DE4008007A1 - Induktions-heizofen zum schmelzen von metall - Google Patents
Induktions-heizofen zum schmelzen von metallInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionsofen zum Schmelzen
von Metall z. B. mit Hilfe eines Tiegels oder einer Rinne, in dem bzw. der
das Metall durch eine Induktionsheizung geschmolzen und das sich ergebende,
geschmolzene Metall auf der erwünschten Temperatur gehalten wird.
Ein bekannter Induktionsofen, in dem Metall geschmolzen wird, weist
einen Körper aus einem feuerfesten Material auf, der von einer Induktions
spule umschlossen wird. Falls dieser bekannte Ofenkörper platzt, kann das
geschmolzene Metall aussickern und mit der Induktionsspule in Berührung kom
men, wodurch somit ein großer Unglücksfall entsteht. Um diesen wahrzunehmen,
ist der Induktionsofen in typischer Weise mit einer das Aussickern von ge
schmolzenem Metall wahrnehmenden Einheit versehen.
Derartige Einheiten, die das Aussickern von geschmolzenem Metall wahr
nehmen, sind in den japanischen Gebrauchsmuster-Anmeldungen Nr. 1 01 792/1988
und 1 59 892/1984, in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1 82 568/1987 und in
der veröffentlichten japanischen Gebrauchsmuster-Anmeldung Nr. 7278/1983
erläutert.
Ein typisches Beispiel der gebräuchlichen Einheiten, die das Aussickern
von geschmolzenem Metall wahrnehmen, sei unter Bezugnahme auf Fig. 4 be
schrieben. Wenn der tiegelförmige Körper 1 des Induktionsofens aus feuer
festem Material abnorm beschädigt wird oder bricht, sickert aus ihm ge
schmolzenes Metall 3 aus, was, wie folgt, angezeigt wird. In dem Boden des
Körpers 1 ist eine erste Elektrode 4 derart angeordnet, daß sie mit dem ge
schmolzenen Metall 3 in Berührung steht. Eine zweite Elektrode 5 aus Alumi
nium- oder rostfreier Stahlfolie ist zwischen einer um den Körper 1 gewic
kelten Induktionsspule 2 und der Außenfläche einer wärmeisolierenden Schicht
untergebracht, die die äußere, zylindrische Wand des Körpers 1 bedeckt. Au
ßerhalb des Körpers 1 wird eine vorgegebene Spannung zwischen den beiden
Elektroden 4 und 5 angelegt. Falls das geschmolzene Metall 3 aus dem Körper
1 durch Risse oder dgl. aussickert und mit der zweiten Elektrode 5 in Berüh
rung kommt, entsteht eine Strombahn zwischen den beiden Elektroden 4 und 5
über das geschmolzene Metall 3. Dieser zwischen den beiden Elektroden flie
ßende Strom wird somit an einem Strommesser 6 wahrgenommen. Mit anderen Wor
ten gesagt, gibt der Ausschlag des Strommessers 6 das Vorhandensein eines
Lecks an. In Abhängigkeit von der Anzeige wird ein hörbares Warnsignal er
zeugt.
Obgleich sich diese Erfindung teilweise auf das oben erläuterte Anzei
ge-Verfahren für Lecks von geschmolzenem Metall bezieht, betrifft sie insbe
sondere eine Ofenbautechnik, durch die die obigen Leckanzeige-Maßnahmen un
nötig werden und als veraltet gelten. Der Körper des Ofens wird durch Sin
tern eines gußfähigen, feuerfesten Materials in der folgenden Weise herge
stellt. Zuerst wird eine Spulenanordnung durch einen Überzug auf Induktions
spulen auf solch eine Weise ausgebildet, daß sie gegeneinander und ge
gen Erde isoliert sind. Auf der Innenseite der so ausgebildeten Spulenan
ordnung wird ein körniges, feuerfestes Material, das zum Pressen vorgesehen
sein kann, aufgebracht und dann durch Stampfen gehärtet, um einen Ofenboden
zu bilden. Wenn eine Metallform auf den Ofenboden gesetzt ist, wird ein ähn
liches, zum Pressen vorgesehenes Material durch Stampfen gehärtet, um die
Seitenwand des Ofenkörpers zu bilden. Danach werden eine Metallform und ge
mahlenes Metall in den Ofenkörper gebracht. Nach dem Sintern mit einem Bren
ner bei einer niedrigen Temperatur wird das gemahlene Metall durch eine In
duktionsheizung mit Hilfe der erregten Spule geschmolzen, wodurch das zum
Pressen vorgesehene Material in dem Ofen sintert. In diesem Fall wird die
Metallform mit dem gemahlenen Metall zusammengeschmolzen; es kann auch eine
Metallform mit einem hohen Schmelzpunkt benutzt werden, die schließlich ent
fernt und erneut verwendet werden kann.
Ein bekanntes Verfahren zum Aufbau eines Ofens dieser Art ist in der
veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 53 190/1981 erläutert. In
dem Verfahren wird Boroxid (B2O2) als Sintermaterial für ein zum Pressen
vorgesehenes Material aus Siliciumdioxid benutzt; daher ist die nachteilige
Wirkung eines Wassergehaltes, also eine Wasserentzugs-Reaktion während des
Sinterns ausgeschaltet - verglichen mit dem bekannten Verfahren, bei dem
Borsäure (H3BO3) Anwendung findet.
Selbst wenn der Schaden am Körper eines Ofens, bei dem das bereits be
schriebene Verfahren zur Wahrnehmung des Aussickerns von geschmolzenem Me
tall angewendet wird, nicht wesentlich ist, entweicht während des Ofenbe
triebes aus den Poren des Ofenkörpers gelegentlich Wasserdampf, der in dem
feuerfesten Material des Ofenkörpers (z. B. im natürlichen Siliciumdioxid)
vorhanden ist, oder Metalldampf, wenn die zu sinternden Metallknüppel aus
einem Material von tiefem Schmelzpunkt sind, (z. B. aus Blei oder Zink, aus
mit Zink plattierten Eisenplatten oder aus einer Zink-Kupfer-Legierung).
Selbst wenn der Ofenkörper keine wesentlichen, sondern nur geringfügige
Leckverluste von Wasser- oder Metalldampf aufweist, und selbst wenn die pe
ripheren Bestandteile des Ofenkörpers, insbesondere die Induktionsspule
nicht nachteilig beeinflußt werden, kommt es vor, wie aus der obigen Be
schreibung hervorgeht, daß geschmolzenes Metall aussickert, so daß sich ei
ne unnötige Ofenreparatur ergeben kann. Wie oben erläutert, wird der Ofen
körper dadurch hergestellt, daß körniges, feuerfestes Material durch Stamp
fen gehärtet wird. Dementsprechend weist der Ofenkörper eine Anzahl Poren
auf. Daher geht manchmal der Dampf eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt
(z. B. Blei oder Zink) durch die Poren hindurch, sogar wenn sich der Ofen
körper im Normalzustand befindet, wodurch die Hilfsmittel zur Wahrnehmung
von Lecks fehlerhafte Anzeigewerte liefern.
Bei dem oben erläuterten, bekannten Verfahren zur Konstruktion eines
Ofens entsteht durch die Entwässerung des Bors keine Feuchtigkeit. Bei Ver
wendung von Materialien zum Stampfen z. B. aus Siliciumdioxid, Magnesium
oxid, Mullit und Spinell wird wegen des in ihnen enthaltenen Wassers Wasser
dampf erzeugt. Wenn während des Sinterns die Menge erzeugten Dampfes und die
Menge des abgegebenen Dampfes starke Unterschiede voneinander annehmen, dann
werden in dem feuerfesten Material Hohlräume ausgebildet. Die sich ergebende
Struktur hat eine geringe Feuerfestigkeit. Folglich ist eine schnelle Tempe
raturzunahme der Metallform begrenzt.
Dementsprechend ist ein Induktionsofen Ziel der Erfindung, bei dem
Dampf eines Metalls von niedrigem Siedepunkt nicht durch die Ofenwand hin
durchgeht und ein Aussickern geschmolzenen Metalls verhindert wird, falls in
der Ofenwand ausgebildete Risse nicht umfangreich sind.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist ein Induktionsofen, dessen Konstruk
tion eine hohe Feuerfestigkeit besitzt, während die zum Bau des Ofens erfor
derliche Sinterzeit vermindert wird.
Die vorangehenden und weiteren Ziele der Erfindung werden von einem
Induktionsofen erreicht, der gemäß der Erfindung die folgenden Bestandteile
enthält: einen Ofenkörper mit einer Wand, die durch Sintern eines gußfähi
gen, feuerfesten Materials gebildet ist, und in der Gasdurchgänge ausgebil
det sind, und mit einer gemeinsamen Leitung, die die Gasdurchgänge verbin
det, und mit einer Gasfördereinheit, die außerhalb der Ofenwand vorgesehen
ist.
In dem Ofen kann eine feine Gassperrschicht vorgesehen sein, um die
Gasdurchgänge zu umschließen.
In dem Ofen können die Gasdurchgänge aus mehreren Röhren bestehen; je
de Röhre kann dabei zahlreiche kleine Löcher aufweisen, die in der Ofenwand
eingebettet sind. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Gasdurchgänge
aus zahlreichen Rinnen aufgebaut, die an der Innenfläche einer feinen Gas
sperrschicht ausgebildet sind; in die Rinnen sind poröse Blätter eingepaßt.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Gasdurchgänge in einem porösen
Festkörper ausgebildet.
Während des Betriebes des Induktionsofens gemäß der Erfindung werden
die Gasdurchgänge von der Gasfördereinheit, z. B. einem Kompressor über die
Verbindungsröhre unter Druck gesetzt, was zu einer Zunahme des Innendruckes
in der porösen Ofenwand führt. Hierdurch wird ein Entweichen von Metalldampf
oder ein Aussickern geschmolzenen Metalls verhindert. Falls der Ofen mit
einer Vorrichtung zur Wahrnehmung dieses Aussickerns versehen ist, werden
falsche Leckanzeigen dieser Vorrichtung unterbunden. Wenn nötig, können sol
che Vorrichtungen entfallen. In diesem Fall wird die Ofenwand visuell auf
Schäden geprüft, wenn das geschmolzene Metall abgegeben wird, um festzu
stellen, ob eine Reparatur des Ofens notwendig ist oder nicht.
Beim Bau des Ofens wird von der Gasfördereinheit, z. B. einer Vakuum
pumpe, der Wasserdampf aus dem Ofenkörper entfernt. Hierdurch wird die Bil
dung von Hohlräumen in der Ofenwand ausgeschaltet, wodurch zu der Herabset
zung der Sinterzeit ein Beitrag geleistet wird.
Die Gassperrschicht, die die Gasdurchgänge umgibt, die in der Ofenwand
ausgebildet sind, blockiert den Innendruck an der Außenfläche der Ofenwand;
folglich wird die Wirkung der Gasdurchgänge gesteigert und die Menge des ge
rade in Benutzung befindlichen Gases verringert. Im Falle, daß die Gasdurch
gänge Röhren oder Rinnen sind, können diese zusätzlich in großen Intervallen
bezüglich des Abstandes zwischen der Innenfläche der Ofenwand und den Röhren
oder Rinnen angeordnet werden.
Die Art, die Grundzüge und die Gebrauchsfähigkeit der Erfindung gehen
einleuchtender aus der folgenden, ausführlichen Beschreibung hervor, wenn
sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird; dabei wer
den gleiche Teile durch dieselben Bezugsnummern oder -zeichen bezeichnet.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht und zeigt eine erste Ausführungsform
eines Induktionsofens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt einen Abschnitt aus
dem in Fig. 1 veranschaulichten Induktionsofen;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt einen Ausschnitt
einer zweiten Ausführungsform des Induktionsofens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 4 ist ein Querschnitt durch einen bekannten Induktionsofen.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug
nahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert, in denen die Komponenten, die funk
tionsmäßig mit den bereits in Verbindung mit Fig. 4 erläuterten überein
stimmen, mit denselben Bezugsnummern oder -zeichen bezeichnet sind.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist eine Induktionsspule 2 auf
einer feinen Gassperrschicht 11 um einen porösen Ofenkörper 1 herumgewic
kelt. Die Gassperrschicht 11 ist aus einem hitzebeständigen Material, z. B.
aus einer geformten Zementplatte, hergestellt. Der Ofenkörper 1 wird durch
Sintern eines körnigen, feuerfesten Materials aus Siliciumdioxid, Magnesium
oxid, Aluminiumoxid oder Spinell hergestellt. Über der Induktionsspule 2
ist ein Joch 12 vorgesehen. Die so ausgebildete Anordnung wird auf einem
Fußboden 13 aus Ziegeln aufgestellt.
Innerhalb der Wand 1 a des Ofenkörpers 1 stehen mehrere Röhren 15 aus
Metall oder Keramik mit einer Anzahl kleiner Löcher 14 mit der Gassperr
schicht 11 in Kontakt. Die Röhren 15 sind durch ein gemeinsames Rohr 16 mit
einer Gasfördereinheit 17, z. B. einem Kompressor oder einer Vakuumpumpe,
die außerhalb des Ofens aufgebaut ist, verbunden.
Während der Arbeit des Ofens führt die Gasfördereinheit 17 Gas durch
das gemeinsame Rohr 16 in die Röhren 15 hinein, die in der Ofenwand 1 a ein
gebettet sind, wodurch der Druck in den Röhren 15 und über die kleinen Lö
cher 14 in der Ofenwand 1 a zunimmt. Durch diesen vergrößerten Druck in der
Ofenwand 1 a wird ein Entweichen von Metalldampf oder ein Aussickern ge
schmolzenen Metalls aus der Ofenwand 1 a verhindert. Dementsprechend ergeben
die Vorrichtungen (nicht gezeigt), die ein Aussickern geschmolzenen Metalls
wahrnehmen, keine fehlerhafte Anzeige. In einigen Fällen können solche Vor
richtungen zur Wahrnehmung ausgeschaltet werden. Wenn das geschmolzene Me
tall abgegeben worden ist, kann in diesem Fall die Ofenwand 1 a visuell auf
Schäden überprüft werden, um zu bestimmen, ob ein Neubau des Ofenkörpers not
wendig ist oder nicht.
Beim Aufbau des Ofenkörpers kann die Gasfördereinheit 17 dazu benutzt
werden, um von der Ofenwand 1 a eingefangenen Wasserdampf zu beseitigen, was
eine Verminderung der erforderlichen Sinterzeit bedingt.
Da die Gassperrschicht 11 bei dieser Arbeitsweise die in der Ofenwand
1 a eingebetteten Röhren 15 umgibt, wird der Innendruck der Ofenwand 1 a durch
die Gassperrschicht 11 blockiert, wodurch die zur Verwendung kommende Gas
menge möglichst klein gehalten werden kann. Aus demselben Grund können die
Röhren 15 zusätzlich in großen Intervallen im Vergleich zu dem Abstand zwi
schen der Innenfläche der Ofenwand und den Röhren 15 angeordnet sein.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 gezeigt
ist, ist eine Gassperrschicht 11 a aus Spulenzement zwischen der Induktions
spule 2 und der Ofenwand (nicht gezeigt) vorgesehen. In der inneren Umfangs
fläche der Gassperrschicht 11 a sind zahlreiche Rillen 31 ausgebildet, von
denen einige vertikal und andere horizontal verlaufen. In die Rillen werden
poröse Blätter eingeführt, die aus gewebten Graphitfasern oder dgl. ausge
bildet sind, um Gasdurchgänge vorzusehen. Wie oben beschrieben, weist die
erste Ausführungsform mehrere in den Ofenwänden eingebettete Röhren 15 auf.
Bei der zweiten Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, sind mehrere
Rillen 31 in der Wand ausgebildet, in denen die porösen Blätter eingefügt
sind. Daher kann die zweite Ausführungsform leichter und schneller herge
stellt werden.
Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung (nicht veranschaulicht)
wird ein poröser Festkörper aus rostfreier Stahlwolle oder dgl. über die
zylindrische Außenfläche der Ofenwand 1 a zur Bildung der Gasdurchgänge ge
legt. Der Endabschnitt des gemeinsamen Rohres 16, das mit der Gasförderein
heit verbunden ist, wird dann in den porösen Festkörper eingeführt.
Nun sei auf Fig. 3 zurückgekommen; an der Stelle der porösen Blätter
kann der obengenannte poröse Festkörper in die Rillen 31 eingeführt werden.
Bei den oben erläuterten Ausführungsformen kann der Innendruck der Ofen
wand so weit gesteigert werden, daß das Entweichen von Metalldampf oder ein
Aussickern von geschmolzenem Metall blockiert wird. Andererseits kann der
Ofenkörper aus einem feuerfesten Material von größerer Korngröße hergestellt
werden, um durch die Innenfläche der Ofenwand Gas abzugeben. Hierdurch wird
ein Hängenbleiben von Schlacke an der Innenfläche der Ofenwand verhindert.
In diesem Fall wird die Schlacke mit dem Gas schwebend gehalten. Falls hier
Sauerstoffgas benutzt wird, dann kann in diesem Fall ferner das geschmolzene
Metall von Kohlenstoff befreit oder entgast werden.
Wie bereits beschrieben wurde, werden bei dem Induktionsofen gemäß der
vorliegenden Erfindung die Gasdurchgänge in der porösen Ofenwand ausgebil
det, die durch Sintern eines gußfähigen, feuerfesten Materials entstehen;
die Rohrverbindungen mit den Gasdurchgängen sind dabei mit der Gasförderein
heit verbunden, die außerhalb der Ofenwand vorgesehen ist.
Während des Betriebs wird auf die poröse Ofenwand ein Innendruck ausge
übt, um das Entweichen von Metalldampf oder das Aussickern geschmolzenen
Metalls zu verhindern. Falls der Ofenkörper mit einer Vorrichtung zur Wahr
nehmung geschmolzenen Metalls versehen ist, wird diese an einer fehlerhaften
Anzeige gehindert. Wenn die Konzentration der Gasdurchgänge und der Innen
druck vergrößert werden, kann die Vorrichtung zur Wahrnehmung eines aussic
kernden, geschmolzenen Metalls weggelassen werden. Beim Aufbau des Ofenkör
pers kann ferner der Druck vermindert werden, um zwangsläufig die während
des Sinterns entstandene Feuchtigkeit zu absorbieren, wodurch eine Bildung
von Hohlräumen in der Ofenwand oder eine Bildung einer grob gekörnten Ofen
wand verhindert wird. Dies führt zu einer Verringerung der Sinterzeit und
zu einer Zunahme der Arbeitseffektivität.
Außerdem wird das Gas zwangsläufig von der Ofenwand abgegeben, um das
Hängenbleiben von Schlacke an der Ofenwand zu unterbinden und die Befreiung
des geschmolzenen Metalls von Kohlenstoff und die Entgasung des geschmolze
nen Metalls zu ermöglichen.
Während bestimmte Ausführungsformen beschrieben sind, ist die Erfindung
nicht nur auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Die technischen
Maßnahmen der Erfindung können auf einen beliebigen Induktionsofen angewen
det werden, bei dem eine gußfähige, feuerfeste Materialschicht außerhalb ei
nes fein gesinterten, regelmäßigen Tiegels ausgebildet wird. Demgemäß können
Abweichungen von den hier offenbarten Einzelheiten vorgenommen werden, ohne
daß der Rahmen der beanspruchten Erfindung verlassen wird.
Claims (8)
1. Induktionsofen mit einem Ofenkörper, der einen Boden und eine
vom Boden aus aufwärts ragende Ofenwand mit einer äußeren Umfangsfläche ent
hält, um die eine Spule herumgelegt ist,
mit mehreren in der Ofenwand eingearbeiteten Durchgängen, die die äuße re Umfangsfläche durchdringen,
mit einem gemeinsamen Rohr, das außerhalb des Ofenkörpers mehrere Durchgänge verbindet, und
mit einer Gasfördereinheit, die außerhalb des Ofenkörpers an dem ge meinsamen Rohr befestigt ist.
mit mehreren in der Ofenwand eingearbeiteten Durchgängen, die die äuße re Umfangsfläche durchdringen,
mit einem gemeinsamen Rohr, das außerhalb des Ofenkörpers mehrere Durchgänge verbindet, und
mit einer Gasfördereinheit, die außerhalb des Ofenkörpers an dem ge meinsamen Rohr befestigt ist.
2. Induktionsofen des Anspruches 1, bei dem die Durchgänge Röhren
enthalten und ein Abschnitt jeder Röhre in der Ofenwand eingearbeitet ist,
während ein weiterer Abschnitt außerhalb des Ofenkörpers verläuft.
3. Induktionsofen des Anspruches 2, bei dem der erste Abschnitt je
der Röhre mehrere Öffnungen enthält und der zweite Abschnitt jeder Röhre
eine einzige Offnung aufweist, die mit dem gemeinsamen Rohr verbunden ist.
4. Induktionsofen des Anspruches 1, bei dem die Ofenwand eine porö
se Innenschicht aus gesintertem, gußfähigem, feuerfestem Material und eine
das Gas blockierende Außenschicht aufweist.
5. Induktionsofen des Anspruches 4, bei dem die Durchgänge Rinnen
enthalten, die in der Ofenwand zwischen der porösen Innenschicht und der das
Gas blockierenden Außenschicht eingearbeitet sind.
6. Induktionsofen des Anspruches 5, bei dem in den Rinnen mehrere
poröse Blätter eingesetzt sind.
7. Induktionsofen des Anspruches 1, bei dem die Gasfördereinheit
eine Vakuumpumpe enthält.
8. Induktionsofen des Anspruches 1, bei dem die Gasfördereinheit
einen Kompressor enthält.
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