DE69838264T2

DE69838264T2 - Induktionsofen und Bodenabstichmechanismus

Info

Publication number: DE69838264T2
Application number: DE69838264T
Authority: DE
Inventors: Masanori Ise-shi Tsuda; Atsushi Ise-shi Okuno; Yasuhiro Ise-shi Nakai
Original assignee: Shinko Electric Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Co Ltd
Priority date: 1997-04-23
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2018-04-23
Also published as: US6507598B2; US6307875B1; US20020085614A1; JPH116687A; DE69829085T2; US20020027940A1; EP1233244B1; DE69807774T2; EP0874206A1; EP1265043B1; US20020080847A1; EP0874206B1; EP1265043A3; EP1233244A2; EP1233244A3; DE69838264D1; DE69829085D1; US6487234B2; US20010022801A1; US6507599B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bodenabstichvorrichtung von einem Induktionsofen zum Schmelzen von Metallen durch Induktionserwärmen.
Stand der Technik
Zur Erzeugung eines hochreinen Metalls oder einer hochreinen Metalllegierung 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 Dokument JP-A-4327342 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 Dokument JP-A-8145571 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 Problem darin besteht, keinen glatten Übergang zwischen dem Schmelzen des Metalls und dem Abstechen des geschmolzenen Metalls ermöglichen zu können.
Eine Bodenabstichvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des angehängten Anspruch 1 ist aus Dokument GB-A-2 279 643 bekannt, insbesondere in der Ausführungsform gemäß 1 dieses Dokuments. Diese bekannte Bodenabstichvorrichtung weißt eine Induktionsheizspule auf, die um einen Auslassabschnitt einer Abstichöffnung angeordnet ist. Die Induktionsheizspule wird mit Wechselspannung durch eine Abstich-Spannungsquelle gespeist, die mit der Induktionsheizspule verbunden ist. Die Stromdichte der Induktionsheizspule kann passend ausgewählt werden, so dass die Abstichöffnung vorsätzlich zwischen seinem offenen und geschlossenen Zustand umgeschaltet werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat als seine Aufgabe, eine Abstichvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, wenigstens das genannte Problem zu lösen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Abstichvorrichtung gemäß dem angehängten Anspruch 1 gelöst.
Die Konstruktion gemäß der Erfindung ermöglicht, dass die zeitliche Steuerung des Schmelzens des in den Ofen chargierten Materials und des Abstichs des geschmolzenen Materials sowie die Regelung der Abstichmenge mit einer relativ einfach aufgebauten Schaltung gesteuert werden kann.
Darüber hinaus kann ein Öffnungsgrad der Abstichöffnung beliebig vergrößert und verringert werden, so dass das geschmolzene Material herausgenommen werden kann, während eine Feinregulierung der Abstichmenge des geschmolzenen Materials erfolgt.
Eine bevorzugte weitere Ausführungsform der Erfindung ist in dem angehängten Anspruch 2 beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend wird in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen die Erfindung detailliert beschrieben, wobei:
1 schematisch den Induktionsofen zeigt, wobei Figur (A) eine Seitenschnittansicht des Induktionsofens, Figur (B) vergrößert eine Schnittansicht des Abstichtrichters und Figur (C) den Abstichtrichter in einer perspektivischen Darstellung zeigt.
2 zeigt schematisch den Aufbau des am Ofenboden angeordneten Abstichmechanismus.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nachfolgend wird in Verbindung mit den 1 und 2 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Wie 1(A) zeigt, weist ein Ofengefäß 31 eines Induktionsofens eine zylindrische Ofenwand 33 mit der um diese gewundenen Induktionsheizspule 38 und den plattenförmigen Boden 34 auf, der den Boden des Ofengefäßes 31 ausbildet, und ist aus mehreren längs geschlitzten, leitenden Segmenten zusammengesetzt, welche in Umfangsrichtung gegeneinander isoliert angeordnet sind.
Das aus Kupfer gefertigte Ofengefäß 31 bildet eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen des chargierten Materials, wie z.B. Titan. Das Ofengefäß 31 kann aus reinem Kupfer, einer Kupferlegierung, aus Gold oder Silber mit geringem elektrischem 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 31 ist in einer Vakuumkammer (nicht dargestellt) untergebracht, in welcher jeder gewünschte Druck zwischen Atmosphärendruck und hohem Unterdruck erzeugt werden kann.
Der Ofenboden 34 weist eine umgekehrte konische Bohrung 25 auf, in welcher die mit einem Abstichtrichter 21 ausgerüstete Abstichvorrichtung 30 angeordnet ist.
Wie 1(B) ebenfalls zeigt, ist der obere Abschnitt des Abstichtrichters 21 in der Bohrung 25 befestigt. Der Abstichtrichter 21 weist 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 ist im Ganzen trichterförmig ausgebildet.
Wie zudem in 1(C) gezeigt ist, ist der Abstichtrichter 21 durch eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Schlitzen 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 2 ersichtlich ist.
Um den Auslaufabschnitt 21b und den Einlaufabschnitt 21a des Abstichtrichters 21 ist eine Induktionsheizspule 26a bzw. 26b angeordnet. Diese beiden Induktionsheizspulen 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.
Wenn in der vorhergehend beschriebenen Konstruktion das Schmelzen und der Abstich durchgeführt werden, wird die um die Ofenwand 33 gewundene Induktionsheizspule 38 erregt, um das zu schmelzende Material 13 zu schmelzen, wie 1(A) zeigt. Wenn der Zeitpunkt erreicht wird, bei dem das Material 13 fortgeschritten geschmolzen ist, wird der Abstich eingeleitet.
Wie 2 zeigt, werden dafür die Induktionsheizspulen 26a und 26b vom Abschnitt 24 der Spannungsquelle 28 mit der Hochfrequenzwechselspannung gespeist. Daraufhin erzeugt die untere Induktionsheizspule 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 Induktionsheizspule 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 35 zu schmelzen, wie aus 1(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. Der Fluss V 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 dann von der Erstarrungs-Spannungsquelle 23 die am Auslaufabschnitt 21b angeordnete Induktionsheizspule 26a und die am Einlaufabschnitt 21a angeordnete Induktionsheizspule 26b mit einer Wechselspannung mit der üblichen niedrigen Frequenz der Größenordnung von 100 bis 200 Hz gespeist. Das von dieser Niederfrequenzwechselspannung 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 daraufhin 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.
Bei der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Ofenwand 33 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 einen von der Ofenwand unbehinderten Aufstieg der durch das geschmolzene Material erzeugten Gase.

Claims

Bodenabstichvorrichtung (30) von einem Induktionsofen mit einer Aufnahmeeinrichtung (31) zum Aufnehmen eines geschmolzenen Materials von einem zu schmelzenden Material darin, wobei die Aufnahmeeinrichtung (31) einen Boden (34) aufweist, wobei die Abstichvorrichtung (30) Folgendes aufweist: einen Abstichtrichter (21), der an dem Boden (34) angeordnet ist, und einen Einlaufabschnitt (21a), der an dessen oberem Ende breit ist und sich allmählich in Richtung des Bodens verjüngt, und einen zylindrischen Auslaufabschnitt (21b) aufweist, der einstückig mit dem Einlaufabschnitt (21a) ausgebildet ist und sich darunter befindet, wobei der Abstichtrichter (21) in eine Vielzahl von Segmenten (21s) durch eine Vielzahl von Schlitzen (22) unterteilt, die zueinander durchgängig sind; eine erste Induktionsheizspule (26a), die an dem Auslaufabschnitt (21b) um den Abstichtrichter (21) angeordnet ist; und eine Abstich-Spannungsquelle (28), die mit der ersten Induktionsheizspule (26a) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufabschnitt (21a) an einer Innenseite einer umgekehrten konischen Bohrung (25) befestigt ist, die in dem Boden (34) ausgebildet ist, der Abstichtrichter (21) mit Kühlwasserzufluss-/abflussleitungen (21e, 21f) verbunden ist, eine zweite Induktionsheizspule (26b) um den Abstichtrichter (21) an dem Einlaufabschnitt (21a) angeordnet ist, und die Abstich-Spannungsquelle (28) einen Erstarrungs-Spannungsquellenabschnitt (23) und einen Schmelz-Spannungsquellenabschnitt (24) aufweist, wobei der Erstarrungs-Spannungsquellenabschnitt (23) und der Schmelz-Spannungsquellenabschnitt (24) angeordnet sind, um derart gesteuert zu werden, dass beide von der ersten und zweiten Spule (26a, 26b) auswählbar mit entweder dem Erstarrungs-Spannungsquellenabschnitt (23) oder dem Schmelz-Spannungsquellenabschnitt (24) verbunden sind.
Bodenabstichvorrichtung eines Induktionsofens nach Anspruch 1, wobei der Schmelz-Spannungsquellenabschnitt (24) angepasst ist, um Hochfrequenzwechselspannung zu der ersten und zweiten Induktionsheizspule (26a, 26b) zuzuführen, und wobei der Erstarrungs-Spannungsquellenabschnitt (23) angepasst ist, um Niederfrequenzwechselspannung zu der ersten und zweiten Induktionsheizspule (26a, 26b) zuzuführen.