horizontal levels. This design also makes it possible to arrange a particularly large number of channels on the circumference of the furnace and thus to increase its performance considerably. Even if the mouths of each channel open into the furnace from the side at different heights, a primary coil can be surrounded by several melting channels.
It is particularly advantageous if the number of melt channels is three or a multiple of three and if at the same time the melt channels are evenly distributed over the primary windings and these are evenly distributed between three phase connections of the furnace. In this case, the advantages of the new furnace design will be included. linked to the advantages of even phase loading.
If, as shown in Fig. 2, the two halves of each channel opening into the furnace chamber are designed in a mirror-inverted manner in relation to a plane containing the furnace center axis, each branch of the melting channel influences the bath movements in the same way and equally strong.
blan has already made the suggestion to arrange two channels opening horizontally into the furnace chamber next to one another or opposite one another and to equip each with a primary coil. In this way, higher melting capacities can be achieved, but a bath movement that is completely sufficient for a high furnace output and also very uniform cannot be achieved because the number and arrangement of the channels are too unfavorable for this purpose. In addition, the two channels were connected to a three-phase network using what is known as Scott's circuit, which means that the load on the three phases and all their disadvantages was very uneven.
The induction furnace shown and described is advantageous not only in terms of uniform loading of all three phases and in terms of uniform mixing of the melt, but also represents a happy solution in structural terms. All parts are oriented towards the vertical furnace center axis. This enables light to accommodate high furnace outputs in a compact, space-saving design. The primary coils are also evenly distributed over the outer circumference and can be arranged vertically or almost vertically, so that initially the absolutely necessary cooling of the coils is brought about to a certain extent by natural ventilation.
In addition, however, the new design also offers sufficient space to attach cooling fans, a possibility that is not advantageous, for example, in ovens with vertical grooves, because the primary coils are arranged horizontally in the same, which means large dimensions and the feed the cooling air from the side.