DE1954763A1 - Verfahren zum Betrieb eines Induktors und Induktor hierfuer - Google Patents

Description

• Verfahren zum Betrieb eines Induktors und Induktor hierfür Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines mit einer Metallschmelze gefüllten Induktors mit direkt angebauter Kokille, insbesondere für das horizontale Stranggießen, sowie einen Rinneninduktor bzw. einen Tiegelinduktor zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Es ist bekannt, an einen Tiegel- oder Rinneninduktor eine Kokille direkt anzusetzen. Eine derartige Anordnung ist insofern zweckmäßig, als dadurch die auftretende Rückkühlung durch die direkte Beheizung der Schmelze exakter abgefangen werden kann. Der Nachteil einer derartigen Anordnung ist Jedoch darin zu sehen, daß, soferne die elektrodynamischen Druckkräfte obere Grenzwerte übersteigen, die durch diese bewirkten zu starken Bewegungen der Schmelze einen ruhigen Einlauf derselben in die Kokille verhindern, wodurch einerseits infolge von Inhomogenitäten die Qualität des gegossenen Stranges herabgesetzt wird und andererseits die Kokille einer übermäßigen Beanspruchung ausgesetzt wird und deshalb in rascher Folge erneuert werden muß. Um diese Nachteile zu vermeiden ist es bekanntgeworden, die Metallschmelze durch einen Einlauftrichter hindurch in die Kokille einfließen zu lassen.
• Durch das Verfahren nach der Erfindung werden die aufgezeigten Nachteile dadurch vermieden, daß die Abmessungen des stromführenden Heizleiterquerschnittes einerseits und die induzierte Leistung und Betriebsfrequenz andererseits so gewählt sind, daß in den Kanälen eines Rinneninduktors bzw. in einem Tiegelinduktor das Produkt aus dem Quadrat der Stromdichte und dem Durchmesser eines dem stromführenden Querschnitt flächengleichen Kreisquerschnittes gleich oder kleiner 106 A2 je cm3 ist.
• Vorzugsweise ist bei einem Rinneninduktor der Bodenkanal so bemessen, daß das Produkt aus dem Quadrat der Stromdichte und dem Durchmesser eines dem strom führenden Querschnitt flächengleichen Kreisquerschnittes gleich oder kleiner 0.5 x 106 A2 je cm3 ist.
• Vorzugsweise ist weiters bei einem Rnneninduktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verhältnis der Breite der in den Ofenraum mündenden Schenkel zur Eindrtngtiefe kleiner 3, wogegen das Verhältnis der Breite des Bodenkanals zur Eindringtiefe größer oder gleich 3 ist. Ein Rinneninduktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch dadurch gekennzeichnet sein, daß der Bodenkanal zur Gewährleistung absolut gleicher Bedingungen bei geändertem Gießprogramm abnehmbar und gegen einen Bodenkanal mit geänderten Dimensionen austauschbar ist. Ein Tiegelinduktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch gekennzeichnet sein, daß zur Gewährleistung der gestellten Bedingungen bei Änderung des Materialfaktors, d.h. des spezifisch-elektrischen Widerstandes oder bei Absinken des Badspiegels bei Leistungskonstanthaltung die Frequenz veränderbar ist.
• Nachstehend sind die in einem Rinneninduktor sowie in einem Tiegelinduktor bestehenden Zusammenhänge zwischen den elektrischen Größen und den auftretenden elektrodynamischen Druckkräften näher erläutert: Rinneninduktor Pm maximale elektrodynam9sche Druckkraft im Zentrum der Rinne k1 Konstante 1sec Gesamtstromstärke in der Rinne, wobei 1sec u 1prim und Iprim den Erregerstrom darstellt Rinnenquerschnitt bezogen auf einen flEchengleichen Kreisquerschnitt Es wird eine gleichmäßige Stromverteilung in der Rinne vorausgesetzt, Unter Verwendung der Formel (1) kann die Druckkraft im Zentrum der Rinne auch wie folgt ausgedrückt werden: Al Stromdichte sec Unter Zusammenfassung von kl . # zu einer neuen Konstanten k2 folgt daraus = = k2(Alsec )2 2 d2= k2(Alsec 2 . d . d (3) Die erfindungsgemäße Lösung sieht nun die querschnittsmäßige Auslegung der stromführenden Rinne so vor, daß das Produkt aus dem Quadrat der Stromdichte und dem Durchmesser des dem stromführenden Querschnitt flächengleich en Kreisquerschnittes einen vorgegebenen Wert nicht übersteigt. Durch die Konstanthaltung des- Produktes dISec2 . d steigt die Druckkraft im Zentrum der Rinne mit dem Durchmesser d linear an, wogegen der Druck an der Leiteroberfläche konstant bleibt.
• Um die elektrodynamischen Druckkräfte an den Leiteroberflächen einen bestimmten Höchstwert nicht überschreiten zu lassen, werden die Stromstärke und der Querschnitt so gewählt, daß für die Schenkelkanäle die Beziehung (#Isec)2 2 . d # 106 A2/cm3 (4), und für den Bodenkanal die Beziehung (tI )2 d < 0.5 . 106 A Scm (5 gilt.
• Daraus folgt, daß bei gegebenem stromführendem Querschnitt für die Stromdichte ?ine maximale Größe gegeben ist, die über Nw = Iprim . (R1 t ü2 .R2) (6) R1 Verlustwiderstand in der Ofenspule ü2 .R2 auf den Primärkreis bezogener Verbrauch~ cherwiderstand in der Schmelzrinne mit der Wirkleistung MW im Primärkreis verknüpft ist, wobei ist.
• spezifischer elektrischer Widerstand des Schmelzgutes li Länge der parallelen Rinnenschenkel 12 Länge des Bodenkanals 13 Länge der Verbindungskanäle im Ofenraum stromführender Querschnitt der parallelen Rinnenschenkel Q2 stromführender Querschnitt des Bodenkanals Q3 stromführender Querschnitt im Ofenraum Da gilt, b1 Breite der beiden parallelen Rinnenschenkel h1 Höhe der parallelen Rinnenschenkei Eindringtiefe ist Q1 = b1 . hl d.h. der gesamte Querschnitt wird in die Berechnung einbezogen.
• Da hingegen für den Bodenkanal gilt, b2 Breite des Bodenkanals h2 Höhe des Bodenkanals ist Q2 = . h2 d.h. für den Bodenkanal geht anstelle der Breite b2.nur die Eindringtiefe in die Rechnung ein.
• # Permeabilität f Betrlebsfrequenz Für eine bestimmte Baugröße, d.h. für eine bestimmte Leistung und den daraus resultierenden Sekundärstrom kann der Durchmesser bzw. der Heizleiterquerschnitt der beiden Rinnenschenel wie folgt berechnet werden: Damit können die Größen b1 und h1 bestimmt werden, wobei allerdings die Bedingung (8) zu berücksichtigen ist.
• In ähnlicher Weise gilt für den Bodenkanal: d2 Durchmesser eines dem strom führenden Querschnitt gleichen Kreisquerschnittes Daraus kann die Höhe h2 des Bodenkanas bestimmt werden.
• Aus dieser Darstellung ist zu erkennen, daß d2 '1.26 . d und Q2 = 1.262 . Q1 Bei der Auslegung einer Anlage wird für den verwendeten Arbeitsbereich, z.B. Cu-Legierungen, der kleinste spezifische elektrische Widerstand zugrunde gelegt, sodaß für dieses Metall die vorgenannte Bedingung O2 = 1.262 . Q1 gegeben ist.
• Bei Leistungsreduzierung, d.h. bei einer Abnahme des Sekundärstromes bleibt das Verhältnis (#Isec)² . d . (#ISec)² . d2 (15) konstant.
• Bei einer Anderung der Legierung, z.B. bei einer Zunahme des spezifischen elektrischen Widerstandes, bleibt wohl Q1 unverändert, wogegen Q2 aufgrund dergrößeren Eindringtiefe # vergrößert wird. Um das Verhältnis nach der Bedingung (15) wieder herzustellen, muß der Bodenkanal durch einen neuen ersetzt werden, dessen Höhe mit h2 = Q2/S gegeben ist. Somit können durch Änderung des Bodenkanals Materialfaktoren berücksichtigt werden.
• Tiegelinduktor Q3 = h3 . S Q3 stromführender Querschnitt h3 Höhe des Einsatzes, der von der Induktons spule bedeckt wird Um hierbei ebenfalls günstige strömungstechnische Verhältnisse zu erhalten, muß das Produkt aus dem Quadrat der Stromdichte und den Durchmesser eines dem stromführenden Querschnitt flächengleichen Kreisquerschnittes folgender Bedingung entsprechen: )2 . d3 < 106 A2 1 cm3 (17) d3 Durchmesser eines dem stromführenden Querschnittes Q3 gleichen kreisförmigen Querschnittes Der Verbrauchswiderstand im Einsatzgut berechnet sich wie folgt: D-6 mittlerer Durchmesser des als gleichmäßig mit Strom belegt gedachten, äußeren Zylindermantels des Einsatzes Der Verbrauchswiderstand ist daher von der Eindringtiefe und damit von der Betriebsfrequenz abhGngig.
• Unter Zusammenfassung aller anderen Größen gilt d.h -. der Verbrauchswiderstand ist direkt proportional der Quadratwurzel aus der Frequenz.
• Bei konstanter Wirkleistung im Einsatz, d.h.
• I 2 . R3 = konstant (19) folgt die Beziehung zwischen Strom und Frequenz mit Da bei einem Wechsel der Legierung die Eindringtiefe 8 und bei Metallabnahme die Höhe h3 eine Veränderung erfahren, würde bei Leistungskonstanthaltung eine Änderung des Produktes aus dem Quadrat der Stromdichte und dem Durchmesser eines flächengleichen Kreisquerschnittes eintreten. Zur Konstanthaltung dieses Produktes wird nach der erfindungsgemäßen Lösung die Frequenz den Jeweiligen Bedingungen angepaßt.
• Das Verfahren sowie Induktoren nach der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert,. Es zeigen: Fig. 1 ein Ofengefäß mit einem Rinneninduktor und einer Kokille, in Seitenansicht sowie geschnitten, Fig. 2 den Rinneninduktor und die Kokille nach Fig. 1 in Draufsicht sowie geschnitten und in vergrößertem Maßstab, Fig. 3 ein Ofengefäß mit einem Tiegelinduktor und einer Kokille, in Seitenansicht sowie geschnitten, Fig. 4 einen Tiegelinduktor mit Kokille in Seitenansicht geschnitten, Fig. 4a den Tiegelinduktor nach Fig. 4 mit gesenktem Schmelzspiegel und Fig. 5 eine gegenüber der Fig. 4 veränderte Ausführungsform eines Tiegelinduktors, In Fig. 1 ist ein Ofengefäß 1 dargestellt, an das ein abnehmbarer Rinneninduktor 2 angesetzt ist, der mit einem abnehmbaren Bodenkanal 3 versehen ist, an den eine ebenfalls abnehmbare Kokille 4 anschließt. Die induktive Beheizung des Induktors erfolgt über einen dreischenkligen Kern 5, dessen mittlerer Schenkel den Rinneninduktor 2 in einer Ausnehmung durchsetzt und die Primärwicklung 6 trägt.
• Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Breite der parallelen Rinnenkanäle 7 mit b1 gegeben, wogegen die Breite des Bodenkanals 8 mit b2 gegeben ist. Die Höhe der parallelen Rinnenkanäle 7 ist mit hl, die Höhe des Bodenkanals 8 mit h2 gegeben.
• In Fig. 2 ist weiters die Strombelegung der in der U-förmigen Rinne befindlichen Schmelze schraffiert dargestellt.
• Die Frequenz des Stromes, mit der die Primärwicklung 6 gespeist wird, ist so gewählt, daß das Verhältnis der Eindringtiefe 8 zur Breite b1 der parallelen Rinnenkanäle kleiner als 3 ist, wogegen das Verhältnis der Eindringtiefe s zur Breite b2 des Bodenkanals 8 größer als 3 ist. Dadurch kann zur Vereinfachung der Berechnungen davon ausgegangen werden, daß über den gesamten Querschnitt die parallelen Rinnenkanäle stromführend sind, wogegen der Bodenkanal nur über denjenigen Querschnitt stromführend ist, der durch das Produkt der Eindringtiefe 6 und der Höhe h2 des Bodenkanals 8 gebildet ist.
• Um in den parallelen Rinnenästen und im Bodenkanal das Verhältnis aus den Produkten des Quadrates der Stromdichte und den Durchmessern eines den stromführenden Querschnitten gleichen Kreisquerschnittes auch bei veränderten Verhältnissen, also z.B. bei unterschiedlichen Metallen, konstant zu halten, ist der Bodenkanal 3 gegen Bodenkanäle mit unterschiedlichen Höhen auswechselbar.
• In Fig. 3 ist eine der Anordnung nach Fig. 1 ähnliche Anordnung dargestellt, mit dem'Unterschied, daß anstelle des Rinneninduktors ein Tiegelinduktor 10 vorgesehen ist. Es schließt also an ein Ofengefäß 1 ein horizontal liegender, abnehmbarer Tiegekinduktor 10 an, der mit einem abnehmbaren Tiegelboden 11 versehen ist. Der Tiegelinduktor 10 ist weiters mit einer Spule 13 versehen, die als Ofenspule dient, durch die also die Heizleistung aufgebracht wird. Die Spule 13 ist von einem Joch 14 umschlossen, durch das über die im Tiegel befindliche Schmelze der Magnetkreis geschlossen wird. An den abnehmbaren Tiegelboden 11 schließt die Kokille 4 an. Die im Tiegel durch die elektrodynamischen Kräfte verursachten Badbewegungen sind durch elliptische Kurven angedeutet. Die Strombelegung der Schmelze ist wie in den vorhergehenden Figuren durch schraffierte Bereiche angedeutet.
• In Fig. 4 ist ein vertikal stehender Tiegelinduktor 15 mit abnehmbarer Kokille 4 dargestellt, der ebenfalls mit einem Joch 1f und einer Spule 13 versehen ist. Der Spiegel der im Tiegelinduktor 15 enthaltenen Schmelze liegt dabei etwa in der des oberen Endes Höhe/der Spule 13. In Fig. 4a hingegen ist der Badspiegel abgesunken. Da dadurch bei gleichbleibender Frequenz der stromführende Querschnitt verringert würde, würde das Produkt aus dem Quadrat der Stromdichte und dem Durchmesser eines dem stromführenden Querschnitt flächengleichen Kreisquerschnittes einen Wert erreichen, der über dem angegebenen Wert läge, wodurch die elektrodynamischen Druckkräfte eine unerwünschte Größe erreichen würden. Um dies zu verhindern, wird die Frequenz vermindert, wodurch die Eindringtiefe B erhöht wird und somit der stromführende Querschnitt dem stromführenden Querschnitt bei vollem Tiegelinduktor gleichgehalten wird. In gleicher Weise wird zur Erzielung konstanter Bedingungen bei unterschiedlichem Schmelzgut ebenfalls die Frequenz verändert.
• In Fig. 5 ist schließlich ein in einer Schräglage angeordneter Tiegelinduktor 15 mit anschließender Kokille 4 dargestellt, der in der gleichen Weise wie die vorstehend beschriebenen Induktoren betrieben werden kann.

Claims (5)

P a t e fl t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zum Betrieb eines mit einer Metallschmelze gefüllte Induktors mit direkt angebauter Kokille, insbesondere für das horizontale Stranggießen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des stromführenden Heizleiterquerschnittes einerseits und die induzierte Leistung und Betriebsfrequenz andererseits so gewählt sind, daß in den Kanälen (7, 8) eines Rinneninduktors (2) bzw. in einem Tiegelinduktor (1Q, 15) das Produkt aus dem Quadrat der Stromdichte-und dem Durchmesser (d) eines dem stromführenden Querschnitt flächengleichen Kreisquerschnittes gleieh oder kleiner 106 A² je cm³ ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Betrieb eines Rinneninduktors, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenkanal (8) so bemessen ist, daß das Produkt aus dem Quadrat der Stromdichte und dem Durchmesser (d) eines dem stromführenden Querschnitt flächengleichen Kreisquerschnittes gleich oder kleiner 0.5 x 106 A2 je cm3 ist.

3. Verfahren zum Betrieb eines Rinneninduktors nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite (b1) der in den Ofenraum (1) mündenden Kanäle (7) zur Eindringtiefe (6) kleiner 3 ist, wogegen das Verhgltnis der Breite (b.2) des Bodenkanals eur Eindringtiefe (6) größer oder gleich 3ist.

4. Rinneninduktor zur Durchführung des Verfahrens nach dfen Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenkanal (8) zur Gewährleistung absolut gleicher Bedingungen bei geändertem Gießprogramm abnehmbar und gegen einen Bodenkanal mit geänderten Dimensionen austauschbar ist.

5. Tiegelinduktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,- daß zur Gewährleistung der gestellten Bedingungen bei Änderung des Materialfaktors, d.h.

des spezifisch-elektrischen Widerstandes, oder bei Absinken des Badspiegels bei konstanter Wirkleistung die Frequenz veränderbar ist.

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