DE975682C - Verfahren und Ofen zum Schmelzen von Magnesium und dessen Legierungen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 3. MAI 1962

J 580 VI a 131 a

(Ges. vom 15. 7. 1951)

Das Schmelzen und Raffinieren hochmagnesiumhaltiger Legierungen, beispielsweise Elektron, stellt gegenüber dem Schmelzen von gewöhnlichen Aluminiumlegierungen an den Schmelzofen bestimmte Anforderungen, so daß die zum Schmelzen von Aluminium verwendeten Elektroofen für diesen Zweck nicht oder jedenfalls nicht ohne weiteres brauchbar sind. Ein wesentlicher Grund hierfür liegt darin, daß das Schmelzbad beim Schmelzen ίο von hochmagnesiumhaltigen Legierungen auch bei großer Ofenleistung durch elektrodynamische Kräfte nur wenig bewegt sein darf. Auf keinen Fall darf die das Bad bedeckende Salzdecke durch die Badbewegung zerstört werden. Dagegen ist eine geringe, beherrschte Badbewegung für das Raffinieren und Legieren, d. h. bei einzelnen Schmelzstufen, von Vorteil und auch wünschenswert.

Aus den genannten Gründen ist das Schmelzen von Magnesium und dessen Legierungen bisher allgemein in widerstandsbeheizten Tiegelöfen vorgenommen worden. Hierbei ist es schwierig, die zum Schmelzen und Überhitzen erforderliche Leistung in möglichst kurzer Zeit zuzuführen, da eine genügend hohe Temperaturdifferenz zwischen den

209 572/2

Heizelementen und der Schmelze erforderlich ist die auf die beheizte Fläche unterzubringende Leistung aber bei Öfen mit Heizelementen begrenzt ist Es ist daher schon vorgeschlagen worden, zum Schmelzen von Magnesium und dessen Legierungen Induktions-Rinnenöfen zu benutzen, die auch bereits mit Niederfrequenz betrieben wurden. Diese haben aber den Nachteil, daß sich die Rinnen leicht verstopfen sowie ferner daß sie nicht mit festem ίο Einsatz in Betrieb genommen werden können, sondern die Ausfüllung der Rinne mit flüssigem Metall verlangen, weil nur dieser flüssige Metallring als Sekundärwicklung zu wirken vermag.

Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden, für das elektrische Schmelzen von Magnesium und Magnesiumlegierungen einen getrennten Einschmelztiegel mit Induktionsheizung und einen besonderen Abstehtiegel zu verwenden, welche durch im Betriebe von außen regelbare und verschließbare Kanäle verbunden sind. Der Einschmelztiegel ist hierbei so ausgebildet, daß im Schmelzgut Ströme induziert werden, die eine Badbewegung erzeugen, während der Abstehtiegel eine induktive Heizeinrichtung besitzt, die nur in der Tiegelwand induzierte Ströme entstehen läßt, so daß das Erhitzen des Schmelzgutes nur durch Wärmeleitung von der Tiegelwand erfolgt und keine Badbeweguiig erzeugt wird. Der Tiegel des Einschmelzteils soll bei diesem Ofen entweder aus einem keramischen Material oder in seinem unteren Teil aus einem keramischen Material und im oberen Teil aus Stahl oder ganz aus Stahl und der Abstehtiegel aus Stahl bestehen. Besteht der Tiegel des Einschmelzteiles aus einem keramischen Material, so besteht der Verbindungskanal zwischen den beiden Tiegeln aus Stahl. Die Wahl des Materials des Einschmelztiegels und dessen Formgebung ist in jedem Falle so gewählt, daß im Schmelzgut Ströme induziert werden. Diese Unterteilung des Schmelzprozesses von Magnesium in einen Einschmelz- und Abstehofenteil wurde für erforderlich gehalten. Daraus ergibt sich ein sehr umständliches Schmelzverfahren, das eine verlängerte Schmelzzeit zur Folge hat und einen Schmelzofen erfordert, der erhebliche Abmessungen besitzt und umständlich zu bedienen ist. Außerdem ist es nachteilig, daß der Schmelzbehälter und der Kanal zwischen den Tiegeln nur umständlich zu reinigen sind und daß es unmöglich ist, den Tiegel zum Vergießen aus dem Ofen herauszunehmen.

Diese Nachteile und Schwierigkeiten haben einer Einführung dieser Öfen für das Schmelzen von Magnesiummetallen bis heute hindernd im Wege gestanden.

Es ist auch bereits zum Schmelzen von Magnesiummetallen ein Niederfrequenztiegelofen entwickelt worden, der eine Kombination des Widerstandstiegelofens mit dem bisher bekannten Induktionsofen darstellt. Der bei diesem Ofen benutzte eiserne Tiegel besitzt einen dreieckigen Querschnitt, wobei die einzelnen Tiegelseiten in Stromschleifen von hoher elektrischer Leitfähigkeit einbezogen sind, denen drei Einzeltransformatoren mit geschlossenem Transformatorkern zugeordnet sind. Der Aufbau dieses Ofens ist kompliziert und verwendet zusätzliche Stromschleifen aus Kupfer, die den mehrfachen Querschnitt des Tiegelquerschnittes besitzen. Durch entsprechende Dimensionierung der Tiegelwandstärke hat man bei diesem kombinierten Widerstands-Induktions-Ofen die Badbewegung auf den jeweiligen Verwendungszweck des Ofens abgestellt. Die Versuche mit diesem Ofen sind über verhältnismäßig kleine Chargen nicht hinausgekommen. Die baulichen Abmessungen und die Gestehungskosten des Ofens werden bei größeren Schmelzleistungen durch die entsprechenden Abmessungen der drei benötigten Einzeltransformatoren unwirtschaftlich.

Wie eingangs bereits erwähnt, sind die zum Schmelzen von Aluminium und dessen Legierungen verwendbaren Induktionsöfen, bei denen die Induktionsströme und damit die Wärme in dem Schmelzgut selbst erzeugt wird, zum Schmelzen von Magnesium und dessen Legierungen im Hinblick auf die dabei eintretende starke Badbewegung nicht geeignet. Da Magnesium eine sehr hohe Affinität zu Sauerstoff besitzt, ist es notwendig, die Schmelze mittels Abdecksalzen gegen den Zutritt von Sauerstoff zu schützen. Bei zu starker Badbewegung würde diese Salzabdeckung aufreißen und hierdurch ein zu hoher Abbrand und außerdem Brandgefahr hervorrufen.

Dies gilt auch für Hochfrequenz-Induktionsöfen, da selbst bei dieser Ofengattung die Badbewegung so beträchtlich ist, daß das Magnesium während des Einschmelzprozesses Gase aufnimmt und hierdurch die Erzeugung eines einwandfreien Magnesiumgusses unmöglich gemacht wird.

Wegen dieser generellen Nachteile induktiv beheizter, für andere Metalle an sich bewährter Schmelzofen hat auch ein seit langem bekannter Hochfrequenztiegelofen zum Schmelzen von insbesondere Metalloxyden keinen Eingang in die Praxis des Schmelzens von Magnesium gefunden, bei dem ein metallischer, sehr dünnwandiger Tiegel alternativ einen Teil der Induktionsströme in der Tiegelwand aufnimmt. Der Tiegel dieses bekannten Ofens ist trichterförmig ausgebildet und wird kontinuierlich beschickt, wobei in dem oberen, weiteren Teil des trichterförmigen Tiegels das Einsatzgut nur vorerhitzt wird, während es erst im unteren, engeren Bereich des Tiegels verflüssigt wird und durch eine Öffnung kontinuierlich ausfließt. Da bei dieser Bauart ein wesentlicher Teil der Induktionsströme unmittelbar im Schmelzgut selbst zur Auswirkung gelangt, wäre dieser vorbekannte Ofen auch für das Schmelzen von Magnesium aus den weiter oben bereits erörterten Gründen nicht geeignet.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die iao speziell beim Einschmelzen von Magnesium bisher bestehenden Schwierigkeiten zu beseitigen und ein Verfahren zu ermöglichen, das unter Verwendung eines einfachen und leicht zu bedienenden Ofens ein einwandfreies und gefahrenloses Einschmelzen von Magnesium gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe verwendet die Erfindung einen kernlosen Induktions-Tiegel-Schmelzofen mit von der Induktionsspule konzentrisch umgebenem Tiegel aus Stahl oder Eisen und kennzeichnet sich dadurch, daß der Ofen nur mit Niederfrequenz, vorzugsweise Netzfrequenz, betrieben wird, wobei der Tiegel über seine gesamte Höhe eine gleichbleibende Wandstärke solcher Bemessung besitzt, daß die Sekundärströme ausschließlich oder zum weit überwiegenden Teil in der Tiegelwand erzeugt werden.

Zur Lösung der gleichen Aufgabenstellung geht ein älterer, jedoch nicht vorveröffentlicher Vorschlag ebenfalls von einem Induktionsofen zum Schmelzen von Magnesium und seinen Legierungen in einem metallischen Tiegel aus, kennzeichnet sich jedoch dadurch, daß die Wanddicke des Tiegels von oben nach unten derart stetig oder stufenweise abnimmt, daß bei einer gegebenen Frequenz des die Induktionsspule speisenden Stromes im oberen Tiegelteil keine, im unteren dagegen eine zum Durchmischen ausreichende Badbewegung erzeugt wird.

Abweichend von diesem älteren Vorschlag geht die vorliegende Erfindung den umgekehrten Weg: unter ausschließlicher Verwendung von Nieder-, vorzugsweise Netzfrequenz einen metallischen Tiegel zu benutzen, der über seine gesamte Höhe eine gleichbleibende Wandstärke solcher Bemessung aufweist, daß die Sekundärströme über den gesamten Höhenbereich des Tiegels gleichmäßig ausschließlich oder zum weit überwiegenden Teil in der Tiegelwand erzeugt werden. Der zur Durchführung dieses Verfahrens bestimmte Ofen ist einfach im Aufbau und läßt sich beispielsweise dadurch leicht an die verschiedensten Betriebs Verhältnisse anpassen, daß bei unmittelbarem Anschluß des Ofens an das Netz die Netzfrequenz z. B. mittels eines statischen Frequenzwandlers verdoppelt bzw. in einem anderen Verhältnis vervielfacht wird oder beispielsweise bei kleineren Öfen dadurch, daß dem Schmelzofen eine einphasige, über einen Scott-Spar-Transformator und ein Frequenzwandlerpaar gespeiste Wicklung zugeordnet wird, derart, daß die zwei entgegengesetzt gerichteten einphasigen Systeme sich überlagern und der Ofen als gleichmäßige Dreiphasenlast betrieben wird. Letzteres bringt zwar eine Verschlechterung des Leistungsfaktors mit sich, die aber im allgemeinen deswegen nicht ins Gewicht fällt, weil der Ofen ·— wie alle kernlosen öfen — eine hohe Streuinduktivität besitzt, die durch eine Kondensatorenbatterie kompensiert werden muß.

Die Verwendung statischer Frequenzwandler zur Veränderung der Netzfrequenz sowie die Verwendung von über Scott-Spar-Transformatoren sowie Frequenzwandler gemäß der zuletzt behandelten Schaltungsart angeschlossenen Induktionsöfen ist an sich bekannt und bildet daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht Gegenstand eines selbständigen Schutzes.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Der Ofen besteht aus dem auf ganzer Höhe mit gleicher Wandstärke versehenen Stahlgußtiegel 1, dessen Wandstärke unter Berücksichtigung des spezifischen Widerstandes des Tiegelmaterials und der Frequenz des Induktionswechselfeldes etwa entsprechend der elektrischen Eindringtiefe bemessen ist, der den Tiegel umgebenden Induktionsspule 2 sowie der zwischen Spule und Tiegel eingestampften Isoliermasse 3. Die Induktionsspule ist nach außen durch Blechpakete 4 abgeschirmt. Das den Ofen tragende Ofengehäuse ist mit 5 bezeichnet.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schmelzen von Magnesium und dessen Legierungen in einem kernlosen Induktions-Tiegel-Schmelzofen mit von der Induktionsspule konzentrisch umgebenem Tiegel aus Stahl oder Eisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen nur mit Niederfrequenz, vorzugsweise Netzfrequenz, betrieben wird, wobei der Tiegel über seine gesamte Höhe eine gleichbleibende Wandstärke solcher Bemessung besitzt, daß die Sekundärströme ausschließlich oder zum weit überwiegenden Teil in der Tiegelwand erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei unmittelbarem Anschluß des Ofens an das Netz dessen Frequenz z. B. mittels eines statischen Frequenzwandlers verdoppelt oder in einem anderen Verhältnis vervielfacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schmelzofen eine einphasige, über einen Scott-Spar-Transformator und ein Frequenzwandlerpaar gespeiste Wicklung zugeordnet wird, derart, daß die zwei entgegengesetzt gerichteten einphasigen Systeme sich überlagern und der Ofen als gleichmäßige Dreiphasenlast betrieben wird.

4. Kernloser Induktions-Tiegel-Schmelzofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (2) in an sich bekannter Weise nach außen durch Blechpakete (4) abgeschirmt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschrift Nr. 1378 189;

britische Patentschrift Nr. 392764;

»Elektrowärme«, H. 4, 1938, S. 114; H. 2, 1938, S. 33 bis 41 ;

»Metallwirtschaft« vom 20. 3. 1944, S. 98 bis 100;

»Revue de l'Aluminium«, November 1936, S. 433 bis 439;

»Die Neue Gießerei«, Juni 1949, S. 172 bis 182.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 945 780.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 572/2 4.62