EP0391067A2 - Device with a metallic crucible - Google Patents
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- F27B2014/008—Continuous casting
Definitions
- the invention relates to a device with a crucible in which there is a metal or a metal alloy according to the preamble of patent claim 1.
- ceramic particles can flake off from the crucible and get into the melting material, where after the melting material solidifies, they form inclusions, which are often referred to as "low density inclusions". Such inclusions reduce the quality of the solidified melt, since they are e.g. B. Starting point of cracks.
- This problem is solved in a simple manner in that the material to be melted is heated electrically, specifically by inductive heating.
- a coil is provided around the crucible, which supplies electrical energy through the crucible wall to the melting material.
- an induction furnace without an iron core in which the density of the turns of the induction coil decreases from bottom to top or from top to bottom (DE-PS 563 710). This is intended to achieve regulation of the bath movement. If, for example, strong oxidation of a liquid iron or steel is to be achieved, a coil is used, the turns of which are wound more densely in the upper part than in the lower part, as a result of which a strong surface movement of the bath is achieved. On the other hand, if, for example, overheating liquid aluminum in the induction furnace, excessive bath movement, especially on the surface of the bath, is to be avoided, a coil is advantageously used, the turns of which are wound more densely in their lower part than in their upper part. However, the crucible used here is not slotted.
- a method for vacuum sintering powder products in an electrically heated vacuum oven is also known, in which the heating of the oven is controlled as a function of the pressure in the oven (DE-A-2 152 489).
- the vacuum oven used here is also not slotted.
- an elongated, electrically insulated and water-cooled crucible which is open at the top and bottom and which has the same cross-section over its entire length (US Pat. No. 3,775,091).
- This crucible is divided into at least two segments by vertical slots, each segment being electrically insulated from the other segment, so that no electrical short circuits occur.
- the slots serve to reduce the shielding effect of the crucible against electric fields.
- a ceramic lining is provided which, in the solid state, has electrical insulating properties and which has a melting point temperature which differs from the melting point temperature of the metal to be melted.
- This insulating lining contains, for example, an alkaline earth metal fluoride. This creates a self-generating insulation liner.
- the disadvantage here is that the use of slag when melting reactive metals entails the risk of contamination of the metal. It has also been found that even with a partial pressure of argon or helium, the quality of the molten material left much to be desired.
- Insulating slags between the melt and the cooled segments is not necessary for electrical reasons, as described in DE-PS 518 499.
- Insulating layers between the melt and the cooled segments represent an advantage in that they represent a heat insulation layer and thus significantly reduce the heat flow from the melt to the cooled segments, so that melting can be carried out with lower electrical induction heating outputs.
- the size of the power supply can be smaller and the current forces limiting the process are not yet so noticeable.
- a method for inductively melting reactive metals and alloys in a non-reactive environment is also known, in which the melting material is melted in a crucible divided into segments in the absence of insulating slag (EP-A-0276544).
- This process is intended to produce high-quality products that are not contaminated by slag or the like.
- the wall segments of the crucible are not electrically insulated from one another, but on theirs Base connected to each other and thus electrically short-circuited, as has already been described in previous publications and in DE-PS 518 499.
- the crucible is provided in an evacuated room with less than 500 ⁇ m Hg.
- a disadvantage of this method is that the inductively introduced electrical heating power is the same over the entire height of the crucible, which does not lead to an optimal melting time.
- a fundamental disadvantage of the above-described melting process with a cooled crucible is the high energy losses which the melting material suffers from the dissipation of heat to the crucible wall.
- the thermal process efficiency can only be kept acceptable by the fact that the melting process runs as quickly as possible and thus the amount of energy dissipated as heat losses - as a product of power loss and time - becomes small.
- the invention is therefore based on the object of creating a device according to the preamble of patent claim 1, with which it is possible to produce high-purity metal by melting and to reduce the heat losses.
- the advantage achieved by the invention is in particular that the electrical energy can be efficiently brought to the melting material without it being contaminated with electrically insulating parts, because the slots between the segments of the crucible are only in the area facing away from the melt with an insulator replenished.
- the area facing the melt is empty at the depth of approximately one slot width.
- the melting process can be carried out evenly and quickly because the radiation pressure of the inductive energy supply counteracts the gravitational pressure of the melt.
- the height-dependent power density achieves the maximum possible heating power at a selected operating frequency. At the same time, the heat losses from the melt to the crucible are reduced, since the mechanical contact surface between the melt and the crucible is kept as small as possible.
- the height-dependent power distribution also has the advantage during temperature maintenance that the melt can degas quickly due to the relatively large surface area that forms. so that treatment time and losses are reduced.
- a large coherent vortex is formed in the melting area as the power density increases, which mixes the melt well thermally and metallurgically.
- the invention also has advantages when the melt solidifies.
- the inductive melting of materials in a cooled crucible has the general advantage over conventional induction melting that the melt does not have to be poured into a mold.
- FIG. 1a The principle of an induction melting furnace 1 is shown in FIG. 1a, which has an inductor 2 and material 3 to be melted.
- the inductor 2 consists of a coil which has an inductance and an ohmic resistance.
- a current flows through the inductor 2, which induces a voltage in the melting material 3, which consists of conductive material, which in turn causes a current flow in the melting material 3, which results in heating of the melting material.
- ⁇ is the penetration depth of the current.
- ⁇ 1 the depth of penetration for the frequency f1 is called; it is the point on a flat, very thick wall at which the current density g has decreased from 1 to l / e, where e is Euler's number. It can be seen from this that the higher its frequency, the less deep the current penetrates.
- the currents flowing in the melt 3 are also called eddy currents. Eddy currents always arise when there are electrically conductive substances in an alternating magnetic field. They flow on paths that are linked with the magnetic induction lines. The formation and properties of eddy currents are known (cf. K. Kupfmüller, introduction to theoretical electrical engineering, 11th edition, 1984, p. 304 ff.) And are therefore not to be described in detail.
- the specific heat output also plays an important role in induction melting furnaces.
- H. the power converted into heat in the volume unit of the melting material 3.
- the distribution of this heat output is also known (K. Simonyi, Theoretical Electrical Engineering, 1956, p.304), so that it cannot be derived.
- FIG. 2a shows an induction melting furnace 1 according to the invention, which has a crucible 4 which is divided into different segments 5, 6, 7.
- an inductor 2 ie a coil, arranged, which acts on the melting material 3.
- cooling tubes 8, 9 run with a water inflow 10 and a water outflow 11.
- the crucible 4 preferably consists of a relatively good heat-conducting metal, since glass or ceramic would contaminate the melt too much. Since metals that conduct heat well are also good electrical conductors, the magnetic energy generated by the coil 2 penetrates mainly through the slots 12, 13 between the segments 5, 6, 7 of the crucible 4 to the melting material 3.
- This melting material is liquid in the upper region 14 and is supported on a cooled plate 16 via a solidified layer 15. The plate 16 can be moved up or down with a rod 17.
- the electromagnetic energy which is supplied from the coil 2 to the melting material 3, penetrates mainly through the slots 12, 13 and generates a radiation pressure in the volume of the melt. If the Local radiation pressure is the liquid pressure exerted on the walls of the crucible, so that the melting material at the point where the slits are located is pushed so far inwards that a weakening of the field results from a weakening of the field strength and / or an increase in the liquid height from the displaced material. As a result, an optimal melting process is not possible.
- the radiation pressure on the inside of the crucible 4 must therefore not be greater than the hydrostatic pressure of the melt 3.
- the radiation pressure is also designed according to the invention in such a way that it also depends on the z coordinates. This happens e.g. B. in such a way that the square of the amplitude of the magnetic field penetrating into the melting material 3 increases linearly from top to bottom.
- the wall has a finite conductivity, which applies to the melting material 3, the incident wave is not completely, but only partially reflected, so that the electric field strength on the wall does not completely disappear; therefore in this case the electric field strength also contributes to the pressure, but the magnetic field strength is correspondingly smaller than before. If the shaft still partially penetrates the wall, so there is also pressure on the back, which is to be subtracted from the one acting on the front.
- the power density or radiation power per unit area is known as the Poynting vector (cf. Simonyi, loc. Cit., P. 28 ff). This vector is defined as the vector product of the electric field strength and the magnetic field strength:
- the electromagnetic power penetrating into the melting material generates mechanical forces in the melt.
- the volume force density is described for the case of constant electrical conductivity and permeability over the volume by: in which the current density and which are magnetic induction.
- the volume force density is directly proportional to the amount of the Poynting vector.
- the quantity "pressure" forming in the volume of the melt is calculated from the integral over the dot product of the volume force density and the path: Since only one force density component occurs normally, ie perpendicular to the surface, for a flat field:
- the electromagnetic radiation pressure does not appear abruptly on the surface of the material, but builds up normally via the path to the surface. Since the depths of penetration are small at the usual heating frequencies, one can assume in a first approximation for the formation of the molten bath surface that the electromagnetic pressure acts on the surface. The electromagnetic radiation pressure is therefore proportional to the power density radiated to the melt.
- 2b shows a plan view of the melting furnace 1, in which the segments 5 to 7 and 18 to 22 and the slots 12, 13 and 23 to 28 between the segments 5 to 7, 18 to 22 can be seen.
- the melting process begins in the middle of the individual segments 5 to 7 and 18 to 22 and not behind the slots 12, 13 and 23 to 28. If the melting material 3 is in the liquid state, it is pushed inwards and it radial furrowing forms in the melt, which is most pronounced on the surface of the bath. The webs protruding from the melt stand outwards in a star shape and are located opposite the middle of the segments 5 to 7 and 18 to 22. A field incidence on the top of the crucible from the top of the molten bath tip must be avoided, as this would otherwise result in the tent tip being deformed comes and the formation of wrinkles is supported. The field incidence on the edge of the crucible can, for. B. can be prevented that the induction coil 2 does not reach beyond the edge of the crucible.
- FIG. 3 shows a variant of the invention in which a differently arranged cooling system is provided and which has a coil with a downward gradient.
- the crucible 4, which again has several segments 5, 6, 7 and z. B. has a volume of 5.5 dm3, has a coolant inlet opening 10 and an outlet opening 11 for cooling water.
- Liquid metal e.g. B. Na or NaK or an organic liquid, e.g. B. a flame retardant oil can be used.
- liquid salt as a coolant, for example NaNO2, NaNO3 or KNO3.
- the upper turns 29, 30 of the coil 2 are further apart than the lower turns 31, 32.
- the coil 2 is connected to a power supply 34, which is an AC power source with a frequency of 1000 to 5000 Hz.
- the current flowing through the windings 29 to 32 is therefore the same at all points.
- the molten material 3 flows in the crucible 4. In the lower to middle coil region, it flows inwards, where it is deflected upwards and downwards and flows downwards again to the outside of the melt; the inward-looking forces are also greatest there.
- the material flowing upwards in the area of the center of the melt is visible on the surface of the melt pool and can cause instability of the bath tip.
- the due of the melt webs formed by the radiation pressure results in a passive flow, which is generated by frictional forces of the tip flow.
- the power supply delivers a voltage with frequencies of 2500 Hz or 5000 Hz.
- the penetration dimensions are then calculated using the known formula with aluminum as melt liquid to 4.8 mm or 3.4 mm and with titanium as melt liquid to 13.3 mm or 9.4 mm. Increasing the frequency leads to a reduction in the penetration dimension.
- FIG. 4 A further variant of the invention, in which the current strengths through the coil windings are not the same everywhere, is shown in FIG. 4.
- a first partial coil 36 with turns 29, 30 in the upper region which are connected to a first power supply 35.
- the number of turns of this coil section is relatively large.
- a second partial coil 37 with the turns 38 to 41 is provided in the lower region of the crucible 4.
- This second and shorter coil section 37 can be connected to its own power supply 42 and has a smaller number of turns than the first coil section 36.
- the melt pool tip is designated by the reference number 60 in FIG. 4.
- This crest 60 should be raised as little as possible and should not be furrowed by the radiation pressure.
- the measure of reducing the field strength can be selected against an increase.
- the grooves 61 to 64 of the dome 60 are essentially due to the penetration of the electromagnetic radiation through the slots 12, 13 between the segments 5, 6, 7.
- the ratio of the segment width a to the slot width b is therefore essential for the properties of the bath tip 60. In order to optimally determine this ratio, various aspects have to be considered.
- the number of segments 5, 6, 7 should be as large as possible so that the electromagnetic field can penetrate into the melt 3 through many slots 12, 13.
- it is desirable that their number is not too large so that the lengths of the current path in which eddy currents can be induced do not become too large.
- the circumference of the crucible 4 divided by the number of segments 5, 6, 7 should result in a segment width a such that the segment width a becomes comparable or even smaller with the depth ⁇ of the field into the melt 3.
- the segment width a determines the periodicity of the field in the circumferential direction.
- the bulges or lamellae 65, 66, 67 on the dome 60 at its tip and bottom have such a large curvature that the surface forces for reducing the bulges 65, 66, 67 increase.
- the field strength in the dome area can be reduced or the frequency of the field increased, as already mentioned.
- narrow segments 5, 6, 7 can also be used.
- the electrical voltages prevailing between two segments 5, 6, 7 do not depend on the width b of a slot 12, 13, but rather result from the circulating voltage divided by the number of segments 5/6/7.
- the segments 5, 6, 7 are bent towards the melt by the field of the induction coil 36, 37. An inward deformation of the segments 5, 6, 7 also results from the melting-side heating, the so-called furnace box effect.
- the segments 5, 6, 7 can z. B. are supported by insulating elements between the segments 5, 6, 7. These also prevent the melt from escaping in the event of a power failure.
- the insulation materials should be offset by one or two column widths.
- the bottom 68 of the crucible 4 is expediently designed as a radially slotted, water-cooled block. It is isolated from segments 5, 6, 7 in the upper area. It is also adjustable in height so that it can be optimally adapted to the melting height.
- FIG. 5 shows a further variant of the invention, in which only one coil 2 is provided, which is supplied with electrical energy via the alternating current source 34.
- a capacitor 45 is connected in parallel with this coil 2, so that the coil 2 forms an oscillating circuit with this capacitor 45.
- An inductance 46 is connected in series with this parallel resonant circuit 2, 45, which causes a frequency change and which can be short-circuited via a switch 50.
- a direct current source 47 Also connected in parallel with the power supply 34 and the parallel resonant circuit 2, 45 is a direct current source 47, which superimposes a direct current on the alternating current in the coil. With the direct current source 47 it is achieved that the melt flow is calmed and the bath tip formation is stabilized. In this case, the DC magnetic field has the same direction as the AC field. However, it is also possible to place the DC field perpendicular to the AC field and, in particular, to provide it in the upper region of the melt. It is understood that the DC field can also be generated by a separate winding
- heating source 48 above the melting material, which is shown only symbolically in FIG. 5.
- This can be an electron gun, a plasma source, an externally powered resistance heater or the like.
- a reactive gas can be introduced into the space between the molten bath surface 60 and the heating source 48 if, for. B. a plasma torch or a glow discharge anode is used. Nitrides, oxides or the like or undesired compounds of these which float in the melt as inclusions can thus be chemically destroyed.
- the bottom 68 is shifted in such a way that the melt pool tip 60 is held at approximately the same location relative to the crucible 4 or the coil 2.
- the division of the set electromagnetic power can be different for the different processes “melting down”, “maintaining temperature” and “block solidification”.
- FIG. 6 shows schematically how this power density distribution can look in the case of an arrangement with several partial coils.
- the crucible 4 should be designed to be very slim in order to achieve high efficiency. However, in order to limit the thermal load on the coils and segments in the case of very high crucibles, a power distribution should be sought, as is shown in FIG. 7.
- the crucible 4 as already mentioned, has a volume of 5.5 dm3, for example. However, it can also have a volume of 100 to 1000 dm3.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem Tiegel, in dem sich ein Metall oder eine Metall-Legierung befindet nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device with a crucible in which there is a metal or a metal alloy according to the preamble of
Beim Schmelzen von Stoffen in Tiegeln ist darauf zu achten, daß der Tiegel eine höhere Schmelztemperatur hat als der zu schmelzende Stoff, denn bei herkömmlichen Tiegeln wird die Innenfläche des Tiegels genauso warm wie die Schmelze. In den meisten fällen genügen Tiegel aus Keramik den Anforderungen, da sie eine sehr hohe Schmelztemperatur besitzen. Allerdings kann die stark erhitzte Innenfläche eines Keramik-Tiegels chemisch mit der Schmelze reagieren, wodurch die Schmelze durch das Tiegelmaterial verunreinigt wird. Die Verunreinigung besteht in der Regel darin, daß die Schmelze unter Reduktion der Tiegeloxidkeramik oxidiert wird. Es ist jedoch auch möglich, daß Verunreinigungen des Tiegels, z. B. Schwefel in Lösung gehen. Außerdem können Keramikpartikel vom Tiegel abplatzen und in das Schmelzgut gelangen, wo sie nach der Erstarrung des Schmelzguts Einschlüsse bilden, die oft als "low density inclusions" bezeichnet werden. Solche Einschlüsse mindern die Qualität der erstarrten Schmelze, da sie z. B. Ausgangspunkt von Rissen sind.When melting substances in crucibles, make sure that the crucible has a higher melting temperature than the substance to be melted, because with conventional crucibles the inner surface of the crucible becomes as warm as the melt. In most cases, ceramic crucibles meet the requirements because they have a very high melting temperature. However, the highly heated inner surface of a ceramic crucible can react chemically with the melt, as a result of which the melt is contaminated by the crucible material. The contamination generally consists in the fact that the melt is oxidized while reducing the crucible oxide ceramic. However, it is also possible that contamination of the crucible, for. B. sulfur in solution. In addition, ceramic particles can flake off from the crucible and get into the melting material, where after the melting material solidifies, they form inclusions, which are often referred to as "low density inclusions". Such inclusions reduce the quality of the solidified melt, since they are e.g. B. Starting point of cracks.
Eine Möglichkeit, diese Nachteile zu vermeiden, besteht darin, den Tiegel nicht aus Keramik, sondern aus Metall herzustellen. In diesem Fall tritt jedoch das Problem auf, daß Stoffe mit hoher Schmelztemperatur nicht im Tiegel geschmolzen werden können. Würde man z. B. versuchen, Metalle wie Tantal, Wolfram oder Thorium ohne besondere Maßnahmen in einem Kupfertiegel zu schmelzen, so wäre der Tiegel schon lange geschmolzen, bevor die Schmelztemperatur dieser Metalle erreicht ist.One way to avoid these disadvantages is to make the crucible not from ceramic, but from metal. In this case, however, there arises a problem that materials having a high melting temperature cannot be melted in the crucible. Would you z. If, for example, you try to melt metals such as tantalum, tungsten or thorium in a copper crucible without special measures, the crucible would have melted long before the melting temperature of these metals was reached.
Um Stoffe mit hoher Schmelztemperatur in Tiegeln niedrigerer Schmelztemperatur schmelzen zu können, ist es seit langem bekannt, die Tiegel mit Wasser zu kühlen. Hierdurch wird der Tiegel fortwährend auf einer Temperatur unterhalb seines eigenen Schmelzpunkts gehalten. Allerdings tritt nun das Problem der Erwärmung des Schmelzguts auf, denn wenn der Behälter selbst gekühlt wird, kann er keine höheren Temperaturen an das Schmelzgut abgeben.In order to be able to melt substances with a high melting temperature in crucibles with a lower melting temperature, it has long been known to cool the crucibles with water. This keeps the crucible at a temperature below its own melting point. However, the problem of heating the melting material now arises, because if the container itself is cooled, it cannot release higher temperatures to the melting material.
Dieses Problem wird auf einfache Weise dadurch gelöst, daß das Schmelzgut elektrisch beheizt wird, und zwar durch induktive Erwärmung. Hierbei wird um den Tiegel herum eine Spule vorgesehen, die elektrische Energie durch die Tiegelwand hindurch dem Schmelzgut zuführt.This problem is solved in a simple manner in that the material to be melted is heated electrically, specifically by inductive heating. Here, a coil is provided around the crucible, which supplies electrical energy through the crucible wall to the melting material.
Damit bei induktiver Beheizung ein aus Metall bestehender Tiegel nicht selbst induktiv zu stark durch Wirbelströme erwärmt wird, ist es bereits bekannt, den Tiegel aus einzelnen Segmenten zusammenzusetzen, die gegeneinander durch eine isolierende Schicht getrennt sind (DE-PS 518 499). Zur Isolierung kann z. B. Glimmer verwendet werden.So that a crucible made of metal is not inductively heated too much by eddy currents during inductive heating, it is already known to assemble the crucible from individual segments which are separated from one another by an insulating layer (DE-PS 518 499). For insulation z. B. Mica can be used.
Weiterhin ist ein Induktionsofen ohne Eisenkern bekannt, bei dem die Dichte der Windungen der Induktionsspule von unten nach oben oder von oben nach unten abnimmt (DE-PS 563 710). Hierdurch soll eine Regelung der Badbewegung erzielt werden. Will man beispielsweise starke Oxidation eines flüssigen Eisens oder Stahls erzielen, so verwendet man eine Spule, deren Windungen in ihrem oberen Teil dichter gewickelt sind als in dem unteren, wodurch eine starke Oberflächenbewegung des Bads erzielt wird. Soll dagegen beispielweise bei Überhitzung von flüssigem Aluminium im Induktionsofen eine allzu starke Badbewegung, insbesondere an der Badoberfläche, vermieden werden, so verwendet man zweckmäßig eine Spule, deren Windungen in ihrem unteren Teil dichter gewickelt sind als in ihrem oberen Teil. Der hierbei verwendete Tiegel ist jedoch nicht geschlitzt ausgebildet.Furthermore, an induction furnace without an iron core is known in which the density of the turns of the induction coil decreases from bottom to top or from top to bottom (DE-PS 563 710). This is intended to achieve regulation of the bath movement. If, for example, strong oxidation of a liquid iron or steel is to be achieved, a coil is used, the turns of which are wound more densely in the upper part than in the lower part, as a result of which a strong surface movement of the bath is achieved. On the other hand, if, for example, overheating liquid aluminum in the induction furnace, excessive bath movement, especially on the surface of the bath, is to be avoided, a coil is advantageously used, the turns of which are wound more densely in their lower part than in their upper part. However, the crucible used here is not slotted.
Eine ähnliche Spule ist auch aus der US-PS 1 839 801 bekannt, bei welcher die Windungen an den Enden dichter zusammenliegen als in der Mitte.A similar coil is also known from US Pat. No. 1,839,801, in which the turns are closer together at the ends than in the middle.
Es ist außerdem ein Verfahren zum Vakuumsintern von Pulverprodukten in einem elektrisch beheizten Vakuumofen bekannt, bei dem die Erwärmung des Ofens in Abhängigkeit von dem Druck im Ofen gesteuert wird (DE-A-2 152 489). Der hierbei verwendete Vakuumofen ist ebenfalls nicht geschlitzt.A method for vacuum sintering powder products in an electrically heated vacuum oven is also known, in which the heating of the oven is controlled as a function of the pressure in the oven (DE-A-2 152 489). The vacuum oven used here is also not slotted.
Bei einem anderen bekannten Induktionsschmelzofen zum Schmelzen von Metallen ist ein länglicher, elektrisch isolierter und mit Wasser gekühlter Schmelztiegel vorgesehen, der oben und unten offen ist und der über seine ganze Länge den gleichen Querschnitt hat (US-PS 3 775 091). Dieser Schmelztiegel ist durch senkrechte Schlitze in wenigstens zwei Segmente unterteilt, wobei jedes Segment von dem jeweils anderen Segment elektrisch isoliert ist, damit keine elektrischen Kurzschlüsse auftreten. Die Schlitze dienen dazu, die Abschirmwirkung des Tiegels gegen elektrische Felder zu verringern. Um zwischen den Segmenten und auf der Innenseite des Tiegels stets eine Isolierung zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, ist eine keramische Auskleidung vorgesehen, die im festen Zustand elektrische Isoliereigenschaften aufweist und die eine Schmelzpunkttemperatur hat, die sich von der Schmelzpunkttemperatur des zu schmelzenden Metalls unterscheidet. Diese isolierende Auskleidung enthält beispielsweise ein alkalisches Erdmetallfluorid. Hierdurch wird eine sich selbst erzeugende Isolierauskleidung erzeugt. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die Verwendung von Schlacke beim Schmelzen reaktiver Metalle die Gefahr der Verunreinigung des Metalls mit sich bringt. Außerdem hat sich herausgestellt, daß selbst bei einem Partialdruck von Argon oder Helium die Qualität des geschmolzenen Materials sehr zu wünschen übrig ließ.In another known induction melting furnace for melting metals, an elongated, electrically insulated and water-cooled crucible is provided which is open at the top and bottom and which has the same cross-section over its entire length (US Pat. No. 3,775,091). This crucible is divided into at least two segments by vertical slots, each segment being electrically insulated from the other segment, so that no electrical short circuits occur. The slots serve to reduce the shielding effect of the crucible against electric fields. In order to always generate and maintain insulation between the segments and on the inside of the crucible, a ceramic lining is provided which, in the solid state, has electrical insulating properties and which has a melting point temperature which differs from the melting point temperature of the metal to be melted. This insulating lining contains, for example, an alkaline earth metal fluoride. This creates a self-generating insulation liner. The disadvantage here, however, is that the use of slag when melting reactive metals entails the risk of contamination of the metal. It has also been found that even with a partial pressure of argon or helium, the quality of the molten material left much to be desired.
Die Verwendung von isolierenden Schlacken zwischen der Schmelze und den gekühlt en Segmenten ist aus elektrischen Gründen nicht notwendig, wie in der DE-PS 518 499 beschrieben ist. Isolierende Schichten zwischen der Schmelze und den gekühlten Segmenten stellen insoweit einen Vorteil dar, daß sie eine Wärmedämmschicht darstellen und damit den Wärmefluß aus der Schmelze zu den gekühlten Segmenten deutlich reduzieren, so daß mit geringeren elektrischen Induktions-Heizleistungen geschmolzen werden kann. Die Größe der Stromversorgung kann geringer sein und es machen sich die den Prozeß begrenzenden Stromkräfte noch nicht so bemerkbar.The use of insulating slags between the melt and the cooled segments is not necessary for electrical reasons, as described in DE-PS 518 499. Insulating layers between the melt and the cooled segments represent an advantage in that they represent a heat insulation layer and thus significantly reduce the heat flow from the melt to the cooled segments, so that melting can be carried out with lower electrical induction heating outputs. The size of the power supply can be smaller and the current forces limiting the process are not yet so noticeable.
Es ist ferner ein Verfahren zum induktiven Schmelzen reaktiver Metalle und Legierungen in nicht-reaktiver Umgebung bekannt, bei dem das Schmelzgut in einem in Segmente unterteilten Tiegel in Abwesenheit von isolierender Schlacke geschmolzen wird (EP-A-0276544). Mit diesem Verfahren sollen qualitativ hochwertige Produkte erzeugt werden, die nicht durch Schlacken oder dergleichen verunreinigt sind. Hierbei sind die Wandsegmente des Tiegels nicht elektrisch voneinander isoliert, sondern an ihrer Basis miteinander verbunden und damit elektrisch kurzgeschlossen, wie dies bereits in vorhergehenden Veröffentlichungen und in der DE-PS 518 499 beschrieben wurde. Außerdem ist der Tiegel in einem evakuierten Raum mit weniger als 500 µm Hg vorgesehen.A method for inductively melting reactive metals and alloys in a non-reactive environment is also known, in which the melting material is melted in a crucible divided into segments in the absence of insulating slag (EP-A-0276544). This process is intended to produce high-quality products that are not contaminated by slag or the like. Here, the wall segments of the crucible are not electrically insulated from one another, but on theirs Base connected to each other and thus electrically short-circuited, as has already been described in previous publications and in DE-PS 518 499. In addition, the crucible is provided in an evacuated room with less than 500 µm Hg.
Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß die induktiv eingebrachte elektrische Heizleistung über die ganze Höhe des Tiegels gleich ist, was zu keiner optimalen Einschmelzzeit führt.A disadvantage of this method is that the inductively introduced electrical heating power is the same over the entire height of the crucible, which does not lead to an optimal melting time.
Es ist indessen auch bekannt, bei Diffusionshochöfen, Vakuumöfen oder Töpferöfen den Aufheizungsbereich in verschiedene Zonen zu unterteilen, wobei für jede Zone eine andere Spule verwendet werden kann (US-PS 3 291 969, DE-A-2 152 489, US-PS 4 011 430, DE-PS 27 04 661, DE-A-3 703 108, DE-PS 10 55 715, DE-PS 974 747, DE-PS 12 25 787, GB-PS 627 507). Diese bekannten Öfen sind jedoch nicht zum Schmelzen von Materialien geeignet, deren Schmelztemperatur über der Schmelztemperatur des Tiegels liegt.It is also known, however, to divide the heating area into different zones in the case of diffusion blast furnaces, vacuum furnaces or pottery furnaces, wherein a different coil can be used for each zone (US Pat. No. 3,291,969, DE-A-2 152 489, US Pat. No. 4 011 430, DE-PS 27 04 661, DE-A-3 703 108, DE-PS 10 55 715, DE-PS 974 747, DE-PS 12 25 787, GB-PS 627 507). However, these known furnaces are not suitable for melting materials whose melting temperature is above the melting temperature of the crucible.
Ein prinzipieller Nachteil der oben beschriebenen Schmelzverfahren mit gekühltem Tiegel besteht in den hohen Energieverlusten, die das Schmelzgut durch Abgabe von Wärme an die Tiegelwand erleidet. Der thermische Prozeßwirkungsgrad kann nur dadurch in akzeptabler Größe gehalten werden, daß der Einschmelz-Prozeß möglichst schnell abläuft und damit die als Wärmeverluste abgeführte Energiemenge - als Produkt von Verlustleistung und Zeit - klein wird.A fundamental disadvantage of the above-described melting process with a cooled crucible is the high energy losses which the melting material suffers from the dissipation of heat to the crucible wall. The thermal process efficiency can only be kept acceptable by the fact that the melting process runs as quickly as possible and thus the amount of energy dissipated as heat losses - as a product of power loss and time - becomes small.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, mit der es möglich ist, durch Schmelzen hochreines Metall zu erzeugen und die Wärmeverluste zu reduzieren.The invention is therefore based on the object of creating a device according to the preamble of
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved in accordance with the features of
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die elektrische Energie effizient zum Schmelzgut gebracht werden kann, ohne daß dieses mit elektrisch isolierenden Teilen kontaminiert wird, denn die Schlitze zwischen den Segmenten des Tiegels sind nur im von der Schmelze abgewandten Bereich mit einem Isolator aufgefüllt. Der der Schmelze zugewandte Bereich ist auf der Tiefe etwa einer Schlitzbreite leer. Außerdem kann der Schmelzvorgang gleichmäßig und schnell durchgeführt werden, weil der Strahlungsdruck der induktiven Energieversorgung dem Gravitationsdruck der Schmelze entgegenwirkt. Durch die höhenabhängige Leistungsdichte wird bei einer gewählten Betriebsfrequenz die maximal mögliche Heizleistung erzielt. Gleichzeitig werden die Wärmeverluste aus der Schmelze zum Tiegel reduziert, da die mechanische Anlagefläche zwischen der Schmelze und dem Tiegel so gering wie möglich gehalten wird. Dies ergibt sich im zylindrischen Teil der Schmelze durch die partiell zurückgedrängte Schmelzenaußenfläche, bedingt durch den höhenabhängig optimierten elektromagnetischen Strahlungsdruck. Hierdurch wird der Querschnitt des Tiegels auf allen Schmelzbadhöhen voll ausgenutzt. Wird die Badkuppe durch zusätzliche Maßnahmen stabilisiert, so wird in diesem Bereich die wärmeabstrahlende Oberfläche so gering wie möglich gehalten. Die Vorteile der Erfindung treten indessen nicht nur beim Schmelzvorgang zutage, sondern auch beim sogenannten Temperaturhalten, also während der Zeit, in der das Schmelzgut bereits geschmolzen ist und für einen vorgegebenen Zeitraum im geschmolzenen Zustand gehalten werden soll. Während der Temperatur-Haltezeit wird die Frequenz des aufheizenden Induktionsstroms so weit abgesenkt, daß sich bei reduzierter Leistung ähnlich hohe Kräfte ergeben wie beim Schmelzen. Um lokale Überhitzungen vor allem bei großen Tiegeln zu vermeiden, können bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung unterschiedliche Frequenzen in verschiedenen Heizzonen bzw. Teilspulen verwendet werden. Die höhenabhängige Leistungsverteilung bietet während des Temperaturhaltens auch noch den Vorteil, daß durch die sich ausbildende relativ große Oberfläche die Schmelze schnell entgasen kann, so daß die Behandlungszeit und die Verluste kleiner werden. Hinzu kommt, daß sich im Schmelzbereich mit nach unten ansteigender Leistungsdichte ein großer zusammenhängender Wirbel ausbildet, der die Schmelze thermisch und metallurgisch gut durchmischt. Außer beim Schmelzen und beim Temperaturhalten weist die Erfindung auch noch beim Erstarren der Schmelze Vorteile auf. Das induktive Schmelzen von Materialien in einem gekühlten Tiegel hat bekanntlich gegenüber dem herkömmlichen Induktionsschmelzen den generellen Vorteil, daß die Schmelze nicht in eine Kokille ausgegossen werden muß. Vielmehr ist es möglich, die Schmelze im Tiegel erstarren zu lassen, wodurch die Investitionskosten reduziert werden. Durch einfaches Ausschalten des Induktionsstroms wird hierbei eine ähnliche Blockqualität wie beim Kokillenguß erzielt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, daß die unteren Heizzonen im Vergleich zu den oberen Heizzonen, von der Halteleistung ausgehend, stark heruntergeregelt werden, schreitet die Erstarrungszone von unten nach oben langsam fort, und es ergibt sich eine gerichtete Erstarrungsstruktur. Für andere Legierungstypen ist es vorteilhaft, ein feinkörniges Primärgefüge zu erzeugen. Die im Liquidus-Bereich aufrechterhaltene Rührwirkung des elektromagnetischen Feldes bewirkt hierbei, daß Feinkorn im Block erzeugt wird.The advantage achieved by the invention is in particular that the electrical energy can be efficiently brought to the melting material without it being contaminated with electrically insulating parts, because the slots between the segments of the crucible are only in the area facing away from the melt with an insulator replenished. The area facing the melt is empty at the depth of approximately one slot width. In addition, the melting process can be carried out evenly and quickly because the radiation pressure of the inductive energy supply counteracts the gravitational pressure of the melt. The height-dependent power density achieves the maximum possible heating power at a selected operating frequency. At the same time, the heat losses from the melt to the crucible are reduced, since the mechanical contact surface between the melt and the crucible is kept as small as possible. This results in the cylindrical part of the melt due to the partially pushed back outer melt surface, due to the height-dependent optimized electromagnetic radiation pressure. This means that the cross-section of the crucible is fully utilized at all melt pool heights. If the bath top is stabilized by additional measures, the heat-radiating surface is kept as low as possible in this area. The advantages of the invention become apparent not only in the melting process, but also in so-called temperature maintenance, that is to say during the time in which the material to be melted has already melted and is to be kept in the molten state for a predetermined period of time. During the temperature holding time, the frequency of the heating induction current is reduced so much that forces are similarly high with reduced power as during melting. In order to avoid local overheating, especially in the case of large crucibles, different frequencies can be used in different heating zones or partial coils in a special embodiment of the invention. The height-dependent power distribution also has the advantage during temperature maintenance that the melt can degas quickly due to the relatively large surface area that forms. so that treatment time and losses are reduced. In addition, a large coherent vortex is formed in the melting area as the power density increases, which mixes the melt well thermally and metallurgically. In addition to melting and maintaining the temperature, the invention also has advantages when the melt solidifies. As is known, the inductive melting of materials in a cooled crucible has the general advantage over conventional induction melting that the melt does not have to be poured into a mold. Rather, it is possible to solidify the melt in the crucible, which reduces the investment costs. By simply switching off the induction current, a block quality similar to that of permanent mold casting is achieved. Due to the measure according to the invention that the lower heating zones are greatly reduced compared to the upper heating zones, based on the holding power, the solidification zone progresses slowly from bottom to top, and a directional solidification structure results. For other types of alloy, it is advantageous to produce a fine-grained primary structure. The stirring effect of the electromagnetic field maintained in the liquidus area causes fine grain to be produced in the block.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1a eine Prinzipdarstellung eines herkömmlichen und an sich bekannten Induktionsschmelzofens;
- Fig. 1b die an sich bekannte Abhängigkeit der Eindringtiefe in einen metallischen Block;
- Fig. 2a einen wassergekühlten und in Segmente aufgeteilten Induktionsschmelzofen, dessen Schmelzgut induktiv aufgelöst wird;
- Fig. 2b eine Draufsicht auf den Schmelztiegel gemäß Fig. 2a;
- Fig. 3 eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Induktionsschmelzofens;
- Fig. 4 eine zweite Variante eines erfindungsgemäßen Induktionsschmelzofens;
- Fig. 5 eine dritte Variante eines erfindungsgemäßen Induktionsschmelzofens,
- Fig. 6 und 7 Leistungsdichteverteilungen über die z-Achse.
- 1a shows a schematic diagram of a conventional induction melting furnace known per se;
- 1b the known dependence of the depth of penetration into a metallic block;
- 2a shows a water-cooled induction melting furnace divided into segments, the melting material of which is dissolved inductively;
- FIG. 2b shows a top view of the crucible according to FIG. 2a;
- 3 shows a first variant of an induction melting furnace according to the invention;
- 4 shows a second variant of an induction melting furnace according to the invention;
- 5 shows a third variant of an induction melting furnace according to the invention,
- 6 and 7 power density distributions over the z-axis.
In der Fig. 1a ist das Prinzip eines Induktionsschmelzofens 1 dargestellt, der einen Induktor 2 und Schmelzgut 3 aufweist. Der Induktor 2 besteht aus einer Spule, die eine Induktivität und einen ohmschen Widerstand aufweist. Durch den Induktor 2 fließt ein Strom, der im Schmelzgut 3, das aus leitfähigem Material besteht, eine Spannung induziert, die ihrerseits einen Stromfluß im Schmelzgut 3 bewirkt, der eine Erwärmung des Schmelzguts zur Folge hat. Mit δ ist die Eindringtiefe des Stroms bezeichnet.The principle of an
Die Fig. 1b zeigt den Verlauf der Stromdichte g in Abhängigkeit von der Entfernung zum Mittelpunkt x = 0 für zwei verschiedene Frequenzen f₂ > f₁. Mit δ₁ ist die Eindringtiefe für die Frequenz f₁ bezeichnet; es handelt sich dabei um diejenige Stelle bei einer ebenen, sehr dicken Wand, an der die Stromdichte g von 1 auf l/e abgenommen hat, wobei e die Eulersche Zahl ist. Man erkennt hieraus, daß der Strom um so weniger tief eindringt, je höher seine Frequenz ist.Fig. 1b shows the course of the current density g depending on the distance to the center x = 0 for two different frequencies f₂> f₁. With δ₁ the depth of penetration for the frequency f₁ is called; it is the point on a flat, very thick wall at which the current density g has decreased from 1 to l / e, where e is Euler's number. It can be seen from this that the higher its frequency, the less deep the current penetrates.
Die Ströme, die im Schmelzgut 3 fließen, werden auch Wirbelströme genannt. Wirbelströme entstehen immer dann, wenn sich in einem magnetischen Wechselfeld elektrisch leitende Stoffe befinden. Sie fließen auf Bahnen, die mit den magnetischen Induktionslinien verkettet sind. Das Entstehen und die Eigenschaften von Wirbelströmen sind bekannt (vgl. K. Kupfmüller, Einführung in die theoretische Elektrotechnik, 11. Auflage, 1984, S. 304 ff.) und sollen deshalb nicht näher beschrieben werden.The currents flowing in the
Eine wichtige Rolle spielt bei Induktionsschmelzöfen auch die spezifische Wärmeleistung, d. h. die in der Volumeneinheit des Schmelzguts 3 in Wärme umgewandelte Leistung. Die Verteilung dieser Wärmeleistung ist ebenfalls bekannt (K. Simonyi, Theoretische Elektrotechnik, 1956, S.304), so daß auf ihre Herleitung verzichtet werden kann.The specific heat output also plays an important role in induction melting furnaces. H. the power converted into heat in the volume unit of the
In der fig. 2a ist ein erfindungsgemäßer Induktionsschmelzofen 1 dargestellt, der einen Tiegel 4 aufweist, welcher in verschiedene Segmente 5, 6, 7 unterteilt ist. Um den Tiegel 4 herum ist ein Induktor 2, d. h. eine Spule, angeordnet, die auf das Schmelzgut 3 einwirkt. In den einzelnen Segmenten 5, 6, 7 des Tiegels 4 verlaufen Kühlrohre 8, 9 mit einem Wasserzufluß 10 und einem Wasserabfluß 11. Der Tiegel 4 besteht vorzugsweise aus einem relativ gut wärmeleitenden Metall, da Glas oder Keramik die Schmelze zu sehr verunreinigen würden. Da gut wärmeleitende Metalle auch gute elektrische Leiter sind, dringt die von der Spule 2 erzeugte magnetische Energie hauptsächlich durch die Schlitze 12, 13 zwischen den Segmenten 5, 6, 7 des Tiegels 4 zum Schmelzgut 3 vor. Dieses Schmelzgut ist im oberen Bereich 14 flüssig und stützt sich über eine erstarrte Schicht 15 auf einer gekühlten Platte 16 ab. Die Platte 16 kann mit einer Stange 17 nach oben oder nach unten bewegt werden.In the fig. 2a shows an
Das flüssige Schmelzgut 3 kann bezüglich seiner mechanischen Eigenschaften als Flüssigkeit betrachtet werden. Sieht man von Strömungen des Schmelzguts 3 ab, d. h. nimmt man an, daß das Schmelzgut 3 ruht, so gilt, daß der Druck in einem Punkt des Schmelzguts nicht von der Orientierung des Flächenelements abhängt, auf das er wirkt: Der Druck in einer ruhenden Flüssigkeit ist in allen Richtungen gleich. Hieraus folgt, daß bei einer Flüssigkeitssäule in Punkten gleicher Höhe der gleiche Druck herrscht. Allerdings hängt der Druck von der Höhenkoordinate ab. Denkt man sich z₀ als festes Niveau und wählt man das Koordinatensystem so, daß z₀ = 0 wird, dann gilt für den Druck p(z)
p(z) = P₀ - ρgz
wobei ρ die Dichte der Schmelze und g die Erdbeschleunigung bedeuten. Diese aus der Hydrostatik bekannte Formel besagt, daß in einer schweren, dichtebeständigen Flüssigkeit der Druck linear mit wachsender Höhe fällt bzw. linear mit der Tiefe ansteigt.The
p (z) = P₀ - ρgz
where ρ is the density of the melt and g is the acceleration due to gravity. This formula, known from hydrostatics, says that in a heavy, density-resistant liquid, the pressure drops linearly with increasing height or increases linearly with depth.
Die elektromagnetische Energie, die von der Spule 2 dem Schmelzgut 3 zugeführt wird, dringt hauptsächlich durch die Schlitze 12, 13 ein und erzeugt im Volumen der Schmelze einen Strahlungsdruck. Übersteigt der lokale Strahlungsdruck den auf die Wände des Tiegels ausgeübten Flüssigkeitsdruck, so wird das Schmelzgut an der Stelle, wo sich die Schlitze befinden, so weit nach innen gedrängt, daß durch Feldstärkenschwächung und/oder durch Vergrößerung der Flüssigkeitshöhe aus dem verdrängten Material sich ein Gleichgewichtszustand ergibt. Es ist folglich kein optimaler Schmelzvorgang möglich. Der Strahlungsdruck darf deshalb an der Wandinnenseite des Tiegels 4 nicht größer als der hydrostatische Druck der Schmelze 3 sein. Da dieser hydrostatische Druck von der z-Koordinaten abhängt, wird gemäß der Erfindung auch der Strahlungsdruck so ausgelegt, daß er ebenfalls von der z-Koordinaten abhängt. Dies geschieht z. B. in der Weise, daß das Quadrat der Amplitude des in das Schmelzgut 3 eindringenden Magnetfeldes linear von oben nach unten zunimmt.The electromagnetic energy, which is supplied from the
Der zeitlich gemittelte Strahlungsdruck einer elektromagnetischen Welle, die senkrecht auf eine leitende Metallwand auftrifft, von der sie teilweise reflektiert wird, ist
Wenn die Wand eine endliche Leitfähigkeit hat, was auf das Schmelzgut 3 zutrifft, wird die einfallende Welle nicht vollständig, sondern nur zum Teil reflektiert, so daß die elektrische Feldstärke an der Wand nicht vollständig verschwindet; daher trägt in diesem Fall auch die elektrische Feldstärke zum Druck bei, aber entsprechend ist die magnetische Feldstärke kleiner als vorher. Wenn die Welle zum Teil noch durch die Wand hindurchdringt, so tritt auch auf der Rückseite ein Druck auf, der von dem auf die Vorderseite wirkenden abzuziehen ist.If the wall has a finite conductivity, which applies to the
Die Leistungsdichte oder Strahlungsleistung pro Flächeneinheit wird bekanntlich als Poyntingvektor bezeichnet (vgl. Simonyi, a.a.O., S. 28 ff ). Dieser Vektor ist definiert als das Vektorprodukt der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldstärke:
Für die ebene Anordnung ergeben sich relativ einfache mathematische Ausdrücke. Bei dem erfindungsgemäß verwendeten Tiegel handelt es sich zwar um einen rotationssymmetrischen Körper, doch sind die Unterschiede gegenüber einer ebenen Anordnung in der Praxis nicht sehr groß, weshalb es genügt, die wesentlichen Gleichungen für ebene Verhältnisse aufzustellen und auf die schwerer überschaubaren Zylinderfunktionen zu verzichten. Unter Zugrundelegung einer ebenen Anordnung ergeben sich folgende Randbedingungen:
E x = 0, wobei Ex die Komponente der elektrischen Feldstärke in x-Richtung
E z = 0, wobei Ez die Komponente der elektrischen Feldstärke in z-Richtung
H x = 0, wobei H x die Komponente der magnetischen Feldstärke in x-Richtung
H y = 0, wobei H y die Komponente der magnetischen Feldstärke in y-Richtung
E x = 0, where E x is the component of the electric field strength in the x direction
E z = 0, where E z is the component of the electric field strength in the z direction
H x = 0, where H x is the component of the magnetic field strength in the x direction
H y = 0, where H y is the component of the magnetic field strength in the y direction
Nach den Regeln der komplexen Rechnung ergibt sich hieraus für den Betrag des Poyntingschen Vektors in x-Richtung
S x =
Hierin bedeutet H* die zu H konjugierte Zahl. Der Zahlenfaktor 1/2 rührt von der zeitlichen Mittelwertbildung bei sich sinusförmig ändernden Vorgängen her (Simonyi, a.a.O., S. 283, Gleichung 35).According to the rules of the complex calculation, this results in the amount of the Poynting vector in the x direction
S x =
Here, H * means the number conjugated to H. The
Die über die Oberfläche anströmende Leistungsdichte ergibt sich nach einer Umrechnung zu:
Die in das Schmelzgut eindringende elektromagnetische Leistung erzeugt mechanische Kräfte in der Schmelze. Die Volumenkraftdichte wird für den Fall einer über das Volumen konstanten elektrischen Leitfähigkeit und Permeabilität beschrieben durch:
Die Volumenkraftdichte ist direkt proportional zum Betrag des Poynting' schen Vektors. Die sich im Volumen der Schmelze ausbildende Größe "Druck" berechnet sich aus dem Integral über das Skalarprodukt der Volumenkraftdichte und dem Weg:
Setzt man in diese Gleichung das Ergebnis für die Leistungsdichte an der Oberfläche ein, so ergibt sich
Der elektromagnetische Strahlungsdruck tritt also nicht sprungartig an der Oberfläche des Materials auf, sondern baut sich über den Weg normal zur Oberfläche auf. Da die Eindringtiefen bei den üblichen Heizfrequenzen klein sind, kann man für die Ausbildung der Schmelzbadoberfläche in erster Näherung annehmen, daß der elektromagnetische Druck auf die Oberfläche wirkt. Der elektromagnetische Strahlungsdruck ist somit proportional der der Schmelze zugestrahlten Leistungsdichte.The electromagnetic radiation pressure does not appear abruptly on the surface of the material, but builds up normally via the path to the surface. Since the depths of penetration are small at the usual heating frequencies, one can assume in a first approximation for the formation of the molten bath surface that the electromagnetic pressure acts on the surface. The electromagnetic radiation pressure is therefore proportional to the power density radiated to the melt.
In der Fig. 2b ist eine Draufsicht auf den Schmelzofen 1 dargestellt, bei dem man die Segmente 5 bis 7 und 18 bis 22 sowie die Schlitze 12, 13 und 23 bis 28 zwischen den Segmenten 5 bis 7, 18 bis 22 erkennt.2b shows a plan view of the
Gemäß der Erfindung beginnt der Schmelzvorgang in der Mitte der einzelnen Segmente 5 bis 7 und 18 bis 22 und nicht hinter den Schlitzen 12, 13 und 23 bis 28. Befindet sich das Schmelzgut 3 im flüssigen Zustand, so wird es nach innen gedrängt, und es bildet sich in der Schmelze eine radiale Zerfurchung aus, die an der Badoberfläche am ausgeprägtesten ist. Die aus der Schmelze hervorstehenden Stege stehen sternförmig nach außen und befinden sich gegenüber den Mitten der Segmente 5 bis 7 bzw. 18 bis 22. Ein Feldeinfall über den Tiegeloberrand von oben auf die Schmelzbadkuppe muß vermieden werden, da es sonst zu einer zeltartigen Verformung der Badkuppe kommt und die Faltenbildung unterstützt wird. Der Feldeinfall über den Tiegelrand kann z. B. dadurch verhindert werden, daß die Induktionsspule 2 nicht über den Tiegelrand hinausreicht.According to the invention, the melting process begins in the middle of the
Die Fig. 3 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der ein anders angeordnetes Kühlsystem vorgesehen ist und die eine Spule mit nach unten abnehmender Steigung aufweist. Der Tiegel 4, der wieder mehrere Segmente 5, 6, 7 und z. B. ein Volumen von 5,5 dm³ aufweist, besitzt eine Kühlmittel-Einlaßöffnung 10 und eine Auslaßöffnung 11 für Kühlwasser. Als Kühlmittel kann auch flüssiges Metall, z. B. Na oder NaK oder eine organische Flüssigkeit, z. B. ein schwerentflammbares Öl verwendet werden. Desgleichen ist es möglich, als Kühlmittel flüssiges Salz zu verwenden, beispielsweise NaNO₂, NaNO₃ oder KNO₃. Die oberen Windungen 29, 30 der Spule 2 liegen weiter auseinander als die unteren Windungen 31, 32. Hierdurch tritt im unteren Bereich der Spule 2 ein großer Strombelag auf, der einen großen Druck auf das Schmelzgut 3 ausübt. Am oberen Rand des Tiegels 4 befindet sich ein Kurzschlußbügel 33, der eine gewisse Linearisierung des Magnetfelds bewirkt. Eine solche Linearisierung ist erforderlich, weil die Spule an ihrem oberen Rand abrupt aufhört und somit zunächst zu einem Knick in der magnetischen Feldstärke führt, aber andererseits das Fernfeld nur langsam abklingt. Dadurch, daß der Feldeinfall über den Tiegelrand mittels des Kurzschlußbügels oder -rings 33 stark reduziert wird, ergibt sich eine Feldschwächung im Bereich der Schmelzoberfläche und somit eine Begrenzung der Badüberhöhung. Dieser Kurzschlußring 33 liegt auf den Segmenten 5, 6 auf und ist mit diesen verbunden.FIG. 3 shows a variant of the invention in which a differently arranged cooling system is provided and which has a coil with a downward gradient. The
Die Spule 2 liegt an einer Stromversorgung 34, bei der es sich um eine Wechselstromquelle mit der Frequenz 1000 bis 5000 Hz handelt. Der durch die Wicklungen 29 bis 32 fließende Strom ist somit an allen Stellen gleich.The
Bei der erfindungsgemäßen Schmelz-Induktionsanlage strömt das geschmolzene Schmelzgut 3 im Tiegel 4. Im unteren bis mittleren Spulenbereich strömt es nach innen, wo es nach oben und unten abgelenkt wird und wieder an die Schmelzenaußenseite nach unten strömt; dort sind auch die nach innen orientierten Kräfte am größten. Das im Bereich des Zentrums der Schmelze nach oben strömende Material ist an der Schmelzbadoberfläche sichtbar und kann Instabilitäten der Badkuppe verursachen. In den aufgrund des Strahlungsdrucks gebildeten Schmelzen-Stegen ergibt sich eine passive Strömung, die durch Reibungskräfte der Kuppenhauptströmung erzeugt wird.In the melting induction system according to the invention, the
Bei praktischen Ausführungsformen der Erfindung liefert die Stromversorgung eine Spannung mit Frequenzen von 2500 Hz oder 5000 Hz. Die Eindringmaße errechnen sich dann über die bekannte Formel
Eine weitere Variante der Erfindung, bei welcher die Stromstärken durch die Spulenwicklungen nicht überall gleich sind, zeigt die Fig. 4. Dort ist eine erste Teilspule 36 mit den Windungen 29, 30 im oberen Bereich vorgesehen, die an einer ersten Stromversorgung 35 liegen. Die Windungszahl dieser Teilspule ist relativ groß. Im unteren Bereich des Tiegels 4 ist eine zweite Teilspule 37 mit den Windungen 38 bis 41 vorgesehen. Diese zweite und kürzere Teilspule 37 kann an eine eigene Stromversorgung 42 gelegt werden und hat im Vergleich zur ersten Teilspule 36 eine kleinere Windungszahl.A further variant of the invention, in which the current strengths through the coil windings are not the same everywhere, is shown in FIG. 4. There is a first
Es ist jedoch auch möglich, was durch die gestrichelt gezeichneten Leitungen 43, 44 angedeutet ist, die Teilspule 36 und die Teilspule 37 parallel an eine gemeinsame Stromversorgung 35 oder 42 anzuschließen. Bei parallelgeschalteten Teilspulen 36, 37 ergibt sich im unteren Bereich des Tiegels 4 wegen der höheren Spulenströme und des höheren Strombelags der unteren Teilspule 37 ein höherer Strahlungsdruck als im oberen Bereich. Werden getrennte Stromversorgungen 35, 42 für die Teilspulen 36, 37 verwendet, so können die in die Teilspulen 36, 37 einfließenden Ströme so gewählt werden, daß sie den jeweils erforderlichen Strahlungsdruck aufbringen.However, it is also possible, which is indicated by the dashed
Mit der Bezugszahl 60 ist in der Fig. 4 die Schmelzbadkuppe bezeichnet. Diese Kuppe 60 soll möglichst wenig überhöht sein und durch den Strahlungsdruck nicht eingefurcht werden. Gegen eine Überhöhung kann, wie bereits erwähnt, die Maßnahme der Reduzierung der Feldstärke gewählt werden. Die Einfurchungen 61 bis 64 der Kuppe 60 sind im wesentlichen durch das Eindringen der elektromagnetischen Strahlung durch die Schlitze 12, 13 zwischen den Segmenten 5, 6, 7 bedingt. Wesentlich für die Eigenschaften der Badkuppe 60 ist somit das Verhältnis der Segmentbreite a zur Schlitzbreite b. Um dieses Verhältnis optimal festzulegen, sind verschiedene Aspekte zu beachten. Einerseits soll die Zahl der Segmente 5, 6, 7 möglichst groß sein, damit das elektromagnetische Feld durch viele Schlitze 12, 13 in die Schmelze 3 eindringen kann. Andererseits ist es jedoch erwünscht, daß ihre Anzahl nicht zu groß ist, damit die Längen des Stromwegs, in dem Wirbelströme induziert werden können, nicht zu groß werden.The melt pool tip is designated by the
Der Umfang des Tiegels 4 dividiert durch die Anzahl der Segmente 5, 6, 7 sollte eine solche Segmentbreite a ergeben, daß die Segmentbreite a mit der Eindringtiefe δ des Feldes in die Schmelze 3 vergleichbar oder sogar kleiner wird. Die Segmentbreite a bestimmt die Periodizität des Feldes in Umfangsrichtung. Bei kleiner Segmentbreite a haben deshalb die Ausbuchtungen oder Lamellen 65, 66, 67 an der Kuppe 60 an ihrer Spitze und ihrem Boden eine derart große Krümmung, daß sich die Oberflächenkräfte zum Abbau der Ausbuchtungen 65, 66, 67 verstärken. Um die Ausbildung von Ausbuchtungen oder Lamellen 65, 66, 67 an der Badkuppe 60 zu verhindern, kann, wie bereits erwähnt, die Feldstärke im Kuppenbereich verringert oder die Frequenz des Feldes erhöht werden. Es können jedoch auch schmale Segmente 5, 6, 7 verwendet werden.The circumference of the
Dadurch, daß das Magnetfeld radial nach innen eindringen muß, entstehen Verluste in den metallischen Segmenten 5, 6, 7. Diese Verluste sind durch Induktionsströme bedingt, die unerwünschte Wärmeverluste verursachen. Man kann diese Verluste begrenzen, indem man die Spalten 12, 13 zwischen den Segmenten 5, 6, 7 möglichst breit macht. Da die Spaltbreite b auf der zur Schmelze 3 gerichteten Seite möglichst schwach sein sollte, damit keine Schmelze nach außen dringen kann, bietet der sich nach außen radial aufweitende Spalt einen Kompromiß. Durch einen größeren Abstand zwischen den Segmenten 5, 6, 7 werden die Verluste durch die gegenseitige Stromverdrängung verringert. Für den Querschnitt der Segmente 5, 6, 7 gelten im Grunde die gleichen Konstruktionsprinzipien wie für die Induktorwindungen: Es sollen möglichst keine scharfen Kanten vorhanden sein, da an diesen große Wärmeverluste auftreten. Der Radius an den Kanten sollte größer 1,5 δ bis 2 δ sein. Die Breite b der Schlitze 12, 13 zwischen den Segmenten 5, 6, 7 kann sich in vertikaler bzw. axialer Richtung verändern. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn sich die Schlitze zwischen den Segmenten unterhalb der Schmelze 3, also am Boden 68, erweitern.Because the magnetic field has to penetrate radially inwards, losses occur in the
Die zwischen zwei Segmenten 5, 6, 7 herrschenden elektrischen Spannungen hängen nicht von der Breite b eines Schlitzes 12, 13 ab, sondern sie ergeben sich aus der Umlaufspannung, dividiert durch die Zahl der Segmente 5/6/7. Die Segmente 5, 6, 7 werden durch das Feld der Induktionsspule 36, 37 zur Schmelze hin verbogen. Eine nach innen gerichtete Verformung der Segmente 5, 6, 7 ergibt sich auch durch die schmelzseitige Erwärmung, den sogenannten Ofenkasteneffekt. Die Segmente 5, 6, 7 können gegen diese Kräfte z. B. durch Isolierstoffelemente zwischen den Segmenten 5, 6, 7 abgestützt werden. Diese verhindern auch das Auslaufen der Schmelze bei Stromausfall. Die Isolierstoffe sollten ein bis zwei Spaltenbreiten nach innen versetzt sein. Der Boden 68 des Tiegels 4 ist zweckmäßigerweise als radial geschlitzter, wassergekühlter Block ausgeführt. Er ist im oberen Bereich gegen die Segmente 5, 6, 7 isoliert. Außerdem ist er in der Höhe verstellbar, so daß er optimal an die Schmelzhöhe angepaßt werden kann.The electrical voltages prevailing between two
Bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 4, die mehrere Teilspulen 36, 37 übereinander aufweist, ist es möglich, die Leistung, beginnend mit der unteren Teilspule 37, zu reduzieren, bis die Schmelze 3 von unten erstarrt, bis schließlich nur die oberste Spule 36 mit reduzierter Leistung betrieben wird, so daß die Schmelze 3 in unmittelbarer Nähe der Schmelzbadoberfläche noch eine Weile flüssig gehalten wird. Durch dieses Flüssighalten, auch "Hottopping" genannt, wird die Lunkerbildung auch im Blockkopf vermieden. Die untere Teilspule 37 kann auch mit einer niedrigeren Frequenz betrieben werden als die obere Teilspule 36.4, which has a plurality of
Die Fig. 5 zeigt eine weitere Variante der Erfindung, bei welcher nur eine Spule 2 vorgesehen ist, die über die Wechselstromquelle 34 mit elektrischer Energie versorgt wird. Parallel zu dieser Spule 2 ist ein Kondensator 45 geschaltet, so daß die Spule 2 mit diesem Kondensator 45 einen Schwingkreis bildet. In Reihe zu diesem Parallelschwingkreis 2, 45 ist eine Induktivität 46 geschaltet, die eine Frequenzveränderung bewirkt und die über einen Schalter 50 kurzgeschlossen werden kann. Weiterhin parallel zu der Stromversorgung 34 und dem Parallelschwingkreis 2, 45 ist eine Gleichstromquelle 47 geschaltet, die dem Wechselstrom in der Spule einen Gleichstrom überlagert. Mit der Gleichstromquelle 47 wird erreicht, daß die Schmelzströmung beruhigt und die Badkuppenformung stabilisiert wird. Das magnetische Gleichfeld hat in diesem Fall dieselbe Richtung wie das Wechselfeld. Es ist jedoch auch möglich, das Gleichfeld senkrecht zum Wechselfeld zu legen und insbesondere im oberen Bereich der Schmelze vorzusehen. Es versteht sich, daß das Gleichfeld auch durch eine gesonderte Wicklung oder durch Permanentmagnete erzeugt werden kann.5 shows a further variant of the invention, in which only one
Über dem Schmelzgut befindet sich eine zusätzliche Aufheiz-Quelle 48, die in der Fig. 5 nur symbolisch dargestellt ist. Es kann sich hierbei um eine Elektronen-Kanone, eine Plasmaquelle, einen fremdgespeisten Widerstandsheizer oder dergleichen handeln.There is an
In dem Raum zwischen der Schmelzbadoberfläche 60 und der Heizquelle 48 kann ein reaktives Gas eingebracht werden, wenn z. B. ein Plasmabrenner oder eine Glimmentladungsanode verwendet wird. Damit können Nitride, Oxide o. ä. oder unerwünschte Verbindungen von diesen, die als Einschlüsse in der Schmelze schwimmen, chemisch zerstört werden.A reactive gas can be introduced into the space between the
Während des Aufschmelzens einer festen Charge wird der Boden 68 so verschoben, daß die Schmelzbadkuppe 60 in etwa an der gleichen Stelle relativ zum Tiegel 4 bzw. zur Spule 2 gehalten wird.During the melting of a solid batch, the bottom 68 is shifted in such a way that the
Die Aufteilung der eingestellten elektromagnetischen Leistung kann für die verschiedenen Vorgänge "Einschmelzen", "Temperaturhalten" und "Blockerstarren" jeweils eine andere sein.The division of the set electromagnetic power can be different for the different processes "melting down", "maintaining temperature" and "block solidification".
In der Fig. 6 ist schematisch dargestellt, wie diese Leistungsdichteverteilung bei einer Anordnung mit mehreren Teilspulen aussehen kann.FIG. 6 shows schematically how this power density distribution can look in the case of an arrangement with several partial coils.
Der Tiegel 4 sollte zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrads sehr schlank ausgebildet sein. Um jedoch bei sehr hohen Tiegeln die Wärmebelastung der Spulen und Segmente zu begrenzen, sollte eine Leistungsverteilung angestrebt werden, wie sie in der Fig. 7 dargestellt ist.The
Der Tiegel 4 hat, wie bereits erwähnt, beispielsweise ein Volumen von 5,5 dm³. Er kann jedoch auch ein Volumen von 100 bis 1000 dm³ haben.The
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