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Die Erfindung beschreibt einen elektrisch
betriebenen Ofen nach dem induktionsprinzip, in dem ein metallisches
Gut durch induzierte Ströme
erwärmt
und/oder geschmolzen werden kann. Dabei erzeugt ein wechselstromdurchflossener
Induktor ein elektromagnetisches Feld, das im zu erwärmenden Gut
Wirbelströme
hervorruft, die über
die ohmschen Verluste zu einer Joule'schen Erwärmung des Gutes führen.
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Der Zweck derartiger Öfen kann
sowohl das Einschmelzen von stückigem
metallischen Gut wie z.B. Schrott als auch das Legieren oder anderweitiges
metallurgisches Behandeln von Metallschmelzen oder auch nur das
Warmhalten von bereits erschmolzenem Metall zur Weiterverarbeitung
sein.
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Der Stand der Technik kennt und benutzt
zu diesem Zweck Aggregate wie die bekannten Induktionstiegelöfen (ITO)
und Induktionsrinnenöfen
(IRO) mit ihren spezifischen Gestaltungsmerkmalen. So weisen Induktionstiegelöfen eine
hohe Flexibilität durch
vollständige
Entleerbarkeit sowie eine gute Homogenität der Schmelze hinsichtlich
metallurgischer Zusammensetzung und Temperatur aufgrund der intensiven
Badbewegung durch elektrodynamische Kräfte auf. Vorteilhaft ist insbesondere
auch die Möglichkeit
zum direkten Einschmelzen von Schrott durch Ankopplung des elektromagnetischen
Feldes an einzelne Schrotteile. Nachteilig ist neben ihrem relativ
starken Streufeld ihr hoher Blindleistungsbedarf sowie der eingeschränkte 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 sicherzustellen.
Alternativ kann er auch mit bereits flüssigem Metall chargiert werden,
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. Messing durch Ausdampfung einzelner Legierungsbestandteile
führen
kann. Durch die nur bedingt vorhandene Badbewegung ist die Homogenität der gesamten
Schmelze relativ schlecht. Ideal wäre demnach eine Ofenbauform,
die die guten elektrischen Eigenschaften des Induktionsrinnenofens
mit den positiven Betriebseigenschaften des Induktionstiegelofens
verbindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eben
diese hybride Bauform bereitzustellen, wobei insbesondere zum Anfahren
eine freie Ankopplung des elektromagnetischen 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 erhöhten 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 werden können.
Ebenso ist es Ziel der Erfindung, Induktorbauformen bzw. -anordnungen,
die sich beim Induktionstiegelofen bereits bewährt haben, im wesentlichen übernehmen
zu können
und so ebenfalls weitere Kosten einzusparen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß ein
Hohltiegel vorgesehen wird, der nicht nur wie beim Induktionstiegelofen
von dem Induktor umschlossen wird, sondern der seinerseits in Form
einer großen
Rinne den innenliegend angeordneten Induktor und/oder magnetischen
Rückschluß umschließt. Erfindungswesentlich
ist dabei, daß der Induktor
ein freies elektromagnetisches Feld ausbildet, das sich frei durch
den Schmelzenraum ausbreiten kann und daß der Hauptfluß des durch
den Induktor erzeugten elektromagnetischen Feldes durch konstruktive
Maßnahmen
zentral oder dezentral derart durch die den Schmelzenraum hindurchgeführt wird,
das eine Hauptflußverkettung
stattfindet. Im Gegensatz zum Induktionstiegelofen wird also bei
innenliegendem Induktor nicht das Innenfeld des Induktors zum Ankoppeln
an das metallische Gut benutzt, sondern dessen Außenfeld.
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Bei einer weiterhin erfindungsgemäßen Bauform
mit weiterhin außenliegenden
Induktor muß durch
Einbringung eines durch den Schmelzenraum führenden Joches der Hauptfluß derart
geführt
werden, das eine elektromagnetische Verkettung mit der Schmelze
stattfindet. Dabei ist ein wesentliches Gestaltungsmerkmal die Tatsache,
daß der
magnetische Widerstand des Feldlinienweges durch das zentrale Joch
und über
den Deckel und Boden des Ofens niedriger oder zumindest in derselben
Größenordnung
ist, als der entlang des Innenrandes der Induktorspule. Andernfalls
wäre das
zentrale Joch weitgehend feldfrei und mithin wirkungslos. Dies führt zu einer
schlanken Bauform des Ofens.
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Entscheidendes Merkmal der erfindungswesentlichen
Bauform ist die Verkettung des Hauptflusses des Induktors mit der
Schmelze statt einer reinen Steufeldauskoppelung wie beim ITO. Der
erfindungsgemäße Induktionstiegelrinnenofen
(ITRO) nutzt zur Energieübertragung
zwischen Induktor und Schmelze einen Teil des sich ausbildenden
elektromagnetischen Streufeldes wie beim ITO allerdings auch einen
Teil des transformatorisch verkoppelten magnetischen Flusses wie
beim IRO.
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Aus der Anordnung des innenliegenden
Induktors ergibt sich zunächst
der Vorteil einer insgesamt besseren elektromagnetischen Kopplung
zwischen Induktor und metallischer Schmelze, da die dazwischenliegende
Fläche,
ein wesentlicher Einflußfaktor
für die
Verkettung der Flüsse,
gegenüber dem
ITO stark reduziert ist. Zusätzlich
ergibt sich der Vorteil eines kürzeren
Induktors und damit reduzierter Verlustleistung durch Joule'sche Abwärme des felderregenden
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 leitende 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 außenliegenden Feldlinienweges
ein "Umschalten" zwischen Streufeldauskopplung
und transformatorischer Verkettung im laufenden Ofenbetrieb zu erreichen. Bei
einer Bauform mit außenliegendem Induktor
wird dieses "Umschalten" durch eine z.B.
hydraulisch oder elektromotorisch bewirkte Einbringung des zentralen
Joches im laufenden Betrieb erreicht.
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Als weitere Ausgestaltung wird ebenfalls eine
Bauform beansprucht, bei der zusätzlich
zum oder anstatt des inneren Induktor ein äußerer Induktor herkömmlicher
Bauart (ITO) vorgesehen und derart betrieben wird, daß er gleich-
oder gegensinnig einen zusätzlichen
Strom in die Schmelze einkoppelt und feldunterstützend oder feldverdrängend wirkt. Auf
diese Weise kann die eingebrachte Leistung deutlich gesteigert werden.
Ebenso können
z.B. spiralförmig
aufgewikkelte 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 Leistung zugeführt werden, ohne
daß die
Gefahr eines Austritts des flüssigen Metalls
gegeben ist. Unter bestimmten Umständen kann es vorteilhaft sein,
Ofen und Induktor voneinander zu trennen. Im Falle des Einsatzes
o.g. Flächeninduktoren
erscheint es z.B. sinnvoll, diese auschwenkbar zu gestalten. Eine
besonders vorteilhafte Bauform entsteht, wenn der Induktor aus einem
Leiter aufgebaut wird, der zunächst
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 selbst kann in konventioneller Bauweise z.B. aus spiralförmig aufgewundenem
Hohlprofil oder auch Litzenleiter und/oder verdrillten Einzeldrähten aufgewickelt
oder auch aus lagenweise übereinandergewickelten
Folien bzw. Blechen oder einer beliebigen Kombination dieser Bauformen
aufgebaut werden.
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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 erhöhen. Gleichzeitig
erhält
man durch den elektrodynamischen Rühreffekt eine gute Homogenität der Schmelze.
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Ebenso ist der Einsatz in sog. Kaltwand-Induktionstiegelöfen sinnvoll
und höchst
effizient. Der Nachteil dieser Öfen,
bei denen statt einer Zustellung ein Ring aus gekühlten sog.
Palisaden meist aus Kupfer und wasserdurchflossen die Schmelze an
ihrem Rändern
bis zur Erstarrung herunterkühlt
so daß die
innere Schmelze in einem Tiegel aus dem eigenen Material geschmolzen
wird, ist der extrem schlechte Wirkungsgrad, der auf die gute Abschirmung
des Induktor-Feldes durch den Kühlring
zurückzuführen ist.
So erreicht nur ein geringer Teil des Induktor-Feldes überhaupt
die Schmelze. Führt
man hier eine erfindungsgemäße Bauform
ein, so findet eine Hauptflußverkettung
statt und man kann mit gewohnt hohen Wirkungsgraden arbeiten. Zu
beachten ist dabei lediglich, daß nicht die Kühlpalisaden
sondern nur die Schmelze einen geschlossenen Ring bilden, da ansonsten
wieder ein großer
Teil der Energie in den Kühlpalisaden
umgesetzt würde.
Dies kann z.B. durch eine enge Schlitzung und/oder eine Isolierung
der Palisaden voneinander geschehen. Lässt man die Palisaden ganz
weg gelangt man zu einer konventionellen Bauform eines ITOs, der
durch das erfindungsgemäße zentrale
Joch ergänzt
und somit in seiner Effizient erheblich verbessert wurde.
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Die Vorteile, die sich durch den
ITRO insbesondere gegenüber
dem verbreiteten ITO ergeben, sind neben einer besseren elektromagnetischen Kopplung
ein geringerer Blindleistungsbedarf und damit verbundenem geringerem
Aufwand zu dessen Kompensation, ein besserer elektrischer Ofenwirkungsgrad,
ein geringeres Außenfeld
insbesondere hinsichtlich Gesichtspunkten der elektromagnetischen
Verträglichkeit
(EMV) und eine erwartungsgemäß geringere
Lärmentwicklung
bei innenliegender 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 hinsichtlich
Temperatur und Zusammensetzung erreicht.
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In den Abbildungen 1 bis 6 sind mögliche Ausführungsformen
bzw. Ansichten des ITRO abgebildet. Dabei zeigen:
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1:
Induktoranordnung eines erfindungsgemäßen Induktionstiegelrinnenofens
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2:
Induktoranordnung eines herkömmlichen
Induktionstiegelofens
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3:
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Induktionstiegelrinnenofen
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4:
Möglicher
Aufbau eines Induktors für einen
Induktionstiegelrinnenofen
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5:
Induktoranordnung in einem Warmhalteofen
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6:
Kaltwandinduktionstiegelofen nach dem erfindungsgemäßen Prinzip
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In 1 zu
erkennen sind von oben betrachtet die radiale Anordnung der wesentlichen
Ofenbauteile eines Induktionstiegelrinnenofens: Der Induktor 1.1 aus
spiralförmig
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 einzuschmelzende 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 Einrichtungen zur Führung
des Magnetflusses wie z.B. inneres und äußeres Joch.
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2 zeigt
zum Vergleich die Induktoranordnung eines herkömmlichen Induktionstiegelofens. Hierbei
befindet sich der felderregende Induktor 2.1 außen und
umschließt
den Ofenraum vollständig.
Bei dieser Bauform wird nur die äußere Zustellung 2.2 zur
Abgrenzung zum Ofenraum benötigt.
Hierin bildet sich das elektromagnetische 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 1 und 2 vor.
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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 innere Magnetjoch 3.4 z.B. aus geschichteten Trafoblechen. Das
Außenfeld
wird geführt
von einem äußeren Joch 3.6,
das ebenfalls aus Trafoblech oder einem ähnlich 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 Gleichgewicht der hydrodynamischen und elektrodynamischen
Kräfte
ergibt. Die elektrodynamischen Kräfte erzeugen auch eine Schmelzenströmung 3.3,
die zwei Haupt-Rotationstoroide bilden und für die Homogenisierung der Schmelze
sorgen.
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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 Induktor 4.2 besteht
aus lagenweise aufgewickeltem, leitenden Material z.B. Kupferblech
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 verdrillten 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 Magnetflusses dient. Es kann bei höheren Betriebsfrequenzen ggf.
entfallen. Zur Abführung
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.
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5 zeigt
schließlich
einen Warmhalteofen 5.1 mit drei z.B. wie aus 4 bekannten 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.
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6.
zeigt am Beispiel eines Kaltwandtiegelofens die erfindungsgemäße Bauform
mit außenliegendem
Induktor 6.1 und zentralem Joch 6.2 das in einem
erfindungsgemäß angeordneten
Innentubus 6.3 angeordnet ist und über das der Hauptfluß geführt wird.
Außen
ist der Indukter ggf. von dem magnetischen Rückschluß 6.4 umgeben. Der
Induktor selbst kann z.B. nach der Verfahrrichtung 6.6 auch
im laufenden Betrieb ein- oder ausgefahren werden. Beispielhaft
ist eine einzelne Kühlpalisade 6.5 eingezeichnet,
mit deren Hilfe die periphere Schmelze zur Erstarrung gebracht wird.
Das zentrale Joch, welches vorteilhaft jedoch nicht zwingend konzentrisch oder
auch mehrfach vorhanden sein kann, wird den Hauptfluß nur dann
aufnehmen, wenn der magnetische Widerstand entlang des Joches zzgl.
der freien Strecken vom oberen und unteren Rand des Joches bis zum
Induktor kleiner ist als der durch den Spalt direkt entlang des
Induktors. Unter Idealisierung des Flusses in den Blechpaketen tritt
der magnetische Widerstand in erster Näherung nur in Luftsterecken auf.
Daraus resultiert die Forderung nach der konstruktiven Gestaltung
2*B<=H unter der
Voraussetzung, daß keine
magnetisch leitenden Konstruktionen im Boden und Deckel-bereich
vorhanden sind.