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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von großen Metallteilen in einem als Mittelfrequenzofen ausgebildeten Induktionstiegelofen.
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Ein Induktionstiegelofen ist ein elektrisches Schmelzaggregat für Metalle, das insbesondere in Eisengießereien große Verbreitung gefunden hat. Es handelt sich zumeist um einen einfach aufgebauten Ofen, der im Wesentlichen aus einem feuerfesten Tiegel und einer diesen umschließenden Spule besteht. Die Spule wird mit einer Wechselspannung beaufschlagt, so dass im Tiegel ein Magnetfeld erzeugt wird, das in dem zu schmelzenden Material Ströme induziert, die zum Aufheizen und schließlich zum Schmelzen des Materials führen. Die Stromversorgung aus dem Hochspannungsnetz erfolgt zumeist über einen Stromrichter-Transformator und einen Frequenzumrichter mit Kondensatorbatterie.
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Hierbei werden Mittelfrequenzöfen in der Regel in einem Frequenzbereich von 0,510 Hz - 1.000 Hz betrieben.
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Bei einem Schmelzen von großen Metallteilen in derartigen Induktionsöfen besteht die Gefahr einer Überhitzung. In dem Artikel „Schmelzen von großen Stahlgussteilen im Induktionstiegelofen“ in elektrowärme international, 2-2014, S. 39 - 44 ist ausgeführt, dass beim Aufschmelzen von etwa 500 kg schweren Metallteilen die Kinetik des Schmelzvorganges beachtet werden muss. Beim Anfahren des mit diesem Schmelzgut gefüllten Ofens bildet sich nach relativ kurzer Zeit die erste Schmelze im unteren Tiegel aus, an die das elektromagnetische Feld bevorzugt ankoppelt. In einem Ofen hoher Leistungsdichte besteht dann die Gefahr, dass mehr Energie auf die Schmelze induktiv übertragen wird als durch Wärmeübertragung an die Feststoffe abgegeben werden kann. Die Folge ist eine Badüberhitzung, die zum voreilenden Futterverschleiß führt.
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Um eine derartige Badüberhitzung zu verhindern und einen entsprechenden Verschleiß zu vermeiden, wird vorgeschlagen, den Ofen insbesondere im ersten Teil der Schmelzperiode nur mit einer reduzierten Nennleistung zu beaufschlagen. Generell soll die Leistungsbeaufschlagung des Induktionsofens der Kinetik des Schmelzvorganges angepasst werden.
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Ferner ist aus der
DE 10 2011 014 894 A1 ein Verfahren zum Schmelzen von zu schmelzendem Gut mit Hilfe eines Induktionsofens bekannt. Dieses Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass kurz nach Beginn eines Schmelzvorganges ein Rückgang der Leistungsaufnahme bis zu 60 % der Nennleistung über einen bestimmten Zeitraum zu verzeichnen ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass zunächst ein erstes Einfüllen von zu schmelzendem Gut in den Induktionsofen zu einem ersten Füllstand unterhalb des Maximalfüllstandes erfolgt und dass ein Nachfüllen von weiterem zu schmelzenden Gut in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme des Induktionsofens und/oder in Abhängigkeit von der Temperatur des bereits eingefüllten Gutes und/oder in Abhängigkeit von Größen, aus denen die Leistungsaufnahme des Induktionsofens oder die Temperatur des bereits eingefüllten Gutes berechenbar ist, erfolgt.
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Erfindungsgemäß soll ein weiteres Verfahren zum Schmelzen von großen Metallteilen in einem als Mittelfrequenzofen ausgebildeten Induktionstiegelofen zur Verfügung gestellt werden, das mit besonders kurzer Schmelzzeit und effektiv durchgeführt werden kann. Speziell liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das in Induktionstiegelöfen hoher Leistungsdichte mit maximaler Leistung besonders schonend ausgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
- Vorheriges Ausbilden eines Sumpfes aus einer flüssigen Metallschmelze am Boden des Induktionstiegelofens;
- Einführen des zu schmelzenden großen Metallteiles in den Induktionstiegelofen in Kontakt mit der flüssigen Metallschmelze des Sumpfes; und
- Betreiben des Induktionstiegelofens von Beginn des Schmelzens an im maximalen Leistungsbereich zum Schmelzen des großen Metallteiles.
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Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass die Gefahr einer Überhitzung beim Schmelzen von großen Metallteilen vermieden werden kann, wenn das Metallteil nicht in einem leeren Induktionstiegelofen, sondern in einem solchen geschmolzen wird, der bereits einen Sumpf aus einer flüssigen Metallschmelze enthält. Das Metallteil wird daher in Gegenwart eines derartigen Sumpfes geschmolzen. Dabei wird dieser Sumpf nicht durch Schmelzen des Metallteiles selbst erzeugt, sondern der Sumpf im flüssigen Zustand ist bereits bei Beginn des Schmelzvorganges des großen Metallteiles vorhanden. Das zu schmelzende große Metallteil wird daher in den bereits im Induktionstiegelofen vorhandenen flüssigen Sumpf eingeführt, wonach der eigentliche Schmelzvorgang begonnen wird.
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Es wurde festgestellt, dass bei Anwesenheit eines derartigen Sumpfes bereits von Beginn des Schmelzvorganges an im maximalen Leistungsbereich des Induktionstiegelofens gearbeitet werden kann. Dies steht im Gegensatz zu dem vorstehend genannten Stand der Technik, gemäß dem zur Vermeidung einer Überhitzung zumindest im ersten Teil der Schmelzperiode mit reduzierter Nennleistung operiert werden muss. Erfindungsgemäß kann daher von Anfang an im maximalen Leistungsbereich, d. h. mit Nennleistung oder darüber, gearbeitet werden.
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Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch die Anwesenheit eines derartigen Sumpfes Überhitzungserscheinungen vermieden bzw. reduziert werden können. Das bedeutet, dass große Metallteile sehr rasch geschmolzen werden können, da mit maximaler Leistung gearbeitet werden kann, ohne eine Beschädigung der Feuerfestauskleidung befürchten zu müssen. Hinzu kommt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Anwesenheit eines Sumpfes eine besonders gute Ankopplung des elektromagnetischen Feldes erreicht werden kann sowie Spritzeffekte weitgehend vermieden werden können.
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Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Sumpf aus einer flüssigen Metallschmelze gearbeitet wird, der sich bereits bei der Einführung des zu schmelzenden großen Metallteiles bzw. bei Beginn des Schmelzvorganges des Metallteiles im Ofen befindet, und zwar im flüssigen Zustand der Schmelze, kann der eigentliche Schmelzvorgang sehr rasch durchgeführt werden, da von Anfang an mit voller Leistung gearbeitet werden kann und nicht auf eine mögliche Überhitzung des Schmelzbades Rücksicht genommen werden muss. Wesentlich ist hierbei, dass sich der Sumpf im flüssigen Zustand befinden muss. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher das große Metallteil niemals in einen leeren Induktionstiegelofen eingeführt, sondern immer in einen solchen, der ein Sumpf aus einer flüssigen Metallschmelze enthält.
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Was den erfindungsgemäß vorgesehenen Sumpf anbetrifft, so kann es sich bei diesem um den Restsumpf aus einem vorhergehenden Schmelzvorgang handeln. Vom praktischen Aspekt her ist diese Verfahrensvariante daher besonders vorteilhaft, da ein spezieller Sumpf nicht erst durch zusätzliche Maßnahmen erzeugt werden muss. Wichtig ist, dass der Sumpf bis zum Beginn des Schmelzvorganges des eingeführten großen Metallteiles im flüssigen Zustand verbleiben bzw. gehalten werden muss. Ein Einfrieren des Sumpfes ist daher zu vermeiden.
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Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sumpf durch Schmelzen von in den Induktionstiegelofen eingeführten Metallteilen, insbesondere Metallkleinteilen, erzeugt. Bei dieser Variante erfolgt daher ein zusätzlicher Schmelzvorgang, um die flüssige Metallschmelze des Sumpfes zu erzeugen, bevor der eigentliche Schmelzvorgang des großen Metallteiles beginnt. Bei dieser Variante wird beim Schmelzen des großen Metallteiles vom Beginn des Schmelzvorganges an mit voller Leistung, d. h. im maximalen Leistungsbereich, gearbeitet, da der vorher erzeugte Sumpf eine Badüberhitzung verhindert.
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Beispielsweise kann der erfindungsgemäß vorgesehene Sumpf durch Schmelzen von Hackschrott erzeugt werden.
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Falls gewünscht, wird ein Sumpf erzeugt, dessen chemische Zusammensetzung der des zu schmelzenden großen Metallteiles im Wesentlichen entspricht. Diese Verfahrensvariante wird insbesondere dann angewendet, wenn es im besonderen Maße auf die Reinheit des erschmolzenen Endproduktes ankommt.
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Wie bereits erwähnt, können erfindungsgemäß Maßnahmen getroffen werden, um ein Einfrieren des Sumpfes vor dem Einführen und während des Einführens des Metallteiles zu verhindern. Diese Maßnahmen können insbesondere darin bestehen, dass nach der Ausbildung des Sumpfes im Induktionstiegelofen eine sehr rasche Einführung des zu schmelzenden Metallteiles erfolgt. Auch können Maßnahmen getroffen werden, um den Sumpf entsprechend zu beheizen, damit dieser nicht einfriert.
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Mit dem hier verwendeten Begriff „Sumpf“ ist gemeint, dass der Induktionstiegelofen nur zu einem geringen Teil mit einer flüssigen Metallschmelze gefüllt ist. So wird beispielsweise ein Sumpf erzeugt, dessen Größe 2 - 10 % des Gesamtfassungsvermögens des Induktionstiegelofens beträgt. Es versteht sich, dass durch Einführung des zu schmelzenden großen Metallteiles bzw. von mehreren Metallteilen diese Teile den vorhandenen Sumpf verdrängen, da die Teile den Boden des Ofens kontaktieren. Die Metallschmelze des Sumpfes steigt daher im nicht durch die Metallteile verdrängten Teil stärker an.
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Wie erwähnt, betrifft das erfindungsgemäße Verfahren das Schmelzen von großen Metallteilen (Blöcken etc.). Solche großen Metallteile können beispielsweise eine Kantenlänge von mehr als 400 mm aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet vorzugsweise ein Induktionstiegelofen Verwendung, der für eine Leistungsdichte ausgelegt ist, die dem Stand der Technik entspricht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt eines Induktionstiegelofens; und
- 2 ein Ablaufdiagramm der einzelnen Verfahrensschritte.
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Der in 1 nur rein schematisch dargestellte Induktionstiegelofen 1 besitzt einen Tiegel mit einer Feuerfestauskleidung 2, der von einer nur schematisch bei 3 angedeuteten Spule umgeben ist. Im Tiegel befindet sich ein Sumpf 4 aus einer flüssigen Metallschmelze, der den Bodenbereich des Tiegels bedeckt. In den Tiegel eingesetzt ist ein zu schmelzendes großes Metallteil 5 in der Form eines Metallblockes.
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1 zeigt den als Mittelfrequenzofen ausgebildeten Induktionstiegelofen 1 in einer Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der das zu schmelzende große Metallteil 5 in einen vorher im Induktionstiegelofen 1 erzeugten Sumpf 4 aus einer flüssigen Metallschmelze eingesetzt worden ist. Im Einzelnen läuft dabei das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt ab:
- Gemäß 2 wird im ersten Schritt 10 der Sumpf 4 im Induktionstiegelofen erzeugt. Es kann sich hierbei beispielsweise um einen Restsumpf aus einem vorhergehenden Schmelzvorgang handeln oder um einen neu erzeugten Sumpf. Wenn sich der Sumpf 4 im Induktionstiegelofen 1 befindet, wird das zu schmelzende große Metallteil 5 in diesen eingeführt, wie dies mit Schritt 11 in 2 angedeutet ist. Danach wird der Induktionstiegelofen 1 mit voller Leistung, beispielsweise Nennleistung, betrieben, um das große Metallteil 5 zu schmelzen. Dieser Schritt ist in 2 mit 12 gekennzeichnet. Trotz der von Anfang an abgerufenen Maximalleistung wird die Feuerfestauskleidung des Ofens nicht oder nur wenig in Mitleidenschaft gezogen, da dies offensichtlich durch den vorhandenen Sumpf 4 verhindert wird.
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Was die Dimensionen der zu schmelzenden großen Metallteile anbetrifft, so sieht die Erfindung hier keine Beschränkungen vor, abgesehen von den durch die Dimensionen des Tiegelofens vorgegebenen Grenzen. So können alle großen Metallteile erfindungsgemäß behandelt werden, die sich in den Induktionstiegelofen einführen lassen, insbesondere große Teile mit einer Kantenlänge von mehr als 400 mm, die hier mit voller Ofenleistung aufgeschmolzen werden können, was nach dem Stand der Technik nicht realisierbar war.
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Der hier erfindungsgemäß verwendete Sumpf ist beispielsweise auf einer Temperatur von etwa 1400°C gehalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011014894 A1 [0006]
