DE19805644C2 - Verfahren und Induktionsofen zum kontinuierlichen Schmelzen von kleinstückigem Metall- und/oder metallhaltigem Schüttgut - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Induktionsofen zum Schmelzen von kleinstückigem Metall- und metallhaltigem Schüttgut, insbesondere in Form von Spänen aus Eisen, Kupfer, Kupferlegierungen und/oder Aluminium und dessen Legierungen mittels induktiver Erwärmung, bei dem die Schmelze im oberen Bereich eines Ofenbehälters durch ein mittels einer ersten um den Ofenbehälter angeordneten Magnetspule (Tiegelspule, Rühr­ spule) erzeugtes Wechselfeld einer Rührbewegung ausgesetzt wird, wobei der Schmelze gleichzeitig im unteren Bereich in einer Schmelzrinne um den Eisenkern eines Niederfrequenz-Trans­ formators als kurzgeschlossene Sekundärwicklung Wärme zugeführt wird.

Zum Schmelzen von kleinstückigem Metall- und/oder metallhalti­ gem Schüttgut, insbesondere von Spänen, wie sie bei der Metall- Zerspanung anfallen, sind nach dem Stand der Technik zwei unterschiedliche Induktionsofen-Typen bekannt. Beide Ofentypen basieren auf der Ausnutzung der magnetischen Induktion.

Der vorwiegend zum Einschmelzen von Metallspänen, insbesondere Messingspänen, eingesetzte Induktionstiegelofen besteht aus einem feuerfesten Tiegel, um den eine wassergekühlte Kupfer­ spule angeordnet ist. Wird diese Spule von einem Wechselstrom durchflossen, so wird in dem Tiegeleinsatz ein elektromagneti­ sches Wechselfeld induziert, das den Einsatz zum Schmelzen bringt. Das hierbei entstehende Wechselfeld bewirkt eine inten­ sive Schmelzebewegung, welche das Einrühren der von oben aufge­ gebenen Metallstücke fördert. Dadurch, daß die aufgegebenen, oft ölhaltigen Metallspäne rasch in die Schmelze eingerührt werden, lassen sich Metallverluste jeder Art minimieren und die Bildung von toxischen Kohlenwasserstoffen verhindern.

Die Ströme in der Magnetspule und im Schmelzgut erzeugen zusam­ men mit dem Magnetfeld Kräfte in Richtung auf die Zylinder­ achse, wodurch sich eine konvexe Schmelzbadoberfläche ausbil­ det. Ringförmig um die Schmelzbadoberfläche setzt sich am Ofen­ innenmantel Krätze ab, wobei die Breite des Krätze-Ringes um so geringer ist, je heftiger die Badbewegung ist.

Der geschilderte Tiegelofen hat verfahrensbedingt folgende Nachteile:

Zunächst ist der thermische Wirkungsgrad des Tiegelofens rela­ tiv gering, weshalb sich ein hoher spezifischer Energiever­ brauch ergibt. Des weiteren kann mit dem Tiegelofen nur diskon­ tinuierlich gearbeitet werden. Ist der maximale Füllgrad des Tiegelofens erreicht, muß die Schmelze vergossen werden, bevor mit dem weiteren Einschmelzen von Metallstücken fortgefahren werden kann. Hierdurch entstehen Nebenzeiten, die die Anlagen­ verfügbarkeit erheblich einschränken.

Durch Ablagerungen an der Tiegelwand ergibt sich ein hoher Rei­ nigungsaufwand. Schließlich führen Schlackenanhaftungen an der Tiegelwand zu nicht unerheblichen Leistungsverlusten.

Eine Alternative bietet der sogenannte Rinnenofen, bei dem sich das Schmelzgut in einer geschlossenen Rinne um den Eisenkern eines Niederfrequenztransformators befindet. Die Schmelze bil­ det die kurzgeschlossene Sekundärwicklung, wobei die Heizwir­ kung durch den hohen, in der Schmelzrinne fließenden Strom ent­ steht. Allerdings fehlt bei der Rinnenofen-Ausführung die Bad­ bewegung, wodurch die Gefahr des Metallabbrandes erhöht ist, soweit die auf dem flüssigen Bad liegenden Metallstücke der oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt sind. Bedingt kann dem Metallabbrand durch Einsatz von Stampfern oder Rührwerken ent­ gegengewirkt werden, die jedoch den technischen Aufwand erhö­ hen. Obwohl der thermische Wirkungsgrad des Rinnenofens groß ist, können nur kleine Schmelzleistungen erzielt werden, da das mechanische Einrühren zeitintensiv ist. Im Regelfall werden nur 30% Metallspan-Anteile zum stückigen Schrott zugesetzt, um befriedigende Schmelzleistungen zu erzielen. Ebenso wie der Tiegelofen arbeitet der Rinnenofen nur diskontinuierlich. Außerdem ist auch er mit dem Nachteil hoher Nebenzeiten behaftet.

Die DE-AS 11 18 404 beschreibt einen elektrischen Schmelzofen, bei dem dem Schmelzgut im oberen Teil des Schmelzofens auf induktivem Weg Wärme zugeführt wird, die dort eine starke Bewe­ gung des Schmelzbades verursacht und dadurch ein schnelles Untertauchen des eingebrachten kleinstückigen Schmelzgutes unter die Badoberfläche bewirkt. Die Erwärmung des Gutes im unteren Teil des Schmelzofens erfolgt in Schmelzrinnen, die mit einem oder mehreren durch Wechselströme magnetisierten Eisen­ kern verkettet sind. Die zur induktiven Erwärmung des Schmelz­ gutes im oberen Ofenteil dienende Induktionswicklung ist in mehrere Abschnitte unterteilt, die einzeln oder in Gruppen ein­ schaltbar sein sollen. Oberhalb dieser Induktionswicklungen besitzt der Schmelzofen einen Ausguß, über den die Schmelze nach entsprechendem Kippen des Ofens abgegossen werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren und den Induktionsofen der eingangs genannten Art zu verbessern, wobei ein kontinuierliches effizientes Einschmelzen von stücki­ gem Metall-Schüttgut und ein hierzu geeigneter Induktionsofen geschaffen werden soll, der wartungsarm arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch den Induktionsofen nach Anspruch 9 gelöst.

Verfahrenstechnisch besteht die Lösung darin, daß auf die in einem Ofenbehälter erzeugte Schmelze das Metall-Schüttgut von oben zugeführt wird und die Schmelze im oberen Bereich durch ein mittels einer ersten um den Ofenbehälter angeordneten Magnetspule (Tiegelspule, Rührspule) erzeugtes Wechselfeld einer Rührbewegung ausgesetzt wird, wobei der Schmelze gleich­ zeitig im unteren Bereich in einer Schmelzrinne um den Eisen­ kern eines Niederfrequenztransformators als kurzgeschlossene Sekundärwicklung Wärme zugeführt wird. Das beschriebene Verfah­ ren hat den Vorteil, daß mittels einer stromdurchflossenen Tiegelspule in Abhängigkeit der Frequenz der aufgegebenen Wech­ selspannung eine starke Rührbewegung zur Vermeidung eines Metallbrandes und zur Minimierung der Krätzemenge erzeugt wird. Die Schmelzrinne, in deren Bereich keine Rührarbeit mehr gelei­ stet werden muß, läßt sich so hinsichtlich ihres thermischen Wirkungsgrades optimal ausnutzen. Insgesamt läßt sich hierdurch eine deutliche Energieersparnis von ca. 20% erzielen. Ferner wird die Schmelze über einen Siphon mit einer unterhalb der Tiegelspule liegenden, in den Ofenbehälter mündenden Öffnung kontinuierlich in dem Maß abgeführt wie Metallstückgut der Schmelze zugeführt wird. Mit dieser Maßnahme kann ein konstan­ tes Schmelzbadoberflächeniveau erzeugt werden, wodurch bewirkt wird, daß die Schlackezone stets im gleichen Ofenwandbereich liegt, so daß ein Zuwachsen der Ofeninnenwand wie beim Tiegel­ ofen bzw. die damit erforderlichen Reinigungsarbeiten vermieden werden können. Der Einschmelzprozeß kann kontinuierlich bei einer stabilisierten Prozeßführung vorgenommen werden.

Vorteilhafterweise entstehen keine Nebenzeiten wie bei nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren für Temperaturmessungen und -einstellungen, das Abschlacken, Entleeren und Reinigen aufzuwenden sind. Hierdurch ergibt sich erfindungsgemäß eine Produktionserhöhung in der Größenordnung von ca. 30% sowie eine Betriebskostensenkung von ca. 10%. Die Anlagenverfügbar­ keit für die Produktion wird erheblich verbessert.

Wie bereits erwähnt, schafft das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, mehr als 50%, vorzugsweise 60 bis 70%, der gesamten zur Erzeugung der Schmelze zugeführten elektrischen Heizleistung der Schmelzrinne und den Rest über die Tiegelspule zuzuführen, womit der höhere thermische Wirkungsgrad durch Energieübertragung in die Rinne ausgenutzt wird.

Je nach Ausbildung des Siphons kann dieser ggf. beheizt werden.

Vorzugsweise wird die Schmelze im Siphon spitzwinklig zur Senk­ rechten oder senkrecht nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren über einen Auslauf des Siphons abgeführt. Hierbei wird nach einer Weiterbildung des Verfahrens die Siphonmündungsöff­ nung in bezug auf den Rinneninduktor so angeordnet, daß dessen Heiz- und Rührbewegung bis in die in die Siphonmündungsöffnung fließende Schmelze hineinreicht. Die vorgenannten Maßnahmen erlauben es, daß die im Ofenbereich erzeugte Wärme über die Schmelze in den Siphon transportiert wird, so daß in entspre­ chendem Maße eine Siphon-Heizung unterbleiben kann. In dem ver­ wendeten Ofengefäß wird sich der Schmelzbadspiegel in demselben Höhenniveau einstellen, in dem sich die Siphonauslaßöffnung befindet. In dem Maße, in dem metallisches Stückgut einge­ schmolzen wird, fließt auch Schmelze über die Siphonauslaßöff­ nung, etwa in eine Gießanlage, ab. Bei einer solchen kontinu­ ierlichen Verfahrensführung ist auch kein Reinigen der Ofen- Innenwand erforderlich, so daß diesbezügliche Ofenstillstands­ zeiten entfallen.

Vorzugsweise wird der durch den Ofenbehälter definierte Schmelzbaddurchmesser so groß gewählt, daß die durch die Rühr­ bewegung erzeugte konvexe krätzefreie Schmelzbadoberfläche im Durchmesser größer ist als die doppelte Breite des am Ofenrand anliegenden Krätzeringes. Der Durchmesser der sogenannten "Glatze" im Verhältnis zur Krätzeringbreite läßt sich über die Frequenz des Wechselfeldes und die Leistung beeinflussen, wel­ che der Tiegelspule zugeführt wird. Niedrige Frequenzen im Bereich der Netzfrequenz wirken sich hierbei vorteilhaft aus, da sie die Rührwirkung fördern. Zur Vermeidung von Metallab­ brand wird das aufgegebene metallische Schüttgut ausschließlich auf die konvexe krätzefreie Schmelzbadoberfläche, insbesondere über einen Trichter zugeführt.

Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Tiegelspule mit einem Wechselstrom einer Frequenz von 50 bis 250 Hz, vorzugsweise 50 bis 120 Hz, und der Rinneninduktor mit einem Wechselstrom einer Frequenz von 50 bis 60 Hz gespeist.

Apparativ wird die eingangs beschriebene Aufgabe durch den Induktionsofen nach Anspruch 9 gelöst, der unter Ausbildung einer einzigen Schmelzkammer im oberen Bereich als Indukti­ onstiegelofen und im unteren Bereich als Induktionsrinnenofen ausgebildet ist und der einen Siphon besitzt, der unterhalb der Tiegelspule des Induktions-Tiegelofenteiles mündet. Der Siphon­ ausfluß verläuft vertikal oder spitzwinklig zur Vertikalen und besitzt eine Ausflußöffnung oberhalb der Tiegelspule. Durch diese Maßnahme werden lange Fließwege vermieden, welche die flüssige Schmelze ansonsten vom Ofen zu Ausfluß zurückzulegen hätte. Darüber hinaus läßt sich durch diese Anordnung die Wär­ mekonvektion und der Wärmetransport über die im Ofen befindli­ che Schmelze ausnutzen.

Weitere vorzugsweise Ausbildungen des Induktionsofens sind in den Ansprüchen 10 bis 16 beschrieben.

Ggf. ist der Siphon wärmeisoliert und/oder mittels einer Induk­ tions- oder Widerstandsheizung erwärmbar. Bevorzugt beträgt der Siphonausflußdurchmesser mindestens 150 mm.

In einer weiteren Ausführungsform des Induktionsofens wird das Verhältnis der Induktionsspulenhöhe (Rührspulenhöhe) zum Spu­ lendurchmesser etwa 1 : 2 gewählt, wobei positive wie negative Abweichungen um 20% zulässig sind.

In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Indukti­ onsofens ist die Rinne des Rinnenofenteiles senkrecht zum Siphon und der Rinneninduktor waagerecht angeordnet. Es sind jedoch auch Schräganordnungen des Rinneninduktors bzw. der Rinne denkbar, etwa um die Flußbewegung der Schmelze in Rich­ tung des Siphon-Ausganges zu unterstützen. Selbstverständlich kann im Sinne der vorliegenden Erfindung die Rinne auch um 90° relativ zum Siphon gedreht angeordnet werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Induktionsofens ist in der Zeichnung dargestellt, die Querschnittsansicht dieses Induktionsofens zeigt.

Der erfindungsgemäße Induktionsofen besitzt eine einzige Schmelzkammer 10, deren oberer Bereich von einer wassergekühl­ ten Tiegelspule 11 umgeben ist. Der Ofen selbst besitzt eine nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannte feuerfeste Aus­ kleidung 12. Im unteren Bereich des Ofens ist eine Rinne 13 ausgebildet, die mittels des Rinneninduktors 14 beheizbar ist. Dieser Rinneninduktor 14 besteht aus Magnetspulen 15 über einem Eisenkern 16. Durch diesen Aufbau ergibt sich ein oberer Bereich 17, der einem Induktionstiegelofen entspricht, sowie ein unterer Bereich 18, der einem Induktions-Rinnenofen ent­ spricht. Unterhalb der Tiegelspule 11 aber oberhalb der Rinne 13 besitzt der Induktionsofen einen Auslaß, nämlich die in den Ofenbehälter mündende Öffnung 19 eines Siphons 20, des­ sen Längsachse spitzwinklig zur Vertikalen geneigt ist. Die Siphonüberlauföffnung 21 befindet sich oberhalb der Tiegel­ spule 11. Von dort aus gelangt abfließende Schmelze in einen Gießbehälter 22 oder ähnliches. Der Induktionsofen ist im obe­ ren Bereich mit einer Absaughaube 23 abgedeckt, in der auch ein Trichter 24 integriert ist. Der erfindungsgemäße Induktionsofen bzw. das erfindungsgemäße Verfahren arbeiten folgendermaßen:

Die über einen Trichter 24 oder eine sonstige Schüttvorrichtung aufgegebenen Metallspäne gelangen auf die sogenannte Glatze 25, das ist die krätzefreie konvexe Schmelzbadoberfläche, um die herum der sogenannte Krätzering 26 ist. Die Metallspäneaufgabe ist derart gerichtet, daß Metallspäne ausnahmslos auf die Glatze 25 fallen. Durch die Tiegelspule, die mit einer Frequenz zwischen 50 Hz bis 120 Hz gespeist wird, wird die Schmelze in eine Rührbewegung versetzt, durch welche die auf der Glatze 25 aufliegenden Späne oder Metallstückchen mitgerissen und in die Schmelze gezogen werden. Das Aufschmelzen der kleinstückigen Metallteilchen geschieht somit im wesentlichen in der Schmelze, wodurch ein Metallabbrand verhindert werden kann. Vorzugsweise wird über die Tiegelspule 11 nur etwa ein Drittel der dem gesamten Induktionsofen zugeführten Heizleistung zugeführt, zwei Drittel dieser Heizleistung werden über den Rinneninduk­ tor 14 abgegeben. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren bildet sich im Siphon 20 eine Schmelzesäule entsprechend der Schmelzbadoberfläche 25 aus. Ist der Induktionsofen, wie dar­ gestellt, "gefüllt", führt jeder weitere durch Metallspänezu­ gabe erzeugte Schmelzenzufluß zu einem Abfließen betreffender Mengen über den Überlauf 21. Die Steuerung des Verfahrens ist so angelegt, daß die Heizleistung groß genug ist, um die einge­ führten Metallspäne vollständig aufzuschmelzen. Verarbeitbare Späne bestehen insbesondere aus Eisen, Kupfer, Aluminium und deren Legierungen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch auf metallhaltige Schüttgüter anwendbar, die beim Recy­ cling von Reststoffen wie Aschen, Filterstäube etc. auftreten.

In einem konkreten Ausführungsbeispiel besaß der Induktionsofen eine Leistung von 2 MW, wobei 1100 kW über die Rinne und 900 kW über die Tiegelspule 11 abgegeben worden sind. Durch entspre­ chende Ofendimensionierung konnten 8 t/h Messingspäne einge­ schmolzen werden. Die erzielte Energieeinsparung gegenüber einem Tiegelofen betrug etwa 20%.

Claims (16)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Schmelzen von kleinstückigem Metall- und/oder metallhaltigem Schüttgut, insbesondere Spänen aus Eisen, Kupfer und/oder Aluminium, und/oder deren Legierungen mittels induktiver Erwärmung, bei dem die Schmelze im oberen Bereich eines Ofenbehälters durch ein mittels einer ersten um den Ofenbehälter angeordneten Magnetspule (Tiegelspule (11), Rührspule) erzeugtes Wech­ selfeld einer Rührbewegung ausgesetzt wird, wobei der Schmelze gleichzeitig im unteren Bereich in einer Schmelz­ rinne (13) um den Eisenkern (16) eines Niederfrequenz- Transformators als kurzgeschlossene Sekundärwicklung Wärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf die in dem Ofenbehälter erzeugte Schmelze das Metall-Schüttgut von oben zugeführt wird und daß die Schmelze über einen Siphon (20) mit einer unterhalb der Tiegelspule (11) liegenden, in den Ofenbehälter mündenden Öffnung (19) kontinuierlich in dem Maß abgeführt wird wie Metallstückgut der Schmelze zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als 50%, vorzugsweise 60 bis 70%, der gesamten zur Erzeugung der Schmelze zugeführten elektrischen Heizlei­ stung der Schmelzrinne (13) und der Rest über die Tiegel­ spule (11) zugeführt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Siphon (20) beheizt wird, vorzugs­ weise mittels einer Induktions- oder Widerstandsheizung.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze im Siphon (20) spitzwink­ lig zur Senkrechten oder senkrecht nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren über einen Auslauf (21) des Siphons (20) kontinuierlich abgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Siphonmündungsöffnung (19) in bezug auf die Tiegel­ spule (11) so angeordnet ist, daß die Rührbewegung bis in die Siphonmündungsöffnung (19) fließende Schmelze hinein­ reicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Ofenbehälter definierte Schmelzbaddurchmesser (d) so groß gewählt wird, daß die durch die Rührbewegung erzeugte konvexe (krätzefreie) Schmelzbadoberfläche (25) im Durchmesser größer als die zweifache Breite des am Ofenrand anliegenden Ringes der Krätze (26) ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Schüttgut ausschließlich auf die konvexe krätze­ freie Schmelzbadoberfläche (25) aufgegeben wird, vorzugs­ weise zentrisch über einen Schüttgut-Trichter.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiegelspule (11) mit einem Wech­ selstrom einer Frequenz von 50 bis 250 Hz, vorzugsweise 50 bis 120 Hz, und der Rinneninduktor (14) mit einem Wechsel­ strom einer Frequenz von 50 bis 60 Hz gespeist werden.

9. Induktionsofen zum kontinuierlichen Schmelzen von klein stückigem Metall- und/oder metallhaltigem Schüttgut, ins­ besondere in Form von Spänen aus Eisen, Kupfer und/oder Aluminium und deren Legierungen der unter Ausbildung einer einzigen Schmelzkammer (10) im oberen Bereich (17) als Induktionstiegelofen und im unteren Bereich (18) als Induktionsrinnenofen ausgebildet ist, gekennzeichnet durch einen Siphon (20), der unterhalb der Tiegelspule (11) des Induktionstiegelofenteiles (17) mündet.

10. Induktionsofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Siphonausfluß (20) vertikal oder spitzwinklig zur Vertikalen verläuft und eine Ausflußöffnung (21) oberhalb der Tiegelspule (11) besitzt.

11. Induktionsofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Siphon (20) wärmeisoliert ist und/oder mittels einer Induktions- oder Widerstandsheizung erwärmbar ist.

12. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Siphonaus­ flusses (21) mindestens 150 mm beträgt.

13. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Rührspulen­ höhe zum Rührspulendurchmesser 1 : 2 (±20%) beträgt.

14. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (13) des Rinnenofentei­ les (18) senkrecht zum Siphon (20) angeordnet ist.

15. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rinneninduktor (14) waage­ recht oder schräg zur Siphonachse angeordnet ist.

16. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Rinneninduktor (14) um 90° zur Senkrechten verdreht angeordnet ist.