DE19603317A1 - Verfahren zum Betreiben eines Induktors und Induktor zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Induktors und einen Induktor zur Durchführung des Verfahrens.

Nach dem Stand der Technik wird der Induktor im Betrieb wassergekühlt. Die Induktionsspule hat hierfür einen hohlen Querschnitt, der einen Kühlkanal bildet (vgl. EP 0 291 289 B1, EP 0 339 837 B1). Die Wasserkühlung dient dem Schutz des Induktors gegen Überhitzung. Eine Wasserkühlung hat jedoch den Nachteil, daß etwaige Undichtigkeiten zu einer möglicherweise schädlichen, jedenfalls unerwünschten Wasserdampfentwicklung bei Austritt in eine Schmelze führen.

In der DE 41 36 066 A1 ist eine Ausgußeinrichtung für ein metallurgisches Gefäß und ein Verfahren zum Öffnen und Schließen einer Ausgußhülse beschrieben. Der Induktor ist relativ zur Ausgußhülse in unterschiedliche Verschiebestellungen zu bringen, um die Wärmeleitung zwischen dem Induktor und der Ausgußhülse zu beeinflussen. In einer ersten Verschiebestellung bildet ein Spalt zwischen dem Induktor und der Ausgußhülse eine Wärmeisolierung und der elektrisch eingeschaltete, gekühlte Induktor schmilzt einen in der Ausgußhülse bestehenden Metallpfropfen induktiv auf.

In der zweiten Verschiebestellung besteht eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Induktor und der Ausgußhülse. Der vom Kühlmedium durchströmte Induktor ist elektrisch abgeschaltet. Die dadurch erfolgende Abkühlung der Ausgußhülse läßt die Metallschmelze in der Ausgußhülse einfrieren. Um den Induktor in diesen beiden Arbeitsphasen (Verschiebestellungen) betreiben zu können, muß er mechanisch bewegt werden. Dies bedingt eine entsprechende Betätigungs- und Steuereinrichtung.

In der Patentanmeldung P 44 28 297 ist ein Induktor bei einem Auslaßorgan eines Schmelzengefäßes beschrieben, der direkt in den Boden des Schmelzengefäßes bzw. in einen Lochstein des Bodens des Schmelzengefäßes eingebaut ist. Dieser Induktor läßt sich nicht entsprechend der DE 41 36 066 A1 betreiben, weil er gegenüber der Ausgußhülse nicht verschieblich sein kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein variables Betriebsverfahren für einen Induktor vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Das beschriebene Betriebsverfahren hat den Vorteil, daß es sich in vielfältiger Weise an Betriebsbedingungen anpassen läßt. Durch entsprechende Abstimmung der Heizleistung und der Kühlleistung kann der Induktor zum Aufheizen oder Abkühlen von Schmelzen in Abstichvorrichtungen, wie Freilaufdüsen, Kanälen, Stopfen-, Schieber- und Rohrverschlüssen oder in Transportrinnen und/oder Gefäßen verwendet werden. Er kann auch zum Aufschmelzen oder zum Verfestigen von Metallen oder Nichtmetallen, insbesondere nichtmetallischen Schlacken und/oder Gläsern, verwendet werden. Er kann auch zum Aufheizen von Bauteilen, Behältern oder Transportorganen verwendet werden, welche in Kontakt mit Schmelzen kommen.

Vorteilhaft ist auch, daß der Induktor in den Arbeitsphasen nicht bewegt werden muß. Er kann deshalb in die Abstichvorrichtung eingebaut oder mit dieser starr verbunden sein.

Bei dem beschriebenen Verfahren kann in den Arbeitsphasen mit unterschiedlichen Fluiden, wie Flüssiggas, Trockeneis, Wasser oder Gas, insbesondere Druckluft, gearbeitet werden. Wasser wird vorzugsweise nicht verwendet. Die Verwendung von Flüssiggas oder Trockeneis als Kühlmittel in der Arbeitsphase, in der eine hohe Kühlleistung gewünscht ist, ist günstig, weil es beim Austritt und bei etwaigen Lecks in der Flüssiggas- oder Trockeneisführung nicht zu einer gefährlichen Wasserdampf- oder Knallgasentwicklung in Kontakt mit einer Schmelze kommen kann.

In der anderen Arbeitsphase, in der eine kleinere Kühlleistung genügt kann mit Druckluft als Kühlmittel gearbeitet werden. Die Verwendung von Druckluft ist günstig, weil diese im Einsatz einfach und billig ist und ebenfalls nicht zu den mit Wasserkühlung verbundenen Problemen führt.

Bei einem beispielsweisen Betriebsverfahren wird in wenigstens einer Abstichvorrichtung eines Schmelzengefäßes die Schmelze in einer ersten Arbeitsphase vom Induktor aufgeheizt. Dabei kann der Induktor an die Abstichvorrichtung oder in Verbindung mit einem elektrisch nichtleitenden Formteil direkt an die elektrisch leitfähige Schmelze in dem Formteil induktiv ankoppeln. Die erste Arbeitsphase dient also dem Aufheizen der Schmelze bzw. der Abstichvorrichtung. Gegebenenfalls kann dabei auch ein in der Abstichvorrichtung erstarrter Schmelzepfropfen aufschmelzen. In der ersten Arbeitsphase arbeitet der Induktor mit sehr hoher elektrischer Leistung, so daß eine aufgeschmolzene Randzone am Pfropfen entsteht, bevor die Wärmeausdehnung des Pfropfens zur Wirkung kommt, so daß dieser das ihn um gebende feuerfeste Material sprengt. Die flüssige Randzonenschicht wird bei der allmählich einsetzenden Ausdehnung des Pfropfens verdrängt. Auch bei diesen hohen Anfahrleistungen hat sich als ausreichendes Kühlmittel für den Induktor ein Fluid, beispielsweise Flüssiggas oder Trockeneis und insbesondere auch Druckluft herausgestellt.

In einer anderen Arbeitsphase, in der die Schmelze ohne oder mit geringer Nacherhitzung frei ausströmt, genügt eine geringere Kühlleistung bei reduzierter oder abgeschalteter elektrischer Leistung bzw. elektrischer Entkopplung des Induktors. Es wird dabei mittels des Fluids, vorzugsweise Druckluft, gekühlt. Sind am Schmelzengefäß mehrere Abstichvorrichtungen nebeneinander vorgesehen und tritt an einer oder mehrerer der Abstichvorrichtungen infolge kleinerer Temperatur ein reduzierter Schmelzenfluß auf, dann lassen sich diese Abstichvorrichtungen durch verstärkte elektrische Leistung oder Verringerung der Kühlleistung so nacherwärmen, daß an allen Abstichvorrichtungen ein gleicher Schmelzenfluß auftritt. Dabei lassen sich auch unterschiedliche Wärmeabstrahlungen ausgleichen.

In einer weiteren Arbeitsphase kann die Schmelze abgekühlt werden. Der Induktor ist dabei elektrisch abgeschaltet. Die Kühlung des Induktors wird weiterbetrieben und erfolgt vorzugsweise mit hoher Kühlleistung durch Wasser, Flüssiggas, Trockeneis oder Druckluft. Diese Arbeitsphase dient insbesondere dem Einfrieren der Schmelze in der Abstichvorrichtung zum gezielten Unterbrechen des Schmelzenflusses.

Durch entsprechende Wahl der Kühlleistung ist es auch möglich, in etwaige Risse der Abstichvorrichtung eingedrungene Schmelze dort einzufrieren, so daß die Risse geschlossen sind.

Es ist auch möglich, einen Teil der Schmelze als Schicht auf der Wandung des Formteils einzufrieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, schematisch

Fig. 2 bis Fig. 6 verschiedene Möglichkeiten der Zuführung und Abführung des Kühlfluids bei einem wendelförmigen Induktor,

Fig. 7 einen spiralförmigen, plattenförmigen Induktor mit Zu- und Abführungen des Kühlfluids,

Fig. 8 einen Induktor aus einem wendelförmigen, schraubenförmigen und einem spiralförmigen, plattenförmigen Induktorteil, und

Fig. 9 eine abgewandelte Ausführung des Induktors.

In den Boden (1) eines Schmelzengefäßes ist ein Induktor (2) eingebaut. Dieser besteht aus einer elektrisch leitenden Induktionsspule mit hohlem Querschnitt, der einen Kühlkanal (3) für ein Kühlfluid bildet. Mittels elektrischer Anschlüsse (4, 5) ist der Induktor (2) an eine elektrische Energiequelle angeschlossen.

Der Induktor (2) umschließt eine in den Boden (1) als Abstichvorrichtung eingesetzte Freilaufdüse (6) aus feuerfestem keramischem Material (Formteil). Diese bildet einen Kanal (7) für den Schmelzendurchfluß.

An den Kühlkanal (3) ist einerseits eine Einlaßleitung (8) und andererseits eine Auslaßleitung (9) angeschlossen. Die Einlaßleitung (8) liegt über ein 3-Wegeventil (10) an einem Druckbehälter (11) für Flüssiggas oder einem Trockeneisbehälter und an einer Druckluftquelle (12). Das Trockeneis kann auch in Form von Stangen oder Kartuschen in die Einlaßleitung eingeführt werden.

Die Funktionsweise der beschriebenen Einrichtung ist beispielsweise folgende:

Geht man davon aus, daß der Schmelzenfluß durch einen im Kanal (7) gewollt eingefrorenen Schmelzenpfropfen unterbrochen ist und der Schmelzenfluß in Gang gesetzt werden soll, dann wird in einer ersten Arbeitsphase der Induktor (2) auf hohe elektrische Leistung geschaltet und das 3-Wegeventil (10) wird so gestellt, daß Flüssiggas aus dem Druckbehälter (11) in den gasförmigen Zustand übergeht und durch den Kühlkanal (3) strömt. Das Flüssiggas kann beispielsweise flüssiger Stickstoff sein. Denkbar ist auch verfestigtes CO₂ (Trockeneis), und insbesondere Druckluft. Der sich erhitzende Induktor (2) wird durch das Flüssiggas gekühlt. Entweder koppelt er induktiv an die Freilaufdüse (6) bzw. an einen die Freilaufdüse umgebenden Suszeptor an, die dann durch Wärmeleitung den Metallpfropf im Kanal (7) aufschmilzt; oder er koppelt induktiv direkt an die Schmelze bzw. den Metallpfropf an, so daß dieser ebenfalls aufschmilzt.

Durch das Aufschmelzen des Metallpfropfes ist der Schmelzenfluß in Gang gesetzt. Es kann nun die elektrische Leistung des Induktors (2) reduziert oder abgeschaltet werden, weil nur ein geringer oder kein Nachheizbedarf besteht. Dementsprechend läßt sich auch die Kühlleistung reduzieren. Dies erfolgt dadurch, daß das 3-Wegeventil (10) spätestens jetzt auf die Druckluftquelle (12) umgeschaltet wird. In der Bereitschaftsphase erfolgt die Kühlung somit mit Luft, was den Verbrauch von Flüssiggas in Grenzen hält.

Sind am Boden (1) nebeneinander mehrere Freilaufdüsen mit Induktoren vorgesehen, dann können die Induktoren einzeln so gesteuert werden, daß durch die Freilaufdüsen gleiche Schmelzendurchflußmengen austreten.

Bilden sich in der Freilaufdüse (6) im Betrieb Risse, in die Schmelze eintritt, dann kann die Kühlung so gesteuert werden, daß die in die Risse eingedrungene Schmelze in diesen einfriert, jedoch der Hauptstrom der Schmelze weiter durch den Kanal (7) läuft.

Soll der Schmelzenfluß unterbrochen werden, dann wird der Induktor (2) elektrisch abgeschaltet und das 3-Wegeventil (10) wird wieder auf den Druckbehälter (11) geschaltet oder der Druckluftdurchsatz wird erhöht. Der Induktor (2) wird nun mit hoher Kühlleistung gekühlt, wobei sich dementsprechend durch Wärmeleitung die Freilaufdüse (6) abkühlt und die Schmelze in dem Kanal (7) zu einem den Schmelzenfluß unterbrechenden Pfropfen einfriert.

In den beschriebenen Arbeitsphasen tritt das Kühlmittel aus der Auslaßleitung (9) aus. Es kann schadlos direkt in die Umgebung entlassen werden. In den Arbeitsphasen tritt das im Induktor (2) verdampfende Flüssiggas oder die aufgewärmte Druckluft aus.

Im Bedarfsfall kann das Flüssiggas auch in einem geschlossenen Kreislauf geführt werden. Eine Einrichtung hierfür ist in der Figur strichliert dargestellt. Es ist dann an der Auslaßleitung (9) ein weiteres 3-Wegeventil (13) vorgesehen, das einerseits zu einem Gasauslaß (14) und andererseits zu einem Flüssiggas-Rück­ gewinnungsapparat (15), beispielsweise Verdichter, führt, welcher an das 3-Wegeventil (10) angeschlossen ist.

Die beschriebene Einrichtung ist auch bei anderen Abstichvorrichtungen eines Schmelzengefäßes verwendbar, beispielsweise ist dann der Induktor (2) nicht in den Boden (1) eines Schmelzengefäßes, sondern in eine Schieberverschlußvorrichtung oder ein anderes Bauteil eingebaut.

Nach Fig. 2 sind an beiden Enden des Induktors (2) Auslaßleitungen (9, 9′) (Kühlfluid-Abführungen) angeschlossen. In einem zwischen den Auslaßleitungen (9, 9′) liegenden Bereich ist an den Kühlkanal (3) des Induktors (3) eine Einlaßleitung (8) (Kühlfluid-Zuführung) angeschlossen. Der Anschluß der Einlaßleitung (8) liegt an einer den gewünschten Kühlbedingungen entsprechenden Stelle des Induktors (2). Beispielsweise liegt er in der Mitte dessen Länge. Das durch die Einlaßleitung (8) eintretenden Kühlmittel strömt damit einerseits zur Auslaßleitung (9) und andererseits zur Auslaßleitung (9′). Es ist damit die Kühlwirkung verbessert. Die am stärksten gekühlte Stelle des Induktors (2) läßt sich in einen gewünschten Bereich des Induktors (2) legen.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind zwischen den beiden Auslaßleitungen (9, 9′) zwei Einlaßleitungen (8, 8′) vorgesehen. Dadurch läßt sich der Kühlmittelstrom verstärken und damit die Kühlwirkung verbessern.

Zwischen den Einlaßleitungen (8, 8′) kann im Kühlkanal (3) des Induktors (2) eine Trennwand (16) vorgesehen sein (vgl. Fig. 4). Damit ist sichergestellt, daß das durch die Einlaßleitung (8) einströmende Kühlfluid nur zur Auslaßleitung (9) und das durch die Einlaßleitung (8′) einströmende Kühlfluid nur zur Auslaßleitung (9′) gelangt. Es läßt sich somit der Induktor (2) je nach den Bedürfnissen in seinem oberen Bereich mit einem anderen Kühlfluid als in seinem unteren Bereich kühlen oder aber auch mit dem gleichen Kühlfluid bei mehr oder weniger Beaufschlagung die beiden Bereiche unterschiedlich kühlen.

Bei der Ausführung nach Fig. 5 sind an den beiden Enden des wendelförmigen Induktors (2) Einlaßleitungen (8, 8′) angeordnet. Eine oder zwei Auslaßleitungen (9, 9′) sind etwa in der Mitte des Induktors (2) vorgesehen. Auch damit läßt sich die Kühlwirkung verbessern.

Es ist auch möglich, am einen Ende des Induktors (2) eine Einlaßleitung (8) und am anderen Ende eine Auslaßleitung (9′) vorzusehen. Im Mittelbereich des Induktors (2) befindet sich dann, durch die Trennwand (16) getrennt, eine Auslaßleitung (9) und eine Einlaßleitung (8′). Dies ist in Fig. 6 gezeigt. Bei anderen Ausführungen können auch mehr als zwei Einlaßleitungen und/oder Auslaßleitungen am Induktor (2) vorgesehen sein.

Fig. 7 zeigt einen spiralförmigen, plattenförmigen Induktor (2). Auch bei diesem können an jedem Ende je eine Auslaßleitung (9, 9′) vorgesehen sein, wobei die Einlaßleitung (8) dann zwischen den Auslaßleitungen (9, 9′) an den Induktor (2) angeschlossen ist. Auch bei dem spiralförmigen Induktor (2) nach Fig. 7 lassen sich die oben beschriebenen Alternativen verwirklichen.

Fig. 8 zeigt einen Induktor, der aus der Kombination eines wendelförmigen Induktorteils (2′) und eines sprialförmigen Induktorteils (2′′) besteht. Dieser Induktor eignet sich beispielsweise für einen ein feuerfestes, keramisches Formteil bildenden Eintauchausguß (10), wobei das wendelförmige, schraubenförmige Induktorteil (2′′) in einen zylindrischen Bereich des Eintauchausgusses eingeführt ist und das sprialförmige, plattenförmige Induktorteil (2′′) einer oberen Erweiterung (10′) des Eintauchausgusses (10) zugeordnet ist. Elektrisch können die Induktorteile (2′, 2′′) als Einheit geschaltet sein. Ihre Kühlung kann durch entsprechende Einlaß- und Auslaßleitungen getrennt durchgeführt werden.

Bei der Ausführung nach Fig. 9 ist das wendelförmige, schraubenförmige, zylindrische Induktorteil (2′) mit einem zweiten wendelförmigen Induktorteil (2′′′) verbunden oder kombiniert. Das zweite Induktorteil (2′′′) erweitert sich konisch wobei die einzelnen Windungen in unterschiedlichen bzw. sich verändernden Radien ineinander übergehen. Das Induktorteil (2′) wird als Inneninduktor für einen von einem feuerfesten keramischen Formteil gebildeten Schmelzenauslauf (11) verwendet. Das Inneninduktorteil (2′′′) wird als Außeninduktor für einen dem Schmelzenauslauf (11) zugeordneten Stopfen (12) verwendet, der ebenfalls ein feuerfestes keramisches Formteil ist. Auch hier können die anhand der Fig. 2 bis 6 beschriebenen Einlaßleitungen und Auslaßleitungen vorgesehen sein.

Claims (15)

1. Verfahren zum Betreiben eines Induktors, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor während einer Arbeitsphase an ein elektrisch leitfähiges Formteil induktiv ankoppelt und mittels eines Fluids gekühlt wird und gegebenenfalls während einer anderen Arbeitsphase elektromagnetisch entkoppelt und mittels eines Fluids gekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Flüssiggas oder Trockeneis oder Wasser bzw. Wasserdampf oder Gas, insbesondere Druckluft, ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Entkopplung durch elektrisches Abschalten oder durch Reduzierung der elektrischen Leistung des Induktors erfolgt.

4. Verfahren zum Betreiben eines Induktors zum Aufheizen oder Abkühlen eines elektrisch leitfähigen Formteils nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor zum Aufheizen oder Abkühlen von Schmelzen in Abstichvorrichtungen, wie Freilaufdüsen, Kanälen, Stopfen-, Schieber- und Rohrverschlüssen, verwendet wird.

5. Verfahren zum Betreiben eines Induktors zum Aufheizen oder Abkühlen eines elektrisch leitfähigen Formteils nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor zum Aufheizen oder Abkühlen von Schmelzen in Transportrinnen und/oder in Gefäßen verwendet wird.

6. Verfahren zum Betreiben eines Induktors nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor zum Aufschmelzen oder zum Verfestigen von Metallen oder Nichtmetallen, insbesondere nichtmetallischen Schlacken und/oder Gläsern, verwendet wird.

7. Verfahren zum Betreiben eines Induktors, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor während einer Arbeitsphase in Verbindung mit einem nicht elektrisch leitenden Formteil direkt an eine elektrisch leitfähige Schmelze in dem Formteil ankoppelt und mittels eines Fluids gekühlt wird und gegebenenfalls in einer anderen Arbeitsphase elektromagnetisch entkoppelt und mittels eines Fluids gekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer anderen Arbeitsphase die Schmelze abgekühlt wird, wobei der Induktor elektrisch abgeschaltet ist und die Kühlung des Induktors weiterbetrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Schmelze als Schicht auf der Wandung des Formteils eingefroren wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Induktor am Formteil mehrere Induktorteile (2′, 2′′) insbesondere unterschiedlicher Form, wie Wendelform oder Spiralform, angeordnet werden, die als Innen- und/oder Außeninduktor ausgebildet sind.

11. Induktor für das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (2) eine oder mehrere Zuführungen (8, 8′) und eine oder mehrere Abführungen (9, 9′) für das Kühlfluid aufweist.

12. Induktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der wendelförmige oder spiralförmige Induktor (2) je eine Abführung (9, 9′) an den Enden der Wendel oder Spirale und zwischen diesen Abführungen (9, 9′) eine oder mehrere Zuführungen (8) aufweist.

13. Induktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der wendelförmige oder spiralförmige Induktor (2) je eine Zuführung (8, 8′) an den Enden der Wendel oder Spirale und zwischen diesen Zuführungen (8. 8′) mindestens eine Abführung (9) aufweist.

14. Induktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (2) an seinen Enden eine Zuführung und eine Abführung aufweist und dazwischen eine Abführung und eine Zuführung oder mehrere Abführungen und mehrere Zuführungen aufweist.

15. Induktor nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren zwischen den Induktorenden liegenden Zuführungen (8, 8′) bzw. Abführungen (9, 9′) durch jeweils eine Trennwand (16) im Kühlkanal des Induktors (2) hinsichtlich der Strömung des Fluids voneinander getrennt sind.