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Drehfeld-Gießformen und Mischer zur Ausführung des elektrischen Dreh-
und Dlischgießverfahrens.
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Zusatz zum Patent 307225.
Die Erfindung betrifft eine weitere
Ausbildung des Verfahrens nach dem Patent 307225.
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Bei den Gießformen, die für das elektrische Dreh- und Mischgießverfahren
nach dem Hauptpatent verwendet werden, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die
Zone, in der das Drehfeld wirken soll, auf einer solchen Temperatur zu halten, daß
ein Ansetzen des flüssigen Metalls an den Wandungen nicht eintritt. Dies ist besonders
notwendig bei Metallen, die erst bei höherer Temperatur flüssig werden, z. B. Stahl.
Hier findet infolge des großen Temperaturausgleichs zwischen der kalten Form und
dem hocherhitzten Metall leicht ein zu schnelles Erstarren des letzteren statt.
Bei steigenden 'Güssen ist die Gefahr des Ansetzens geringer, da durch das stets
nachströmende, heiße Metall immer genügend Wärme in die Drehzone zugeführt wird.
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Die bei der Entstehung der Wirbelströme im flüssigen Metall auftretende
Wärme ist nun bei Metallen mit hohem Schmelzpunkt in der Regel nicht hoch genug,
um den Wärmeverlust zu decken, wenn man nicht mit zu hohem Aufwand von Amperewindungen
für die Erzeugung eines starken Feldes arbeiten will. Daher wurde bereits die Anwendung
einer besonderen Widerstandsheizung unter Benutzung von kleinstückigem Koks vorgeschlagen.
Es bestehen nun einige weitere Möglichkeiten zur besonderen Heizung, und zwar können
einmal die das Drehfeld erzeugenden Windungen infolge eigenartiger Anordnung unmittelbar
zur Hervorbringung kräftiger Heizwirkungen benutzt werden, während ferner durch
Induktion im Innern des flüssigen Eisens neben den das Drehfeld erzeugenden Wirbelströmen
Induktionsströme zum Fließen gebracht werden können, die in ihrer Gesamtwirkung
das Metall im flüssigen Zustand zu erhalten in der Lage sind.
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Die Hervorbringung einer kräftigen Heizwirkung durch die gleichzeitig
das Drehfeld erzeugenden Windungen erfolgt nach folgenden Gesichtspunkten: Da man
ohnedies aus betriebstechnischen Gründen mit niedrigen Betriebsspannungen bei den
Erregerwicklungen arbeitet, ist es nicht erforderlich, isolierte Drähte anzuwenden,
die dann noch besonders vor zu starker Erwärmung durch Kühleinrichtungen geschützt
werden müssen. Vielmehr ist es vollständig ausreichend, wenn blanke Drähte verwendet
werden, die mit genügendem Abstand voneinander in feuerfeste Masse eingebettet werden,
die bei Benutzung der Form austrocknet und gut isoliert. Die Strombelastung und
damit die Temperatur kann nun ohne Rücksicht auf die Isolation sehr hoch getrieben
werden, z. B. bei Kupferdrähten auf etwa 80o ° C, bei Eisen auf etwa 140o° C. Es
wird also neben einer hohen
magnetisierenden Kraft auch eine starke
Heizwirkung erzeugt. Das zu verwendende Material für die Wicklungen richtet sich
nach der Art und dem Schmelzpunkt des betreffenden flüssig zu haltenden Metalls.
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Der gleiche Grundgedanke kann auch noch in Verbindung mit einer unmittelbaren
Beheizung des flüssigen Metalls durch Induktionsströme angewendet werden, worüber
späterhin noch Näheres ausgeführt ist.
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Einige beispielsweise Ausführungsformen solcher Drehgießformen für
Stahlguß, bei denen der vorstehend angedeutete Zweck in sehr einfacher Weise erreicht
wird, und zwar in der Anwendung für steigende Güsse, sind auf den beiliegenden Zeichnungen
zur Darstellung gebracht. -Fig. z, 3 und 7 stellen je einen wagerechten Schnitt;
Fig. 2, q. und 8 je einen senkrechten Schnitt durch die Gießform dar.
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Fig. 5 zeigt schematisch eine Gesamtanordnung im Schnitt und Fig.6
einen senkrechten Schnitt durch einen Drehgießmischer.
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Ein Stahlgußkörper mit sechs Polen, ähnlich dem eines Dynamogestells,
bildet jeweilig das Magnetsystem.
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Auf den Fig. x und 3 sind von den sechs Polschuhen a und den zugehörigen
sechs Jochsegmenten b der Einfachheit halber je fünf in Ansicht dargestellt, während
das sechste Segment sowie alle Wicklungen c im Schnitt gezeichnet sind. Auf den
Fig. 2 und 8 sind die Polschuhe a in Ansicht dargestellt, während sie in Fig. q.
zur Darstellung der Luftkühlung im Schnitt ausgeführt sind.
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Die Wicklung c besteht aus Flach- und Vierkanteisen oder aus eisernem
Drahtseil. Als Isolationsmaterial d dient feuerfeste Masse (bzw. Formsand), die
in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Windungen bzw. Lagen und dem Magnetgestell
eingestampft wird. Auf diese Weise wird jede besondere Isolation der einzelnen Drähte
bzw. der Stäbe entbehrlich, und die Wicklung wird unverrückbar in ihrer Lage zum
Magnetgestell festgehalten. Der ganze Körper bildet ein festes Gefüge wie eine Eisenbetonkonstruktion.
Da mit sehr niedrigen Spannungen und großen Stromstärken gearbeitet werden soll;
z.B. 5 bis 50 Volt und mehreren tausend Ampere, so ist diese Art Isolation
vollständig ausreichend. Durch die Anwendung der niedrigen. Spannung wird einesteils
absolute Ungefährlichkeit erreicht, andererseits wird die Wicklung sehr einfach,
da nur verhältnismäßig wenige Windungen erforderlich sind, die bei der Verwendung
der hohen Stromstärken dann eine so hohe Amperewindungszahl ergeben, daß ein starkes
Feld erzeugt werden kann. Da nur feuerfeste Masse als Isoliermaterial verwendet
wird, kann die Strombelastung der ganzen Wicklung so hoch getrieben werden, daß
eine beträchtliche Heizwirkung erzielt wird. ' Auch bei hohem Energieaufwand werden
die Betriebskosten sehr gering, da z. B. für die Herstellung eines 3o-t-Gusses nur
etwa 2o bis 3o Minuten Einschaltzeit erforderlich sind. Es ist natürlich notwendig,
die Temperatu:-en des ganzen Stahlgußkörpers nicht über den Umwandlungspunkt hinauszutreiben,
da dann die Magnetisierbarkeit verschwindet und ein Drehfeld nicht mehr erzeugt
werden kann. Bei der kurz andauernden Gießzeit wird eine Temperatur der ganzen Gießform
von etwa 7oo° C kaum überschritten werden. Dabei können die Polenden, die durch
eine feuerfeste Ausschmierung e geschützt sind, unbeschadet eine höhere Temperatur
annehmen.
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Eine Abänderung der vorbeschriebenen Gießform ist in den Fig. 3 und
q. dargestellt. Bei dieser Form werden die der Durchtrittszone zunächstgelegenen
Windungen der Wicklung c mit einem so schwachen Querschnitt ausgeführt; daß ein
Glühendwerden nur dieser Windungen eintritt. Die nicht zur eigentlichen Heizung
bestimmten Windungen werden dann entweder aus Eisen von genügendem Querschnitt oder
aus Kupfer hergestellt. Bei Anwendung von Kupfer wird man natürlich eine höhere
Anzahl von Windungen unterbringen und damit auch eine höhere Amperewindungszahl
erreichen können.
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Ferner ist ein Zylinder aus Stahl m von einigen Millimetern Wandstärke
in der durch die Pole gebildeten Öffnung befestigt, dessen Innenfläche mit einem
feuerfesten Futter e versehen ist. Das entstehende Drehfeld er. zeugt in diesem
Zylinder m Wirbelströme, die das flüssige Metall erhitzen und die von außen kommende,
durch die Heizwicklung erzeugte Wärme verstärken. Die ungünstige, das Magnetfeld
im Innern des Zylinders schwächende Wirkung dieses magnetischen Nebenschlusses tritt
nur bis zu Temperaturen auf, die unterhalb des Umwandlungspunktes liegen. Da nun
aber die Heizung der Durchtrittszone weit über diesen Punkt getrieben werden kann,
weil nur Eisen oder Kupfer und feuerfestes Material verwendet werden, so verschwindet
die ungünstige Wirkung bei höheren Temperaturen vollständig, und das Magnetfeld
tritt in voller Stärke durch das flüssige Metall hindurch. Damit ein zu starkes
Glühendwerden der Pole- durch Wärmeleitung vermieden wird, kann eine Luftkühlung'
angewendet werden. Dies ist in Fig. 3 und q. durch U-förmige Kanäle und Pfeile angedeutet.
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Die Verwendung des dünnwandigen Eisenzylinders
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bzw. eines Kupferzylinders bei Metallen mit niedrigen Schmelzpunkten - hat den großen
Vorzug, daß die Drehfeldgießform auch im Innern metallisch ganz abgeschlossen ist,
so daß ein etwaiges Durchtreten von flüssigem Metall durch die Ausschmierung die
Wicklung nicht beschädigen kann.
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Die vorbeschriebenen Drehfeldgießformen für steigende Güsse werden
zweiteilig ausgeführt, damit man dieselben nach Au,führung des Gusses ohne weiteres
abziehen kann. Aus den Fig. i und 2 ist dieses genauer zu ersehen. An Stelle- der
Schraubenverbindung f, die an zwei diametral gelegenen Ecken gelöst werden müssen,
kann auch die schneller auszuführende uud zu lösende Verbindung durch Keile erfolgen.
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Die Stromzuführung erfolgt bei g durch bewegliches Kabel und durch
Stecker, die unverwechselbar gebaut oder bezeichnet sein müssen, um eine richtige
Schaltung zu gewährleisten. Die inneren Wicklungsenden jeder Hälfte des Drehfeldgießkörpeis
sind verbunden, so daß die Wicklung in Stern geschaltet ist. Die Pole a werden zweckmäßig
aus lamellierten Blecken hergestellt oder aus massivem Gußstahl von hoher Permeabilität.
In letzterem Falle werden zweckmäßig schmale Schlitze in die. Pole eingesägt, damit
die entstehenden Wirbelströme im Eisen vermindert werden. Nach oben und nach unten
kann der Drehfeldgießkörpe: durch ringförmige Platten h aus unmagnetischem Stahl.
abgedeckt werden, so daß die ganze Form von Metall eingeschlossen ist. Die Gesamtanordnung
der Drehfeldgießform und der Kokille k ist schematisch in Fig. 5 dargestellt.
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Wenn es sich darum handelt, Stahl längere Zeit hindurch, z. B. in
einem Mischer oder Ofen flüssig zu erhalten und dabei unter anderen Behandhingen
auch einem elektrischen Drehfeld auszusetzen, dann ist es nicht möglich, die erforderliche
Wärmemenge ausschließlich von außen her auf elektrischem Wege zuzuführen, .-auch
wenn Eisen als Leitungsmaterial für die Heizspulen verwendet wird. Es würde nötig
sein, die Heizspulen auf Temperaturen des flüssigen Stahls zu bringen, und dies
ist praktisch nicht ausführbar. Man muß also hier entweder Lichtbogen- oder Induktionsheizung
anwenden. In der Fig. 6 ist ein solcher Drehfeldmischer (bzw. Ofen) mit Widerstands-
und Induktionsheizung im Schnitt dargestellt. Däs Ganze ist als Manteltransformator
ausgebildet, stellt also nach außen einen vollständig geschlossenen Körper dar.
Das Unterteil v7 enthält eine Flachspule cl als eine Hälfte der Primärwicklung,
ferner vier bzw. sechs mit Spulen. c3 bewickelte Pole a, durch d:e das Drehfeld
erzeugt wird. Ferner .ist die Badrinne s im Lntei:teil untergebracht. Die Wicklungen
bestehen aus Flachkupfer, die ganz in Masse d mit den erforderlichen Abständen der
einzelnen Lagen und Windungen voneinander eingestampft sind.
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Das Unterteil w ist um die Zapfen z drehbar, um den behandelten flüssigen
Stahl aus einer Gießrinne ausgießen zu können. Das Oberteil v enthält eine weitere
Primärspule c2, die gleichfalls in Masse d eingestampft ist. Ober- und Unterteil
müssen an den metallischen Trennstellen gut aufeinanderpassen, um . die magnetische
Streuung gering zu halten. Nötigenfalls kann noch eine besondere Preßeinrichtung
vorgesehen werden. Das Oberteil v ist abhebbar, damit das Bad zugänglich ist. Bei
der Herstellung des Magnetkörpers müssen die üblichen Mittel angewendet werden,
um Wirbelströme im Eisen nach Möglichkeit zu vermeiden. Die in Masse unmittelbar
eingebetteten blanken Kupferwicklungen werden mit Strom so hoch belastet, daß eine
beträchtliche Wärmemenge von ihnen durch Wärmeleitung an das Bad abgegeben wird.
Jedoch darf die Temperatur des Eisenkörpers nicht über den Umwandlungspunkt getrieben
werden. Die Hauptwärmemenge wird durch Induktionswirkung in dem Bade selbst erzeugt.
Alle innerhalb des als Ofen ausgebildeten Manteltransformators auftretenden Verluste
treten als Wärme auf, werden also. nützlich verwertet. Mit Hilfe des .Drehfeldes
wird in dem Unterteil der Rinne ein Fließen des flüssigen Stahls erzeugt, wodurch
eine gute Durchmischung des Stahls hervorgerufen wird, da infolge der Trägheit der
Masse auch der übrige Teil des Bades sich an der Drehbewegung beteiligt. Die Pole
a und die Gegenpole a1 (Fig. 6) werden so stark erregt, daß das Eisen gesättigt
ist. Die Drehfeldpole kommen daher für den Hauptkraftfluß als Streuwege nicht zur
Geltung. Im übrigen würde ja auch das Streukraftlinienfeld des Hauptkraftflu-ses
infolge der vorliegenden Anordnung mit der Drehfeldgeschwindigkeit ebenfall3 rotieren
und daher günstig wirken.
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Der große Vorteil der guten Durchmischung des flüssigen Metalls mit
Hilfe des elektrischen Drehverfahrens kommt noch mehr zur Geltung, wenn das flüssige
Metall während des Mischverfahrens der Einwirkung eines Vakuums ausgesetzt wird.
Es ist bereits durch Versuche festgestellt, daß durch das Schmelzen im Vakuum eine
Entgasung und damit ein gleichmäßigeres Material erhalten wird. Z. B. sind die magnetiscren
Eigenschaften von Siemens-Martin-Eisen durch eine solche Behandlung wesentlich verbessert
worden.
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Es ist bereits darauf hin&,ewiesen worden,
daß
der zur Kühlung einer Statorwicklung gemäß der Anordnung der Fig. 3 des Hai.ptpatentes
benutzte Luftstrom beim _ Au."tieteii über der Gießform eine gewisse Luftverdünnung
hervorbringt. Natürlich- ist der Grad dieser Luftverdünnung mit Rücksicht auf die
Erzeugungsart kein sehr hoher. Bei dem vo_-stehend beschriebenen Drehfeldmischer
(bzw. Ofen) mit Widerstands- und Induktionsbeheizung ist dagegen infolge der Verwendung
eines metallisch geschlossenen Körpers des Manteltransformators die Erzielung eines
hohen Vakuums über dem Bade möglich.
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Von der Mitte des Oberteils aus kann eine Absaugung der innerhalb*
des geschlossenen Manteltransformators vorhandenen Luft vermittels geeigneter Luftpumpen
erfolgen und so der Druck über dem Bade verringert werden.. Alle infolge des Drehverfahiens
an die Oberfläche gebrachten Luftbläschen werden so 'leicht abgesaugt. Die Blasenfreiheit
der Ofenfüllung wird also erhöht werden. Die Abdichtung ` an den Trennstellen zwischen
Ober- und Unterteil kann, wie angedeutet, z. B. durch eine Art Labyrinthdichtung
erfolgen, indem die konzentrische Rinne r am Unterteil mit schwerflüssigem Teer
o. dgl. gefüllt wird. Im übrigen kann der ganze Manteltransformator noch in isolierendes
Material eingebettet werden, um Wärmeverluste zu vermeiden.
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Die Kombination des Drel,gießverfahrens mit einer Vakuumbehandlung
läßt <-ich auch bereits während des Gießvorganges anwenden. Es läßt sich z. B.
bei einem steigenden Guß die in Fig. 7 und 8 skizzierte Anordnung treffen, wobei
@ das flüssige Metall durch eine Zone aufsteigt, die einmal unter möglichst geringem
Druck steht und in der zweitens ein elektrisches Drehfeld eine Drehbewegung des
aufsteigenden Metalls hervorruft. Zu diesem Zweck ist in die Drehfeldform ein Zylinder
i aus porösem Magnesit eingesetzt, der für das flüssige Metall vollkommen undurchläss,'g,
dagegen für Gase genügend durchlässig ist. Die Wirkungsweise der Drehgießform, die
im übrigen analog den in den Fig. i bis e1 dargestellten Gießformen ausgebildet
ist, ist aus den Fig. 7 und 8 genügend zu erkennen.
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Alle vorbeschriebenen Anordnungen bieten die Möglichkeit, sowohl .
durch Anwendung des elektrischen Di7 eh- und Mischgießverfahrens allein, als in
Verbindung mit de: Vakuumbehandlung gewöhnlichen Siemens-Martin-Stahl auf die Güte
von Elektrostahl oder Tiegelstabl zu bringen. Doch wird der Erfolg mit den vorbeschriebenen
Anordnungen auf einfachere Weize und mit ge ingerem Aufwand von Kosten erzielt.
Selbstverständlich sind die vorbeschriebenen G@eßfo-men und Mischer mit ebensogutem
Erfolge anzuwenden, wenn es sich um Schmelzen und gleichzeitiges- Mischen verschiedener
anderer Metalle, z. B, Kupfer und Zink, zur Herstellung von Legierungen (Messing,
Bronze) handelt.