DE1037789B

DE1037789B - Einrichtung zum Sperren des Durchflusses fluessiger Metalle

Info

Publication number: DE1037789B
Application number: DEB29115A
Authority: DE
Inventors: Dr Karl Heinz Brokmeier
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1954-01-05
Filing date: 1954-01-05
Publication date: 1958-08-28

Description

Einrichtung zum Sperren des Durchflusses flüssiger Metalle Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Sperren des Durchflusses flüssiger Metalle durch ein Rohr.
Bei mit flüssiger Metallschmelze gefüllten Behältern oder Tiegeln ergibt sich häufig die Notwendigkeit, eine unterhalb des Badoberflächenniveaus befindliche Öffnung betriebssicher zu verschließen.
Diese Aufgabe läßt sich sehr einfach lösen, wenn der Abfluß von einer Seite frei zugängig ist, wie es z. B. beim Hochofen oder Kupolofen der Fall ist. Hier wird die Öffnung mit einem Stopfen verschlossen und zum Öffnen aufgestochen.
Schwierig ist das Problem, wenn durch die Öffnung zwei Gefäße miteinander in Verbindung stehen und die Öffnung als Ventil durchgebildet und von außen bedienbar sein muß. Schieberkonstruktionen für das Ventil aus Metall sind für höhere Arbeitstemperaturen kaum ausführbar und können daher nur bei niedrig schmelzendem Metall angewendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässig arbeitende Absperrvorrichtung für flüssige Metalle zu schaffen, die insbesondere für Metalle mit höherem Schmelzpunkt verwendet werden kann. Diese Vorrichtung soll geeignet sein, den Strom eines flüssigen Metalls in einem Verbindungsrohr z. B. zwischen zwei Tiegeln oder sonstigen Behältern nach Belieben freizugeben, zu drosseln oder ganz zu sperren. Die Vorrichtung muß, um brauchbar zu sein, diese Bedingung erfüllen, unabhängig von der Richtung, in der das flüssige Metall z. B. infolge eines Niveauunterschiedes in den beiden Behältern strömt bzw. strömen würde.
Zur Lösung der Aufgabe werden diejenigen Kräfte ausgenutzt, die durch die Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Wechselfeld und den durch dieses Wechselfeld in dem flüssigen Metall induzierten Strömen entstehen.
In einem elektromagnetischen Feld wirkt auf darin befindliche Metalle eine resultierende Kraft ein, die sich aus drei Komponenten zusammensetzt, nämlich erstens der Kraftkomponente, hervorgerufen durch das elektrische Feld, zweitens der Kraftkomponente, hervorgerufen durch das magnetische Feld, und drittens einer Kraftkomponente, die mit der Energieabsorbtion des elektromagnetischen Feldes in einem elektrisch leitenden Material entsteht. Die elektrische Komponente ist bei induktiver Energie-Übertragung vernachlässigbar gering. Die magnetische Kraftkomponente ist bei Energieübertragungsanordnungen, wie z. B. Rinnenschmelzöfen, vorherrschend, bei denen die Energieübertragung durch ein magnetisches Feld erfolgt, das in einem geschlossenen Sekundärleiter (Rinne) einen Strom hervorruft. Die mit der Energieabsorbtion im Zusammenhang stehende Kraftkomponente, die sogenannte Strahlungskraft, ist mit der Energieabsorbtion gleichgerichtet. Sie steht senkrecht auf der Ebene, die durch den Vektor der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldstärke gebildet ist. Die Strahlungskraft ist bei induktiver Energieübertragung vorherrschend und wird z. B. beim Induktionstiegelschmelzofen ausgenutzt. Es ist bereits bekannt. Kräfte des elektromagnetischen Feldes für eine Pumpwirkung auszunutzen und dadurch flüssiges Metall zu fördern, z. B. aus einem tiefer liegenden Behälter in einen höher liegenden. Zu diesem Zweck kann das Prinzip eines Rinnenschmelzofens, also dessen magnetische Kraftkomponente, ausgenutzt werden.
Mit den bekannten Einrichtungen dieser Art kann der in einer bestimmten Bewegungsrichtung wirkende Pumpeffekt durch Änderung des Magnetfeldes bzw. des dieses Magnetfeld erzeugenden Stromes geändert oder auch ganz unterbrochen werden. Es ist aber mit diesen Einrichtungen nicht möglich, den Strom des flüssigen Metalls entgegen einer z. B. durch den jeweiligen Niveauunterschied bedingten und mit der Pump -richtung zusammenfallenden natürlichen Strömungsrichtung zu sperren, weil die Pumpwirkung einen geschlossenen, mit dein ;Magnetfeld verketteten Stromkreis voraussetzt, bei welchem die im folgenden beschriebene Kraftwirkung nicht auftritt. Zur Lösung der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, sind diese Einrichtungen .daher nicht geeignet.
Erfindungsgemäß ist die Einrichtung zum Sperren des Durchflusses flüssiger Metalle durch ein Rohr, insbesondere für elektrische Schmelzofeneinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Rohr koaxial umschließende, in dem im Rohr befindlichen flüssigen Metall Wirbelströme hervorrufende zylindrische Magnetspule vorgesehen ist, die mit Wechselstrom von solcher Stärke gespeist ist, daß die von den Wirbelströmen erzeugten, einander bekanntermaßen abstoßenden Kräfte das flüssige Metall aus dem Innern der Spule ganz oder teilweise verdrängen.
Dabei wird vor allem die elektromagnetische Strahlungskraftkomponente zum Sperren des Durchflusses flüssiger Metalle ausgenutzt. Durch das elektromagnetische Feld wird in der Mitte der Spule eine radiale Kraftkomponente erzeugt, welche die flüssige Schmelze weitgehend zusammenschnürt. Durch .die vorgenannte radiale Kraftkomponente wird die Flüssigkeit so weit zusammengedrückt, wie es der Energieaufnahme und der mit kleiner werdendem Durchmesser geringer werdenden Energieaufnahme einerseits und dem vorliegenden statischen Baddruck andererseits im Gleichgewichtszustand entspricht. Die an den Spulenenden wirkenden axialen Kraftkomponenten sind unabhängig vom Durchmesser des flüssigen Gutes. Sie sind daher in der Lage, auch noch auf das zurückbleibende Metall dergestalt einzuwirken, daß flüssiges Metall vollkommen aus dem Mittelraum der Spule nach beiden Enden herausgedrückt wird.
Bei genügend großer Energieaufwendung wirkt somit die beschriebene Anordnung wie das Schließen eines Ventils. Bei geringerer Energieaufwendung tritt eine geringere Kraft auf, so daß die statische Kraft entsprechend überwiegt und eine Regulierung des Abflusses von dem Gefäß mit höherem Niveau zu dem mit niederem Badspiegelniveau durch Änderung des Stromes in der Spule möglich ist.
Die Wahl der Frequenz richtet sich nach der zweckmäßigsten Dimensionierung der Rohrleitung. Diese wiederum ist abhängig von der Größe des Gefäßes, der Höhe des Badspiegelunterschiedes, der Viskosität der Schmelze und der gewünschten Durchflußmenge pro Zeiteinheit.
Die Frequenz muß so groß sein, daß eine genügende Energieabsorption in dem Metall bei dem vorhergesehenen Rohrdurchmesser vorhanden ist.
Bei kleinerem Rohrdurchmesser werden höhere Frequenzen notwendig. Bei höherem spezifischem Widerstand muß die Frequenz ebenfalls höher als bei kleinerem spezifischem Widerstand sein. Im allgemeinen werden mittel- oder hochfrequente Ströme erforderlich sein, aber auch normale Netzfrequenzen können in Frage kommen.
Die Permeabilität spielt bei flüssigen Schmelzen keine Rolle, da flüssige Schmelzen (auch Eisen) sämtlich eine Permeabilität nahe 1 besitzen.
Für die Mehrzahl der Anwendungsfälle wird die Spule mit einer Kühleinrichtung, vorzugsweise Flüssigkeitskühlung an sich bekannter Art, auszurüsten sein. Diese wird besonders dann vorteilhaft sein, wenn die Spule, die einerseits durch den sie durchfließenden elektrischen Strom erhitzt wird, andererseits noch einer starken Wärmewirkung durch die Metallschmelze ausgesetzt ist.
Eine wassergekühlte Spule erlaubt gleichzeitig durch Ausstampfung innerhalb der Spule die Rohrform zweckmäßig und haltbar herzustellen.
Das Rohrstück, in dem der Durchfluß gesperrt werden soll, wird zweckmäßig aus elektrisch isolierendem, vorzugsweise keramischem Material hergestellt.
Insbesondere bei niedrig schmelzenden Metallen (Blei oder Zinn) und beim Betrieb der Einrichtung mit Strömen, deren Frequenz im Bereich der üblichen Netzfrequenzen oder im unteren Teil des Mittelfrequenzbereiches liegen, kann das Rohr auch aus Metall bestehen. Vorbedingung ist jedoch, daß die Rohrwandstärke im Verhältnis zur Eindringtiefe klein ist, so daß der größte Teil der Feldenergie in der Flüssigkeit wirksam wird. Ferromagnetisches Material und Metalle höher Leitfähigkeit sind dabei nach Möglichkeit zu vermeiden, weil dabei, wenn man nicht sehr dünnwandige Rohre nimmt, die Eindringtiefe in die Schmelze stark beschnitten wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Mit 1 ist ein Vorrats- oder Schmelztiegel, der durch ein Rohr 3 mit einem Aufnahme- oder Warmhaltetiegel 2 in Verbindung steht, bezeichnet. Solange durch das Rohr ein ungehinderter Metallfluß möglich ist, gleichen sich die Badspiegelstände nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren aus. Um das Verbindungsrohr 3 ist erfindungsgemäß eine Spule 4 angeordnet, die von einer Wechselstromquelle 5 gespeist wird. Mit 6 ist ein zur Spule parallel zu schaltender Kondensator, der zur Kompensation des Blindstromes dient, bezeichnet. Die Spule 4 kann wenn notwendig mit einer hier nicht dargestellten Flüssigkeitskühlung ausgestattet sein.
Die Einrichtung kann je nach den Verhältnissen auch anders, z. B. senkrecht oder schräg, angeordnet sein, wobei sich in gleicher Weise - wie eingangs beschrieben - der Durchfluß des flüssigen Metalls regulieren bzw. sperren läßt.
Die Erfindung kann auch bei Metallbädern angeordnet werden, die bereits bei Raumtemperatur oder einer wenig darüber liegenden Temperatur flüssig sind, wie z. B. Quecksilber.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zum Sperren des Durchflusses flüssiger Metalle durch ein Rohr, insbesondere für elektrische Sc'hmelzofeneinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Rohr koaxial umschließende, in dem im Rohr befindlichen flüssigen Metall Wirbelströme hervorrufende zvlindrische Magnetspule vorgesehen ist, die mit Wechselstrom von solcher Stärke gespeist ist, daß die von den Wirbelströmen erzeugten, einander bekanntermaßen abstoßenden Kräfte das flüssige Metall aus dem Innern der Spule ganz oder teilweise verdrängen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von mittel- oder hochfrequenten Strömen zur Erregung der Magnetspule.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr aus elektrisch isolierendem, vorzugsweise keramischem Material besteht.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Betrieb der Einrichtung mit Strömen, deren Frequenz im Bereich der üblichen Netzfrequenzen oder im unteren Teil des Mittelfrequenzbereiches liegt, das Rohr ganz oder teilweise aus Metall, vorzugsweise von niedriger elektrischer und magnetischer Leitfähigkeit, besteht und die Wandstärke geringer ist als die Eindringtiefe bei der verwendeten Frequenz.
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule flüssigkeitsgekühlt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 837 579; USA.-Patentschrift Nr. 2 536 859.