WO1995012298A1 - Induktionsschmelzofen - Google Patents

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WO1995012298A1
WO1995012298A1 PCT/DE1994/001245 DE9401245W WO9512298A1 WO 1995012298 A1 WO1995012298 A1 WO 1995012298A1 DE 9401245 W DE9401245 W DE 9401245W WO 9512298 A1 WO9512298 A1 WO 9512298A1
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Inventor
Dieter Schluckebier
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Otto Junker Gmbh
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core
    • H05B6/24—Crucible furnaces
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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/067—Control, e.g. of temperature, of power for melting furnaces

Definitions

  • the present invention relates to an induction melting furnace with a vertical axis and a coil surrounding it, which is divided in the axial direction into a plurality of coil sections with coil ends each leading out, so that the material in the crucible of the induction melting furnace has power from bottom to top or can be supplied from top to bottom with decreasing power density.
  • a power density distribution directed in this way can result in a single flow vortex extending from the crucible bottom to the surface of the melt pool.
  • the use of a coil with a course of the winding density that is predetermined over its length has the disadvantage that the axial power density distribution is fixed, ie it cannot be adapted to the different conditions in the crucible.
  • the solution has the disadvantage that in addition to the necessary power supply source, a transformer must be present, which causes additional costs and also a
  • the invention is based on the object of designing the supply of the electrical power to the coil surrounding an induction furnace with a vertical axis in such a way that, with simple means, a power density decreasing in the axial direction from top to bottom or from bottom to top to form a single one Flow eddies can be generated, the power density distribution should be variable.
  • At least one switchable capacitor is connected in parallel with at least one coil section.
  • the electrical power is supplied to the coil in a single phase via a power supply.
  • the power supply for example in the form of a resonant circuit converter, allows a variation in the total power, the power density distribution determined by the capacitor circuit remaining essentially constant. It is also possible to reverse the direction of the axial power density variation. This means that a power density that decreases from bottom to top can be converted into a power density that decreases from top to bottom. This can have positive effects for the mixing of the melt pool when additional material is stirred in. Finally, in order to save energy, it is possible to lower the power density in the area of the top crucible zone, for example with a lower melt pool height.
  • the induction melting furnace according to the invention can advantageously be designed such that the upper end of the uppermost coil section projects above the melting bath level.
  • the induction melting furnace according to the invention can also be designed such that the lower end of the lowest coil section is arranged at a distance above the crucible bottom.
  • the capacitor available for compensating the reactive current can be used, which is in any case composed of several individual capacitors.
  • only the hot coil taps and a corresponding number of switches have to be implemented.
  • the proposal according to the invention is therefore considerably less expensive than the previously known solutions.
  • the power loss due to the avoidance of additional reactive power elements is much lower than in the known arrangements.
  • the two last-described embodiments improve the stirring process when introducing new melt material.
  • FIG. 1 shows an induction melting furnace, the crucible 1 of which is attached to a resonant circuit converter 2. closed coil 3 is surrounded.
  • a resonant circuit converter 2 is provided as the power supply source, for example.
  • the resonant circuit converter 2 is in turn connected to the three phases of the public three-phase network 4 and provides the coil 3 with a single-phase AC source 5.
  • this coil 3 is divided into three coil sections 7, 8, 9, a switchable capacitor 6 parallel to the central coil section 8 and two switchable capacitors 6 parallel to the upper coil section 9 are connected.
  • the middle coil section 8 the voltage increases when the capacitor 6 connected in parallel with it is switched on, and a higher power is transferred from this coil section 8 into the melting material in the crucible 1, not shown.
  • the power can be changed in two stages by switching the two capacitors 6 connected in parallel for this purpose.
  • the non-switchable capacitors 10 serve to compensate for the reactive current in the coil connected in parallel.
  • the melting material in the crucible 1 can be supplied with power with a power density profile which corresponds to that of a coil which is not divided into sections (all switchable capacitors 6 are open) or that has a power density increasing from bottom to top (the switchable capacitor 6 of the central coil section 8 and at least one of the switchable capacitors 6 of the upper coil section 9 are closed).
  • a power density profile which corresponds to that of a coil which is not divided into sections (all switchable capacitors 6 are open) or that has a power density increasing from bottom to top (the switchable capacitor 6 of the central coil section 8 and at least one of the switchable capacitors 6 of the upper coil section 9 are closed).

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Zuführung der elektrischen Leistung zu der Spule eines vertikalen Induktionsschmelzofens, die dem Schmelzgut eine Leistung mit von oben nach unten oder von unten nach oben abnehmender Leistungsdichte zuführt. Ein solches axiales Leistungsdichteprofil kann die Ausbildung eines einzigen Strömungswirbels in der Metallschmelze bewirken, was ein schädliches Anwachsen von Metall- und Schlackenresten an der Tiegelwand verhindert. Die Spule ist in mehrere Spulenabschnitte (7, 8, 9) unterteilt. Mindestens einem Spulenabschnitt ist ein zuschaltbarer Kondensator (6) in Parallelschaltung zugeordnet, wodurch die Leistungszufuhr zu den jeweiligen Spulenabschnitten regelbar ist. Die Spule wird an eine einphasige Stromversorgungsquelle angeschlossen.

Description

INDUKTIONSSCHMELZOFEN
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionsschmelz¬ ofen mit vertikaler Achse und einer ihn umgebenden Spule, die in axialer Richtung in mehrere Spulenabschnitte mit je¬ weils herausgeführten Spulenenden unterteilt ist, so daß dem im Tiegel des Induktionsschmelzofens befindlichen Mate¬ rial Leistung mit von unten nach oben oder von oben nach unten abnehmender Leistungsdichte zugeführt werden kann.
Es ist bekannt, daß in einer Metallschmelze in Induktions- Schmelzöfen bei der Verwendung einer einzigen, ungeteilten, über ihre axiale Länge gleichgestalteten Spule zwei übe»— einander gelagerte Strömungswirbel entstehen. Die Grenze zwischen den beiden Strömungswirbeln liegt etwa in mitt¬ lerer Tiegelhöhe. In der Nähe der Tiegelwand sind die Strö- mungsrichtungen des oberen und unteren Strömungswirbels entgegengesetzt. In der Grenzschicht zwischen beiden Wir¬ beln entsteht daher in der Nähe der Tiegelwand ein Bereich geringerer Strömungsgeschwindi keit, in dem sich an der Tiegelwand Metall- und Schlackenreste festsetzen. Je nach Einsatzgut wachsen diese Ablagerungen schnell an, und es besteht die Gefahr, daß der Strömungsaustausch zwischen dem oberen und unteren Tiegelinhalt eingeschränkt oder z.B. durch Brückenbildung sogar völlig unterbrochen wird. In ei¬ nem solchen Fall wird der Einschmelzprozeß erheblich ge- stört, und es kann zu örtlichen überhitzungen in der Metallschmelze kommen, die die Gefahr von Tiegeldurchbrü¬ chen erheblich vergrößern.
Es ist bekannt, daß das Anwachsen der Metall- und Schlak- kenreste an der Tiegelwand vermieden wird, wenn sich in der Metallschmelze nur ein Strömungswirbel ausbildet, der vom Tiegelboden bis zur Schmelzbadoberfläche reicht. Aus der DE 28 33 008 A1 sind Induktionsöfen bekannt, deren Tiegel von einer Mehrphasenwicklung aus mehreren Spulen um¬ geben sind. Durch eine feste Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Spulen wird in diesen Induktionsschmelzöfen ein Wanderfeld erzeugt, das die Ausbildung nur eines Strö¬ mungswirbels bewirkt. Die Verwendung einer solchen Mehr¬ phasenwicklung hat jedoch den Nachteil, daß keine hohen Schmelzleistungen und nur schlechte Wirkungsgrade erzielt werden.
Aus der Patentschrift DE 563 710 ist es bekannt, unter Be¬ nutzung einer einphasigen Spule, deren Windungsdichte von oben nach unten oder von unten nach oben abnimmt, die Bewe¬ gung des Schmelzbades zu beeinflussen. Dieser Spulenaufbau hat zur Folge, daß auch die der Metallschmelze zugeführte Leistungsdichte in axialer Richtung von oben nach unten oder von unten nach oben abnimmt.
Eine so gerichtete Leistungsdichteverteilung kann, ähnlich den oben beschriebenen Wanderfeldern, einen einzigen, vom Tiegelboden bis zur Schmelzbadoberfläche reichenden Strö¬ mungswirbel zur Folge haben. Der Einsatz einer Spule mit über ihre Länge fest vorgegebenem Verlauf der Windungs¬ dichte hat den Nachteil, daß die axiale Leistungsdichtevei— teilung festgelegt ist, also den unterschiedlichen Gegeben¬ heiten im Tiegel nicht angepaßt werden kann.
Aus der DE-PS 756 749 ist auch bereits bekannt, die Spule zu unterteilen und die einzelnen Spulenabschnite mit va- riabler Leistung zu beaufschlagen. Damit kann die Bewegung in der Metallschmelze beeinflußt werden. Die Leistungsvei— teilung wird über einen Scott-Transormator vorgenommen.
Die Lösung hat den Nachteil, daß zusätzlich zu der nötigen Stromversorgungsquelle ein Transformator vorhanden sein muß, der einmal weitere Kosten verursacht und außerdem ein
Blindleistungselement darstellt, welches ständige Lei- stungsverluste und eine Begenzung der Gesamtleistung mit sich bringt.
Aus der DE-AS 1 037 613 ist außerdem bekannt, den oberen Abschnitt des Induktionsofens mit erhöhter Leistungsdichte zu betreiben, um eine verstärkte Rührbewegung zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zuführung der elektrischen Leistung zu der einen Induktionsofen mit ver- tikaler Achse umgebenden Spule so zu gestalten, daß mit einfachen Mitteln eine in axialer Richtung von oben nach unten oder von unten nach oben abnehmende Leistungsdichte zur Ausbildung eines einzigen Strömungswirbels erzeugt wer¬ den kann, wobei die Leistungsdichteverteilung variierbar sein sol1.
Ausgehend von einer Spule mit in axialer Richtung mehreren, unterteilten Spulenabschnitten ist erfindungsgemäß parallel zu mindestens einem Spulenabschnitt mindestens ein schalt- barer Kondensator angeschlossen. Die elektrische Leistung ist der Spule über eine Stromversorgung einphasig zuge¬ führt.
Durch den parallelen Anschluß eines Kondensators an einen Abschnitt der Spule wird in diesem Spulenabschnitt die Spannung und damit auch die Leistung erhöht. Werden paral¬ lel zu einem Spulenabschnitt mehrere Kondensatoren geschal¬ tet, hat man dementsprechend die Möglichkeit, in diesem Spulenabschnitt die Leistung stufenweise zu variieren. Hierdurch wird es ermöglicht, je nach Schmelzmaterial, Schmelzbadhöhe und sonstigen Gegebenheiten eine geeignete Leistungsdichteverteilung einzustellen, die auch während des Schmelzprozesses veränderbar ist.
Die z.B. als Schwingkreisumrichter ausgeführte Stromversor¬ gung erlaubt eine Variation der Gesamtleistung, wobei die durch die Kondensatorschaltung bestimmte Leistungsdichte¬ verteilung im wesentlichen konstant bleibt. Außerdem hat man die Möglichkeit, die Richtung der axialen Leistungsdichtevariation umzukehren. D.h. eine von unten nach oben abnehmende Leistungsdichte ist in eine von oben nach unten abnehmende überführbar. Dies kann positive Ef¬ fekte für die Durchmischung des Schmelzbades beim Einrühren zusätzlichen Materials haben. Schließlich ist es zur Ener- gieeinsparnis möglich, z.B. bei geringerer Schmelzbadhöhe die Leistungsdichte im Bereich der obersten Tiegelzone her- abzusetzen.
Der erfindungsgemäße Induktionsschmelzofen kann vorteilhaft so ausgelegt sein, daß das obere Ende des obersten Spulen¬ abschnitts den Schmelzbadspiegel überragt.
Schließlich kann der erfindungsgemäße Induktionsschmelzofen auch so ausgelegt sein, daß das untere Ende des untersten Spulenabschnitts mit Abstand über dem Tiegelboden angeord¬ net ist.
Zur Realisierung der Erfindung kann der zur Kompensation des Blindstromes vorhandene Kondensator genutzt werden, der ohnehin aus mehreren Einzelkondensatoren zusammengesetzt ist. Zusätzlich realisiert werden müssen also nur die hei— ausgeführten Spulenanzapfungen sowie eine entsprechende An¬ zahl von Schaltern. Gegenüber den bisher bekannten Lösungen ist der erfindungsgemäße Vorschlag deshalb wesentlich ko¬ stengünstiger. Außerdem ist die Verlustleistung durch das Vermeiden zusätzlicher Blindleistungselemente weitaus ge- ringer als bei den bekannten Anordnungen.
Die beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsformen verbes¬ sern den Einrührprozeß beim Einbringen neuen Schmelzgutes.
Anhand einer Zeichnung wird nun eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionsschmelzofens näher beschrieben. Die Figur zeigt einen Induktionsschmelzofen, dessen Tiegel 1 von einer an einen Schwingkreisumrichter 2 ange- schlossenen Spule 3 umgeben ist. Als Stromversorgungsquelle ist beispielsweise ein Schwingkreisumrichter 2 vorgesehen. Der Schwingkreisumrichter 2 ist seinerseits an die drei Phasen des öffentlichen Drehstromnetzes 4 angeschlossen und stellt der Spule 3 eine einphasige Wechselstromquelle 5 zur Verfügung.
Durch paralleles Anschließen von schaltbaren Kondensatoren 6 an Teilbereiche der Spule 3 wird diese Spule 3 in drei Spulenabschnitte 7,8,9 unterteilt, wobei parallel zum mitt¬ leren Spulenabschnitt 8 ein schaltbarer Kondensator 6 und parallel zum oberen Spulenabschnitt 9 zwei schaltbare Kon¬ densatoren 6 angeschlossen sind. Im mittleren Spulenab¬ schnitt 8 erhöht sich beim Einschalten des dazu parallel angeschlossenen Kondensators 6 die Spannung, und es wird von diesem Spulenabschnitt 8 eine höhere Leistung in das nicht dargestellte Schmelzgut im Tiegel 1 übertragen.
Im oberen Spulenabschnitt 9 kann durch Schalten der beiden hierzu parallel angeschlossenen Kondensatoren 6 die Lei¬ stung in zwei Stufen verändert werden.
Die nichtschaltbaren Kondensatoren 10 dienen zur Kompensa¬ tion des Blindstromes in der dazu parallel angeschlossenen Spule.
Mit dem in der Zeichnung beschriebenen Aufbau kann je nach Schaltungszustand der schaltbaren Kondensatoren 6 dem Schmelzgut im Tiegel 1 Leistung mit einem Leistungsdichte- profil zugeführt werden, das dem einer nicht in Abschnitte unterteilten Spule entspricht (alle schaltbaren Kondensato¬ ren 6 sind offen) oder das eine von unten nach oben zuneh¬ mende Leistungsdichte aufweist (der schaltbare Kondensator 6 des mittleren Spulenabschnittes 8 und mindestens einer der schaltbaren Kondensatoren 6 des oberen Spulenabschnit¬ tes 9 sind geschlossen). Bezugszeichen
1 Tiegel 2 Schwingkreisumrichter
3 durchgehende Spule
4 Drehstromquelle
5 einphasige Wechselstromquelle
6 schaltbarer Kondensator 7 unterer Spulenabschnitt der durchgehenden Spule 3,
8 mittlerer Spulenabschnitt der durchgehenden Spule 3,
9 oberer Spulenabschnitt der durchgehenden Spule 3
10 nichtschaltbarer Kodensator
11 untere Einzelspule in Fig. 2 12 mittlere Einzelspule in Fig. 2
13 obere Einzelspule in Fig. 2
14 regelbarer Spartransformator
15 untere Einzelspule in Fig. 3
16 mittlere Einzelspule in Fig. 3 17 obere Einzelspule in Fig. 3

Claims

Ansprüche
1. Induktionsschmelzofen mit vertikaler Achse und einer ihn umgebenden Spule, die in axialer Richtung in meh¬ rere Spulenabschnitte (7-9) mit jeweils herausgeführten Spulenenden unterteilt ist, so daß dem im Tiegel (1) des Induktionsschmelzofens befindlichen Material Leistung mit von unten nach oben oder von oben nach unten abnehmender Leistungsdichte zugeführt werden kann, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß parallel zu mindestens einem Spulenabschnitt (7-9) mindestens ein schaltbarer Kondensator (6) ange¬ schlossen ist und daß der Spule über eine Stromversorgung einphasig elektrische Leistung zugeführt ist.
2. Vorrichtung nach Ansprüche 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das obere Ende des obersten Spulenabschnitts (9) den Schmelzbadspiegel überragt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das untere Ende des untersten Spulenab¬ schnitts (7) mit Abstand über dem Tiegelboden angeordnet st.
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