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Die Erfindung betrifft ein induktiv heizbares Gefäß für metallisches Schmelzgut,
insbesondere für Aluminiumschmelzen, mit einem Füllvolumen von mehr als 1 Tonne.
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Um ein Metall bzw. eine Metalllegierung in einen gießfähigen Zustand zu bringen,
müssen die Metalle zunächst erschmolzen, anschließend ggf. einer metallurgischen
Zwischenbehandlung und schließlich dem Gießvorgang selbst zugeführt werden.
Das Erschmelzen der metallischen Rohstoffe geschieht zumeist in einem
großvolumigen Schmelzofen, von wo aus die Schmelzen in eine Pfanne und von dort aus in
eine Gießanlage überführt werden. Viele Metalle bzw. Metalllegierungen sind jedoch
empfindlich gegen Temperaturschwankungen, neigen dazu, mit Sauerstoff und
Wasserstoff oder anderen über die Luft oder durch Kontaktberührung mit den
verwendeten Gefäßen in die Schmelze übertretenden anderen Stoffen, wie z. B. Eisen,
unerwünschte Reaktionen einzugehen, die zu ungewollten Begleitstoffen in der Schmelze
führen. Z. T. bilden sich, ebenfalls über unerwünschte chemische Reaktionen an dem
jeweiligen Metallschmelzespiegel Krätzen aus. Viele der vorgenannten Reaktionen
werden durch ein- oder mehrmaliges Umfüllen der Metallschmelze begünstigt.
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Dies gilt insbesondere auch für den Werkstoff Aluminium oder seine Legierungen,
bei dem eine Oxidation weitestgehend zu verhindern und jegliche Gasaufnahme
möglichst vollständig zu unterbinden ist. Die beim Schmelzvorgang vorliegenden
Temperaturen bis etwa 770°C begünstigen die Oxidation des Aluminiums, die sich
insbesondere deshalb gravierend auswirkt, weil das Aluminiumoxid eine dem
Grundwerkstoff Aluminium gleiche Dichte besitzt, so dass sich entstandenes Al2O3
weder in der Schmelze absetzt, noch durch den Auftrieb an die Badoberfläche
gespült wird. Die in der Aluminiumschmelze verbleibenden Oxide liegen im Guß als
Schaum oder dünne Haut vor und können das Gefüge des fertiggegossenen Teiles
im Sinne einer Verminderung der Festigkeit und der Dichtheit der Gußstücke
beeinträchtigen. Besonders groß ist die Gefahr einer Aluminiumoxidbildung beim Umfüllen
der Aluminiumschmelze in ein nachgeordnetes Transport- oder Behandlungsgefäß
oder beim Abgießen in die Formen. Da unter normalen Gießereibedingungen das
Oxid nicht weiter reduziert werden kann, sind besondere Vorsorgen zu treffen, um
den als Abrand bezeichneten Oxidationsvorgang möglichst zu unterbinden.
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Negative Auswirkungen treten ebenso auf, wenn die Aluminiumschmelze mit
Feuchtigkeit in Berührung kommt. Aufgrund der hohen Temperaturen spaltet sich das
Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf, wobei sich gelöster
Wasserstoff in der Schmelze beim Erstarrungsprozeß in Form von eingeschlossenen
Gasbläßchen wieder ausscheidet; die durch Wasserstoffausscheidung gebildeten
Poren unterbrechen das Gefüge im Gußstück.
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In bestehenden Gießereibetrieben ist es häufig nach dem Stand der Technik üblich,
dass aus einem großvolumigen Schmelzofen stammende Aluminium oder
Aluminiumlegierungen in Pfannen umzufüllen, die als Transportmittel für die
Schmelze zu einer Zwischenstation mit einem oder mehreren Warmhalteöfen dienen.
Hiernach wird das Aluminium bzw. die Aluminiumlegierung nach Bedarf mittels eines
weiteren Transportgefäßes in eine Gießanlage überführt, so dass bis zum
eigentlichen Gießprozeß mehrere Umfüllvorgänge stattfinden.
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Abhilfe können zwar sogenannte Induktionsförderrinnen liefern, die beispielsweise
aus einem Schmelzofen in einen kippbaren Behandlungs- und Gießofen das flüssige
Aluminium bzw. die Aluminiumlegierung überführen. Durch Induktion eines
magnetischen Wechselfeldes im flüssigen Metall werden Wirbelströme erzeugt,
wodurch in Wechselwirkung auf das Metall eine mechanische Kraft ausgeübt werden
kann, die das Metall bewegt. Zudem heizen die induzierten Wirbelströme das
flüssige Metall auch auf, so dass Temperaturverluste ausgeglichen werden können.
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Derselbe induktive Effekt wird auch in sogenannten Induktionstiegelöfen ausgenutzt,
bei denen mittels der vorhandenen Magnetspule sowohl eine Schmelzbadbewegung
erzeugt als auch eine Warmhaltung gewährleistet ist. Bei den genannten
Induktionsrinnen wie auch den Öfen ist es erforderlich, dass die Innenwandung aus
unmagnetischem, elektrisch nicht leitendem feuerfestem Material besteht, so dass die
Magnetfelder nicht beeinträchtigt und die Wärmeentwicklung direkt im Schmelzgut eintritt.
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Induktionsrinnen zum Fördern von Metallschmelzen zwischen zwei metallurgischen
Gefäßen sind jedoch konstruktions- und kostenaufwendig. Zudem benötigen diese
Rinnen Raum und lassen keinerlei Flexibilisierung zu.
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Die in der Gießereitechnik daher nach wie vor verwendeten Transportgefäße haben
den Nachteil, dass mangels der eigenen Heizung ein nicht unerheblicher
Temperaturverlust der Schmelze während des Transports in Kauf zu nehmen ist.
Grundsätzlich wäre es zwar möglich, auch die Transportgefäße mit einer induktiv arbeitenden
Heizung zu versehen, jedoch hat dies den Nachteil, dass dann die
Stromversorgungsleitung einschließlich der Kühlvorrichtungen für die Spule mitgeführt werden
muß. Zudem würde eine im unteren Bereich eines Transportgefäßes installierte
Heizvorrichtung das Gewicht und das Volumen dieses Transportgefäßes erheblich
vergrößern und damit seine Handhabbarkeit erheblich erschweren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein induktiv heizbares Gefäß zu
schaffen, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und flexibel sowohl als
Warmhalte- und/oder Entgasungsofen als auch als Transportgefäß und unter Umständen
auch als Gießgefäß einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch das induktiv heizbare Gefäß nach Anspruch 1 gelöst, das
dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gefäß lösbar auf einem stationären Heizstand
mit einer Magnetspule aufgesetzt ist.
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Der Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, dass dieses Gefäß sowohl als
Transportgefäß als auch als Warmhalte- und/oder Entgasungsgefäß und ggf. auch als
Gießgefäß verwendet werden kann, aus dem mittels eines Schöpflöffels gewünschte
Chargen entnommen werden. Die aus einem Schmelzgefäß in das erfindungsgemäß
gestaltete Gefäß überführte Metallschmelze wird zu einem Heizstand überführt, wo
das Gefäß auf- bzw. eingesetzt wird und die Schmelze induktiv beheizt und eine
Badbewegung erzeugt wird. In dieser Station können Nachbehandlungen wie das
Entgasen, Kornfeinen oder sogar Legierungseinstellungen vorgenommen werden,
bevor das Gefäß vom Heizstand entnommen und zu der Gießanlage geführt wird, die
eine Rundtischanlage zum Kokillenguß oder eine Stranggießanlage sein kann. Da
die Metallschmelze vom Erschmelzen bis zur Gießstation in ein und demselben
Gefäß verbleibt, entfallen auch Umfüllvorgänge, so dass der gefürchtete Abbrand
(Oxidation) oder die sonstige Gasaufnahme, insbesondere von Wasserstoff insoweit
ausgeschlossen wird. Die Gefäße haben vorzugsweise ein Füllvolumen von 1 bis
3 Tonnen. Der Gefäßaufbau ist grundsätzlich aus der Pfannenmetallurgie bekannt,
d. h. die Gefäße besitzen eine feuerfeste Auskleidung sowie einen äußeren
Metallmantel, der jedoch im unteren Bereich nicht ferromagnetisch sein darf, um den
gewünschten Magnetfeldaufbau und die Erzeugung von Wirbelströmen nicht zu
beeinträchtigen. Ggf. kann der Metallmantel im unteren Bereich auch schlitzförmige
Durchbrechungen aufweisen.
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Der Heizstand weist eine Magnetspule auf, die vorzugsweise mindestens zwei
Wicklungen enthält und die von einem Eisenkern (Joche) umgeben ist. Die
Mehrfachwicklung der Magnetspule schafft den Vorteil, dass die Heizstand-Bauhöhe
minimiert werden kann, z. B. auf 150 bis 300 mm, da über die Mehrlagigkeit der
Wicklung eine entsprechend höhere gewünschte Leistung erbracht werden kann. Die
Magnetspule sowie die Joche sind vorzugsweise in einem Rahmen angeordnet, die
dann den Heizstand bilden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Heizstand höhenverstellbar,
was den Vorteil hat, dass das auf vorhandenen Stützen bzw. einem Gestell
abgesetzte und zentrierte Gefäß hiernach an den Heizstand angekoppelt wird, indem der
Heizstand den unteren Bereich umgreifend hochgefahren bzw. vor dem
Weitertransport des Gefäßes abgesenkt wird. Hierzu besteht der Heizstand vorzugsweise aus
einem ringförmigen Sockel, in den die Magnetspule integriert ist. Das Gefäß weist in
seinem unteren Bereich eine äußere Form auf, die dem Innenmantel des
ringförmigen Sockels angepaßte ist, d. h. dass bei aufgesetztem bzw. eingesetztem Gefäß
zwischen der Magnetspule und dem Gefäßmantel ein dimensionsgerecht angepaßter
Luftspalt verbleibt. Soll der Rahmen mit Joche und Spule nach Positionierung des
induktiven Gefäßes durch hydraulisches Anheben um den unteren Bereich des
Gefäßes gelegt werden, dient als Auflage ein Gestell bzw. sind Stützen vorhanden,
die entsprechend dem Gefäß angepaßte Auflagefläche besitzen.
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Der Übergangsbereich des Gefäßes vom unteren Teil in den querschnittsgrößeren
oberen Teil kann nach einer alternativen Ausgestaltung als kragenförmige
Auflagefläche korrespondierend zur Dachfläche des ringförmigen Sockels ausgebildet. Diese
Ausbildungsform ist für fest montierte, nicht höhenverstellbare Heizstände konzipiert
sein.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das vorbeschriebene Gefäß
als Transport-, Warmhalte-, Entgasungs- und/oder Gießgefäß für Metallschmelzen,
insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen verwendet, vorzugsweise
in der Art, dass das Gießgefäß an einer Rundtischanlage mit mehreren
Arbeitspositionen zum Kokillenguß verwendet wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie sich hieraus ergebende Vorteile
werden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die
einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gefäß, das an
einen Heizstand angekoppelt ist.
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Das dargestellte Gefäß 1 ist auf einen Heizstand 2 aufgesetzt. Das Gefäß 1 besitzt
einen oberen Bereich mit einem Durchmesser D1 von 1100 mm, einen
Zwischenbereich, in dem sich der Durchmesser verjüngt und einen unteren Bereich mit einem
Durchmesser D2 von 500 mm, der der Geometrie des verwendeten Schöpflöffels
angepaßt ist. Aus den Dimensionen ergibt sich ein Füllvermögen von ca. 2 to
(2000 kg) Aluminium. Das Gefäß 1 besitzt eine isolierende feuerfeste Auskleidung
sowie einen äußeren Metallmantel. Der Metallmantel 4 im unteren Bereich besteht
aus einem nicht ferromagnetischen Material, z. B. VA-Stahl. Um den unteren,
beispielsweise zylindrischen Außenmantel aus VA-Stahl ist im Abstand eines
Luftspaltes 6 eine doppellagige Magnetspule 5 angeordnet, die über einen Eisenkern
(Joche 7) umschlossen wird. Die Spule 5 und die Joche 7 sind in einem
gemeinsamen Rahmen 8 installiert, der heb- und senkbar ist, wie dies durch den
Doppelpfeil 9 sichtbar gemacht ist. Vorhandene, nicht dargestellte Hubeinrichtungen
arbeiten vorzugsweise hydraulisch. Als Auflage für das Gefäß 1 dienen im
vorliegenden Fall drei Stützen 10, die das Gefäß im konischen Zwischenbereich
unterfassen.
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Soll auf eine heb- und senkbare Heizeinrichtung 2 verzichtet werden, kann auch der
kragenförmige Bereich 11 als Abstützfläche auf eine entsprechende ringförmige
Auflagefläche des Heizstandes dienen. Wesentliches Merkmal der vorliegenden
Erfindung ist jedoch für beide Ausführungsalternativen, dass das Gefäß 1 lösbar mit
dem Heizstand 2 verbunden ist. Ist das Gefäß 1 in der dargestellten Weise auf- bzw.
in den Heizstand 2 eingesetzt, wird mittels der Magnetspule 5 ein Feld induziert, das
in der Schmelze eine Badbewegung hervorruft sowie der Schmelze Wärme zuführt.
Der Heizstand 2 kann neben einem Gießkarussel mit mehreren Gießkokillen
angeordnet sein, so dass aus dem mittels eines Schöpflöffels 12 die gewünschte
Charge aus dem Gefäß 1 entnommen und vergossen werden kann.
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Das dargestellte Gefäß dient im vorliegenden Fall als Transportmittel für das hierin
eingefüllte Schmelzvolumen sowie als Warmhalte- und Entgasungsgefäß. Das aus
einem Schmelzofen entnommene flüssige Aluminium bzw. die Aluminiumlegierung
verbleibt während des Transportes, einer etwaigen Zwischenlagerung oder einer
Zwischenbehandlung, nämlich dem Entgasen bis zum Vergießen in ein- und
demselben Behälter, so dass ein Umgießen in andere Gefäße oder Öfen vermieden wird.
Kann aus verfahrenstechnischen oder betriebstechnischen Gründen die
Metallschmelze vom Schmelzofen nicht unmittelbar zur Gießanlage überführt werden, kann
an einer Zwischenstation ein weiterer Heizstand 2 stationär installiert sein, auf den in
der dargestellten Weise das Gefäß 1 aufgesetzt und durch entsprechende induktive
Heizung auf der gewünschten Temperatur gehalten wird. An dieser Zwischenstation
sind metallurgische Behandlungen der Schmelze möglich.
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In einem konkreten Anwendungsfall wird die dem Schmelzofen entnommene
Legierung in eine Pfanne umgefüllt, die zu einer Zwischenstation mit einem Heizstand
transportiert wird, wo die Pfanne auf vorhandene Stützen abgesetzt und wonach der
Heizstand hydraulisch angehoben wird, bis der untere Bereich der Pfanne von der
Magnetspule umgeben ist. In dieser Zwischenstation wird die Metallschmelze, z. B.
durch Eindüsen von Argon, entgast. Auftretende Temperaturverluste werden durch
die über den Heizstand eingebrachte Heizenergie kompensiert. Nach hinreichender
Entgasung (oder einer anderen gewünschten metallurgischen Behandlung) wird
nach Bedarf die Metallschmelze abgeschlackt und die Pfanne zu einer
Rundtischanlage transportiert, wo sie in entsprechender Weise wie zuvor beschrieben auf einen
dort vorhandenen Heizstand zunächst zentriert und anschließend durch Heben des
Heizstandes an diesen angekoppelt wird. Der Pfanne kann danach mittels eines
Schöpflöffels die Metallschmelze chargenweise zum Vergießen in Kokillen, die z. B.
auf einem Gießkarussel angeordnet sind, sukzessive entnommen werden. Hierbei
dient die untere Verjüngung des Gefäßes auf einen dem Schöpflöffel angepaßten
Durchmesser dem Zweck, dass die Pfanne praktisch vollständig entleert werden
kann.
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Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Kombination aus dem Gefäß und dem
Heizstand für beliebige Metall- oder Metalllegierungsschmelzen einsetzbar, insbesondere
dann, wenn Umgießvorgänge möglichst vermieden werden sollen.