DE4125395C2

DE4125395C2 - Schmelztiegelinduktionsofen mit einer Schutzeinrichtung gegen das Austreten niedrig schmelzender Metalle durch die Tiegelwand

Info

Publication number: DE4125395C2
Application number: DE4125395A
Authority: DE
Inventors: Tsuguharu Omori; Michio Kawasaki; Shizuo Hayashi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1990-08-01
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2011-08-01
Also published as: DE4125395A1; GB2247305B; US5241560A; KR920004585A; KR970010910B1; GB9116555D0; JP2722794B2; GB2247305A; JPH0490494A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schmelztiegelinduktionsofen gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 4 oder 5.

Seit kurzem ist eine Tendenz festzustellen, daß der Fertigungsausschuß oder dergleichen vom verzinktem Stahl, der bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen oder von Waschmaschinen verwendet wird, um deren Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, in Schmelztiegelinduktionsöfen geschmolzen wird.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt des Hauptteils eines beispielhaften her kömmlichen Schmelztiegelinduktionsofens gezeigt. Wenn ein Zink ent haltendes Metall bei ungefähr 1500°C in einem Schmelztiegelindukti onsofen 1, der einen feuerfesten Schmelztiegel 2 und eine Induktions spule 3 umfaßt, geschmolzen wird, kann das Zink 5 im Metall- Schmelzbad 4 aufgrund des statischen Druckes P_S1 wie in Fig. 4 ge zeigt den feuerfesten Schmelztiegel 2 durchdringen und so die Indukti onsspule 3 erreichen. Wenn die Menge des Zinks, das die Induktions spule 3 erreicht, zunimmt, kann die Spule 3 durch das erhitzte Zink verbrannt werden oder im schlimmsten Fall durch den Kontakt mit dem Wasser eines Kühlkreislaufs einen schweren Unfall wie etwa eine Knallgasexplosion verursachen.

Um beim Einfüllen einer Metallschmelze in den Ofen eine solche Ge fahr festzustellen, wird an der Innenwand der Induktionsspule 3 ein Metallschmelze-Lecksensor angebracht. Ein solcher Sensor ist bei spielsweise aus den Gebrauchsmusteranmeldungen JP 101792-A (1988), JP 182568-A (1987) und JP 7278-A (1983) bekannt.

Der Schmelzpunkt von Zink liegt bei ungefähr 420°C, seine Verdamp fungstemperatur liegt bei ungefähr 920°C; die Schmelztemperatur von Gußeisen liegt hingegen bei ungefähr 1500°C. Daher ist es in einem Schmelztiegel 2 mit einer Porosität von ungefähr 20% wahrscheinlich, daß das anfangs in einem gasförmigen Zustand und während des Durchdringens des feuerfesten Schmelztiegels in einem flüssigen Zu stand befindliche Zink möglicherweise die Außenseite des feuerfesten Schmelztiegels erreicht. Auch wenn der feuerfeste Schmelztiegel 2 bis her noch unbeschädigt sein sollte, kann das diesen durchdringende Zink den Metallschmelze-Lecksensor zu einem fehlerhaften Betrieb veran lassen oder die Isolierung der Induktionsspule 3 verbrennen und beein trächtigen, so daß die Lebensdauer des feuerfesten Schmelztiegels ver ringert wird.

Aus diesen Gründen ist in US 4,989,218-A eine Technik zur Hemmung der Permeation von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt vorgeschla gen worden, in der aus Rohren bestehende Gasdurchlässe vorgesehen werden, die im Inneren des feuerfesten Schmelztiegels Behälter und Kanäle darstellen; ferner weist dieser feuerfeste Schmelztiegel an der Ofenwand zusätzliche Auskleidungen der porösen Gasdurchlässe auf, obwohl dies in den Figuren nicht gezeigt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schmelztiegelin duktionsofen zu schaffen, der mit einer Schutzeinrichtung versehen ist, mit der die Permeation von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt durch den feuerfesten Schmelztiegel blockiert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Schmelztiegelinduktionsofen der gat tungsgemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1, 4 oder 5.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt der gattungsgemäße Schmelztiegelinduktionsofen ein Auskleidungselement (8), das zwischen dem feuerfesten Schmelztiegel und der Induktionsspule angeordnet ist, ein gasdurchlässiges Element (9), das zwischen dem feuer festen Schmelztiegel und dem Auskleidungselement angeordnet ist, ein poröses Element (10), das in direkter Verbindung mit dem gasdurchlässigen Element (9) steht, im Bodenbereich des Schmelztiegels angeordnet ist und eine Porösität besitzt, die höher als die Porosität des gasdurchlässigen Elementes ist, und ein Gaszuführungsrohr, das mit dem porösen Ele ment in Verbindung steht.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der gat tungsgemäße Schmelztiegelinduktionsofen mit einem Spulenschutzele ment und einem in einer Induktionsspule befindlichen feuerfesten Schmelztiegel versehen. Bei einem solchen Schmelztiegelinduktions ofen sind die Induktionsspule und das Spulenschutzelement in Einwärts- und Auswärtsrichtung gasdurchlässig, ferner ist der Schmelztiegelin duktionsofen in einen Trommelbehälter luftdicht eingesetzt, wobei mit dem Trommelbehälter ein Gaszuführungsrohr für die Zuführung eines Gases wie etwa der umgebenden Luft verbunden ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der gattungsgemäße Schmelztiegelinduktionsofen ebenfalls eine Induktions spule und einen feuerfesten Schmelztiegel auf. Dieser Schmelztiegelin duktionsofen ist in einen Trommelbehälter luftdicht eingepaßt, wobei der Boden des Trommelbehälters verschlossen ist und ein Deckel ge öffnet und geschlossen werden kann und wobei mit einem oberen Be reich des Trommelbehälters mit geschlossenem Boden ein Evakuie rungsgerät verbunden ist.

Obwohl gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Po rosität des gasdurchlässigen Elementes (9) aufgrund des Aufbaus des Ofens nicht hoch ist, ist das gasdurchlässige Element (9) so angeordnet, daß es über das poröse Element (10), dessen Porosität höher als die Porosität des gasdurchlässigen Elementes ist, mit dem Gaszuführungsrohr in Verbin dung steht. Dadurch wird die Gasdurchlässigkeit zwischen dem gas durchlässigen Element und dem Gaszuführungsrohr verbessert. Da das poröse Element im Bodenbereich des feuerfesten Schmelztiegels ange ordnet ist, ist der Druck des zugeführten Gases, mit dem das gas durchlässige Element beaufschlagt wird, am Boden höher als an den Seitenflächen; diese Druckverteilung stimmt im wesentlichen mit dem statischen Druck der Metallschmelze überein, der im Verhältnis zum abnehmenden Abstand zum Boden der Schmelze zunimmt und die Per meabilität der Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt begünstigt. Da sich dadurch eine genau angepaßte Permeations-Blockierkraft ergibt, kann verhindert werden, daß durch einen übermäßigen Gaszuführungsdruck an den Seitenflächen des Schmelzbades Gas vergeudet wird. Das Aus kleidungselement außerhalb des gasdurchlässigen Elementes dient zur Verhinderung des Entweichens des zugeführten Gases wie etwa von Luft zur Seite der Induktionsspule.

Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirkt das dem luftdichten Trommelbehälter mit geschlossenem Boden zugeführte Gas auf den feuerfesten Schmelztiegel, in dem es durch die Induktionsspule und die Spulenschutzelemente strömt. Dabei dringt das Gas sowohl in Einwärts- als auch in Auswärtsrichtung durch kleine Öffnungen oder dergleichen, um die Permeation von gasförmigen und/oder flüssigen Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt zu blockieren.

Gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der einen Deckel aufweisende Trommelbehälter mit geschlossenem Boden durch das Evakuierungsgerät evakuiert. Daher werden die Metalle mit niedri gem Schmelzpunkt und niedrigem Verdampfungspunkt verdampft und evakuiert, wodurch deren Permeation durch den feuerfesten Schmelz tiegel verhindert wird.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Neben- und Unteransprüchen, die sich auf besondere Ausführungsfor men der vorliegenden Erfindung beziehen, angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines halben. Schmelztiegelinduktionsofens gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt eines halben Schmelztiegelinduktionsofens gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Er findung;

Fig. 3 einen Querschnitt eines Schmelztiegelinduktionsofens gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt des Hauptteils eines herkömmlichen Schmelztiegelinduktionsofens.

Diejenigen Teile und Komponenten, die mit den gleichen Bezugszei chen wie im herkömmlichen Schmelztiegelinduktionsofen bezeichnet sind, besitzen im wesentlichen die gleichen Funktionen, so daß deren Beschreibung im folgenden weggelassen wird.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist in einem Poljoch 7, das in einem Ofenrahmen 6 gehalten wird, eine Induktionsspule 3 angeordnet. Zwischen der In duktionsspule 3 und einem feuerfestem Schmelztiegel 2 sind zwei Schichten angeordnet, die aus speziellen Materialien hergestellt sind. Die äußere Schicht dieser zwei Schichten stellt ein Auskleidungsele ment 8 dar, daß aus relativ dichtem Wicklungszement hergestellt ist, während die innere Schicht der zwei Schichten ein gasdurchlässiges Element wie etwa das luftdurchlässige Element 9 aufweist, das aus As best- und Glasfasermaterial, das luftdurchlässig und wärmebeständig ist, hergestellt ist. Am Bodenbereich des gasdurchlässigen Elementes 9 ist entlang des gesamten Umfangs oder entlang eines Bogensegmentes ein aus porösem Ziegel hergestelltes poröses Element 10 angeordnet, derart, daß dieses poröse Element 10 auf einer langen Oberfläche mit dem gasdurchlässigen Element 9 in Kontakt ist, wodurch beide Ele mente miteinander in einer Verbindung stehen, die einen Gasaustausch ermöglichen. Das gasdurchlässige Element 9 steht mit einem Gaszufüh rungsrohr 11 in Verbindung.

Das Element 9 ist, obwohl es gasdurchlässig ist, verhältnismäßig dicht und dient als Material zum Aufbauen des feuerfesten Schmelztiegels. Da das gasdurchlässige Element 9 so angeordnet ist, daß es über das poröse Element 10, dessen Porosität größer als diejenige des Elementes 9 ist, mit dem Gaszuführungsrohr 11 in Verbindung steht, ermöglicht das gasdurchlässige Element 9, daß bei Zuführung von Luft, N₂-Gas oder Ar-Gas über das Gaszuführungsrohr 11 der Gasdruck auf den feu erfesten Schmelztiegel 2 wirkt. Das Auskleidungselement 8 dient dazu, die Leckströmung des Gases in Richtung der Induktionsspule 3 auf einen geringstmöglichen Pegel abzusenken; das gasdurchlässige Ele ment 9 bewirkt aufgrund seiner verhältnismäßig höheren Dichte und aufgrund seines großen Widerstandes gegenüber dem Gas einen Gas druck, der in der Nähe des unteren Bereichs des feuerfesten Schmelz tiegels 2 größer ist. Das bedeutet, daß in Fig. 1 die folgende Beziehung gilt: P₁ < P₂ < P₃ < P₄. Diese Tendenz bei der Druckverteilung stimmt mit der Tendenz der Verteilung des statischen Drucks in dem Metallschmelzbad 4 im wesentlichen überein und dient zu einer wirk samen Blockierung der Permeation des gasförmigen oder flüssigen Zinks 5. Dies hat zur Folge, daß erfindungsgemäß der fehlerhafte Be trieb eines (nicht gezeigten) Metallschmelze-Lecksensors und das Ver brennen der Induktionsspule aufgrund der Permeation von Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt wie etwa Zink verhindert werden können, so daß der feuerfeste Schmelztiegel 2 seine ursprüngliche Lebensdauer beibehält.

In der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ist ein Schmelztie gelinduktionsofen 20, der einen feuerfesten Schmelztiegel 2, eine In duktionsspule 3 und ein Poljoch 7 enthält, in einen luftdichten Trom melbehälter 12, der ein Gaszuführungsloch 11 aufweist, eingepaßt. Die Induktionsspule 3 ist mit Spulenschutzelementen versehen. Ein Spulen schutzelement besitzt kleine Öffnungen 3a, die sich zwischen der In duktionsspule 3 und dem feuerfesten Schmelztiegel 2 befinden. Die Spulenschutzelemente gemäß dieser Ausführungsform umfassen ein gasdurchlässiges Element 9, das beispielsweise aus Wicklungszement hergestellt ist, eine Asbestwand 9a und eine Glimmerwand 13. Die Glimmerwand 13 besitzt kleine Öffnungen 13a. Die Ausführung der Spulenschutzelemente ist nicht auf die obenerwähnten Beispiele be schränkt, sondern können ebenso wie in der ersten Ausführungsform aus Asbest oder dergleichen, was wohl bekannt ist, hergestellt werden. Er wird darauf hingewiesen, daß der Wicklungszement in der ersten Ausführungsform für das Auskleidungselement 8 und in der zweiten Ausführungsform für das gasdurchlässige Element 9 verwendet wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß in der zweiten Ausführungsform der Gasdruck auf die gesamte Oberfläche der Induktionsspule 3 aus geübt wird und daß der Gasdruck eine starke Verringerung erfährt, wenn er auf das dünne und langgestreckte gasdurchlässige Element aus Asbest oder dergleichen gemäß der ersten Ausführungsform ausgeübt wird. D.h., daß die unterschiedliche Materialverwendung durch die Funktion bedingt ist, die der Wicklungszement erfüllen soll und die von der Wirkung des Gasdrucks in der jeweiligen Ausführungsform ab hängt. In Fig. 2 besteht die folgende Beziehung: P₁ = P₂ = . . . = P₆. Der Trommelbehälter 12 gewährleistet die Luftdichtheit an der Ober seite und an der Unterseite A bzw. B. Vorzugsweise nimmt die Größe der kleinen Öffnungen in der Glimmerwand 13 im wesentlichen im Verhältnis zum abnehmenden Abstand zum Bodenbereich zu.

In der in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsform ist ein Schmelztie gelinduktionsofen 30 luftdicht in einen Trommelbehälter 32 eingepaßt. Der Trommelbehälter 32 umfaßt Deckel 31a und 31b und Dichtungen 32a bzw. 32b oder dergleichen. Ferner ist dieser Schmelztiegelindukti onsofen 30 über eine Rohrleitung 33a des unteren Deckels 31b und eine flexible Rohrleitung 33b mit einem (nicht gezeigten) Evakuierungsgerät verbunden. Dessen Unterdruck wird vorzugsweise auf 532 bis 865 mbar gesetzt. Das zu schmelzende Material 34 wird von oben durch den oberen Deckel 31a eingefüllt, woraufhin es wiedergewonnen wird, um erneut verwendet zu werden.

Durch die Evakuierung des die Deckel aufweisenden Trommelbehälters unter Verwendung des Evakuierungsgerätes können im Stahl enthaltene Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und niedrigem Verdampfungs punkt oder dergleichen verdampft und evakuiert werden, wodurch die Permeation durch den feuerfesten Schmelztiegel verhindert werden kann.

Der mit einer Schutzmaßnahme gegen Metalle mit niedrigem Schmelz punkt versehene Schmelztiegelinduktionsofen gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung hemmt die Permeation der gasförmigen oder flüssigen Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt wie etwa Zink durch den feuerfesten Schmelztiegel mittels der Druck beaufschlagung des feuerfesten Schmelztiegels von der äußeren Um fangsfläche, wodurch nicht nur verhindert wird, daß der Metall schmelze-Lecksensor fehlerhaft arbeitet und die Isolierung der Indukti onsspule verbrennt, sondern außerdem die Verwendung des Schmelz tiegels für lange Zeit möglich ist, wodurch das Intervall zwischen Ofe nerneuerungen verlängert wird.

Der mit einer Schutzmaßnahme gegen Metalle mit niedrigem Schmelz punkt versehene Schmelztiegelinduktionsofen gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, der eine Induktionsspule und einen feuerfesten Schmelztiegel aufweist, ist luftdicht in einen Trommelbe hälter eingepaßt, dessen Boden verschlossen ist, der einen Deckel auf weist, der geöffnet und geschlossen werden kann und der in seinem oberen Bereich mit einem Evakuierungsgerät verbunden ist.

Durch die Evakuierung des Trommelbehälters mit verschlossenem Bo den und Deckel werden im Stahl enthaltene Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt und niedrigem Verdampfungspunkt oder dergleichen ver dampft und evakuiert, wodurch deren Permeation durch den feuerfesten Schmelztiegel verhindert werden kann.

Claims

1. Schmelztiegelinduktionsofen, der mit einer Schutzein richtung gegen das Austreten niedrig schmelzender Metal le durch die Tiegelwand versehen ist und in einem Trom melbehälter (12) einen mit einer Induktionsspule (3) an geordneten feuerfesten Schmelztiegel (2) umfaßt,
gekennzeichnet durch

- ein Spulenschutzelement, welches zwischen den feuer festen Schmelztiegel (2) und die Induktionsspule (3) eingesetzt ist, wobei das Spulenschutzelement an der Innenseite einen gasdurchlässigen Bereich (9) und an der Außenseite ein Auskleidungselement (8) aufweist und ferner ein poröses Element (10) umfaßt, dessen Porosität höher ist als diejenige des gasdurchlässi gen Bereiches (9); und das im Bodenbereich des Schmelz tiegels (2) angeordnet ist,
- ein Gaszuführungsrohr (11), welches mit dem porösen Element (10) sowie dem gasdurchlässigen Bereich (9) in Verbindung steht, um dem feuerfesten Schmelztiegel (2) von außerhalb des Trommelbehälters (12) Druckgas zuzuführen,

wobei der gasdurchlässige Bereich (9) so angeordnet ist, daß das Druckgas so verteilt wird, daß der Druck zwi schen dem oberen Bereich des feuerfesten Schmelztiegels (2) und dessen Bodenbereich im Verhältnis zur Abnahme des Abstandes vom Bodenbereich zunimmt.

2. Schmelztiegelinduktionsofen nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das zugeführte Druckgas Luft ist.

3. Schmelztiegelinduktionsofen nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das poröse Element (10) aus porösem Ziegel hergestellt ist.

4. Schmelztiegelinduktionsofen, der mit einer Schutzein richtung gegen das Austreten niedrig schmelzender Metal le durch die Tiegelwand versehen ist und in einem Trom melbehälter (12) einen in einer Induktionsspule (3) an geordneten feuerfesten Schmelztiegel (2) umfaßt,
gekennzeichnet durch

- ein Spulenschutzelement, das zwischen dem feuerfesten Schmelztiegel (2) und die Induktionsspule (3) einge setzt ist und wenigstens einen gasdurchlässigen Be reich (9) aufweist; und
- ein Gaszuführungsrohr (11), das mit dem gasdurchläs sigen Bereich (9) in Verbindung steht, um dem feuer festen Schmelztiegel (2) von außerhalb des Trommelbe hälters (12) Druckgas zuzuführen,

wobei die Induktionsspule (3) und das Spulenschutzele ment sowohl in Einwärtsrichtung als auch in Auswärtsrichtung gasdurchlässig sind, um zwischen dem Gaszufüh rungsrohr (11) und dem gasdurchlässigen Bereich (9) eine Verbindung herzustellen, und wobei der im Spulenschutz element vorgesehene gasdurchlässige Bereich (9) kleine Öffnungen (9a) aufweist und in der Induktionsspule (3) kleine Bohrungen (3a) ausgebildet sind, welche die In duktionsspule gasdurchlässig machen, und
wobei der Schmelztiegelinduktionsofen in den Trommelbe hälter (12) luftdicht eingepaßt ist und mit dem Gaszu führungsrohr (11) so verbunden ist, daß eine Kammer aus gebildet ist, die der Verbindung des Gaszuführungsrohres (11) mit dem gasdurchlässigen Bereich (9) dient.

5. Schmelztiegelinduktionsofen, der mit einer Schutzein richtung gegen das Austreten niedrigschmelzender Metalle durch die Tiegelwand versehen ist und in einem Trommel behälter (12) einen in einer Induktionsspule (3) ange ordneten feuerfesten Schmelztiegel (2) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Induktionsspule (3) und der feuerfeste Schmelz tiegel (2) luftdicht in den Trommelbehälter (32) ein gepaßt sind, wobei der Trommelbehälter (32) einen ge schlossenen Boden und einen Deckel (31a, 31b) auf weist, welcher in eine Öffnungsstellung und eine Schließstellung bewegbar ist,
- daß ein Evakuierungsgerät vorgesehen ist, welches mit einem oberen Bereich des Trommelbehälters (32) ver bunden ist, um das im Inneren des Trommelbehälters (32) befindliche Gas einschließlich darin enthaltener verdampfter Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt abzu saugen.

6. Schmelztiegelinduktionsofen nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Absaugdruck des Evakuiergerätes 532 bis 865 mbar beträgt.