DE589283C

DE589283C - Kernloser Induktionsofen zum Betrieb mit Drehstrom

Info

Publication number: DE589283C
Application number: DEH126412D
Authority: DE
Original assignee: Heraeus Vacuumschmelze AG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1931-04-16
Filing date: 1931-04-16
Publication date: 1933-12-05

Description

Im -Hauptpatent 572 445 ist ein kernloser Induktionsofen zum Betrieb mit Drehstrom beschrieben, bei dem um den Schmelzraum herum drei um 120⁰ gegeneinander versetzte, der Form des Schmelzraumes angepaßte, gewölbte Tellerspulen angeordnet sind.

Um die folgenden Ausführungen besser verständlich zu machen, ist in Fig. 1 die in dem Hauptpatent beschriebene Anordnung rein schematisch -dargestellt. Der Kreis Λ soll in der Aufsieht von oben die Grundfläche des Ofens bedeuten, während die Kreise 1, 2, 3 die drei Spulen schematisch zur Darstellung bringen. Die drei Spulen sollen von den drei Phasen des Drehstromes im gleichen Umlaufsinn durchflossen werden. Sobald das Schmelzgut flüssig geworden ist, entsteht eine Badbewegung, die sich aus der Überlagerung zweier verschiedener Bewegungsarten resultiert. Infolge des Betriebes mit Drehstrom - tritt eine langsame Umlaufbewegung des ganzen Bades um eine vertikale Achse ein. Dieser Bewegung überlagert ist eine Bewegung, die vor den einzelnen Spulen stattfindet und in einem Umlauf um eine Achse besteht, die in jeder Spulenmitte auf der Spulenfläche senkrecht steht. Hat der Schmelzherd eine halbkugelige Form, so sind die Achsen dieser Umlaufbewegung vor den einzelnen Spulen, von außen nach innen· betrachtet, schwach aufwärts geneigt. Bei 5 operiodigem Wechselstrom sind die Umlaufbewegungen des Gutes und die daraus resultierende Gesamtbewegung verhältnismäßig heftig, so daß ein solcher Ofen für Reaktionsarbeiten, wie beispielsweise Frischen (Herstellung von Stahl aus Roheisen) und Schlackenreaktionen (Entfernung von Schwefel und Phosphor), besonders geeignet ist. Für Öfen, die wesentlich für reine Einschmelzarbeit dienen sollen, ist diese Bewegung jedoch zu heftig. Nachstehend wird nun eine Weiterbildung der Erfindung beschrieben, bei der die Badbewegung wesentlich abgeschwächt ist.

Die Erfindung besteht darin, daß die drei Tellerspulen je in eine gleich große Anzahl von Unterspulen derart unterteilt sind, daß die zu einer Phase gehörige Spulengruppe symmetrisch zu den zu den beiden anderen Phasen gehörigen Spulengruppen angeordnet ist. Fig. 2 zeigt beispielsweise eine Anordnung mit zwei mal drei = sechs Spulen. Fig. 3 zeigt eine Anordnung mit drei mal drei = neun Spulen; je nach der gewünschten Stärke der resultierenden Badbewegung, und nach der Größe des Ofens kann auch eine größere Zahl von Gruppen zu je drei Spulen angeordnete werden.

Die Ziffern 1, 2 und 3 sollen den auf einanderfolgenden Phasen des Drehstromes entsprechen. Die einzelnen Spulengruppen sind durch beigesetzte Indices unterschieden, Wenn nun bei einer Anordnung entsprechend Fig. 1

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die Umlaufbewegung rund um eine vertikale Achse mit einer Geschwindigkeit von p Umläufen pro Minute erfolgt, so ist im Falle der

• ₅ Fig. 2 die Umlaufgeschwindigkeit = ^, im

Falle der Fig. 3 = ^-. Durch Vermehrung

der Spulengruppen kann demnach die Umlaufgeschwindigkeit des Bades um eine vertikale Achse beliebig vermindert werden.

Die zweite Umlaufbewegung um Achsen, die in den Spulenmitten auf den Spulenflächen senkrecht stehen, wird um so heftiger, je größer das Produkt aus der Windungszahl der einzelnen Spule und der Stromstärke des durch die Spule fließenden Stromes ist. Wird . einem. Ofen entsprechend Fig. 2 die gleiche elektrische Gesamtleistung zugeführt wie dem Ofen entsprechend Fig. 1, so verteilt sich die Leistung der Phase 1, die beim Ofen entsprechend Fig. ι lediglich der Spule 1 zugeführt wird, beim Ofen entsprechend Fig. 2 auf die Spulen 1 und 1'. Infolgedessen wird beim Ofen entsprechend Fig. 2 die Heftigkeit der Umlaufbewegung um Achsen, die in den Spulenmitten auf den Spulenflächen senkrecht stehen, wesentlich schwächer als die Heftigkeit des Umlaufes um die Achse der Spule 1 in Fig. i. Mit zunehmender Zahl von Gruppen zu je drei Spulen wirtl demnach auch die Heftigkeit der Badbewegung vor den einzelnen Spulen immer kleiner bei gleicher Gesamtleistungsaufnahme des Ofens. Man hat es demnach auf diese Weise in der Hand, die Bewegung des Bades nur gerade so heftig werden zu lassen, wie es den speziellen metallurgischen Bedingungen des betreffenden Ofens am besten entspricht.

In Fig. 4 ist schematisch eine Abwicklung der Spulen gezeichnet, wie man sie erhält, wenn man aus dem Mittelpunkt des Ofens in Richtung auf die Ofenwand blickt und von diesem Punkt aus gewissermaßen ein Panorama rund um den Ofen aufnimmt. Die Achsen, die in den Spulenmitten auf den Spulenflächen senkrecht stehen, markieren sich dann bei dieser Darstellung als die Mittelpunkte der Kreise B₁, B₂, B₃, B₁, B₂', B₃' usw. Die Badbewegung um diese Achsen erfolgt dann im Sinne der in die Kreise 1, 2, 3, r', 2', 3' eingezeichneten Pfeile. Die Oberfläche des Bades markiert sich in dieser Darstellung durch die gestrichelte Linie c-d. Man sieht dann, daß beispielsweise im Zwischenraum zwischen der Spule 2 und der Spule 3 das flüssige Metall unter dem Einfluß der Spule 2 die Tendenz zur Bewegung von oben nach unten und unter dem Einfluß der Spule 3 die Tendenz zur Bewegung von unten nach oben besitzt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß diese beiden Bewegungstendenzen sich bis zu einem -gewissen Grade gegenseitig aufheben müssen. Eine vollständige Aufhebung der Badbewegung findet nicht statt, weil ja außerdem noch die andere Badbewegung um eine senkrechte Achse vorhanden ist und sich stets eine Resultierende aus beiden Bewegungen bildet. Es ist aber ohne weiteres klar, daß die Heftigkeit der Bewegung, sowohl insgesamt als auch von Punkt zu Punkt betrachtet, aus den dargelegten Gründen um so schwächer werden muß, in je mehr Gruppen zu je drei Spulen die gesamte Ofenwicklung unterteilt wird.

Die Unterteilung der gesamten Ofenwicklung in mehr als eine Gruppe zu je drei Spulen bietet jedoch noch eine Reihe weiterer Möglichkeiten zur Beeinflussung der Badbewegung. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 5 dargestellt. Die Spulen 1, 2, 3 sind so an die drei Drehstromphasen angeschlossen, daß sie beispielsweise im positiven Umlaufsinn vom Strom durchflossen werden. Die Spulen der zweiten Gruppe i', 2', 3' sind dagegen so an die drei Drehstromphasen angeschlossen, daß .sie im negativen Umlaufsinn vom Strom durchflossen werden. Diese Anordnung hat zur Folge, daß in der von oben betrachtet rechten Badhälfte der Umlauf um die vertikale Achse im Uhrzeigersinn und in der Hn- g₀ ken Badhälfte entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn stattzufinden bestrebt ist. Beide Bewegungen heben sich gegenseitig zum Teil auf und bewirken eine weitere Verminderung der gesamten Badbewegung. Dieselbe Schaltungsweise ist in Fig. 6 für eine Ofenwicklung von vier Gruppen zu je drei Spulen schematisch dargestellt; die Badbewegungen unter dem Einfluß des Drehfeldes um eine vertikale Achse sind mit doppelspitzigen Pfeilen eingetragen, während die Badbewegungen, die um annähernd waagerechte Achsen erfolgen, d. h. um Achsen, die senkrecht durch die Spulenmitten gehen und senkrecht auf den Spulenflächen stehen, durch kleine einfachspitzige Pfeile angedeutet sind. Die Fig. 6 läßt die auftretenden Badbewegungen so klar erkennen, daß sich eine nähere Beschreibung erübrigt.

Eine weitere Schaltmöglichkeit zeigt Fig. 7. In dieser sind je zwei aufeinanderfolgende Spulen an die gleiche Phase angeschlossen, jedoch mit jeweils entgegengesetztem Umlaufsinn des Stromes. Wie aus der Abwicklung dieser Schaltungsanordnung in Fig. 8 hervorgeht, werden sich in diesem Falle die Badbewegungen zwischen den beiden Spulen 1, 1' usw. verstärken, wobei man es noch durch die Wahl des Umlaufsinnes des Stromes in der Hand hat, die Badbewegung zwischen zwei Spulen 1 und 1' von unten nach oben oder von oben nach unten statt-

finden zu lassen. Dagegen heben sich die Drehmomente um die vertikale Achse gegenseitig auf, da das von den Spulen i, 2, 3 erzeugte Drehfeld gerade den entgegengesetzten Umlaufsinn hat als das von den Spulen 1', 2', 3' erzeugte Drehfeld.

Mit wachsender Zahl von Gruppen von je drei Spulen ergibt sich eine zunehmende Zahl von Schaltmöglichkeiten, von denen eine Anzahl ebenfalls nützliche Beeinflussungen der Badbewegungen ergeben. Die Zahl der Gruppen zu je drei Spulen wird nach oben lediglich begrenzt durch die zunehmende Unbequemlichkeit der technischen Ausführung, namentlich aber dadurch, daß ja der Abstand zwischen dem Schmelzbad und den Spulen nicht beliebig weit verringert werden kann, da die feuerfeste Zustellung eine gewisse Mindestdicke besitzen muß. In dem Maße, in dem sich die Größe des Windungsradius der, einzelnen Spulen der Dicke der Zustellung annähert, werden die Koppelungsverhältnisse zwischen Spulen und Bad ungünstiger und damit der cos φ des Ofens schlechter. An-

dererseits ist es auch nicht erwünscht, die Bewegung des Bades zu sehr zu verringern, da sonst keine genügende Durchmischung, sei es der Legierungsbestandteile, sei es von Raffinationszusätzen, mehr eintritt. Man hat es außerdem in der Hand, durch passende Umschaltung der Spulen in bestimmten Betriebsphasen mit starker und in anderen Betriebsphasen mit schwacher Durchwirbelung zu arbeiten.

Für manche metallurgische Arbeiten ist z. B. die folgende Betriebsweise zweckmäßig. Solange der Einsatz fest ist und man nur den Wunsch hat, der Charge möglichst viel Energie pro Zeiteinheit zuzuführen, kann man eine Schaltung wählen, die bei flüssigem Bad eine unerwünscht starke Wirbelung ergeben würde. Diese Schaltung ergibt dann das Optimum an Leistungsfaktor und Wirkungsgrad. Sobald sich das Bad zu verflüssigen beginnt, geht man zu einer Schaltung über, die eine verringerte Durchwirbelung ergibt, und fährt in dieser Schaltung, bis das ganze Bad verflüssigt und auf die gewünschte Temperatur über den Schmelzpunkt überhitzt ist. Von diesem Zeitpunkt an kann die Energiezufuhr zum Ofen verringert werden, da nunmehr nur noch die Wärmeverluste des Bades zu decken sind, aber keinerlei weitere Temperatursteigerungsarbeit mehr zu verrichten ist. Die verringerte Leistungszufuhr bewirkt auch eine Verringerung der Stromstärke in den Spulen, so daß sich eine nur mäßige Durchwirbelung auch in der Schaltung ergibt, die bei voller Stromzufuhr eine unerwünscht starke Durchwirbelung bewirken würde. Erst gegen Ende der Chargendauer geht man dann auf die Schaltung zurück, die das Minimum an Durchwirbelung ergibt, um dem Bad vor dem Vergießen die Möglichkeit des Abstehens und des Aufsteigens der Schlacken zu geben.

Wie bereits oben ausgeführt wurde, spielt für den Leistungsfaktor das Verhältnis vom Radius der einzelnen Spulen zur Dicke der Zustellung eine Rolle. Andererseits wachsen mit abnehmender Zustellungsdicke die Wärmeverluste des Ofens. Man kann demnach je nach den örtlichen Verhältnissen den gleichen Ofen mit möglichst hohem Leistungsfaktor und dafür etwas vergrößerten Wärmeverlusten oder mit möglichst geringen Wärmeverlusten und dafür etwas verschlechtertem Leistungsfaktor betieiben. Dabei ist zu berücksichtigen, daß erhöhte Wärmeverluste eine erhöhte Energiezufuhr, d. h. erhöhte Stromstärke, und damit verstärkte Durchwirbelung zur Folge haben.

Unter kernlosen Induktionsöfen sind solche verstanden, bei denen kein Joch vorgesehen ist, das das Bad durchdringt; dagegen können entsprechend dem Hauptpatent außerhalb des Schmelzbades Joche vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Kernloser Induktionsofen zum Betrieb mit Drehstrom, bei dem der Primärstrom drei um 120 ° gegeneinander versetzte gewölbte Tellerspulen durchfließt, nach Patent 572 445, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Tellerspulen je in eine gleich große Anzahl von Unterspulen derart unterteilt sind, daß die zu einer Phase gehörigen Unterspulen symmetrisch zu den zu den beiden anderen Phasen gehörigen Spulen angeordnet sind.

2. Kernloser Induktionsofen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die an eine Phase angeschlossenen, zu einer Gruppe gehörenden Spulen sämtlich im gleichen Sinn vom Strom durchflossen werden.

3. Kernloser Induktionsofen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die an eine Phase angeschlossenen, zu einer Gruppe gehörenden Spulen abwechselnd in entgegengesetztem Sinn von Strom durchflossen werden.

4. Kernloser Induktionsofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei nebeneinander angeordnete Unterspulen der drei Spulengruppen an drei verschiedene Phasen so angeschlossen sind, daß die Stromrichtung in den drei aufeinanderfolgenden Unterspulen dieselbe ist.

5. Kernloser Induktionsofen nach An-

spruch I "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spulen jeder Spulengruppe derart umschaltbar sind, daß die Baddurchwirbelung vergrößert oder verringert werden kann.

6. Verfahren zum Betrieb kernloser Induktionsöfen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Inbetriebnehmen des Ofens bei festem Einsatz zunächst mit einer Schaltung der Unterspulen gearbeitet wird, die bei flüssigem Bad eine unerwünscht starke Wirbelung ergeben würde, daß dann, sobald sich das Bad zu verflüssigen beginnt, auf eine Schaltung übergegangen wird, die eine verringerte Durchwirbelung ergibt, und diese Schaltung so lange beibehalten wird, bis das ganze Bad verflüssigt und auf die gewünschte Höchsttemperatur gebracht ist, worauf wieder zu der ersten Schaltung übergegangen wird, bei der die Energiezufuhr gegenüber der zweiten Schaltung verringert ist, und daß während der Abstehperiode mit einer Schaltung gearbeitet wird, die ein Minimum an Durchwirbelung ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen