DE3405120A1

DE3405120A1 - Kernloser induktionsofen mit distanzmitteln zwischen den induktionsspulen-windungen

Info

Publication number: DE3405120A1
Application number: DE19843405120
Authority: DE
Inventors: Lorenz 5108 Monschau Voss
Original assignee: Otto Junker GmbH
Current assignee: Otto Junker GmbH
Priority date: 1984-02-14
Filing date: 1984-02-14
Publication date: 1985-08-22
Also published as: SE457285B; US4622679A; JPS60248986A; FR2559573B1; IT1182180B; GB2154409A; IT8547645A0; DE3405120C2; SE8500667D0; FR2559573A1; JPH0463995B2; GB8503551D0; GB2154409B; SE8500667L; IT8547645A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen kernlosen Induktionsofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder Behandeln von Metall bzw. Metallschmelzen, insbesondere im Vakuum oder unter überdruck, mit einer gekühlen Induktionsspule, die zusammen mit zwischen ihren Windungen befindlichen Zwischenlagen aus einem flexiblen, gasdichten Werkstoff, z.B.

Gummi, einen Teil einer äußeren, gasdichten Umhüllung des Ofentiegels bildet, wobei die Induktionsspule und die Zwischenlagen von einer Verspanneinrichtung in axialer Richtung der Induktionsspule zusammengepreßt werden.

Ein derartiger Induktionsofen ist z.B. aus der DE-PS 496 462 bekannt. Um das Innere des Ofentiegels gasdicht abzuschließen, sind zwischen den Windungen der Induktionsspule die aus beispielsweise Gummi bestehenden Zwischenlagen vorgesehen. Die gesamte aus Spulenwindungen und Zwischenlagen bestehende Anordnung wird bei dem bekannten Induktionsofen mittels einer Zugankeranordnung zusammengepreßt, wobei die Zuganker an einer unteren und einer oberen Platte auf beiden Stirnseiten der Induktionsspule angreifen. Da der Druck, mit dem Spule und Zwischenlagen zusammengepreßt werden, zur Erzielung einer gasdichten Umhüllung des Ofentiegels beträchtlich ist, wirken in den aus flexiblem Werkstoff bestehenden Zwischenlagen beträchtliche Kräfte. In der Praxis ist es praktisch unmöglich, diese Kräfte so zu beherrschen, daß ausschließlich axiale Kräfte wirken, sondern es kommt unvermeidlich zu einer unterschiedlichen Belastung der Zwischenlagen an verschiedenen Stellen sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung der Spule. Diese ungleichmäßige Kräfteverteilung führt dazu, daß radial gerichtete Kräfte auftreten, welche bewirken, daß Teile der Induktionsspule mit den Zwischenlagen seitlich auswandern. Um

einem derartigen Problem zu begegnen, ist z.B. in der DE-PS 24 20 633 vorgeschlagen, bei einem Induktionsofen ähnlich der eingangs beschriebenen Gattung auf der Außenseite der Spule über den Spulenumfang in regelmäßigen Abständen verteilte Jocheisen vorzusehen, die erstens zur Feldrückführung dienen und zweitens die Spule an den Ofentiegel andrücken. Allerdings läßt sich durch diese Maßnahme nicht erreichen, daß die auf die Zwischenlagen aus flexiblem Werkstoff einwirkenden Kräfte gleichmäßig in den Zwischenlagen verteilt sind. Vielmehr wurde beobachtet, daß sich die Kräfte mehr oder weniger unregelmäßig verteilen, was zur Folge hat, daß an bestimmten Stellen, wo nur geringe Druckkräfte auftreten, ein gasdichtes Abschließen nicht möglich ist. An einigen Stellen der Zwischenlagen herrscht ein erheblicher axialer Druck, der das Material der Zwischenlagen erheblich beansprucht, und an anderen Stellen herrscht ein nur sehr geringer Druck, der zum gasdichten Abschließen der Ofenanordnung nicht ausreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kernlosen Induktionsofen der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein im wesentlichen gleichmäßiger Druck in den zwischen den einzelnen Spulenwindungen befindlichen Zwischenlagen gewährleistet ist.

Bei einem Induktionsofen der eingangs genannten Gattung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zusätzlich zu den Zwischenlagen Distanzmittel zwischen den einzelnen Windungen vorgesehen sind.

Die Distanzmittel, die zweckmäßigerweise eine geringere axiale Höhe aufweisen als die betreffende Zwischenlage, definieren exakt diejenige Höhe, die die zugehörige Zwischenlage in ihrem zusammengepreßten Zustand einnimmt.

Auf diese Weise wird absolut sichergestellt, daß die Zwischenlagen an sämtlichen Stellen gleichmäßig stark zusammengepreßt werden. Hierdurch wird erreicht, daß an sämtlichen Stellen der Induktionsspule eine völlig gasdichte Umhüllung für den Ofentiegel geschaffen wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Zwischenlagen nur einen Teil der einander zugewandten Flächen der Spule abdecken, während der verbleibende Teil von den Distanzmitteln belegt ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die aus flexiblem Material bestehenden Zwischenlagen im wesentlichen in dem Bereich zwischen innerem Windungsrand und Spulenleitermitte angeordnet sind, während die Distanzmittel sich hauptsächlich in den äußeren Bereichen der Windungszwischenräume befinden. Wenn sich die Anordnung während des Betriebs des Ofens erwärmt, dehnt sich je nach Materialbeschaffenheit der Werkstoff der Zwischenschichten aus. Durch die oben angegebene erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, daß eine Erwärmung des Materials der Zwischenschichten, d.h. des Abdichtmittels, eine Erhöhung des Anpreßdrucks dieses Abdichtmittels gegen die es umgebenden Teile zur Folge hat.

Zwar ist aus der US-PS 4 152 187 ein Induktionsofen bekannt, bei dem zwischen den einzelnen Spulenwindungen aus Isolierstoff bestehende Streifen vorgesehen sind, die man als Distanzmittel bezeichnen könnte, jedoch unterscheidet sich die dortige Anordnung von öfen der gattungsgemäßen Art dadurch, daß zwischen den einzelnen Spulenwindungen keine aus elastischem Material wie z.B. Gummi bestehende Zwischenlagen vorgesehen sind, die die Aufgabe haben, den Ofentiegel gasdicht abzuschließen. Vielmehr ist für ein gasdichtes Abschließen des Ofentiegels ein Mantel vorgesehen, der sich zwischen der Außenwand des Tiegels und

den Innenseiten der Induktionsspulen-Windungen und der Isolierstoff-Streifen befindet. Dieser Abdicht-Mantel besteht aus einem verstärkten elastischen Material, welches sich in die Unebenheiten der Isolierstoff-Streifen eindrückt. Diese Anordnung ist also mit der erfindungsgemäßen Lösung des Problems der Gasundichtigkeit nicht vergleichbar.

Besonders günstig erweist sich die erfindungsgemäße Maßnahme bei einem Induktionsofen, bei dem die Spule von außen radial abgestützt ist, insbesondere mit Hilfe von zur Feldrückführung dienenden Jochen. Eine derartige An-Ordnung ist an sich aus der oben erwähnten DE-PS 24 20 bekannt. In Verbindung mit den erfindungsgemäßen Distanzmitteln haben die Joche die vorteilhafte Wirkung, daß eine völlig verschiebungsfreie und symmetrische Induktionsspule mit an sämtlichen Stellen gleichmäßig dichten Zwischenlagen erhalten wird.

Um das abdichtende Material der Zwischenlagen vor einer zu starken Erwärmung zu schützen, sieht die Erfindung vor, daß zwischen den Windungen der Spule auf der dem Tiegel zugewandten Seite eine Schnur aus feuerfestem Material (z.B. Asbest) angeordnet ist. Diese Schnur gewährleistet, daß das Abdichtmaterial nicht durch zu starke Wärmeeinwirkung beschädigt wird und dadurch die Dichtungsfähigkeit verliert. Die Induktionsspule kann eine Umhüllung oder Beschichtung aus Isolierstoff aufweisen, und zusätzlich oder alternativ können die Distanzmittel aus elektrisch isolierendem Material bestehen.

Theoretisch ist es möglich, die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch zu lösen, daß z.B. in relativ großen Abständen kleine Distanzscheiben oder dgl. zwischen die einzelnen Spulenwindungen gelegt werden. Vorzugsweise ist jedoch

vorgesehen, daß die Distanzmittel aus Distanzstücken bestehen, die abschnittsweise entweder direkt aneinander anschließend oder mit Abstand voneinander angeordnet sind. Derartige Distanzstücke ermöglichen die Herstellung einer ununterbrochenen, wendeiförmigen Lage zwischen den Induktionsspulen-Windungen, wobei sich die einzelnen Distanzstücke leicht montieren lassen. Eine nicht ganz so günstige Ausführungsform sieht dagegen vor, daß die Distanzmittel aus einem einzigen durchgehenden, bandähnlichen und wendeiförmigen Strang bestehen. Theoretisch könnten die Distanzmittel bei isoliertem Spulenleiter aus leitendem Material bestehen, vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, daß sie aus gewebeverstärktem Kunststoff oder aus Glimmer mit Bindemittel bestehen.

Zur weiteren Verbesserung und Erhaltung der Gasdichtigkeit schlägt die Erfindung vor, daß eine auf der Innenseite der Spule vorgesehene Wärmedämmschicht, insbesondere aus keramischem Material wie z.B. feuerfestem Beton verwendet wird.

Für die abdichtenden Zwischenlagen kommen verschiedene Materialien in Betracht, so z.B. auch Kitt, vorzugsweise jedoch bestehen die Zwischenlagen aus Gummi oder plastischem Kunststoff.

Insbesondere bei derartigen Dichtmaterialien wird eine besonders gute Abdichtung erzielt, wenn in nicht-zusammengepreßtem Zustand der Spulenanordnung das Verhältnis der Höhe von Zwischenlagenmaterial und Distanzmitteln in axialer Richtung der Spule betrachtet - zwischen 2:1 und 1,2:1 liegt, vorzugsweise etwa 5:3,5 beträgt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Induktionsofens,

Fig. 2 einen radialen Schnitt eines Teils der Induktionsspule des in Fig. 1 gezeigten Induktionsofens,

Fig. 3 einen radialen Schnitt durch die Induktionsspule des Ofens nach Fig. 1 mit einer Spulenverspannvorrichtung, und

Fig. 4 eine teilweise Draufsicht auf die Unterseite der Spulenanordnung des Ofens nach Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte kernlose Vakuum-Induktionsofen 1 ist auf einem aus einer Stahlkonstruktion gebildeten Ofenunterteil 2 gelagert. Der Ofen 1 enthält einen mit einer Gießöffnung 3 ausgestatteten Ofentiegel 4, der eine aus einer feuerfesten Stampfmasse bestehende Auskleidung 5 besitzt. In dem Tiegel 4 wird unter Vakuum Metall geschmolzen und/oder warmgehalten.

Um in dem Ofen ein Vakuum erzeugen zu können, muß der gesamte Ofeninnenraum gasdicht abgeschlossen werden. Hierzu ist der Ofenoberteil 6 mit einer aus Stahl bestehenden Deckelhaube 7 ausgestattet, die mit einer in einem U-Profil gehaltenen Gummidichtung an ihrem Rand auf einem Ringflansch 9 dicht aufliegt, wobei der Ringflansch 9 auf einen ringförmigen Träger 10 aufgeschweißt ist, welcher seinerseits auf die Außenseite einer oberen Stahl-Ummantelung 11 geschweißt ist. Zwischen dieser oberen Stahl-Ummantelung 10 und der Auskleidung 5 befindet sich eine Wärmeisolationsschicht 12. Die Oberseite des Tiegels 4 ist von einem Deckel 13 aus Keramikmaterial abgedeckt.

Auf der Außenseite des unteren Bereichs des Tiegels 4 befindet sich eine unten noch zu beschreibende Ummantelung 14, die in erster Linie zur Wärmeisolation dient.

Der untere Bereich des Tiegels 4, in welchem sich das zu schmelzende oder geschmolzene Metall befindet, ist von einer durchgehend von einem Kühlmittel durchflossenen

Induktionsspule 15 umgeben. In axialer Richtung des Tiegels und der Induktionsspule 15 schließen sich an letztere eine untere Vakuumabdichtung 16 und eine obere Vakuumabdichtung 17 an. Die Induktionsspule ist in an sich be- IQ kannter Weise (DE-PS 24 20 533) unterteilt in einen aktiven, stromdurchflossenen Spulenteil 15a und einen oberen und einen unteren, nicht von Strom durchflossenen Spulenteil 15b bzw. 15c. Die Spulenteile 15b und 15c dienen vornehmlich als Kühlspulen.

Über den Umfang des Ofens in gleichmäßigen Winkelabständen verteilt befinden sich Abstützsäulen 18, die den oberen mit dem unteren Ofenteil verbinden. Diese Abstützsäulen halten mittels Zwischengliedern 19 ebenfalls in gleichmäßigen Abständen über den Umfang des Ofens verteile Joche 20 von außen gegen die Induktionsspule 15. Die Joche 20 bestehen z.B. aus gestapelten Eisenlamellen. Die Joche dienen mithin sowohl zur Feldrückführung als auch'zum radialen Abstützen der Induktionsspule 15.

Die unten näher erläuterte Induktionsspule 15 besteht

aus mehreren Windungen, zwischen denen sich den Vakuumofen gasdicht abschließende Zwischenlagen befinden. Diese aus Spulenleiter und Zwischenlage befindliche Anordnung gO wird durch eine Spulenverspannanordnung 21 in radialer Richtung der Spule zusammengefaßt. Die Spulenverspannvorrichtung ist in Fig. 1 schematisch und in Fig. 3 im einzelnen dargestellt.

gg Fig. 4 zeigt eine Teilansicht der Ofenanordnung von unten. Man erkennt zwei benachbarte Joche 20 mit einem dazwischen befindlichen Zuganker.

Fig. 2 zeigt die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutsame Ausbildung der Induktionsspule als gasdicht abschließendes Element, welches den Ofentiegel 4 umgibt. Fig. 2 zeigt einige Windungen eines Spulenleiters 150, der einen Kühlkanal 151 kreisförmigen Querschnitts aufweist, der z.B. von Kühlwasser durchströmt wird. Von der in Fig. 1 schematisch dargestellten Spulenverspannvorrichtung 21 werden die einzelnen Windungen des Spulenleiters 150 gegenexnandergepreßt, wobei ihre Endlage definiert wird durch die Dicke von hier aus Glimmer bestehenden Distanzstücken 152. Die Distanzstücke 152 sind streifenähnliche Stücke, die sich z.B. über 90° der An-Ordnung erstrecken, so daß vier Distanzstücke einer Windung entsprechen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 befinden sich die Distanzstücke 152 direkt anschließend nebeneinander, so daß ein durchgehender Distanzstreifen gebildet wird. In radialer Richtung des Ofens gesehen nehmen die Distanzstücke 152 den äußeren Bereich der Spule ein, also hauptsächlich den Bereich rechts von der Spulenleitermitte M (Fig. 2). Auf der dem Tiegel zugewandten Seite schließen an die Distanzstücke 152 eine flexible Zwischenlage 153 und eine aus feuerfestem Material, z.B. Asbest bestehende Schnur 154 an. Die Schnur 154 schützt die aus Gummi bestehende Zwischenlage vor Beschädigung durch übermäßige Wärmeeinwirkung. Zwischen der Induktionsspule

gQ und der Auskleidung 5 befindet sich die aus einer Wärmeisolationsschicht 141 und einer aus feuerfestem Beton bestehenden Schicht 142 bestehende Umkleidung 14.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind sowohl die Zwischenlage 153 als auch die Schnur 154 im Querschnitt etwa oval. Vor dem Zusammenpressen der Induktionsspule hatten die Zwischenlage und die Schnur etwa kreisförmigen Quer-

schnitt. Man erkennt, daß aufgrund der hier aus Glimmer mit Bindemittel bestehenden Distanzstücke 152 das Ausmaß des Zusammenpressen der Zwischenlage 153 und der Schnur 154 exakt definiert ist. Die zusammengepreßten Teile werden also bei überall gleich dicken Distanzmitteln an allen Stellen gleichmäßig stark zusammengedrückt.

Wie Fig. 3 zeigt, schließen an die untere Vakuumabdichtung 16 und die obere Vakuumabdichtung 17 jeweils ein Ausgleichsring 24 bzw. 23 an, an denen zwei Haken 212 und 213 eines Zugankers 211 angreifen. Mittels einer Mutter 214 können die Haken aufeinander zubewegt werden, um die Induktionsspule mit den eingelegten Zwischenlagen und Distanzmitteln zusammenzupressen.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel bestehen die Distanzstücke 152 aus Glimmer mit Bindemittel, sie können jedoch auch aus Kunstharz mit einer darin eingebetteten GewebeverStärkung bestehen. Die Zwischenlage kann entweder aus Gummi oder aus einem geeigneten Kunststoff bestehen. Im nicht-zusammengepreßten Zustand haben die Schnur 154 und die Zwischenlage 153 einen kreisrunden Querschnitt von etwa 5 mm Durchmesser. Im zusammengepreßten Zustand beträgt die Höhe dieser Teile entsprechend der Höhe der Distanzstücke 153 noch etwa 3,5 mm. Der Spulenleiter 150 ist gemäß Fig. 2 nicht isoliert. Statt dessen kann der Spulenleiter jedoch auch eine aus Isoliermaterial bestehende Beschichtung oder Umhüllung aufweisen. In einem solchen Fall müssen die zwischen den einzelnen Windungen des Spulenleiters befindlichen Teile, insbesondere die Distanzstücke, nicht unbedingt aus Isolierstoff bestehen, sondern können grundsätzlich auch aus einem leitenden Material bestehen, obschon Isolierstoff bevorzugt wird.

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Claims

P A-T £ N T.A JN.yV Ä.lrTJS DR.-ING. W. STUHLMANN - DIPL-ING. R. WILLERT DR.-ING. P. H. OIDTMANN AKTEN-NR. 7^/30807 4β3Ο BOCHUMI. PoatsohllaBfaoh 10 34-50 Ihr Zeichen BargstraS· 15S Farnruf Ο234 / 819 B7 Tatagr. Stuhlmannpatant Otto Junker GmbH τβίβχ eae 301 «wop d 5107 Simmerath-Lammersdorf Kernloser Induktionsofen mit Distanzmitteln zwischen den Induktionsspulen-Windungen Patentansprüche

1. Kernloser Induktionsofen zum Schmelzen, Warmhalten und/oder Behandeln von Metall bzw. Metallschmelzen insbesondere im Vakuum oder unter überdruck, mit einer gekühlten Indunktionsspule, die zusammen mit zwischen ihren Windungen befindlichen Zwischenlagen aus einem flexiblen, gasdichten Werkstoff, z.B. Gummi, einen Teil einer äußeren, gasdichten Umhüllung des Ofentiegels bildet, wobei die Induktionsspule und die Zwischenlagen von einer Verspanneinrichtung in axialer Richtung der Induktionsspule zusammengepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Zwischenlagen (153) Distanzmittel (152) zwischen den einzelnen Windungen (150) vorgesehen sind.

2. Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenlagen (153) nur einen Teil der einander 'zugewandten Flächen der Spule (15) abdecken, während der verbleibende Teil von den Distanzmitteln (152) belegt ist. - ·

3. Induktionsofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die aus flexiblem Material bestehenden Zwischenlagen im wesentlichen in dem Bereich zwischen innerem Windungsrand und Spulenleitermitte (M) angeordnet

sind, während die Distanzmittel (152) sich hauptsächlich in dem äußeren Bereich der Windungszwischenräume befinden.

4. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule von außen radial abgestützt ist, insbesondere mit Hilfe von zur Feldrückführung dienenden Jochen (20).

5. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Windungen der Spule (15) auf der dem Tiegel (4) zugewandten Seite eine Schnur (154) aus feuerfestem Material, z.B. Asbest, angeordnet ist.

6. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule (15) eine Umhüllung oder Beschichtung aus Isolierstoff aufweist.

7. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Distanzmittel (152) aus elektrisch isolierendem Material bestehen.

8. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Distanzmittel aus Distanzstücken (152) bestehen, die abschnittsweise entweder direkt aneinander anschließend oder mit Abstand voneinander angeordnet sind.

9. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Distanzmittel aus einem einzigen durchgehenden, bandähnlichen und wendeiförmigen Strang bestehen.

10. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Distanzmittel aus gewebeverstärktem Kunststoff oder aus Glimmer mit Bindemittel bestehen.

11. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine auf der Innenseite der Spule (15) vorgesehene Wärmedämmschicht (14, 141, 142), insbesondere aus keramischem Material wie z.B. feuerfestem Beton.

12. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenlagen (153) durch einen Strang aus Gummi oder plastischem Kunststoff gebildet werden.

13. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß in nicht-zusammengepreßtem Zustand der Spulenanordnung (15) das Verhältnis der Höhe von Zwischenlagenmaterial und Distanzmitteln - in axialer Richtung der Spule betrachtet - zwischen 2:1 und 1,2:1 liegt, vorzugsweise
etwa 5:3,5 beträgt.