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Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Metallurqie und Gießereiindustrie
und betrifft insbesondere eine bauliche Gestaltung von Induktionsrinnenöfen. Am
zweckmäßigsten kann die vorliegende Erfindung bei der Herstellung von Öfen zum Schmelzen,
Vorwärmen, Vermischen und zum Warmhalten von flüssigem Metall mit nachfolgender
Abgabe an Gießpfannen oder -formen Verwendung finden.
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Induktionsrinnenöfen zeichnen sich gegenüber den anderen Ofentypen
durch eine Reihe von Vorteilen aus: - hoher Wärme- und elektrischer Wirkungsgrad,
- hohe Durchsatzleistung, gleichmäßige chemische Zusammensetzung der Metallschmelze
infolge einer Schmelzvermischung, - Möglichkeit der Durchführung des Schmelzvorganges
unter Gasschutzatmosphäre und im Vakuum, - niedriger spezifischer Elektroenergieverbrauch,
- bessere Arbeitsbedingungen für Bedienungspersonal, - verhältnismäßig geringe Abmessungen
und Einfachheit der baulichen Gestaltung des Ofens.
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Dank den angeführten Vorteilen fanden die Induktionsrinnenöfen eine
breite Anwendung in der Industrie.
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Ein wesentlicher Nachteil eines Ofens der genannten Art ist jedoch
eine beträchtliche Überhitzung des Metalls in der Schmelzrinne im Vergleich zu einem
Metall im Schmelzbad. Beim Schmelzen von Nichteisenmetallen erreicht beispielsweise
diese Uberhitzung eine Temperatur von 200 bis 2500C, was zu einem erhöhten Verschleiß
der Rinnenfutterauskleidung, Abbrand von leichtschmelzenden Komponenten aus dem
Schmelzgut, einer Anderung der chemischen Zusammensetzung des letzteren sowie zu
erhöhten Wärmeverlusten führt.
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Die Metallüberhitzung ist die Folge eines schwachen Wärme-Stoff-Austausches
im Kreis "Schmelzrinne - Schmelzbad", was durch nachstehend angeführte Umstände
bedingt ist. Ein Induktionsrinnenofen stellt bekanntlich einen eigenartigen Transformator
dar, dessen Primärwicklung die Induktorwicklung des Ofens bildet, während als seine
Sekundärwicklung das in der Schmelzrinne befindliche flüssige Metall dient. Demzufolge
wird unmittelbar vom Induktionsstrom nur das in der Schmelzrinne befindliche Metall
erhitzt, während dem im Schmelzbad befindlichen Metall die Wärme bloß durch die
Konvektion und teilweise durch den Metallfluß aus der Rinne in das Bad unter Einwirkung
von elektrodynamischen Kräften übertragen wird.
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Diese elektrodynamischen Kräfte entstehen bei der Wechselwirkung des
in der Schmelzrinne induzierten Stromes mit dem Magnetfeld des Ofeninduktors und
werden innerhalb der Rinne so verteilt, daß die Druckkraftwirkung auf das Metall
an der Innenwand der Rinne (nahe der Induktorwicklung) kleiner als
die
an der Außenwand (von der Induktorwicklung entfernt) ist.
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Das erhitzte Metall wird demzufolge der Außenwand entlang aus der
Rinne in das Bad herausgedrückt, während an seine Stelle - der Innenwand entlang
- in die Rinne Metall mit niedrigerer Temperatur aus dem Bad gelangt (Triebeffekt).
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Der genannte Metallfluß ist in den bekannten Ofen unstabil: sehr intensiv
ist er an.der Mündung der Schmelzrinne, während in ihrem unteren Teil kaum eine
Bewegung stattfindet. Dadurch wird kein hinreichend effektives Durchmischen des
Metalls in dem gesamten Ofenraum gewährleistet und keine gleichmäßige Erwärmung
des Schmelzgutes ermöglicht. Das Problem der Herabsetzung der Metallüberhitzung
innerhalb der Schmelzrinne ist deswegen heutzutage immer noch aktuell.
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Es sind verschiedene Versuche zum Lösen dieses Problems durch Schaffung
einer gerichteten Metallbewegung auf der gesamten Länge der Schmelzrinne bekannt.
Zu diesem Zweck schlug man beispielsweise vor, die Schmelzrinne mit einem veränderlichen
Querschnitt sich verengend von einer Mündung zu der anderen zu gestalten (s. Schweden-PS
728171. Es ist bekannt, daß das in der Schmelzrinne befindliche und die Durchflußmetallsekundärwicklung
des Induktionsofens darstellende Metall Stauchkräften unterzogen ist, die infolge
einer Wechselwirkung des in der Rinne induzierten Stromes und des von diesem Strom
erzeugten Magnetfeldes hervorgerufen werden (Pinch-Effekt). Da der-Querschnitt der
Schmelzrinne in ihren verschiedenen Zweigen unterschiedlich groß ist, werden auch
die Dichte des durch das flüssige Metall fließenden Stromes und folglich die dadurch
hervorgerufenen
elektrodynamischen Kräfte in diesen Zweigen voneinander
abweichen. Dies führt 6einerseits zum ungleichmäßigen Zusammendrücken der Flüssigmetall-Windung
und folglich zum Uberfließen von Metall aus der Zone mit größerer Druckkraft (engerer
Rinnenteil) in die Zone niedrigerer Druckkraft (breiteurer Rinnenteil).
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Der beschriebene Induktionsrinnenofen läßt aber keine vollendete Lösung
des Problems des Metalltemperatur-Ausgleiches im Kreis "Schmelzrinne - Schmelzbad
zu. Bei der Gestaltung der Schmelzrinne mit veränderlichem Querschnitt treten außerdem
im engsten Rinnenteil erhöhte elektrodynamische Kräfte auf, die zum Zerreißen der
Flüssigmetall-Windung, d.h. zur Unterbrechung des elektrischen Sekundärkreises führen
können. Es ist weiterhin zu bemerken, daß bei veränderlichem Querschnitt von Rinnenzweigen
der elektrische Widerstand und demzufolge der Wirkungsgrad sowie der Leistungsfaktor
des Ofens vermindert werden.
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Es wurde auch vorgeschlagen, ohne die Querschnittsfläche der Schmelzrinne
zu verändern, die letztere mit solch einem Profil auszuführen, daß eine Querabmessung
der Schmelzrinne, die parallel ihrer Anordnungsfläche verläuft, sich längs der Rinne
vergrößert, während die andere Abmessung, die senkrecht bezüglich der Anordnungsfläche
der Rinne verläuft, zurückgeht, dabei ist der Querschnitt der Rinne an jeder Schnittfläche
konstant (s. S.A. Farbmann, I.F. Kolobnev, Induktionsöfen zum Schmelzen von Metallen
und Legierungen, Moskau, Metallurgia-Verlag, 1968, S. 117-118, Bild 67). Infolge
der dabei
entstehenden Größenunterschiede zwischen den Triebkräften
erfolger Metallfluß in Richtung der Vergrößerung der ersten Abmessung.
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Diese konstruktive Beschaffenheit des Ofens ist jedoch mangelhaft,
da die Metallflußgeschwindigkeit in der Schmelzrinne relativ niedrig ist, infolgedessen
wird die Metallüberhitzung nicht cd'ständig behoben und bleibt noch ziemlich hoch
(100 bis 1500C). Ein derartiger Ofen weist außerdem einen verhältnismäßig niedrigen
Leistungsfaktor auf.
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Es ist weiterhin ein Induktionsrinnenofen bekannt, in dem zur Schaffung
einer gerichteten Metallbewegung in der Schmelzrinne ein magnetischer Neben schluß
lnForm eines luftspaltbehafteten (C-förmigen) Magnetleiters, der die Schmelzrinne
an einer ihrer Mündungen umschließt, verwendet wird (s. Schweden-PS 117 553).
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Bei einer derartigen Ausführung erzeugt der im innerhalb der Schmelzrinne
befindlichen Metall induzierte Strom ein Magnetfeld im magnetischen Nebenschluß
und steht mit diesem Feld in Wechselwirkung. Infolgedessen tritt eine elektromagnetische
Kraft auf, deren eine Komponente längs der Schmelzrinne gerichtet ist und die eine
Metallbewegung aus der Rinne in das Bad hervorruft.
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Es ist zu bemerken, daß die Regelung der Bewegungsgeschwindigkeit
des Metalls in der Schmelzrinne bei einer derartigen konstruktiven Beschaffenheit
des Ofens nur auf Kosten einer Änderung der dem Induktor des Ofens zuzuführenden
Leistung möglich ist So muß zur Erhöhung der Geschwinaigkeit diese
Leistung
erhöht werden, was nicht immer möglich ist, da dadurch eine Metallüberhitzung zustandekommen
kann. Um die Bewegungsgeschwindigkeit des Metalls zu vermindern, muß die Leistung,
die dem Ofeninduktor zugeführt wird, heruntergesetzt werden, was aber eine Herabsetzung
der Schmelzleistung des Ofens zur Folge hat.
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Diese Abhängigkeit der Kennlinien eines Magnetsystems (Nebenschluß)
von dem anderen (Induktor) schränkt den Regelungsbereich der Bewegungsgeschwindigkeit
des Metalls in der Schmelzrinne ein. Im gegebenen Ofen weist die Schmelzrinne außerdem
eine komplizierte Gestaltung auf, wodurch auch die praktische Anwendung dieses Ofens
erschwert wird.
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Noch ein wesentlicher Nachteil,der für alle oben beschriebenen Ofen
bezeichnend ist, besteht darin, daß diese nur zum Schmelzen, Erwärmen und Warmhalten
von flüssigem Metall geeignet sind, sie ermöglichen aber nicht ein automatisches
Vergießen des Metalls in die Verbrauchsstellen (Gießpfannen oder -formen).
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Als mehr vorteilhafter in dieser Hinsicht hat sich ein Induktionsrinnenofen
erwiesen, der aus einem Schmelzbad, einer mit diesem Bad verbundenen Schmelzrinne,
einem mit der genannten Rinne verbundenen Ausguß rohr und aus drei Magnetleitern
mit Wicklungen besteht (s. FR-PS 1 600 320, US-PS 3 502 781 und DE-PS 1 905 412).
Die Schmelzrinne stellt eine Anordnung aus drei vertikalen Rohren dar, die mittels
eines Horizontalrohrstückes miteinander verbunden sind. Das Ausgußrohr ist abnehmbar
auf das mittlere Rohr aufgesetzt und weist einen aus einem
elektrisch
leitenden schmelzbeständigen Material, insbesondcrc aus Graphit, hergestellten Aufsatz
auf. Das Ausgußrohr dient der Zuführung von flüssigem Metall aus dem Ofen an die
Verbrauchsstelle.
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Zwei von den genannten Magnetleitern sind geschlossen, dabei umschließen
sie jeweils eins der Seitenrohre der Schmelzrinne.
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Diese Magnetleiter dienen der Induzierung von elektrischem Strom im
innerhalb der Schmelzrinne befindlichen Metall, d.h.
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sie bilden den Ofeninduktor.
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Der dritte Magnetleiter ist luftspaltbehaftet und umschließt die Schmelzrinne
in der Zone des Anschlusses des mittleren Rohrs an das Horizontalrohrstück, d.h.
hauptsächlich in der Anschlußzone des Ausgußrohres an die Schmelzrinne. Der luftspaltbehaftete
Magnetleiter mit seiner Wicklung dient der Erzeugung eines Magnetfeldes, das die
Schmelzrinne mit dem darin befindlichen Metall durchsetzt. Um den Luftspalt dieses
Magnetleiters zu verkürzen, ist das Horizontalrohrstück in der Anordnungszone des
Magnetleiters abgeplattet ausgeführt.
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Der beschriebene Ofen funktioniert wie folgt. Bei der Fülluny der
Schmelzrinne mit flüssigem Metall und dem Anschluß der Wicklungen der Magnetleiter
an eine Wechselspannungsquelle finden zum ersten die Strominduzierung im innerhalb
der Schmelzrinne befindlichen Metall und zum zweiten die Wechselwirkung dieses Stromes
und des die Rinne durchsetzenden Magnetfeldes statt. Die erste Erscheinung führt
zum Erwärmen und Schmelzen des Metalls im Ofenbad, während die zweite Erscheinung
eine elektromagnetische Kraft zur Folge hat, welche eine
gerichtete
Metallbewegung im Kreis "Schmelzrinne - Schmelzbad hervorruft. Die Bewegungsgeschwindigkeit
kann durch eine Spannunysänderung an der Wicklung des luftspaltbehafteten Magnetleiters
unabhängig von der der Schmelzrinne zuzuführenden Leistung geregelt werden.
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Der Ofen kann dabei in mehreren Betriebsarten betrieben werden. So
werden in der Betriebsart "Vergießen" die Wicklungen der beiden geschlossenen Magnetleiter
phasengleich geschaltet und induzieren demzufolge in der Schmelzrinne Ströme, die
in gleicher Richtung zwei geschlossene Kreise durchfließen, von denen jeder vom
mittleren Rohr der Schmelzrinne, dem Graphitaufsatz des Ausgußrohres, dem Schmelzbad,
dem Horizontalrohrstück und dem zugehörigen Seitenrohr gebildet wird. Im mittleren
Rohr der Schmelzrinne sind die Ströme entgegengerichtet, infolgedessen wird der
resultierende Strom auf dieser Strecke zu Null. Der von der Wicklung auf dem luftspaltbehafteten
Magnetleiter erzeugte Magnetfluß durchsetzt die Schmelzrinne, steht in Wechselwirkung
mit dem Strom im Metall und bewirkt eine elektromagnetische Kraft, die dem mittleren
Rohr entlang gerichtet ist und das Metall längs diesem Rohr in das Ausguß rohr und
daher an die Verbrauchsstelle bewegt.
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Das Metall wird dabei in das mittlere Rohr aus dem Bad durch die Seitenrohre
eingesaugt. Bei dieser Betriebsart erfolgt die Metallbewegung auf sämtlichen Strecken
der Schmelzrinne, weshalb die Metallüberhitzung in der letzteren gegenüber dem Bad
relativ-niedrig wird.
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Zur Umschaltung des Ofens in die Betriebsart "Warmhalten" wird die
Spannungsphase an einer der Wicklungen der geschlossenen Magnetleiter umgeschaltet,
infolgedessen fließen die Ströme der beiden Stromkreise durch das im mittleren Rohr
der Schmelzrinne befindliche Metall in gleicher Richtung und verzweigen sich dann
im Graphitaufsatz in zwei geschlossene Stromkreise. In der Anschluß zone des mittleren
Rohres an das orizontalrohrstück fließen die Ströme.in einem Winkel zu der Achse
des genannten Rohres, wodurch unter Einwirkung des von der Wicklung auf dem luftspaltbehafteten
Magnetleiter erzeugten Magnetfeldes eine elektromagnetische Kraft zustande kommt,
deren eine Komponente dem Horizontalrohrstück entlang gerichtet ist. Diese Komponente
der elektromagnetischen Kraft bringt das Metall zur Bewegung im geschlossenen Kreis:
Schmelzbad - 1.
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Seitenrohr - Horizontalrohrstück - 2. Seitenrohr - Schmelzbad (das
mittlere Rohr liegt dabei außerhalb der Metallbewegung).
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Demzufolge findet ein Durchmischen des Metalls während der Pausen
zwischen seinem Vergießen in die Gießformen statt. Im mittleren Rohr erfolgt bei
dieser Betriebsart bloß eine-geringfügige durch den Triebeffekt hervorgerufene Metallbewegung,
so daß das Metall hier praktisch unbeweglich wird.
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Im Laufe des Betriebes des vorstehend beschriebenen Induktionsrinnenofensergaben
sich bestimmte Schwierigkeiten. Insbesondere bewegt sich das Metall bei einigen
Betriebsarten, beispielsweise beim Warmhalten, nicht auf allen Strecken der Schmelzrinne,
es bleibt nämlich im mittleren Rohr unbewegt,
was zur Metallüberhitzung
in dieser Zone im Vergleich zu den anderen Zonen der Schmelzrinne führt. Diese Metallüberhitzung
hat erhöhte thermische Spannungen in der aktiven Zone des Ofens (Verbindungszone
des mittleren Rohres der Schmelzrinne mit dem Horizontalrohrstück) und demzufolge
eine Herabsetzung der Lebensdauer der Rinnenfutterauskleidung zur Folge.
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Beim Schmelzen von einigen Metallen und Legierungen kann die Überhitzung
zum Abbrand von leichtschmelzenden Komponenten führen, was wesentlich diese Legierungen
verarmt und ihre chemische Zusammensetzung verändert. So findet beim Schmelzen im
gegebenen .Ofen von Cu-Zn-Legierungen ein periodisches Sieden von Zink und eine
Kondensierung seiner Dämpfe statt, was abgesehen von Zinkverlusten in der Legierung
periodische Unterbrechungen des Stromflusses in der Flüssigmetall-Windung der Schmelzrinne
zur Folge hat, falls die spezifische, der letzteren zuzuführende Leistung einen
bestimmten Grenzwert überschreitet (Zinkpulsation). Diese Zinkpulsation bewirkt
eine Verminderung der Qualität von herzustellenden Gußerzeugnissen und eine Schwankung
von den Gießformen in der Betriebsart Vergießen zuzuführenden Metalldosen. Der zweite
Umstand bedingt eine Unstabilität der Masse von Blockresten und verlorenen Blockköpfen,
wodurch wesentlich die Führung des technologischen Prozesses erschwert wird.
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Die Metallüberhitzung im mittleren Rohr der Schmelzrinne führt zur
Bildung-von Metalloxiden. Metalloxidteilchen haften an der Innenwand des Rohres
an und verringern damit seinen Durchlaßqtlerschnitt.
Später (beim
Vergießen) werden diese Teilchen vom Metall in die Gießformen mitgenommen, infolgedessen
treten in den Gußerzeugnissen ihre Qualität vermindernde Oxideinschlüsse auf.
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Da bei der Uberhitzung von Metall seine Gassättigung wächst, wird
außerdem beim Umschalten des Ofens von der Betriebsart "Warmhalten" auf Vergießen
in die Gießformen Metall mit erhöhter Gassättigung abgegeben, was zu einer Erhöhung
der Ausschußquote bei den herzustellenden Gußerzeugnissen führt.
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Eine Herabsetzung der Metallüberhitzung im beschriebenen Ofen kann
nur durch das regelmäßige Abnehmen des Ausgußrohres vom mittleren Rohr der Schmelzrinne,
um in dem letzteren eine Metallbewegung hervorzurufen, erreicht werden, Dies bedingt
jedoch bekannte Unbequemlichkeiten beim Vergießen von Metall, weil die Pausen zwischen
den einzelnen Abgabeoperationen üblicherweise eine bis fünf Minuten dauern.Andererseits
ist bei ständig aufgesetztem Ausgußrohr die der Flüssigmetall-Windung zuzuführende
Leistung wegen des Vorhandenseins des Graphitaufsatzes in der Betriebsart "Warmhalten"
mehr als doppel so klein als in der Betriebsart Vergießen. Diese Tatsache hat eine
wesentliche Senkung der Schmelzleistung des Ofens zur Folge.
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Beim Schmelzen von hochtemperaturigen, insbesondere von-Cu-Legierungen
brennt der Graphitaufsatz des Ausgußrohres, besonders wenn er von elektrischem Strom
durchflossen wird, infolge eines intensiv verlaufenden Oxidationsprozesses aus,
weswegen dieser Ofen zum Schmelzen der genannten Legierungen ungeeignet ist.
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Es muß weiterhin auf Schwierigkeiten hingewiesen werden, mit denen
das Bedienungspersonal nach der Beendigung eines jeweiligen Arbeitszyklus des Ofens
zu tun hat. Um den Sekundärkreis bei leerem Schmelzbad zu schließen, muß bekanntlich
bei dem herkömmlichen Ofen die Schmelzrinne vor dem Schmelzbeginn mit flüssigem
Metall gefüllt werden. In dem vorstehend beschriebenen Ofen wird das Metall nach
der Beendigung der Arbeit aus dem Bad und der Schmelzrinne durch Umkippen des Ofens
ausgegossen, was eine spezielle Ausrüstung erforderlich macht. Bei einem wiederholten
Anfahren des Ofens ist zuerst eine dauernde Erwärmung der Schmelzrinne und des Bades
mit Hilfe eines speziellen Erhitzers erforderlich, erst danach füllt man das Bad
mit vorher in einem anderen Ofen aufbereitetem flüssigem Metall. Dadurch wird die
Durchsatzleistung des obig beschriebenen Ofens wesentlich vermindert und der ganze
technologische Prozeß erschwert.
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In einigen Fällen läßt man das Metall in der Schmelzrinne und hält
es durch Erwärmung im flüssigen Zustand, wofür aber ein zusätzlicher Elektroenergieaufwand
erforderlich ist. In diesem Zusammenhang muß darauf hingewiesen werden, daß das
Warmhalten von Metall zur Vermeidung seiner Kristallisation notwendig ist, da anderenfalls
beim darauffolgenden Schmelzen die Schmelzrinne infolge wesentlicher thermischer
Spannungen, welche wegen dem verändertlichen Querschnitt längs der genannten Rinne
und deren komplizierter Mehrrohr-Gestaltung zustande kommen, zerstört werden kann.
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Es ist zu bemerken, daß es manchmal gelingt, ohne Zerstörung der Schmelzrinne
das darin auskristallisierte Metall mit Hilfe der mehrfachen Umschaltung des Ofens
aus der Betriebsart "Vergießen" auf "Warmhalten und umgekehrt zu erschmelzen. In
der Betriebsart Vergießen wird das Metall zuerst in den Seitenrohren und dann im
mittleren Rohr erschmolzen, da das letztere vom Strom undurchflossen ist. In der
Betriebsart "Warmhalten" ist der Strom im mittleren Rohr größer als in den Seitenrohren,
weswegen das Metall schneller im mittleren Rohr erschmolzen wird. Es ist natürlich
klar, daß das Schmelzen von Metall durch derartige Umschaltung umständlich ist,
deshalb wird man in der Praxis gezwungen, nach der Beendigung des jeweiligen Arbeitszyklus
des Ofens das übriggebliebene Metall vollständig auszugießen und dann die Schmelzrinne
auf bekannte Art und Weise erneut mit flüssigem Metall zu füllen.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die obig beschriebenen Schwierigkeiten
zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Induktionsrinnenofen
zu schaffen, in dem durch Schaffung einer elektromagnetischen Kraft, die ständig
sowohl in der Betriebsart "Warmhalten" als auch in der Betriebsart "Vergießen" entlang
der Schmelzrinne gerichtet ist, auf sämtlichen Strecken der letzteren bei allen
Betriebsarten des Ofens eine Metallbewegung gewährleistet wird, wodurch folglich
die Metallüberhitzung behoben wird.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Induktionsrinnenofen,
bestehend aus einem Schmelzbad, einer mit dem Bad verbundenen Schmelzrinne, einem
mit einer Wicklung versehenen geschlossenen Magnetleiter, der die Rinne umschließt
und der Induzierung von elektrischem Strom im innerhalb der Rinne befindlichen Metall
dient, einer mit der Schmelzrinne verbundenen Ausgußrinne und einem mit einer Wicklung-versehenen
luftspaltbehafteten Magnetleiter, der die Schmelzrinne in.der Zone des Anschlusses
der Ausgußrinne umschließt und der Induzierung eines Magnetfeldes dient, das die
Schmelzrinne mit dem darin befindlichen Metall durchsetzt, gemäß der Erfindung mindestens
ein auf der Länge der Schmelzrinne angeordnetes Mittel zur Abführung eines Teiles
des elektrischen Stroms aus der Schmelzrinne in senkrechter Richtung zur Rinne in
das Bad und mindestens noch ein zusätzlicher mit einer Wicklung versehener luftspaltbehafteter
Magnetleiter vorhanden ist, der die Schmelzrinne in der Anordnungszone des Mittels
umschließt und der Erzeugung eines die Schmelzrinne in dieser Zone durchsetzenden
Magnetfeldes dient.
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Das genannte Mittel zur Abführung eines Teiles des Stroms aus der
Schmelzrinne in das Bad stellt in einer Ausführungsform ein elektrisch leitendes
hochschmelzendes Element dar, das in der Ofenwand befestigt wird und einerseits
mit dem Metall in der Schmelzrinne und andererseits mit dem Schmelzbad zurBerührung
gebracht wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform stellt dieses Mittel einen in der
Ofenwand ausgeführten und die Schmelzrinne mit dem Bad verbindenden Kanal dar.
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Das Vorhandenseins eines Mittels zur Abführung eines Teiles des elektrischen
Stroms aus der Schmelzrinne in das Bad und eines mit einer Wicklung versehenen luftspaltbehafteten
Magnetleiters ermöglicht es, die elektromagnetische Kraft, die das Metall längs
der Schmelzrinne zur Bewegung bringt, nicht in der Anordnungszone der Ausgußrinne,
wie es beim bekannten Ofen der Fall ist, sondern in der Anordnungszone des vorstehend
genannten Mittels auftreten zu lassen. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden bei
einer derartigen konstruktiven Beschaffenheit des Ofens die Zone des Ausgusses des
flüssigen Metalls und die Zone der Erzeugung der erwähnten elektromagnetischen Kraft
getrennt. Dadurch wird ein paralleler, voneinander unabhängiger Verlauf des Vergießens
und des Umlaufes des Metalls möglich.
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Der Metallumlauf im Kreis "Schmelzrinne - Schmelzbad" sowohl in der
Betriebsart "Warmhalten" als auch in der Betriebsart "Vergießen" setzt wesentlich
die Metallüberhitzung herab. Es sei bemerkt, daß die Herabsetzung der Metallüberhitzung
sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform des genannten Mittels
zur Stromabführung erreicht wird. Die zweite Ausführungsform ist einfacher, da hier
die Rolle des dektrischen Stromleiters, in dem die durch den Strom hervorgerufene
elektromagnetische Kraft erzeugt wird, das flüssige Metall selbst spielt.
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Zum besseren Verstehen der Erfindung werden nachfolgend angeführte
Ausführungsbeispiele unter Bezug auf Zeichnungen näher
erläuterte.
Es zeigt: Fig. 1 eine axonometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen Induktionsrinnenofens
teilweise geschnitten, Fig. 2 einen Längsschnitt des vorgeschlagenen Induktionsrinnenofens
in einer Ausführungsform, bei der das Mittel zur Stromabführung aus der Schmelzrinne
ein elektrisch leitendes hochschmelzendes Element darstellt (in dieser sowie in
anderen Figuren sind mit Pfeilen Strom- und Wirkungsrichtungen elektromagnetischer
Kräfte angedeutet), Fig. 3 den vorgeschlagenen Induktionsrinnenofen im Schnitt gemäß
Linie III-III in Fig. 2, Fig. 4 dasselbe wie in Fig. 2 in einer Ausführungsform,
bei der das Mittel zur Stromabführung aus der Schmelzrinne gemäß der Erfindung einen
in der Ofenwand ausgeführten Kanal darstellt, Fig. 5 dasselbe wie in Fig. 4 in einer
Ausführungsform, bei der der zur Stromabführung dienende Kanal von der Ofenwand
und einer feuerfesten innerhalb der Schmelzrinne angeordneten feuerfesten Trennwand
gebildet wird, Fig. 6 den Ofen im Schnitt gemäß Linie VI-VI in Fig. 5, Fig. 7 den
vorgeschlagenen Ofen in einer Ausführungsform, bei der er mit zwei Mitteln zur Stromabführung
aus der Schmelzrinne und entsprechend mit zwei mit Wicklungen versehenen luftspaltbehafteten
Magnetleitern ausgerüstet ist.
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Ein Induktionsrinnenofen enthält ein Schmelzbad 1 (s. Fig.1 der beiliegenden
Zeichnungen) und ein daran befestigtes uerfestes Bauteil 2 mit einer darin ausgeführten,
horizontal angeordneten, O-förmigen Schmelzrinne 3. Die Schmelzrinne 3 weist auf
der gesamten Länge einen gleichgroßen Querschnitt auf und ist mit dem Bad 1 durch
eine im Ofen ausgeführte vertikale Schlitzaussparung 4 verbunden. Der Ofen ist mit
einer Ausgußrinne 5 in Form eines Ansatzes, in welchem ein mit der Schmelzrinne
3 verbundener vertikaler Kanal 6 ausgeführt ist, auf der Innenwand des Bades 1 versehen.
Auf der Ausgußrinne 5 ist eine Abflußrinne 7 befestigt.
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Der Ofen enthält außerdem einen geschlossenen, 0-förmigen, mit einer
Wicklung 9 versehenen Magnetleiter 8 und einen luftspaltbehafteten C-förmigen, mit
einer Wicklung 11 versehenen Magnetleiter 10, welche das feuerfeste Bauteil 2 mit
der Schmelzrinne 3 umschließen. Der geschlossene Magnetleiter 8 dient der Induzierung
von elektrischem Strom im flüssigen Metall, das während dem Ofenbetrieb die Schmelzrinne
3 füllt.
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Der luftspaltbehaftete Magnetleiter 10 umschließt das Bauteil 2 in
der Anschluß zone der Ausgußrinne 5 und dient der Erzeugung eines die Schmelzrinne
3 durchsetzenden Magnetfeldes.
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Gemäß der Erfindung weist der Ofen weiterhin auf der Länge der Schmelzrinne
3 mindestens ein Mittel 12 zur Abführung eines Teiles des elektrischen Stroms aus
der genannten Rinne in das Bad 1 in bezüglich der Schmelzrinne senkrechter Richtung
und mindestens noch einen (dritten) mit einer Wicklung 14
versehenen
Magnetleiter 13 auf. Der Magnetleiter 13 ist, wie auch der Magnetleiter 10, mit
einem Luftspalt versehen. Der Magnetleiter 13 umschließt das feuerfeste Bauteil
2 mit der Schmelzrinne 3 in der Anordnungszone des Mittels 12 und dient der Erzeugung
eines die Schmelzrinne 3 in dieser Zone durchsetzenden Magnetfeldes.
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Das Mittel 12 zur Abführung eines Teiles des elektrischen Stroms kann
auf verschiedene Art und Weise gestaltet werden.
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In einer Ausführungsform (s. Fig. 2) stellt es ein elektrisch leitendes
hochschmelzendes Element 15 dar, das in der Ofenwand befestigt wird. Während dem
Ofenbetrieb steht dieses Element 15 einerseits mit dem Metall in der Schmelzrinne
3 und andererseits mit dem Metall im Schmelzbad 1 in Berührung und dient damit als
eine elektrische Abzweigung aus der Schmelzrinne 3.
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In einer anderen Ausführungsform (s. Fig. 4) stellt das Mittel 12
zur Abführung eines Teiles des elektrischen Stroms einen vertikalen Kanal 16 dar,
der die Wand des feuerfesten Bauteils 2 und den Boden des Schmelzbades 1 durchläuft.
Dieser Kanal 16 verbindet, wie auch die Schlitzaussparung 4, das Bad 1 mit der Schmelzrinne
3. Bei einer derartigen Ofenkonstruktion spielt die Rolle des Stromleiters in der
elektrischen Abzweigung aus der Schmelzrinne.3 das flüssige, innerhalb des Kanals
16 befindliche Metall selbst.
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Der in Fig. 4 dargestellte Ofen kann modifiziert werden, wie es aus
Fig. 5 und 6 ersichtlich ist. Gemäß dieser Modifikation
wird der
als elektrische Abzweigung aus der Schmelzrinne 3 dienende Kanal 16 von der Wand
des Bauteiles 2 und einer feuerfesten Trennwand 17 in der Schmelzrinne 3 gebildet.
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Die Trennwand 17 teilt die Schmelzrinne 3 in zwei Zonen 3a bzw. 3b
auf, infolgedessen bilden sich auf dieser Strecke der Schmelzrinne 3 zwei Strömungen
aus flüssigem Metall, wie es in Fig. 6 zu sehen ist.
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Der vorgeschlagene Ofen funktioniert wie folgt (s. Fig. 1 bis 3).
Bei der Zuführung von Wechselspannung an die Wicklung 9 des geschlossenen Magnetleiters
8 wird im erstarrten, in der Schmelzrinne 3 nach der Beendigung eines vorherigen
Arbeitszyklus des Ofens übriggebliebenen Metall, wie in der Sekundärwicklung eines
Transformators ein elektrischer Strom il induziert, und das Metall beginnt zu schmelzen.
In der Anordnungszone des feuerfesten Elementes 15 (s. Fig. 2) verzweigt sich der
Strom i1 in zwei senkrecht zueinander liegende Komponenten i2 und i3 (in dieser
und den nachfolgenden Fig. ist die Stromrichtung durch Pfeile mit schwarzen Spitzen
gekennzeichnet).
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Beim Anschluß der Wicklung 14 (Fig. 1) des luftspaltbehafteten Magnetleiters
13 an eine Wechselspannungs- bzw. eine Wellenstromquelle (nicht gezeigt) wird ein
die Schmelzrinne 3 mit dem darin befindlichen Metall durchsetzendes Magnetfeld erzeugt
(in Fig. 2 ist der Magnetfluß senkrecht zur Zeichnungsfläche gerichtet, während
er in Fig. 3 durch den Pfeil 01 gekennzeichnet ist). Der Magnetfluß 1 des Magnetleiters
13
steht mit der Stromkomponente i2 in Wechselwirkung, infolgedessen
eine elektromagnetische Kraft F1 erzeugt wird, die längs der Schmelzrinne 3 in der
durch einen Pfeil mit weißer Spitze in Fig. 2 ge.kennzeichneten Richtung wirkt.
Diese Kraft F1 bewirkt eine gerichtete Umlaufbewegung des flüssigen Metalls in der
Schmelzrinne 3, wodurch das Metall durchmischt und seine Temperatur ausgeglichen
wird.
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Die Bewegungsgeschwindigkeit des Metalls hängt von der Größe der elektromagnetischen
Kraft F1 ab, die ihrerseits durch die Spannungshöhe in der Wicklung 14 (Fig. 1)
des luftspaltbehafteten Magnetleiters 13 bestimmt wird. Durch eine Änderung der
Spannung an der Wicklung 14 und somit der Größe der elektromagnetischen Kraft F1
kann in breiten Grenzen die Metallbewegungsgeschwindigkeit in der Schmelzrinne 3
geregelt werden.
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Danach wird in das Bad 1 Einsatzgut gegeben, das erhitzt vom flüssigen
Metall in der Schmelzrinne 3 allmählich zu schmelzen beginnt; wobei. zum Schmelzvorgang
die Metallzirkulation in der Schmelzrinne 3 beiträgt. Die Schmelzgeschwindigkeit
kann dabei durch eine Änderung der der Schmelzrinne 3 durch die Wicklung 9 des geschlossenen
Magnetleiters 8 zugeführten Leistung geregelt werden.
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Dem Fachmann auf dem gegebenen Gebiet der Technik ist offenbar, daß
bei Verwendung des vorgeschlagenen Ofens gemäß den in Fig. 4 bis 6 dargestellten
Ausführungsformen die Zerlegung des elektrischen Stromes i1 in Komponenten und die
Richtung der elektromagnetischen Kraft F1 dieselben wie in Fig. 2
werden.
Gegebenenfalls fließt der aus der Schmelzrinne 3 abzuführende Strom i2 (s. Fig.
4 und 5) durch das flüssige Metall, das aus der Schmelzrinne 3 in den Kanal 16 und
daher in das Bad 1 gelangt.
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Falls eine Dosierung beim Vergießen des flüssigen Metalls aus dem
Ofen in die Gießformen erforderlich ist, wird der Wicklung 11 (s. Fig. 3) des luftspaltbehafteten
Magnetleiters 10 eine Wechsel- oder pulsierende Spannung von einer entsprechenden
Quelle (nicht gezeigt) zugeführt. Dabei tritt ein Magnetfeld auf, das die Schmelzrinne
3 in der Anordnungszone der Ausgußrinne 5 durchsetzt.
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Der Magnetfluß 2 steht mit dem im flüssigen Metall fließenden elektrischen
Strom i1 in Wechselwirkung, infolgedessen eine elektromagnetische Kraft F2 erzeugt
wird, welche längs dem vertikalen Kanal 6 gerichtet ist und eine Metallbewegung
in dem letzteren hervorruft, wobei das Metall durch die Abgußrinne 7 in die Gießform
gelangt (nicht gezeigt).
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Die Bewegungsgeschwindigkeit und damit. die Ausgußdosis des Metalls
kann durch eine Spannungsänderung an der Wicklung 11 des luftspaltbehafteten Magnetleiters
10 geregelt werden.
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Die Kraft F2 hängt nicht von der Kraft F1 ab, infolgedessen können
das Vergießen und der Umlauf des flüssigen Metalls parallel verlaufen.
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Es sei hervorgehoben, daß in dem vorgeschlagenen Ofen die Ausgußrinne
5 außerhalb des elektrischen Stromkreises liegt, weswegen ein spezieller, bei den
bekannten Öfen verwendbarer Graphitaufsatz unnötig wird. Die elektrischen Parameter
der
Flüssigmetall-Windung sind dadurch während den Pausen zwischen
dem Vergießen des Metalls dieselben wie beim Vergießen, infolgedessen wird die Schmelzleistung
des Ofens erhöht.
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Um den Ofen stillzusetzen, unterbricht man die Spannungszuführung
an die Wicklungen 9, 11 und 14 der Magnetleiter 8, 10 und 13, wonach das in der
Schmelzrinne 3 und im Bad 1 übriggebliebene Metall erstarrt. Bei einem nachfolgenden
Anfahren des Ofens, das wie vorstehend beschrieben durchgeführt wird, schmilzt das
erstarrte Metall, ohne die Schmelzrinne 3 zu zerstören, da die letztere eine einfache
Gestaltung und auf der gesamten Länge einen gleichgroßen Querschnitt aufweist.
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In Gegenüberstellung der obig betrachteten Ausführungsformen des vorgeschlagenen
Ofens sei vermerkt, daß die in Fig. 2 dargestellte Modifikation vorteilhaft zur
Behandlung von Metallen und Legierungen angewendet werden, die einen die Oberfläche
des flüssigen Metalls vor der atmosphärischen Luft schützenden Zuschlag benötigen.
Gegebenenfalls gewährleistet das hochschmelzende Element 15 eine derartige Bewegung
des flüssigen Metalls, daß das Gelangen von Zuschlagteilchen in die Schmelzrinne
3 verhindert wird.
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Für eine metallurgische Behandlung von Metallen mit Modifizierungsmitteln
und Zuschlägen unmittelbar im Schmelzbad eignet sich die in Fig. 4 dargestellte
Ausführungsform, da gegebenenfalls dank der verzweigten Kanalanordnung der hydraulische
Widerstand der Strömung des flüssigen Metalls vermindert und ein besseres Durchmischen
des letzteren erreicht wird.
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Beim Schmelzen von Metallen mit relativ niedrigem spezifischem elektrischem
Widerstand, beispielsweise von Edelmetallen, ist es zweckmäßig, den gemäß der in
Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform ausgestatteten Ofen zu verwenden.
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In diesem Fall läßt die Trennwand 17 den Durchlaßquerschnitt der Schmelzrinne
3 verkleinern und somit ihren elektrischen Widerstand herabsetzen. Dadurch wird
der Leistungsfaktor des Ofens erhöht.
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Falls ein dauerndes intensives Durchmischen des flüssigen Metalls
erforderlich wird, ist es vorteilhaft, den Ofen mit der in Fig. 7 dargestellten
Ausführungsform anzuwenden. Gemäß dieser Modifikation weist der Ofen auf der Länge
der Schmelzrinne 3 zwei als Kanäle 16 und 16' ausgeführte Mittel zur Abführung eines
Teiles des elektrischen Stroms und entsprechend zwei zusätzliche luftspaltbehaftete
Magnetleiter 13 und 13' mit Wicklungen auf (die letzteren sind der Einfachheit halber
nicht gezeigt). Die in Fig. 7 dargestellten Kanäle 16 und 16' sowie die Magnetleiter
13 und 13' sind den in Fig. 4 analog.
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Bei einer derartigen konstruktiven Beschaffenheit des Ofens erfolgt
die Zerlegung des Stromes i1 in die Komponenten i2 und i3 sowie des Stromes i3 in
die Komponenten i2, und i3,.
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Die Wechselwirkung der Ströme i2 und2,, welche das flüssige Metall
in den Kanälen 16 bzw. 16' durchfließen, mit den Magnetfeldern der zugehörigen Magnetleiter
13 bzw. 13' bewirkt das Auftreten der gleichgerichteten elektromagnetischen Kräfte
F1 und F1,. Da die Größe jeder der erwähnten Kräfte durch eine Spannungsänderung
an der Wicklung des zugehörigen Magnetleiters
(13 bzw. 13') unabhängig
voneinander geregelt werden kann, werden somit die Regelungsgenauigkeit und -grenzen
der Umlaufgeschwindigkeit des Metalls im Kreis "Schmelzrinne 3 -Schmelzbad 1" erweitert.
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Der in Fig. 7 dargestellte Ofen ist vorteilhaft zum Schmelzen von
Legierungen mit leicht abbrennbaren Komponenten, beispielsweise von Cu-Cd-Legierungen
geeignet. Außerdem eignet sich dieser Ofen zur Aufbereitung von Legierungen mit
schwerlöslichen Zusätzen, z.B. zur Zugabe von Cr- und Mn-Zusätzen in eine Al-Legierung.
Wegen der größeren Anzahl von Kanälen zur Stromabführung und entsprechend von luftspaltbehafteten
Magnetleitern wächst die Geschwindigkeit des Wärme-Stoff-Austausches im Kreis'Schmelzrinne
3 - Schmelzbad 1", infolgedessen werden eine Erhöhung der spezifischen Leistung
in der Schmelzrinne 3 ohne Metallüberhitzung so.wie eine Intensivierung des Lösungsprozesses
von Komponenten der Legierung möglich. Die Anzahl der Kanäle zur Stromabführung,
ihr Querschnitt und Abstand werden in Abhängigkeit von der vorgegebenen Metallumlaufgeschwindigkeit,
der erforderlichen Durchsatzleistung des Ofens, dem Querschnitt und der Länge der
Schmelzrinne sowie von der chemischen -Zusammensetzung und anderen Faktoren gewählt.
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Es ist hervorzuheben, daß jede der vorstehend beschriebenen Modifikationen
des vorgeschlagenen Induktionsrinnenofens ein ununterbrochenes Durchmischen des
flüssigen Metalls gewährleistet und es somit ermöglicht, die Metallüberhitzung im
Vergleich zu den bekannten Öfen wesentlich herabzusetzen.
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Dabei werden auch Metallverluste wesentlich vermindert und die Genauigkeit
der Metalldosierung sowie die Qualität von Gußerzeugnissen erhöht. Es werden weiterhin
die IJeDensdau(lder Futterauskleidung der Schmelzrinne und somit die Reparaturabstände
verlängert. Es sei auch vermerkt, daß der vorgeschlagene Ofen der Funktion nach
ein Schmelz-Vergieß-Ofen ist, wodurch seine Einsatzmöglichkeiten erweitert werden.
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Vorstehend sind nur einige konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung angeführt. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung von den
beschriebenen Ausführungsbeispielen nicht begrenzt ist und zahlreichen, dem Fachmann
auf dem gegebenen Gebiet der Technik offenbaren Änderungen und Ergänzungen unterworfen
werden kann, dabei bleibt der Erfindungstatbestand im Rahmen der beigelegten Patentansprüche
erhalten.
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L e e r s e i t e