DE2627639A1 - Induktionsschmelzofen - Google Patents
InduktionsschmelzofenInfo
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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 0f1 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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
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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-
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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
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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-
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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.
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
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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.
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Claims (8)
- 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, dadurch609883/0314PHN. 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.609883/0314Leerseite
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3404106A1 (de) * | 1984-02-07 | 1985-09-05 | Siempelkamp Gießerei GmbH & Co, 4150 Krefeld | Anlage fuer die rueckgewinnung metallischer komponenten von kernkraftwerken |
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