DE1296754B

DE1296754B - Elektromagnetisches Ruehrwerk zum Durchmischen einer Metallschmelze

Info

Publication number: DE1296754B
Application number: DEP37650A
Authority: DE
Inventors: Taylor Kendrick Cashman; Kennedy Theodore Roosevelt
Original assignee: Pennsalt Chemical Corp
Current assignee: Pennwalt Corp
Priority date: 1964-09-15
Filing date: 1965-09-14
Publication date: 1969-06-04
Also published as: US3330900A; GB1111674A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ausnutzung der zugeführten Mehrphasenleistung zu Rührwerk, welches nach dem Niederfrequenz-Mehr- erzielen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert phasensystem arbeitet und zum Durchmischen einer Rührkräfte, welche eine bemerkenswerte seknrechte Metallschmelze dient, welche sich in einer Gieß- Komponente beinhalten, die in ihrer Richtung umpfanne, einem Schmelztiegel oder einem ähnlichen Ge- 5 kehrbar ist.

f äß befindet. Die Erfindung sei nunmehr an Hand der nachstehen-

Es ist bekannt, in der Schmelz- und Gießtechnik zum den Beschreibung und der Zeichnungen näher erläutert. Durchmischen einer Schmelze (z. B. zwecks besseren Die Zeichnungen geben beispielhafte Ausführungs-Legierens oder bei einer Vakuumbehandlung, Ent- formen und Anwendungen des erfindungsgemäßen oxydierung, Entgasung od. dgl,) elektromagnetische io Rührwerkes schematisch wieder. Rühreinrichtungen anzuwenden. F i g. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Vakuum-

Solche Einrichtungen weisen durch niederfrequenten entgasungsofens, bei welchem das erfindungsgemäße Mehrphasenstrom gespeiste Spulensätze auf, deren Rührwerk für geschmolzenes Metall verwendet wird; Einzelspulen so angeordnet sind, daß deren Magnet- F i g. 2 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren

feider in die Metallschmelze eindringen und in letzterer 15 Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rührwerkes durch Wirbelstrombildung ein Bewegungsmoment aus- für geschmolzenes Metall, welches sich in einer Gießlösen, pfanne befindet, und

Bei der praktischen Anwendung der magnetischen F i g. 3 ist ein Phasenzeitdiagramm des vierphasigen

Rührung von Metallschmelzen hat man bisher das elektrischen Kraftsystems nach F i g. 1 und 2. mit Mehrphasenstrom gespeiste Spulenaggregat an der 20 Die in F i g. 1 gezeigte Gesamtvorrichtung 10 be-Außenwandung bzw. unter dem Boden des Behältnisses steht aus einer Vakuumkammer 12 mit einem becher-(z. B. Schmelzofenmulde, Tiegel, Pfanne) angebracht, förmigen Bodenteil 14 und einem Deckel 16. in welchem sich die Metallschmelze befand. Da aber Der Deckel 16 besitzt einen Umfangsflansch 18, der

praktisch alle in der Schmelz- und Gießtechnik zur mit einem Umfangsflansch 20 an den oberen Kanten Aufnahme geschmolzenen Metalls verwendeten Be- 25 des Bodenteiles 14 zusammentrifft und so einen dichten hältnisse aus einem kräftigen Stahlmantel mit einer Verschluß bildet. Die Vakuumkammer 12 besitzt einen geeigneten inneren feuerfesten Auskleidung bestehen, äußeren Stahlmantel 22 und eine feuerfeste innere wurden bei dieser Anordnung die elektromagnetischen Auskleidung 24. Eine Vakuumpumpe 26 ist über eine Rührkräfte durch die Abschirmungswirkung eines Saugleitung 28 mit dem Saugstutzen 30 am unteren solchen Stahlmantels in unzulässigem Ausmaß ge- 30 Ende des Bodenteils 14 verbunden, schwächt. Innerhalb des becherförmigen Bodenteiles 14 be-

Aus diesem Grunde hat man bereits versucht, die findet sich ein Tiegelstuhl 32 mit einem Einschnitt 34 Induktionsspulenanordnung auf der Innenseite des zur Aufnahme eines Tiegels 36. Der Tiegel 36 besitzt Stahlmantels in der feuerfesten Auskleidung unterzu- einen äußeren Stahlmantel 38 und eine feuerfeste innere bringen. Dies führt jedoch zu dem Nachteil, daß das 35 Auskleidung 40. Geschmolzenes Metall 42 wird in den Rührsystem untrennbar mit dem Behältnis verbunden Tiegel 36 zur Entgasung eingebracht. Der Tiegel 36 ist, die Rühreinrichtung also nicht anderweitig einge- wird im Tiegelstuhl 32 durch Zapfen 44 und 46 gesetzt werden kann. Dadurch wird die Anwendbarkeit halten, die sich an der oberen Oberfläche des Tiegeldes Rührers erheblich eingeschränkt. Stuhls 32 befinden. Zum Entgasen des geschmolzenen

Die Erfindung hat es sich nun zur Aufgabe gestellt, 4° Metalls 42 zieht die Vakuumpumpe 26 die atmozum Durchmischen einer Metallschmelze ein elektro- sphärische Luft aus der Kammer 12 ab. Zur Förderung magnetisches Rührwerk zu schaffen, bei welchem des Entgasens dient das erfindungsgemäße magnetische einerseits die elektromagnetischen Rührkräfte weit Rührwerk 48. Dieses ist auf der inneren Oberfläche 24 weniger als bisher einer unerwünschten Abschirmung des Deckels 16 durch mehrere Halter 50 gehalten, bzw. Schwächung unterliegen und andererseits das 45 Das magnetische Rührwerk 48 ist fingerförmig ge-Rührwerk nicht untrennbar mit dem Schmelzgefäß staltet und besteht aus einer auswechselbaren, vorverbunden ist, sondern eine leicht transportable Ein- zugsweise becherförmigen Hülle 52 mit kreisförmigem heit für sich bildet und jederzeit in Verbindung mit Querschnitt. Diese in die Schmelze eintauchende jeder beliebigen, in der Praxis gängigen Schmelzein- Hülle 52 wirkt als Schutzhülse für das magnetische richtung (ζ. B. Schmelzofen, Gießpfanne, Vakuum- 50 Rührwerk 48 und besteht aus einem Material, welches schmelz- und -entgasungseinrichtung usw.) verwendet gegen Wärmestöße widerstandsfähig, ein schlechter werden kann. Wärmeleiter und ein guter elektrischer Isolator ist.

Die gestellte Aufgabe wird durch den Erfindungs- Ein geeignetes Material ist gegossene, gesinterte

gegenstand gelöst. Dieser ist ein nach dem Niederfre- Kieselerde. Ein Graphit auf Siliciumdioxyd-Kohlenquenz-Mehrphasensystem arbeitendes, elektromagne- 55 stoff-Basis ist ebenfalls ein geeignetes Hüllenmaterial, tisches Rührwerk zum Durchmischen einer Metall- Das Hüllenmaterial sollte nicht kostspielig sein, damit schmelze, welche sich in einer Gießpfanne, einem ein baldiger Austausch der Hülle, welcher wegen ihrer Schmelztiegel oder einem ähnlichen Gefäß befindet. starken Beanspruchung infolge der hohen Tempera-Das erfindungsgemäße Rührwerk ist dadurch gekenn- türen notwendig wird, auch vertretbar ist. Die Hülle 52 zeichnet, daß es eine in die Schmelze eintauchende 60 kann auch aus Graphit bestehen und ein geschlossenes Hülle aus einem der Schmelze gegenüber beständigen Ende aufweisen. Sie kann mit einem dünnen Überzug Material aufweist und daß die Hülle eine innere Aus- aus Aluminium oder einem ähnlichen Metall abgekleidung besitzt, welche als Wicklungshalter für deckt werden, um zu verhüten, daß der Graphit vom mehrere, axial im Abstand voneinander angeordnete, geschmolzenen Metall angegriffen wird. Ein übliches elektrische Spulen dient. 65 feuerfestes Material kann sich im Inneren der Graphit-

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Rührwerks ist es hülle befinden, um die Spule thermisch zu isoüberdies möglich, bei einer auf einem Mindestmaß ge- Heren,
haltenen Erwärmung der Vorrichtung eine maximale Auf der Innenseite der Hülle 52 befindet sich eine

Auskleidung 54, welche als Wicklungshalter für die setzung der Formel (1) in Formel (3):
Induktionsspulen des Rührers 48 dient.

Vier Spulen 56, 58, 60 und 62 sind innerhalb der _tg < _0>06jjr»_ ^ ^

Auskleidung 54 konzentrisch um die senkrechte Achse r_s· μ_$· f

der Auskleidung 54 angeordnet. Diese Spulen sind mit 5

einer Mehrphasenniederfrequenzquelle verbunden, wel- worin x_s der spezifische elektrische Widerstand der ehe bei 64 angeschlossen wird. Die Spulenanschlüsse Auskleidung 54 in Mikroohmzentimetern und μ_$ die werden durch den Deckel 16 hindurchgeführt. Unter magnetische Permeabilität des Stahles der Auskleidung Niederfrequenzquelle ist hier eine Stromquelle im 54 ist.

Frequenzbereich von etwa 0,1 bis 60 Hertz zu ver- io Unter der Bedingung der Gleichung (4) kann die in stehen. Im höheren Bereich dieser Frequenzen er- der Auskleidung 54 verlorengehende Energie die folgt ein Erhitzen des geschmolzenen Metalls, während Hälfte der Leistung sein, die in dem geschmolzenen bei den niedrigeren Frequenzen ein maximales Rühren Metall 42 induziert wird. Derartige Bedingungen sind erzielt wird. durchaus noch annehmbar.

Bei der Konstruktion eines Mehrphasenrührsystems 15 Die Induktionsspulen 56, 58, 60 und 62 müssen müssen gewisse Bedingungen erfüllt werden. Zunächst ebenfalls richtig dimensioniert werden. Abgesehen von muß die Frequenz des wechselnden magnetischen der Wahl der richtigen Windungszahl, der Isolation Feldes, das von den Spulen 56, 58, 60 und 62 aufge- usw. ist die Anzahl der Spulen, die zusammen mit der baut wird, so gewählt werden, daß die Stromeindring- Anzahl der Phasen und der Reihenfolge ihrer Vertiefe in das Metall geringer ist als die Dicke des zu 20 bindung untereinander verwendet werden, bedeutungsrührenden geschmolzenen Metallbades. Die Stromein- voll. Man könnte denken, daß eine große Anzahl von dringtiefe d_m wird durch die bekannte Beziehung: Spulen und Phasen wünschenswert ist. In der Praxis

ist es jedoch wirtschaftlicher, Spulen für Zweiphasen-

^τ /i\ oder Dreiphasensysteme zu verwenden. Unter ge-

μ f 25 wissen Bedingungen ist es vorteilhaft, das normale zusätzliche Vierphasen- oder Sechsphasensystem zu verdefiniert, worin τ der spezifische elektrische Wider- wenden, so daß die Induktionsspulen als vollständige stand des geschmolzenen Metalls 42 in Mikroohm- Einheit keine bedeutenden Ströme in den Metallaufzentimetern ist, μ die magnetische Durchlässigkeit des bauten erzeugen, die das Rührwerk umschließen, geschmolzenen Metalls 42 und / die Frequenz der 30 Es hat sich gezeigt, daß zur Erzeugung einer linearen Mehrphasenniederfrequenzquelle 64. Der Faktor τ liegt Bewegung des geschmolzenen Metalls 42 im Tiegel 36 in der Größenordnung von 200 Mikroohmzenti- verhälnismäßig kurze Phasenspulen am wirksamsten metern für geschmolzenen Stahl, und μ ist im wesent- sind. Es ergibt sich, daß benachbarte Phasenspulen, liehen für geschmolzene Metalle einheitlich. Der welche in ihrer axialen Länge im Verhältnis zu ihrem Wert d_m stellt die Stromeindringtiefe durch die Hülle52 35 Durchmesser kurz sind, einen erhöhten Grad gegenhindurch in das geschmolzene Metall 42 dar. Die seitiger Induktanz besitzen. Das magnetische Feld Dicke der geschmolzenen Metallmasse 42 ist gleich dem zweier aufeinanderfolgender Spulen ist ein Maß der inneren Radius der feuerfesten Tiegelauskleidung 40 Verschiebungsenergie, die als in einer Richtung ausminus dem Außenradius der Hülle 52. Das Ver- gerichtete Kraft auf das geschmolzene Metall 42 hältnis von d_m zum Radius der inneren Oberfläche des 4° wirkt. Die Spulen sollten in axialer Richtung nicht Tiegels sollte zwischen 0,3 und 0,8, vorzugsweise länger sein, als etwa ihr Radius beträgt, und sie zwischen 0,5 und 0,8 liegen. können innerhalb praktischer Grenzen auf geringere

Die Auskleidung 54 des Rührers besteht Vorzugs- Längen verkürzt werden. Jedoch darf die Spulenverweise aus nichtmagnetischem Stahl. Diese kann bei- kürzung nicht so weit getrieben werden, daß nur noch spielsweise einen spezifischen elektrischen Widerstand 45 flache Wirbelströme entlang der äußeren Oberfläche von fünfundsiebzig Mikrozentimetern aufweisen. Die der Hülle 52 des magnetischen Rührwerks 48 fort-Stromeindringtiefe in das Material der Auskleidung 54 lauf en, welche keinen genügenden Eingang in das gegemäß Gleichung (1) sei d_s und in der folgenden schmolzene Metall 42 finden.

Gleichung: Zwischen entgegengesetzt polarisierten Spulen glei-

ds² _n-. 50 eher Phase sollte der Abstand zwischen den axialen

^K ⁼ ~~' ") Mitten dieser Spulen 56, 60 bzw. 58, 62 nicht geringer

^{s s} sein als die doppelte Summe des radialen Abstandes

bedeutet K das Verhältnis von d_s zu dem Produkt aus zwischen der Außenseite der Spulen und der Außendem mittleren Radius r_s der Auskleidung 54 und der seite der Hülle 52 plus einem Fünftel der Stromein-Dicke ts der Auskleidung 54. Es ist durch Versuche 55 dringtiefe d_m in das geschmolzene Metall gemäß festgestellt worden, daß ein Wert für K von etwa 10 Gleichung (1). Für Spulenaggregate, welche die gleiche in Gleichung (2) als ein brauchbarer Kompromiß Anzahl Spulen aufweisen wie die Zahl der elektrischen zwischen der in der Auskleidung 54 erzeugten und Phasen, kann die Spule so lang sein wie ihr Radius, sie verlorenen Wärme und den Rührwirkungen anzusehen kann aber auch so kurz sein, daß ihre Länge gleich ist, welche in dem geschmolzenen Metall erzeugt wer- 60 dem radialen Abstand zwischen Spule und geschmolden. Ein Wert für K von mehr als 10 ist vorteilhaft, und zenem Metall ist.
ein Wert abwärts bis zu 5 kann noch annehmbar sein. In F i g. 2 wird eine weitere Ausführungsform ge-

Die Gleichung (2) kann also wie folgt formuliert zeigt, wobei ein erfindungsgemäßes magnetisches werden: Rührwerk 48' in Verbindung mit einem Tiegel 36'

d_s ² 65 verwendet wird, um geschmolzenes Metall 42' zu

^ts < 5,r^^cm^ ^ ' rühren. Der Tiegel36' ruht auf einem geeigneten

^s Tiegelstuhl 32' außerhalb einer Vakuumkammer. Das

oder vorzugsweise, wenn K = 10 ist und unter Ein- Rühren der Metallschmelze 42' erfolgt hier zwecks

Hinzufügen von Legierungsmaterialien od. dgl. Das Rührwerk 48' ist an einem Haken 66 eines Stahlwerkkranes aufgehängt. So kann das magnetische Rührwerk 48' in einem Stahlwerk umhergefahren und überall dort eingesetzt werden, wo es notwendig ist. Der Haken 66 ist mit Kabeln 68 verbunden, die an den Außenkanten eines Trägerkreuzes 70 befestigt sind. Das Trägerkreuz befindet sich an der Oberseite des Rührwerks 48'. Das Rührwerk 48' besitzt eine äußere austauschbare becherförmige Hülle 52' und eine innere Auskleidung 54' ähnlich der Hülle 52 und der Auskleidung 54 in F i g. 1. Spulen 56', 58', 60' und 62' sind innerhalb des Rührwerks 48' montiert und mit einer Mehrphasenniederfrequenzstromquelle verbunden. Zusätzlich trägt das Trägerkreuz 70 einen ferromagnetischen Kern 72, der sich axial durch die Spulen 56', 58', 60' und 62' erstreckt. Der Kern 72 verbessert die Wirksamkeit des magnetischen Rührwerkes durch eine wesentliche Erhöhung des Kraftlmienflusses, der durch die Mehrphasenstromquelle erzeugt wird.

Für die Konstruktion der Spulen 56', 58', 60' und 62' und der Auskleidung 54' gilt das gleiche, wie unter Bezugnahme auf die Ausführungsform nach F i g. 1 bereits besprochen wurde. Bei beiden Ausführungsformen wurde angenommen, daß alle Spulen im wesent- liehen von gleicher axialer Länge sind, aber es ist klar, daß sie im Durchmesser verschieden sein können, wenn eine Verjüngung des magnetischen Rührwerkes 48 oder 48' oder eine Verjüngung der Tiegel 36 und 36' angestrebt ist.

Erfindungsgemäß wird ein besseres Rührgerät für geschmolzenes Metall geschaffen, welches bequem an jede beliebige Stelle eines Stahlwerkes transportiert werden kann. Zusätzlich können die Spulen wassergekühlt werden, wenn geeignete Wasserleitungen zum Rührwerk vorgesehen sind. Das erfindungsgemäße Rührwerk bewirkt ein wirksameres Rühren durch Ausschaltung äußerer magnetischer Flüsse, und das geschmolzene Metall wird in einer Richtung gleichmäßig von oben bis unten in seinem Behältnis vermischt. Durch einfachse Umkehren der Erregung der Phasenspulen kann auch die Mischrichtung umgekehrt werden. Eine Erhitzung der Auskleidung 54 wird durch die beschriebene Bemessung ihrer Dicke auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

Claims

Patentansprüche:

1. Nach dem Niederfrequenz-Mehrphasensystem arbeitendes, elektromagnetisches Rührwerk zum Durchmischen einer Metallschmelze, welche sich in einer Gießpfanne, einem Schmelztiegel oder einem ähnlichen Gefäß befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Rührwerk eine in die Schmelze eintauchende Hülle (52) aus einem der Schmelze gegenüber beständigen Material aufweist und daß die Hülle (52) eine innere Auskleidung (54) besitzt, welche als Wicklungshalter für mehrere, axial im Abstand voneinander angeordnete, elektrische Spulen (56, 58, 60, 62) dient.

2. Rührwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (52) einen kreisförmigen Querschnitt besitzt.

3. Rührwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Auskleidung (54)

j 2

geringer ist als -y^¹—, wobei d_s die Stromeindring-

tiefe in das Material der Auskleidung und r« den mittleren Radius der Auskleidung bedeutet.

4. Rührwerk nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen (56, 58, 60, 62) höchstens so lang ist wie ihr Radius, jedoch mindestens so lang ist, daß ihre Länge dem radialen Abstand zwischen Spule und äußerer Oberfläche der Hülle (52) entspricht, wobei die Anzahl der Spulen gleich der Phasenzahl des angewandten, induzierenden Niederfrequenz-Mehrphasenstromes ist.

5. Rührwerk nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (54) aus nichtmagnetischem Stahl besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen