DE2627639A1

DE2627639A1 - Induktionsschmelzofen

Info

Publication number: DE2627639A1
Application number: DE19762627639
Authority: DE
Inventors: Pieter Aart Naastepad; Jacob Willem De Ruiter
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-06-20
Filing date: 1976-06-19
Publication date: 1977-01-20
Also published as: JPS522816A; US4060692A; FR2316828A1; NL7507358A; GB1540494A

Description

PHN, 80^4-

N. V. Philips" GioeÜatnpenfabriekee ^DEEN '

Ak* No.; ^/γ ^ SH 2-6-1976.

¹¹ Induktions schmelzofen .

Die Erfindung betrifft einen Induktionsschmelzofen mit einer wassergekühlten Induktionsspule und einem Stützkörper mit einem konischen Innenumfang zur Unterstützung eines konischen Schmelztiegels.

InduktionsschmelzSfen werden insbesondere zum labormässigen Schmelzen von Metallen und Legierungen in Mengen von 0_f1 dm³ bis ungefähr 2 dm³ angewandt. Hierbei ist es besonders wichtig, dass Reaktionen der Tiegelwand mit dem Schmelzgut innerhalb zulässiger Grenzen bleiben. Für die meisten Metalle und Legierungen genügt in dieser Beziehung dichtgesintertes Al_?0„ sehr gut. Ein Nachteil dieses Materials ist jedoch die geringe thermische Stossfestigkeit, die sich in Rissbildung auswirkt. Die Risse

609883/0314

PHN. 805¹U 2-6-1976.

können so ernsthaft sein, dass das geschmolzene Schmelzgut wegleckt.

Bekannt sind Induktionsschmelzöfen mit Schmelz— ■fciegeln mit seIbstabdichtenden Eigenschaften, beispielsweise aus der DT;PS 85^·24θ, wobei eine in den Induktionsschmelzofen eingestampfte Stampfmasse vom Schmelzgut selbst erhitzt wird und durch Sintern der Innenschicht eine Tiegelwand entsteht; nach häufigem Gebrauch wird auch nach Erosion der Innenschicht eine Tiegelwand mit einer ausreichenden Wanddicke aufrechterhalten werden, weil beim Gebrauch der erwähnte Sinterprozess fortschreitet. Derartige Tiegel sind nicht austauschbar und für Abmessungen mit einem Nutzinhalt bis zu ca, 2 dm³ ungeeignet, weil hierbei das Verhältnis Tiegelinnendurchmesser-Induk-■fcionsspulendurchmesser im Hinblick auf die grosse Stampfmassenmenge zwischen Tiegelinnenwand und Induktionsspule ungünstig ist, wodurch sich eine ungünstige Schmelzausbeute ergibt. Insbesondere zum Vakuumschmelzen ist dieser Tiegelaufbau nachteilig, weil das Evakuieren der grossen Stampfmassenmenge viel Zeit erfordert. Das Herstellen derartiger Tiegel und deren Verwendung ist arbeitsintensiv und ausserdem aufwendig, da jedem Tiegel, weil er nicht austauschbar ist, eine gesonderte Induktionsspule zugeordnet werden muss.

Weiter ist bekannt, von vorgefertigten dichtgesinterten oder nicht dichtgesinterten Tiegeln auszugehen^ die am Aussenumfang durch Ausfüllen des Raumes zwischen

609883/0314

2-6-197^.

dem Tiegel und der Induktionsspule mit einer Schützmasse unterstützt werden, beispielsweise mit trockenem gestampfte.π Sand, Kartonpapier, keramischem Material u.dgl. Dieser vorgefertigte Tiegelaufbau ist zwar austauschbar und weniger arbeitsintensiv, jedoch weniger betriebssicher, weil die Möglichkeit von Rissbildung und Lecken grosser ist. Ausserdem erfordert dieser Tiegelaufbau gleichfalls lange Bvakuierungszeiten im Hinblick auf die gasabgebende Schüttmasse.

Bei dem aus der bereits erwähnten DT-PS 85k.2hQ bekannten Induktionsschmelzofen ist der Schmelztiegel konisch mit einem derartigen Spitzenwinkel ausgeführt, dass sich der Tiegel durch eine beim Schmelzen auftretende Ausdehnung in bezug auf die Induktionsspule.verschieben kann, um eine Beschädigung der Induktionsspule zu verhindern. Hierdurch werden jedoch die Tiegelunterstützung und der ansteigende Druck auf den Schmelztiegel aufgehoben, wodurch die Möglichkeit einer Rissbildung vergrössert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

oben erwähnten Nachteile zu beseitigen und einen Induktions— schmelzofen zu schaffen, der sich insbesondere zum ■Vakuumschmelzen eignet, wobei eine den Schmelzprozess störende Rissbildung des Schmelztiegels sogar bei sehr schneller Erhitzung des Schmelzgutes unterbleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss im wesentlichen durch Spannmittel errreicht, um einen vorgefertigten Schmelztiegel bei der Montage einer Axialbelastung zu unterwerfen und damit unter radiale Druckspannung zu

609883/0314

PHN. 8054. 2-6-1976.

bringen und um diese Druckspannung im Betrieb des Induktionsschmelzofens aufrechtzuerhalten.

Nachdem der Schmelztiegel bei der Montage einmal unter Druckspannung gebracht ist, wird diese Druckspannung während des Schmelzverfahrens dadurch aufrechterhalten oder sogar erhöht, dass eine relative Verschiebung des Schmelztiegels und der Unterstützung beim Schmelzprozess verhindert oder wenigstens eingeschränkt wird, dies im Gegensatz zum Ofenaufbau nach der DT-PS 854.240. Die Aufrecht erhaltung oder Erhöhung der Druckspannung -ist vom

Unterschied in der Ausdehnung des Schmelztiegels und Stützkörpers abhängig. Da der Schmelztiegel unter eine radiale Druckspannung gebracht und gehalten wird, tritt eine betriebsstörende Rissbildung nicht mehr auf, weil möglicherweise auftretende Riss dank der Druckspannung geschlossen bleiben. Der Schmelztiegel hat sogar bei grossen Erhitzungsgeschwindigkeiten eine lange Lebensdauer, ist austauschbar und eignet sich für häufigen Gebrauch.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen InduktionsSchmelzofens ist durch einen derartigen Spitzenwinkel des Innenumfangs des Stützkörpers gekennzeichnet, dass der Tangens des halben Spitzenwinkels kleiner ist als der Reibungskoeffizient zwischen Schmelztiegel und Stützkörper.

Mit dieser Massnahme wird erreicht, dass nach dem Pestsetzen des Schmelztiegels bei der Montage mit Hilfe der Spannmittel im Stützkörper und nach dem Anlegen

609883/0 314

PHN. 805²K 2-6-1976.

einer radialen Druckspannung die Reibungskraft zwischen Schmelztiegel und Stützkörper grosser ist als die axiale Komponente der Kraft, die durch Ausdehnung im Betrieb auf den Schmelztiegel einwirkt und die den Schmelztiegel aus dem Stützkörper zu schieben versucht. Die Massnahrae hat einen selbsthemmenden Effekt, d.h. bei zunehmender Ausdehnung steigt die radiale Druckspannung an, ohne dass zusätzliche Kräfte von aussen her wirksam sind. Damit ist jedoch eine zusätzliche Bedingung verknüpft, nämlich dass keine bleibende Formänderungen des Stützkörpers auftreten.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Induktionsschmelzofens, bei dem der Tangens des halben Spitzenwinkels des Innenumfangs des Stützkörpers grosser ist als der Reibungskoeffizient zwischen Schmelztiegel und Stützkörper ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel Vorspannorgane und Halteorgane aufweisen, die mit der Stirnfläche des Schmelztiegels zusammenwirken. Mit Hilfe der Vorspannorgane wird der Schmelztiegel bei der Montage unter eine gewünschte Druckspannung gebracht. Anschliessend werden die Halteorgane angeordnet, wonach die Vorspannorgane entfernt werden können. Beim Schmelzprozess kann die Druckspannung mit Hilfe dieser Halteorgane auf eine zulässige Grenze eingestellt werden. Durch diese Massnahme wird eine bleibende Verformung des Stützkörpers mit Sicherheit vermieden.

Da bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen InduktionsSchmelzofens die

609883/0314

PHN. 8054. 2-6-1976.

Induktionsspule konisch, ausgeführt ist und als Stützkörper dient, "wird im Gegensatz zum bereits erwähnten bekannten InduktionsSchmelzofen eine gute energetische Kopplung mit dem Schmelzgut erhalten. Weiter macht diese Massnahme eine gesonderte gasabgebende Unterstützung überflüssig. Dank der konischen Form der Induktionsspule entsteht ausserdem beim Schmelzgut ein Levitationseffekt, d.h. bei hohen LeistungseinStellungen löst sich, das Schmelzgut von der Tiegelwand. Hierdurch ist die Wärmeabgabe des Schmelzgutes an die Tiegelwand nach wie vor beschränkt. Daraus ergeben sich niedrige Tiegeltemperaturen, umso mehr weil eine gute Wärmeabgabe des Tiegels an die Spule gegeben ist, da die Induktionsspule mit dem Aussenumfang des Tiegels in direkter Berührung steht. Die erwähnten Faktoren tragen zum Verhindern unerwünschter Reaktionen zwischen dem Schmelzgut und dem Tiegelmaterial bei, d.h. Verschleiss der Tiegelwand und Verunreinigung des Schmelzgutes werden auf ein Mindestmass beschränkt. Hierdurch wird gleichfalls eine grössere Freiheit in der Wahl des keramischen Materials für den Tiegel geboten.

Hinsichtlich des guten thermischen Kontaktes des Schmelztiegels mit der wassergekühlten Spule ist weiter eine verhältnismässig rasche Abkühlung des geschmolzenen Schmelzgutes möglich, was bei gewünschter zwischenzeitlicher Unterbrechung des Schmelzvorgangs vorteilhaft sein kann. Bei erneutem Schmelzen des Schmelzgutes wird eine Beschädigung des Schmelztiegels durch

609883/0314

PHN. 2-6-1976.

Ausdehnung des Schmelzgutes dank dem konischen Innen— umfang des Schmelztiegels vermieden; dies im Gegensatz zu einem zylindrischen Tiegel.

Durch den Levitationseffekt löst sich, wie bereits erwähnt, das geschmolzene Schmelzgut von der Tiegelwand, was von einer sehr intensiven Badmischung begleitet wird. Beide Faktoren, der Levitationseffekt und die Badmischxr j, sind für die Entgasung des geschmolzenen Schmelzgutes äusserst vorteilhaft.

Auf dem Gebiete des Vakuumschmelzens ist es ein aktuelles Problem, ein oxydfreies Schmelzbad zu erhalten, weil keine Mittel zum Entfernen von Oxydteilchen auf der Badoberfläche bekannt sind. Mit dem erfindungsgemässen Ofenaufbau ist das Entfernen dieser Oxydpartikel aus dem geschmolzenen Schmelzgut wohl möglich, da es sich herausgestellt hat, dass die erwähnten Oxydteilchen an der Tiegelwand haften. Bei geeigneter Wahl des Tiegelmaterials, insbesondere bei der Anwendung weniger feuerfesten Materials, was in Anbetracht der grösseren Freiheit in der Wahl des Materials möglich ist, bleiben die Oxydteilchen beim Ausguss des geschmolzenen Schmelzgutes im Tiegel zurück.

Bei einer besonderen Ausführungsform besteht die Induktionsspule aus einem schraubenlinienförmig gewickelten hohlen Stromleiter, der auf dem mit dem Schmelztiegel in Berührung stehenden Wandteil eine Wanddicke von mindestens 5 mm aufweist, wobei der Raum zwischen den

6.0 9883/0314

PHN. 805^.
2-6-1976.

Windungen mit einem elektrisch nicht leitenden Material ausgefüllt ist. Dank dem mindestens 5 mm dicken Wandteil wird eine sichere Abschirmung zwischen Wasserkühlung und gegebenenfalls durchgebrochenem geschmolzenem Schmelzgut erreicht. Durch Ausfüllen des Raumes zwischen den Windungen wird eine zuverlässige Isolierung der Induktionsspule erzielt, welche einen Spannungsdurchschlag und Bogenentladungen verhindert. Ausserdem werden mechanische Schwingungen, die von den Induktionsströmen in der Spule erzeugt werden, gedämpft und gegebenenfalls werden unerwünschte Geräusche vermieden.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Induktionsspule am Aussenumfang durch einen Verstärkungsmantel unterstützt. Der Verstärkungsmantel kann als getrenntes Element oder als eine Einheit mit der Induktionsspule ausgeführt werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärkungsmantel als ein elektrisch unterbrochener wassergekühlter Metallmantel ausgeführt; der Metallmantel kann dabei gleichfalls zum Sehliessen des Kräftediagramms dienen und dafür sorgen, dass das elektrisch
nicht leitende Material der Induktionsspule thermisch
nicht beschädigt wird.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht der Verstärkungsmantel aus verstärktem Kunstharz, wodurch auf einfache Weise ein Aufbau erhalten wird, der die auftretenden Spannungen ohne bleibende Formänderungen

609883/0314

PHN. 8054. 2-6-1976.

des Induktionsschmelzofens aufnehmen kann.

Eine letzte bevorzugte Ausführungsform des er— findungsgemässen InduktionsSchmelzofens ist dadurch gekennzeichnet, dass der konische Innenumfang der Induktionsspule einen Spitzenwinkel von mindestens 24° aufweist. Versuche haben erwiesen, dass mit einem derartigen Spitzenwinkel das gewünschte Ergebnis, nämlich ein selbsthemmender Effekt zwischen Schmelztiegel und Induktionsspule,*·erhalten wird oder nur geringe Haltekräfte erforderlich sind, während eine Demontage des Schmelztiegels ohne Beschädigung oder Zerstörung trotzdem möglich ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung stellt schematisch im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Induktionsschmelzofens dar, wobei die linke Hälfte die Situation bei der Montage des Schmelztiegels und die rechte Hälfte die Situation im Betrieb des InduktionsSchmelzofens zeigt. Ein Induktionsschmelzofen 1 weist einen konischen Schmelztiegel 3 auf und eine gleichfalls konische Induktionsspule 5, die als Stützkörper zur Unterstützung des Schmelztiegels dient.

Der Schmelztiegel 3 ist vorgefertigt und besteht aus einem für die zu schmelzende Legierung geeigneten keramischen Material. Die Induktionsspule 5 besteht aus einem schraubenlinienförmigen hohlen Stromleiter, der aus einem Kupferstreifen 7 zusammengesetzt ist und am Aussen-

60988 37 0314

PHN. 8054. 2-6-1976.

- 10 -

umfang mit einer flachen Rille 9 versehen ist, in der ein Kühlrohr 11 aus Kupfer durch Löten angebracht ist. An dem an den Schmelztiegel grenzenden Teil beträgt die Gesamtdicke von Streifen 7 und Kühlrohr 11 mindestens 5 mm. "über nicht dargestellte Anschlüsse kann das Kühlrohr mit einem Einlass und einem Auslass für Kühlwasser verbunden werden. Die Indulctionsspule kann auf übliche Weise an einen Generator angeschlossen werden. Am Aussenumfang der Induktionsspule 5 ist ein VerStärkungsmantel 13 aus verstärktem Kunstharz angeordnet, der gleichfalls den Raum 12 zwischen den Windungen 10 des Streifens 7 und des Kühlrohres 11 ausfüllt und im dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Induktionsspule 5 ein Ganzes bildet.

Erfindungsgemäss ist der Induktionsschmelzofen mit Spannmitteln versehen, um den vorgefertigten Schmelztiegel bei der Montage einer Axialbelastung zu unterwerfen und dadurch unter radiale Druckspannung zu bringen und um im Betrieb des InduktionsSchmelzofens diese Druckspannung aufrechtzuerhalten. Hierzu sind in der Stirnfläche 14 des Mantels 13 mehrere regelmässig auf den Umfang verteilte Bolzen 15 angeordnet. In der linken Hälfte der Zeichnung sind Vorspannorgane dargestellt, die einen Druckring 17 und Teilerfddern 25 aufweisen. Der Druckring 17 stützt sich auf der Stirnfläche 19 des Schmelztiegels 3 ab und ist mit Ausnehmungen 21 versehen, durch die die Bolzen 15 ragen. Die Teilerfedern 25 werden mit Hilfe von Muttern 23 gespannt und wirken über Buchsen 27 auf den

609883/0314

PHN. 8O5²*. 2-6-1976.

- 11 -

Druckring 17 ein. In der rechten Zeichnungshälfte sind Halteorgane dargestellt, die aus Klemmorganen 29 bestehen, die mit Hilfe der Muttern 23 und durch Schraubenfedern 31 gegen die Stirnfläche I9 des Schmelztiegels 3 gedrückt werden.

Zum Schmelzen eines Schmelzgutes 33 wird der Schmelztiegel 3 in den Schmelzofen 1 eingeführt; mit Hilfe der Teilerfedern 25 und des Druckringes I7 wird der Schmelztiegel 3 mit einer Kraft P in die Induktionsspule 5 gedrückt, auf diese Weise einer bestimmten Axialbelastung unterworfen und am ganzen Umfang unter eine radiale Druckspannung gebracht. Mit Rücksicht auf die Konizität des Schmelztiegels 3 und der Induktionsspule 5 sowie des Reibungskoeffizienten f zwischen Schmelztiegel und Induktionsspule muss die Kraft P]^. F cos ^- + N sin ~r sein, wobei F = f. N und wobei mit -z der halbe Spitzenwinkel des Aussenumfangs des Schmelztiegels und des Innenumfangs 35 der Induktionsspule, mit N die auf den Schmelztiegel einwirkende Normalkraft, mit F die Reibungskraft und mit f der Reibungskoeffizient zwischen Schmelztiegel und Induktionsspule bezeichnet sind.

Beim SchmeIzverfahren könnte der auf diese

Weise vorgespannte Schmelztiegel mittels der Tellerfedern 25 und des Druckringes 17 unter Druckspannung gehalten werden. * ·

Da jedoch beim Schmelzprozess der Schmelztiegel sich stärker ausdehnen wird als die gekühlte Induktions-

809883/0314

PHN. 805^. 2-6-1976.

- 12 -

spule und die auf den Schmelztiegel einwirkenden Kräfte ansteigen werden, kann man beim Schmelzprozess mit einer viel geringeren Andruckkraft auskommen, und zwar mit einer Haltekraft P¹· Hierzu werden, nachdem der Schmelztiegel einmal festgesetzt ist und bevor das Schmelzen angefangen hat, die Tellerfedern 25 und der Druckring 17 durch die Schraubenfedern 31 und die Klemmorgane 29 ersetzt, die die Haltekraft P' auf den Schmelztiegel übertragen. Die beim Schmelzprozess auftretenden Kräfte sind in der rechten Zeichnungshälfte dargestellt. Hierbei ist:

P¹^N¹ sin ^ - F» cos *~ und N' > N, wobei die Reibungskraft F* = f . N' und also F¹^ F
und F entgegengesetzt ist.

Durch geeignete ¥ahl des Spitzenwinkels des Schmelztiegels und der Induktionsspule in Abhängigkeit vom Reibungskoeffizienten f, wobei Tangens -^f, kann die Haltekraft P¹ auf einen derartigen ¥ert beschränkt werden, dass der dabei auftretende Maximalwert von N^! keine bleibende Verformung des Ofenaufbaus verursachen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Schraubenfedern 31 eine gegebenenfalls erforderliche relative Verschiebung von Schmelztiegel und Induktionsspule zulassen.

Unter bestimmten Umständen kann sogar durch eine. geeignete Kombination der anzuwendenden Baumaterialien erreicht werden, dass beim Schmelzprozess die Druckspannung einerseits einzig und allein dank den Reibungskräften auf

609883/0314

PHN. 805²U 2-6-1976.

- 13 -

dem erforderlichen Mindestwert gehalten oder sogar erhöht wird und andererseits eine bleibende Verformung des Ofenaufbaus vermieden wird. In diesem Fall muss der Spitzenwinkel einen derartigen Wert haben, dass F¹ cos "r>N^! sin — , wobei F¹ = f . N* ,so dass

f ^. tang. —

Bei einer praktischen Ausführungsform hatten die Induktionsspule und der vorgefertigte Schmelztiegel, der aus feuerfestem Beton bestand, einen Spitzenwinkel von 24°, während der Reibungskoeffizient f zwischen Schmelztiegel und der Induktionsspule 0,24 betrug; tang — war gleich 0,21255 und somit kleiner als f. . .

In der rechten Zeichnungshälfte ist das geschmolzene Schmelzgut 37 dargestellt, das durch den mittels der konischen Induktionsspule erhaltenen Levitationseffekt frei von der Tiegelwand kommt.

Nach dem Ausgiessen des Schmelzgutes 37 "und nach Erkalten des Schmelztiegels kann er nach Bedarf auf rasche und einfache Weise durch einen anderen Tiegel zum Schmelzen einer anderen Legierung ersetzt werden.

609883/0314

Claims

PHN. 805²U 2-6-1976.

PATENTA 1ST SPRUCHE .

1· Induktionsschmelzofen mit einer wassergekühlten Induktionsspule und einem Stützkörper mit einem konischen Innenumfang zum Unterstützen eines konischen Schmelztiegels, gekennzeichnet durch Spannmittel (25, 31), um einen vorgefertigten Schmelztiegel (3) bei der Montage einer Axialbelastung zu unterwerfen, dadurch unter radiale Druckspannung zu bringen und um diese Druckspannung im Betrieb des Induktionsschmelzofens (i) aufrechtzuerhalten.
2. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen derartigen Spitzenwinkel (£*-) des Innenumfangs (35) des Stützkörpers (13), dass der Tangens des halben Spitzenwinkels (^>C) kleiner ist als der Reibungskoeffizient zwischen Schmelztiegel (3) und Stützkörper (13).
3. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, bei dem der Tangens des halben Spitzenwinkels des Innenumfangs des Stützkörpers grosser ist als der Reibungskoeffizient zwischen Schmelztiegel und Stützkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (25, 31) Vorspannorgane (17) und Halteorgane (29) aufweisen, die mit der Stirnfläche (19) des Schmelztiegels (3) zusammenwirken.
4. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (5) konisch ausgeführt ist und als Stützkörper dient.
5. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 4, dadurch

609883/0314

PHN. 8054. 2-6-1976.

- 15 -

gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (5) aus einem schraubenlinienförmig gewickelten hohlen Stromleiter (11) besteht, der auf dem mit dem Schmelztiegel (3) in Berührung stehenden Wandteil (7) eine Wanddicke von mindestens 5 nun aufweist, wobei der Raum (12) zwisehen den Windungen (1O) mit einem elektrisch nicht leitenden Material ausgefüllt ist.
6. Induktionsschmelzofen nach Anspruch k oder 5₉ dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (5) am Aussenumfang durch einen Verstärkungsmantel (13) unterstützt ist.
7· Induktionsschmelzofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsmantel (13) als ein elektrisch unterbrochener, wassergekühlter Metallmantel ausgeführt ist.
8. Induktionsschmelzofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsmantel (13) aus verstärktem Kunstharz besteht.

9· Induktionsschmelzofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der konische Innenumfang der Induktionsspule (5) einen Spitzenwinkel von mindestens 24° aufweist.

609883/0314

Leerseite