DE2064467A1

DE2064467A1 - Induktionsschmelzofen

Info

Publication number: DE2064467A1
Application number: DE19702064467
Authority: DE
Inventors: Wilbur E Yardley Pa Shearman (V St A )
Original assignee: Ajax Magnethermic Corp
Current assignee: Park Ohio Holdings Inc
Priority date: 1970-01-28
Filing date: 1970-12-30
Publication date: 1971-08-12
Also published as: US3595979A; JPS5025666B1; GB1340506A

Description

Patentanwalt

Dlpl-he. 6.ν·.·{ίΜϋ38βΙ* München, den 30. Dezember 1970.

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Ajax Magnethermic Corporation in Warren, Ohio, V.St.A.

Induktionsschmelzofen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsschmelzofen zum Schmelzen von Metallen mit in das Schmelzbad untergetauchtem, rahraenartigern Induktionskörper, dessen die Primärspulen tragende, parallele Schenkel in horizontaler Ebene in Abstand nebeneinander liegen und in ihrer Längsmitte ein in senkrechter Ebene liegend angeordnetes, etwa B-förmiges Schmelzkanalsystem begrenzen, das aus einem senkrechten Mittelkanal und zwei in gleichen Abständen davon angeordneten, senkrechten Seitenkanälen besteht, die unten durch einen zu den Rahmenschenkeln querliegenden Unterkanal und oben durch einen/den Herdraum übergehenden Kehlkanal verbunden sind ο

Solche Induktionsschmelzofen sind an sich bekannt, z.B. aus den amerikanischen Patentschriften 2 520 3^9 und 3 092 682. Die Erfindung ist auf eine Verbesserung dieser vorbekannten Induktions. sohmelzöfen gerichtet.

Bei den vorbekannten, mit zwei untergetauchten, gegen Zutritt der Schmelze durch die Ofenbekleidung geschützten Induktions-

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spulen fließt das geschmolzene Metall zunächst mit verhältnismäßig niedriger Temperatur aus dem Herdraum durch den senkrechten Mittelkanal und dann mit allmählich zunehmender Temperatur und Geschwindigkeit durch den Unterkanal und die senkrechten Seitenkanäle in den Herdraum zurück»

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine besondere Gestaltung der Umlaufkanäle eine bessere Verteilung des Induktionsflusses, eine höhere Umlaufgeschwindigkeit des Schmelzmetalls im Induktionsteil und im Herdraum des Ofens zu erreichen und den Temperaturunterschied zwischen der in den Kanälen des Induktionsteils und der im Herdraum befindlichen Schmelze zu vermindern, womit auch die Möglichkeit verbunden ist, im Vergleich zu Induktionsschmelzöfen bisheriger Ausführung mit wesentlich höherer Leistungsaufnahme als bisher zu arbeiten» Der Schmelzofen nach der Erfindung ist daher auch zum Schmelzen eisenhaltiger und nicht eisenhaltiger Metalle und ihrer Legierungen ve» solchen Zusammensetzungen geeignet, für die zur Erzeugung der Schmelzwärme mit höherer Leistungsaufnahme gearbeitet werden muß₀

In neuerer Zeit hat die Benutzung abnehmbarer Induktoren dazu geführt, zwischen dem Induktionstell des Ofens und dem Herdraum, in dem sich die Hauptmenge des zu schmelzenden Metalls befindet, einen Verbindungs- oder Kehlkanal anzuordnen, wie dies ζ„Β· aus der amerikanischen Patentschrift 2 520 3^-9 bekannt ist. Bei größeren Schmelzöfen dieser Art wurden auch mehrere Induktionsvorriohtungen und bei verbreitertem Herdraum mehrere Kehlkanäle vorgesehen.

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Es wurde nun gefunden, daß die Geschwindigkeit der gleichgerichteten Strömung beträchtlich erhöht und die Temperaturen des Schmelzmetalls in den Kanälen des Induktionsteils erheblich vermindert werden können, wenn der stromführende Teil des zwischen dem Herd und dem senkrechten Mittelkanal befindliche/i Kehlkanals in Längsrichtung der mit den Induktionswicklungen versehenen Schenkel des rahmenförmigen Kernkörpers im Bereich seiner Schnittstelle mit dem senkrechten Mittelkanal des Induktionsteils verbreitert wird, sofern der senkrechte Mittelkanal, wie dies in der vorerwähnten US-Patentschrift 3 092 682 vorgesehen ist, über den wesentlichen Teil seiner Länge einen gleichmäßigen Querschnitt aufweist, wobei der Kehlkanal im Bereich der vorerwähnten Schnittstelle eine wesentlich größere Breite aufweisen soll als der Unterkanal.

Bisher war es üblich, den zwischen dem Herdraum des Schmelzofens und seinem Induktionsteil befindlichen Kehlkanal über seine ganze Länge als Rechteckkanal von gleichbleibendem Querschnitt auszuführen, dessen Breite im Verhältnis zur Breite der sonstigen Kanäle des Induktionsteils nur wenig größer bemessen wurde, um unangemessene Versetzungen bzw« Überlappungen an den Kanten beim Zusammensetzen des den Herdraum enthaltenden Ofenteils mit dem die Induktionskanäle enthaltenden Teil des Ofens zx vermeiden. Oft wurde festgestellt, daß im Rahmen der Abmessungen des Induktionsteils ein unterer Kehlkanal aus baulichen Erwägungen notwendig ist. Die Verbreiterung seines Querschnittes über denjenigen der anderen Kanäle hinaus wurde jedoch

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nur vorgenommen, um die verlorenen Gußstücke herausnehmen zu können, die in den Kanälen der keramischen Auskleidung nuriick-. bliebeno Abweichungen hiervon hat es gegeben, wenn an einer oder an beiden Seiten des Kehlkanals eine seitliche Abstützung für die Kanalwände durch einen Stützbogen vorgesehen wurde ©der wenn ein Einsatzkörper zum Dämpfen der Turbulenz, in, bestimmtem Abstand vom oberen Ende des mittleren Kanals her einzuschieben war. Hierfür wurde gephnlich eine Verbreiterung des Kehlkanals ■ in seiner vollen Länge auf diesen besonderen Abstand vorgesehen» Dieser besondere Abstand war gephnlich größer als die radiale Tiefe, in deren Bereich der größte Teil der Sekundärströme auftrat, d.ho die Bemessung ging über eine für- das- jeweilige Schmelzmetall angenommene Bezugsgröße hinaus„

Die 4ä der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe einer Verminderung der Temperaturunterschiede zwischen dem Herdraum und dem im Induktionsteil befindlichen Metall und einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Metalls, die eine erhöhte Leistungsaufnahme gestatten und eine verbesserte Betriebsleistung des Ofens ergeben, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der obere Kehlkanal von der,₍Einrnündungsstelle des senkrechten Mittelkanals aus eine wesentlich größere Breite aufweist als der senkrechte Mittelkanal und der Unterkanal des Induktionsteils. Diese Ausführung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen^ für Induktionssohmelzöfen, deren Sohmelzkanäle eine größere Länge aufweisen sollen als bisher» Weiterhin ist dies© Ausführung auch besonders vorteilhaft zum Schmelzen von Metallen und Metall- ·

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legierungen wie Messing, bei denen der Temperaturunterschied zwischen dem Schmelzpunkt und dem Verdampfungspunkt nur klein ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist dadurch "begründet, daß sie einen schnellen Austausch der verhältnismäßig kleinen Schmelzmetallmenge, die sich in den Kanälen des Induktionsteils des Schmelzofens befindet, mit der im Herdraum befindlichen Hauptmenge des Schmelzmetalls gestattet. Auch eine Verbesserung der Umlaufströmung des Schmelzmetalls untar Ausnutzung der elektromagnetischen Kräfte und Induktionsfeider für den Strömungsantrieb wird erreicht, und zwar unter Verminderung der Wirbelbildung und Turbulenz im Induktionstell des Schmelzofens. Diese ^!

i Vorteile wirken sich auch auf eine verlängerte Haltbarkeit 4er 1 keramischen Auskleidung des Schmelzofens aus.

Die Zeichnung zeigt Beispiele für die Ausführung des Induktionsschmelzofens nach der Erfindung, und zwar zeigen Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch einen solchen Schmelzofen,

Fig» 2 einen senkrechten Querschnitt nach Linie 2-2 von Fig.l, Flg. 3 «ine Einzelheit dieses Schmelzofens im Grundriß, Fig. h den unteren Teil des Schmelzofens naoh Fig. 1 in einer abgewandelten Ausführung und in etwas größerem Maßstab, Flg. 5 einen senkrechten Querschnitt durch diesen Teil des

Schmelzofens nach der Linie 5-5 von Fig. k, Fig. 6 eine Einzelheit des Schmelzofens im Grundriß, Fig. 7 9ine vergrößerte sohaublldllcha Darstellung der Schmelzkanal· beider Sohatlzöfen naah Fig· 1-3 und

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Fig. k - 6, wobei die Abweichungen für den Schmelzofen nach Figo k - 6 in strichpunktierten Linien dargestellt sind,

Fig« 8 eine abgeänderte Ausbildung der Schmelzkanäle im • Teilgrundriß gemäß Fig. 3 und Fig. 6,-

Fig. 9 einen liegend dargestellten, senkrechten Schnitt durch den Schmelzofen nach FIg₀ k in schaubildlicher Ansicht mit einem zugeordneten Temperaturdiagramm, wenn dieser Schmelzofen mit einer Leistungsaufnahme von etwa 800 KW betrieben wird,

Fig. 10 eine schematische isometrische Darstellung der bisher üblichen Schmelzkanalanordnung mit dem entsprechenden Temperaturdiagramm gemäß Figo 5 der Patentschrift USA 3 092 682,

Fig. 11 in kleinerem Maßstab die gleiche Schnittansioht wie in Fig. 9 für einen Induktionsschmelzofen bisheriger Ausführung mit zugeordnetem Temperaturdiagramm bei Betrieb dieses Ofens mit der für Fig. 9 angenommenen Leistungsaufnahme von 800 KW,

Fig. 12 eine vergrößerte Teildarstellung des Sohmelzkanals naoh Fig. 3 im horizontalen Längsschnitt mit dem darin angedeuteten Kraftlinienfeld und

Fig. 13 eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 1 im senkreohten Längsschnitt naoh Linie X-X von Fig. 12 mit dem dortigen Induktionsverlauf.

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Der Induktlonssohmelzofen naoh der Erfindung ist in seiner Gesamtausführung dem mit zwei Widerstandswicklungen ausgerüsteten Schmelzofen nach der amerikanischen Patentschrift 3 092 682 ähnliche Seine wesentlichen Teile sind gemäß Fig. 1 und 2 ein Gehäuse 1, das einen Herd- oder Schmelzraum 2 und darunter einen mit zwei Widerstandswicklungeii ausgerüsteten Induktionsheizkörper enthalte Der Herdraum 2 nimmt das zu schmelzende Metall auf, und zwar in solcher Menge, daß der Spiegel der flüssigen Schmelze etwa bei 2¹ liegt» Das Gehäuse ist mit einer feuerfesten Auskleidung 3 versehen. Die beiden Wicklungsträger des als Zwillingsspulenofen ausgebildeten InduktionsSchmelzofens sind in das Schmelzbad untergetaucht und begrenzen drei im wesentlichen parallele, senkrechte Kanäle ^,5 und 6, die unten durch einen Querkanal 7, oben durch einen breiteren Kehlkanal 11 verbunden sind» Jeder der senkrechten Kanäle weist wie bei der erwähnten, vorbekannten Ausführung auf dem größten Teil seiner Länge einen im wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt auf«

In den dargestellten Ausführungen hat der Transformator zwei Spulen aus isoliertem Kupferdraht, die im Betriebszustand an eine Stromquelle angeschlossen sind, z_oB„ an einen nicht dargestellten Elnphasenwechselstromgeneratoro Diese Spulen sind in Figo 1 und 4- mit 8 bezeichnet. Ein Eisenkern 10 durchragt die Primärwicklung und ist an beiden Herdselten in sich geschlossen. Die geschlossenen äußeren Enden des Eisenkerns sind gemäß Fig. 2 in einem einseitig offenen Untergehäuse 12 angeordnet, das von einem Gebläse 13 mit Kühlluft beschickt wird. Der mit der Induk-

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tionsheizung versehene, untere Teil des Schmelzofengehäuses, ist am oberen Herdkörper mit einem flansohartigen Hand I^ fest . verschraubt oder auf sonstige Weise befestigt» Der Herdraum 2 ist mit einem abnehmbaren Deckel 15 verschließbar,

1 ,

Der mittlere Teil des Kehlkanals 11, der unmittelbar über dem oberen Ende des senkrechten Mittelkanals 5 liegt, ist gemäß Figo 3 breiter ausgebildet als der untere Querkanal ?, wie dies in Fig« 2 und 3 durch die Pfeile A und G angedeutet ist» Es wurde gefunden, daß diese Verbreiterung des oberen Kehlkanals in demjenigen Bereich, in dem die aus dem oberen Teil des senkrechten Mittelkanals 5 übergehenden, elektrischen Ströme auftreten, zur Erreichung eines maximalen Flusses bei nledrigstmöglichen Temperaturunterschieden äußerst vorteilhaft ist. In Fig« 12 und 13 ist der hierbei auftretende Stromfluß zeichnerisch angedeutet. Während er bei der vorbekantiten Ausführung in zur Achse senkrechten Ebenen verläuft, tritt infolge der Verbreiterung des oberen Kehlkanals 11 eine axiale Ausbreitung des Stromflusses nach beiden Seiten der senkrechten Mittelebene X-X aufo Diese im wesentlichen axiale Verbreiterung A im mittleren Bereich des oberen Kehlkanals 11 ergibt höhere Flußgesohwlndigkeiten und eine Verminderung der auftretenden Temperaturen· Durch Versuche wurde festgestellt, daß die axiale Verbreiterung des oberen Kehlkanals über dem oberen Ende des senkrechten Mittelkanals 5 zweckmäßig etwa der doppelten Breite des senkreohten Mittelkanals 5 und des unteren Querkanals 7 entspricht, wp ein« bestmögliche Sohmelzleifcung zu erhalten.

ORJGiNAl. INSPECTED 109833/1297

Pig. ^i 5 und 6 zeigen eine abgewandlete Ausführung des Schmelzofen's nach der Erfindung, bei der der senkrechte Mittelkanal 6 in den oberen Querkanal 11 mit seitlichen Absohrägungen 5a und 5t» und mit Längskrüramungen 5c und 5& übergeht. Alle diese Übergangsflächen können als ebene Schrägj€äohen oder als Krümmungsfläohen ausgebildet sein»

Fig» 7 zeigt eine schaubildliohe Darstellung des Kanalsystems_s das hier gewissermaßen als Kernkörper für seine Herstellung dargestellt ist, wobei das Kanalsystem für den Schmelzofen nach Fi*g,, 1-3 mit ausgezogenen Linien, das Kanalsystem für den Schmelzofen nach Figo ^ - 6 in seinen Abweichungen durch strichpunktierte Krüramungslinien angedeutet ist,

Figo 8 zeigt eine abgewandelte Ausführung, bei der die Kanäle und der erweiterte Mittelteil des oberen Kehlkanals einen kreisrunden Querschnitt aufweisen.

Das in Fig. 5 der amerikanischen Patentschrift 3 092 682 dargestellte Temperatursohema ist zur vorliegenden Sache in Flg. 10 wiedergegeben und läßt die hler erreichte, verbesserte Temperaturvertellung erkennen. Wie in Spalte ^, Zeilen ^5 - 56 der erwähnten Patentschrift angegeben 1st, betrug bei einer mittleren Leistungsaufnahme von I^ KW der Fluß 32,1 t/std und der maximale Temperaturanstieg war 23⁰F bzw. -5⁰B. Das im früheren Falle gesohmolzene Metall war Blei. Wird nun bei gleicher Herdausbildung Messing statt Blei geschmolzen und wird mit einer Leistungsaufnähme ron 000 KW statt mit 14 KW gearbeitet, so würde bei der früheren Abbildung des Schmelzofens der Temperaturanstieg in den •enkreohttn Kanal«* «twa bei 150° P bzw. 65⁰C oberhalb der

„ _{Ä A} ORKäiNAL IMSPECTED

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Temperatur der im Herd befindlichen Schmelze bei minimalem Fluß liegen. Patronenmessing hat einen Schmelzpunkt von 938⁰C, einen Siede- oder Verdampfungspunkt von 1150⁰C und wird normalerweise zum Gießen auf eine Temperatur von 1093°C erhitzt. Somit würde der Temperaturanstieg nebenher, wie oben erwähnet, äußerst stark sein und würde Bruchbeanspruchungen oder Stöße verursachen, die die Haltbarkeit und Brauchbarkelt des Schmelzofens beeinträchtigen und die maximale Leistungsaufnahme begrenzen würden,

Duroh Versuche wurde festgestellt, daß bei Ausführung des Schmelzofens nach Figo 4-6, wie dies in Pig« 9 dargestellt ist, die axiale Verbreiterung des Kehlkanals 11 über dem oberen Ende des senkrechten Mittelkanals für geschmolzenes Messing bei einer Leistungsaufnahme von 800 KW eine Verminderung des maximalen Temperaturunterschiedes von 15O⁰P bzw. 65⁰C gemäß Pig_o 11 auf 4O⁰P bzw» 4,4⁰C und einen erheblich vergrößerten Pluß von 292 t/std bewirkt. Die Ausbildung des Schmelzofens naeh Pig.l hat die gleiche Wirkung. Wenn mit höheren Leistungsaufnahmen gearbeitet wird, sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung offensichtlich.

Es wurde auch gefunden, daß ein Induktionsschmelzofen gemäß der vorliegenden Erfindudng einen sehr hohen Anteil an gleichgerichtetem Pluß aufweist, wenn bei größeren Abmessungen des Sohmelzofens bzw· seines Induktionsteils zur Ermöglichung einer höheren Leistungsaufnahme die Kanalquersohnitte und die Längenbe*- messungen der Kanäle vergrößert werden.

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Natürlich können bei einem Schmelzofen auch mehrere Induktinnseinheiten verwendet werden, die auch an anderer Stelle, z.B. seitlich neben dem Herdraum angeordnet sein können* Soweit im nachfolgenden der Ausdruck "Unterkanal" verwendet ist, bezieht er sich auf denjenigen Kanal, der die senkrechten Seitenkanäle mit dem senkrechten Mittelkanal verbindet und vom Herdraum
weiter entfernt liegt als der in den Herdraum übergehende Kehlkanal.

Claims

Q,

1./induktionsschmelzofen zum Schmelzen von Metallen mit in das Schmelzbad untergetauchtem, rahmenartigem Induktionskörper, dessen die Primärspulen tragende, parallele Schenkel in horizontaler Ebene in Abstand nebeneinander liegen undn.hrer Längsmitte ein in senkrechter Ebene liegend angeordnetes, etwa B-förmlges Schmelzkanalsystem begrenzen, das aus einem senkrechten Mittelkanal und zwei in gleichen Abständen davon angeordneten, senkrechten Seitenkanälen«®tent, die unten durch einen zu den Rahmenschenkeln querliegenden Unterkanal und oben durch einen in den Herdraum übergehenden Kehlkanal verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Kehlkanal (11) von der Einmündungsstelle des senkrechten Mittelkanals (5) aus auf einem Teil seiner Länge eine wesentlich größere Breite (A) aufweist als der senkrechte Mittelkanal (5) und der Unterkanal (7).

2ο Induktionsschmelzofen nach Anspruch .1, daduroh gekennzeichnet, daß der obere Kehlkanal (11) beidseitig mit ebenen Schrägflächen (5a*5b) in den senkrechten Mittelkanal (5) übergeht.

3ο Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Kehlkanal (11) mindestens an seiner Grundfläche mit gewölbten Flächen (5<**5&) in den senkrechten Mit-•fcelkanal (5) übergeht«,

^o Induktionssohmelzofen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der -u*fcere Kehlkanal (11) in seinem dem senk«

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22.MRZ 1971

ORIGINAL »MSPECTED

rechten Mittelkanal (5) überschneidenden Bereich etwa doppelt so breit ist wie der Unterkanal (7).

5. InduktionsSchmelzofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der gegenüber den anderen Kanälen (5t7) verbreiterte Bereich des Kehlkanals über eine Länge erstreckt, die doppelt so groß ist wie die in dieser Richtung gemessene Abstandsbreite des senkrechten Mittelkanals (5).

ORIGINAL INSPECTED

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