DE19902002A1 - Induktionstiegelrinnenofen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung "Induktionstiegelrinnenofen" beschreibt einen elektrischen Induktionsofen zum Schmelzen oder Warmhalten von Metallen. Der Zweck derartiger Öfen liegt im Einschmelzen von Schrott, Warmhalten von geschmolzenem Metall, zur Weiterverarbeitung und der metallurgischen Behandlung (Legieren). Diese Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die wesentlichen Merkmale der häufig eingesetzten Bauformen Induktionsrinnenofen und Induktionstiegelofen zu einer hybriden Bauform zusammengeführt werden, die die jeweiligen Vorteile vereint, ohne jedoch deren Nachteile zu übernehmen. Wesentliches Merkmal ist dabei die Anordnung des Induktors innerhalb der Schmelze und somit die Nutzung dessen Außenfeldes. Es entsteht ein sehr leistungsfähiges und universelles Aggregat, daß für ein breites Feld von Anwendungen eingesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung beschreibt einen elektrisch betriebenen Ofen nach dem indukti­ onsprinzip, in dem ein metallisches Gut durch induzierte Ströme erwärmt und/oder geschmolzen werden kann. Dabei erzeugt ein wechselstromdurchflossener Induk­ tor ein elektromagnetisches Feld, das im zu erwärmenden Gut Wirbelströme her­ vorruft, die über die ohmschen Verluste zu einer Joule'schen Erwärmung des Gu­ tes führen.

Der Zweck derartiger Öfen kann sowohl das Einschmelzen von stückigem metalli­ schen Gut wie z. B. Schrott als auch das Legieren oder anderweitiges metallurgi­ sches Behandeln von Metallschmelzen oder auch nur das Warmhalten von bereits erschmolzenem Metall zur Weiterverarbeitung sein.

Der Stand der Technik kennt und benutzt zu diesem Zweck Aggregate wie die be­ kannten Induktionstiegelöfen (ITO) und Induktionsrinnenöfen (IRO) mit ihren spezi­ fischen Gestaltungsmerkmalen. So weisen Induktionstiegelöfen eine hohe Flexibili­ tät durch vollständige Entleerbarkeit sowie eine gute Homogenität der Schmelze hinsichtlich metallurgischer Zusammensetzung und Temperatur aufgrund der in­ tensiven Badbewegung durch elektrodynamische Kräfte auf. Vorteilhaft ist insbe­ sondere auch die Möglichkeit zum direkten Einschmelzen von Schrott durch An­ kopplung des elektromagnetischen Feldes an einzelne Schrotteile. Nachteilig ist neben ihrem relativ starken Streufeld ihr hoher Blindleistungsbedarf sowie der ein­ geschränkte elektrische Wirkungsgrad von ca. 70%. Demgegenüber erreicht der Induktionsrinnenofen einen hohen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 90%, kann aber nicht vollständig entleert werden, da zum Betrieb ein Restsumpf in der Rinne verbleiben muß, um die elektromagnetische Ankopplung beim Wiederanfahren si­ cherzustellen. Alternativ kann er auch mit bereits flüssigem Metall chargiert wer­ den, wozu dann aber ein zweites beigeordnetes Schmelzaggregat notwendig wird. Ebenso ist auch ein Einschmelzen von Schrotteilen nur über einen Sumpf möglich. Daneben sorgt der hohe lokale Energieeintrag in der Rinne für eine Überhitzung der Schmelze in diesem Bereich, was zu Problemen bei Legierungen wie z. B. Mes­ sing durch Ausdampfung einzelner Legierungsbestandteile führen kann. Durch die nur bedingt vorhandene Badbewegung ist die Homogenität der gesamten Schmel­ ze relativ schlecht. Ideal wäre demnach eine Ofenbauform, die die guten elektri­ schen Eigenschaften des Induktionsrinnenofens mit den positiven Betriebseigen­ schaften des Induktionstiegelofens verbindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eben diese hybride Bauform bereitzu- stellen, wobei insbesondere zum Anfahren eine freie Ankopplung des elektroma­ gnetischen Feldes an einzelne Schrotteile und eine vollständige Entleerbarkeit mit einer besseren elektromagnetischen Kopplung zwischen felderregendem Induktor und der Schmelze erfolgt. Dabei verzichtet die vorliegende Erfindung auf komplexe Formgebungen, die durch die zwangsläufig erforderliche Zustellung zur Schmelze mittels keramischer Stampfmasse oder eines gleichwertigen Materials zu einem er­ höhten Kostenaufwand führen würden. Insbesondere unterliegt diese Zustellung einem erosiven Verschleiß und muß im Hinblick auf einen wirtschaftlichen Betrieb des Ofen schnell und einfach z. B. mittels Ausdrückvorrichtung ausgewechselt wer­ den können. Ebenso ist es Ziel der Erfindung, Induktorbauformen bzw. -anordnungen, die sich beim Induktionstiegelofen bereits bewährt haben, im we­ sentlichen übernehmen zu können und so ebenfalls weitere Kosten einzusparen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Hohltiegel vorgese­ hen wird, der nicht wie beim Induktionstiegelofen von dem Induktor umschlossen wird, sondern der seinerseits in Form einer großen Rinne den Induktor umschließt. Erfindungswesentlich ist dabei, daß der Induktor ein freies elektromagnetisches Feld ausbildet, das sich frei durch den Schmelzenraum ausbreiten kann. Im Ge­ gensatz zum Induktionstiegelofen wird also nicht das Innenfeld des Induktors zum Ankoppeln an das metallische Gut benutzt, sondern dessen Außenfeld. Auch der erfindungsgemäße Induktionstiegelrinnenofen (ITRO) nutzt zur Energieübertra­ gung zwischen Induktor und Schmelze einen Teil des sich ausbildenden elektro­ magnetischen Streufeldes wie beim ITO allerdings auch einen Teil des transforma­ torisch verkoppelten magnetischen Flusses wie beim IRO. Aus dieser Anordnung ergibt sich zunächst der Vorteil einer insgesamt besseren elektromagnetischen Kopplung zwischen Induktor und metallischer Schmelze, da die dazwischenliegen­ de Fläche, ein wesentlicher Einflußfaktor für die Verkettung der Flüsse, gegenüber dem ITO stark reduziert ist. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil eines kürzeren lnduk­ tors und damit reduzierter Verlustleistung durch Joule'sche Abwärme des felderre­ genden Stromflusses. Ein zusätzlicher Flußanteil wird außen über die Schmelze und z. B. über die magnetisch leitende Tiegeleinfassung geführt und sorgt für eine transformatorische Verkettung von Wirbel- und Induktorstrom. Eine magnetisch lei­ tende Tiegelwandung und/oder Deckel und/oder Boden erhöhen dabei diesen Flußanteil und verringern den Streuflußanteil. Ebenso ist es vorstellbar, nach dem Ankoppeln des freien Feldes an das metallische Gut und dessen Aufschmelzen, durch gezielte Verringerung des magnetischen Widerstandes dieses außenliegen­ den Feldlinienweges ein "Umschalten" zwischen Streufeldauskopplung und trans­ formatorischer Verkettung im laufenden Ofenbetrieb zu erreichen. Durch die Ein­ bringung eines weiteren magnetischen Joches z. B. aus Transformatorblechen in den Innenraum des Induktors läßt sich insbesondere bei niedrigeren Betriebsfre­ quenzen die Feldführung verbessern und der magnetische Widerstand der Anord­ nung und damit der Blindleistungsbedarf verringern.

Als weitere Ausgestaltung wird ebenfalls eine Bauform beansprucht, bei der zu­ sätzlich zum inneren Induktor ein äußerer Induktor herkömmlicher Bauart (ITO) vorgesehen und derart betrieben wird, daß er gleich- oder gegensinnig einen zu­ sätzlichen Strom in die Schmelze einkoppelt und feldunterstützend oder feldver­ drängend wirkt. Auf diese Weise kann die eingebrachte Leistung deutlich gestei­ gert werden. Ebenso können z. B. spiralförmig aufgewickelte flächige Induktoren in Boden und/oder Deckel zum einen einen zusätzlichen Leistungseintrag bewirken, zum anderen durch den elektrodynamischen Druck auf die Schmelzenoberfläche die Ausprägung einer sog. Badkuppe hemmen. Auf diese Weise kann mehr Lei­ stung zugeführt werden, ohne daß die Gefahr eines Austritts des flüssigen Metalls gegeben ist. Unter bestimmten Umständen kann es vorteilhaft sein, Ofen und in­ duktor voneinander zu trennen. Im Falle des Einsatzes o. g. Flächeninduktoren er­ scheint es z. B. sinnvoll, diese auschwenkbar zu gestalten. Eine besonders vorteil­ hafte Bauform entsteht, wenn der Induktor aus einem Leiter aufgebaut wird, der zu­ nächst außen um den Ofen gewunden wird, dann spiralförmig unter dem Boden angeordnet und dann schließlich im Inneninduktor wieder aufsteigend gewunden oder mit dessen Induktorspule verschaltet wird. So kann mit geringem Aufwand der Energieeintrag über eine größtmögliche Fläche erfolgen. Der Induktor kann dabei aus einem Stück, z. B. aus Kupferhohlprofil hergestellt werden.

Eine weitere Ausgestaltung insbesondere für Warmhalteöfen sieht vor, in einen Ofenraum mehrere Induktoren nach der erfindungswesentlichen Bauform z. B. auch unsymmetrisch einzubringen und somit den spezifischen Energieeintrag zu erhö­ hen. Gleichzeitig erhält man durch den elektrodynamischen Rühreffekt eine gute Homogenität der Schmelze.

Der Induktor selbst kann in konventioneller Bauweise z. B. aus spiralförmig aufge­ wundenem Hohlprofil oder auch Litzenleiter und/oder verdrillten Einzeldrähten auf­ gewickelt oder auch aus lagenweise übereinandergewickelten Folien bzw. Blechen oder einer beliebigen Kombination dieser Bauformen aufgebaut werden.

Die Vorteile, die sich durch den ITRO insbesondere gegenüber dem verbreiteten ITO ergeben, sind neben einer besseren elektromagnetischen Kopplung ein gerin­ gerer Blindleistungsbedarf und damit verbundenem geringerem Aufwand zu des­ sen Kompensation, ein besserer elektrischer Ofenwirkungsgrad, ein geringeres Außenfeld insbesondere hinsichtlich Gesichtspunkten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und eine erwartungsgemäß geringere Lärmentwicklung durch die innenliegende Induktorspule als Hauptlärmquelle. Aus den verbesserten elektrischen Parametern ergeben sich direkt wirtschaftliche Vorteile wie geringere Aufheizzeiten unter Beibehaltung der ITO-spezifischen Vorteile. Gegenüber dem IRO wird eine stark erhöhte Flexibilität durch selbständiges Anfahren, Vermeidung des bei größeren Leistungen auftretenden Pincheffektes (Abschnürung der Rinne durch elektromagnetische Kräfte) sowie größere Homogenität der Schmelze hin­ sichtlich Temperatur und Zusammensetzung erreicht.

In den Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 5 sind mögliche Ausführungsformen bzw. An­ sichten des ITRO abgebildet. Dabei zeigen:

Fig. 1 Induktoranordnung eines erfindungsgemäßen Induktionstiegel­ rinnenofens

Fig. 2 Induktoranordnung eines herkömmlichen Induktionstiegelofens

Fig. 3 Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Induktionstiegel­ rinnenofen

Fig. 4 Möglicher Aufbau eines Induktors für einen Induktionstiegel­ rinnenofen

Fig. 5 Induktoranordnung in einem Warmhalteofen

In Fig. 1 zu erkennen sind von oben betrachtet die radiale Anordnung der wesentli­ chen Ofenbauteile eines Induktionstiegelrinnenofens: Der Induktor 1.1 aus spiral­ förmig aufgewickeltem Hohl- oder Vollprofil oder lagenweise aufgewickeltem Bandmaterial oder einer kombinierten, ähnlich wirkenden Bauform ist umschlossen von der inneren Zustellung 1.2, die die innere Begrenzung zum Ofenraum bildet. Der Ofenraum wird außen umschlossen von der äußeren Zustellung 1.3. Zwischen den Zustellungen befindet sich die metallene Schmelze bzw. das einzuschmelzen­ de Material. Der Ofenraum wird durchdrungen von dem vom Induktor 1.1 erregten elektromagnetischen Feld 1.4, welches radial nach außen an Stärke abnimmt und dabei Energie an die Schmelze im Ofenraum abgibt. Nicht dargestellt sind Einrich­ tungen zur Führung des Magnetflusses wie z. B. inneres und äußeres Joch.

Fig. 2 zeigt zum Vergleich die Induktoranordnung eines herkömmlichen Induktions­ tiegelofens. Hierbei befindet sich der felderregende Induktor 2.1 außen und um­ schließt den Ofenraum vollständig. Bei dieser Bauform wird nur die äußere Zustel­ lung 2.2 zur Abgrenzung zum Ofenraum benötigt. Hierin bildet sich das elektroma­ gnetische Feld 2.3 aus. Dieses Feld nimmt radialsymmetrisch zur Mitte hin unter Energieabgabe an die Schmelze ab. Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht auch eine Kombination aus Induktoranordnungen nach Fig. 1 und Fig. 2 vor.

Fig. 3 zeigt die Schnittansicht eines chargierten Induktionstiegelrinnenofens. Auch hier sind die wesentlichen Bauteile zu erkennen. Der hier beispielhaft spiralförmige 6-windige Induktor 3.5 findet in einem Innentubus 3.2 Platz. Er umschließt das in­ nere Magnetjoch 3.4 z. B. aus geschichteten Trafoblechen. Das Außenfeld wird ge­ führt von einem äußeren Joch 3.6, das ebenfalls aus Trafoblech oder einem ähn­ lich geeigneten Material um den Tiegel gewickelt ist. Alternativ können hier auch die vom ITO bekannten, diskreten Blechpakete Verwendung finden. Im laufenden Betrieb bildet die Schmelze eine Oberfläche 3.1 aus, die sich aus dem Gleichge­ wicht der hydrodynamischen und elektrodynamischen Kräfte ergibt. Die elektrody­ namischen Kräfte erzeugen auch eine Schmelzenströmung 3.3, die zwei Haupt- Rotationstoroide bilden und für die Homogenisierung der Schmelze sorgen.

Fig. 4 zeigt eine andere Bauform des Innentubus mit Induktor, bei der ein äußerer Kühlmantel 4.1 vorzugsweise aus einem nichtleitenden, nichtmagnetischen aber dennoch wärmebeständigen Material zur Aufnahme der Anordnung dient. Der In­ duktor 4.2 besteht aus lagenweise aufgewickeltem, leitenden Material z. B. Kupfer­ blech dessen Materialstärke vorzugsweise derart ausgelegt ist, daß sich trotz Stromverdrängungeffekten eine gute Stromdurchflutung bei der Betriebsfrequenz und für das verwendete Material ergibt. Dazu liegt die Stärke z. B. vorteilhaft kleiner als der Wert der Stromeindringtiefe δ. Ebenfalls ist ein Aufbau aus Litze oder ver­ drillten Einzeldrähten möglich. Die Konstruktion kann mechanisch z. B. vom inneren Joch 4.4 z. B. aus geschichteten Trafoblechen, ggf. verklebt, laminiert, umwickelt oder freitragend gehalten werden, wobei das Joch der Führung des inneren Ma­ gnetflusses dient. Es kann bei höheren Betriebsfrequenzen ggf. entfallen. Zur Ab­ führung sowohl der Joul'schen Induktorverluste als auch der durch den Kühlmantel 4.1 eindringenden Wärmestroms aus der Schmelze dient ein aufrechterhaltener Kühlmittelstrom 4.3, z. B. Wasser oder Öl ggf. auch Luft o. Ä.

Fig. 5 zeigt schließlich einen Warmhalteofen 5.1 mit drei z. B. wie aus Fig. 4 be­ kannten oder ähnlich aufgebauten Induktoren 5.2, deren wesentliches Merkmal es ist, in die Schmelze hineinzuragen und deren Außenfeld durch die umgebende Schmelze mit der Schmelzenoberfläche 5.3 geführt wird und so eine gute Kopplung erreicht wird. Dabei ist die Zustellung dennoch einfach erneuerbar und es erfolgt eine sehr gute Durchmengung und Homogenisierung der Schmelze. Gleichzeitig wird eine lokale Überhitzung wie beim IRO vermieden.

Claims (9)

1. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise zylindrische oder sonstwie geformte stromdurchflossene Induktorspule außenseitig mit dem zu behandelndem Metall gefüllten, vorzugsweise ringförmigen Ofenraum um­ schlossen wird, der von dem Außenfeld des Induktors derart durchdrungen wird, daß in dem Metall im Ofenraum ein Strom durch eine elektromagnetische Kopplung induziert wird.

2. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenraum zusätzlich von einer äußeren Induktorspule umgeben ist, deren Innenfeld einen Strom in dem zu be­ handelnden Metall induziert.

3. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere, vorzugsweise flächige Induktoren in Boden und/oder Deckel vorgesehen werden, deren Axial­ feld einen Strom in dem zu behandelnden Metall induziert.

4. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß feldführende Maßnah­ men durch Kurzschlußringe, leitende Beplankungen und/oder magnetisch lei­ tende Materialien z. B. aus geschichtetem Trafoblech in Boden, Deckel oder Au­ ßenwand derart vorgesehen werden, daß sie Feldanteile außerhalb der Schmelze aufnehmen und/oder derart leiten, daß eine transformatorische Fluß­ verkettung zwischen Induktorstrom und in dem zu behandelnden Metall indu­ ziertem Strom entsteht.

5. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des inne­ ren Induktors ein feldführendes Joch z. B. aus geschichteten Trafoblechen zur Aufnahme des inneren Magnetflusses angeordnet wird.

6. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Küh­ lung des Induktors durch einen durch den Induktoraufbau geführten Kühlmittel­ strom vorgesehen werden.

7. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere der In­ duktoren in dem Ofenraum derart angeordnet werden, daß sich durch die Induktoranordnung neben dem Energieeintrag eine Schmelzenbewegung durch elektrodynamische und/oder hydrodynamische Kräfte ergibt, die eine bestmögli­ che Durchmengung und Homogenisierung des erschmolzenen Metalls sicher­ stellt.

8. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgese­ hen werden, die es erlauben, den magnetische Widerstand entlang des Feldli­ nienverlaufs außerhalb des Ofenraumes gezielt im laufenden Betrieb des Ofens zu verringern oder zu vergrößern.

9. Induktionstiegelrinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder metallurgi­ schen Behandeln von Metallen nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der angeordneten Induktoren nicht fest mit dem Ofenaufbau verbunden sondern va­ riabel plaziert und/oder völlig getrennt werden.