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Mittelfrequenzinduktionsschmelzofen mit Abschirmmantel Unter einem
Mittelfrequenzinduktionsschmelzofen ist ein elektrischer Ofen zu verstehen, der
eine mit Netz- oder erhöhter Frequenz gespeiste Spule enthält, in deren Innerem
sich ein keramischer Tiergel befindet, welcher das Schmelzgut aufnimmt. Das von
der Spule gebildete Feld durchsetzt das Schmelzgut und induziert in ihm Wirbelströme,
die das Schmelzgut erwärmen und schließlich zum Schmelzen bringen.
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Um zu verhindern, daß von dem aus der Spule erzeugten Feld auch Metallteile
außerhalb der Spule, insbesondere die Konstruktionsteile des Ofens erwärmt werden,
schirmt man solcheTeiledurch einen geschlossenen Mantel aus Kupfer, Aluminium oder
ähnlichem gut leitendem Metall ab, der die Spule in einem gewissen Abstand umgibt,
Es sind Ofenbauarten bekannt, bei denen dieser Abschirmmantel selbst als Traggefäß
ausgebildet ist, das,die Ofenspule, den Schmelztiegel und die übrigen Bauteile des
Ofens zusammenhält. In den meisten Fällen wird dieses Traggefäß nebst Inhalt kippbar
ausgeführt, gewöhnlich so, daß die Kippachse ungefähr durch die Mündung der Gießschnauze
führt. Bei dieser Anordnung befindet sich -der Gießstrahl bei allen Kippwinkeln
des, Ofens praktisch räumlich in der gleichen Lage. Dadurch wird der Gießvorgang
außerordentlich erleichtert.
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Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen bekannten Konstruktion zeigt
Fig. i. Darin stellt i die Spule dar, die den Schmelztiegel 3 umgibt. Der Schmelztiegel
3 besteht gewöhnlich aus einem keramischen Material, das bei den Temperaturen des
geschmolzenen Gutes beständig ist. Inder Höhlung des Schmelztiegels 3 befindet sich
das Schmelzgut 2.
Es kann nach Beendigung des .Schmelzvorganges
.durch die Gießschnauze q. abgegossen werden, indem der ganze Ofen um die Kippachse
7 :gekippt wird.
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Die Spule i nebst Schmelztiegel 3 und Schmelzgut z sind gewöhnlich
auf einem keramischen Fundamenrt 5 gelagert. Das Ganze befindet sich in dem Ofengehäuse
6, das aus, für Abschirmzwecke geeignetem, elektrisch gut leitendem Material, insbesondere
Kupfer, hergestellt ist, und zwar so, daß es auch mechanisch den ganzen Ofen zusammenhält.
Mit diesem als Abschirmmantel dienenden Ofengehäuse ist die Kippachse 7 in der Nähe
der Gießschnauz--4 fest verbunden. Die Kippachse stützt sich drehbar gelagert auf
das Kippgestell g. Der Ofen kann mittels verschiedener Vorrichtungen, z.
B. hydraulischer Druckzylinder 9; um die Kippachse 7 gekippt und,dadurch vorm Schmelzgut
entleert werden.
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Die bisher übliche Bauart solcher Öfen ging von den Baumerkmalen von
Öfen mit ähnlichem Zweck, aber anderem Arbeitsverfahren und gleichzeitig von der
Forderung billiger Herstellung aus und kam auf die Weise zu Bauformen, deren Typus
in Fig. i wiedergegeben ist.
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Er ist dadurch gekennzeichnet, @daß der -das Ofengehäuse bildende
Abschirmmantel6 im Hauptteil aus einem zylindrischen Mäntel besteht, der die Spule
i im Abstand a umgibt. - Nach unten -wird dieser Mantel durch den gekümpelten Boden
geschlossen, der einen Abstand e von,der Unterkante -der Spule einhält. Auf diesen
Boden stützt sich, wie bereits beschrieben, die Spule und der Ofentiegel mittels
der Bodenausmauerung 5. Die seitlichen Zwischenräume zwischen Spule und Mantel im
Abstand a bleiben leer. Die :Spule wird hier durch leichte isolierende Streben gegen
den Mantel abgestützt. An der Deckfläche,des Ofens überbrücktman den Abstand zwischen
den Rändern der Spule und des Ofengehäuses meist durch keramische Brücken, z. B.
Schamotteformsteine.
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Diese bisher übliche Ofenbauart nimmt- in der Ausgestaltung des Abs:chirmmantels
keine Rücksicht auf den Verlauf der magnetischen Feldlinien. Fig. 2 a zeigt schematisch
diese Zusammenhänge. _ Hier stellt i die Ofenspule dar, die von einem ' Wechselstrom
von Netzfrequenz oder höherer Frequenz durchflossen wird. Mit to, ri und 12 sind
einige kennzeichnende Feldlinien angedeutet. Die Dichte der Feldlinien stellt hierbei
ein Maß für die Größedes Feldes an jeder Stelle. dar. Das Bild zeigt, daß das Felid
außerhalb ,der Spule von der Mitte zu den Endender Spule hin stark abnimmt. Schon
bei einem Verhältnis von Spulendurchmesser zu Spülen länge vom 0,7 : i beträgt -die
Feldstärke an den Endender Spule nur etwa die Hälfte wie in der Spulenmitte. Die
sich hieraus ergebende Verteilung der Feldstärke in verschiedenen Richtungen und
in verschiedenem Abstand von der Spulenmitte ist in F'ig. 2b schematisch dargestellt.
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Die Feldstärke H hat weiter in. der Nähe der Spule ihren höchsten
Wert und sinkt nach außen ab. Zieht man. vom Mittelpunkt der Spule in verschiedenen
Raumrichtungen je einen Strahl und trägt auf jeden Punkt dieses Strahls den zugehörigen
Skalärwert .der Feldstärke ein, so erreicht die Feldstärke auf jedem Strahl an einem
bestimmten Punkt einen bestimmten Wert Ha. Wenn man,die Punkte auf allen diesen
Strahlen miteinander verbindet, an denen jeweils die Fe1d@stärke den gleichen Wert
Ha erreicht, so erhält man eine umhüllende Fläche, die in der Spulenmitte den größten
Abstand von der Spule hat urnd nach den Spulenernden hin stark nach innen eingezogen
ist.
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Auf Grund dieser Erkenntnis wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den
Abschirmmantel des Ofens so auszubilden, daß er in Höhe der Spulenmitte den größten
Abstand von,der Spule hat und nachdem Spulenenden nach innen eingezogen ist.
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Die sich aus dieser Vorschrift ergebende Form des Abschirmmantels
weicht also grundsätzlich von der bisher üblichen Zylinderform ab und ergibt ungefähr
die Form eines Ellipsoids. Sie hat .den Vorteil, daß die im Abschirmmantel induzierte
Randspannung, gemessen längs einer senkrechten Schnittlinie, an allen Stellen bedeutend
gleichmäßiger ist als beider Zylinderform.
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Wenn Wert auf eine besonders gleichmäßige Feldstärke an allen Stellen
des Abschirrnmantels gelegt wird, so ist der Abstand des Abschirmmantels -von der
Spulenmittc -so, zu bemessen, daß an jeder Stelle des Abschirmmantels dieselbe Feldstärke
herrscht, die sich aus dem Primärfeld, überlagert von,dem Sekundärfeld, ergibt.
Dieses Sekundärfeld ist einmal proportional -der vom Primärfeld induzierten Spannung
und zum anderen abhängig von dem jeweiligen Sekundärwiderstand. Es ist also bei
der Bemessung des Abstandes des, Schutzmantels zu berücksichtigen, daß an den Stellen
mit geringerem Radialabstand der Ringwiderstand kleiner und damit das induzierte
Sekundärfeld stärker wird. Damit hier die aus Primärfeld und Sekundärfeld überlagerte
Feldstärke gleich diesen Werten an den übrigen Stellen des; Schirmmantels wird,
muß entweder die-Materialstärke ,des Abschirmmantels oder sein Radialabstarnd entsprechend
geändert werden. Inder Ausführung kommt praktisch nur das letztere in Frage: Hiermit
wird erreicht, daß an jeder Stelle des Schutzmantels die gleiche Joulesche Verlustleistung
auftritt.- Infolgedessen wird elektrisch dass Material des Abschirmmantels an allen
Stellen gleich stark und daher auch gleich wirtschaftlich ausgenutzt.
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In der Praxis wird. man häufig gezwungen sein, auf die Erzielung der
optimalen Verbesserung der rein elektrischen Verhältnisse zugunsten einer einfacheren
Herstellung des. Abschirmmantels zu verzichten. Eine solche herstellungsmäßig- günstige
Ausführungsform des Abschirmmantels im Rahmen der Erfindung zeigt Fig. 3. Sie besteht
aus einzelner Bauteilen, die aus abwickelbaren Flächen zusammengesetzt ist oder,
wie z. B. der Boden, als Kumpelteil leicht hergestellt werden kann. Der neue Abschirmmantel
6 besteht aus einem zylindrischen Mittelteil von-der Länge m. Dieser ist kürzer
als die,- Länge ;l :der Spule i, die oben und unten- mit
gleicher
Länge diese überragt. Der Boden wird gebildet durch eine als Kegelstumpf oder Kümpelteil
ausgebildete Schale, deren Abstand e vom Boden der Spule grundsätzlich geringer
ist als der Abstand a zwischen der Spule i und,dem zylindrischen Teil des Abschirmmantels
6. Ein Vergleich ,dieser Abstände a und e mit den gleichen Abmessungen in
Fig. i zeigt, daß in der bisher üblichen Ausführung das Maß a und e, also
der Abstand des zylindrischen Mantelteils und der des Schirmmantelbodens von der
Spule i, bisher gleich war.
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Der obere Randdes als Ofengefäß ausgebildeten Abschirmmantels. verlief
in der alten Ausführung nach Fig. i zylindrisch. Er wird in,der mach der vorliegenden
Erfindung vorgeschriebenen Form kegelstumpfförmig eingezogen. Als Ergebnis dieser
Maßnahme wird die Gießschnauze q. jetzt kürzer und rückt die Kippachse 7 näher an
die senkrechte Mittelachse des Ofens heran. Dies hat für die konstruktive Durchbildung
des Ofens weitreichende vorteilhafte Folgen. Fig. 3 deutet an, wie im Gegensatz
zu Fig. i dieser Achsenabstand A wesentlich kleiner wird. Der Abstand A ist aber
die kennzeichnende Größe für .das Kippmoment und die zu dessen Überwindung notwendigen
Kippkräfte, die von den hydraulischen Druckstempeln. 9 aufzubringen sind.
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Die Form des Ofengefäßes schließt aber auch am unteren Teil,des Ofens
enger an die Spule an. Infolgedessen ist die Ausladung R des Ofens gegenüber der
Kippachse, wie ein Vergleich zwischen Fig. i und Fig. 3 zeigt, ebenfalls kleiner
geworden. Aus dem gleichen Grunde verringern sich die Größe und Idas Gewicht der
Ausmauerungsteile 5, welche die Spule i, Tiegel 3 und Schmelzgut 2 auf den Gefäßboden
abstützen. Geringere Ausladung und geringeres Gewicht,der Ausmauerung 5 haben ihrerseits,
zur Folge, daß die erforderlichen Kippkräfte auch von dieser Seite durch die neue
Konstruktion vermindert werden. Als Gesamtergebnis der bisher geschilderten Vorteile
können außer dem Ofen auch das Kippgestell 8 und die Kippvorrichtung 9 leichter
und billiger hergestellt werden, und zum Kippendes Ofens werden geringere mechanische
Energien aufgewendet. Schließlich wird bei der neuen Ofenbauart die Arbeitshöhe
B jetzt wesentlich kleiner als bisher. Die gut leitenden Metalle, :die zum Aufbau
des Abschirmmantels verwendet werden, sind Nichteisenmetalle von beträchtlichem
Anschaffungswert. Wie wiederum ein Vergleich von Fig. i und Fig. 3 lehrt, sinddie
Abmessungen des neuen Abschirmmantels nicht nur in seiner theoretischen, sondern
auch in seiner aus fabrikatorischen Gründen abgewandelten Form kleiner als der Abschirmmantel
in seiner alten Gestalt. Die Verhältnisse sind gekennzeichnet durch die in beiden
Bildern mit dem Buchstaben G bezeichnete Gefäßhöhe. Somit ergibt sich als ein weiterer
Vorteil der Erfindung, daß die Materialkosten für ,die Anfertigung des Ofens gesenkt
werden.