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Kernlosen Netzfreguenz-Induktionsofen zum Warmhalten, Uberhitzen und/oder
zum Behandeln und Vergießen von Metallen Die Erfindung betrifft einen kernlosen
Netzfrequenz-Induktionsofen zum Warmhalten, Überhitzen und/oder Behandeln und Vergießen
von Metallen, insbesondere von Nichteisenmetallen, mit einer den keramischen Tiegel
außen umgebenden, gasdichten Umkleidung, die aus einem sich über mindestens die
Länge der Ofenspule erstreckenden mittleren Teil sowie aus Je einem sich an dessen
oberen und unteren Ende anschließenden metallischen Teil besteht, die mittels den
mittleren Teil außenseitig überbrückender Zuganker unter Zwischenschaltung von Dichtungselementen
gasdicht miteinander verspannt sind, wobei die in ihrer ganzen Länge von Kühlwasser
durchflossene Ofenspule einen integrierten Bestandteil des mittleren gasdichten
Umkleidungsteils bildet.
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Induktionsöfen dieser Art, in denen das in den Schmelzöfen verflüssigte
Metall aufgenommen und über längere Zeit warmgehalten, überhitzt, behandelt und
vergossen wird, werden in Gießereien in steigendem Maße eingesetzt.
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Bei dem gattungsgemäßen Ofen besteht ein besonderes Problem darin,
den sich über mindestens die Länge der Ofenspule erstreckenden mittleren Teil des
Ofens so auszubilden, daß einerseits die den Ofentiegel außen umgebende Umkleidung
im Bereich dieses Ofenteils, insbesondere bei Vakuum- oder Überdruckbetrieb, dauerhaft
gasdicht bleibt und die großen Drücken ausgesetzte Seitenwand des keramischen Tiegels,
um einen Bruch des Tiegels zu verhindern, in diesem Bereich genügend abgestützt
wird und daß
andererseits der Abstand zwischen Ofenspule und Ofentiegel
so klein gehalten ist, daß die Übertragung der durch den Spulenstrom erzeugten elektromagnetischen
Energie in das im Tiegelinnere befindliche Metallbad noch wirtschaftlich ist. Dabei
ist die Tiegel seitenwand zwei Arten von Drücken ausgesetzt, nämlich dem hydrostatischen
Druck sowie dem sich periodisch mit der Zeit verändernden Druck infolge der elektrodynamischen
Kraftwirkungen.
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Zudem müssen beim gattungsgemäßen Ofen die Wirbelstromverluste in
den Eisenkonstruktionen des Ofens und des Ofenunterbaus durch entsprechende Führung
der magnetischen Feldlinien außerhalb der Spule und des Metallbades möglichst kleingehalten
werden.
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Die ungenügende mechanische Widerstandsfähigkeit des Tiegels wirkt
sich bei mit Netzfrequenz betriebenen Öfen besonders stark aus, da in diesem Frequenzbereich
besonders hohe elektrodynamische Kräfte auftreten. Die Induktionsheizung mit Netzfrequenz
ist aber gerade deshalb besonders vorteilhaft, weil die dabei verursachte Schmelzbadbewegung
eine dauernde Erneuerung der Badoberfläche bewirkt, was vor allem bei der Behandlung
von Metallen nützlich ist.
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Kernlose Induktionsöfen zum Warmhalten, Überhitzen und/ oder zum
Behandeln und Vergießen von Metallen, bei welchen die von Kühlwasser durchflossene
Ofenspule in dem mittleren gasdichten Umkleidungsteil des Tiegels integriert ist,
sind bisher lediglich für den Betrieb mit Mittel- oder Hochfrequenz, nicht aber
auch für Netzfrequenz-Betrieb bekannt geworden. Diese bekannten Öfen haben sich
in der Praxis vor allem deswegen nicht durchsetzen können, weil die elektrodynamischen
Kräfte eine genügende mechanische Festigkeit der Tiegelumkleidung im Bereich des
Induktors sowie einen dauerhaften gasdichten Abschluß des Tiegels verhinderten.
Da die elektrodynamischen Kräfte mit fallender Frequenz des Spulenstromes ansteigen
und bei Netzfrequenz besonders groß sind, mangelt es diesen bekannten Öfen erst
recht bei Anschluß an Netzfrequenz an der ausreichenden mechanischen Festigkeit
sowie
an der Gasdichtigkeit. Bei den bekannten mit Mittel-und Hochfrequenz betriebenen
Induktionsöfen ist zudem zumeist darauf verzichtet, die Ofenspule mit einem Eisenjoch
auszuführen, da die in Eisen auftretenden Wirbelstromverluste bei höheren Frequenzen
sehr groß werden; bei den gattungsgemäßen, mit Netzfrequenz betriebenen Induktionsöfen
kann hingegen eine Induktion der Jocheisen zugelassen werden, womit bei ihnen nicht
auf Jocheisen verzichtet zu werden braucht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem konstruktiven
Aufwand einen Induktionsofen der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, bei
welchem der Ofentiegel optimal abgestützt und eine dauerhafte Gasdichtigkeit des
Tiegels erreicht ist, bei welchem der Abstand zwischen Ofenspule und Ofentiegel
dennoch gering ist und bei welchem Wirbelstromverluste in den Eisenkonstruktionen
des Ofens und des Ofenunterbaus nur in geringem Umfange auftreten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich der erfindungsgemäße
Induktionsofen dadurch, daß die Ofenspule außenseitig mit einer diese gasdicht abschließenden
Beschichtung aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff versehen ist, die Ofenspule
einschließlich ihrer äußeren Beschichtung von Jocheisen umgeben ist, wobei die Jocheisen
unter Verzicht auf das obere und untere Ende der Ofenspule umgreifende Seitenschenkel
als geradlinige Lamellenstäbe ausgebildet sind, welche unter Verwendung von sich
mindestens mittelbar gegen die Zuganker ababstützenden und nachstellbaren Spannmitteln
gegen die die Ofenspule außenseitig abdichtende Beschichtung angepreßt sind, und
die Ofenspule unter Ausschluß ihrer beiden Endabschnitte nur über den mittleren
Längenabschnitt vom elektrischen Strom beaufschlagt ist.
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Der keramische Tiegel ist beim erfindungsgemäßen Induktionsofen im
Bereich des mittleren Umkleidungsteils insbesondere
optimal abgestützt,
wobei der Abstand zwischen der Induktionsspule einerseits und dem Tiegel und damit
dem im Tiegel inneren befindlichen Metallbad andererseits dennoch gering ist.
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Der geringe Abstand zwischen Spule und Tiegel ergibt sich daraus,
daß die Spule unmittelbar am Tiegel anliegt. Damit sind die Übertragung der durch
die Ofenspule erzeugten elektromagnetischen Energie in das Tiegelinnere und in der
Folge die Induktionswirkung im Bereich des Metallbades so gut wie nur irgend möglich.
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Der Abstützung des Tiegels im Bereich des mittleren Umkleidungsteils
des Ofens dienen neben der Ofenspule selbst auch deren sie außenseitig abschließende
Beschichtung aus elektrisch nicht leitendem Material, die der Ofenspule zugeordneten
Jocheisen sowie die diese gegen die Zuganker abstützenden Spannmittel und damit
sogar die Zuganker selbst. Die unmittelbare Abstützung für den Tiegel bildet dabei
die Induktionsspule. Die auf der Außenseite der Spule aufgebrachte Beschichtung
und die Jocheisen sowie die diese gegen die Zuganker abstützenden Spannmittel sowie
die Zuganker selbst bringen hingegen zunächst eine Verfestigung bzw. Abstützung
der Spule; damit bewirken diese Mittel Jedoch gleichzeitig eine Abstützung des Ofentiegels,
wobei diese Abstützung deshalb besonders gut ist, weil die Spannmittel nachstellbar
ausgeführt sind. So bringt die Gesamtheit von beschichteter Ofenspule, Jocheisen,
Spannmitteln und Zugankern im Bereich des mittleren Umkleidungsteils eine größtmögliche
Festigkeit des Tiegels in diesem Bereich, womit ein Zerbrechen des Tiegels infolge
der auf ihn wirkenden pulsierenden Kräfte des Tiegeleinsatzes nahezu unmöglich wird.
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Indem die die Ofenspule außenseitig umgebende Beschichtung aus einem
gasdichten und elektrisch nicht leitenden Werkstoff besteht, ist bei diesem Aufbau
des mittleren Umkleidungsteils auch eine dauerhafte gasdichte Abschließung des Tiegels
und
damit des mittleren Ofenteils gegeben sowie eine besonders gute elektrische Isolation
der Spulenwindungen gegenüber den der Spule zugeordneten Jocheisen.
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Die die beschichtete Ofenspule umgebenden und in bekannter Weise
aus lamelliertem Eisen gebildeten Jocheisen dienen zwar zur Halterung der Ofenspule
und damit mittelbar zur Abstützung des Ofentiegels, in erster Linie bewirken sie
-Jedoch eine magnetische Schirmwirkung. Die Jocheisen haben zur Folge, daß sich
das magnetische Feld außerhalb der Ofenspule und des Metallbades im wesentlichen
durch diese Jocheisen selbst schließt.
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Damit bleibt der außerhalb der Ofenspule und der Joche sowie des Metallbades
liegende Bereich weitgehend von Feldlinien frei, weshalb in den der Ofenspule und
den Jocheisen benachbarten Eisenkonstruktionen des Ofens und des Ofenunterbaus nur
noch sehr wenig zusätzliche Wirbelstromverluste auftreten können und es andererseits
bei diesen Teilen keiner besonderen Vorkehrungen zur Vermeidung von Wirbelströmen
und der damit einhergehenden Erwärmung bedarf. So können z.B. die Außenabmessungen
des Ofenunterbaus so klein wie möglich gehalten werden, was sich vor allem beim
Kippen des Ofens sehr vorteilhaft auswirkt; auch kann das Ofengestell auf diese
Weise unmittelbar versohweißt werden.
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Elektrisch bewirken die Joche zudem eine Verbesserung der Kopplung,
was eine Erhöhung des cos phi und des elektrischen Wirkungsgrades um neige vom Hundert
zur Folge hat. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Jocheisen wirkt sich somit sowohl
auf die e lektromagne tischen Eigenschaften des Induktionsofensals auch auf seine
mechanischen Eigenschaften vorteilhaft aus.
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Indem die die beschichtete Ofenspule umgebenden Jocheisen gemäß der
Erfindung unter Verzicht auf das obere und untere Ende der Ofenspule umgreifende
Seitenschenkel als geradlinige Lamellenstäbe ausgebildet sind, kann die Ofenspule
über nahezu die gesamte Länge des mittleren Umkleidungsteils des Ofentiegels ausgeführt
werden, und es bedarf im Bereich dieses Umkleidungsteils selbst in axialer Richtung
keiner Übergangsflächen zwischen dem
oberen bzw. unteren Ende der
Ofenspule und den daran anschließenden Teilen der Tiegelumkleidung, welche der mechanischen
Festigkeit des mittleren Umkleidungsteils äußerst abträglich sind. Bei der gewählten
Ausbildung der Jocheisen wird den bei Netz frequenz-Betrieb besonders hohen Anforderungen
an die mechanische Widerstandsfähigkeit der Tiegelumkleidung im Bereich des mittleren
Umkleidungsteils somit in besonderem Maße Rechnung getragen.
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Beim erfindungsgemäßen Induktionsofen ist die aus Kupferprofil mit
einem Kühlwasserkanal gewickelte Ofenspule zwar in ihrer ganzen Länge von Kühlwasser
durchflossen, aber vom elektrischen Strom, unter Ausschluß ihrer beiden Endabschnitte,
lediglich in ihrem mittleren Längenabschnitt beaufschlagt. Dies erweist sich zum
einen als für die Kühlung der Ofenwandung vorteilhaft, indem so die an dem oberen
und unteren Ende der Ofenspule anschließenden Umkleidungsteile vor einer unzulässigen
Erwärmung geschützt werden. Zum anderen ergibt sich bei dieser Art der Strombeaufschlagung,
bei der der obere und der untere Spulenbereich jeweils nur als Kühleinrichtung,
nicht jedoch auch als Induktor wirkt, eine elektromagnetisch besonders günstige
Rückführung der außerhalb der Induktionsspule und des Schmelztiegels verlaufenden
Feldlinien, da die Feldlinien so in erheblich geringerem Maße in die der Ofenspule
benachbarten Ofenteile eintreten.
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Der erfindungsgemäße Induktionsofen hat aber nicht nur in mechanischer
und elektromagnetischer Hinsicht besondere Vorteile, sondern er ist auch baulich
sehr einfach.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet
sich der Induktionsofen dadurch, daß die gasdichte außenseitige Beschichtung und
ebenso die Lamellenstäbe der Jocheisen am oberen und unteren Ende der Ofenspule
über die Ofenspule selbst hinausragen. Auf diese Weise ergibt sich eine größere
mechanische Festigkeit der Ofenspule und in der Folge eine bessere Abstützung des
Tiegels im Bereich des mittleren Umkleidungsteils
sowie eine größere
Gasdichtigkeit dieses Teils.
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Eine noch bessere Abstützung des Ofentiegels läßt sich dann erreichen,
wenn die Ofenspule zusätzlich an ihrer dem Tiegel zugekehrten Seite mit einer den
Spaltraum zwischen ihr und dem Tiegel gasdicht abschließenden Beschichtung aus einem
elektrisch nicht leitenden Werkstoff versehen ist. Dabei wird der Abstand zwischen
der Ofenspule einerseits und dem Ofentiegel bzw.
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dem im Tiegelinneren befindlichen Metallbad andererseits zwar größer,
jedoch nicht in einem der Übertragung der elektromagnetischen Energie in das Metallbad
abträglichen Maße.
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Die außenseitige Beschichtung bzw. die innen- und außen seitigen
Beschichtungen der Ofenspule bestehen zweckmäßig aus armiertem Kunststoff, insbesondere
aus glasfaserverstärktem Kunstharz.
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Bevorzugt ist auf der letzten oberen und letzten unteren Windung
der Ofenspule Je ein metallischer, die Steigung der Spulenwindungen ausgleichender
Metallring fest angebracht, insbesondere aufgelötet. Dies erlaubt eine besonders
gute gasdichte und auch mechanisch feste Verspannung des oberen, mittleren und unteren
Umkleidungsteils des Ofentiegels.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die Dichtungselemente
aus ringförmigen Lagen keramischen Fasermaterials oder aus außen mit einem Kühlmantel
versehenen Gummiringen auszubilden.
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Die für den Induktionsofen bevorzugten Zuganker kennzeichnen sich
erfindungsgemäß dadurch, daß sie Jeweils einen Mittelteil aus U-Profileisen besitzen,
wobei an den Kopfenden des U-Prqfileisens Abdeckbleche angeschweißt sind, in deren
Bohrungen mit dem oberen und unteren Umkleidungsteil in Eingriff stehende Schraubverbindungen
eingreifen, und wobei in Bohrungen des U-Profileisens
selbst die
Spannmittel um Anpressen der Jocheisen gegen die die Ofenspule außenseitig abd@chtende
Beschichtung eingreifen und am U-Profileisen die Laschen der Abdeckbleche für die
Jocheisen befestigt sind. Diese Ausbildung der Zuganker gestattet bei baulicher
Einfachheit in bester Weise sowohl die gegenseitige gasdichte Anpressung des oberen,
mittleren und unteren Umkleidungsteils des Ofentiegels als auch die rückseitige
Abstützung der Jocheisen und die Halterung ihrer Abdeckbleche.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Induktionsofen mit Ofenunterbau in axialem Längsschnitt,
teilweise in der Seitenansicht, Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem
Maßstab und Fig. 3 einen Schnitt nach den Linien II-II der Fig. 1, jedoch ohne Ofenunterbau.
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aa Fig. 1 sind der aus einer Iramischen Stampfmasse rL üblicher Weise
hergestellte Ofentiegel mit 1 und die diesen an seinem oberen Ende gasdicht abdeckende,
gewölbte Deckelhaube mit 2 bezeichnet. Die Tiegelumkleidung ist aus dem mittleren
Umkleidungsteil mit der in diesem integrierten Ofenspule 3 sowie den an dem oberen
und unteren Ende dieses Umkleidungsteils anschließenden metallischen Umkleidungsteilen
t und 5 gebildete wobei der Umkleidungsteil 4 an seinem unteren Ende und der Umkleidungsteil
5 an seinem oberen Ende jeweils mit einem Flansch 6 bzw. 7 aus nicht-ferritischem
Metall versehen sind.
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Die Deckelhaube 2 besteht außen aus Stahlblech und ist innenseitig
mit einer feuerfesten Wärmeisolation versehen. Auf der Deckelhaube 2 befindet sich
ein an diese gasdicht angeschlossener Rohraufsatz 8, der zur Aufnahme des in das
Metallbad eintretenden Thermoelementes 9 diente
Zum Beschicken
des Tiegelinneren ist eine schräg nach oben gerichtete Beschic1söffnung 10 vorgesehen,
welche mittels des Deckels 11 gasdicht verschließbar ist. Mit 12 ist die ebenfalls
schräg nach oben gerichtete Gießöffnung und mit 13 ein in diese eingebauter Entnahmekanal
bezeichnet, durch den hindurch das im Tiegelinneren befindliche schmelzflüssige
Metall vergossen wird.
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Das Abgießen der Metallschmelze geschieht grundsätzlich in der Weise,
daß diese innerhalb des gasdicht verschlossenen Tiegels mit Druckgas beaufschlagt
wird, dessen Zuführung über eine in der Zeichnung nicht dargestellte, in der Deckelhaube
2 vorgesehene Leitung hindurch erfolgt.
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Der Ofen ist mittels insgesamt drei aus Profileisen bestehender Stützfüße
14 auf dem unteren, gleichfalls aus Profileisen zusammengesetzten Fundamentrahmen
lose abgestützt, die ihrerseits an den unteren Umhüllungsteil 5 angeschweißt sind.
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Auf diese Weise läßt sich der Ofen mittels eines an der Öse 16 angreifenden
Kranhakens um das auf der gegenüberliegenden Seite befindliche Stütz- bzw. Kipplager
15 kippen. Dies geschieht jedoch nur in Ausnahmefällen, wobei dann die Entleerung
des Ofens über die Beschickungsöffnung 10 erfolgt.
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Zwischen dem Tiegel 1 und der oberen sowie unteren Stahlumkleidung
4 bzw. 5 ist Jeweils eine wärmeisolierende Schicht angebracht, die Isolationsschicht
17, z.B. aus Feuerleichtstein, und die Mauerung 18, z.B. aus Schamotte Die Ofenspule
3 ist in ihrer ganzen Länge von Kühlwasser durchflossen, wozu das Kupferprofil der
Spulenwindungen aus RQhkupfer gefertigt ist. Vom elektrischen Wechselstrom ist die
Ofenspule 3 unter Ausschluß ihrer beiden Endabschnitte lediglich in ihrem mittleren
Längenabschnitt beaufschlagt. In den Fig. 1
und 2 der Zeichnung
sind die Übergangsflächen von dem vom elektischen Strom beaufschlagten mittleren
Längenbereich der Ofenspule 3 zu den an diesen Spulenabschnitt beidseitig in axialer
Richtung anschließenden, lediglich als Kühleinrichtung wirkenden Endabschnitten
der Ofenspule 3 durch die waagerechten Linien 19 und l9a. kenntlich gemacht. Die
Anschlüsse von Strom und Kühlwasser sind in der Zeichnung im einzelnen nicht wiedergegeben
Auf der letzten oberen und letzten unteren Windung der Ofenspule 3 ist Je ein metallischer,
die Steigung der Spulenwindungen ausgleichender Metallring 20 bzw. 20a aufgelötet.
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Die gesamte Ofenspule 3 und ein Teil der an sie anschließenden Metaliringe
20 und 20a sind auf ihrer Außen- und Innenseite mit einer gasdichten Beschichtung
21, 22 aus glasfaserverstärktem Kunstharz versehen.
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An der dem Ofentiegel 1 abgekehrten Seite der beschichteten Ofenspule
3 schließen sich nach außen unter Verzicht auf das obere und untere Ende der Ofenspule
3 umgreifende Seitenschenkel als geradlinige Lamellenstäbe ausgebildete und in Richtung
der Ofenachse ausgerichtete Jocheisen 23 an, die eine etwas größere Länge als die
Ofenspule 3 selbst haben. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Jocheisen 23 über
den Umfang der Ofenspule 3 so angeordnet, daß mehr als ein Drittel des Spulenumfanges
von Lamellenstäben umgeben ist.
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Zwischen den Jocheisen 23 und der außenseitigen gasdichten Beschichtung
21 der Ofenspule 3 sowie deren innenseitigen gasdichten Beschichtung 22 und der
im Bereich des mittleren Umkleidungsteils liegenden Tiegelaußenwand sind Isolierschichten
24 bzw. 24a, z.B. aus imprägniertem Glasseidengewebe, Asbest oder Silikatwolle,
angeordnet. Während durch die dreilagige Islationsschicht 24 der direkte Kontakt
der Jocheisen 23 mit der
elektrischen Isolation der Ofenspule 3
vermieden wird, verhindert die Isolationsschicht 24a eine direkte Berührung der
elektrischen Isolationsschicht der Ofenspule mit dem Tiegel, so daß einerseits der
Wärmefluß vom heißen Tiegel auf die gekühlte Ofenspule verringert und andererseits
ein direkter mechanischer Angriff des bei Erwärmung sich ausdehnenden Tiegels vermieden
wird.
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Mit 25 sind die über den äußeren Umfang des Ofens gleichmäßig verteilt
angeordneten, in die Flansche 6 und 7 des oberen bzw. unteren Umkleidungsteils 4,
5 eingreifenden Zuganker bezeichnet, welche den oberen und unteren Umkleidungsteil
4 bzw. 5 unter Zwischenschaltung der Dichtungselemente 26, 26a gasdicht an den mittleren
Umkleidungsteil des Ofentiegeis l anpressen. Die Zuganker 25 besitzen jeweils einen
Mittelteil 27 aus U-Profileisen mit einer etwas geringeren Längenausdehnung als
dem Abstand der Flansche 6 und 7. An den beiden Kopfenden der Mittelteile 27 sind
Jeweils Abdeckbleche 28 und 28a ageschweißt, in deren Bohrungen die mit den Flanschen
6 and 7 in Eingriff stehenden Schraubverbindungen 29 und 29a eingreifen.
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Zur Verbesserung der Gasdichtigkeit der Übergänge zwischen dem oberen
bzw. unteren Umkleidungsteil 4, 5 und dem die Ofenspule 3 aufnehmenden mittleren
Umkleidungsteil sind die Flansche 6 und 7 an ihrem dem Tiegel 1 zugekehrten, direkt
der Induktionsspule 9 anliegenden Teil im Querschnitt wulstartig oder trapezförmig
in Richtung auf den mittleren Umkleidungsteil verdickt, während die Dicke der Metallringe
20 und 20a über wenigstens einen Teil ihrer radialen Ausdehnung im Querschnitt wulstartig
oder trapezförmig vergrößert ist.
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Die Zuganker 25 stützen rückseitig die die beschichtete Ofenspule
3 umgebenden Jocheisen 23 ab, indem in Bohrungen des aus U-Profileisen bestehenden
Nittelteils 27 der Zuganker 25 die in Form von Spannschrauben ausgeführten nachstellbaren
Spannmittel 30 und 71 eingreifen. An den Mittelteilen 27 der Zuganker 25 sind auch
die Laschen 32 der die Jocheisen 23 abdeckenden Abdeckbleche schraubbar befestigt