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Rinnenofen Die Erfindung betrifft elektrische Schmelzöfen, bei denen
an der die Schmelze enthaltenden Wanne od. dgl. mindestens eine U-förmige; mit der
Schmelze gefüllte Rinne angeschlossen ist und in der Schmelze durch eine sogenannte
Induktoreinheit ein Strom durch Induktion erzeugt wird.
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Bei Öfen der genannten Art wirken auch elektrodynamische Kräfte auf
die in der Rinne befindliche Schmelze (»Pinch-Effekt«), derart, daß ein Fließen
der Schmelze durch die Rinne zustandekommt. Diese Strömung erfaßt aber oft nicht
den gesamten Inhalt der Schmelzwanne, so daß Teile der Schmelze in der Rinne überhitzt
werden. Große. überhitzungen erhält man gewöhnlich bei Öfen mit vertikal oder beinahe
vertikal unter der Schmelzwanne angebrachten Rinnen im längsten Teil der Rinne.
Es kann jedoch auch in anderen Teilen der Rinne oder Rinnen eine große Temperaturerhöhung
erhalten werden. Eine solche Überhitzung kann zur Folge haben, daß die Wände der
Rinne ungleichmäßig verchleißen, daß chemische Reaktionen zwischen der Schmelze
und dem Wandmaterial beschleunigt werden oder die Bildung von Oxyden gefördert wird,
die sich in der Rinne sammeln und diese allmählich verstopfen, was eine weitere
lokale überhitzung der Schmelze zur Folge hat. Da diese Öfen für kontinuierlichen
Betrieb vorgesehen sind, müssen Betriebsunterbrechungen möb lichst vermieden werden.
Diese entstehen in den meisten Fällen dadurch, daß die Rinne durchbricht oder verstopft
wird, d. h., die Rinne ist der empfindlichste Teil des Ofens.
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Man hat versucht, die örtlichen Überhitzungen der Schmelze dadurch
abzustellen, daß man die Heizspule innerhalb der Rinne mit mehreren Umrührspulen
versehen hat. Das ist jedoch relativ kompliziert, weil der Raum begrenzt ist, man
erhält meist eine zu geringe Umrührkraft. Der magnetische Fluß der Heizspule verursacht
zusätzliche Verluste in den Umrührspulen. Außerdem wird der von diesen kommende
Fluß in einem gewissen Maße durch die Induktionsspule abgeschirmt.
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Die Erfindung betrifft einen Rinnenofen mit mindestens einer Induktoreinheit,
die wenigstens eine Spule, einen Eisenkern und eine um die Spule herum verlaufende
Rinne hat, wobei diese aus zwei in den Schmelzbehälter mündenden Seitenkanälen und
einem Bodenkanal besteht, der die Seitenkanäle miteinander verbindet. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite der Induktoreinheit mindestens
ein elektromagnetischer Umrührer angebracht ist. Hierdurch gewinnt man den Vorteil,
daß herkömmliche Umrührer, wie sie beispielsweise bei Lichtbogenöfen bekannt sind,
verwendet und mit einer wirksamen Kühlung versehen werden können, ohne daß die Induktoreinheit
besonders viel Platz einzunehmen braucht. Der Umrührer hat dabei keine nennenswerte
Einwirkung auf das elektrische Feld der Heizspule.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer Induktoreinheit
mit zwei Spulen und Doppelrinnen mit einem gemeinsamen zentralen Kanal und je einem
Seitenkanal und einem den zentralen Kanal und die Seitenkanäle verbindenden Bodenkanal
sowie aus einem oder zwei Eisenkernen, die die Spule bzw. Spulen durchsetzen. Hierbei
ist am Bodenkanal mindestens ein Umrührer angeordnet und/oder mindestens ein Umrührer
an einem oder beiden Seitenkanälen oder am zentralen Kanal. Bei dieser Ausführungsform
kann in einfacher Weise eine Strömung in einer Richtung in den Rinnen erreicht werden.
Man kann durch zweckmäßige Wahl der Umrührrichtung oder -richtungen eine Strömungsrichtung
von dem Behälter der Schmelze in den zentralen Kanal oder in die Seitenkanäle oder
umgekehrt oder auch von dem Behälter in den einen und die umgekehrte Richtung in
den anderen Seitenkanal erhalten. Der Wechsel zwischen verschiedenen Strömungsrichtungen
kann auch schnell erfolgen, alles mit dem Zweck, eine überhitzung in den Kanälen
zu verhindern, die Erwärmung der Schmelze zu verbessern und gleichzeitig auch im
Behälter der Schmelze
eine Umrührung zu erhalten, die für den metallurgischen
Prozeß nützlich ist. Man kann auch eine solche Umrührung ohne Strom in den Induktionsspulen
erhalten, z. B. für die Reinigung der Rinne oder zum Erreichen von gewissen metallurgischen
Prozessen im Behälter.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden an Hand
der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen F i g. 1 und 2 zwei Schnitte eines Einzelrinneninduktors
mit Umrührern, F i g. 3 und 4 entsprechende Schnitte eines Doppelrinneninduktors,
F i g. 5 eine alternative Anordnung des Umrührers und F i g. 6 eine besondere Ausführung
der Rinne.
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In F i g. 1 und 2 ist der Schmelzraum bzw. der Herd des Ofens mit
1 bezeichnet. An diesem können ein oder mehrere Rinneninduktoren angeschlossen sein,
im Ausführungsbeispiel ist ein Rinneninduktor mit zwei Seitenkanälen und einem Bodenkanal
gezeigt, die zusammen eine mit dem Herd 1 verbundene Rinne 2 bilden. Eine auf einem
Eisenkern 3 angebrachte Spule 4, die netzfrequenzgespeist ist, induziert einen Strom
in der mit flüssigem Metall gefüllten Rinne 2. An den Außenseiten des die Rinne
bildenden Ofenfutters 5 ist eine elektromagnetische, ein- oder mehrphasig gespeiste
Umrührerwicklung mit Eisenkern angebracht, die mit Netzfrequenz oder niedrigererFrequenz
gespeist wird. Der Umrührer kann entweder unter dem Bodenkanal oder an einem oder
beiden Seitenkanälen oder auch an allen drei Kanälen angeordnet sein; in der Zeichnung
sind diese Lagen mit 6, 7 und 8 bezeichnet.
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Der Umrührer 6, 7 bzw. 8 kann eine Stab- oder Spulenwicklung haben,
d. h. wie der Stator einer Asynchronmaschine aussehen und in beiden Fällen mit Wasser-
oder mit Luftkühlung versehen sein. Die Pfeile in den verschiedenen Kanälen in F
i g. 1 zeigen die Umrührrichtung für die Schmelze in der Rinne, die auch umgekehrt
sein oder zwischen zwei Richtungen wechseln kann. Der Umrührer kann mit besonders
niedriger Frequenz (0,4 bis 10 Hz) gespeist werden (mehrphasig), mit dem Zweck,
eine motorische Umrührung zu bewirken. Die Induktoreinheit kann auch austauschbar
gemacht werden, z. B. gemäß dem schweizerischen Patent 393 568.
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In F i g. 3 und 4 ist ein Doppelrinneninduktor gezeigt, der austauschbar
am Ofenkörper 10 einer Schmelzwanne 9 angebracht ist. Die Induktoreinheit
ist vom Doppelrinnentyp mit zwei Zwillingsspulen 11, 12, die ein- oder zweiphasig
gespeist und auf einem oder zwei (s. F i g. 3) Eisenkernen 13, 14 sitzen.
Die Rinnen bestehen aus einer gemeinsamen zentralen Rinne 15 und zwei Seitenrinnen
16, 17 sowie einem diese drei Rinnen verbindenden Bodenkanal 18. Im gezeigten
Fall ist die Rinne wie ein ca ausgebildet, sie kann aber auch rechtwinklig sein.
Der zentrale Kanal 15 hat einen nach oben breiter werdenden Querschnitt, alle Ecken
des Bodenkanals 18 sind abgerundet, um eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze
zu erreichen. Der zentrale Kanal 15 kann auch mit einem konstanten Querschnitt
ausgeführt werden.
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Unter dem Bodenkanal 18, außerhalb des Ofenfutters 19, ist
ein Umrührer 20, 21 mit einer wesentlichen Erstreckung auf beiden Seiten der Symmetrieebene
der Induktoreinheit angeordnet, der sich eventuell sogar längs der Induktorseiten
ganz oder teilweise nach oben erstreckt (s. die gestrichelten Linien). Der Umrührer
kann ein Ganzes sein oder an der Symmetrieebene in zwei Teile 20, 21 oder
mehrere Teile oder in mehrere Abschnitte mit voneinander unabhängig umkehrbaren
Umrührrichtungen aufgeteilt sein. Die Induktoreinheit kann alternativ mit einem,
zwei oder mehreren Umrührern 22, 23, versehen sein, die an den Seiten des Induktors
liegen, oder auch mit Umrührern an allen Seiten. Alternativ kann die Induktoreinheit
mit einem oder zwei Umrührern 24, 25
für den zentralen Kanal 15 versehen
sein, was schematisch aus F i g. 5 hervorgeht, die einen Horizontalschnitt durch
eine Induktoreinheit zeigt. Die Induktoreinheit ist von einer Abschirmung
34 umgeben, die aus einem nicht ferromagnetischen Material besteht, das gleichzeitig
ein guter elektrischer Leiter ist, wie z. B. Kupfer oder Aluminium. Die Abschirmung
34
verläuft längs der Wand der Induktoreinheit, aber außerhalb des Umrührers
20, 21, sowohl in der Längsrichtung (F i g. 3) als auch in der Querrichtung
(F i g. 4), aber innerhalb des magnetischen Mantels des Induktorgefäßes. Der Vorteil
dabei ist, daß der Hauptfluß von den Spulen 11, 12 und der Streufluß von den Kernen
13, 14 keine schädliche Wirkung auf den Umrührer ausüben können.
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An der Heizspule 11, 12 sind Streufiußblechpakete 27 angeordnet mit
dem Zweck, den Streufluß vorbei am Umrührer und direkt zum Eisenkern 13, 14
zu leiten. Daher sind sie so nahe wie möglich an der Spule 11 bzw. 12 angeordnet.
Dadurch verläuft dieses Streufeld im wesentlichen konzentrisch zur Spule 11 bzw.12
(s. F i g. 4).
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Die Induktoreinheit nach F i g. 3 und 4 ist auch im Betrieb des Ofens
austauschbar und beispielsweise nach der obengenannten Patentschrift ausgeführt.
Die Induktoreinheit ist in üblicher Weise mit Flüssigkeitskühlung versehen, deren
Rohre in F i g. 3 und 4 mit 35 bezeichnet sind. Beim Umrührer dienen Kühlrohre 26
auch zur Kühlung des Induktorgefäßes (F i g. 3).
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Die Umrührrichtung im Umrührer nach F i g. 3 kann in folgender Weise
ausgenutzt werden.
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Die Richtung I in den Teilen 20 und 21 ergibt eine abwärts gerichtete
Strömung in den Kanälen 16 und 17 und eine aufwärts gerichtete Strömung im zentralen
Kanal 15.
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Die Richtung 1I ergibt die entgegengesetzte Strömungsrichtung.
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Die Richtung III, d. h. dieselbe Richtung wie in 20 und
21, ergibt eine abwärts gerichtete Strömung im linken Seitenkanal 16, eine
nach rechts gerichtete Strömung im Bodenkanal 18 und eine aufwärts gerichtete Strömung
im rechten Seitenkanal 17.
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Die Richtung IV ergibt eine entgegengesetzte Strömungsrichtung.
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Das Verhältnis im zentralen Kanal 15 bei den Alternativen III
und IV ist, daß nur eine unbedeutende und überwiegend aufwärts gerichtete Strömung
in diesem erhalten wird.
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In F i g. 6 ist eine Ausführung der Rinne mit großem Querschnitt im
zentralen Kanal 29 und kleineren Querschnitten in den Seitenkanälen 28 und
3® gezeigt. Die beiden Umrührer 31 und 32 wirken bei dieser Ausführung so, als ob
jeder von ihnen eine einzige Rinne beeinflussen würde.
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Am Ofenkörper 10 kann eine größere Anzahl Induktoren mit verschiedener
Neigung im Verhältnis zur Vertikalebene durch die Längsachse des Ofens
angebracht
werden. Der Ofen kann auch als Vakuumofen ausgeführt oder in einem Vakuumtank angebracht
sein, wobei der Raum über der Schmelze durch eine oder mehrere Leitungen mit einer
Vakuumanlage verbunden ist. Eventuell können die Umrührer und/oder die Spule der
Induktoreinheit und der Kern dabei unter atmosphärischem Druck stehen, um Glimmen
an der Wicklung zu vermeiden.
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Durch die Einwirkung der Umrührer wird der Entgasungseffekt sehr groß,
weil die ganze Schmelze die Oberflächenschicht durchfließt. Die Anordnung der Umrührer
ergibt einen wesentlich größeren Entgasungseffekt als bei einer Umrührung, die nur
durch den »Pinch«-Effekt in der Schmelzrinne verursacht wird.