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e schreibung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Hütten- und Gießereiwesen
und betrifft insbesondere die bauliche Gestaltung von Induktionsrinnenören.
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sie vorliegende Erfindung kann bei der Herstellung von Ofen zum Schmelzen,
Aufwärmen, zur Bearbeitung sowie zum Warmhalten von Flüssigmetall mit dessen rachfolgender
Verteilung in Gießpfannen bzw. kokillen erfolgreich verwendet werden.
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Ein wichtiges Problem, auf welches die Fachleute Dei der Entwicklung
von Induktionsrinneuöfen, die als Schmelz- und Verteilungsöfen dienen, storen, ist
die erhöhung der Wirtschaftlichkeit und der ßetriebszuverlässigkeit dieser Öfen
bei deren relativ geringen Abmessungen0 Ungeachtet einer Vielzahl unternommener
Versuche ist dieses Problem bis heute noch nicht in genügendem Maße gelöst worden.
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Gegenwärtig kommt am wirkungsvollsten ein Ofen zur Verwendung, welcher
eine Wanne für Metall, ein System von Schmelzrinnen, welche unter der Wanne in senkrechter
bzw. geneigter Ebene liegen, umtassend eine Mittelrinne und zwei durch ihre oberen
sonden mit der Wanne kommunizierende Seitenrinnen, zwei Ver-Bindungsrinnen, die
die vorstehend erwahnten Rinnen in deren Unterteil miteinander verbinden, die Seitenrinnen
umfassende geschlossene Eisenkerne mit 9Vicklungen, einen offenen Eisenkern mit
Wicklungen, welcher mit seinen Polen die Stoß stelle der Mittelrinne und aer Verbindungsrinnen
umfaßt, sowie ein Uberlaufrohr, das mit der ittelrinne gekoppelt ist, enthält (s.
FR-PS 1600320, US-rS 35027d1 und DE-PS 1905412).
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In diesem ufen sind die Verbindungsrinnen derart ausgeführt, daß
sie einen einheitlichen geradlinigen waagerechten Abschnitt bilden, welcher unter
/ rechten Winkel zu der iittelrinne und den Seitenrinnen liegt wobei die iiittelrinne
ihrer Länge n&ch den Seitenrinnen gleich ist. Die geschlossenen bisen-
kerne
sind zum Induzieren von elektrischem Strom in dem in den Schmelzrinnen befindlichen
Flüssigmetall vorgesehen, d.h. sie bilden den Ofeninduktor. Der offene eisenkern
dient zur Einengung eines Magnetfeldes, welches das Flüssigmetall an der Stoßstelle
der Mittelrinne und der Seitenrienen überquert.
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Durch das Zusammenwirken dieses Magnetfeldes mit dem induzierten Strom
wird die :6tstehung einer elektromagnetischen Kraft gewährleistet, welche das Flüssiginetall
bewegt.
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Zur Vergrößerung der erwähnten Kraft wird der Polabstand des offenen
Sisenkernes verringert und die Stromdichte an der Stoßstelle der Mittelrinne mit
den Verbindungsrinnen (wirksamer Bereich des Ofens) durch Verjüngung der Verbindungsrinnen
an dieser Stelle vergrößert. Das Uberlaufrohr ist mit der Mittelrinne trennbar zusammengefügt
und weist an der Trennstelle ein elektrisch leitendes unschmelzoares Endstück aus
Graphit auf. Das Uberlaufrohr dient der Ableitung des flüssigen Metalls aus dem
Ofen zur Gießstation.
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Die Wirkungsweise des beschriebenen Ofens besteht in folgendem. Nach
der Füllung des Systems der Schmelzrinnen mit Flüssigmetall undtAnschluß der Wicklungen
der Eisenkern an eine Wechselstromquelle erfolgt einerseits das Induzieren des Stromes
im Metall, welches die Schmelzrinnen füllt, und andererseits das Zusammenwirken
dieses Stromes mit dem den wirksamen Bereich des Ofens überquerenden magnetischen
Feld. Der erstere Umstand führt zum brhitzen und Schmelzen des Metalls in der Ofenwanne,
und der letztere verursacht die entstehung einer elektromagnetischen Kraft, durch
welche eine gerichtete Bewegung des Metalls im System Schmelzrinnen -- Ofenwanne"
hervorgerufen wird. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung kann durch Spannungsänderung
an der Wicklung des ofJ'enen Eisenkernes unabhängig von der den Schmelzrinnen zugeführten
leistung geregelt werden.
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Dabei kann der ufen in verschiedenen Betriebsarten funktionieren.
So sind beim Verteilungsbetrieb die Wicklungen der beiden geschlossenen Sisenkerne
gleichphasig geschaltet und es werden in den Scbaelzrinnen Ströme induziert, welche
in einer Richtung in zwei geschlossenen Kreisen fließen, von welchen jeder durch
die b.ittelrinne das Graphitendstück des Uberlaufrohrs, die Wanne, eine der Verbindungsrinnen
und die entsprechende Seitenrinne gebildet ist. In der mittelrinne sind die Ströme
gegenläufig gerichtet und demzufolge ist der Gesamtstrom auf diesem Abschnitt gleich
Null. Der durch die Wicklungen im offenen Sisenkern erzeugte Niagnetfluß überquert
den wirksamen Bereich des Ofens und veruraacht, indem er mit dem im Metall fließenden
Strom zusammenwirkt, die Sntstehung einer elektromagnetischen Kraft, die längs der
kittelrinne gerichtet ist und das Metall durch diese Rinne zum-tberlaufrohr und
daraus zur Gießstation fließen läßt. Dabei wird das Metall aus der Wanne durch die
Seitenrinnen in die besagte Rinne eingesaugt. Bei dieser Betriebsart erfolgt die
Bewegung des metalls auf allen Abschnitten der Schmelzrinnen.
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Zur Umstellung des Ofens auf den Metallwarmhaltebetrieb wird die
Spannung an einer der Wicklungen der geschlossenen Eisenkerne umgekehrt, Ströme
der beiden Kreise durch das in der Mittelrinne oefindliche Metall in einer Richtung,
verzweigen sich im v Graphitendstück des Uberlaufrohrs und schließen dabei die entsprechenden
Kreise. Durch die durch den wirksamen Bereich fließenden Ströme unter Zusammenwirken
mit dem ivlagnetSeld, welches durch die Wicklung im offenen Eisenkern erzeugt wird,
wird die entstehung einer elektromagnetischen Kraft verursacht, deren eine Komponente
längs der Verbindungskanäle gerichtet ist. Diese Komponente der elektromagnetischen
Kraft ruft die Bewegung des Metalls in einem geschlossenen preis: Wanne - erste
Seitenrinne - Ver-
bandungsrianen - zweite Seitenrinne (bei Umgehung
der Mittelrinne) hervor. Infolgedessenerfolgt die Verschiebung des lilietalis in
den Pausen zwischen dessen SingieBen in die Kokillen. In der Mittelrinne ist das
metall bei diesem Ofengang praktisch unbeweglich, da infolge des eingesetzten Uberlaufrohrs
das überhitzte metall in der besagten Rinne von der übrigen kälteren Metalimasse
in der Wanne getrennt ist.
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Beim Betrieb des vorstehend beschriebenen Induktionsrinnenofens stößt
man auf bestimmte Schwierigkeiten, Insbesondere kommt es wegen der längenmäßig gleichen
Ausführung der mittelrinne und der Seitenrinnen zu ungleiciirnäßigen Warmebelastungen
der Auskleidung der Rinnen und zu deren beschleunigtem Ausfall. Beim Warmhalten
des Metalls fließt durch die mittelrinne elektrischer Strom, dessen Stärke die des
in den Seitenrinnen fließenden Stromes um das kommt Zweifache übertrifft, infolgedessen#es
zur lokalen Überhitzung und Zerstörung der Auskleidung der Schmelzrinnen, Beim Verteilungsbetrieb
fließt der nicht Strom#durch das Metall in der mittelrinne und in den Seitenrinnen
nimmt dessen Stärke infolge der Verminderung des Gesamtwiderstandes des elektrischen
kreises um den Widerstandswert der lSlittelrinne zu, d.h. auch in diesem Fall sind
die Wärmebelastungen auf die Auskleidung der Schmelzrinnen ungleichmäßig verteilt.
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Im beschriebenen Ofen ist die Stromdichte auf dem Ab schnitt der
Verjüngung der Verbindungsrinnen im wirksamen Bereich des Ofens erhöht, wodurch
die Wärme-Spannungen der Auskleidung weiter zunehmen.
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Darüber hinaus, da beim Verteilungsbetrieb der elektrische Strom
in den waagerecht liegenden Verbindungsrinnen geradlinig fließt, wirkt er bei der
Erzeu-;ung lediglich der elektromagnetischen Kraft mit, die im wirksamen Bereich
durch das Zusainiaenwirken dieses Stromes mit dem Magnetfeld des offenen Eisenkernes
entsteht,
und erzeugt keine zusätzlichen ele'ktromagnetischen Kräfte, welche man zur Uberführung
des Flüssigmetalls nutzbar machen kann. Ferner muß betont werden, daß im beschriebenen
Ofen im Verteilungsbetrieb Strömungsverluste beim Uberfließen des Flüssigmetalls
aus den Verbindungsrinnen in die einem Mittelrinne eintreten, weil die letztere
unter#rechtem Winkel zu diesen liegt. Einen zusätzlichen Strömungswiderstand stellt
auch die Verjüngung der Verbindungsrinnen im wirksamen bereich dar. Die erwähnten
Umstände führen zur Senkung des Wirkungsgrades des bekannten Induktionsofens Ferner
ist hervorzuheben, daß im wirksamen Bereich des bekannten Ofens die elektromagnetische
Scheidung vor sich geht, bei welcher elektrisch nichtleitende #eststoffteilchen
(beispielsweise Schlackeneinschlüsse) sich in diesem Bereich ansammeln und elektrisch
leitende Teilchen (i'lüssigmetall) durch die Mittelrinne nach oben hinausgei'ührt
werden. Die elektrisch nichtleitenden Teilchen verstopfen den wirksamen Bereich,
dabei besonders intensiv dessen Randgebiete, wodurch die Gefahr des Auftretens des
P.intch-Sffektes infolge der Verringerung dessen freien querschnittes akuter wird.
Der Pintch-Sffekt wird von der Unterbrechung der 'lüssigmetall-Windung begleitet,
wodurch der normale Betrieb des Induktionsofens gestört wird. Zur' Unterbrechung
der Windung trägt auch die i'atsache bei, daß in dem besphriebenen Ofen der wirksame
Bereich aus baumäßigen Erwägungen von vornherein verangt ist.
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ifls ist hervorzuheben, daß im beschriebenen Ofen die Verbindungsrinnen
auf ihrer gesamten Länge, einschließlich des wirksamen bereichs, die untersten Abschnitte
des Ring -systems darstellen, in welchen die größte ltenge der im Flüs@igmetall
oefindlichen ßinschlüsse angesammelt wird. Der Zugang zu diesen Rinnen zwecks Reinigung
ist auf Grund ihrer norm er-
schwert, und beim Ofenbetrieb mit dem
Flüssigmetall gar ausgeschlossen, wodurch eine häufige Stillegung des Ofens zwecks
dessen vorbeugender Wartung bzw.
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des Ersatzes des ganzen Systems von Rinnen erforderlich wird.
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Darüber hinaus muß darauf hingewiesen werden, daß zum Zweck der Bearbeitung
des Metalls init Zuschlägen Ozw. der Homogenisierung dessen Zusammensetzung und
Temperatur dieser Ofen auf den Verteilungsbetrieb mit abgebauten Überlaufrohr umgestellt
wird. i>aoei tritt die Überhitzung des Metalls im wirksamen bereich im Vergleich
zu Metall, das sich in der wanne befindet, ein, weil der erwähnte bereich von der
Wanne verhältnismäßig weit entfernt und deshalb der Wärmeaustausch zwischen diesen
erschwert ist.
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Es muß auch auf die Schwierigkeiten eingegangen werden, auf welche
das Bedienungspersonal nach Vollendung jedes Arbeitszyklus stößt. bekanntlich müssen
in RinnendSen die Schmelzrinnen vor Anfahren des Ofens mit Metall gefüllt werden,
damit der Schluß des Sekundärkreises in dem Zeitpunkt, wenn die Wanne mit Gemenge
noch nicht beschickt ist, gewährleistet wird. In dem vorstehend beschriebenen Ofen
wird das Metall aus der Wanne und den Schmelzrinnen nach Vollendung des Arbeitszyklus
abgelassen, indem der Ofen gekippt wird. Dazu wird jedoch eine spezielle Vorrichtung
zum kippen des letzteren erforderlich. Bei wiederholtem Anfahren des Ofens werden
die Wanne und die Schmelzrinnen mit Hilfe von speziellen i'rwärmunseinrichtungen
lange vorgewarmt und danach wird in die Wanne das in einem anderen deren vorausgehend
aufbereitete Metall eingegossen. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des vorstehend
beschrieoenen Ofens beeinträchtigt und der ganze betriebs ablauf komjliziert.
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in einigen fällen wird das ivietall aus den Schmelzrinnen nicht abgelassen,
sondern durch erwärmung im
schmelzflüssigen Zustand gehalten, wodurch
ein zusätzlicher Aufwand an Elektroenergie bedingt wird.
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In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die drwärmung des Metalls
erforderlich ist, um seine kristallisation zu vermeiden, weil andernfalls bei nachfolgendem
Erschmelzen des lvletalls das System der Schmelzrinnen infolge der beträchtlichen
Wärmespannungen, die durch das Vorhandensein der veränderlichen Querschnitte längs
der Verbindungsrinnen bedingt sind, zerstört werden kann.
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bs muß betont werden, daß es manchmal gelingt, das in den Rinnen
kristallisierte Metall durch mehrden fache Umstellung des Ofens vom Verteilungs-
auf/Warmhaltebetrieb und umgekehrt zu erschmelzen, ohne daß die Schmelzrinnen zerstört
werden. Bei Verteilungsnicht betrieb wird das Metall, da der Strom/durch die Mittelrinne
fließt, zuerst im wirksamen Bereich, dann in den Verbindungs- und Seitenrinnen und
erst danach in der Ivlittelrinne geschmolzen. Bei Warmhaltebetrieb ist die Stromstärke
in der slittelrinne größer als in den Seiten- und Verbindungsrinnen und das Metall
in der mittelrinne wird schneller eingeschmolzen. Es ist vollkommen klar, daß es
ungünstig ist, das metall in den Schmelzrinnen durch eine derartige mehrfache Umstellung
gleichmäßig zu schmelzen, und aus diesem Grunde ist man in der Praxis gezwungen,
nach Vollendung des jeweiligen Arbeitszyklus des Ofens das üDriggeblieDene Metall
völlig abzugießen und es dann neu einzugieXen.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung oesteht uarin, die vorstehend
genannten Nachteile zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Induktionsrinnenofen
zu entwickeln, in dem die erfindungsgemäße es möglich ist, durchJVeran erung der
gegenseitigen Anordnung der Verbindungsrinnen sowie durch brweiterung des Umfassungsbereiches
der Schmelzrinnen durch die lole des offenen bisenkernes seine Wirt-
schaftlichkeit,
Betriebszuverlässigkeit und die nungsfreundlichkeit zu erhöhen.
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Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß in einem Induktionsrinnenofen,
enthaltend eine Wanne für Metall, ein unter der Wanne in senkrechter bzw. geneigter
ebene angeordnetes System von Schmelzrinnen, welches eine Mittel- und zwei Seitenrinnen,
die durch ihre oberen Enden mit der Wanne komglunizieren, und zwei Verbindungsrinnen,
die die vorstehend erwähnten Rinnen an deren unterem Ende mit einander verbinden,
einschließt, die Seitenrinnen einen umf'assende geschlossene Sisenkerne mit wicklungen,
offenen Sisenkeri, welcher mit seinen Polen die Stoß stelle der Mittelrinne und
der VerbindungWsrinnen umfaßt, sowie ein mit der Mittelrinne in Verbindung stehendes
tberlaufrohr, erfindungsgemaß die Verbindungsrinnen gegenläufig nach oben unter
Bildung eines gemeinsamen Abschnittes gerichtet sind, welcher in die mittelrinne
übergeht, und die jeweilige Verbindungsrinne unter einem Winkel von 100 bis dO0
zur Achse der Mittelrinne liegt, wooei der gemeinsame Abschnitt der Verbindungsrinnen
und die Mittelrinne zwischen den azolen des besagten offenen Eisenkernes derart
angeordnet sind, daß die Gesamtlänge der Mittelrinne und des gemeinsamen Abschnittes
der Veroindungsrinnen die Höhe der erwähnten Pole nicht übertrifft.
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bei der vorstehend erwähnten gegenseitigen Anordnung der Verbindung
sr innen entsteht infolge des Umfließens des durch diese gebildeten Winkels durch
den elektrischen Strom eine zusätzliche elektromagnetische Kraft, durch welche das
überhitzte Metall sogar bei abgeschaltetern offenen Eisenkern aus den Seiten- und
Verbindungsrinnen in die .ulittelrinne gefördert wird, wodurch der Wirkungsgrad
des Ofens wesentlich erhöht wird. Durch eine derartige gegenseitige Anordnung der
Verbindungsrinnen wird auch der Strömungswiderstand des wirksamen Bereiches
infolge
einer geringeren Richtungsänderung des luletallflusses beim Dbergang aus den-Verbindungsrinnen
in die Mittelrinne vermindert und dabei die Wirtschaftlichkeit des Induktionsofens
erhöht. Dabei oefindet sich der wirksame Bereich oberhalb der unteren Abschnitte
der Seiten- und Verbindungsrinnen, wodurch dessen Verunreinigungsgrad und demzufolge
die Gefahr der Entstehung des Fintch-hffektes vermindert wird. Darüber hinaus wird
der Abstand von der Wanne zum wirksamen Bereich geringer, wodurch einerseits die
Reinigung des letzteren erleichtert und andererseits infolge der Verringerung der
länge der mittelrinne im Vergleich zu den Seitenrinnen die Wärmespannungen in der
Auskleidung wegen Verbesserung des ärmeaustausches im System "Schmelzrinnen--Wanne"
vermindert werden.
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Da im erfindungsgemäßen Ofen der offene Eisenkern mit seinen Polen
nicht nur den gemeinsamen Abschnitt der Verbindungsrinnen (den wirksamen Bereich),
sondern auch die Mittelrinne auf ihrer gesamten Länge umfaßt, wird bei Warmhaltebetrieb
eine intensive Bewegung des Metalls in der Mittelrinne und dessen Vermischung mit
dem durchgehenden Metallfluß in den Seiten- und Verbindungsrinnen sogar bei eingesetztem
Uberlaufrohr erzielt.
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Es muß auch erwähnt werden, daß es sich erübrigt, den Xuerschnitt
der Verbindungsrinnen im Bereich der StoBstelle mit der mittelrinne zwecks Erhöhung
der-Stromdichte an dieser Stelle zu verringern, weil der Strom, indem er beim Verteilungsbetrieb
aus einer Seitenrinne durch die Verbindungsrinnen in die andere fließt, den durch
die letzteren gebildeten Wintelvorsprung umfließt und sich an diesen anschmiegt,
wodurch die Stromdichte auf diesem Abschnitt erhöht und derzufolge die hier entstehende
elektroruanetische kraft vergrößert wird.
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Und schließlich muß betont werden, daß durch die erfindungsgemäße
gegenseitige Anordnung der SchnLelzrinnen der Zugang zu den Verbindungsrinnen unmittelbar
von seiten der Wanne ohne Abgießen des Metalls und Stillegen des Ofens möglich wird.
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Wie Versuche erwiesen haben, kommen die vorstehend genannten Vorteile
des erfindungsgemäßen Ofens erst dann zur Geltung, wenn der Winkel zwischen der
jeweiligen Verbindungsrinne und der Mittelrinne 100 bis 60° beträgt. Wenn dieser
Winkel kleiner als 10° ist, wird die Auskleidung der Veroindungsrinnen im wirksamen
bereich wesentlich kompliziert und darüber hinaus nimmt die durch die Flüssigmetall-Windung
umfaßte Fläche infolge der notwendigen Iängenzunahme der erwähnten Rinnen bei einem
derartig geringen Winkel zu und demzufolge steigt deren Induktionswiderstand an,
was eine Senkung des Wirkungsgrades des Ofens zur Folge hat. Wenn aber der besagte
Winkel größer als 80° ist, so sinkt die vorstehend erwähnte zusätzliche elektromagnetische
Kraft praktisch auf fiu13. Darüber hinaus wird es<erforderlich> aus Gründenlgünstigen
Anordnung der geschlossenen Eisenkerne<->, diese von der Mittelrinne zum Rande
des Ofens zu verlagern, wodurch die Zunahme der durch die Flüssigunter metall-Windung
umfaßten Fläche / gleichzeitigem Anstieg deren Induktionswiderstandes und der Senkung
deg Wirkungsgrades des Ofens bedingt wird. Infolge der Notwendigkeit der Verlagerung
der geschlossenen Bisenkerne nehmen auch die Abmessungen der Wanne und des gesamten
Ofens zu.
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bs ist vorteilhaft, daß das Verhältnis der Länge der mittelrinne
zur Länge des gemeinsamen Abschnittes der Verbindungsrinnen 0,5 bis 2 beträgt. In
diesem Fall wird ein optimales Zusammenwirken der durch einzelne Abschnitte des
Flüssigmetallkreises im Verteilungsbetrieb fließenden Ströme sowie der beste Zugang
zu den Verbindungsrinnen von seiten
der Wanne erzielt. Wenn dieses
Verhältnis kleiner als 0,5 ist, kann in einzelnen Fällen infolge eines geringen
Abstands zwischen zwei nebeneinander in entgegengesetzten Richtungen fließenden
Strömen der bekannte Abstoßeffekt von zwei unter Stromeinwirkung stehenden Leitern
zur Geltung kommen, durch welches die Entstehung einer Kraft bewirkt wird, die im
Verteilungsbetrieb den Metall zufluß in die Mittelrinne verhindert. Wenn aber das
erwähnte Verhältnis größer als 2 ist, wird infolge der übermäßigen Längenzunahme
der Mittelrinne der Zugang zu den Verbindungsrinnen einigermaßen erschwert und die
Wärmebelastungen auf die Auskleidung der Mittelrinne werden größer.
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Ferner ist wunschenswert, daß das Verhältnis der Breite der tviittelrinne
zur Läge des gemeinsamen Abschnittes der Verbindungsrinnen 0,5 bis 10 beträgt. In
diesem Fall wird die bestmögliche GleichmaBigteit der Verteilung der Wärmebelastungen
auf die Auskleidung der Schmelzrinnen gewährleistet.
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Wenn dieses Verhältnis kleiner als 0,5 ist, so nehmen die Wärmebelastungen
auf die Auskleidung der ittelrinne zu und die Wahrscheinlichkeit der Sntstehung
des Pintch-Effektes in der letzteren infolge der Verjüngung dieser Rinne wird größer.
Ist aber das erwähnte Verhältnis größer als 10, so ist das Zerfließen des durch
die Verbindungsrinnen im Verteilungsbetrieb in Richtung zur Mittelrinne fließenden
elektrischen Stromes möglich, wodurch die Stromdichte an der Stoßstelle der Verbindungsrinnen
und die an dieser Stelle entstehende elektromagnetische Kraft herabgesetzt werden0
Es ist sinnvoll, eine derartige Modifikation des erfindungsgemäßen Ofens auszuführen,
in welcher das Verhältnis der halben Wannenlänge zur Länge der jeweiligen Verbindungsrinne
0,8 bis 2 beträgt.
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(Hier und im weiteren bezeichnen wir als die halbe
Wannenlänge
den kürzesten Abstand zwischen der Achse der lv.ittelrinne und der Seitenwand der
Wanne, welcher in der Anordnungsebene der Schmelzrinnen gemessen wurde). Bei einem
derartigen Verhältnis der erwähnten Größen zueinander werden die günstigsten bedingungen
iür die Bedienung des Ofens sowie für den IvIetallumlauf in diesem geschaffen. Wenn
dieses Verhältnis kleiner als 0,8 ist, so können auf Grund der Verringerung der
halben Wannenlänge und der in einigen Fällen notwendigen Vergrößerung deren Höhe
(zum Zweck der erhaltung des erforderlichen Wannenvolumens) die bedingungen für
die Reinigung der Schmelzrinnen beeinträchtigt und demzufolge das Werkzeug zur Ausführung
dieser Reinigung kompliziert werden. Wenn das erwähnte Verhältnis größer als 2 ist,
wird infolge einer bedeutenden nintfernung der Seitenwände der Wanne von den Schmelzrinnen
die Verringerung der an diesen Wänden anogrenzenden Massen des Flüssigmetalls und
als Folge die Senkung der irwärmungsgleichmäßigkeit des ganzen Metalls möglich.
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Recht vorteilhaft ist eine derartige Modifikation des Ofens, bei
welcher die Mittelrinne in ihrem oberen Teil Aufweitungen aufweist, die in der Anordnungsebene
der Schmelzrinnen durch Seitenwände ausgebildet sind. Dabei bezeichnen wir als Breite
der Rinne deren Abmessung an der engsten Stelle, die in der erwähnten Anordnungsebene
der Schluelærinnen gemessen wurde. Durch Aufweitung der Mittelrinne wird ein besserer
Zugang zwecks Reinigung dieser und der Verbindungsrinnen bewirkt.
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Die besten ergebnisse werden bei einer solchen Modifikation in dem
halle erzielt, wenn die jeweilige Seitenwand der Mittelrinne zur Achse der geenüberliegenden
Verbindungsrinne im wesentlichen parallel ist. Lurch eine solche Austütirungsvariante
der Erfindung wird der optimale Metallumlaul im System
?tSchmelzrinnenWanne1,
und die Verringerung der Ströme mungsverluste in diesem System gewährleistet.
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Das Wesen der Erfindung wird durch die eingehende beschreibung von
konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. leinen er£indungsgemäßen Induktionsrinnenofen im längsschnitt; Fig.
2 den Schnitt II-II durch Fig. 1; Fig. 3 den wirksamen Bereich des erfindungsgemäßen
Ofens in vergrößertem lilaßstab; Fig. 4 die Stromverteilerschaltung im System "Schmelzrinnen-Wanne"
des erfindungsgemäßen Ofens beim Warmhalten des Metalls; Fig. 5 und 6 schematisch
das Zusammenwirken des elektrischen Stromes mit dem magnetischen iteld des offenen
Eisenkernes im wirksamen Bereich des ertindungsgemäßen Ofens beim Warmhalten des
Metalls, dabei: Fig. 5 den Längsschnitt durch den wirksamen Bereich und die Vektorenrichtungen
des elektrischen Stromes und der entstehenden elektromagnetischen Kraft, und Fig.
6 den Querschnitt durch den wirksamen Bereich (Schnitt VI-VI durch Fig. 5) und die
Vektorenrichtungen von Strom, Magnetinduktion und elektromagnetischer Kraft; hig.
7 die Bewegungsrichtung des Metalls im Warmhaltebetrieb; Fig. 8 die Stromverteilerschaltung
im System "Schmelzrinnen-Wanne" bei der Verteilung des Metalls; Fig. 9 und 10 schematisch
das Zusammenwirken des elektrischen Stromes mit dem magnetischen Peld des offenen
Sisenkernes im wirksamen Bereich des Ofens bei der Verteilung des Metalls, dabei:
Hig. 9 den Längsschnitt durch den wirksamen Bereich und die Vektorenrichtungen des
elektrischen Stromes und der entstehenden elektromagnetischen
Kraft,
und Fig. 10 den wirksamen Bereich im Querschnitt (Schnitt-X-X durch Fig. 9) und
die Vektorenrichtungen von Strom, Magnetinduktion und elektromagnetischer Kraft;
i?ig. 11 die Bewegungsrichtung des Metalls beim Verteilungsbetrieb.
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Der erfindungsgemäße Induktionsrinnenoten enthält eine Wanne 1 tür
Flüssigmetall (s. ig. 1 und 2 der Zeichnungen), ein System von Schmelzrinnen, welches
Seitenrinnen 2, 3, eine Mittelrinne 4 und Verbindungsrinnen 5, 6 einschließt, geschlossene
Eisenkerne 7, 8 mit Wicklungen 9 und 10, einen offenen Eisenkern 11 mit zwei Wicklungen
12 und 13 sowie ein Überlaufrohr 14. Die Schmelzrinnen 2, 3, 4, 5, 6 sind in einer
gemeinsamen senkrechten Ebene gelegen, welche mit der longitudinalen Symmetrieebene
des Ofens zusammentällt. In Fig. 1 fällt diese senkrechte Ebene mit der Bildebene
zusammen. Die Anordnungsfläche der Schmelzrinnen kann auch geneigt sein und unter
der Wanne 1 mit einem beliebigen Abstand von der longitudinalen Symmetrieebene in
Abahängigkeit von konkreten Betriebsverhältnissen liegen. In Fig. 1 sind mit den
Buchstaben L mit 1 die halbe Wannenlänge und# die Länge einer jeden Verbidungsrinne
5 und 6 bezeichnet.
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Die geschlossenen Eisenkerne 7 und 8 umfassen die Seitenrinnen 2
und 3, und der offene Eisenkern umfaßt mit seinen Polen 11a und 11b die Stoß stelle
der Mittelrinne 4 und der Verbindungsrinnen 5, 6 (den wirksamen bereich des Ofens).
Die Ärick lungen 9, 10, 12 und 13 der Eisenkerne 7, d, 11 werden mit Wechselstrom
von Industriefrequenz gespeist und Können sowohl auf der gesamten Länge des betreffenden
i;isenkernes als auch auf den einzelnen Abschnitten angeordnet werden und von einer
belieoigen, darunter auch zylindrischen Form sein. Das Uberlaufrohr 14
ist
mit der Mittelrinne 4 (Fig. 1) verbunden und zu Zwecken des Betriebskomforts des
Ofens abbaubar ausgeführt.
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Erfindungsgemäß sind die Verbindungsrinnen 5 und 6, wie Fig. 3 zeigt,
gegenläufig nach oben gerichtet, indem sie einen gemeinsamen Anschnitt mit einer
Länge "a" bilden, welcher in die Mittelrinne 4 mit einer Länge "b" übergeht, und
jede der Binnen 5 und 6 ist unter einem Winkel von 100 bis b0° zur Achse der Rinne
4 gelegen. Die Höhe h der azole des offenen Eisenkernes 11 (einer von diesen rolen
ist in Fig. 3 durch ein gestricheltes Viereck angedeutet) ist unter der Bedingung:
h > a + b genommen.
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Die Mittelrinne kann sowohl eine hinsichtlich der Länge "b" beständige
als auch veränderliche Breite "c" aufweisen, die in der Anordnungsebene der Hinnen
gemessen wird. Bevorzugt ist aber die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsvariante, in
welcher die Mittelrinne 4 mit aufgeweiteten Seitenwänden 4a und 4b ausgeführt ist,
wobei das Maß "c" die Breite der Rinne an der engster Stelle kennzeichnet. Am effektivsten
ist dabei die i\fjodifikation, bei welcher jede Seitenwand 4a und 4b der Rinne 4
zur Achse der gegenüberliegenden Verbindungsrinne (6 bzw. 5) im wesentlichen parallel
ist.
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Wie Versuche erwiesen haben, werden die besten Ergebnisse beim Ofenbetrieb
bei erfüllung mindestens einer der nachstehenden Bedingungen erreicht: ba = °s5
bis 2 Ca = 0,5 bis 10 L 1 = 0,8 bis 2 Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Induktionsofens
besteht in folgendem. In die Wanne 1 (Fig.
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1 und 2) wird Flüssigmetall eingebracht, welches, indem es die Binnen
2, 3, 4, 5 und 6 füllt, kurzgeschlossene Flüssigmetall-Windungen bildet, die die
Sekun-
därwicklungen der geschlossenen Eisenkern 7 und 8 darstellen.
Dabei kann durch die entsprechende Minschaltung der Wicklungen 9, 10, 12 und 13
der Sisenkern 7, 8, 11 der jeweilige Ofenbetrieb eingestellt werden.
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So werden beim Metallwarmhaltebetrieb, bei welchem das luletall erhitzt,
geschmolzen bzw. mit Zuschlägen behandelt wird, die Wicklungen 9 und 10 der geschlossenen
Eisenkern 7 und 8 gegenphasig geschaltet. Dabei fließt durch den gemeinsamen Abschnitt
der Verbindungsrinnen 5, 6 und durch die mittelrinne 4 ein Strom, der der geometrischen
Summe von zwei Strömen gleich ist, von welchen jeder durch I' (Fig. 4 und 5) gekennzeichnet
ist und in einem geschlossenen, durch die Seitenrinne 2 bzw. 3, die Verbindungsrinne
5 oder 6, die Mittelrinne 4 und die Wanne 1 gebildeten Kreis fließt. Diese Ströme
I' werden durch die geschlossenen eisenkern 7 und 8 mit den Wicklungen 9 und 10
erzeugt, die als Induktor des erfindungsgemäßen Ofens dienen. Durch die im Metall
induzierten Ströme wird dessen Erhitzung und Erschmelzung gemäß der technologischen
Forderungen bewirkt.
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Zur erhöhung der Erwärmungsintensität des M.etalls im gesamten Ofenvolumen
wird den Wicklungen 12 und 13 des offenen Eisenkernes 11 Speisespannung zugeführt,
wodurch im Polabstand des letzteren ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen Magnetinduktion
B' mit dem Strom I' im Flüssigmetall (Fig. 6) gleichphasig ist. Beim Zusammenwirken
dieses Feldes mit dem Strom I' im wirksamen Bereich des Ofens entsteht die elektromagnetische
Kraft B0, welche in zwei Komponenten F1, und F2, (Fig. 5)zerfällt. Dabei ist die
Kraft F1> in die Verbindungsrinne 5 gerichtet und bewirkt die Bewegung des Metalls
mit einer Geschwindigkeit V' (Fig. 7) durch den preis 5-2-1-3-6--4-5, und die Kraft
F2 ist nach oben und links
durch die Mittelrinne in die Wanne 1
gerichtet und Dringt das Metall mit einer Geschwindigkeit V1 durch den kreis 4-1-4
in Bewegung (der erste Kreis ist in Fig. 7 durch eine strichpunktierte und der letztere
durch eine Strichlinie gekennzeichnet). Demzufolge wird das überhitzte Metall aus
den Schmelzrinnen in die Wanne 1 gefördert, wobei dessen Bewegungsgeschwindigkeit
durch die Spannungsänderung an den Wicklungen 12, 13 des Eisenkernes 14 ohne Spannungsänderung
an den Wicklungen 9, 10 der Sisenkerne 7 und 8 geregelt werden kann, wodurch es
möglich wird, die Vorgänge der Geschwindigkeitsregelung und einer intensiven Wärme
zuführung an das metall unabhängig voneinander durchzuführen.
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Zur Ofenführung im Verteilungsbetrieb werden die Wicklungen 9 und
10 der Eisenkerne 7 und 8 gleichphasig geschaltet. In diesem Fall fließt der induzierte
Strom I" im Kreis, der in Fig. 8 gezeigt ist.
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Dabei fehlt der Strom in der Mittelrinne 4 (Fig. 9), weil durch die
Eisenkerne 7 und 8 mit den Wicklungen 9 und 10 in der erwähnten Rinne Ströme von
gleicher Stärke, aber unterschiedlicher Richtung, induziert werden, wie es in Fig.
8 durch gestrichelte Linien gezeigt ist. zu Bei der Spannungszufuhrjden Wicklungen
12 und 13 des Eisenkernes 11 wird im wirksamen Bereich des Ofens ein magnetfeld
mit einer Induktion B" (Fig. 10) erzeugt, welche phasenmanig mit dem Strom I" zusammenfällt,
der durch das Metall fließt. Beim Zusammenwirken dieses Feldes mit dem erwähnten
Strom entsteht die elektromagnetische Kraft Fo . Darüber hinaus, da der Strom I",
indem er den durch die Rinnen 5 und 6 gebildeten Winkel umfließt, seine Richtung
wechselt, entsteht eine weitere elektromagnetische Kraft E1' , welche richtungsmäßig
mit der Kraft F" zusammenfällt 0 und je nach Entfernung vom wirksamen Bereich abnimmt,
wie es Fig. 9 zeigt. Unter Einwirkung dieser kräfte
bewegt sich
das Flüssigmetall mit einer Geschwindigkeit V" (Fig. 11) in den Kreisen 4-1-2-5-4
und 4-1-3-6-4. Dabei wird ein intensives Vermischen des Metalls im gesamten Ofenvolumen
erreicht.
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Zur Gewährleistung des Metallablasses aus dem Ofen in einen lvletallauSnahmebehålter
(nicht gezei>t) wird vorausgehend auf die Mittelrinne 4 das Uberlaufrohr 14 aufgesetzt
und das Metall fließt unter binwirkung der Kräfte F011 und Fi" durch dieses Uberlaufrohr
14 zur Gießstation.
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Die Größe des erzeugten Drucks von Flüssigmetall wird durch Änderung
der Speisespannung der Wicklungen 12, 13 des offenen Eisenkernes beispielsweise
mit Hilfe eines Transformators geregelt. Es ist möglich, den Druck nötigenfalls
durch Spannungsänderung an den Wicklungen 9 und 10 der geschlossenen Eisenkerne
7 und 8 bzw. durch Phasenverschiebung zwischen dem Strom im Metall und dem durch
den offenen Eisenkern 11 erzeugten Magnetfluß zu regeln.
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Die MetallzuSuhr in den Aufnahmebehälter kann durch Spannungsumkehr
an den Wicklungen 12, 13 des Eisenkernes 11 bzw. durch Wegnahme der Spannung von
den Wicklungen der geschlossenen Eisenkerne 7 und 8 ozw. des offenen Eisenkernes
11 eingestellt werden.
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zu Zur Stillegung des Ofens wird die Spannungszufuhr1 den Wicklungen
der Eisenkerne 7, 8, 11 abgebrochen.
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Danach kann das im Ofen übriggebliebene Metall aus dem Ofen abgegossen
werden, indem dieser mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung (nicht gezeigt)
gekippt wird, oder es bleibt bis zu seinem Erhärten im Ofen.
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bei nachfolgendem Anfahren des Ofens wird das erhärtete Metall im
Warmhaltebetrieb geschmolzen, ohne daß dadurch die Schmelzrinnen zerstört werden,
weil die Ungleichmäßigkeit der Wärmebeanspruchung der Auskleidung der Rinnen bei
dem erfindungsgemäßen Ofen viel geringer als bei dem bisher bekarten Ofen ist. Darüber
hinaus beginnt das IUIetall
zunächst in der mittelrinne 4 und in
den an diesen anliegenden Bereichen der Wanne 1 zu schmelzen und kann, beim Schmelzen
im Volumen zunehmend, ohne Hindernisse in die Wanne 1 überrließen.
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Wie aus vorstehend Dargelegtem ersichtlich ist, kann im erfindungsgemäßen
Ofen ein wirksamer Umlauf des Flüssigmetalls, die Homogenisierung seiner chemischen
Zusammensetzung und Temperatur bei allen Betriebsarten gewährleistet werden. Dabei
weist der erfindungsgemäße Ofen im Vergleich zum bekannten Ofen einen höheren bedienungskomS'ort
und Wirkungsgrad neben einer größeren Betriebsdauer (um das Zwei- ois Dreifache)
zwischen aufeinanderfolgenden Reparaturen auf.
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Vorstehend sind nur einige konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden
SrSindun3 angeführt. Es versteht sich, daß die Erfindung auf die beschriebenen Beispiele
nicht oeschränkt ist und verschiedene Änderungen und Ergänzungen zuläßt, die fipr
einen Fachmann auf diesem Gebiet der Technik offenkundig sind und über den Erfindungsinhalt
und -tatbestand im Rahmen der Patentansprüche nicht hinausgehen.