DE19518554A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Bereitstellen eines (mehrlagigen) Gasschleiers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen eines (mehrlagigen) Gasschleiers, insbesondere eines mehrlagigen Gasschleiers, an und innerhalb der Öffnung eines ansonsten abgeschlossenen Bereichs, insbesondere eines Ofens, vorzugsweise eines Induktionsofens. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bereitstellen eines Gasschleiers unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung, wobei den Fluiddüsen, bzw. der Ringdüse im wesentlichen inerte Gase, wie z. B. Stickstoff, Argon, etc., zugeführt werden und diese zum Bilden des Gasschleiers dienen.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Bereitstellung eines Gasschleiers, insbeson­ dere eines mehrlagigen Gasschleiers, an und innerhalb der Öffnung eines ansonsten abgeschlossenen Bereichs, insbesondere eines (Induktions)Ofens.

Induktionsöfen in denen Metalle geschmolzen werden können, dienen zur Herstellung von Metallverbindungen, wie z. B. Stahl, Nickel-Basislegierungen oder Chrom-Kobalt. Derartige Öfen enthalten einen sog. Ofenraum, in dem das Schmelzen der in den Ofen eingebrachten Metalle erfolgt. Nach dem Schmelz- bzw. Verschmelzvorgang wird die Schmelze in der Regel durch ein Verkippen des Ofens über einen Ausguß aus der Ofenkammer entfernt.

Um den Schmelz- bzw. Verschmelzvorgang beobachten und Schmelzgut nachsetzen zu können, wird die Ofenraumöffnung in der Regel nicht verschlossen. Um zu vermei­ den, daß das zu schmelzende Material während des Schmelzvorganges mit dem Luft­ sauerstoff unerwünschte Bindungen eingeht, ist es zweckmäßig, an und innerhalb der Öffnung des Ofenraumes eine im wesentlichen inerte Gasatmosphäre einzustellen. Mit dem Begriff "innerhalb der Öffnung" des Ofenraumes sei hierbei der Teilraum des Ofen­ raumes gemeint, der nicht mit zu schmelzendem Material befüllt ist.

Um die erwähnten unerwünschten Verbindungen des zu schmelzenden Materials mit dem Luftsauerstoff und den daraus resultierenden Nachteilen, wie schlechte Metall­ qualität, sinkende Ausbeute und damit verbunden steigende Produktionskosten, zu vermeiden, wird die Öffnung des Ofenraumes mit einem mehrlagigen Gasschleier "verschlossen".

Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der EP-AP 0 528 153 bekannt. Hierbei wird mittels zweier gegenüberliegender Diffusor an und innerhalb der Öffnung eines Ofenraumes ein zwei- oder mehrlagiger Gasschleier erzeugt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestal­ tung des in der genannten europäischen Patentanmeldung beschriebenen Verfahrens besteht die untere Gasschleierlage, also diejenige Lage, die der Ofenöffnung am nächsten ist, zu wenigstens 90% aus Argon, während die äußerste Gasschleierlage wenigstens 78% Stickstoff enthält.

Aufgrund der im Ofenraum herrschenden Hitze kommt es überhalb des schmelzenden Materials zu einer starken Konvektionsstrahlung. Dies hat zur Folge, daß der erzeugte zwei- oder mehrlagige Gasschleier unter Umständen empfindlich gestört wird. Es ist deshalb notwendig, daß eine Mindestgasmenge mit bestimmter Geschwindigkeit über der Öffnung und in die Öffnung des Ofens geführt bzw. geleitet wird, um zu verhindern, daß es zu einem Aufbrechen des möglichst laminar gestalteten Gasschleiers kommt.

Um zu verhindern, daß Luftsauerstoff in den Ofenkammerbereich eindringt, wird in der o.g. Schrift vorgeschlagen, eine Abdeckung über die beiden gegenüber angeordneten Diffusor sowie die Öffnung des Ofenraumes anzuordnen.

Gemäß dem Stand der Technik sind derartige Diffusor aus einem nichtmetallischen Material, wie z. B. Keramik, hergestellt, damit eine Aufheizen der Diffusor durch den Induktionsofen verhindert wird. Im Falle der zitierten Schrift bestehen die Diffusor aus einem hohlen rohrähnlichen Gebilde, das eine perforierte Wand, durch die das den Gasschleier bildende Gas austritt, aufweist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereit­ stellen eines Gasschleiers, insbesondere eines mehrlagigen Gasschleiers anzugeben, mit dessen Hilfe an und innerhalb der Öffnung eines Ofens ein mehrlagiger Gasschleier ausgebildet werden kann, wobei die für die Bildung des Gasschleiers benötigten Gas­ mengen gegenüber bekannten Verfahren verringert werden. Ferner soll das erfin­ dungsgemäße Verfahren eine Sichtbarmachung des Gasschleiers ermöglichen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß

• a) im wesentlichen im Bereich der Öffnung Fluiddüsen angeordnet sind, die der Bildung des Gasschleiers dienen,
• b) die Fluiddüsen aus metallischem Material hergestellt sind und
• c) Mittel zum Kühlen der Fluiddüsen vorgesehen sind.

Im Gegensatz zur Lehre des Standes der Technik werden die für die Gasschleierbil­ dung benötigten Fluiddüsen im Bereich der Öffnung des Ofenraumes angeordnet. Sie bestehen aus einem metallischen Material, was zur Folge hat, daß Mittel zum Kühlen der Fluiddüsen vorgesehen sein müssen. Die Herstellung von Düsen aus metallischem Material ist aufgrund der einfacheren Bearbeitung billiger als die Herstellung von Düsen aus keramischem Material.

Aufgrund der Erwärmung der Düsen durch den Induktionsofen ist es notwendig, daß die Düsen gekühlt werden. Hierzu eignet sich gemäß einer Ausgestaltung der Erfin­ dung ein Kühlmittelkreislauf, insbesondere ein Kühlwasserkreislauf.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien an­ hand der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Ofen 1, vorzugsweise einen Induktionsofen, der einen Ofenraum 2 aufweist. Im Bereich der Öffnung 3 des Ofenraumes 2 sind die Fluiddüsen in Form einer sog. Ringdüse 5 angeordnet. Der Ofen 1 weist einen Ausguß 4 auf, über den ein Abgießen der im Ofenraum 2 entstehenden Schmelze erfolgen kann. Die Ringdüse 5 ist vorteilhaft an derjenigen Stelle, an der sich der Ausguß 4 befindet, unterbrochen. Es ist jedoch denkbar, daß eine derartige Unterbrechung der Ringdüse 5 am Ausguß 4 nicht vorgesehen ist.

Die den Gasschleier bildenden Gase treten aus der Ringdüse 5 in Richtung des Öff­ nungsmittelpunktes sowie in Richtung des Ofenraumes 2 aus; schematisch dargestellt durch die Pfeile 6. Um einen zwei- oder mehrlagigen Gasschleier bilden zu können sind jeweils zwei oder mehrere Düsen (versetzt) übereinander anzuordnen, wobei aus denjenigen Düsen, die sich im wesentlichen auf gleicher Höhe befinden, ein identi­ sches Gas bzw. Gasgemisch ausströmt.

Über die beiden Zuführleitungen 7 und 8 werden die Gase bzw. Gasgemische, die die einzelnen Gasschleierlagen bilden, der Ringdüse 5 zugeführt. Für den Fall, daß der zu bildende Gasschleier nicht nur zwei- sondern drei- und mehrlagig ausgebildet sein soll, ist es selbstverständlich, daß neben den beiden dargestellten Gaszuführleitungen 7 und 8 weitere Gaszuführleitungen vorgesehen sein können.

Über die Leitung 9 wird der Ringdüse 5 ein Kühlmittel, das der Kühlung der einzelnen Düsen dient, zugeführt. Nach erfolgter Kühlung der Düsen wird das Kühlmittel über die Leitung 10 aus der Ringdüse 5 abgeführt. Als Kühlmittel kann, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, Wasser verwendet werden. Es ist wiederum selbstver­ ständlich, daß die Kühlung der Düsen nicht nur oder nicht ausschließlich durch ein zir­ kulierendes Kühlmittel, wie z. B. Wasser, erfolgen muß.

Während also Düsen bzw. Düsenanordnungen aus keramischem Material bei einem kontinuierlichen Beschickungsbetrieb des Induktionsofens und dem damit verbundenen Austausch zwischen zu schmelzendem Material und Schmelze starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind, was zu einem vergleichsweise hohen Verschleiß führt, ist im Gegensatz dazu bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf­ grund ihres metallischen Materials sowie der Kühlung der Fluiddüsen ein weitaus ge­ ringerer Verschleiß zu erwarten.

Bei dem in der Figur dargestellten Ofen 1 kann es sich auch um einen indirekt brenner­ befeuerten Einschmelzofen für Magnesiumlegierungen mit Zusätzen SF₆ oder SO₂ zum Argon handeln. In diesem Fall kann das Gasgemisch der untersten Gasschleier­ lage diese Zusätze, nämlich SF₆ oder SO₂, enthalten, so daß auf zusätzliche Vorrich­ tungen zum Zuführen dieser Gase verzichtet werden kann.

Wie bereits erwähnt, liegt der Erfindung eine weitere Aufgabe zugrunde, nämlich die Sichtbarmachung der Strömung des zu bildenden Gasschleiers.

Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zusätzlich ein unter den im Bereich der Öffnung 3 der Ofens 1 herrschenden Bedingungen brennbares Gas zugeführt wird. Als brennbares Gas eignet sich insbesondere Propan, Butan und/oder Erdgas.

Da dieses zusätzlich zugegebene brennbare Gas mit deutlich sichtbarer Flamme brennt, läßt sich der Strömungsverlauf des Gasschleiers optisch erkennen. Dadurch sind Turbulenzen und/oder "Löcher", durch die Luftatmosphäre in die Ofenöffnung ein­ dringen kann, visuell detektierbar. Es ist nun möglich, die Gaszuführung so zu steuern, daß eine optimale Gasschleierbildung erfolgt. Dadurch wird zum einen der Gasever­ brauch gesenkt und zum anderen ein Optimum hinsichtlich der Einstellung der ge­ wünschten Gasatmosphäre im Ofenraum bzw. an der Ofenaustrittsöffnung erreicht.

Wie bereits erwähnt, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfin­ dungsgemäße Verfahren insbesondere zur Verwendung in einem Ofen, insbesondere in einem Induktionsofen. Jedoch schließt die Erfindung die Verwendung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens bei weiteren Anwendungszwecken nicht aus.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Bereitstellen eines Gasschleiers, insbesondere eines mehrlagigen Gasschleiers, an und innerhalb der Öffnung eines ansonsten abgeschlossenen Be­ reichs, insbesondere eines Ofens, vorzugsweise eines Induktionsofens, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) im wesentlichen im Bereich der Öffnung Fluiddüsen angeordnet sind, die der Bildung des Gasschleiers dienen,
• b) die Fluiddüsen aus metallischem Material hergestellt sind,
• c) Mittel zum Kühlen der Fluiddüsen vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddüsen als sog. Ringdüse, die im wesentlichen einen Vollkreis bildet, ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kühlen der Fluiddüsen bzw. der Ringdüse als Kühlmittelkreislauf, insbesondere als Kühlwasserkreislauf ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddüsen bzw. die Ringdüse aus Kupfer besteht.

5. Verfahren zum Bereitstellen eines Gasschleiers unter Verwendung einer Vorrich­ tung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei den Fluiddüsen bzw. der Ring­ düse im wesentlichen inerte Gase, wie z. B. Stickstoff, Argon, etc., zugeführt wer­ den und mit ihnen der Gasschleier gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu­ sätzlich ein unter den im Bereich der Öffnung herrschenden Bedingungen brenn­ bares Gas zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als brennbares Gas Propan, Butan und/oder Erdgas zugeführt werden.

7. Ofen, insbesondere Induktionsofen, zum Schmelzen von schmelzbarem Material, insbesondere von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.