DE586822C - Verfahren zur Regelung der Badbewegung in Induktionsoefen ohne Eisenkern - Google Patents

Description

ur.

Bei der Verwendung von Induktionsöfen ohne Eisenkern hat es sich oft gezeigt, daß die Badbewegung manchmal für den beabsichtigten Zweck zu stark und daher nachteilig ist. Andererseits ist es oft erwünscht, die Badbewegung während einzelner Phasen des Schmelzvorganges zu verstärken, ohne die Leistungsaufnahme zu ändern. Man hat erkannt, daß die Rückwirkung durch Heben oder Senken der Induktionsspule in bezug auf den Einsatz verändert werden kann oder dadurch, daß die Spule mit Anzapfungen versehen wird und j e nach der erwünschten Badbewegung die ganze Spule oder nur ein Teil derselben an Spannung gelegt wird.

Diese bisherigen Regelungsmethoden haben den Nachteil, daß im ersteren Fall besondere Vorrichtungen zum Heben und Senken der Spule vorgesehen werden, müssen, während beim zweitgenannten Verfahren der jeweils ausriutzbare Teil der Induktionsspule klein ist und die Erhitzung der unausgenutzten Spulenabschnitte übermäßig groß wird.
. Diese Nachteile werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß das Verhältnis der in verschiedenen Teilen des Schmelzbades fließenden Sekundärströme durch entsprechende Regelung des Verhältnisses der diese Badteile umkreisenden Primärströme mittels Erhöhung bzw. Verminderung des 3c Wechselstromwiderstandes der entsprechenden Spulenteile ohne Ab- und Zuschaltung der Spulenteile selbst verändert wird.

Die Zeichnung zeigt einige beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegen- 3; Standes.

In der Fig. 1 ist der. Schmelztiegel 15 von einer Induktionsspule 16 umgeben, die aus zwei entgegengesetzt gewickelten Teilen 18 und 19 besteht. Der Strom wird bei E zu- 4« geführt, und durch einen Kondensator 20 kann der Leistungsfaktor in jeder gewünschten Weise korrigiert werden.

Die eine Stromzuführungsleitung ist durch die Verbindungsleitung 21 bei 17 mit der 4; Spulenmitte verbunden, während die andere über die Leitung 22 am Punkt 31 und den induktiven Widerständen 29 und 30 verbunden ist, welche durch Leitungen 2,7 und 28 an die entsprechenden Enden der Induktionsspule angeschlossen sind. Zur beliebigen Ein- und Ausschaltung der genannten induktive^ Widerstände sind Schalter 32 und 33 vorgesehen, durch welche man diese Wider-

stände kurzschließen kann. Wenn also beide Schalter geschlossen sind, so arbeitet der Ofen mit voller Badbewegung in allen Teilen des Einsatzes. Dies dürfte in den meisten Fällen der normale Zustand sein. Wenn der Schalter 32 geöffnet wird, muß der Strom im oberen Zweig 18 der Induktionsspule durch die Induktanz 29 fließen und wird dadurch reduziert, aber nicht vollkommen abgeschaltet, so daß eine entsprechende Verringerung der Badbewegung im oberen Teil des Einsatzes eintritt. Wenn nunmehr der Schalter 33 geöffnet und der Schalter 32 geschlossen wird, so wird eine heftige Bewegung an der Oberfläche erzeugt, da der Hauptteil des Stromes durch den oberen Teil 18 der Induktionsspule fließt.

Fig. 2 entspricht im wesentlichen der Fig. i, nur daß die Widerstände 29¹ und 30¹ mit je einem Kern 34 und 35 aus magnetischem Material versehen sind. Dadurch wird eine noch weitere Reduzierung der Badbewegung erzielt, wenn diese Induktanzen in den Schwingungskreis der entsprechenden Zweige der Induktionsspule eingeschaltet werden. Durch axiale Bewegung der magnetischen Kerne innerhalb der Spule kann der durch sie fließende Strom weiterhin reguliert werden.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungen ist die Spannung in jeder Zweigleitung stets gleich oder geringer als die Leistungsspannung gewesen.

Fig. 3 zeigt die Verwendung des Spartransformatorprinzips, um in den einzelnen Zweigen der Induktionsspule eine Spannung zu erreichen, welche größer ist als die Leistungsspannung. Die Induktionsspule ist hier mit einer großen Anzahl von Anzapfungen 36, 37, 38, 39, 40 und 41 versehen, welche mit einem der Schalter 42 oder 43 verbunden werden können. Die Induktanzen 29 und 30 sowie die Schalter 32 und 33 sind ähnlich ausgebildet wie in Fig. 2. Die Spannung der Induktionsspule und die Energieaufnahme wird entsprechend bei Spartransformatoren üblichen Verfahrens geregelt, d. h. also, daß, wenn die Schalter 42 und 43 über die entsprechenden Kontakte 36 und 41 geschlossen werden, die Leistungsaufnahme am größten ist, weil die Zahl der angeschlos-. senen Windungen des Spartransformators am geringsten und das Übersetzungsverhältnis am größten ist, andererseits wird bei Schließung der Schalter 42 und 43 über die Kontakte 38 bzw. 39 die Leistungsaufnahme auf ein Minimum verringert, da die Windungszahl auf der Niederspannungsseite des Spartransformators die größtmöglichste und das Übersetzungsverhältnis damit das kleinste wird.

'Für die Ausführung des Erfindungsgedankens ist es unwichtig, ob die Zahl der Windungen auf der Hoch- oder Niederspannungsseite verändert wird. Die Drosselspule 44 ist vorgesehen, um die Schalter und Zuleitungen vor großen Stromstößen zu schützen. Diese Spule wird bei 45 nahe ihrem Mittelpunkt mit der Stromzuleitung durch die Leitung 21 und bei 46 und 47 durch die entsprechenden Schalter 42 und 43 verbunden. In der Spule ist ein Kern 48 vorgesehen. Der Strom wird durch die Zweige der Drosselspule geteilt und trifft einen sehr geringen induktiven Widerstand, da die magnetischen Kraftlinien in entgegengesetzter Richtung · verlaufen und sich aufheben. Wenn aber der Strom versucht, von einem Ende der Drosselspule zu dem anderen zu fließen, beispielsweise von 46 nach 47, so stellt sich, ihm eine sehr große Induktanz entgegen, so daß der Strom keine große Stärke erreichen kann.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen verschiedene Stellungen der gleichen Schaltung, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist, nur daß die Anzapfungen 38 und 39 an die Mitte 17 der Induktionsspule angeschlossen sind. Die Stromzuleitung erfolgt über die Leitungen A und B. Auch hier ist der Punkt 17 die Stelle, an der die Wicklungsrichtung der Induktionsspule go geändert wird.

Diese Figuren kennzeichnen eine besondere praktische Wicklung der Drosselspule 44, indem sie einmal von einem Ende zum anderen gewickelt und längs der ersten Wicklung eine zweite in der gleichen Richtung vorgenommen ist. Die Verbindung der Drosselspule mit dem Leiter 22 ist bei 49 vorgesehen. Die Induktionsspule 16 ist als eine üblicherweise hohle wassergekühlte Spule dargestellt. Die Wasserzuführung ist nicht angegeben. Während der Aufbau und die Zuleitung bei allen drei Figuren 4, 5 und 6 die gleichen sind, so sind die Stellungen der Schalter 32 und 33. je nach der erwünschten Badbewegung verschieden dargestellt. Die Schalter 42 und 43 sind in allen drei Figuren in denselben Stellungen 37 und 40 für eine mittlere Leistungsaufnahme dargestellt. In Fig. 4 sind beide Schalter 32 und 33 geschlossen, und der Einsatz wird in geringem Maße umgerührt entsprechend der geringen Wölbung der Oberfläche. Die Leistung in den Zweigen 18 und 19 ist gleich.

In Fig. 5 ist der Schalter 33 geöffnet, während der Schalter 32 weiterhin geschlossen ist; hier ist die Leistungsaufnahme im oberen Teil 18 der Induktionsspule größer, da der Strom im unteren Teil derselben wegen der Zwischenschaltung der Induktant 30 .in den Schwingungskreis des unteren Spulenzweiges verringert worden ist. Der

Einsatz erfährt eine besonders starke Umrührung im oberen Teil, was durch die starke Wölbung 51 dargestellt ist.

Fig. 6 zeigt die Zuführung eines größeren Stromes und größerer Leitung in den unteren Teil 19 der Spule durch Öffnung des Schalters 32 und Schließen von 33. In diesem Fall wird die Umrührwirkung sehr verkleinert und schließlich ganz auf den unteren Teil des ίο Bades beschränkt, wie es durch die ganz flache Wölbung der Oberfläche des Einsatzes zum Ausdruck kommt. Es muß hervorgehoben werden, daß die Leistungsaufnahme des Einsatzes bei der in Fig. 5 und 6 dargestellten Stellungen der Schalter 32 und 33 derjenigen nach Fig. 4 gleichgesetzt werden kann, wenn die Schalter 42 und 43 an geeigneten Anzapfungen der Induktionsspule angeschlossen oder die Spannung geändert wird. Weiterhin kann natürlich die Badbewegung verändert werden durch Anwendung variabler lnduktanzen an Stelle der unveränderlichen Induktanzen 29 und 30. In Fig. 6 sind solche veränderlichen Induktanzen schematisch dargestellt.

Die Praxis hat gezeigt, daß die zur Regulierung des Leistungsfaktors erforderliche Kapazität nur wenig verschieden ist, wenn beide Induktanzen 29 und 30 oder nur eine der beiden in den Schwingungskreis eingeschaltet ist. Aus diesem Grunde kann, abgesehen von der durch Veränderung des induktiven Widerstandes der Charge bedingten Änderung der Kapazität, diese bei Regelung der Badbewegung unverändert bleiben, wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist.

Die Leistungsaufnahme kann durch Verstellen der Schalter 42 und 43 reguliert werden, während die Schalter 32, 33 so lange zweckmäßig geschlossen bleiben, bis der Einsatz fest ist, eine Badbewegung also überhaupt nicht vorhanden ist. Wenn das Einsatzmaterial magnetisch ist, so muß eine Änderung der Leistungsaufnahme vorgenommen werden, wenn der magnetische Umwandlungspunkt erreicht wird. Dies geschieht durch öffnen der Schalter 42 und 43, wobei die Spannung in der Induktionsspule verändert wird. Wenn der Einsatz vollkommen geschmolzen ist oder wenn gleich mit geschmolzenem Einsatz angefahren wird, ist es wünschenswert, die Badbewegung an der Oberfläche ganz auszuschalten, was in vielen Fällen in genügender Weise durch öffnen des Schalters 32 erreicht wird, wie es in Fig.. 6 dargestellt ist. Eine mäßige oder mittlere Badbewegung erreicht man durch Schließen der beiden Schalter 32 und 33.

Fig. 7 zeigt eine für die Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignete Induktionsspule. Die Stromzuführungen sind hier die gleichen wie die bei Fig. 3. Die beiden entgegengesetzt gewickelten Teile 18 und 19 der Spule sind so ausgebildet, daß sie eine große Anzahl von Amperewindungen auf eine Längseinheit längs der Spulenachse bzw. an den äußersten Enden der Spule konzentrieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Induktionsspule aus einem hohlen, für Wasserkühlung eingerichteten Rohr hergestellt wird, welches an den äußersten Enden 53 senkrecht zur Achse der Spule und in der Mitte in Richtung der Achse der Spule 54 abgeflacht ist. Bei 17¹ ist die Wicklungsrichtung geändert. Zwischen der Spulenmitte und den äußersten Enden sind einige Wicklungen nicht abgeflacht, sondern kreisförmig, wie es bei 55 dargestellt ist. So wächst die Zahl- der Amperewindungen je Längeneinheit, allmählich von einem Minimum an der Spulenmitte bis zu einem Maximum an ihrem Ende. Dieser Zweck kann auch durch Änderung der mit gleichem Querschnitt versehenen Windungen einer Spule erzielt werden, wenn der Windungsabstand von der Mitte nach dem Ende der Spule abnimmt, wie in Fig. 8 dargestellt.

Die eben beschriebene allmähliche Vergrößerung der Amperewindungszahl gegen die Enden der Spule zu erzeugt eine stärkere g Konzentration des Flusses an den Enden und ist besonders wünschenswert bei der erfindungsgemäß beschriebenenen Regelung der Badbewegung. Wenn beispielsweise der Schalter 32 geöffnet und dadurch die Induktanz 29 in den Schwingungskreis eingeschal- · tet wird, der Schalter 33 aber geschlossen ist, so liegt der Punkt der größten Dichte des Feldes im Einsatz viel tiefer bei einer Induktionsspule nach Fig. 7 als bei einer Spule ic nach Fig. 4 bis 6. Bei ersterer würde daher eine viel geringere Badbewegung in der genannten Schalterstellung vorhanden .sein als bei der gleichen Schalterstellung in Fig.- 6. Andererseits wird bei öffnung des Schalters u 33 und Schließen des Schalters 32 der Punkt der größten Felddichte in Fig. 7 Viel höher liegen als in Fig. S, da außerdem der Hauptteil des Stromes durch den oberen Teil 18 der Induktionsspule geht und noch die Amperewindungen sich überwiegend nahe der Oberfläche des Schmelzbades befinden. Es ist daher augenscheinlich, daß bei der Ausführungsform nach Fig. 7 die Unterschiede zwischen größter und kleinster Badbewegung größer werden, da bei dieser die Stelle der groß- ; ten Felddichte viel weiter vom Schwerpunkt des Einsatzes entfernt ist. Aus diesem Grunde ist die Ausführungsform nach Fig. 7, wenn irgend möglich, vorzuziehen.

Die gleichen Vorteile treffen auch auf die ■ Ausführungsform nach Fig. 8 zu. Hier sind

die Windungen der Induktionsspule an den Enden 53¹ dicht beieinander und in der Spulenmitte 54¹ verhältnismäßig weit entfernt angeordnet. Die zwischenliegenden Windungen sind zweckmäßigerweise mit immer geringeren Abständen gegen das Ende der Spule zu gewickelt.

Wegen der Wichtigkeit eines gleichgerichteten Flusses im Einsatz in jedem Augenblick wurden in den vorangehenden Figuren die Induktionsspulen mit zwei einander entgegengesetzt gewickelten Zweigen dargestellt. Fig. 9 zeigt nun, daß der Erfindungsgedanke auch mittels mehrerer in gleichem Sinne gewickelte Induktionsspulen verwirklicht werden kann. Der Strom fließt hier von der Stromquelle über die Leitungen 21 und 22 zu den entsprechenden Spulen 18¹ und 19¹, in welchen er parallel fließt. Durch geeignete Schalter 42¹ und 43¹ wird eine Veränderung der Spannung an der Induktionsspule unter Anwendung des Spartransformatorprinzips ermöglicht. Auch bei diesen Spulen fließt der Strom in jedem Augenblick in der gleichen Richtung. In den Schwingungskreis jedes einzelnen Spulenabschnittes ist eine Induktanz 29 oder 30 eingeschaltet, welche durch Schalter 32 oder 33 kurzgeschlossen werden kann, und auch ein Kondensator 20 ist vorgesehen. Die Zahl der Induktionsspulenabschnitte, welche gemäß der obengenannten Methode verbunden werden können, ist sehr groß, bei Anwendung einer entsprechenden Anzahl von Induktanzen und Kurzschlußhaltern.

Fig. 10 zeigt die Kombination zweier Spulen in der erfindungsgemäßen Schaltung. Der Vergleich der Fig. 10 mit der Fig. 1 zeigt, daß bei Fig. 10 nur zwei Induktionsspulen, deren zusätzliche Induktanzen und Schalter parallel sind, verbunden wurden und daß außerdem weitere Induktanzen und Schalter hinzugefügt sind, um die Badbewegung besser regeln zu können. Bei großen Schmelzöfen ist es oft wünschenswert, eine Spule mit nur wenig Windungen zu haben. Wo dies der Fall ist, muß jede einzelne Windung sehr groß sein, damit die Spule den großen Einsatz umfassen kann. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch ermöglicht, daß eine große Anzahl von Induktionsspuleneinheiten angewendet wird, indem jede dieser Einheiten aus der gewünschten geringen Anzahl von Windungen besteht, welche kleiner sind, als es der Fall sein müßte, wenn die Induktionsspule aus nur einem Satz Windungen bestehen •würde.

In Fig. 10 besteht die Induktionsspule aus

zwei solchen Einheiten 16¹ und 16² die elektrisch voneinander getrennt sind. Jede Induktionsspuleneinheit besteht aus zwei entgegengesetzt gewickelten Teilen 18 und 19, wie es in Fig. ι dargestellt war; der obere Teil 18 der unteren Einheit 16² ist also gegenüber dem unteren Teil 19 der oberen Einheit 16¹ 6; entgegengesetzt gewickelt. Die Windungsrichtung der Induktionsspulen wechselt also vom Boden des Schmelzofens bis zu seinem oberen Rand mehrmals.

Die Induktanzen 29², 30², 29^s und 30³ und 7c die Schalter 32¹, 33¹ und 32², 33^s für die entsprechenden Einheiten sind gemäß Fig. 1 verbunden.

Die eine Stromzuleitung ist über den Leiter 21 -mit dem Mittelpunkt 17 jeder Einheit verbunden. Selbstverständlich können auch hier Kontakte und Drosselspulen vorgesehen werden entsprechend Fig. 3. Zwischen den Leitern 56 und 57 jeder Spuleneinheit und der Zuleitung sind Induktanzen 58 und 59 vorgesehen, die miteinander im Punkt 60 verbunden sind, und Schalter 61 und 62 zum Kurzschließen dieser induktiven Widerstände. Es können selbstverständlich auch mehr als zwei Einheiten nach Art der Fig. 10 parallel zueinander geschaltet werden, oder eine größere Anzahl von Sätzen von Einheiten können parallel geschaltet werden und so eine unbeschränkte Zahl von Stromkreisen und Kontrollmöglichkeiten für die Badbewegung geschaffen werden. Die nach Fig. 10 nebeneinanderliegenden Windungen 63 und 64 der Induktionsspule müssen zwangsläufig in jedem Augenblick die gleiche Polarität haben, so daß ihre Isolation nicht durchgeschlagen werden kann, was eintreten würde, wenn sie von entgegengesetzter Polarität wären. Dies ist ein besonderer Vorteil der Schaltung nach Fig. 10.

Bei der Anwendung des Ofens nach Fig. 10 kann das Verhältnis des Stromes, der in der oberen Einheit 16¹ fließt, zu dem in der unteren Einheit 16² fließenden verkleinert werden durch öffnen des Schalters 61, während der Schalter 62 geschlossen bleibt. Hierdurch wird die Badbewegung im Ofen verringert. Andererseits vergrößert das Schließen des Schalters 61 und das öffnen des Schalters 62 das Verhältnis zwischen dem in der oberen und dem in der unteren Einheit fließenden Strom, indem dadurch eine Aufwärtsbewegung des Punktes der größten Felddichte längs der Spulenachse hervorgerufen wird und damit übereinstimmend eine kräftige Badbewegung. Für jede dieser Schalter-Stellungen können weiterhin Änderungen in der Stärke der Badbewegung hervorgerufen werden durch das Öffnen des einen der Schalterpaare 32¹ und 33¹ oder 32^s und 33^s. Wenn beispielsweise der Schalter 61 geschlossen und der Schalter 62 geöffnet ist, kann die starke Badbewegung noch mehr vergrößert

werden durch Öffnen der Schalter 32^s und 33². In ähnlicher Weise kann man die Stärke der Bewegung verringern durch Öffnen des Schalters 32¹, während der Schalter 33¹ geschlossen bleibt. In gleicher Weise wird die auf das öffnen des Schalters 61 und Schließen des Schalters 62 folgende geringere Bewegung noch weiter verringert durch öffnen der Schalter 32¹ und 33¹. Viel andere Variationen und Kombinationen sind möglich durch öffnen und Schließen der entsprechenden Schalter 61, 62, 32¹, 33¹ und 32^s, 33^s.

Claims (13)

1. Patentansprüche:

   ι. Verfahren zur Regelung der Badbewegung in Induktionsöfen ohne Eisenkern mit mindestens zwei zum Schmelzbad verschieden gelagerten Primärspulenteilen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der in verschiedenen Teilen des Schmelzbades fließenden Sekundärströme durch entsprechende Regelung des Verhältnisses der diese Badteile umkreisenden Primärströme mittels Erhöhung bzw. Verminderung des Wechselstromwiderstandes der entsprechenden Spulenteile (18, 19.) ohne Ab- und Zuschaltung der Spulenteile selbst verändert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Verhältnisses der in verschiedenen Teilen des Schmelzbades fließenden Sekundärströme durch Zu- oder Abschaltung von zu einzelnen Teilen der Spule parallel geschalteten, gegebenenfalls mit Eisenkernen versehenen Induktivitäten (29, 30) erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mit mehreren Anzapfungen versehen ist ttnd die Regelung durch Änderung des Verhältnisses der Amperewindungszahlen zwischen den einzelnen Teilen der Spule erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch Verwendung einer Spule mit sich vom Schwerpunkt des Schmelzbades an nach oben und unten stetig vergrößernder Amperewindungszahl.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus gegensätzlich gewickelten Teilen besteht, in denen entgegengesetzt gerichtete Ströme fließen und die Regelung durch Änderung des Verhältnisses dieser Ströme zueinander erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile der- Spule Teile von selbständigen Schwingungskreisen bilden und die Regelung durch Änderung der Induktivitäten dieser Kreise erfolgt.
7. 7. Induktionsofen ohne Eisenkern zur Ausübung des Verfahrens nach An-Spruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule aus zwei gegensätzlich gewickelten Teilen besteht und die Stromzuführung in der Mitte zwischen diesen beiden Teilen sowie an den Enden der Spule erfolgt.
8. , 8. Induktionsofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu den beiden Teilen der Induktionsspule parallel geschaltete Induktivitäten und Mittel zum Kurzschließen der Induktivitäten vorgesehen sind.
9. 9. Induktionsofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Spule an die Stromquelle über eine Drosselspule erfolgt, die dem Stromdurchgang von ihrem einen Ende zum anderen einen hohen induktiven Widerstand, dem Stromdurchgang von ihrer Mitte nach ihren Enden zu dagegen geringen induktiven Widerstand bietet.
10. 10. Induktionsofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule mit einem Eisenkern versehen ist, zwei in Reihe geschaltete gleichsinnig gewickelte Wicklungen aufweist und am Verbindungspunkt der beiden Wicklungen derart an die Stromquelle angeschlossen ist, daß in beiden Wicklungen gleichgerichtete Ströme fließen.
11. 11. Induktionsofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der Spule pro Längeneinheit von ihrer Mitte nach ihren Enden zu stetig zunimmt.
12. 12. Induktionsofen nach Anspruch 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweckmäßig hohlen Spulenwindungen in der Nahe der Spulenmitte in radialer Richtung abgeflacht und an den Spulenenden in axialer' Richtung abgeflacht sind.
13. 13. Induktionsofen nach Anspruch 4· und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule aus mehreren in gleichem Sinn gewickelten Teilen besteht, die so an die Stromquelle angeschlossen sind, daß in ihnen gleichgerichtete Ströme fließen.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen