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Die Erfindung betrifft eine Auskleidung für kernlose Induktions-öfen
aus feuerfesten Steinen.
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Die zunehmende Entwicklung größerer Induktionsöfen, z. B. öfen mit
einer Kapazität von mehr als 200 t, und stärker automatisierter und überlegen gesteuerter
Anordnunaen haben erhebliche Auswirkungen auf die feuerfesten Materialien gehabt,
die früher für das Auskleiden derartiger öfen angewandt worden sind. Ein Ergebnis
besteht darin, daß Materialien höherer Reinheit Anwendung fanden, jedoch stellt
dies noch nicht die vollständige Lösung der anstehenden Probleme dar.
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Früher wurden eingestampfte Auskleidungen als die zweckmäßigste Bauform
für einen Induktions-Ofen betrachtet, da diese Ausstampfung monolithisch ist,
d. h. keinerlei Risse oder Fugen vorliegen, durch die das geschmolzene Metall
zu den Spulen, Kühlleitungen u. dgl. gelangen kann. Die ausgeprägte Neigung vieler
Einstampfgemische zu schrumpfen, ist ebenfalls als zweckmäßig erachtet worden, da
sich hierdurch eine dichtere, undurchlässigere Auskleidung ergibt.
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in C sehr großen Gefäßen jedoch haben sich monolithische Auskleidungen
nicht so zufriedenstellend erwiesen, wie dies angestrebt wird. Es haben sich nicht
nur Schwierigkeiten bezüglich der Arbeitskräfte und der Anforderungen an die Materialien
zum Herstellen monolithischer Auskleidungen bei derartigen Abmessungen ergeben,
sondern aus unbekannten Gründen scheint hier bei diesen größeren Gefäßen eine stärkere
Neigung vorzuliegen, daß das eingestampfte monolithische Produkt eine Rißbildung
erfährt oder in anderer Weise eine schnelle Verschlechterung zeigt.
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Man ging daher dazu über, den Ofen zunächst mit einer basischen Masse
auszustampfen und auf dieses »Sicherheitsfutter« dann ein Ringmauerwerk aufzubringen.
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Ausmauerungen, wie sie etwa aus der USA.-Patentschrift 2 427
037 für Lichtbogenöfen bekanntgeworden sind, wurden für Induktions-öfen nicht
verwendet, da befürchtet werden muß, daß durch die Fugen in dem Mauerwerk flüssiges
Metall an die Spulen gelangen kann.
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Aus diesem Grunde wurde auch das obenerwähnte »Sicherheitsfutter«
zwischen dem Arbeitsfutter und dem Metallmantel des Ofens eingebracht, so daß die
durch die Fugen gelangende Schmelze durch diese Stampfmasse aufgehalten wurde.
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Nachteilig bei dieser Ausmauerung ist, daß bei einem erneuten Aufbau
nicht nur das Mauerwerk, sondern auch die monolithische eingestampfte Auskleidung
aus dem Ofen entfernt werden müssen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Auskleidunc, für kernlose
Induktions-öfen zu schaffen, die im Gegensatz zu Ausstampfmassen auch in größeren
öfen eingesetzt werden kann und die in einfacher Weise erneuert werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Auskleidung
für kernlose Induktions-öfen aus zwei voneinander unabhängigen Lagen besteht, von
denen die äußere Lage an der Primärspule innerhalb der Metallummantelung des Induktions-Ofens
anliegt, und daß beide Lagen aus formgleichen, rechteckigen, flachen Steinen bestehen,
die in der einen Lage auf ihrer größten Fläche flach liegend ringförmig oder wendelförmig
aufgeschichtet, in der anderen Lage auf ihrer kleinsten Fläche hochstehend angeordnet
sind, wobei die Fugen dieser Lage mit hochstehenden Steinen untereinander und gegen
die Fugen der Lage mit flach liegenden Steinen versetzt sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen beide Lagen aus
mineralogisch unterschiedlichen Steinen.
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Ferner besteht auch der Boden aus mindestens zwei Lagen feuerfester
Steine, die auf ihrer mittleren Fläche hochkant stehend mit im Winkel zueinander
verlaufenden Fugen angeordnet sind, wobei die innere Lage der Auskleidung mit dem
unteren Teil ihrer untersten Schicht die oberste Bodenlage umschließt und auf der
darunter befindlichen Bodenlage ruht.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal ist, daß die Fugen zwischen
den einzelnen Steinen der Lagen kleiner als 3,18 mm sind.
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Der erfindungsgemäße Ofenaufbau weist eine höchst unerwartete Eigenschaft
auf. Es wäre zu erwarten, daß die Fugen zwischen den Steinen in der Arbeitswand
zu einem einfachen Weg führen, durch den das geschmolzene Metall fließen kann. Dies
trifft jedoch in gar keiner Weise zu. Die zwischen den Steinen vorliegenden Fugen,
die sich gewöhnlich auf Abmessungen von kleiner als 3,18 mm belaufen, können
zwar ein begrenztes Eindringen des geschmolzenen Metalls ermöglichen, dieselben
scheinen jedoch in Kombination mit den Arbeitseigenschaften des Induktions-Ofens
das Metall zum Erstarren zu bringen, und zwar sogar unmittelbar nachdem dasselbe
in die Fugeh eingetreten ist, wodurch ein weiteres Eindringen verhindert wird. Es
wird von der theoretischen Annahme ausgegangen, daß in gewisser Weise der zwischen
den Primärspulen und dem geschmolzenen Metall erzeugte Energiefluß in den Fugen
nicht eine ausreichende Metallmasse vorfindet, um dieselbe im flüssigen Zustand
zu halten, wodurch ein Erstarren des Metalls gefördert wird.
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Die erfindungsgemäße Ausmauerung hat weiterhin den Vorteil, daß durch
den unabhängigen Aufbau zwischen beiden Schichten eine isolierende Luftschicht gebildet
wird, die für einen beständigen Wärmegradienten von der Grenzfläche der Arbeitsauskleidung
in Richtung auf die Induktionsspulen sorgt.
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Eine weitere interessante Feststellung besteht darin, daß das begrenzte
Ausdehnen, das in den meisten gebrannten, feuerfesten Formsteinen auftritt, bei
dem erfindungsgemäßen Ofenaufbau eine zweckmäßige Eigenschaft ist. Nach dem Stande
der Technik sind gießfähige und einstampffähige Gemische angewandt worden, da das
Einschrumpfen als erforderlich betrachtet wurde, um das Ausbilden einer dichteren
und weniger durchlässigen Struktur zu fördem. Es wurde nun gefunden, daß das durch
die einzelnen Steineinheiten bei dem erfindungsgemäßen Ofen bewirkte begrenzte Ausdehnen
zu einem Verfestigen der Auskleidung führt.
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Für die erfindungsgemäße Auskleidung eines Induktions-Ofens können
beliebige Formkörper oder Steine verwendet werden. Bei einer basischen Zustellung
haben sich Formsteine gemäß der USA.-Patentschriften 3 067 050 und
3 141790 als zweckmäßig erwiesen. Derartige Formsteine können sowohl
für die Unterstützungs- als auch die Arbeitswand der Auskleidung angewandt werden.
Für basische Arbeitsbedingungen können entsprechende
oder andere
Formsteine zur Anwendung kommen. Gegebenenfalls- kann eine dieser zwei Formsteinarten
für die Unterstützungswand und die andere für die Arbeitsauskleidung angewandt werden.
Es wäre zu erwarten, daß die verschiedenen mineralogischen Eigenschaften der zwei
Forinsteine dieselben miteinander unverträglich machen würden. Auf Grund des sehr
zweckmäßigen thermischen Gradienten je-
doch ist dies nicht der Fall.
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Die Erfindung wird im folgenden weiterhin beispielsweise unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt F i g. 1 schematisch einen kemlosen
Induktions-Ofen, der in der erfindungsgemäßen Weise aufgebaut ist, F i
g. 2 einen Querschnitt durch den Ofen nach der F i g. 1,
F i
g. 3 eine bevorzugte Anordnung der Formkörper für den Boden des Ofens.
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In der F i g. 1 ist ein Iiiduktions-Ofen gezeigt, wie er für
das Gießen einer Metallschmelze angeordnet wird. Die Metallummantelung
10 wird in dem Ring 11 getragen, der an gegenüberliegenden Stellen
Vorsprünge 12 aufweist, die mit den gegenüberliegenden Armen 14 und 13 in
Eingriff kommen. Die Arme 13 und 14 sind an der Kippachse 15 befestigt,
wodurch der Ofen zum Gießen gedreht werden kann. Anliegend an dem oberen Ende der
Ummantelung 10 und vollständig hieran befestigt ist der obere Rand
16, der ein Flanschteil aufweist, das normalerweise anstößt an die obere
Oberfläche der die innere Auskleidung bildenden Formsteine. In üblicher Weise ermöglicht
eine Gießschnauze 20 das Gießen des geschmolzenen Metalls 21 aus dem Gefäß.
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Die Auskleidung als solche besteht aus zwei Wänden oder Schichten
feuerfester Steine. Die äußere Schicht oder Unterstützungsschicht 30 besteht
aus einer Mehrzahl formgleicher Steine, die in Form konzentrischer Ringe angeordnet
sind. Gegebenenfalls können natürlich herkömmliche Bodenformen der Steine für das
Ausbilden der Ringe angewandt werden. Gelegentlich ist es zweckmäßig, einige wenige
derartige Formkörper in jedem Ring anzuordnen, um eine bessere Ausbildung des vollständigen
Kreises zu erzielen.
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Die innere Auskleidung oder Arbeitsauskleidung 40 besteht ebenfalls
aus formgleichen, rechteckigen, flachen Steinen. Während in der F i g. 1
die Unterstützungsschicht 30 aus Steinen, die auf ihrer größten Fläche flach
liegend ringförmig oder wendelförmig aufgeschichtet sind, gebildet wird, sind die
Steine der Arbeitsauskleidung 40 auf ihrer kleinsten Fläche hochstehend angeordnet,
und zwar so, daß die Fugen dieser Lage untereinander und gegen die Fugen der Lage
mit flach liegenden Steinen 30 versetzt sind. Um die versetzte Anordnung
für die Arbeitsauskleidung zu erreichen, ist es erforderlich, daß ganze Steine zerbrochen
werden, um eine Reihe Stufen in der ersten Schicht auszubilden. Natürlich können
entsprechend geformte Steine auch durch den Hersteller derselben hergestellt werden,
falls dies erforderlich sein sollte.
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Gemäß der Erfindung wird auf jegliche Isolation zwischen den zwei
Wänden verzichtet, da sich hierdurch ein starker thermischer Gradient ergibt.
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In der F i g. 2 ist der Boden aus drei Lagen 50,
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und 52 aufgebaut. Die Zusammensetzung entspricht der Unterstützungsauskleidung
und der Arbeitsauskleidung. Die F i g. 2 zeigt weiterhin die Art und Weise,
in der der obere Umfangsflansch 16
gegen die oberen Kanten der zwei Wände
anstößt. Die Gießschnauze 20 ist hier mit drei ineinander im Eingriff stehenden
Spezialformen 60, 61 und 62 ausgekleidet, die eine sich nach oben
öffnende halbbogenförmige Konfiguration aufweisen. Diese Formsteine sollten aus
einem feuerfesten Material hergestellt werden, das mit dem für das Herstellen der
Arbeitsauskleidung angewandten verträglich ist. Gegebenenfalls könnte auch ein gießfähiges
oder stampffähiges Gemisch für das Auskleiden der Gießschnauze angewandt werden,
jedoch wird hier zum Erzielen bester Ergebnisse das Anwenden von Formsteinen bevorzugt.
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Die F i g. 3 zeigt eine bevorzugte B auart für den Boden. Es
ist zu beachten, daß die unterste Lage 50 so gezeigt ist, daß dieselbe aus
auf Kante gelegten Steinen in Lagen besteht, die praktisch waagerecht zu dem Zeichnungsblatt
vorliegen.
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Die Lage 51 ist in ähnlicher Weise aufgebaut, jedoch mit einem
Winkel von 45' relativ zu der Waagerechten. Die Lage 53 ist um weitere 450
relativ zu der zweiten Lage verdreht. Im allgemeinen kann jede Anordnung der Lagen,
wobei wenigstens zwei Lagen erforderlich sind, angewandt werden, die so ausgeführt
ist, daß die Steine in den entsprechenden Lagen versetzt zueinander angeordnet sind,
so daß praktisch keine kontinuierlichen miteinander in Verbindung stehenden Fugen
zwischen den entsprechenden Lagen vorliegen. Gegebenenfalls kann man die unterste
Lage aus einem gießbaren oder einstampfbaren Gemisch herstellen, auf dem eine Lage
vorgeformter Steine oder Formkörper angeordnet wird.
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In die F i g. 2 ist weiterhin eine Primärspule 80
zwischen
der äußeren Ummantelung 10 und der Unterstützungsauskleidung 30 eingezeichnet.
Wie es ansonsten üblich ist, wird empfohlen, daß die Primärspule mit einem Mörtel
eines feuerfesten Materials überzogen wird, das mit dem in der Unterstützungsauskleidung
angewandten feuerfesten Material verträglich ist.
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Es wird weiterhin als wichtig erachtet, daß die für den Aufbau der
Arbeitsauskleidung in Anwendung kommenden feuerfesten Formsteine derartige Dimensionstoleranzen
aufweisen, daß eine Mörtelfuge von nicht mehr als 3,18 mm für den Aufbau
der Auskleidung erforderlich ist. Wie in der F i g. 2 gezeigt, ruhen die
unterste Lage 50 und der Boden der äußeren Wand auf der gleichen Tragfläche.
Die zweite Lage wird im Inneren der äußeren Wand aufgebaut und trägt den Boden der
Arbeitsauskleidung. Die oberste Arbeitslage des Bodens wird im Innern des Raumes
der Arbeitsauskleidung aufgebaut. Bei der bevorzugten Durchführungsform ist das
Ausbilden einer Auskehlung 100 mit Mörtel oder gießfähiger Masse an der freiliegenden
Fuge zwischen der Arbeitsauskleidung und der oberen oder Arbeitslage des Bodens
zu empfehlen.
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Es sind weiter oben nur zwei spezifische Steinarten als geeignet für
den Erfindungsgegenstand angegeben. Es gibt jedoch auch viele andere Arten an feuerfesten
Steinen guter Qualität, die in Anwendung kommen können. Steine guter Qualität werden
z. B. aus Chromerz, Olivin, Forsterit, Zirkon, Zirkondioxid, Siliziumcarbid und
geschmolzenen Formsteinen,
wie Tonerde, Magnesiumoxid, Chromerz-Magnesiumoxid,
Magnesiumoxid-Chromerz, Tonerde-Zirkon, Tonerde-Zirkondioxid u. dgl., hergestellt.
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Es ist zwar hier als bevorzugt ein Ringaufbau für die Unterstützungswand
und eine versetzte Anordnung für die Arbeitswand angegeben. Diese Anordnung kann
jedoch auch umgekehrt werden. Weiterhin kann man auch geneigt verlaufende, wendelförmige
Lagen anwenden. Bei dem Anwenden wendelförmiger Lagen sowohl für die Unterstützungswand
als auch die Arbeitswand wird vorgeschlagen, daß dieselben entgegengesetzt gerichtet
sind, d. h. die eine in Uhrzeigerrichtung und die andere entgegengesetzt
der Uhrzeigerrichtung.
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Die Vorteile, die mit der erfindungsgemäßen Auskleidung erzielt werden,
sollen im folgenden noch einmal zusammengefaßt werden-1 . Die vollständig
aus Steinen oder vorgeformten Formkörpern bestehenden Auskleidungen sind wesentlich
sicherer, da die vielen kleinen, jedoch nicht in Verbindung stehenden Fugen, die
zunächst mit einem guten Mörtel abgedichtet sind, ein Eindringen des geschmolzenen
Metalls nicht ermöglichen und tatsächlich ein Erstarren des Metalls in den Fugen
fördern.
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2. Es ergibt sich eine überlegene Arbeitsweise. Die vielen Probleme,
wie sie bei dem Ausbilden einer einheitlichen, dichten, praktisch homogenen Struktur
mit Einstampfgemischen auftreten, werden ausgeräumt, wenn man entsprechend sorgfältig
ausgewählte, vorgebildete, gebrannte Formkörper anwendet.
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3. Der Bereich der Materialien (vom metallurgischen Standpunkt
aus), der in dem Induktions-Ofen angewandt werden kann, wird vergrößert. Die feuerfeste
Eigenschaft und mechanische Festigkeit der Einstampfgemische hat die Metallurgie
der Induktions-öfen beschränkt. Unter Anwenden der erfindungsgemäßen Auskleidungen
jedoch kann ein breiter Bereich gebrannter feuerfester Formsteine bezüglich der
chemischen Festigkeit angewandt werden, wodurch die Mög-
lichkeiten in der
Metallurgie wesentlich verbessert werden, d. h., es kann eine größere Anzahl
metallurgischer Systeme in einem Induktions-Ofen zur Behandlung kommen.
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4. Da die Unterstützungswand eine mehr oder weniger bleibende Anordnung
darstellt, und zwar selbst bei gleicher Lebensdauer im Hinblick auf vorbekannte
eingestampfte Auskleidungen und den Erfindungsgegenstand, ergibt sich bezüglich
des Volumens an feuerfesten Materialien eine Ersparnis in der Größenordnung von
40 bis 50%, da nur eine Arbeitsauskleidung ersetzt werden muß. Weiter läßt sich
eine leichte Entfernung nach der Abmessung durchführen, während bei eingestampften
Auskleidungen nach dem Stand der Technik die gesamte Masse des monolithischen Körpers
entfernt werden mußte.
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5. Bei praktischen Arbeitsuntersuchungen in einem Vakuum-Induktions-Ofen
gelingt es mit den erfindungsgemäßen Auskleidungen die Arbeitszeiten bis zum Ersatz
auf das Doppelte oder Dreifache zu erhöhen. Zum Beispiel bei einem 900- bis
2300-kg-Induktions-Ofen belief sich bisher die durchschnittliche Lebensdauer auf
15 Arbeitsgänge, wobei der allgemeine Bereich etwa bei 10 bis 20 Arbeitsgängen
lag. Bei dem Einbau von vier erfindungsgemäßen Auskleidungen gelingt es,
87 Arbeitsgänge durchzuführen, und zwei der Auskleidungen sind zur Zeit immer
noch in Benutzung. Dies ergibt einen Durchschnitt von wenigstens 22 Arbeitsgängen.
Höchstwahrscheinlich dürfte dieser Zahlenwert noch höher liegen, sobald die einschlägigen
Untersuchungen zum Abschluß gekommen sind. Die Untersuchung hat gezeigt, daß keine
der Unterstützungswände eine Verschlechterung ihrer Eigenschaften erfahren hat.
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6. Da die ursprünglichen Kosten der Einstampfgemische und der
Formkörper praktisch gleich sind oder für das Einstampfgemisch sogar höher sind,
und zwar insbesondere im Hinblick auf die erforderliche qualifizierte Arbeitskraft,
ergibt sich erfindungsgemäß eine Ersparnis bezüglich der feuerfesten Masse von 70
bis 80 %, und zwar wenigstens auf der Grundlage der derzeitigen Untersuchungen.