DE4336384A1 - Induktionsschmelzofen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionsschmelz­ ofen mit vertikaler Achse und einen ihn umgebenden Spulen­ aufbau, bei dem dem im Tiegel des Induktionsschmelzofens befindlichen Material Leistung mit von unten nach oben oder von oben nach unten abnehmender Leistungsdichte zugeführt wird.

Es ist bekannt, daß in einer Metallschmelze in Induktions­ schmelzöfen bei der Verwendung einer einzigen, ungeteilten, über ihre axiale Länge gleichgestalteten Spule zwei über­ einander gelagerte Strömungswirbel entstehen. Die Grenze zwischen den beiden Strömungswirbeln liegt etwa in mitt­ lerer Tiegelhöhe. In der Nähe der Tiegelwand sind die Strö­ mungsrichtungen des oberen und unteren Strömungswirbels entgegengesetzt. In der Grenzschicht zwischen beiden Wir­ beln entsteht daher in der Nähe der Tiegelwand ein Bereich geringerer Strömungsgeschwindigkeit, in dem sich an der Tiegelwand Metall- und Schlackenreste festsetzen. Je nach Einsatzgut wachsen diese Ablagerungen schnell an, und es besteht die Gefahr, daß der Strömungsaustausch zwischen dem oberen und unteren Tiegelinhalt eingeschränkt oder z. B. durch Brückenbildung sogar völlig unterbrochen wird. In ei­ nem solchen Fall wird der Einschmelzprozeß erheblich ge­ stört, und es kann zu örtlichen Überhitzungen in der Metallschmelze kommen, die die Gefahr von Tiegeldurchbrü­ chen erheblich vergrößern.

Es ist bekannt, daß das Anwachsen der Metall- und Schlacken­ reste an der Tiegelwand vermieden wird, wenn sich in der Metallschmelze nur ein Strömungswirbel ausbildet, der vom Tiegelboden bis zur Schmelzbadoberfläche reicht.

Aus der DE 28 33 008 A1 sind Induktionsöfen bekannt, deren Tiegel von einer Mehrphasenwicklung aus mehreren Spulen um­ geben sind. Durch eine feste Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Spulen wird in diesen Induktionsschmelzöfen ein Wanderfeld erzeugt, das die Ausbildung nur eines Strö­ mungswirbels bewirkt. Die Verwendung einer solchen Mehr­ phasenwicklung hat jedoch den Nachteil, daß keine hohen Schmelzleistungen und nur schlechte Wirkungsgrade erzielt werden.

Aus der Patentschrift DE 5 63 710 ist es bekannt, unter Be­ nutzung einer einphasigen Spule, deren Windungsdichte von oben nach unten oder von unten nach oben abnimmt, die Bewe­ gung des Schmelzbades zu beeinflussen. Dieser Spulenaufbau hat zur Folge, daß auch die der Metallschmelze zugeführte Leistungsdichte in axialer Richtung von oben nach unten oder von unten nach oben abnimmt.

Eine so gerichtete Leistungsdichteverteilung kann, ähnlich den oben beschriebenen Wanderfeldern, einen einzigen, vom Tiegelboden bis zur Schmelzbadoberfläche reichenden Strö­ mungswirbel zur Folge haben. Der Einsatz einer Spule mit über ihre Länge fest vorgegebenem Verlauf der Windungs­ dichte hat den Nachteil, daß die axiale Leistungsdichtever­ teilung festgelegt ist, also den unterschiedlichen Gegeben­ heiten im Tiegel nicht angepaßt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einen ge­ eigneten Spulenaufbau eine in axialer Richtung von oben nach unten oder von unten nach oben abnehmende Leistungs­ dichte zur Ausbildung eines einzigen Strömungswirbels zu erzeugen, wobei die Leistungsdichteverteilung variierbar sein soll.

Der erfindungsgemäße Induktionsschmelzofen ist so ausge­ legt, daß der Spulenaufbau in axialer Richtung in mehrere, vorzugsweise drei, jeweils in einem eigenen Stromkreis lie­ gende Spulenabschnitte unterteilt ist, wobei in mindestens einem der Spulenabschnitte die Leistung variierbar ist.

Hierdurch wird es ermöglicht, je nach Schmelzmaterial, Schmelzbadhöhe und sonstigen Gegebenheiten eine geeignete Leistungsdichteverteilung einzustellen, die auch während des Schmelzprozesses veränderbar ist.

Der erfindungsgemäße Induktionsschmelzofen kann so ausge­ staltet sein, daß die Spulenabschnitte an einen gemeinsamen Schwingkreisumrichter angeschlossen sind und daß parallel zu mindestens einem Spulenabschnitt mindestens ein schalt­ barer Kondensator angeschlossen ist.

Durch den parallelen Anschluß eines Kondensators an einen Abschnitt der Spule wird in diesem Spulenabschnitt die Spannung und damit auch die Leistung erhöht. Werden paral­ lel zu einem Spulenabschnitt mehrere Kondensatoren geschal­ tet, hat man dementsprechend die Möglichkeit, in diesem Spulenabschnitt die Leistung stufenweise zu variieren. Der Schwingkreisumrichter erlaubt eine Variation der Gesamtlei­ stung, wobei die durch die Kondensatorschaltung bestimmte Leistungsdichteverteilung im wesentlichen konstant bleibt.

Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Indukti­ onsschmelzofens ist dadurch gegeben, daß die Spulenab­ schnitte entlang des Tiegels angeordnete Einzelspulen sind, wobei mindestens eine Spule über einen regelbaren Spar­ transformator und die restlichen unmittelbar an ein und denselben Schwingkreisumrichter angeschlossen sind.

Hierdurch erreicht man einen hohen Grad der Flexibilität bei der Einstellung des Leistungsdichteprofils, da die Lei­ stung der an einen Spartransformator angeschlossenen Spulen feinstufig regelbar ist. Außerdem hat man die Möglichkeit, die Richtung der axialen Leistungsdichtevariation umzukeh­ ren. D.h. eine von unten nach oben abnehmende Leistungs­ dichte ist in eine von oben nach unten abnehmende überführ­ bar. Dies kann positive Effekte für die Durchmischung des Schmelzbades beim Einrühren zusätzlichen Materials haben. Schließlich ist es zur Energieeinsparnis möglich, z. B. bei geringerer Schmelzbadhöhe die Leistungsdichte im Bereich der obersten Tiegelzone herabzusetzen.

Der erfindungsgemäße Induktionsschmelzofen kann ferner so ausgelegt sein, daß die Spulenabschnitte entlang des Tie­ gels angeordnete Einzelspulen sind, wobei jede Spule an einen separaten Schwingkreisumrichter angeschlossen ist.

Diese Variante bietet bezüglich der Leistungszufuhr zu den einzelnen Spulen ein Maximum an Flexibilität.

Der erfindungsgemäße Induktionsschmelzofen kann vorteilhaft so ausgelegt sein, daß das obere Ende des obersten Spulen­ abschnitts den Schmelzbadspiegel überragt.

Schließlich kann der erfindungsgemäße Induktionsschmelzofen auch so ausgelegt sein, daß das untere Ende des untersten Spulenabschnitts mit Abstand über dem Tiegelboden angeord­ net ist.

Die beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsformen verbes­ sern den Einrührprozeß beim Einbringen neuen Schmelzgutes.

Anhand von Zeichnungen werden nun drei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Induktionsschmelzofens näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1: einen Induktionsschmelzofen mit einer einzigen Spule, wobei parallel zu zwei Spulenabschnitten schaltbare Kondensatoren angeschlossen sind, und

Fig. 2: einen Induktionsschmelzofen mit drei Einzelspu­ len, die unmittelbar bzw. über Spartransformato­ ren an ein und denselben Schwingkreisumrichter angeschlossen sind, und

Fig. 3: einen Induktionsschmelzofen mit drei Einzelspu­ len, die an je einen separaten Schwingkreisum­ richter angeschlossen sind.

Fig. 1 stellt einen Induktionsschmelzofen dar, dessen Tie­ gel 1 von einer an einen Schwingkreisumrichter 2 ange­ schlossenen Spule 3 umgeben ist. Der Schwingkreisumrichter 2 ist seinerseits an die drei Phasen des öffentlichen Dreh­ stromnetzes 4 angeschlossen und stellt der Spule 3 eine einphasige Wechselstromquelle 5 zur Verfügung.

Durch paralleles Anschließen von schaltbaren Kondensatoren 6 an Teilbereiche der Spule 3 wird diese Spule 3 in drei Spulenabschnitte 7, 8, 9 unterteilt, wobei parallel zum mitt­ leren Spulenabschnitt 8 ein schaltbarer Kondensator 6 und parallel zum oberen Spulenabschnitt 9 zwei schaltbare Kon­ densatoren 6 angeschlossen sind. Im mittleren Spulenab­ schnitt 8 erhöht sich beim Einschalten des dazu parallel angeschlossenen Kondensators 6 die Spannung, und es wird von diesem Spulenabschnitt 8 eine höhere Leistung in das nicht dargestellte Schmelzgut im Tiegel 1 übertragen.

Im oberen Spulenabschnitt 9 kann durch Schalten der beiden hierzu parallel angeschlossenen Kondensatoren 6 die Lei­ stung in zwei Stufen verändert werden.

Die nichtschaltbaren Kondensatoren 10 dienen in allen in den Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen Induktionsschmelzofens zur Kompensation des Blindstromes in den ihnen parallel angeschlossenen Spulen 3, 11, 12, 13, 15, 16, 17.

Mit dem in Fig. 1 beschriebenen Aufbau kann je nach Schal­ tungszustand der schaltbaren Kondensatoren 6 dem Schmelzgut im Tiegel 1 Leistung mit einem Leistungsdichteprofil zuge­ führt werden, das dem einer nicht in Abschnitte unterteil­ ten Spule entspricht (alle schaltbaren Kondensatoren 6 sind offen) oder das eine von unten nach oben zunehmende Lei­ stungsdichte aufweist (der schaltbare Kondensator 6 des mittleren Spulenabschnittes 8 und mindestens einer der schaltbaren Kondensatoren 6 des oberen Spulenabschnittes 9 sind geschlossen).

In Fig. 2 sind die Spulenabschnitte durch drei Einzelspulen 11, 12, 13 gegeben. Die mittlere Einzelspule 12 ist unmittel­ bar an den Schwingkreisumrichter 2 angeschlossen, während im Falle der beiden anderen Teilspulen 11, 13 noch ein re­ gelbarer Spartransformator 14 zwischengeschaltet ist.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Indukti­ onsschmelzofens kann das Leistungsdichteprofil so einge­ stellt werden, daß die Leistungsdichte von unten nach oben oder aber von oben nach unten abnimmt. Zudem ermöglichen die Spartransformatoren 14 eine feingestufte Regelung der Leistungszufuhr.

In Fig. 3 umgeben ähnlich wie in Fig. 2 drei Einzelspulen 15, 16, 17 den Tiegel 1 des Induktionsschmelzofens, wobei je­ doch jede Einzelspule 15, 16, 17 unmittelbar an einen separa­ ten Schwingkreisumrichter 2 angeschlossen ist. Hierdurch ist die Leistung jeder Einzelspule, z. B. 15, völlig unab­ hängig von der Leistung der übrigen Spulen 16, 17 regelbar.

Bezugszeichenliste

1 Tiegel
2 Schwingkreisumrichter
3 durchgehende Spule
4 Drehstromquelle
5 einphasige Wechselstromquelle
6 schaltbarer Kondensator
7 unterer Spulenabschnitt der durchgehenden Spule 3
8 mittlerer Spulenabschnitt der durchgehenden Spule 3
9 oberer Spulenabschnitt der durchgehenden Spule 3
10 nichtschaltbarer Kondensator 11 untere Einzelspule in Fig. 2
12 mittlere Einzelspule in Fig. 2
13 obere Einzelspule in Fig. 2
14 regelbarer Spartransformator
15 untere Einzelspule in Fig. 3
16 mittlere Einzelspule in Fig. 3
17 obere Einzelspule in Fig. 3

Claims (6)

1. Induktionsschmelzofen mit vertikaler Achse und einem ihn umgebenden Spulenaufbau, bei dem dem im Tiegel (1) des Induktionsschmelzofens befindlichen Material Lei­ stung mit von unten nach oben oder von oben nach unten ab­ nehmender Leistungsdichte zugeführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spulenaufbau in axialer Richtung in meh­ rere, vorzugsweise drei, jeweils in einem eigenen Strom­ kreis liegende Spulenabschnitte (7-9, 11-13, 15-17) unter­ teilt ist, wobei in mindestens einem der Spulenabschnitte (7-9, 11-13, 15-17) die Leistung variierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenabschnitte (7-9) an einen gemeinsamen Schwingkreisumrichter (2) angeschlossen sind und daß paral­ lel zu mindestens einem Spulenabschnitt (7-9) mindestens ein schaltbarer Kondensator (6) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenabschnitte (11-13) entlang des Tiegels (1) angeordnete Einzelspulen (11-13) sind, wobei mindestens eine Spule (11-13) über einen regelbaren Spartransformator (14) und die restlichen unmittelbar an ein und denselben Schwingkreisumrichter (2) angeschlossen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenabschnitte (15-17) entlang des Tiegels (1) angeordnete Einzelspulen (15-17) sind, wobei jede Spule (15-17) an einen separaten Schwingkreisumrichter (2) ange­ schlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, da­ durch gekennzeichnet, daß das obere Ende des obersten Spu­ lenabschnitts (9, 13, 17) den Schmelzbadspiegel überragt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, da­ durch gekennzeichnet, daß das untere Ende des untersten Spulenabschnitts (7, 11, 15) mit Abstand über dem Tiegelboden angeordnet ist.