DE1800431C - Kernloser Induktions-Tiegelofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kernlosen Induktions- durchzuführen, weil dabei ein erheblicher elektrischer Tiegelofen mit einer Wicklung, die aus mindestens Leistungsverlust eintreten würde und ein starkes ?wei gleichachsigen, verschiedene gleichachsige Teile Durchrühren der geschmolzenen MetaPoberfläcbs des Tiegels umgebenden und von Wechselstrom ver- die Folge wäre, was aus metallurgischen Gründen schiedenesr Phase durchflossenen Spulen besteht 5 nachtonig und schädlich sein kann. Die bekannte

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Ausgestaltung erfordert eine große Anzahl ven Ofen so auszugestalten, daß die im Tiegel bcSadliehe Schaltern und mindestens zum Teil eine Vcrdopp-Schmelze außen in der einen Achsrichtung, z, B. auf- lung der Spannungsregeleinrichtungen, die für den wärts, und innen in der entgegengesetzten Richtung Ofen erforderlich sind. Der Umscnaltvorgang bei fließt, ohne dabei den Flüssigkeitsspiegel der Schmelze io diesen bekannten Anlagen ist daher kostspielig und merklich zu verformen. verwickelt

Bei einem bekannten kernlosen Induktions-Tiegel- Vorzugsweise ist eine Umschaltvorrichtung vorge-

ofen dieser Gattung ist diese Aufgabe nicht gelöst. sehen, welche die Anschlüsse der beiden Spulen ver-Dort sind die beiden gleichachsigen Spulen in Reihe tauscht Dadurch kann man die Richtung der Ströan ein und dieselbe Wechselstromquelle auge- 15 mung umkehren.

schlossen, und zur oberen Spule sind Kondensatoren Der Tiegelofen nach der Erfindung läßt sich auch

parallel geschaltet, die mit ihr einen auf Resonanz wahlweise zum bloßen Schmelzen verwenden. Zu abgestimmten Schwingkreis bilden können. Dadurch diesem Zweck braucht man die andere Spule nur auf soll eine Strömung der Schmelze erreicht werden, die die Stromquelle umzuschalten, so daß diese, wie an den Flüssigkeitsspiegel in der Mitte aufwärts wölbt ao sich bekannt, beide Spulen gleichphasig speist

Die geschilderte Aufgabe ist erfindungsgemäß da- Bei einer bevorzugten Ausführungsfonn hat der

durch gelöst, daß von den beiden Spulen nur die eine Tiegelofen nach der Erfindung vier Spulen, nämlich an eine einphasige Stromquelle angeschlossen ist zwei Spulenpaare, die je erfindungsgemäß geschaltet während die andere Spule zusammen mit einem Kon- aber um 180° phasenversetzt stromdurchflossen sind densator einen geschlossenen Kreis bildet, der mit der »5 und verschiedene benachbarte Zonen des Tiegelersten Spule induktiv gekoppelt ist und dessen Strom umfanges umgeben.

eine erhebliche Phasenverschiebung gegenüber dem Nunmehr seien einige Ausführungsbeispiele der

Strom in der ersten Spule aufweist, so daß in der Erfindung erläutert, die in den Zeichnungen dargeflüssigen Metallmenge eine mehrphasige Rührwirkung stellt sind. In diesen zeigt ■hervorgerufen wird. 30 Fig. 1 einen lotrechten, in Achsenrichtung ver-

Bei einer Induktionseinrichtung mit zwei haarnadel- laufenden Schnitt eines die Erfindung verkörpernden förmigen Induktoren zum Erwärmen eines metalli- kernlosen Induktions-Tiegelofens mit der zugehörigen sehen Werkstückes ist es bereits bekannt, nur den Schaltung,

einen Induktor an eine hochfrequente Stromquelle Fig. la ein Phasenvektor-Diagramm der in der

anzuschließen, während der andere Induktor zusam- 35 Wicklung der F i g. 1 fließenden Ströme, men mit einem Kondensator einen geschlossenen F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung

Kreis bildet, der mit dem Werkstück und mit dem einer Schaltverbindung zwischen zwei Spulen der ersten Induktor induktiv gekoppelt ist und mit diesem Ofenwicklung gemäß F i g. 1, in Resonanz tritt. Dabei ist das Werkstück nur in den F i g. 2a ein Phasenvektor-Diagramm, das dem-

ersten Induktor eingefügt aber nicht in den zweiten. 40 jenigen der F i g. 1 a entspricht und gestrichelt den Beide Induktoren haben einen verhältnismäßig Phasenwinkel des Stromes 1B zeigt, wenn der in großen Abstand. Aus diesem Grunde trägt der erste F ig. 2 gezeigte Schalter geschlossen ist, Induktor sehr wenig zum Erwärmen des Werk- F i g. 3 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung

Stücks bei. eines Induktions-Tiegelofens einer anderen Ausfüh-

Bei Anwendung einer solchen Schaltung auf einen +5 ^mn*> ^hei der ^die Wicklung aus vier Spulen besteht, kernlosen Induktions-Tiegelofen der eingangs erläu- Fig. 3a ein Phasenvektor-Diagramrn der in den

terten Gattung in der Weise, daß jeder der beiden Spulen nach F i g. 3 fließenden Ströme, Induktoren als Spule ausgestaltet ist, ergibt sich der F i g. 4 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung

Gegenstand der Erfindung mit der erwünschten einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei Wirkung, daß die Schmelze außen in der einen 50 der Schalter zum Umsteuern der Flußrichtung der Achsenrichtung des Tiegels, z. B. aufwärts, und innen Schmelze im Ofen vorgesehen sind, in der entgegengesetzten Richtung strömt, ohne den Fig. 4a ein Phasenvektor-Diagramm zur Darstel-

Flüssigkeitsspiegel der Schmelze merklich zu ver- lung der in den Spulen der F i g. 4 fließenden Ströme formen. während des mehrphasigen Rührbetriebes mit auf-

Bei bekannten Induktionsöfen ohne Kern sind 55 wärts gerichteter Strömung und mindestens zwei getrennte Wechselstromquellen vor- Fig. 4b ein Phasenvektor-Diagramm zur Darstel-

gesehen, zwischen denen ein erheblicher Phasen- lung der in den Spulen der F i g. 4 beim Schmelzwinkel besteht, um auf diese Weise eine mehrphasige betrieb fließenden Ströme.

Rührwirkung zu erzielen. Diese bekannten öfen sind Der in F i g. 1 gezeigte kernlose Tiegelofen 10 hat

gewöhnlich so ausgelegt, daß sie zum Schmelzen des 60 eine feuerfeste Auskleidung 10' und eine Wicklung, Metalls von einer einphasigen Starkströmquelle mit die aus zwei, gleichachsigen, verschiedene Teile des der höchsten Leistung betrieben werden, aber zum Tiegels 10 umgebenden und von Wechselstrom ver-Umrühren der Schmelze mit verringerter Leistung schiedener Phase durchflossenen Spulen A und B beeine Umschaltung erfahren, bei der jede Spule von steht

der einphasigen Starkstromquelle abgeschaltet und 65 Von den beiden Spulen ist nur die Spule A an an eine Phase der mehrphasigen Stromquelle ange- eine einphasige Stromquelle 11 angeschlossen, wähschlossen wird* Denn gewöhnlich ist es nicht er- rend die andere Spule B zusammen mit einem Konwühscht, das Schmelzen im mehrphasigen Betrieb densatof 14 einen geschlossenen Kreis bildet Dieser

j jst mit der ersten Spule A induktiv gekoppelt, ngedessen hat der ia der Spule B fließende Strom i erhebliche Phasenverschiebung gegenüber dem a in der ersten Spulet. Das hat zur Folge, daß r Schmelze ein wanderndes Magnetfeld induziert , das eine mehrphasige Rührwirkung in Gestalt r Strömung hervorruft. Diese verläuft außen dicht • Seitenwand des Tiegels in der einen Achsen-Iflitnng, z. B. aufwärts, und innen dicht an der Achse «Ils Tiegels in der entgegengesetzten Richtung. Der 10

der Schmelze wird dabei nur „,„,„-..-i verformL

f Bei der Stromquelle kann es sich um einen Stromeinen Frequenzvervielfacher od. dgl. han-

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mit vier Spulen A, B, C und D versehen, wobei mit A die unterste und mit D die oberste Spule bezeichnet ist Jedes der beiden Spulenpaare A, B und C, P ist so geschaltet, wie es mit Bezug auf Fig. 1 erläutert 5 wurde; dabei sind die beiden Spulenpaare A, B und C, D um 180° phasenversetzt stromdurchflossen und umgeben verschiedene benachbarte Zonen des Umfanges des Tiegels 10.

Soll die Außenschicht der Schmelze beim Rührvorgang aufwärts getrieben werden, wie es die Pfeile in Fig. 3 zeigen, dann wird der Stromerzeuger 11 oder eine andere einphasige Stromquelle an die Spulen/4 und C angeschlossen, wobei dieser Anschluß

ger, emeu r-iciiutiitvcivicuatucr ou. ogi. nan- in Reihenschaltung oder in Paralelschaltung erfolgen Zur Spule A kann ein Kondensator 12' parallel 15 kann. Indessen massen die Spulen, .wie dargestellt, ->'»» sein. Ein weiterer Kondensator 12 kann im so verbunden werden, daß ihre elektromagnetischen \ durch einen Schalter 13 parallel geschaltet Felder einander entgegenwirken. Das bedeutet m lifise Kondensatoren dienen Hw Verh#»«p- anderen Worten, daß die Ströme IA und IC gemäß

Fig. 3a um etwa 180° phasenverschoben sind.

Mit den Spulen B und D sind in Reihe Kondensatorgruppen geschaltet, die eine feste oder eine veränderliche Kapazität haben können. Das geschieht wiederum in der Weise, daß die Ströme dieser beiden Spulen einander entgegenwirken, also eine Phasen-

-ψαυ·.η. Diese Kondensatoren dienen der Verbesserung des Leistungsfaktors (cos ψ). Auch zum Kondensator 14 der oberen Spule kann ein weiterer Kondefsator 14' durch einen Schalter 15 parallel geschaltet werden. Vorzugsweise wird die Kapazität der Kondensatoren 14, 14' so bemessen, daß der von

ojesen mit der Spule B gebildete Schwingkreis in Re- ~,,—~" -"—""·—*_ö-o ■

sonanz mit dem die Spule A enthaltenden Schwing- 25 verschiebung von 180° aufweisen. Bei dieser Auskreis tritt. Dabei eilt der in der Spule B fließende führungs'Virm der Erfindung kann man auch eine Strom IB dem in der unteren Spule A fließenden parallele Gegeneinanderschaltung verwenden. Aber Strom IA um einen Phasenwinkel von etwa 90° nach, für die nicht an die Stromquelle angeschlossenen wie das Vektor-Diagramm der F i g. 1 a zeigt. Spulen B und D ist die Reihenschaltung gemäß Dieser Phasenwinkel, der in Fig. la gezeigt ist, 30 Fig. 3 vorzuziehen. Sind die Kondensatorgruppen läßt sich natürlich innerhalb weiter Grenzen vcrstel- 14,14' genau oder annähernd auf Resonanz abgeien wobei die untere Grenze wesentlich kleiner als stimmt, dann eilt der Strom IB um ungefähr 90 _ dem 90 und die obere wesentlich größer als 90° ist, ohne Strom IA nach, während, wie bereits beschrieben, daß dadurch der Strom selbst oder die aufwärts- der Strom IC um 180° in der Phase gegenüber dem Berichtete Rührwirkung merklich beeinträchtigt 35 Strom IA verschoben ist und daher dem ^Stroi"/» wufde Im allgemeinen hat es sich als wünschenswert um 90° nacheilt. Schließlich eilt der Strom IO dem herausgestellt, die obere Wicklung annähernd auf Rc- Strom IB um 180° nach und somit dem Strom in der sonanz mit der unteren abzustimmen. Spule Γ um etwa 90° nach. Die vier Strome IA, IB, Man kann den in Fig. 1 gezeigten Tiegelofen nach IC und ID sind in Fig. 3a durch Vektoren dar-WuiiNch auch zum bloßen Schmelzen verwenden. Zu 40 gestellt, die den in Fig. 3 veranschaulichten Spulen diesem Zweck muß man die Spule ß auf die Strom- gegenüberliegen. Der Strom in jeder Spule eilt also nuclle 11 umschalten. Die dazu dienende Einrich- dem der darunter befindlichen Spule um etwa vii tun- ist in Fig. 2 gezeigt. Sie besteht aus einer Lei- nach. Es entsteht daher ein aufwärts wanderndes tunu 16. welche die untere Klemme der Spule A mit Feld von einer ganzen Wellenlange. Dieses DewirKt der unteren Klemme der Spule B verbindet, und aus 45 die in Fi g. 3 durch die Pfeile angedeutete Aufwartseiner Leitung 18, die einen Schalter 17 enthält und strömung der äußeren Schicht der Schmelze, "na die obere Klemme der Spule A mit der oberen zwar besser als bei der Anordnung gemäß H g. 1. Klemme der Spule B verbindet. Will man das in den Mitunter ist es erwünscht, den Ofen so auszu-Tieeel 10 eingebrachte Metall schmelzen, so schließt gestalten, daß man nach Wunsch die äußere zement man den Schalter 17. Dann werden -lie beiden 5° der Schmelze aufwärts oder abwärts strömen lassen Spulen A und B in Reihenschaltung durch die Strom- kann und außerdem den Ofen gegebenentalls oeim qucllcll gleichphasig erregt, so daß kein Wander- Schmelzenbctrieb einphasig erregen kann feld entsteht. Die Kondensatoren 12, 12', 14, 14' In Fig. 4 ist eine Schaltung dargestellt, bei wcldienen dann der Korrektur des Leistungsfaktors und eher man vom mehrphasigen Ruhren mit vier gegenkftnnen entsprechend von Hand oder selbsttätig ein- 55 einander verschobenen Phasenlagen (vgl. Mg. i) aur gestellt werden. Nach einem weiteren Vorschlag kann den einphasigen Schmelzbel neb übergehen kann. Und die Induktionsspule mit Anzapfungen versehen sein, diesem Übergang dient ein Schalter 30 mit νcichem oder es kann ein Wandler zwischen der Induktions- man auch die Spulen B und D an den Stromerzeuger wicklung und den Kondensatoren eingeschaltet 11 oder eine andere einphasige Stromquelle anwerden In diesem Fall läßt sich die Anzapfung oder 60 schließen kann, so daß alsdann alle vier spuder Wandler beim Übergang vom Rührbetrieb auf len A, B, C und D phasengleich erregt wenden wie den Schmelzbetrieb einstellen. Wie das geschehen es das Schmelzen erfordert, im Gegensatz zum Ruhkann, ist dem Sachverständigen geläufig. ren, bei welchem die Spulen paarweise um^ 180

Der Wirkungsgrad beim mehrphasigen Rührbetrieb phasenversetzt erregt werden Die in Fi &4gezeigte ist erfahrungsgemäß um so besser, je höher die Zahl 6₅ Schaltung bietet nun die Möglichkeit beim Schmelz-

der gegeneinander phasenverschoben betriebenen betneb die Spulen A, C, B und D derart m Reüw zu

⁸ der Wicklung ist. Bei dem in Fig.3 gezeig- schalten daß beule Gruppen ™_r ^P^"*Ä™

- --- - - --· * ·* der einphasigen Stromquelle oder dem Stromerzeuger

1 WO Ö

liegen. Dann wird jede Spule mit etwa der halben

Fig. 4b ist ein Vektor-Diagramm der in den Spulen A, B, C und jD liefern etwa die gleiche Leistung.

Auch hier kann man natürlich Spulenanzapfungen oder Wandler vorsehen, wie' es zuvor mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben ist.

Fig.4b ist ein Vektor-Diagramm,der in den Spulen A, B, C und D während des Schmelzbetriebes fließenden' Ströme und Fig. 4a ein Vektor-Diagramm der beim Rührbetrieb fließenden Ströme IA, IB, IC und /D. Beim Rührbetrieb eilt also der Strom jeder Spule, wie bereits in Fig. 3a gezeigt, dem Strom in der darunterliegenden Spule um etwa 90" nach. Auch hierbei wird also ein aufwärts wanderndes Kraftfeld von voller Wellenlänge erzeugt, das die äußere Schicht der Schmelze aufwärts fließen läßt, wie es die ausgezogenen Pfeile in F i g. 4 zeigen.

Will man die Rührwirkung umkehren, wie es in Fig.4 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet ist, so kann man hierzu die Anschlüsse der Spulen ver- ao tauschen, also die Stromquelle mit den beiden oberen Spulen D und B und die Kondensatoren nur mit den unteren Spulen C und A verbinden, so daß der Strom in der unteren Spule dem der darüber befindlichen nacheilt. Dadurch wird dann die durch die gestrichel- as ten Pfeile gezeigte Abwärtsströmung in der äußeren Schicht der Schmelze erzeugt, wobei in der Mitte der Schmelze der Rückstrom aufwärts fließt. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise den Schalter 30 schließen und den Schalter 40 öffnen, wie es gestrichelt angedeutet ist

Die Polarität der Spulen C und D wird durch eine Schalteinrichtung 31,32 gewendet, so daß die Ströme in den Spulen A und C und in B und D phasengleich fließen, wie es der Schmelzvorgang erfordert, statt um 180° phasenversetzt zu sein, wie es beim Rührbetrieb nötig ist Der in Fig.4 gezeigte Schalter.30 entspricht dem Schalter 17 in Fig. 2. Er ist vorgesehen, um eine Verbindung zwischen den oberen Spulen zu schaffen, damit die Spulen A, B, C und D sämtlich von derselben einphasigen Stromquelle erregt werden und sich für das Schmelzen die höchste Leistung ergibt

Man kann in dem Ofen natürlich auch eine erhöhte Anzahl von Spulen verwenden. Der Wirkungsgrad des mehrphasigen Rührvorganges wird um so größer, Anzahl von Spulen verwenden. Der Wirkungsgrad steigt mit der Zahl der phasenversetzt erregten Spulen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernloser Induktions-Tiegelofen mit einer Wicklung, die aus mindestens zwei gleichachsigen, verschiedene Teile des Tiegels umgebenden und von Wechselstrom verschiedener Phase durchfiossenen Sputen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Spulen nur die eine an eine einphasige Stromquelle angeschlossen ist, während die andere Spule zusammen mit einem Kondensator einen geschlossenen Kreis bildet, der mit der ersten Spule induktiv gekoppelt ist und dessen Strom eine erhebliche Phasenverschiebung gegenüber dem Strom in der ersten Spule aufweist so daß in der flüssigen Metallmenge eine mehrphasige Rührwirkung hervorgerufen wird.

2. Tiegelofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltungsvorrichtung (30,40) vorgesehen ist, welche die Anschlüsse der beiden Spulen vertauscht.

3. Tiegelofen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch vier Spulen, nämlich durch zwei Spulenpaare, die je gemäß Anspruch 1 geschaltet, aber 180° phasenversetzt Stromdurchflossen sind und verschiedene benachbarte Zonen des Tiegelumf anges umgeben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen