DEP0030413DA

DEP0030413DA - Method for operating low frequency induction melting furnaces with steel crucibles

Info

Publication number: DEP0030413DA
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Dortmund-Wambel Hennicke; Julius Dipl.-Ing. Gleisweiler Wolf (Pfalz)
Original assignee: Brown, Boverie & Cie AG, Mannheim
Publication date: 1951-03-29

Description

Bei Betrieb von Induktions-Tiegelöfen ergeben sich vielfach Schwierigkeiten, die auf eine mangelhafte Beherrschung der Badbewegung (Wallung) des geschmolzenen Metalls zurückzuführen sind, die durch die in dem Schmelzgut induzierten Ströme hervorgerufen wird. Die Stärke der Badbewegung hängt von verschiedenen Faktoren hab, so von der im Schmelzgut erzeugten Leistung, dem spezifischen Gewicht und der elektrischen Leitfähigkeit der Metallschmelze sowie der Frequenz des induzierenden Stromes. Die Frequenz wirkt sich insofern aus, als bei niederen Frequenzen die Eindringtiefe des Stromes in das Schmelzbad grösser ist und dadurch grössere Bewegungskräfte erzeugt werden. Infolgedessen ist die Badbewegung bei einem Niederfrequenz-Tiegelofen wesentlich grösser als bei Induktionsöfen, die mit höherer Frequenz betrieben werden. Dies ist auch ein Grund dafür, warum sich der Niederfrequenz-Induktionsofen in vielen Fällen nicht durchsetzen konnte.When operating induction crucible furnaces, difficulties arise which can be traced back to insufficient control of the bath movement (boiling) of the molten metal, which is caused by the currents induced in the molten material. The strength of the bath movement depends on various factors such as the power generated in the melt, the specific weight and electrical conductivity of the molten metal and the frequency of the inducing current. The frequency has an effect insofar as at lower frequencies the penetration depth of the current into the weld pool is greater and thus greater motional forces are generated. As a result, the bath movement in a low-frequency crucible furnace is much greater than in induction furnaces that are operated at a higher frequency. This is also a reason why the low-frequency induction furnace has not been able to establish itself in many cases.

Man ist nun neuerdings dazu übergegangen, insbesondere für das Schmelzen von Leichtmetallen Induktionstiegelöfen zu verwenden, bei denen der Tiegel aus Stahl hergestellt ist. Da diese Stahltiegel den grössten Teil der induzierten Leistung aufnehmen, ergibt sich, dass die Badbewegung auch bei mit Niederfrequenz betriebenen Öfen stark eingeschränkt wird. Trotzdem hat sich aber gezeigt, dass in vielen Fällen die Badbewegung immer noch zu stark ist, da gerade beim Schmelzen von Leichtmetallen wegen der Gefahr der erhöhten Sauerstoff- und Gasaufnahme ein sehr ruhiges Schmelzbad gefordert werden muss. Dies trifft besonders für Magnesium zu, da beim Einschmelzen von Magnesium bei zu starker Badbewegung die Salzdecke zerreißen kann und dadurch das Magnesium leicht in Brand gerät.There has recently been a move towards using crucible induction furnaces in which the crucible is made of steel, in particular for melting light metals. Since these steel crucibles absorb the majority of the induced power, the result is that the bath movement is severely restricted even in the case of furnaces operated with low frequency. Nevertheless, it has been shown that in many cases the bath movement is still too strong, since a very calm weld bath must be required when melting light metals because of the risk of increased oxygen and gas uptake. This is particularly true for magnesium, since when magnesium is melted down if the bath agitation is too strong the salt cover can tear and the magnesium easily catches fire.

Da nur die Badbewegung von der in die Schmelz induktiv übertragenen Leistung abhängt, hat man auch schon vorgeschlagen, die Badbewegung durch Vergrösserung der Tiegelwandstärke zu begrenzen. Durch eine Vergrösserung der Wandstärke des Tiegels wird nämlich ein entsprechend grösserer Anteil der Leistung von dem Stahltiegel aufgenommen, so dass die in der Schmelze induzierte Leistung entsprechend zurückgeht. Bei Anwendung einer hohen spezifischen Flächenbelastung, wie sie für einen schnellen Einschmelzvorgang erforderlich ist, werden dann aber so grosse Wandstärken notwendig, dass das Tiegelgewicht in einem sehr ungünstigen Verhältnis zum Inhalt des Tiegels steht. Abgesehen davon hat auch die grössere Wandstärke und damit das grössere Tiegelgewicht einen ungünstigen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des Ofens, weil der Tiegel jedes Mal mit hochgeheizt werden muss. Ausserdem besteht eine erhöhte Gefahr, dass sich am Tiegel Risse bilden, da im Innern der Starken Tiegelwand leicht gefährliche Wärmespannungen auftreten können.Since only the bath movement depends on the power inductively transmitted into the enamel, it has already been proposed to limit the bath movement by increasing the crucible wall thickness. By increasing the wall thickness of the crucible, a correspondingly larger proportion of the power is absorbed by the steel crucible, so that the power induced in the melt decreases accordingly. If a high specific surface loading is used, as is necessary for a rapid melting process, wall thicknesses are then so great that the crucible weight is in a very unfavorable relationship to the contents of the crucible. Apart from this, the greater wall thickness and thus the greater crucible weight also has an unfavorable influence on the overall efficiency of the furnace, because the crucible has to be heated up every time. In addition, there is an increased risk of cracks forming in the crucible, since dangerous thermal stresses can easily occur inside the thick crucible wall.

Es ist weiterhin vorgeschlagen worden - wenn auch nicht im Zusammenhang mit Stahltiegeln - die Badbewegung bei Induktionsschmelzöfen dadurch zu unterbinden, dass der Badspiegel der Schmelze um ein gewisses Maß über der induzierenden Spule gehalten wird derart, dass der statische Druck der Schmelze oberhalb der Induktionsspule ausreicht, um die Badbewegung ganz oder weitgehend zu unterdrücken. Dies bringt aber einen Verlust an beheizter Tiegelwandfläche und damit ein ungünstiges Verhältnis zwischen Tiegelinhalt und Ofenleistung mit sich, denn solange das Schmelzgut stückig ist - und das ist während des grössten Teiles der gesamten Schmelzzeit der Fall - kann die Wärmeübertragung von der Tiegelwand auf das Gut praktisch nur durch Strahlung erfolgen. Dazu ist aber eine gewisse Übertemperatur erforderlich, die mit der zu übertragenden Leistung ansteigt und die nicht beliebig gesteigert werden kann, da der Tiegelwerkstoff die anwendbare Übertemperatur begrenzt.It has also been proposed - albeit not in connection with steel crucibles - to prevent the bath movement in induction melting furnaces by keeping the bath level of the melt above the inducing coil by a certain amount in such a way that the static pressure of the melt above the induction coil is sufficient, to suppress the bath movement completely or largely. However, this results in a loss of heated crucible wall surface and thus an unfavorable relationship between crucible content and furnace output, because as long as the material to be melted is lumpy - and this is the case for most of the entire melting time - the heat transfer from the crucible wall to the material can be practical can only be done by radiation. For this, however, a certain excess temperature is required, which increases with the power to be transmitted and which cannot be increased at will, since the crucible material limits the excess temperature that can be used.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb von Niederfrequenz-Induktionsschmelzöfen mitThe invention is now based on the object of providing a method for operating low-frequency induction melting furnaces

Stahltiegel zu entwickeln, mit welchem ein rasches Einschmelzen des Gutes gewährleistet, die wirksame Tiegelwandfläche möglichst vollständig ausgenutzt und bei dem die Badbewegung (Wallung) trotzdem gering gehalten wird. Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, nach welchem beim Einschmelzen festen Gutes zunächst alle Induktionsspulen eingeschaltet werden und anschliessend während des Schmelzprozesses jeweils der Teil der Induktionsspulen abgeschaltet oder in seiner Leistung vermindert wird, der sich in unmittelbarer Nähe des jeweiligen Badspiegels befindet. Zunächst wird also der Tiegel, solange er noch mit stückigem Gut gefüllt ist, in seiner ganzen Höhe induktiv beheizt, wobei mit der höchsten mit Rücksicht auf den Tiegelwerkstoff zulässigen Leistung gefahren wird. Unter der Gesamttiegelhöhe ist dabei die Höhe zu verstehen, bis zu der der Tiegel normalerweise mit Gut gefüllt wird. Wenn dann das Gut zu schmelzen beginnt, füllt sich der Tiegel vom Boden her langsam mit flüssigem Metall. Damit die Schmelze nicht in zu starke Wallung kommt, wird nunmehr der untere Teil der Heizung abgeschaltet oder in seiner Leistung herabgesetzt, während im oberen Teil die starke Beheizung beibehalten wird. Bei fortschreitender Abschmelzung, bei der der Badspiegel entsprechend steigt, wird dann jeweils der Teil der Induktionsspulen abgeschaltet oder in seiner Leistung vermindert, der sich in unmittelbarer Nähe des jeweiligen Badspiegels befindet, wodurch wiederum eine unzulässig grosse Badbewegung vermieden wird.To develop steel crucibles with which a rapid melting of the goods is guaranteed, the effective crucible wall surface is used as completely as possible and in which the bath movement (boiling) is nevertheless kept low. According to the invention, this object is achieved by a method according to which all induction coils are switched on when solid material is melted and then that part of the induction coils that is in the immediate vicinity of the respective bath surface is switched off or reduced in its power during the melting process. First of all, as long as it is still filled with lumpy material, the crucible is inductively heated in its entire height, with the highest power allowed taking into account the crucible material. The total crucible height is to be understood as the height up to which the crucible is normally filled with material. When the material begins to melt, the crucible slowly fills with liquid metal from the bottom. So that the melt does not boil too much, the lower part of the heating is now switched off or its output is reduced, while the strong heating is maintained in the upper part. As the melting progresses, during which the bath level rises accordingly, that part of the induction coils that is located in the immediate vicinity of the respective bath level is switched off or reduced in its power, which in turn prevents an inadmissibly large bath movement.

Um eine solche zonenweise Regelung der Beheizung zu ermöglichen, werden die Induktionsspulen des Ofens in an sich bekannter Weise in mehrere übereinander angeordnete Teilspulen ausgeteilt. Die zonenweise Regelung der Beheizung kann dabei so vorgenommen werden, dass eine oder mehrere Induktionsspulen ganz abgeschaltet oder durch Anwendung der Dreieck-Stern-Schaltung oder einer sonstigen bekannten Schaltung zur Herabsetzung der Leistung mit verminderter Leistung betrieben werden. Wenn die Schmelze den Tiegel z.B. bis zur Hälfte anfüllt, wird der mittlere Teil der Beheizung gedrosselt oder ganz abgeschaltet, während der obere und untere Teil der Beheizung eingeschaltet bleibt. Man kann dabei im unteren Teil des Tiegels stets soviel Leistung einschalten, wie die statische Höhe der Flüssigkeitssäule erlaubt, d.h. die Flüssigkeitssäule, die über dem induktiv beheizten Teil des Bades steht, muss so hoch sein, dass die an der Oberfläche des Bades entstehende Wallung in mässigen Grenzen bleibt. Darüber hinaus kann auch der oberhalb des Badspiegels befindliche Teil des Tiegels weiter beheizt werden, so dass von dort aus dem Tiegelinhalt auch noch Wärme durch Leitung und Strahlung zugeführt wird. Ist dann das ganze Gut abgeschmolzen und der Tiegel bis zu seiner normalen Höhe mit flüssigem Gut angefüllt, so werden nach Maßgabe der vorstehend aufgestellten Regel eine oder mehrere der oberen, in der Höhe des Badspiegels befindlichen Induktionsspulen abgeschaltet oder in ihrer Leistung herabgesetzt, während die unteren Spulen voll eingeschaltet bleiben, wobei auch hier wiederum die abzuschaltende Höhe so zu bemessen ist, dass die Badbewegung durch die statische Höhe der unbeheizten Schmelze in zulässigen Grenzen gehalten wird.In order to enable such a zone-wise regulation of the heating, the induction coils of the furnace are divided into several sub-coils arranged one above the other in a manner known per se. The zone-wise regulation of the heating can be carried out in such a way that one or more induction coils are completely switched off or operated with reduced power by using the triangle-star connection or another known circuit to reduce the power. If the melt fills the crucible up to half, for example, the middle part of the heating is throttled or completely switched off, while the upper and lower part of the heating remains switched on. There is always so much power in the lower part of the crucible switch on, as the static height of the liquid column allows, i.e. the liquid column that stands above the inductively heated part of the bath must be so high that the surge on the surface of the bath remains within moderate limits. In addition, the part of the crucible located above the bath level can also be heated further, so that from there the contents of the crucible are also supplied with heat by conduction and radiation. If the entire material is then melted and the crucible is filled to its normal height with liquid material, one or more of the upper induction coils located at the level of the bath surface are switched off or reduced in their power, while the lower ones Coils remain fully switched on, whereby the height to be switched off is again to be dimensioned in such a way that the bath movement is kept within permissible limits by the static height of the unheated melt.

In Weiterbildung der Erfindung kann die durch das Abschalten der oberen Spule bedingte verringerte Leistung des Ofens dadurch wieder ausgeglichen werden, dass nunmehr die Spulen, die sich unterhalb der abgeschalteten oder mit geringer Leistung betriebenen Spulen befinden, mit einer der Verminderung etwa entsprechenden erhöhten Leistung betrieben werden. Diese Leistungssteigerung ist zulässig, da nunmehr die Wärmeübertragung nicht mehr durch Strahlung, sondern durch unmittelbaren Wärmeübergang von der Tiegelwand zur Schmelze stattfindet, wozu wesentlich geringere Übertemperaturen notwendig sind, da die Wärmeübergangszahl bei dem unmittelbaren Wärmeübergang von der Tiegelwandung zu der bewegten flüssigen Schmelze gegenüber der Wärmeübertragung durch Strahlung wesentlich höher liegt und somit das Mehrfache an Leistung übertragen werden kann, ohne dass die Tiegelwand unzulässige Temperaturen annimmt.In a further development of the invention, the reduced power of the furnace caused by the switching off of the upper coil can be compensated for by the fact that the coils that are located below the switched-off or low-powered coils are now operated with an increased power approximately corresponding to the reduction . This increase in performance is permissible because the heat transfer no longer takes place by radiation, but by direct heat transfer from the crucible wall to the melt, for which significantly lower excess temperatures are necessary, since the heat transfer coefficient in the direct heat transfer from the crucible wall to the moving liquid melt compared to the heat transfer is much higher due to radiation and thus a multiple of the power can be transmitted without the crucible wall assuming inadmissible temperatures.

Durch die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist es möglich, Stahltiegel mit verhältnismässig geringen, allein mit Rücksicht auf die mechanische Festigkeit bemessenen Wandstärken zu benutzen. Damit wird aber der Wirkungsgrad des Ofens wesentlich besser, da bei der Inbetriebnahme des Ofens jeweils ein weit geringeres Tiegelgewicht aufzuheizen ist. Auch die Grösse und damit der Preis des Ofens wird dadurch günstig beeinflusst.By using the method according to the invention, it is possible to use steel crucibles with relatively small wall thicknesses that are dimensioned solely with regard to mechanical strength. However, this increases the efficiency of the furnace considerably, since when the furnace is put into operation in each case a much lower crucible weight is to be heated. This also has a positive effect on the size and thus the price of the furnace.

Claims

1.) A method for operating low-frequency induction melting furnaces with steel crucibles, which have several switchable induction coils arranged one above the other and thus several heating zones, characterized in that all coils are switched on when solid material is melted and then during the melting process or after Melting off the entire content of the part of the induction coils that is located in the immediate vicinity of the respective bath level is switched off or reduced in its power.

2.) The method according to claim 1, characterized in that the induction coils, which are located below the disconnected or operated with lower power coils, are operated with an increased power approximately corresponding to the reduction.