DE1055715B - Vakuuminduktionsschmelzofen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Vakuuminduktionsschmelzofen mit zwei aus ein und derselben Wechselspannung gespeisten, parallel geschalteten einlagigen Induktionsspulen, der die Erreichung hoher Temperaturen und das Schmelzen großer Metalleinsätze ermöglicht.

Es ist bekannt, kleine in Tiegeln enthaltene Metallmengen in evakuierten öfen unter Anwendung von Induktionsheizung zu schmelzen. Diese Schmelztechnick hat sich für die Gewinnung· kleiner hochwertiger Schmelzen und Gußbarren als außerordentlich geeignet erwiesen. Bisher ergaben sich jedoch für die Anwendung der Induktionsheizung für den Betrieb von größeren Vakuumöfen, die eine höhere Spulenspannung zum Zwecke einer verstärkten Energiezufuhr zur Schmelzcharge erfordern, besonders für hohe Vakua im Bereich von Bruchteilen von Millimetern Quecksilbersäule erhebliche Schwierigkeiten und Hindernisse. Diese beruhen auf der Entstehung von unerwünschten Lichtbogen und Abbrand- ao erscheinungen, die sich durch Ionisations- und Glimmentladungen zwischen dem Ofengehäuse oder anderen Metallteilen des Tiegels und den Zonen hohen Potentials der Spule oder der Zuleitungen ausbilden. Die Notwendigkeit einer intensiven Wasserkühlung der Spule selbst und der Zuleitungen beeinträchtigt die Betriebssicherheit, da bei der Entstehung von Leckstellen durch Abbrand in Kontakt mit dem hochfeuerfesten Baustoff und/oder mit dem Metall große Mengen von Wasserdampf oder Wasserstoff im Ofengehäuse auftreten, die zu außerordentlich hohen Innendrücken oder gar zur Zerstörung des Ofens durch Knallgasexplosionen führen, wobei das Knallgas durch das geschmolzene Metall gezündet wird. Derartige Schadensfälle sind bereits bei verschiedenen Ofeneinrichtungen aufgetreten.

In Anbetracht der vorgenannten Schwierigkeiten bei der Benutzung von höheren Spannungen hat sich das aligemeine Bestreben herausgebildet, die Probleme der Ionisations- oder Glimmentladung und der Lichtbogenbildung nicht zu lösen, sondern ihr Auftreten zu vermeiden, indem man verhältnismäßig niedrige Spannungen für die Beaufschlagung der Induktionsspule anwendet, die 300 bis 400¹VoIt nicht übersteigen. Die Anpassung des erhöhten Energiebedarfs an den obenerwähnten Grenzwert der Spannung macht die Benutzung hoher Ströme und schwerer Leiter für Spulen mit nur wenigen Windungen erforderlich. Demgemäß hat der gegebene Energiebedarf für eine angemessene Schmelzgeschwindigkeit einer größeren Charge praktisch zu einem Abfall des Wirkungsgrades des Ofens geführt, der auf der kombinierten Wirkung· der Ohmschen Verluste, der Wirbelstromverluste und des SMn-

Anmelder:

Deutsche Gold- und Silberscheideanstalt

vormals Roessler_r
Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9 ·

MiIo PeIc Hnilicka jun., Concord, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

effektes in massiven Leitern beruht. Auch die Gleichförmigkeit der Energiekoppelung zwischen der Charge und der Induktionsspule, die nur wenige Windungen mit sehr großen Querschnitten umfaßt, wird dabei nachteilig beeinflußt.

Der theoretische Grenzwert für die maxim;
Schmelzchaxge ist gegeben durch den induktiven Widerstand einer Spule mit einer einzigen Windung, die einerseits die geschmolzene Charge umgeben muß und andererseits dann den oberen Grenzwert der Spannung bei dem gewünschten hohen Strom nicht übersteigen darf. In der Praxis ist eine Spule mit einer einzigen Windung nicht anwendbar. Aus diesen Gründen konnten bis jetzt maxiamle Mengen von mehr als einer halben Tonne Schmelzgut in einem Vakuumofen nicht betriebssicher verarbeitet werden." Hinzu kommt, daß die Anlagekosten für größere Öfen weiter erhöht wurden durch die Notwendigkeit, größere Untersetzungstransformatoren oder eine außerordentliche Anzahl von Kondensatoren einzubauen, um zur Abstimmung der Spule die hohen kapazitiven Ströme bei niedrigen Spannungen zu erzeugen.

Es sind parallel geschaltete, aus der gleichen Stromquelle mit ein und derselben Spannung gespeiste Induktionsspulen bekannt, wobei zwei Ofenspulen jeweils gegenläufig gewickelt sind. Würde man derartige Spulen bei einem Vakuumofen verwenden, so würde gleichfalls über dem engen Spalt zwischen dem Tiegelrahinen und/oder dem heißen hochschmelzenden Werkstoff in der Nähe der Gießschnauze ein großer Spannungsgradient entstehen, so· daß insbesondere beim Auftreten von Metalldämpfen unerwünschte Lichtbogen- und Abbranderscheinungen auftreten können, die sich durch Ionisations- und Glimm-

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entladungen zwischen dem Ofengehäuse oder anderen weiligen Schmelzvorgang benötigte Energiezufuhr

Metallteilen des Tiegels und den Zonen hohen um einen Faktor 2 herabgesetzt, während sich der

Potentials der Spule oder der Zuleitungen ausbilden. Strom durch jeden Spulenleiter auf ein Viertel des

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Betrages vermindert, der bei gängigen Anordnungen Schwierigkeiten gegenüber dem Stand der Technik 5 aufgebracht werden muß. Infolgedessen verkleinern dadurch überwunden, daß die beiden Induktionsspulen sich auch die Ohmschen Verluste und die Wirbelin an sich bekannter Weise gegenläufig gewickelt Stromverluste in den Zuleitungen und den Spulen sind, derart, daß die Anschlüsse der mittleren Induk- leitern, so daß der Wirkungsgrad d.er gesamten tionsspule mit den benachbarten inneren Enden der Spulenanordnung erheblich verbessert wird.
auf den oberen und unteren Teil des Tiegels verteilten io Selbstverständlich ist der Aufbau einer Spule mit anderen Induktionsspule verbunden sind, wobei der Leitern, deren Querschnitt auf 25% des üblichen Stromkreis für die andere Induktionsspule durch eine vermindert ist, ganz erheblich einfacher,
ihre äußeren geerdeten Enden verbindende Brücke Vom Standpunkt des einfachen Aufbaues und der geschlossen ist. Vereinfachung der Installation wird nach einer be-

Demzufolge entsteht über dem engen Spalt 15 vorzugten Ausführungsform der Doppelspule die

zwischen dem Tiegelrahmen und/oder dem heißen Energie durch ein koaxiales, aus drei Leitern be-

hochschmelzenden Werkstoff in der Nähe der Gieß- stehendes Zuleitungsorgan zugeführt. Der innere

schnauze kein Spannungsgradient. Das Wechselstrom- Leiter ist dabei vorzugsweise verbunden mit dem

potential steigt linear mit den Windungen der Spule Ende der zentralen Spule, während der äußere an das

von Null an den äußeren Enden der Halbspule auf 20 andere Ende führt und der mittlere Leiter vorteilhaft

ein Maximum an der Verbindung der Stromzufüh- geerdet und so mit den äußeren Enden der beiden

rungen zur zentralen Spule. Da diese Strom- Halbspulen verbunden ist.

Zuführungen an den Verbindungspunkten der zentralen Der Gegenstand der Erfindung wird an Hand der Spule mit den Halbspulen, die auf dem größten schematischen Abb. 1 weiterhin erläutert. Zur Verein-Potential oberhalb des Tiegelrahmens stehen, unge- 25 fachung der Darstellung ist lediglich die Induktionsfähr in einem Viertel der gesamten Spulenlänge von spule, ein Teil des koaxialen Zuleitungsorgans, die jedem Ende angeordnet sind, liegt der Bereich des Energieversorgung und ein kleiner Ausschnitt des Höchstpotentials der Spule in günstigem Abstand von Vakuumofens wiedergegeben. Die vakuumdichte dem Kopf und Fuß des Schmelztiegels, d. h„ daß der Ofenwandung ist mit 10 bezeichnet, während die all-Spannungsgradient (V/cm), der zwischen den Ab- 30 gemeine Anordnung des Tiegels durch die gestrichelte schnitten der Spule und dem Tiegeltragkörper besteht, Linie 12 festgelegt ist. Der Tiegel weist eine Gießdurch diese Anordnung unterhalb der Ionisations- schnauze 13 auf. 14 bezeichnet Ausschnitte aus dem schwelle gehalten werden kann. Auf die zentrale geerdeten metallischen. Träger für den Tiegel. Um Spule und die beiden Abschnitte der Halbspulen kann den Tiegel liegen die Zentralspule 15 und die beiden die volle Generatorspannung von beispielsweise 35 Halbspulen 16 und 18. An den beiden Enden der 800 Volt aufgegeben werden. Da jedoch die Über- inneren Spule 15 befinden sich die Zuleitungen 20 und brückung an der äußeren Spule geerdet ist, ergibt sich, 22., die mit den Hochspannungsenden der Spule 16 daß die Spule in bezug auf den Tiegel an einem Ende und 18 entsprechend verkettet sind. Die äußeren mit einem Potential arbeitet, das jeweils nicht höher Enden dieser Halbspulen sind mit einer Brücke 23 als +400VoIt ist. Gleichzeitig liegt an dem anderen 40 verbunden, die geerdet ist. Die Zuleitung 24 ist in Ende eine negative Spannung von 400VoIt und ent- Verbindung mit dem geerdeten mittleren Leiter 32 sprechend umgekehrt während der nächsten Halb- dargestellt, der zu dem koaxialen Zuleitungsorgan 26 periode, so daß kein Abschnitt irgendeiner Spule je- gehört. Dieses Zuleitungsorgan besteht aus dem mais mehr als die Hälfte der Generatorspannung Innenleiter 28, einer ihn umgebenden Isolierschicht (400 Volt) gegen Erde führt. Wenn es wünschenswert 45 30, dem mittleren geerdeten Leiter 32., einer weiteren erscheint, kann auch der Mittelpunkt der zentralen Isolierschicht 34 und dem äußeren Leiter 36. Diese Spule geerdet werden, und zwar vorzugsweise mit Anordnung ist bei 38 isoliert und vakuumdicht durch Hilfe eines kleinen Widerstandes. die Ofenwandung 10 geführt. Die Stromzuleitungen

Diese Anordnung der Induktionsspule, die die An- 44 und 46 verbinden das koaxiale Zuleitungsorgan

wendung einer höheren Generatorspannung, verbun- 50 mit einem geeigneten Generator 40 und einer Konden-

den mit einer Herabsetzung des Spannungsgradienten satorbatterie 42.

unter die Inonisationsgrenze gestattet, führt zu einem Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erbetriebssicheren Arbeiten der Spule auf höherem findung arbeitet der Generator mit einer Frequenz Energieniveau, das die obenerwähnten Grenzen einer von 960 Schwingungen pro- Sekunde. Die Spulen beSpule mit einer Windung erheblich übersteigt. Auch 55 stehen aus Kupferrohren, die durch geeignete Wasserwerden in wirtschaftlicher Weise die Aufwendungen anschlüsse gekühlt werden können- Eine geeignete für die Verbindungsschienen vermindert und der Methode zur Einführung des Wassers in die Ofen-Umfang des zum Abstimmen benötigten Mehrfach- kammer besteht darin, daß in der Abbildung nicht festkondensator verkleinert, wobei auf einen Unter- gezeigte Wasserdurchlässe in dem koaxialen Zuleisetzungstransformator gegebenenfalls ganz verzichtet 60 tungsorgan 26 angebracht werden. Eine solche Anwerden kann. Die Anordnung der Spule gemäß der Ordnung bewirkt die gleichmäßige Verteilung des Erfindung ermöglicht es also, in technischem Umfange Kühlwasserstromes in beiden Spulen.
ein schnelles Schmelzen großer Einsätze durchzu- Die vorliegende Erfindung bietet den zusätzlichen führen und Gußbarren von mehreren Tonnen zu er- Vorteil, daß sie eine verbesserte Kopplung und Eneryeugen. Sie stellt somit einen beachtlichen technischen 6g gieverteilung bewirkt, wenn der Tiegel nur teilweise Fortschritt zur Erhöhung der Kapazität von Vakuum- mit geschmolzenem Metall beschickt ist. Wenn die Schmelzöfen dar. erste Charge geschmolzen ist, ist der Tiegel üblicher-

Da die angewendete Generatorspannung doppelt so weise nur halb gefüllt. Bei den bekannten Einrichtungroß ist wie das tatsächliche maximale Potential an gen mit zwei parallel geschalteten Spulen ergibt die der Spule, wird der Generatorstrom für die zum je- 7° Anwesenheit von geschmolzenem Metall in der unte-

Claims (3)

reti Spule und das Fehlen des Metalls in der oberen Spule einen ganz erheblichen Unterschied im induktiven Widerstand jeder Spule. Das führt zu einem sehr schwerwiegenden Ungleichgewicht der Ströme in den Spulenfeldern. Bei der bekannten Einrichtung wird zur Vermeidung dieses Nachteils eine der parallel geschalteten Spulen abgeschaltet, so daß nur noch eine derselben wirksam ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird demgegenüber dieses Ungleichgewicht ohne Verwen- xo dung eines Schalters durch die Verteilung der Wirkung eines halbvollen Tiegels zwischen der Hälfte der Zentralspule und der unteren Halbspule wirksam ausgeschaltet. Daher besteht jede der parallel arbeitenden Spulen aus der gleichen Anzahl von Windungen mit und ohne Metallschmelze, so daß ein Ungleichgewicht vermieden ist. Patentansprüche: 20

1. Vakuuminduktionsschmelzofen mit zwei aus ein und derselben Wechselspannung gespeisten, parallel geschalteten einlagigen Induktionsspulen, deren Magnetfelder dieselbe Richtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Induktionsspulen in an sich bekannter Weise gegenläufig gewickelt sind, derart, daß die Anschlüsse der mittleren Induktionsspule mit den benachbarten inneren Enden der auf den oberen und unteren Teil des Tiegels verteilten anderen Induktionsspule verbunden sind, wobei der Stromkreis für die andere Induktionsspule durch eine ihre äußeren geerdeten Enden verbindende Brücke geschlossen ist.

2. Vakuuminduktionsschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Induktionsspule gegenläufig zum oberen und unteren Teil der anderen Induktionsspule gewickelt ist.

3. Vakuuminduktionsschmelzofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspulen über ein Zuleitungsorgan mit drei koaxialen Leitern gespeist sind, wobei der innere Leiter mit demeinen und der außenliegende Leiter mit dem anderen Ende der mittleren Induktionsspule verbunden ist und der mittlere Leiter geerdet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 713 498.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909-507/477 4.59

ZEICHNUNGEN BLATTl

AUSGABETAG: 23. APRIL 1959

KL.21h 18/10 INTERNAT. KL. H 01 b

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