DE69807774T2

DE69807774T2 - Mechanismus für einen Bodenabstich eines Induktionsofens

Info

Publication number: DE69807774T2
Application number: DE69807774T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nakai; Atsushi Okuno; Masanori Tsuda
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 1997-04-23
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2018-04-23
Also published as: US6507598B2; US6307875B1; US20020085614A1; JPH116687A; DE69829085T2; US20020027940A1; EP1233244B1; EP0874206A1; DE69838264T2; EP1265043B1; US20020080847A1; EP0874206B1; EP1265043A3; EP1233244A2; EP1233244A3; DE69838264D1; DE69829085D1; US6487234B2; US20010022801A1; US6507599B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionsofen zum Schmelzen von Metallen durch Induktionserwärmen und eine Bodenabstichvorrichtung für diesen.

Stand der Technik

Zur Erzeugung eines hochreinen Metalls oder einer hochreinen Metallegierung aus den gewünschten Elementen durch Schmelzen eines stark reaktionsfähigen Metalls wird besonders ein Induktionsofen bevorzugt, welcher durch Induktionserwärmung und -umrühren eine gleichmäßige Temperatur im gesamten geschmolzenen Metall gewährleistet, um ein Vermischen der Verunreinigungen mit dem geschmolzenen Metall bis in den unteren Ofenbereich hinein zu verhindern, da ein solches Vermischen in Qualitätsunterschieden und einer Qualitätsminderung resultiert.
Bei einem herkömmlichen Induktionsofen verläuft die Ofenwand von dem mit einer Abstichöffnung versehenen Ofenboden bis zu einer bestimmten Höhe geneigt und geht dann in einen vertikal sich erstreckenden Abschnitt mit konstantem Durchmesser über, wie zum Beispiel im japanischen Dokument Hei 4(1992)- 327342 offenbart. Die Ofenwand ist aus mehreren längs geschlitzten, leitenden Segmenten zusammengesetzt, welche gegeneinander isoliert sind. An der Außenseite der Ofenwand ist eine Induktionsheizspule angeordnet, von welcher ein die Innenseite der Ofenwand berührendes Metall induktiv erwärmt werden kann. Die am Ofenboden vorhandene Abstichöffnung mündet in eine dort senkrecht angeordnete Kokille. Das in den Ofen chargierte Metall schmilzt durch die Induktionserwärmung und das geschmolzene Metall fließt in die Kokille, ohne dabei zu erstarren.
Auch im japanischen Dokument Hei 8(1996)-145571 ist ein Induktionsofen offenbart, von dessen mit einer Abstichöffnung und einem Abstichöffnungsverschluß versehenen flachen Boden aus die Wand mit konstantem Durchmesser sich vertikal nach oben erstreckt. Dieser Induktionsofen ist so konstruiert, daß das chargierte Metall durch Induktion zum Schmelzen gebracht und durch Abschmelzen des Abstichöffnungsverschlusses abgestochen werden kann.
Da bei dem vorher beschriebenen Ofen eine Kokille am Abstichabschnitt angeordnet ist, wächst die in der Öffnung erstarrende Schicht ständig, so daß es zu Abstichproblemen kommt. Bei dem mit dem Abstichöffnungsverschluß versehenen Induktionsofen kann die Abstichöffnung erst dann wieder geschlossen werden, wenn das gesamte geschmolzene Metall aus dem Ofen gelaufen ist. Demzufolge ist ein glatter Übergang vom Schmelzen des Metalls zum Abstich des geschmolzenen Metalls nicht möglich. Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß bei einem herkömmlichen Ofentyp das erste Problem darin besteht, keinen glatten Übergang zwischen dem Schmelzen des Metalls und dem Abstechen des geschmolzenen Metalls ermöglichen zu können.
Bei einem Ofen, dessen Wand sich mit einem konstanten Durchmesser nach oben erstreckt, steigen der Metalldampf und das im geschmolzenen Metall erzeugte Gas parallel zur Ofenwand nach oben. Somit ergibt sich bei einem herkömmlichen Ofen ein zweites Problem, welches darin besteht, daß das Metall leicht an der Ofenwand haften bleibt und nur mit großem Aufwand beseitigt werden kann und für das aufsteigende Gas einen Widerstand bildet, welches sich dadurch nicht vollständig aus dem Ofen entfernen läßt und zu einer Qualitätsminderung des geschmolzenen Metalls beiträgt.
Das Dokument GB-A-2279593 offenbart eine Vorrichtung zum Abschmelzen einer erstarrten Schicht aus elektrisch leitendem Material und zur Gewährleistung eines homogenen Abflusses der Metallschmelze aus einer nicht mit Keramik ausgekleideten Pfanne, welche mindestens zwei separat steuerbare Induktionsheizspulen und mindestens eine geschlitzte, mit Flüssigkeit gekühlte Mittelplatte im Bereich der oberen Induktionsheizspule aufweist, wobei diese Mittelplatte einen die Schmelze umgebenden Behälter bildet und vollständig oder nur in dem vom elektromagnetischen Feld durchdrungenen Abschnitt aus elektrisch leitendem Material gefertigt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demzufolge die Bereitstellung eines Induktionsofens, mit welchem mindestens eines der beiden genannten Probleme gelöst werden kann, und einer Abstichvorrichtung für diesen Ofen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende, in den beiliegenden Ansprüchen definierte Erfindung betrifft einen neuartigen Induktionsofen, welcher wie nachfolgend beschrieben konstruiert ist und die in der Beschreibung genannten Komponenten aufweist. Das gekühlte Ofengefäß zur Aufnahme des zu schmelzenden Metalls ist zusammengesetzt aus einem mit einem Abstichtrichter versehenen Boden und einer Gefäßwand, welche von mehreren in Umfangsrichtung angeordneten, längs geschlitzten und gegeneinander isolierten leitenden Segmenten gebildet wird. Um die Außenfläche des Bodens und der Seitenwand sind Spulen gelegt, um das in den Ofen chargierte Metall induktiv zum Schmelzen zu bringen. Die Spulen sind an eine Spannungsquelle angeschlossen, welche, von einer Steuervorrichtung gesteuert, in Abhängigkeit vom Schmelzzustand des in den Ofen chargierten Materials die Abstichöffnung freigibt oder schließt.
Mit einem Ofen dieser Konstruktion können die nachfolgend beschriebenen Ergebnisse erzielt werden. Wenn das in den Ofen chargierte Material induktiv erwärmt wird, beginnt dieses zu schmelzen, doch das mit dem Boden und der Wand des Ofengefäßes in Berührung kommende geschmolzene Material erstarrt dort wieder. Die Steuervorrichtung für die Spannungsquelle zur induktiven Erwärmung dient dazu, beim Abschmelzen des in den Ofen chargierten Materials das am Boden sich sammelnde geschmolzene Material im Bereich der Abstichöffnung erstarren zu lassen, um diese zu schließen, und das im Bereich der Abstichöffnung erstarrte Material zu schmelzen, wenn das geschmolzene Material abgestochen werden soll. Auf diese Weise wird das Umschalten der Spannungsquelle vom Schmelzvorgang auf den Abstichvorgang und umgekehrt erleichtert.
Der Induktionsofen gemäß der vorliegenden Erfindung kann folgende Konstruktionselemente aufweisen, ein Gefäß mit einem Boden, einem oberen Abschnitt und einer Wand, welche aus mehreren längs geschlitzten, in Umfangsrichtung angeordneten und gegeneinander isolierten, leitenden Segmenten zusammengesetzt ist und deren Durchmesser vom Boden aus zum oberen Abschnitt hin sich vergrößert, eine Spuleneinheit, welche um den Außenumfang der Seitenwand angeordnet ist und das in das Ofengefäß chargierte Material induktiv erwärmt und zum Schmelzen bringt, und eine die Spuleneinheit speisende Wechselspannungsquelle.
Mit einem Ofen dieser Konstruktion können die nachfolgend beschriebenen Ergebnisse erzielt werden. Wenn die Spuleneinheit von der Spannungsquelle mit einer Wechselspannung gespeist wird, erzeugt diese ein wechselndes Magnetfeld, welches das in das Ofengefäß chargierte Material induktiv erwärmt und zum Schmelzen bringt. Bei diesem Schmelzvorgang verdampft eine bestimmte Menge des geschmolzenen Materials und steigt zusammen mit den erzeugten Gasen nach oben. Durch die schräge Anordnung der Seitenwandelemente, welche den Gefäßdurchmesser nach oben erweitern, wird den aufsteigenden Metall- und Gasdämpfen kein Widerstand entgegengesetzt, so daß oberhalb des Metallspiegels an der Seitenwand Metall sich kaum absetzt. Dadurch entsteht auch kein Widerstand für die aufsteigenden Gase, so daß diese vollständig aus dem Ofengefäß entfernt werden können.
Der Induktionsofen gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch folgende Konstruktionselemente aufweisen, ein Gefäß mit einem Boden, einem oberen Abschnitt und einer Wand, welche aus mehreren längs geschlitzten, in Umfangsrichtung angeordneten und gegeneinander isolierten leitenden Segmenten zusammengesetzt ist und deren Durchmesser vom Boden aus zum oberen Abschnitt hin sich vergrößert, eine Spuleneinheit, welche um den Außenumfang der Seitenwand und des Abstichabschnitts angeordnet ist und das in das Ofengefäß chargierte Material induktiv erwärmt und zum Schmelzen bringt, eine die Spuleneinheit speisende Wechselspannungsquelle und eine Steuervorrichtung, welche im Schmelzbetrieb das am Gefäßboden sich sammelnde geschmolzene Material im Bereich der Abstichöffnung erstarren läßt, um diese zu schließen, und das im Bereich der Abstichöffnung erstarrte Material zu schmelzen, wenn das geschmolzene Material abgestochen werden soll.
Mit einem Ofen dieser Konstruktion können die nachfolgend beschriebenen Ergebnisse erzielt werden. Wenn die Spuleneinheit von der Spannungsquelle mit einer Wechselspannung versorgt wird, erzeugt diese ein wechselndes Magnetfeld, welches das in das Ofengefäß chargierte Material induktiv erwärmt und zum Schmelzen bringt. Bei diesem Schmelzvorgang verdampft eine bestimmte Menge des geschmolzenen Materials und steigt zusammen mit den erzeugten Gasen nach oben. Durch den nach oben sich vergrößernden Ofenwanddurchmesser wird den aufsteigenden Metall- und Gasdämpfen kein Widerstand entgegengesetzt, so daß oberhalb des Metallspiegels an der Seitenwand Metall sich kaum absetzt. Dadurch entsteht auch kein Widerstand für die aufsteigenden Gase, so daß diese vollständig aus dem Ofengefäß entfernt werden können.
Die Steuervorrichtung, welche die Spannungsquelle zum induktiven Erwärmen steuert, kann dazu verwendet werden, beim Abschmelzen des in den Ofen chargierten Materials das am Boden sich sammelnde geschmolzene Material im Bereich der Abstichöffnung erstarren zu lassen, um diese zu schließen, und das im Bereich der Abstichöffnung erstarrte Material zu schmelzen, wenn das geschmolzene Material abgestochen werden soll. Auf diese Weise wird das Umschalten der Spannungsquelle vom Schmelzvorgang auf den Abstichvorgang und umgekehrt erleichtert.
Der Einlaufabschnitt des am Ofenboden des Induktionsofens angeordneten Abstichtrichters verjüngt sich nach unten und geht in einen zylinderförmigen Auslaufabschnitt über.
Bei einer solchen Konfiguration erstarrt das geschmolzene Material von der Wand des Abstichtrichters nach innen. Das Erstarren beginnt an der engsten Stellen der Abstichöffnung und setzt sich nach oben fort. Dadurch kann ein abruptes Schließen der Abstichöffnung durch das erstarrende Material verhindert und das Aufschmelzen derselben in beliebigem Grad problemlos durchgeführt werden. Das ermöglicht eine Feineinstellung der abzustechenden Menge von geschmolzenem Material.
Die Spuleneinheit des Induktionsofens weist eine an der Außenseite der Gefäßwand über den Umfang angeordnete erste Spule und eine an der Außenseite des Abstichtrichters angeordnete zweite Spule auf, wobei die genannte Steuereinheit die Spannungsquelle so steuert, daß beim Abschmelzen des in den Ofen chargierten Materials das geschmolzene Material im Abstichbereich erstarrt und vor Beginn des Abstichs ein Teil des erstarrten Materials wieder geschmolzen wird, um den Abstichtrichter zu öffnen.
Bei dieser Konstruktion können die erste und die zweite Spule ineinander übergehen und eine Einheit bilden.
Bei diesem Induktionsofen kann die Spuleneinheit in eine an der Außenseite der Gefäßwand angeordnete erste Spule und eine an der Außenseite des Abstichtrichters angeordnete zweite Spule unterteilt werden, die Spannungsquelleneinheit aus einer ersten, die erste Spule speisende Spannungsquelle und einer die zweite Spule speisende Spannungsquelle zusammengesetzt sein und die Steuereinheit die erste und die zweite Spannungsquelle unabhängig voneinander steuern.
Diese Konstruktion ermöglicht das Schmelzen des in den Ofen chargierten Materials und den Abstich des geschmolzenen Materials unabhängig voneinander, wodurch die Produktivität gesteigert werden kann.
Die für die zweite Spule vorgesehene Spannungsquelle ist unterteilt in einen Abschnitt zur Erzeugung einer ersten Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz, welche das in den Ofen chargierte Material zum Schmelzen bringt (Schmelz-Spannungsquelle), und einen Abschnitt zur Erzeugung einer zweiten Wechselspannung mit einer anderen Frequenz, welche das geschmolzene Material erstarren läßt (Erstarrungs-Spannungsquelle), wobei zum Öffnen des Abstichtrichters die Schmelz- Spannungsquelle und zum Schließen des Abstichtrichters die Erstarrungs-Spannungsquelle von der genannten Steuereinheit angesteuert werden.
Diese Konstruktion ermöglicht schnelles Umschalten von der Schmelz-Spannungsquelle zur Erstarrungs-Spannungsquelle und umgekehrt und Regeln der Abstichmenge durch entsprechende Vorgaben für die Wirkzeit der Hochfrequenzspannung und die der Niederfrequenzspannung.
Der Induktionsofen gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch mit einer Absenkvorrichtung ausgerüstet werden, welche das abgestochene Material in einem gewünschten Erstarrungszustand aus dem Abstichtrichter nach unten absenkt.
Der Induktionsofen ermöglicht auch das Schmelzen des in den Ofen chargierten Materials unter reduziertem Druck. Ein solches Verfahren eignet sich besonders dann, wenn beim Schmelzen große Gasmengen erzeugt werden.
Zum Bodenabstichmechanismus eines Induktionsofens gehören: ein am Boden des Ofengefäßes angeordneter kanalförmiger Abstichtrichter, dessen Einlaufabschnitt konische Form hat und in einen zylinderförmigen Auslaufabschnitt übergeht, wobei dieser Abstichtrichter in mehrere durch Schlitze erzeugte Segmente unterteilt ist, welche an Kühlwasserzuleitungs- und -ableitungsrohre angeschlossen sind; Induktionsheizspulen, welche um den Einlaufabschnitt und den Auslaufabschnitt des Abstichtrichters angeordnet sind, und eine Spannungsquelleneinheit, welche in eine Schmelz-Spannungsquelle und eine Erstarrungs-Spannungsquelle unterteilt ist, von denen die Induktionsheizspulen willkürlich gespeist werden.
Eine relativ einfach aufgebaute Schaltung ermöglicht die zeitliche Steuerung des Schmelzens des in den Ofen chargierten Materials und des Abstichs des geschmolzenen Materials sowie die Regelung der Abstichmenge.
Der genannte Abstichtrichter verjüngt sich vom Ofengefäßboden aus nach unten und läuft dann zylindrisch aus.
Diese Konstruktion ermöglich eine beliebige Vergrößerung bzw. Verringerung des Öffnungsgrades der Abstichöffnung und somit eine Feinregulierung der Abstichmenge des geschmolzenen Materials.
Der am Boden des Induktionsofens angeordnete Abstichmechanismus ist so ausgelegt, daß zum Abstich des geschmolzenen Materials die um den oberen und den unteren Teil des Abstichtrichters gelegten Spulen mit der Hochfrequenzspannung und nach erfolgtem Abstich diese mit der Niedrigfrequenzspannung gespeist werden.
Das heißt, der Abstichmechanismus weist eine einfache Konstruktion auf.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachfolgend wird in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen die Erfindung detailliert beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform des Induktionsofens.
Fig. 2 zeigt schematisch den Induktionsofen in perspektivischer Darstellung.
Fig. 3 zeigt schematisch das Abschmelzen des in den Ofen chargierten Materials.
Fig. 4 zeigt das geschmolzenen Material.
Fig. 5 zeigt im Diagramm die Beziehung zwischen der Schichtdicke des Ofenbären und der Induktionsleistung.
Fig. 6 zeigt schematisch die Schnittansicht eines Induktionsofens.
Fig. 7 zeigt schematisch den in Fig. 6 dargestellten Induktionsofen in perspektivischer Darstellung.
Fig. 8 zeigt schematisch die Schnittansicht eines Induktionsofens.
Fig. 9 zeigt schematisch den in Fig. 8 dargestellten Induktionsofen in perspektivischer Darstellung.
Fig. 10 zeigt das Abschmelzen des in den Ofen chargierten Materials.
Fig. 11 zeigt schematisch das geschmolzenen Material.
Fig. 12 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des Induktionsofens, wobei Figur (A) die Seitenschnittansicht des Induktionsofens, Figur (B) vergrößert die Schnittansicht des Abstichtrichters und Figur (C) den Abstichtrichter in perspektivischer Darstellung zeigt.
Fig. 13 zeigt schematisch den Aufbau des am Ofenboden angeordneten Abstichmechanismus.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachfolgend wird in Verbindung mit den Fig. 1 bis 7 die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsofens beschrieben.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Induktionsofen dieser Ausführungsform kennzeichnet das Bezugszeichen 1 das aus Kupfer gefertigte Ofengefäß und das Bezugszeichen 13 das in dieses chargierte Material wie z. B. Titan. Das Ofengefäß kann aus reinem Kupfer, einer Kupferlegierung, aus Gold oder Silber mit geringem elektrischen Widerstand oder in einigen Fällen auch aus nichtrostendem Stahl gefertigt werden. In diesem Ofen können außer Titan auch Zirkon, Hafnium, Chrom, Niob, Tantal, Molybdän, Uran, Seltenerdelemente, Thorium und ausgewählte Legierungen aus diesen Elementen geschmolzen werden.
Das Ofengefäß 1 ist in einer Vakuumkammer (nicht dargestellt) untergebracht, in welcher jeder gewünschte Druck zwischen Atmosphärendruck und hohem Unterdruck erzeugt werden kann. Das Ofengefäß 1 weist einen an dessen Boden angeordneten Abstichtrichter 2 und eine von dessen Boden sich erstreckende kreisförmige Wand 3 mit nach oben zunehmendem Radius auf. Der Abstichtrichter ist mit einer Bohrung 2a versehen, welche am Ofenboden die Abstichöffnung bildet. Der Abstichtrichter 2 und die Wand 3 sind aus mehreren (acht) längs geschlitzten, in Umfangsrichtung angeordneten leitenden, gegeneinander isolierten Segmenten 4 zusammengesetzt. Die Isolation wird dadurch erreicht, daß zwischen benachbarten leitenden Segmenten 4, 4 ein Isolierelement angeordnet ist oder die leitenden Segmente in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.
Jedes leitende Segment 4 ist mit einem Kühlwasserkanal 4a versehen. Dieser Kühlwasserkanal erstreckt sich vom oberen Ende des leitenden Segments 4 (oberes Ende der Wand 3) bis zu dessen unterem Ende (unteres Ende des Abstichtrichters 2). Jeder dieser Kühlwasserkanäle 4a ist am oberen Ende des leitenden Segments an ein Kühlwasserzuführsystem (nicht dargestellt) angeschlossen und mündet unten in einen Verbindungskanal 4b. Jeweils zwei benachbarte Kühlwasserkanäle 4a bilden ein Kühlwassereinheit. Bei dieser Kühlwassereinheit wird einem der beiden benachbarten Segmente 4 oben Kühlwasser zugeführt, welches in dessen Kühlwasserkanal 4a nach unten strömt und dabei dieses Segment kühlt. Von diesem Segment gelangt das Kühlwasser weiter durch den Verbindungskanal Ab in das untere Ende des Kühlwasserkanals 4a des anderen Segments 4, steigt in diesem nach oben und kühlt dabei dieses Segment.
An der Außenseite des Ofengefäßes 1 ist um dessen Umfang eine Induktionsheizspule 16 angeordnet, welche sich aus einer ersten Spule 5 und einer zweiten Spule 6 zusammensetzt. Die erste Induktionsheizspule 5 ist von unten nach oben um die Gefäßwand und die zweite Induktionsheizspule von unten nach oben um den Abstichtrichter 2 gewickelt. Die erste Induktionsheizspule 5 ist an eine Schmelz-Spannungsquelle 7 und die zweite Induktionsheizspule 6 an eine Abstich-Spannungsquelle 8 einer Spannungsquelleneinheit 17 angeschlossen, wobei beide, von der jeweiligen Spannungsquelle mit einer Wechselspannung gespeist, ein wechselndes Magnetfeld 9 um die Gefäßwand 3 bzw. den Abstichtrichter 2 erzeugen.
Die Abschmelz-Spannungsquelle 7 ist entsprechend ausgelegt, um eine erste Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz zu erzeugen und das in den Ofen chargierte Material zu schmelzen, kann aber auch eine Wechselspannung jeder gewünschten Frequenz erzeugen. Die Abstich-Spannungsquelle ist unterteilt in einen ersten Abschnitt 10, welcher die zum Schmelzen benötigten Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz erzeugt, und in einen Abschnitt 11, welcher eine Wechselspannung mit einer anderen Frequenz erzeugt, die das Erstarren des geschmolzenen Materials 13 ermöglicht. Die beiden Abschnitte 10 und 11 der Abstich-Spannungsquelle 8 sind, wie die Schmelz-Spannungsquelle 7, zur Erzeugung von Wechselspannungen mit verschiedenen Frequenzen ausgelegt.
Die Schmelz-Spannungsquelle 7 und die beiden Abschnitt 10 und 11 der Abstich-Spannungsquelle 8 sind mit einer Steuereinheit 12 elektrisch gekoppelt. Die von der Schmelz-Spannungsquelle 7 und die vom Abschnitt 10 der Abstich-Spannungsquelle 8 erzeugten Spannungen sind Hochfrequenzspannungen mit einer Frequenz von 2 kHz. Die vom Abschnitt 11 der Abstich-Spannungsquelle 8 erzeugte Spannung ist eine übliche Niederfrequenzspannung mit einer Frequenz von 100-200 Hz. Die Steuereinheit 12 ermöglicht durch Ausgabe entsprechender Signale selektives Umschalten der beiden Spannungsquellen 7 und 8 von AN auf AUS und umgekehrt und auch selektives Schalten zwischen dem Abschnitt 10 und dem Abschnitt 11 der Abstich-Spannungsquelle 8.
Nachfolgend wird der Schmelz- und Abstichvorgang bei diesem Induktionsofen beschrieben.
Als erstes wird das zu schmelzende Material 13 von oben in das Ofengefäß chargiert.
Wie bereits beschrieben, nimmt der Innenradius der kreisförmige Wand 3 des Ofengefäßes 1 von unten nach oben zu. Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß auch schräg chargiertes Material und Material unterschiedlicher Größe in das sich in das Ofengefäß gleitet.
Nach dem Beschicken des Ofengefäßes mit zu schmelzendem Material 13 wird durch die Kühlwasserkanäle 4a Kühlwasser geleitet, um die Vorbereitung des Ofens für den Schmelzprozeß abzuschließen. Bei Eingabe eines Startsignals in die Steuereinheit 12 durch die Ofenbedienungsperson schaltet die Abschmelz-Spannungsquelle 7 in den Zustand AN und speist die erste Induktionsheizspule 5 mit der Hochfrequenzspannung, welche um die Gefäßwand 3 ein wechselndes Magnetfeld 9 erzeugt. Durch dieses wechselnde Magnetfeld 9 wird das ins Ofengefäß als Schüttgut chargierte und zu schmelzende Material 13 induktiv erwärmt und beginnt abzuschmelzen. Wenn das geschmolzene Material mit der Gefäßwand 3 in Berührung kommt, erstarrt es wieder und bildet entlang derselben den Ofenbären. Das heißt, im ersten Stadium des Schmelzprozesses findet auf einer dicken Ofenbärenschicht ein Vermischen von ungeschmolzenem und geschmolzenem Material 13 statt, wie Fig. 3 zeigt.
Mit fortschreitender induktiver Erwärmung wird das gesamte in das Ofengefäß chargierte Material 13 abgeschmolzen, wobei das geschmolzene Material sich über dem Ofenbär 14 sammelt, wie Figur4 zeigt. Da die in dieser Schmelzphase nicht gespeiste zweite Induktionsspule 6 auch kein wechselndes Magnetfeld 9 erzeugt, wirkt nur das von der ersten Induktionsspule 5 erzeugte wechselnde Magnetfeld 9 am Abstichtrichter 2. Das führt dazu, daß die an der Gefäßwand 3 als Ofenbär 14 entstandene dicke Schicht den Abstichtrichter 2 schließt.
In diesem Zustand erfolgt das induktive Erwärmen und Abschmelzen des in das Ofengefäß chargierten Materials in abgeschwächter Form von der Gefäßwand 3 aus ins Gefäßinnere über bereits geschmolzenes Material, wie Fig. 5 zeigt. Wenn die Schicht des Ofenbären 14 eine bestimmte Dicke erreicht hat und nunmehr nur eine bestimmte Größe des wechselnden Magnetfeldes 9 durch diese Schicht in den Ofen gelangt und das Material 13 abschmilzt, tritt ein Gleichgewicht zwischen dem Abschmelzen des Materials und der vom wechselnden Magnetfeld 9 ausgelösten induktiven Erwärmung ein, so daß der in Fig. 1 dargestellte Schmelzzustand beibehalten wird. Obwohl die Emission von geschmolzenem Material aus dem Badspiegel 13a, die Gaskonvektion unterhalb des Badspiegels 13a des geschmolzenen Materials und die Kühlwirkung der Gefäßwand 3 den Energieausnutzungsgrad bestimmen, wird die Schichtdicke des Ofenbären 14 hauptsächlich von der Kühlwirkung des Gefäßwand 3 und der vom wechselnden Magnetfeld 9 ausgelösten induktiven Erwärmung bestimmt.
Wenn das in den Ofen chargierte Material 13 wie oben beschrieben schmilzt, treten Metalldämpfe und die beim Schmelzen erzeugten Gase aus dem geschmolzenen Metall aus. Da der Radius der kreisförmigen Gefäßwand von unten nach oben größer wird, stellt diese keine Behinderung für die in Pfeilrichtung aufsteigenden Dämpfe und Gase dar. Demzufolge kommt verdampftes Material kaum mit der Gefäßwand oberhalb des Badspiegels 13a in Berührung und die entstehenden Gase können vollständig aus dem geschmolzenen Metall entfernt werden.
Wenn das geschmolzenen Material aus dem Ofen abgestochen werden soll, wird der Abschnitt 10 der Abstich-Spannungsquelle 8 auf AN geschaltet, um die zweite Induktionsspule 6 mit einer Hochfrequenzwechselspannung zu speisen, welche daraufhin um den Abstichtrichter 2 ein wechselndes Magnetfeld 9 erzeugt. Dadurch schmilzt der im Oberteil des Abstichtrichters vorhandene Teil des Ofenbären 14 und gibt die Abstichöffnung frei, so daß das geschmolzenen Material durch Schwerkraft aus dem Abstichtrichter 2 austritt.
Wenn der Abstich des geschmolzenen Materials unterbrochen oder die Menge des abzustechenden Materials reguliert werden soll, wird zum Speisen der zweiten Induktionsspule 6 vom Abschnitt 10 auf den Abschnitt 11 der Abstich-Spannungsquelle 8 umgeschaltet. Sobald der Abschnitt 11 zur Wirkung kommt, wird von der Niederfrequenzspannung ein wechselndes Magnetfeld 9 um den Abstichtrichter erzeugt, wodurch vom Badspiegel aus Wirbelströme tief in das geschmolzene Material induziert werden. Dann wird an dieser Stelle die Stromdichte reduziert, wodurch das geschmolzenen Material nicht durch Erwärmung, sondern einzig und allein durch den magnetischen Druck nach oben steigt. Dadurch wird der im Abstichtrichter 2 durch das Eigengewicht des geschmolzenen Materials wirkende Druck verringert und somit die Menge des in den Abstichtrichter 2 fließenden Materials verringert. Das führt auch zur Verringerung der vom geschmolzenen Material abgestrahlten Wärmemenge, wodurch die Erstarrung des geschmolzenen Materials an der Berührungsstelle mit dem Abstichtrichter 2 beginnt und sich nach innen fortsetzt und die Abstichöffnung im Abstichtrichter allmählich kleiner wird. Wenn das Erstarren des geschmolzenen Materials 13 nicht unterbrochen wird, kann die Abstichöffnung im Trichter wieder vollständig geschlossen und dadurch der Abstich des geschmolzenen Materials beendet werden. Wenn bei diesem Erstarrungsvorgang die Abstichöffnung einen bestimmten Durchmesser erreicht hat, wird die Abstichspannungsquelle 8 vom Abschnitt 11 auf den Abschnitt 10 umgeschaltet, welcher jetzt die Induktionsspule 6 mit einer Wechselspannung speist. Dadurch wird der Erstarrungsvorgang im Abstichtrichter unterbrochen, so daß der Durchmesser der Abstichöffnung allmählich wieder zunimmt. Dieses Umschalten zwischen den beiden Abschnitten 10 und 11 der Abstichspannungsquelle 8 ermöglicht die Beibehaltung eines konstanten Durchmessers der Abstichöffnung im Trichter 2 und somit das Abstechen einer spezifischen Menge an geschmolzenem Material.
Wie bereits beschrieben, ist der Induktionsofen dieser Ausführungsform in einer ersten Konstruktion ausgeführt, welche folgende Elemente aufweist: das Ofengefäß 1, dessen Wand von mehreren längs geschlitzten, leitenden Segmenten 4 gebildet wird, welche gegeneinander isoliert in Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei der Durchmesser der von den Segmenten 4 gebildeten Gefäßwand nach oben zunimmt; die Induktionsspule 5 (erste Induktionsspule), welche an der Außenseite der Gefäßwand 3 angeordnet ist und das in das Ofengefäß 1 chargierte Material 13 induktiv zum Schmelzen bringt, und die Schmelz-Spannungsquelle 7 (erste Spannungsquelle), welche die erste Induktionsspule 5 mit einer Wechselspannung speist.
Bei dieser ersten Konstruktion des Induktionsofens ist, wie beschrieben, am Boden des Ofengefäßes 1 ein Abstichtrichter 2 angeordnet, doch diese Konstruktion kann so modifiziert werden, daß auf den Abstichtrichter 2 verzichtet wird und der Abstich des geschmolzenen Materials 13 durch Kippen des Ofens erfolgt. Die im Radius nach oben sich vergrößernde Gefäßwand 3 kann linear oder bogenförmig verlaufen.
Wenn bei dieser ersten Konstruktion die erste Induktionsspule 5 von der Schmelz-Spannungsquelle 7 mit einer Wechselspannung gespeist und dadurch ein wechselndes Magnetfeld 9 von dieser erzeugt wird, beginnt das in den Induktionsofen chargierte Material 13 abzuschmelzen. Bei diesem Vorgang verdampft geschmolzenes Material, welches zusammen mit den erzeugten Gasen aus dem Badspiegel entweicht. Da der Durchmesser der Gefäßwand wie beschrieben nach oben größer wird, bildet diese kein Hindernis für die aufsteigenden Gase und Metalldämpfe, so daß das Haftenbleiben von Metall an dieser über dem Badspiegel weitgehend verhindert werden kann. Da Ablagerungen, welche große Mengen an Verunreinigungen enthalten und wieder ins Bad gelangen, kaum entstehen, kann der gewünschte Reinheitsgrad des geschmolzenen Materials erreicht und der Arbeitsaufwand zum Entfernen von Ablagerungen reduziert werden. Da die schräge Gefäßwand 3 auch für die aufsteigenden Gase kein Hindernis darstellt, können diese vollständig aus dem geschmolzenen Material entweichen.
Der Induktionsofen dieser Ausführungsform kann in einer zweiten Konstruktion ausgeführt sein, bei welcher der Abstichtrichter 2 am Boden der Gefäßwand 3 angeordnet ist und welche folgende Elemente aufweist: die am Außenumfang des Abstichtrichters 2 angeordnete zweite Induktionsspule 6 zum induktiven Erwärmen und Abschmelzen des in das Ofengefäß chargierten Materials 13, die Abstich-Spannungsquelle (zweite Spannungsquelle) 8 zum Speisen der zweiten Induktionsspule 6 mit einer Wechselspannung und die Steuereinheit (Spannungsquellensteuervorrichtung) 12 zum Steuern der Abstich- Spannungsquelle 8, welche durch selektive Auswahl der Abschnitte 10 und 11 das Öffnen und Schließen der Abstichöffnung durch Schmelzen bzw. Erstarren des im Abstichtrichter 2 vorhandenen Materials bewirkt. Der Induktionsofen der genannten zweiten Konstruktion kann auch so modifiziert werden, daß die Wand 3 des Ofengefäßes 1 sich zunächst schräg bis zu einem bestimmten Durchmesser und dann zylindrisch nach oben erstreckt, wie Fig. 6 zeigt.
Wenn beim Induktionsofen gemäß der zweiten Konstruktion das chargierte Material 13 induktiv erwärmt wird, beginnt dieses abzuschmelzen, doch das mit dem Gefäßboden, der Gefäßwand und der Trichterinnenfläche in Berührung kommende geschmolzenen Material kühlt dort wieder ab und erstarrt. Von der Steuereinheit 12 gesteuert, bewirkt die Abstich-Spannungsquelle das Schließen der Abstichöffnung durch das im Abstichtrichter 2 erstarrende Material (Ofenbär 14) beim Schmelzvorgang bzw. das Öffnen der Abstichöffnung durch Schmelzen des im Trichter erstarrten Materials zur Durchführung des Abstichs. Diese Steuerung durch Schalten zwischen zwei Spannungsquellenabschnitten erleichtert den Übergang vom Schmelzvorgang zum Abstichvorgang und umgekehrt.
Zum Induktionsofen dieser Ausführungsform gehören noch folgende Elemente: die aus der ersten Induktionsspule 5 und der zweiten Induktionsspule 6 zusammengesetzte Spule 16 und die Einspeisevorrichtung 17, welche sich aus der Schmelz-Spannungsquelle (erste Spannungseinheit) 7 zum Speisen der ersten Induktionsspule 5 mit einer Wechselspannung und der Abstich-Spannungsquelle (zweite Spannungseinheit) 8 zum Speisen der zweiten Induktionsspule 6 mit einer Wechselspannung zusammensetzt. Die Schmelz-Spannungsquelle 7 und die Abstich-Spannungsquelle 8 werden von der Steuereinheit 12 separat gesteuert. Dieses separate Steuern der zum Schmelzen verwendeten ersten Induktionsspule 5 und der zur Durchführung des Abstichs verwendeten zweiten Induktionsspule 6 resultiert in einer besseren Produktivität.
Bei dieser Ausführungsform des Induktionsofens ist die Abstich-Spannungsquelle 8 in zwei Abschnitte unterteilt, in einen Abschnitt 10, welcher die zum Schmelzen des Materials 13 benötigte Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz erzeugt, und einen Abschnitt 11, welcher eine Wechselspannung mit einer anderen Frequenz erzeugt, die das Erstarren des geschmolzenen Materials ermöglicht. Wenn der Abstichtrichter 2 geöffnet werden soll, schaltet die Steuereinheit 12 auf den Abschnitt 10, welcher die zum Schmelzen des im Trichter erstarrten Materials erforderliche Wechselspannung erzeugt, wenn dieser wieder geschlossen werden soll, schaltet die Steuereinheit 12 auf den Abschnitt 11, um eine Wechselspannung zu erzeugen, welche das Erstarren des geschmolzenen Materials ermöglicht. Durch dieses Schalten zwischen dem Abschnitt 10 und dem Abschnitt 11 ist das Öffnen und Schließen der Abstichöffnung auf einfache Weise möglich, während durch Vorgabe der Zeiten für die Versorgung mit Wechselspannungen der genannten beiden Frequenzen die Abstichmenge auf einfache Weise reguliert werden kann.
Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Induktionsspuleneinheit 16 in eine erste Induktionsspule 5 und eine zweite Induktionsspule 6 unterteilt, welche separat voneinander betrieben werden können, doch diese Anordnung stellt keine Beschränkung dar.
Der Induktionsofen kann wie in Fig. 7 dargestellt modifiziert werden und folgende Elemente aufweisen: die Induktionsspule 16 mit der ersten Induktionsspule 5 und der zweiten Induktionsspule 6 als integrale Bestandteile, eine kombinierte Spannungsquelle (Spannungsquelleneinheit) 18 zur Erzeugung einer Wechselspannung jeder gewünschten Frequenz für die Induktionsspule 16 und die Steuereinheit 12 zum Steuern der kombinierten Spannungsquelle 18, welche zur Durchführung des Schmelzvorgangs das geschmolzene Material im Abstichtrichter erstarren läßt, um die Abstichöffnung zu schließen, und zur Durchführung des Abstichs das erstarrte Material im Abstichtrichter schmelzen läßt, um die Abstichöffnung freizulegen.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den Fig. 8 bis 11 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, welche als Vergleichbeispiel dienen soll.
Elemente, welche denen der ersten Ausführungsform funktionell entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so daß auf deren Beschreibung verzichtet werden kann.
Wie Fig. 9 zeigt, weist das Ofengefäß 1 einen am Boden desselben angeordneten Abstichtrichter 2 und eine schräg nach oben sich erstreckende Wand 3 auf, wobei die Wand aus mehreren längs geschlitzten, leitenden Segmenten 4 zusammengesetzt ist, welche gegeneinander isoliert in Umfangsrichtung angeordnet sind. Um das Ofengefäß 1 ist die Induktionsspule 16 gewunden, welche das in den Induktionsofen chargierte Material 13 induktiv erwärmt und zum Schmelzen bringt, wie in Fig. 8 dargestellt.
Die Induktionsspuleneinheit 16 ist in eine die Ofenwand 3 umgebende Spule 5 und eine den Abstichtrichter umgebende Spule 6 unterteilt. Die Spule 5 ist an die Schmelz-Spannungsquelle 7 und die Spule 6 an die Abstich-Spannungsquelle 8 angeschlossen. Die zur Spannungsquelleneinheit 17 zusammengefaßten beiden Spannungsquellen 7 und 8 werden von der Spannungsquellensteuereinheit. 12 gesteuert.
Der genannte Abstichtrichter 2 ist mit einer zylindrischen Verbindungsbohrung 2c versehen, welche sich vertikal nach unten auch durch einen Induktionskurzschlußabschnitt 2b erstreckt. Dieser Induktionskurzschlußabschnitt 2b ist mit jedem der leitenden Segmente 4 verbunden, um ein Übertragen des wechselnden Magnetfeldes 9 auf die Verbindungsbohrung 2c zu verhindern und dadurch das Erstarren des geschmolzenen Materials 13 zu beschleunigen. In diese Verbindungsbohrung 2c des Abstichtrichters wird ein wassergekühlter Anfahrstab 19 eingeführt. Der Anfahrstab 19 ist oben mit einer Aufnahmebohrung 19a versehen, deren Durchmesser sich nach unten kontinuierlich vergrößert. Diese Bohrung 19a dient zur Aufnahme des erstarrenden Materials 13, um die Absenkkraft des Anfahrstabes 19 auf diese zu übertragen. Der Anfahrstab 19 ist an eine Absenkvorrichtung 20 gekoppelt, welche diesen mit einer bestimmten Geschwindigkeit und in einer bestimmten Taktfolge hoch und runter bewegt. Der übrige Aufbau dieses Induktionsofens entspricht dem der ersten Ausführungsform, so daß auf eine Beschreibung hier ebenfalls verzichtet wird.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise des Induktionsofens dieser Ausführungsform beschrieben.
Als erstes wird das Kühlwassersystem zugeschaltet, um durch den im Ofengefäß vorhandenen Kanal 4b Kühlwasser strömen zu lassen und dieses zu kühlen, bevor das Chargieren des zu schmelzenden Materials 13 erfolgt. Mit Beendigung des Chargierens ist die Vorbereitung des Induktionsofens zum Schmelzen abgeschlossen. Nun werden die Schmelz-Spannungsquelle 7 und die Abstich-Spannungsquelle 8 zugeschaltet, um die erste Induktionsspule 5 und die zweite Induktionsspule 6 mit der jeweiligen Wechselspannung zu speisen. Daraufhin wird von den Spulen S und 6 ein entsprechendes wechselndes Magnetfeld 9 um die Gefäßwand 3 bzw. den Abstichtrichter 2 erzeugt. Durch diese wechselnden Magnetfelder 9 wird das in Blockform in das Ofengefäß chargierte Material 13 induktiv erwärmt und beginnt von außen abzuschmelzen. Wenn das geschmolzenen Material mit der Gefäßwand 3, der Innenfläche des Abstichtrichters 2 und dem Anfahrstab 19 in Berührung kommt, beginnt es zum Pfannenbären 14 zu erstarren. Wie Fig. 10 zeigt, entsteht im Anfangsstadium des Schmelzen ein Zustand, in welchem auf einer dicken Ofenbärenschicht festes und geschmolzenes Material 13 miteinander vermischt sind. Mit fortschreitendem Schmelzvorgang wird das gesamte chargierte Material 13 geschmolzen, wobei geschmolzenes Material verdampft und die beim Schmelzen gebildeten Gase aus dem Badspiegel entweichen, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist. Durch den nach oben sich vergrößerten Durchmesser der Ofengefäßwand 3 wird den aufsteigenden Metalldämpfen und Gasen kein Widerstand entgegengesetzt. Dadurch kann oberhalb des Badspiegels kaum verdampfendes Material 13 sich an der Gefäßwand absetzen und die Gesamtmenge der beim Schmelzen gebildeten Gase aus der Schmelze entfernt werden. Zur Durchführung des Abstichs des geschmolzenen Materials 13 wird die Energiezufuhr von der Abstich-Spannungsquelle 8 zur Induktionsspule 6 vergrößert, um den Ofenbären 14 zu schmelzen.
Sobald geschmolzenes Material in die am Anfahrstab vorhandenen konische Aufnahmebohrung 19a gelangt und dort erstarrt, wird der Anfahrstab 19 nach unten abgesenkt, wobei das erstarrende Material dieser Absengbewegung folgt. Im Induktionskurzschlußabschnitt 2b des Abstichtrichters 2 wird der Erstarrungsvorgang so beschleunigt, daß an der Austrittsöffnung des Abstichtrichters das geschmolzene Materials 13 den gewünschten Erstarrungszustand erreicht hat, wie Fig. 11 zeigt.
Wie bereits beschrieben, weist der Induktionsofen dieser Ausführungsform den Anfahrstab 19 und die Absenkvorrichtung 20 auf, um das geschmolzene Material 13 im gewünschten Erstarrungszustand aus dem Ofen nach unten abzusenken.
Anstatt der Induktionsspulen 5 und 6 wird eine einzige Induktionsspuleneinheit 16 und anstatt der Spannungsquellen 7 und 8 eine einzige Spannungsquelleneinheit 17 bevorzugt.
Nachfolgend wird in Verbindung mit den Fig. 12 und 13 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie Fig. 12(A) zeigt, weist das Ofengefäß 31 des Induktionsofens der dritten Ausführungsform die zylindrische Ofenwand 33 mit der um diese gewundenen Induktionsspule 38 und den plattenförmigen Boden 34 auf und ist aus mehreren längs geschlitzten, leitenden Segmenten zusammengesetzt, welche in Umfangsrichtung gegeneinander isoliert angeordnet sind.
Der Ofenboden 34 weist eine umgekehrt konische Bohrung 25 auf, in welcher der mit einem Abstichtrichter 21 ausgerüstete Abstichmechanismus 30 angeordnet ist.
Wie Fig. 12(B) zeigt, ist der obere Abschnitt des Abstichtrichters 21 in der Bohrung 25 befestigt. Der Abstichtrichter weist 21 einen kanalförmigen Einlaufabschnitt 21a auf, dessen Bohrung sich nach unten bis auf einen bestimmten Durchmesser verjüngt und von diesem in den zylindrischen Auslaufabschnitt 21b übergeht. Der Abstichtrichter hat L- förmigen Querschnitt.
Wie Fig. 12(C) zeigt, ist der Abstichtrichter 21 durch axial sich erstreckende Schlitze 22 in mehrere elektrisch leitende Segmente 21s unterteilt. Jedes dieser Segmente 21s ist hohl geformt, um einen Kühlwasserkanal 21c zu erhalten. Am Ende des Kühlwasserkanals 21c sind eine Zuflußleitung 21e und eine Abflußleitung 21f angeschlossen, wie aus Fig. 13 ersichtlich ist.
Um den Auslaufabschnitt 21b und den Einlaufabschnitt 21a des Abstichtrichters 21 ist eine Induktionsspule 26a bzw. 26b angeordnet. Diese beiden Induktionsspulen 26a und 26b sind an eine Abstich-Spannungsquelle 28 angeschlossen, welche eine entsprechende Wechselspannung erzeugt. Diese Spannungsquelle 28 ist unterteilt in einen Abschnitt 23 zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz, welche das Erstarren des geschmolzenen Materials 13 ermöglicht, und einen Abschnitt 24 zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer anderen Frequenz, welche das erstarrte Material wieder zum Schmelzen bringt. Die Frequenz der vom Abschnitt 24 erzeugten Wechselspannung ist größer als die Frequenz der vom Abschnitt 23 erzeugten Wechselspannung. Die Spannungsquelle 28 ist an eine Steuereinheit 29 angeschlossen, welche das Umschalten vom Abschnitt 23 auf den Abschnitt 24 und umgekehrt vornimmt.
Zur Durchführung des Abschmelzens und des Abstichs wird die um die Ofenwand 33 gewundene Induktionsspule 38 erregt, wie Fig. 12(A) zeigt. Wenn einer bestimmter Schmelzzustand erreicht ist, wird der Abstich eingeleitet.
Wie Fig. 13 zeigt, werden dafür die Induktionsspulen 26a und 26b vom Abschnitt 24 der Spannungsquelle 28 mit der Hochfrequenzwechselspannung gespeist. Daraufhin erzeugt die untere Induktionsspule 26a ein wechselndes Hochfrequenzmagnetfeld 9. Dieses wechselnde Hochfrequenzmagnetfeld 9 induziert nur in der auf der Innenfläche des Auslaufabschnitts 21b vorhandenen dünnen Erstarrungsschicht (Eindringtiefe) Wirbelströme. Mit steigender Stromdichte in der dünnen Erstarrungsschicht beginnt das im Auslaufabschnitt 21b des Abstichtrichters 21 erstarrte Material wieder zu schmelzen, tropft nach unten und legt die Abstichöffnung frei. Währenddessen induziert die obere Induktionsspule 26b Wirbelströme in der auf der Innenfläche des Einlaufabschnitts 21a vorhandenen und mit den leitenden Segmenten 21s in Berührung stehenden dünnen Erstarrungsschicht. Infolge seiner Pseudo- Wärmeisolierwirkung beginnt der Ofenbär 35 an der mit dem geschmolzenen Material in Berührung stehenden Grenzfläche zu schmelzen, wie aus Fig. 12(A) zu erkennen ist. Mit anderen Worten, der Teil des mit den leitenden Segmenten 21s in Berührung stehenden geschmolzenen Materials wird induktiv erwärmt und dadurch zu einer Pseudo-Wärmeisolierschicht, welche eine Wärmeübertragung in die leitenden Segment 21s verhindert und an der Erstarrungsgrenzfläche 35" zur Fortsetzung des Schmelzens beiträgt.
Die Bewegung des geschmolzenen Materials in diesem Bereich trägt ebenfalls zur Verkleinerung des Ofenbären 35 im Einlaufabschnitt 21a des Abstichtrichters 21 bei, doch auch im Auslaufabschnitt 21b wird die Dicke des Ofenbären abgebaut und Reste davon werden durch den Druck des geschmolzenen Materials beim Abstich mit ausgetragen.
Zum Stoppen des Abstichs werden von der Schmelz-Spannungsquelle 24 die am Auslaufabschnitt 21b angeordnete Induktionsspule 26a und die am Einlaufabschnitt 21a angeordnete Induktionsspule 26b mit einer Wechselspannung mit der üblichen niedrigen Frequenz gespeist. Das von dieser Niederfrequenzspannung erzeugte Niederfrequenzmagnetfeld induziert Wirbelströme, welche von außen her tief in das geschmolzene Material eindringen. Dadurch wird die Stromdichte verringert, welche mehr als die induktive Erwärmung einen magnetischen Druck entstehen läßt. Dieser wiederum bewirkt einerseits eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Materials im Auslaufabschnitt 21b und andererseits das Aufsteigen des geschmolzenen Materials im Einlaufabschnitt 21a. Durch diese Wirkung wird der Druck nach unten und somit die Abstichmenge an geschmolzenem Material verringert.
Mit abnehmender Abstichmenge an geschmolzenem Material im Abstichtrichter 21 wird von diesem Material weniger Energie abgegeben, so daß dieses von den leitenden Segmenten 21s aus im Einlaufabschnitt 21a zu erstarren beginnt. Dadurch wird die Menge an geschmolzenem Material in diesem Abschnitt weiter verringert und der Abstich gestoppt. Auch eine Unterbrechung der von der Schmelz-Spannungsquelle 24 gelieferten Hochfrequenzspannung führt zu einem ähnlichen Effekt. In diesem Fall wird die Schichtdicke des Ofenbären im Einlaufabschnitt 21a vergrößert, die Abstichöffnung im Auslaufabschnitt 21b vom Ofenbären allmählich geschlossen und dadurch der Abstich wie im erstgenannten Fall gestoppt.
Bei der dritten Ausführungsform erstreckt die Ofenwand 33 sich senkrecht nach oben, doch diese Konstruktion stellt keine Beschränkung dar. Die Ofenwand 33 kann auch so konfiguriert werden, daß der Durchmesser des Ofengefäßes vom Ofenboden 34 aus nach oben größer wird und dadurch die Ofenwand 33 geneigt ist. Diese Konstruktion bewirkt eine Verringerung der an der Ofenwand 33 sich absetzenden Menge an geschmolzenem Material 13 und ein vollständiges Entfernen der im geschmolzenen Material erzeugten Gase wie bei der ersten Ausführungsform.

Claims

1. Induktionsofen, welcher folgendes aufweist:

ein gekühltes Ofengefäß (31) zur Aufnahme eines zu schmelzenden Materials, welches aus einem Boden (34), einem im Boden (34) angeordneten Abstichtrichter (21), welcher durch Erstarren von geschmolzenem Material in diesem geschlossen und durch Schmelzen des in diesem erstarrten Materials geöffnet wird, und einer aus mehreren längs geschlitzten, in Umfangsrichtung angeordneten und gegeneinander isolierten leitenden Segmenten gebildeten Wand (33)zusammengesetzt ist, eine erste Spuleneinheit (38), welche an der Außenseite der Wand (33) angeordnet ist und das ins Ofengefäß (31) chargierte Material induktiv erwärmt und zum Schmelzen bringt, eine zweite Spuleneinheit (26a, 26b), welche an der Außenseite des Abstichtrichters (21) angeordnet ist und das in diesem erstarrte Material induktiv erwärmt und zum Schmelzen bringt,

eine erste Spannungsquelle zum Speisen der ersten Spuleneinheit (38) mit einer Wechselspannung,

eine zweite Spannungsquelle (28) zum Speisen der zweiten Spuleneinheit (26a, 26b) mit einer Wechselspannung und eine Spannungsquellensteuereinheit (29) zum unabhängigen Steuern der ersten Spannungsquelle und der zweiten Spannungsquelle (26a, 26b) voneinander,

dadurch gekennzeichnet, daß

die zweite Spannungsquelle (28) einen ersten Abschnitt (24) zur Erzeugung einer Hochfrequenzwechselspannung für das Schmelzen des in das Ofengefäß chargierten Materials und einen zweiten Abschnitt (23) zur Erzeugung einer Niederfrequenzwechselspannung für das Erstarren des geschmolzenen Materials aufweist und die Spannungsquellensteuereinheit (29) die zweite Spannungsquelle (28) so steuert, daß deren Abschnitt (24) die Wechselspannung zum Öffnen des Abstichtrichters (21) und deren Abschnitt (23) die Wechselspannung zum Schließen des Abstichtrichters (21) erzeugt.

2. Induktionsofen gemäß Anspruch 1, wobei der Abstichtrichter (21) einen von oben nach unten allmählich sich verjüngenden Einlaufabschnitt (21a) und einen an diesen sich anschließenden zylinderförmigen Auslaufabschnitt (21b) aufweist.

3. Induktionsofen gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Spuleneinheit (26a, 26b) eine um den Einlaufabschnitt (21a) gewundene obere Induktionsspule (26b) und eine um den Auslaufabschnitt (21b) gewundene untere Induktionsspule (26a) aufweist.

4. Ofenabstichverfahren für einen mit einem Bodenabstichmechanismus (30) ausgerüsteten Induktionsofen, wobei der Bodenabstichmechanismus am Boden des zur Aufnahme und zum Schmelzen von Material konstruierten Ofengefäßes (31) angeordnet ist und einen kanalförmigen Abstichtrichter (21) aufweist, welcher wiederum folgende Abschnitte und Einheiten aufweist:

einen Einlaufabschnitt (21a) und einen an diesen sich anschließenden zylinderförmigen Auslaufabschnitt (21b), wobei der Abstichtrichter(21) durch Schlitze (22) in mehrere Segmente (21s) unterteilt ist, welche kontinuierlich zueinander angeordnet und an Kühlwasserzulauf- und -ablaufrohre (21e, 21f) angeschlossen sind,

eine Induktionsspuleneinheit (26a, 26b), welche um den Einlaufabschnitt (21a) bzw. den Auslaufabschnitt (21b) des Abstichtrichters (21) gewunden ist, und

eine Spannungsquelle (28) zum Speisen der Induktionsspuleneinheit (26a, 26b) mit einer Spannung,

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die um den Einlaufabschnitt (21a) und den Auslaufabschnitt (21b) des Abstichtrichters (21) gewundenen Induktionsspuleneinheit (26a, 26b) zur Durchführung des Abstichs mit einer Hochfrequenzspannung und zur Beendigung des Abstichs mit einer Niederfrequenzspannung gespeist wird.