DE4008007C2 - Induktionsheizofen zum Schmelzen von Metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Induktionsofen mit einem Ofenkörper, der einen Boden und eine vom Boden aus aufwärtsragende Ofenwand mit einer äußeren Umfangsfläche enthält, um die herum eine Spule gelegt ist.

Derartige Öfen werden zum Schmelzen von Metall verwendet, wobei der Ofenkörper zum Beispiel als Tiegel oder Rinne ausgebildet sein kann, in dem bzw. der das Metall durch eine Induktionsheizung geschmolzen und das sich ergebene, geschmolzene Metall auf der erwünschten Temperatur gehalten wird.

Induktionsöfen der eingangs erwähnten Art sind aus der DE-GM 87 04 101 und der DE-AS 15 58 023 bekannt. Aus der erstgenannten Druckschrift geht ein Induktionsofen hervor, bei dem das Tiegelmaterial aus einer Mischung von Kieselsäurematerial und Korund besteht. Aus der zweiten Druckschrift ist ein Induktionstiegelofen mit gestampften Tiegel bekannt, der von einem Zylinder aus keramischen Material umgeben ist, welcher Längslöcher aufweist, durch die in der Tiegelstampfmasse vorhandenes Wasser beim Sintern ohne Berühren der Induktionsspule abfließen kann, wodurch eine schnelle Trocknung eines neu hergestellten Tiegels möglich ist. Durch diese Möglichkeit zur schnellen Trocknung kann ein neuer Tiegel bei veränderter Lebensdauer von Anfang an mit voller Leistung betrieben werden.

Wenn ein solcher bekannter Induktionsofen der eingangs erwähnten Art, in dem Metall geschmolzen wird, und der einen Körper aus einem feuerfesten Metall aufweist, platzt, kann das geschmolzene Metall aussickern und mit der Induktionsspule in Berührung kommen, wodurch somit ein großer Unglücksfall entsteht. Um dies wahrzunehmen, ist der Induktionsofen in typischer Weise mit einer das Aussickern von geschmolzenen Metall wahrnehmenden Einheit versehen.

Derartige, bei Induktionsöfen der eingangs erwähnten Art verwendete Einheiten, die das Aussickern von geschmolzenem Metall anzeigen sind in den japanischen Gebrauchsmusteranmeldungen Nr. 101792/1988 und 159892/1984, in der japanischen Patentanmeldung Nr. 182568/1987, in der veröffentlichten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 7278/1983 und in der DE-OS 28 24 590 erläutert.

Ein typisches Beispiel der gebräuchlichen Einheiten, die das Aussickern von geschmolzenem Metall anzeigen sei unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. Wenn der tiegelförmige Körper 1 des Induktionsofens aus feuerfestem Material abnorm beschädigt wird oder bricht, sickert aus ihm geschmolzenes Metall aus, was, wie folgt, angezeigt wird. In dem Ofen des Körpers 1 ist eine erste Elektrode 4 derart angeordnet, das sie mit dem geschmolzenem Metall 3 in Berührung steht. Eine zweite Elektrode 5 aus Alumi­ nium- oder rostfreier Stahlfolie ist zwischen einer um den Körper 1 ge­ wickelten Induktionsspule 2 und der Außenfläche einer wärmeisolierenden Schicht untergebracht, die die äußere, zylindrische Wand des Körpers 1 bedeckt. Au­ ßerhalb des Körpers 1 wird eine vorgegebene Spannung zwischen den beiden Elektroden 4 und 5 angelegt. Falls das geschmolzene Metall 3 aus dem Körper 1 durch Risse oder dgl. aussickert und mit der zweiten Elektrode 5 in Berüh­ rung kommt, entsteht eine Strombahn zwischen den beiden Elektroden 4 und 5 über das geschmolzene Metall 3. Dieser zwischen den beiden Elektroden fließende Strom wird somit an einem Strommesser 6 wahrgenommen. Mit anderen Wor­ ten gesagt, gibt der Ausschlag des Strommessers 6 das Vorhandensein eines Lecks an. In Abhängigkeit von der Anzeige wird ein hörbares Warnsignal er­ zeugt.

Obgleich sich diese Erfindung teilweise auf das oben erläuterte Anzei­ ge-Verfahren für Lecks von geschmolzenem Metall bezieht, betrifft sie insbe­ sondere eine Ofenbautechnik, durch die die obigen Leckanzeige-Maßnahmen un­ nötig werden und als veraltet gelten. Der Körper des Ofens wird durch Sin­ tern eines gußfähigen, feuerfesten Materials in der folgenden Weise herge­ stellt. Zuerst wird eine Spulenanordnung durch einen Überzug auf Induktions­ spulen auf solch eine Weise ausgebildet, daß sie gegeneinander und ge­ gen Erde isoliert sind. Auf der Innenseite der so ausgebildeten Spulenan­ ordnung wird ein körniges, feuerfestes Material, das zum Pressen vorgesehen sein kann, aufgebracht und dann durch Stampfen gehärtet, um einen Ofenboden zu bilden. Wenn eine Metallform auf den Ofenboden gesetzt ist, wird ein ähn­ liches, zum Pressen vorgesehenes Material durch Stampfen gehärtet, um die Seitenwand des Ofenkörpers zu bilden. Danach werden eine Metallform und ge­ mahlenes Metall in den Ofenkörper gebracht. Nach dem Sintern mit einem Bren­ ner bei einer niedrigen Temperatur wird das gemahlene Metall durch eine In­ duktionsheizung mit Hilfe der erregten Spule geschmolzen, wodurch das zum Pressen vorgesehene Material in dem Ofen sintert. In diesem Fall wird die Metallform mit dem gemahlenen Metall zusammengeschmolzen; es kann auch eine Metallform mit einem hohen Schmelzpunkt benutzt werden, die schließlich ent­ fernt und erneut verwendet werden kann.

Ein bekanntes Verfahren zum Aufbau eines Ofens dieser Art ist in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung Nr. 53190/1981 erläutert. In dem Verfahren wird Boroxid (B₂O₂) als Sintermaterial für ein zum Pressen vorgesehenes Material aus Siliciumdioxid benutzt; daher ist die nachteilige Wirkung eines Wassergehaltes, also eine Wasserentzugs-Reaktion während des Sinterns ausgeschaltet - verglichen mit dem bekannten Verfahren, bei dem Borsäure (H₃BO₃) Anwendung findet.

Selbst wenn der Schaden am Körper eines Ofens, bei dem das bereits be­ schriebene Verfahren zur Wahrnehmung des Aussickerns von geschmolzenem Me­ tall angewendet wird, nicht wesentlich ist, entweicht während des Ofenbe­ triebes aus den Poren des Ofenkörpers gelegentlich Wasserdampf, der in dem feuerfesten Material des Ofenkörpers (z. B. im natürlichen Siliciumdioxid) vorhanden ist, oder Metalldampf, wenn die zu sinternden Metallknüppel aus einem Material von tiefem Schmelzpunkt sind, (z. B. aus Blei oder Zink, aus mit Zink plattierten Eisenplatten oder aus einer Zink-Kupfer-Legierung).

Selbst wenn der Ofenkörper keine wesentlichen, sondern nur geringfügige Leckverluste von Wasser- oder Metalldampf aufweist, und selbst wenn die pe­ ripheren Bestandteile des Ofenkörpers, insbesondere die Induktionsspule nicht nachteilig beeinflußt werden, kommt es vor, wie aus der obigen Be­ schreibung hervorgeht, daß geschmolzenes Metall aussickert, so daß sich ei­ ne unnötige Ofenreparatur ergeben kann. Wie oben erläutert, wird der Ofen­ körper dadurch hergestellt, daß körniges, feuerfestes Material durch Stamp­ fen gehärtet wird. Dementsprechend weist der Ofenkörper eine Anzahl Poren auf. Daher geht manchmal der Dampf eines Metalls mit niedrigem Schmelzpunkt (z. B. Blei oder Zink) durch die Poren hindurch, sogar wenn sich der Ofen­ körper im Normalzustand befindet, wodurch die Hilfsmittel zur Wahrnehmung von Lecks fehlerhafte Anzeigewerte liefern.

Bei dem oben erläuterten, bekannten Verfahren zur Konstruktion eines Ofens entsteht durch die Entwässerung des Bors keine Feuchtigkeit. Bei Ver­ wendung von Materialien zum Stampfen z. B. aus Siliciumdioxid, Magnesium­ oxid, Mullit und Spinell wird wegen des in ihnen enthaltenen Wassers Wasser­ dampf erzeugt. Wenn während des Sinterns die Menge erzeugten Dampfes und die Menge des abgegebenen Dampfes starke Unterschiede voneinander annehmen, dann werden in dem feuerfesten Material Hohlräume ausgebildet. Die sich ergebende Struktur hat eine geringe Feuerfestigkeit. Folglich ist eine schnelle Tempe­ raturzunahme der Metallform begrenzt.

Übersicht über die Erfindung

Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung einen Induktionsofen zu schaffen bei dem der Dampf eines Metalls von niedrigem Siedepunkt nicht durch die Ofenwand hin­ durchgeht und ein Aussickern geschmolzenen Metalls verhindert wird, falls in der Ofenwand ausgebildete Risse nicht umfangreich sind.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Induktionsofens dessen Konstruk­ tion eine hohe Feuerfestigkeit besitzt, während die zum Bau des Ofens erfor­ derliche Sinterzeit vermindert wird.

Die vorangehenden und weiteren Ziele der Erfindung werden von einem Induktionsofen erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ofenwand eine poröse Innenschicht aus einem feuerfesten Material und eine gasdichte Außenschicht aufweist, und daß innerhalb der Ofenwand auf der der Innenschicht zugewandten Seite der Außenschicht mehrere über ein gemeinsames Rohr mit einer Gasfördereinrichtung verbindbare Gasleiteinrichtungen zur Druckbeaufschlagung der porösen Innenschicht ausgebildet sind.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung kann ein Eindringen von Material aus der Schmelze in die Ofenwand verhindert werden, indem über die Gasfördereinheit und die Gasleiteinrichtungen innerhalb der porösen Innenschicht ein Druck aufgebaut wird, der dem Eindringen von Material aus der Schmelze entgegenwirkt.

In dem Ofens ist feine Gassperrschicht vorgesehen, um die Gasdurchgänge zu umschließen.

In dem Ofen können die Gasdurchgänge aus mehreren Röhren bestehen; je­ de Röhre die in der Ofenwand eingebettet ist, kann dabei zahlreiche kleine Löcher aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Gasdurchgänge aus zahlreichen Rinnen aufgebaut, die an der Innenfläche der feinen Gas- Sperrschicht ausgebildet sind; in die Rinnen sind poröse Blätter eingepaßt. Bei einer weiteren Ausführungsform ist in den Rinnen ein poröser Festkörper eingesetzt.

Während des Betriebes des Induktionsofens gemäß der Erfindung werden die Gasdurchgänge von der Gasfördereinheit, z. B. einem Kompressor über die Verbindungsröhre unter Druck gesetzt, was zu einer Zunahme des Innendruckes in der porösen Ofenwand führt. Hierdurch wird ein Entweichen von Metalldampf oder ein Aussickern geschmolzenen Metalls verhindert. Falls der Ofen mit einer Vorrichtung zur Anzeige des Aussickerns versehen ist, werden falsche Leckanzeigen dieser Vorrichtung unterbunden. Wenn nötig, können sol­ che Vorrichtungen entfallen. In diesem Fall wird die Ofenwand visuell auf Schäden geprüft, wenn das geschmolzene Metall abgegeben wird, um festzu­ stellen, ob eine Reparatur des Ofens notwendig ist oder nicht.

Beim Bau des Ofens wird von der Gasfördereinheit, z. B. einer Vakuum­ pumpe, der Wasserdampf aus dem Ofenkörper entfernt. Hierdurch wird die Bil­ dung von Hohlräumen in der Ofenwand ausgeschaltet, wodurch zu der Herabset­ zung der Sinterzeit ein Beitrag geleistet wird.

Die Gassperrschicht (11, 11a), die die Gasdurchgänge umgibt, die in der Ofenwand ausgebildet sind, blockiert den Innendruck an der Außenfläche der Ofenwand; folglich wird die Wirkung der Gasdurchgänge gesteigert und die Menge des ge­ rade in Benutzung befindlichen Gases verringert. Im Falle, daß die Gasdurch­ gänge Röhren oder Rinnen sind, können diese zusätzlich in großen Intervallen bezüglich des Abstandes zwischen der Innenfläche der Ofenwand und den Röhren oder Rinnen angeordnet werden.

Die Art, die Grundzüge und die Gebrauchsfähigkeit der Erfindung gehen einleuchtender aus der folgenden, ausführlichen Beschreibung hervor, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird; dabei wer­ den gleiche Teile durch dieselben Bezugsnummern oder -zeichen bezeichnet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schnittansicht und zeigt eine erste Ausführungsform eines Induktionsofens gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt einen Abschnitt aus dem in Fig. 1 veranschaulichten Induktionsofen;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform des Induktionsofens gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch einen bekannten Induktionsofen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezug­ nahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert, in denen die Komponenten, die funk­ tionsmäßig mit den bereits in Verbindung mit Fig. 4 erläuterten überein­ stimmen, mit denselben Bezugsnummern oder -zeichen bezeichnet sind.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist eine Induktionsspule 2 auf einer feinen Gassperrschicht 11 um einen porösen Ofenkörper 1 herumge­ wickelt. Die Gassperrschicht 11 ist aus einem hitzebeständigen Material, z. B. aus einer geformten Zementplatte, hergestellt. Der Ofenkörper 1 wird durch Sintern eines körnigen, feuerfesten Materials aus Siliciumdioxid, Magnesium­ oxid, Aluminiumoxid oder Spinell hergestellt. Über der Induktionsspule 2 ist ein Joch 12 vorgesehen. Die so ausgebildete Anordnung wird auf einem Fußboden 13 aus Ziegeln aufgestellt.

Innerhalb der Wand 1a des Ofenkörpers 1 stehen mehrere Röhren 15 aus Metall oder Keramik mit einer Anzahl kleiner Löcher 14 mit der Gassperr­ schicht 11 in Kontakt. Die Röhren 15 sind durch ein gemeinsames Rohr 16 mit einer Gasfördereinheit 17, z. B. einem Kompressor oder einer Vakuumpumpe, die außerhalb des Ofens aufgebaut ist, verbunden.

Während der Arbeit des Ofens führt die Gasfördereinheit 17 Gas durch das gemeinsame Rohr 16 in die Röhren 15 hinein, die in der Ofenwand 1a ein­ gebettet sind, wodurch der Druck in den Röhren 15 und über die kleinen Lö­ cher 14 in der Ofenwand 1a zunimmt. Durch diesen vergrößerten Druck in der Ofenwand 1a wird ein Entweichen von Metalldampf oder ein Aussickern ge­ schmolzenen Metalls aus der Ofenwand 1a verhindert. Dementsprechend ergeben die Vorrichtungen (nicht gezeigt), die ein Aussickern geschmolzenen Metalls wahrnehmen, keine fehlerhafte Anzeige. In einigen Fällgen können solche Anzeigevorrichtungen ausgeschaltet werden. Wenn das geschmolzene Metall angegeben worden ist, kann in diesem Fall die Ofenwand 1a visuell auf Schäden überprüft werden, um zu bestimmen, ob ein Neubau des Ofenkörpers notwendig ist oder nicht.

Beim Bau des Ofenkörpers kann die Gasfördereinheit 17 dazu benutzt werden, um von der Ofenwand 1a eingefangenen Wasserdampf zu beseitigen, was eine Verminderung der erforderlichen Sinterzeit bedingt.

Da die Gassperrschicht 11 bei dieser Arbeitsweise die in der Ofenwand 1a eingebetteten Röhren 15 umgibt, wird der Innendruck der Ofenwand 1a durch die Gassperrschicht 11 blockiert, wodurch die zur Verwendung kommende Gasmenge möglichst klein gehalten werden kann. Aus demselben Grund können die Röhren 15 zusätzlich in großen Intervallen im Vergleich zu dem Abstand zwischen der Innenfläche der Ofenwand und den Röhren 15 angeordnet sein.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Gassperrschicht 11a aus einem feuerbeständigen Material, das hauptsächlich aus Al₂O₃ und SiO₂ besteht, zwischen der Induktionsspule 2 und der Ofenwand (nicht gezeigt) vorgesehen. In der inneren Umfangsfläche der Gassperrschicht 11a sind zahlreiche Rillen 31 ausgebildet, von denen einige vertikal und andere horizontal verlaufen. In die Rillen werden poröse Blätter eingeführt, die aus gewebten Graphitfasern oder dgl. ausgebildet sind, um Gasdurchgänge vorzusehen. Wie oben beschrieben, weist die erste Ausführungsform mehrere in den Ofenwänden eingebettete Röhren 15 auf. Bei der zweiten Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, sind mehrere Rillen 31 in der Wand ausgebildet, in denen die porösen Blätter eingefügt sind. Daher kann die zweite Ausführungsform leichter und schneller hergestellt werden.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung (nicht veranschaulicht) wird ein poröser Festkörper aus rostfreier Stahlwolle oder dgl. über die zylindrische Außenfläche der Ofenwand 1a zur Bildung der Gasdurchgänge gelegt. Der Endabschnitt des gemeinsamen Rohres 16, das mit der Gasfördereinheit verbunden ist, wird dann in den porösen Festkörper eingeführt.

Nun sei auf Fig. 3 zurückgekommen; an der Stelle der porösen Blätter kann der obengenannte poröse Festkörper in die Rillen 31 eingeführt werden.

Bei den oben erläuterten Ausführungsformen kann der Innendruck der Ofenwand so weit gesteigert werden, daß das Entweichen von Metalldampf oder ein Aussickern von geschmolzenem Metall blockiert wird. Andererseits kann der Ofenkörper aus einem feuerfesten Material von größerer Korngröße hergestellt werden, um durch die Innenfläche der Ofenwand Gas abzugeben. Hierdurch wird ein Hängenbleiben von Schlacke an der Innenfläche der Ofenwand verhindert. In diesem Fall wird die Schlacke mit dem Gas schwebend gehalten. Falls hier Sauerstoffgas benutzt wird, dann kann in diesem Fall ferner das geschmolzene Metall von Kohlenstoff befreit oder entgast werden.

Wie bereits beschrieben wurde, werden bei dem Induktionsofen gemäß der vorliegenden Erfindung die Gasdurchgänge in der porösen Ofenwand ausgebil­ det, die durch Sintern eines gußfähigen, feuerfesten Materials entstehen; die Rohrverbindungen mit den Gasdurchgängen sind dabei mit der Gasförderein­ heit verbunden, die außerhalb der Ofenwand vorgesehen ist.

Während des Betriebs wird auf die poröse Ofenwand ein Innendruck ausge­ übt, um das Entweichen von- Metalldampf oder das Aussickern geschmolzenen Metalls zu verhindern falls der Ofenkörper mit einer Vorrichtung zur Wahr­ nehmung ausgeflossenen geschmolzenen Metalls versehen ist, wird eine fehlerhafte Anzeige verhindert. Wenn die Konzentration der Gasdurchgänge und der Innen­ druck vergrößert werden, kann die Vorrichtung zur Wahrnehmung eines aus­ sickernden, geschmolzenen Metalls weggelassen werden. Beim Bau des Ofenkör­ pers kann ferner der Druck vermindert werden, um zwangsläufig die während des Sinterns entstandene Feuchtigkeit zu absorbieren, wodurch eine Bildung von Hohlräumen in der Ofenwand oder eine Bildung einer grob gekörnten Ofen­ wand verhindert wird. Dies führt zu einer Verringerung der Sinterzeit und zu einer Zunahme der Arbeitseffektivität.

Außerdem wird das Gas zwangsläufig von der Ofenwand abgegeben, um das Hängenbleiben von Schlacke an der Ofenwand zu unterbinden und die Befreiung des geschmolzenen Metalls von Kohlenstoff und die Entgasung des geschmolze­ nen Metalls zu ermöglichen.

Während bestimmte Ausführungsformen beschrieben sind, ist die Erfindung nicht nur auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Die technischen Maßnahmen der Erfindung können auf einen beliebigen Induktionsofen angewen­ det werden, bei dem eine gußfähige, feuerfeste poröse Materialschicht auf ei­ nen fein gesinterten, regelmäßigen Tiegel ausgebildet wird. Demgemäß können Abweichungen von den hier offenbarten Einzelheiten vorgenommen werden, ohne daß der Rahmen der beanspruchten Erfindung verlassen wird.

Claims (11)

1. Induktionsofen mit einem Ofenkörper (1), der einen Boden und eine vom Boden aus aufwärtsragende Ofenwand mit einer äußeren Umfangsfläche enthält, um die herum eine Spule (2) gelegt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ofenwand eine poröse Innenschicht (1a) aus einem feuerfesten Material und eine gasdichte Außenschicht (11, 11a) aufweist, und
daß innerhalb der Ofenwand auf der der porösen Innenschicht (1a) zugewandten Seite der Außenschicht (11, 11a) mehrere Gasleiteinrichtungen (15, 31) zur Druckbeaufschlagung in der porösen Innenschicht (1a) ausgebildet sind, die über ein gemeinsames Rohr (16) mit einer Gasfördereinrichtung (17) verbindbar sind.

2. Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleiteinrichtungen in die poröse Innenschicht (1a) eingebettete, Gasaustrittsöffnungen (14) aufweisende Röhren (15) umfassen.

3. Induktionsofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (15) einen außerhalb der Ofenwand verlaufenden Abschnitt aufweisen, über den die Röhren (15) mit eine gemeinsamen, mit der Gasfördereinrichtung (17) verbindbaren Leitung (16) verbunden sind.

4. Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleiteinrichtungen in die gasdichte Außenschicht (11a) eingearbeitete Rillen (31) sind.

5. Induktionsofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Rillen (31) mehrere poröse Blätter eingesetzt sind.

6. Induktionsofen nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich kreuzende horizontal und vertikal verlaufende Rillen (31) vorgesehen sind.

7. Induktionsofen nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleiteinrichtungen einen zwischen der Innenschicht (1a) und der Außenschicht (11, 11a) angeordneten porösen Festkörper umfassen.

8. Induktionsofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Festkörper rostfreie Stahlwolle umfaßt.

9. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Innenschicht (1a) ein gesintertes, gußfähiges Material aufweist.

10. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfördereinheit einen Kompressor umfaßt.

11. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfördereinheit eine Vakuumpumpe umfaßt.