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Umwälzvorrichtung zum Umwälzen geschmolzenen Metalls Die Erfindung
bezieht sich auf eine Umwälzvorrichtung zum Umwälzen gescsnolzenen Metalls in einem
Ofen mit einer IndXctionsspule, die durch eine Wechselstromquelle in Betrieb setzbar
ist, einem langgestreckten Kern, der sich axial durch die Spule erstreckt und aus
der Spule herausragt, einem feuerfesten Gehäuse oder einer feuerfesten Beschichtung
zum Schutz des Kernes, wo er an einer axialen Seite der Spule herausragt und einem
warmfesten Hitzeschild, der die Spule zumindest an der einen axialen Seite schützt.
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Derartige Umwälzvorrichtungen werden zum Umwälzen von geschmolzenem
Metall in Schmelz oder Warmhalteöfen verwendet.
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In Schmelzöfen zum Schmelzen von Leicht- und Schwermetallschrott ist
es wünschenswert, eine Einrichtung zum schnellen Umwälzen des Metalls im Schmelzofen
zu verwenden. Z.B. kann die Metallumwälzung wirksam angewandt werden, um an der
Beschickungsstelle feste Aluminiumspäne in das geschmolzene Metall hineinzuziehen
ohne übermäßige Störung der Metalloberfläche zu verursachen.
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Das Untertauchen fester Späne mittels mechanischer Rührer oder dgl
kann durch Oxidation von Metall an der gestörten Oberfläche zu sehr hohen Schmelzverlusten
führen.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, geschmolzenes Metall in einem Ofen
mittels eines elektromagnetischen Zirkulators umzuwälzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektromagnetische
Umwälzvorrichtung für diesen Zweck aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern aus
beiden axialen Enden der Spule herausragt und daß der Kern in bezug auf die Spule
so angeordnet ist, daß 25 bis 50 seiner Länge an der einen axialen Seite vom Mittelpunkt
der Spule herausragen.
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Vorzugsweise befinden sich 57% der Länge des Kerns an der einen axialen
Seite des Mittelpunktes der Spule.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel
der Umwälzvorrichtung, die Metall in und aus einem offenen Seitenschacht eines Ofens
umwälzen soll,
Fig. 2 eine alternative Anordnung der Umwälzvorrichtung,
Fig. 3 ein tragbares Ausführungsbeispiel der Umwälzvorrichtung, das bequem bei einer
linderung des Metallspiegels angehoben und abgesenkt werden kann, Fig. 4 ein weiteres
Ausführungsbeispiel der Umwälzvorrichtung, das in einer Seitentasche des Schmelzofens
angeordnet ist, und Fig. 5 eine horizontal angeordnete Umwälzvorrichtung.
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Die Umwälzvorrichtung in jeder der Fig. 1 bis 3 enthält einen langgestreckten
Kern 2, der vertikal angeordnet und von einer Spule 5 umgeben ist, welche sich oberhalb
des Spiegels des flüssigen Metalls befindet. 25 bis 50X, vorzugsweise 37% der Länge
des Kernes liegen unterhalb der Mitte der Spule und der größte Anteil dieses Teils
des Kernes befindet sich beim Betrieb der Umwälzvorrichtung unterhalb des Spiegels
des flüssigen Metalls.
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Die in Fig. 1 gezeigte Umwälzvorrichtung ist für den Betrieb bei einer
im allgemeinen festen Badtiefe gedacht, wie dargestellt ist. Ein zylindrisches keramisches
Schutzrohr 1 mit einem geschlossenen unteren Ende umgibt und schützt den Kern 2
und erstreckt sich in ein Rohrknie 3. Sowohl das Schutzrohr 1 als auch das Rohrknie
3 sind aus einem geeigneten Material hergestellt, das entweder aus nichtmagnetischem
metallischen oder keramischen feuerfesten Material besteht. Das Rohrknie ist in
seiner Lage in einem seitlichen Schacht des Bades angeordnet und ist an seiner über
dem flüssigen Spiegel liegenden oberen
Ende offen und hat einen
seitlichen Auslaß 10. Die aus dem Kern der Spule und dem Schutzrohr 1 bestehende
Umwälzvorrichtung ist in einer Arbeitslage dargestellt, in welche sie vom oberen
Ende des Rohrknies abgesenkt wurde. Das Schutzrohr liegt konzentrisch zum sich nach
oben erstreckenden Teil des Rohrknies und bildet mit diesem einen Kanal 4 mit ringförmigem
Querschnitt zum Durchtritt geschmolzenen Metalls. Die Spule 5 ist durch einen Hitzeschild
6 vor möglicher Beschädigung auf grund von Wärme und spritzendem geschmolzenen Metall
geschützt.
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Die Umwälzvorrichtung ruht auf in den Schmelzofen eingebauten, jedoch
nicht dargestellten Ziegelträgern. Die Spule 5 und der Hitzeschild 6 sind so angeordnet,
daß sie frei oberhalb des oberen Endes des Rohrknies 3 liegen, so daß ein volle
3600 umfassender ringförmiger Einlaß 7 für den Eirt ritt geschmolzenen Metalls in
den Kanal 4 mit ringförmigem Querschnitt vorhanden ist. Eine Trennwand 9, die an
der Eintrittsseite zu einem Seitenschacht angeordnet ist, zu welchem der Auslaß
10 führt, stellt sicher, daß das zum Austritt durch den Auslaß 10 getriebene, umgewälzte
Metall nicht den direkten Weg zum Einlaß 7 zurück nehmen kann. Das Herausragen des
Kerns über die Oberfläche des geschmolzenen Metalls und über die Spule dient dem
doppelten Zweck, die magnetische Wirksamkeit der Vorrichtung zu erhöhen und eine
Wärmeaustauscheinrichtung zum Kühlen durch gepumpte Luft oder Wasser z.B. vorzusehen,
um die Wärme von der Spule 5 abzuleiten. Kühlmittel kann auch durch einen Kanal
11 in der Mitte des Kerns 2 zugeführt werden. Die Kühlung des Kernes ist so ausgelegt,
daß dessen Temperatur unterhalb des Curie'schen Punktes gehalten wird.
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In bestimmten Fällen kann auf das Schutzrohr 1 verzichtet werden und
der Kern kann entweder durch eine feuerfeste Schlichte oder durch stampfbares feuerfestes
Material geschützt werden.
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In einem solchen Fall kann der Kern als halb ausfahrbar betrachtet
werden
und dieses hat zwei Vorteile gegenüber einem Kern, der durch ein besonderes Schutzrohr
geschützt ist: a) Der Magnetkreis wird dichter an das geschmolzene Metall gebracht
und führt dadurch zu einem erhöhten Wirkungsgrad, und b) es entfällt die Notwendigkeits
ein keramisches Schutzrohr zu verwenden, was vorteilhaft ist, weil der Kern viel
billiger als das Schutzrohr ist.
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Wenn die Spule durch Anschließen an eine Wechselstromquelle eingeschaltet
wird, wird in dem das Gehäuse umgebenden, geschmolzenen Metall ein Sekundärstrom
induziert und die Wechselwirkung zwischen dem Primärfeld und dem Feld des induzierten
Stroms führt zu einer Kraft auf das geschmolzene Metall, die in einer Richtung im
wesentlichen längs zum Gehäuse und weg von der Spule verläuft.
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Weil die Kraft an einem gedachten Ring geschmolzenen Metalls, das
den Kern umgibt eine umgekehrte Funktion seiner Entfernung vom Kern und der Spule
ist, ist es zur Erreichung einer guten Umwälzung in bezug auf den elektrischen Energieaufwand
erforderlich, die Leistungsfähigkeit der Umwälzvorrichtung durch sorgfältige Auslegung
der Induktionsspule und des Kernes zu optimieren. Es wurde gefunden, daß sich die
Kraft an einem den Kern umgebenden Metallring erheblich gemäß der Länge des Kernes
ändert, welche aus der gegenüberliegenden Seite der Spule herausragt. Dies beruht
auf der Tatsache, daß eine änderung der Lage der Spule entlang dem Kern die Anordnung
des aus dem Kern austretenden magnetischen Flusses und den Bereich über den er ausgebreitet
ist ändert. Weil der magnetische Widerstand des magnetischen Flusses dem Bereich
durch den er verstreut wird, umgekehrt
proportional ist, kann der
magnetische Widerstand dadurch verringert werden, daß der Fluß unterstützt wird,
sich über einen weiten Bereich zu verteilen. Der maximale Ausbreitungsbereich des
Flusses tritt auf, wenn der Anteil des Kernes an der Ringseite des Mittelpunktes
der Spule ungefähr 37 seiner Gesamtlänge beträgt. Dieses ist daher die Stellung,
in welcher die Kraft an dem gedachten Metallring ein Maximum iste Mit anderen Worten,
das herausragende Ende des Kernes sollte länger als die Länge des Kernes innerhalb
des feuerfesten Gehäuses sein, um maximale Kraft zu erzielen. Im allgemeinen kann
gesagt werden, daß die Länge des Kernes auf der Ring- oder Metallseite vom Mittelpunkt
der Spule 25 bis 50 der Gesamtlänge des Kernes betragen sollte.
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Um sicherzustellen, daß die maximale Kraft auf den gedachten Ring
aus Metall in einer Richtung parallel zur Längsachse des Kernes aufgebracht wird,
sollten die Linien der magnetischen Kraft,die rechtwinklig zur Längsfläche des Kernes
auftreten, den Metallring ohne Anderung der Richtung schneiden, d.h. die Richtung
der magnetischen Flußlinien durch den gedachten Ring aus geschmolzenen Metall sollte
rechtwinklig zur Langsachse des Kernes verlaufen. Dies kann dadurch erreicht werden,
daß die Geometrie der Spule im Verhältnis zur radialen Dicke des gedachten Ringes
aus geschmolzenem Metall angeordnet wird, indem z.B.
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der Außendurchmesser der Spule größer als der des gedachten Ringes
aus geschmolzenem Metall gewählt wird. Der magnetische Fluß ist so gezwungen entlang
einem längeren Weg um die Spule zu fließen als wenn der Durchmesser der Spule kleiner
wäre. Bei einem Beispiel, bei welchem der Außendurchmesser des Metallringes 40 cm
betrug, wurde der Außendurchmesser der Spule 56 cm groß gewählt.
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Eine tragbare Umwälzvorrichtung, die bei,verschiedenen Badtiefen betrieben
werden kann,kann als Abwandlung der gerade beschriebenen
eingebauten
Umwälzvorichtung aufgebaut werden. Bei dieser Abwandlung ist das Rohrknie mittels
Verbindungsstangen entweder mit dem Schutzrohr 1 oder dem Hitzeschild 6 verbunden,
so daß die gesamte Einheit in das Metall abgesenkt und aus dem Metall gehoben werden
kann. Der Kanal 4 mit ringförmigem Querschnitt und der 3600 umfassende ringförmige
Einlaß 7 bleiben so wie es oben beschrieben wurde. In ähnlicher Weise bewirkt das
Herausragen des Kernes 2 über den Spiegel des Metalls und die Spule die gleichen
Funktionen, wie sie oben beschrieben wurden.
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Als Beispiel der Erfindung wurde eine, gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 aufgebaute Umwälzvorrichtung in dem Seitenschacht eines 23-Tonnen-Ofens
(50.000-ib-Ofens) angeordnet. Die Primärwicklung bestand aus einer Spule mit einem
Durchmesser von 230 mm und 90 Windungen. Der 920 mm lange laminierte Stahlkern mit
einem Querschnitt von 50 x 50 mm erstreckte sich um ein Drittel seiner Länge in
das geschmolzene Metall. Sowohl die Spule als auch der Kern waren luftgekuhlt. Eine
Anzahl von Versuchen wurde durchgeführt und die Ergebnisse eines dieser Versuche
sind unten zusammengefaßt: Aufnahmefähigkeit des Schmelzofens (einschließlich Seitenschacht)
an geschmolzenem Aluminium 23.000 kg (50.0001b.) Menge des Metalls im Ofen während
des Versuches 18.000 kg (40.000 lb.) Höhe des Metalls im Seitenschacht 600 mm Ungefähre
Metall temperatur (gemessen im Seitenschacht) 7250C Maximale Geschwindigkeit des
Metalls (gemessen im Seitenschacht) 29 cm/sec.
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Maximale Durchflußmenge 11.800 kg/min.
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(26.000 lb./min) Energieeingang in die Spule 5 kW Leistungsfaktor
0>22 In Fig. 2 ist eine tragbare Umwälzvorrichtung mit einem Kern 2, einer Spule
5, einem Hitzeschild 6 und einem Schutzrohr 1 mit dem gleichen Aufbau wie beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 vorgesehen, welcher eine gerade Leitung 23 aufweist, die mittels nicht
dargestellter Speichen mit dem Schutzrohr 1 verbunden ist.
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Die gesamte Umwälzvorrichtung einschließlich der Leitung 23 ist vertikal
und horizontal beweglich angrenzend an eine Rinne 24 angeordnet, die um 200 gegenüberderHorizontalen
geneigt in einer Rampe 25 angebracht ist, welche in dem Seitenschacht des Schmelzofens
angeordnet ist. Es ist zu sehen, daß das das untere Ende der Leitung 23 vertikal
nach unten verlassende Metall eine horizontale Bewegungskomponente erhält, um eine
Umwälzung des Metalles als Ergebnis des Aufpralls auf den Boden dar Rinne zu erhalten.
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Wenn eine Xnderung der Höhe des Metallspiegels auftritt, kann die
Umwälzvorrichtung vertikal und horizontal eingestellt werden, um sicherzustellen,
daß das untere Ende der Leitung 23 dicht in der Nähe der geneigten Rinne 24 angeordnet
ist, während der Hitzeschild dicht in der Nähe der Oberfläche des geschmolzenen
Metalls bleibt, um maximale Wirkung zu erzielen.
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Bei dieser tragbaren Anordnung hat es sich in einigen Fällen als möglich
erwiesen, die umgebende Leitung 23 wegzulassen und sich auf den Aufprall des Metalls
auf den Boden der Rinne zur Erzeugung der Umwälzung zu verlassen. Fig. 3 zeigt ein
weiteres
abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Umwälzvorrichtung. Wie in den Fig. 1 und 2
umfaßt die Umwälzvorrichtung einen von einer Spule 5 in einer solchen Lage umgebenen
Kern 2, bei welcher ungefähr ein Drittel des Kernes unterhalb des Mittelpunktes
der Spule liegt und der Teil des Kernes unterhalb der Spule von einem schützenden
Schutzrohr 1 umgeben ist. Ein Rohrknie 3 mit einem horizontalen Auslaß 10 umgibt
den unteren Teil des Schutzrohres 1 und bildet mit ihm einen Kanal 4 mit ringförrnigem
Querschnitt, der einen sich um 3600 erstreckenden Einlaß 7 an seinem oberen Ende
aufweist. Ein Hitzeschild 6 umgibt die Spule und erstreckt sich unterhalb von ihr,
um sie gegen mögliche Beschädigung aufgrund von Wärme und spritzendem geschmolzenen
Metall zu schützen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind an jeder Seite des Hitzeschildes
6 Trennwände 8 und 9 angeschraubt, die ebenfalls dazu dienen, das Rohrknie 3 zu
stützen und es klar unterhalb des Hitzeschildes 6 zu halten. Die rechts dargestellte
Trennwand 8 hat eine Breite. die den Durchmesser des Auslasses 10 übersteigt und
bildet eine Leitwand, welche die Möglichkeiten verringert, daß aus dem Aus-1aß 10
austretendes Metall geradewegs zum Einlaß 7 des Rohrknies 3 zurückkehrt. Rostfreie
Stahlbänder 11 sind mit dem Hitzeschild und einem kreuzförmigen Teil 12 verschraubt,
das ebenfalls aus rostfreiem Stahl besteht und erstrecken sich über die Oberseite
des Kernes 2. Ein Augbolzen 14 ist am kreuzförmigen Teil 12 befestigt. Die Stahlbänder
11 tragen das gesamte Gewicht aller übrigen dargestellten Komponenten und sind die
Einrichtungen, mit denen die Umwälzvorrichtung in das Metall abgesenkt und aus dem
Metall herausgehoben oder auf die der Tiefe des Metalls im Schmelzofen entsprechende
Höhe eingestellt werden kann.
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Vorzugsweise sind das Schutzrohr 1> das Rohrknie, der Hitzeschild
6 und die Trennwände 8 und 9 aus geschmolzenem Siliciumdioxid hergestellt, während
die Bereiche dieser Teile, die
mit dem geschmolzenen Metall in
Berührung kommen können, vorzugsweise mit einer warmfesten Schlichte beschichtet
sind. Zum Schutz können Wärmeisolierungen wie bei 13 an der Außenseite des unteren
Teiles des Kerns, am Boden des Schutzrohres 1 und unterhalb der Stahlbänder 11,
wo sie sich unter die Spule biegen, vorgesehen werden. Die Spule 5 ist in zweckmäßiger
Weise wassergekühlt und wie bei früheren Ausführungsbeispielen kann der Kern einen
zentralen Kanal aufweisen, durch den Kühlluft geleitet werden kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die Umwälzvorrichtung in
einer Seitentasche 40 eines Ofens 41 dargestellt. Eine zylindrische Kammer 42 ist
in der Seitentasche vorgesehen und ein Kern 45 mit einem Vorderteil 43 erstreckt
sich in dieser Kammer nach unten, um mit ihr einen vertikalen Durchlaß mit ringförmigem
Querschnitt zu bilden. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist der
Kern oberhalb der Kammer und so oberhalb des Spiegels des Metalls von einer Spule
51 umgeben, die durch einen Hitzeschild 44 geschützt ist. Die Hälfte des Kernes
liegt unterhalb des Mittelpunktes der Spule. Eine Hubanordnung mit Bändern 46 und
einem Ring 47 ist am Kern und Hitzeschild 44 befestigt.
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Die Kammer 42 in der Seitentasche steht mit dem Hauptteil des Schmelzofens
41 über geneigte Öffnungen 48 und 49 in Verbindung, die sich in der Nähe des oberen
Endes bzw. des Bodens der Kammer 42 öffnen. Diese Öffnungen sind gegeneinander versetzt,
so daß sie sich zum Schmelzofen hin in verschiedene Richtungen öffnen, um eine angemessen
sorgfältige Umwälzung des geschmolzenen Metalls im Schmelzofen herbeizuführen und
so die Rezirkulation von der Öffnung 49 zur Öffnung 48 zu verringern.
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In der Außenwand der Seitentasche sind zu Reinigungs- und Wartungszwecken
Zugangsöffnungen 52 und 53 vorgesehen. Die untere
dieser Zugangsöffnungen
53 ist mit einem Stopfen 54 dargestellt.
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Im Betrieb fließt geschmolzenes Metall durch die obere Öffnung 48,
so daß es den Kern umgibt und wird elektromagnetisch nach unten getrieben, so daß
es aus der Öffnung 49 in den Ofen fließt Wenn es notwendig ist, können mehrere solcher
Seitentaschen und Umwälzvorrichtungen vorgesehen werden und so angeordnet werden,
daß die Umwälzung geschmolzenen Metalls im gesamten Ofen sichergestellt ist. Die
Umwälzvorrichtungen können während der Reinigung aus den Seitentaschen gehoben werden.
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In Fig. 5 der Zeichnung ist eine Anordnung dargestellt2 bei welcher
der Kern horizontal in einer Seitenwand des Ofens angeordnet ist. Das aus feuerfestem
Material hergestellte Gehäuse 61 hat ein rohrförmiges Schutzrohr 62, das im allgemeinen
quadratischen Querschnitt hat. Die Wanddicke des Schutzrohres 62 beträgt ungefähr
6,3 cm und die lichte Weite des Raumes innerhalb des Schutzrohres 62 beträgt ungefähr
15 cm, so daß ein einfacher laminierter Kern mit einem Querschnitt von 10 x 10 cm
ohne Berührung mit den Wänden in ihn eingesetzt werden kann.
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Die den Kern umgebende Spule 64 ist in einer Ausnehmung in der Wand
des Ofens angeordnet. Der Kern wird so kühl gehalten wie es möglich ist, ohne dem
feuerfesten Schutzrohr 62 einen Wärme schock zu erteilen. Das Kühlen des Kernes
63 dient dazu, ihn unterhalb seines Curie'schen Punktes zu halten. Das Innere des
Raumes 65 im Schutzrohr 62 ist mit einer Platte aus wärmeisolierendem Material,
wie dem sehr wirksamen Material beschichtet, das unter dem Namen t'FiberRrax" verkauft
wird. Das hintere Ende 66 der Kernes 63 und die Außenfläche der Spule 64 werden
durch Luftumwälzung gekühlt, so daß das herausragende hintere Ende 66 dem doppelten
Zweck der Verbesserung der magnetischen Wirksamkeit
der Umwälzvorrichtung
und der Herstellung einer Wärmeaustausch fläche dient. Die Spule 64 selbst kann
wassergekühlt sein.
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Die Basis des Gehäuses 61 wird dünn gehalten, so daß die Entfernung
zwischen der Spule 64 und dem geschmolzenen Metall im Ofen ein Minimum ist und dadurch
die auf das Metall wirkende Kraft gesteigert wird. Ferner ist das Gehäuse 61 so
ausgelegt, daß die Länge seines Flansches, die mit de umgebenden feuerfesten Wand
des Ofens in Berührung steht, so groß wie möglich ist. Das Schutzrohr 62 ist vorzugsweise
jedoch nicht unbedingt von einem Tunnelteil 68 umgeben, das als Einrichtung dient,
das vom Ende des Schutzrohres 62 wegfließende Metall zu richten und als Schutzvorrichtung
dient, um das Schutzrohr vor Beschädigungen zu schützen. Der Durchgang durch das
Tunnelteil 68 hat vorzugsweise quadratischen Querschnitt und ist so angeordnet,
daß er einen Durchlaß von ungefähr 5 cm zwischen sich und dem Vorderteil freigibt.
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Die Nützlichkeit der in Fig. 5 gezeigten Umwälzvorrichtung in einem
Schmelzofen wird durch das folgende Beispiel veranschausicht.
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Eine elektromagnetische Umwälzvorrichtung, die so aufgebaut war>
wie es oben beschrieben ist, wurde in einem Schmelzofen der Art eingebaut, bei welchem
ein Seitenschacht zur Aufnahme von in den Ofen gebrachtem Metall vorgesehen ist.
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Die Gesamtkapazität des Sohmelzofens betrug 23 000 kg (TO 000 lbs)
und es wurde eine Aluminiumcharge von 18 000 kg (40 000 lbs) auf ein Temperatur
von 7150C gehalten. Mit dieser Charge wurde eine Durchflußmenge von ungefähr 4500
kg/min. (10 000 lbs/min.) bei einer Geschwindigkeit von ungefähr 7 cm/sec. in dem
Seitenschacht bei einem Energieeingang von ungefähr 8 kW in die Spule erreicht.
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Bei dieser Umwälzmenge war es möglich, Aluminiumschrott in einer Menge
von ungefähr 4500 kg/h (10 000 lbs/h) zu schmelzen, während die Schmelzrate ohne
Umwälzung ungefähr 2250 kg/h (5000 lbs/h) betrug.
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Im allgemeinen werden jedoch die Anordnungen gemäß den Fig. 1 bis
4 bevorzugt, weil i) die Wartung und die Reparatur leichter sind, ii) das Schutzrohr
viel dünner ausgebildet werden kann wodurch Kosten gespart und die Wirksamkeit;
erhöht werden und iii) die Spule näher an der Oberfläche des Metalls angeordnet
werden kann.