-
Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Induktions-Rinnenschmelzofens zum Schmelzen
von Metallen mit Doppelspule und einer mittleren und zwei seitlichen Schmelzrinnen,
die bei einem im wesentlichen über ihre Länge gleichbleibenden Querschnitt gerade
Seitenwände aufweisen.
-
Induktions-Rinnenschmelzöfen bestehen aus einem Herd und einer oder
mehreren versenkt angeordneten Induktionsspulen, um die herum die Schmelzrinnen
angeordnet sind. Die der Induktionsspule zugeführte elektrische Energie wird ganz
in Wärme umgewandelt. Das kalte Metall gelangt in den Herd. Da diese beiden Teile
Abstand voneinander haben, muß die in den Schmelzrinnen erzeugte Wärme so schnell
wie möglich in den Herd geleitet werden, wo sie benötigt wird, um das kalte Metall
zu schmelzen.
-
Da es von Vorteil ist, dir, Fließrichtung des flüssigen Metalls in
den Schmelzrinnen des Induktionsofens beizubehalten, sind bereits verschiedene Versuche
unternommen worden, um den Fluß in den Schmelzrinnen in einer Richtung zu gewährleisten,
wie aus der britischen Patentschrift 663 943 hervorgeht; jedoch hat sich
bei verschiedenen bekannten Ausführungen infolge von großem Energiebedarf beim Schmelzen
von Metallen mit hohem Schmelzpunkt durch örtliche überhitzung in den Schmelzrinnen
eine vorzeitige Zerstörung der Auskleidung ergeben; das bei dem bekannten Ofen verwendete
stromführende feuerfeste Rohr bricht leicht aus und löst sich bei Metallen mit hohem
Schmelzpunkt in dem geschmolzenen Eisen auf.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die ungleiche Temperaturverteilung in
den verschiedenen Schmelzrinnen eines Induktionsofens zu beseitigen, wobei die zuführbare
Energie höher sein und die Ofenleistung im Verhältnis zur zugeführten Energie verbessert
werden soll. Außerdem sollen Zuverlässigkeit und Lebensdauer der feuerfesten Auskleidun-
erhöht und eine größere Durchflußgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls erzielt
werden. Auch sollen in der mittleren Schmelzrinne niedrigere Temperaturen herrschen
als in den seitlichen Rinnen. Der Induktionsofen soll insoweit vielseitiger verwendbar
sein, als auch Metalle mit höherem Schmelzpunkt geschmolzen werden können.
-
Das wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das geschmolzene
Metall vom Herd aus zunächst bei niedriger Temperatur durch eine mittlere Schmelzrinne,
dann in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen durch eine Querrinne und anschließend
durch seitliche Rinnen bei einer höheren Temperatur in den Herd zurückgeleitet wird.
Dieser Durchflußverlauf ist dem bekannten Verlauf genau entgegengesetzt. Er ist
insofern günstig, weil in der mittleren Schmelzrinne weniger Raum zur Wärmeisolierung
vorhanden ist als in den seitlichen Rinnen, so daß in diesen höhere Temperaturen
als in der mittleren Rinne zugelassen werden können.
-
Nach einem weiteren Verfahrensmerkmal wird das geschmolzene a Metall
in der mittleren Schmelzrinne durch ein konzentrisches magnetisches Feld und in
den seitlichen Rinnen durch ein exzentrisches magnetisches Feld geleitet. Infolge
der verschiedenen magnetischen Felder in den verschiedenen Schmelzrinnen besteht
bei dem geschmolzenen Metall die Tendenz, in der beschriebenen Weise zu fließen,
d. h. vom Herd in die mittlere Rinne und von den seitlichen Rinnen zurück
zum Herd. Diese Tendenz kann nur dann voll ausgenutzt werden, wenn keine anderen
Kräfte in entgegengesetzter Richtung auf das Cr -
geschmolzene Metall einwirken.
Ein Gegeneinander wirken der verschiedenen Kräfte und damit eine überhitzung des
Metalls an gewissen Stellen der Schmelzrinnen wird also vermieden.
-
Der zur Ausübung des Verfahrens dienende Induktions-Rinnenschmelzofen
mit Doppelspule und einer mittleren und zwei seitlichen Schmelzrinnen, die bei einem
im wesentlichen über ihre Länge gleichbleibenden Querschnitt im wesentlichen gerade
Seitenwände aufweisen, besteht aus einem einräumigen Herd mit einer anschließend
angeordneten sekundären Umführung, die sich aus zwei im wesentlichen rechteckigen
Teilen zusammensetzt, die durch die mittlere Rinne, die zwei seitlichen Rinnen und
eine
Querrinne gebildet werden, wobei beide seitlichen Rinnen mit einer nach innen gekrümmten
Kante versehen sind.
-
Durch den im wesentlichen über ihre Länge gleichbleibenden Querschnitt
der mittleren und seitlichen Schmelzrinnen wird die Durchflußgeschwindigkeit erhöht.
Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß das geschmolzene Metall bei einer plötzlichen
Vergrößerung des Querschnitts der Schmelzrinnen schneller fließt, als wenn sich
der Querschnitt allmählich vergrößert. Dadurch werden gleichmäßige Betriebstemperaturen
erreicht und überhitzungszonen vermieden. Außerdem werden die Betriebstemperaturen
in den Schmelzrinnen allgemein gesenkt.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
Es zeigt F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Induktions-Rinnenschmelzofen,
F i g. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform,
F i g. 3 den Schnitt nach Linie X-X in F i g. 1
oder 2, F i
g. 4 und 5 isometrische Schaubilder der Rinnenformen nach F i
g. 1 und 2 mit ihrem Temperaturverlauf, F i g. 6 und 7 den
Durchflußverlauf des geschmolzenen Metalls durch die Rinnen nach F i g. 1
und 2, F i g. 8 den isometrischen Umriß einer bekannten Rinnenforin mit Temperaturverlauf,
F i g. 9 den Durchflußverlauf des geschmolzenen Metalls durch die Rinnenform
nach F i g. 8 und F i g. 10 ein Maßstab zum Ausmessen der Temperaturkurven
nach F i g. 4, 5 und 8.
-
Der Induktions-Rinnenschmelzofen besteht aus einem Gehäuse
1 mit einem Herd 2 und einer Doppelspule 8. Der Herd 2 ist mit einer
feuerfesten Auskleidung 3 versehen und kann bis zur Linie 2' mit geschmolzenem
Metall gefüllt werden. Durch die Doppelspule 8 entstehen drei im wesentlichen
parallele Schmelzrinnen 4, 5 und 6, die den Herd mit einer Querrinne
7 verbinden. Die Induktionsspulen 8
bestehen aus isoliertem Kupferdraht
und sind an eine nicht dargestellte Stromquelle, beispielsweise eine Wechselstromquelle
mit normaler Frequenz, angeschlossen. Durch die Primärwicklung ist ein an beiden
Seiten des Ofens in sich geschlossener Eisenkern 10 geführt. Der Transformator
ist in einem Gehäuse 12 untergebracht, in das ein Luftstrom durch ein Gebläse
13 zum Kühlen eingeleitet werden kann. Die unterhalb des Herdes angeordnete
sekundäre Umführung ist mittels Schrauben am Herd befestigt, die durch den Flansch
14 geführt sind. Der Ofen ist mit einem abnehmbaren Deckel 15 versehen.
-
Bei der Ausführung nach F i g. 2 sind die seitlichen Schmelzrinnen
4 und 6 länger als die mittlere Rinne 5. Die Verbindung zwischen dem
Herd 2 und der mittleren Rinne 5 ist trichterförmig ausgebildet, so daß der
übergang vom Herd 2 zur mittleren Rinne 5 allmählicher ist als bei der in
F i g. 1 dargestellten Ausführung. Außerdem ist der übergang vom Herd 2 in
die mittlere Rinne 5 allmählicher als der von der mittleren Rinne
5 in die Querrinne 7.
-
In den F i g. 4 und 5 ist jeweils eine isometrische
Umrißlinie der Schmelzrinnen als Abszisse dargestellt und die zugehörige Temperatur
als Ordinate aufgetragen. So zeigt die Länge der Linie 17 in F i
g. 4 die Temperatur an, die an der Stelle 16 der Querrinne
7 herrscht. Der Herd 2 und die Schmelzrinnen 4, 5, 6 und
7 sind in waagerechter Lage dargestellt. Die dargestellten Temperaturen sind
die Werte, um die die Herdtemperatur überschritten wird. Die niedrigste Temperatur
herrscht in der mittleren Rinne 5. Von hier aus steigt die Temperatur zu
den Austrittsstellen der seitlichen Rinnen 4, 6 in den Herd 5 hin
allmählich an. In F i g. 5 ist die gesamte Temperaturdifferenz,
d. h. die gesamte Zunahme der Temperatur vom Anfang bis zum Ende der Schmelzrinnen
wesentlich kleiner.
-
In F i g. 6 und 7 zeigen die kleinen Pfeile die Bewegungsrichtung
des flüssigen Metalls an verschiedenen Stellen der Schmelzrinnen 4, 5, 6
und 7 und im Herd 2 an. Das Metall bewegt sich im wesentlichen in der beabsichtigten
Richtung, d. h. vom Herd 2 in die mittlere Rinne 5 und von hieraus
über die Querrinne 7 zurück durch die Rinnen 4 und 6 in den Herd 2.
Aus den Durchflußverläufen ergibt sich in Verbindung mit den Temperaturkurven eindeutig,
daß das geschmolzene Metall in nur einer Richtung durch die Schmelzrinnen fließt
und von keinerlei Kräften nennenswerter Wirkung daran gehindert wird, seine Bewegungsrichtung
beizubehalten. Außerdem sind bei gleichzeitiger Senkung der Temperaturunterschiede
keine Überhitzungsstellen, die auf eine Stauung der Wärme hindeuten, mehr vorhanden,
weil die Temperatur der Schmelze von der Eintrittsstelle in die mittlere Schmelzrinne
bis zu der Austrittsstelle aus den seitlichen Rinnen fortwährend ansteigt sowie
infolge der höheren Geschwindigkeit über den gesamten Weg gleichmäßiger ist.
-
Aus F i g. 8 und 9 ist ersichtlich, daß die Temperaturunterschiede
bei dieser bekannten Ausführung im allgemeinen wesentlich größer sind als bei den
beiden Ausführungen gemäß der Erfindung. Die höchste Temperatur wird bereits im
unteren Teil der mittleren Rinne 5 erreicht. Die gleiche Höchsttemperatur
herrscht in der Querrinne 7 und in den Seitenrinnen 4 und 6 und nimmt
vor dem Austritt des Metalls in den Herd 2 ab. Die hohen Temperaturen entstehen
dadurch, daß das geschmolzene Metall nicht in einer Richtung fließt, sondern innerhalb
der Schmelzrinnen gestaut wird und Wirbel bildet. Alle diese Auswirkungen sind aus
dem Durchflußverlauf nach F i g. 9 deutlich. Die Pfeile geben einen Fluß
an, der keine bestimmte Richtung hat. An verschiedenen Stellen treten Wirbel t auf.
-
Die folgende Tabelle gibt einen zahlenmäßigen Vergleich zwischen dem
Erfindungsgegenstand und dem bekannten Ofen an.
| Bekannte Ausführung gemäß |
| Ausführun der Erfindung nach |
| 1 9 Fig. 1 Fig. 2 |
| Bewegte Metallmenge in kg pro/h ................................
12200 17400 29100 |
| Zunahme in % gegenüber der bekannten Ausführung ...............
43 138 |
| Temperaturunterschied in 1 C ....................................
33 23 13 |
| Senkung in C/o gegenüber der bekannten Ausführung
................ 30,6 61 |
Sämtliche Ermittlungen wurden an ein und demselben Ofen unter gleichen
Bedingungen vorgenommen. Das verwendete Metall war Blei. Die Temperatur im Herd
war etwa 400'C. Die aufgewendete Energie betrug etwa 14 kW.
-
Beiden Ausführungen gemäß der Erfindung ist ein sekundärer Umlauf
aus zwei im wesentlichen rechteckigen Teilen gemeinsam, die sich aus der mittleren
Rinne 5, zwei seitlichen Rinnen 4 und 6, die im wesentlichen mit der
mittleren Rinne 5 parallel verlaufen, einer Querrinne 7 und einem
Teil des Herdes 2 zusammensetzen, in den die drei Schmelzrinnen 4, 5 und
6 einmünden. Jede dieser Rinnen weist im wesentlichen über ihre Länge einen
gleichbleibenden Querschnitt und im wesentlichen gerade Seitenwände auf. Die unteren
Kanten der seitlichen Rinnen 4 und 6 und/oder der unteren Kanten der mittleren
Rinne 5 und!oder der unteren Kanten der Querrinne 7 sind abgerundet.
Die Querrinne 7 hat im wesentlichen über ihre Länge einen Querschnitt, der
mindestens gleich oder größer als der Querschnitt der seitlichen Rinnen und der
mittleren Rinne ist. Ein Vergleich des Durchflußverlaufes gemäß F i g. 6
und
7 mit dem Durchflußverlauf gemäß F i g. 9 zeigt deutlich die Verbesserung
des Durchflußbildes und die Vermeidung aller Strömungsstauungen. Der Durchflußverlauf
gemäß der Erfindung weist praktisch keine Wirbelbildung auf.
-
Die erweiterte Querrinne 7 in Verbindung mit einer Abrundung
der unteren Kanten der mittleren Rinne 5 hat eine überraschende Erhöhung
der Durchflußgeschwindigkeit des Metalls durch die Schmelzrinne zur Folge. Dadurch
ist der Anstieg der Temperatur in den Schmelzrinnen über die Herdtemperatur hinaus
verhältnismäßig gering und im wesentlichen in den verschiedenen Rinnen gleichmäßig.
In der mittleren Rinne 5 und in der Querrinne 7 ist der Temperaturanstieg
etwas geringer als in den seitlichen Rinnen 4 und 6. Bei der bekannten Ausführung
gemäß F i g. 8 und 9 liegen dagegen die Temperaturen in der Querrinne
7 und in den angrenzenden Teilen der mittleren und der seitlichen Rinnen
am höchsten und sind verhältnismäßig hoch im Vergleich zu der Herdtemperatur.