DE1042787B - Vakuum-Induktionsschmelzofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Induktionsschmelzofen, der es gestattet, zusätzlich zum Vakuumschmelzen eine Schwingungsbehandlung der Schmelze zur Erzielung bestimmter metallurgischer Effekte durchzuführen.

Bekanntlich werden in jeder induktiv geheizten Schmelze elektrodynamische Wechselkräfte erzeugt, die allerdings so gering sind, daß von einer Schwingungsbehandlung der Schmelze nicht geredet werden kann. Erst durch Überlagerung des Wechselfeldes mit einem kräftigen Gleichfeld lassen sich bekanntlich höhere Wechseldrücke bei der Schwingungsbehandlung von Schmelzen erzielen. Bei dieser bekannten Einrichtung handelt es sich aber nicht um ein gleichzeitiges Schmelzen im Vakuum. Man benutzt vielmehr einen gewöhnlichen kernlosen Induktionsofen, dessen Heizspule gleichzeitig mit Gleich- und Wechselstrom gespeist wurde. Diese Art eines Schmelzofens zur Schwingungsbehandlung des Einsatzes konnte sich allerdings wegen ihres geringen elektromechanischen Wirkungsgrades und damit geringer metallurgischer Wirksamkeit nicht durchsetzen.

Die Erfindung geht nun davon aus, daß brauchbare elektromechanische Wirkungsgrade erst erzielt werden, wenn einmal das magnetische Gleichfeld im Bereich der heizenden Strombahn sehr groß gemacht wird und andererseits die Form des Tiegels und die Frequenz des erregenden Wechselstroms so gewählt werden, daß eine gute Schwingfähigkeit des Einsatzes (Tiegel mit Schmelze) erreicht wird. Das erfordert aber eine besondere Ausbildung des Induktions-Vakuumschmelzofens.

Diesen Forderungen kann man mit den bekannten Ausführungen von Vakuum-Induktionsschmelzöfen nicht gerecht werden. Zunächst stößt das Beibehalten der üblichen mehrwindigen Heizspule auf Schwierigkeiten, da bei Frequenzerhöhung und Aufrechterhaltung der Heizleistung die Spulenspannung angenähert mit ω³'⁴ (ω = Kreisfrequenz) ansteigen würde. Für die Spulenspannung, d. h. die maximal im Unterdruckraum zulässige Spannung, besteht aber bekanntlich eine Grenze, die bei etwa 300 Volt liegt und im Hinblick auf sonst zu erwartende Glimmentladungen und Überschläge nicht überschritten werden darf. Hierin liegt es zum Teil begründet, daß üblicherweise bei den bekannten Vakuum-Schmelzöfen mit im Vakuumgefäß angeordneter Spule die Anwendung von Frequenzen über 10 kHz nach Möglichkeit vermieden wurde, wenn es sich um größere Schmelzleistungen handelt.

Erst wenn man die Windungszahl der Spule verringert und im Grenzfall nur eine einzige Stromschleife für die Erregung benutzt, läßt sich auch bei höherer Frequenz die maximale Spannung im Va-

Anmelder:

Dr. habil. Hugo Josef Seemann,
Saarbrücken 3, Max-Planck-Str. 1

Dr. habil. Hugo Josef Seemann, Saarbrücken,

und Herbert Staats, Dillingen/Saar,

sind als Erfinder genannt worden

kuumraum noch genügend klein halten. In diesem Fall wird für die induktive Erregung, d. h. die Beheizung, des Einsatzes ein zur Konzentrierung von HF-Energie auf eine räumlich beschränkte Heizzone bekannter Konzentrator vorgesehen, dessen Oberspannungswicklung außerhalb des Vakuumgefäßes angeordnet ist.

Während man so die Spannung im Vakuumgefäß niedrig hält, steigert man dadurch andererseits ungefähr im umgekehrten Verhältnis die Stromstärke in der Leitungsschleife und damit in den Stromdurchführungen. Man müßte daher, wollte man die bekannten Bauformen des Vakuumgefäßes beibehalten, die üblichen vakuumdichten Stromdurchführungen erheblich vergrößern, was wiederum in ungünstiger Weise die Länge und die Blindkomponenten der die innere Leitungsschleife mit der Konzentratormanschette verbindenden Leitungsstücke vergrößern würde.

Diese Schwierigkeiten lassen sich erfindungsgemäß dadurch vermeiden, daß die äußere Manschette des Konzentrators gleichzeitig als Wand des Vakuumgefäßes ausgebildet ist. Auf diese Weise sind also spezielle Stromdurchführungen überflüssig. Das erfordert allerdings Dichtungen an den Stoßkanten und Rändern der Manschetten und bei metallenem Deckel oder Boden des Vakuumgefäßes noch zusätzlich Distanzringe aus Isolierstoff, um Verlustströme im Deckel oder Boden zu vermeiden, was technisch aber durchaus durchführbar ist, da diese Dichtungen unlösbar ausgeführt werden können. Im übrigen erspart man hierdurch die Dichtungen für die sonst notwendigen Stromdurchführungen üblicher Bauart. Durch diese Maßnahme erreicht man aber, daß das Verhältnis von Leitungswiderstand zum Widerstand des Einsatzes, das bekanntlich den Wirkungsgrad bestimmt für den Konzentrator als Folge seiner Verwendung im Vakuumofen nicht wesentlich verschlech-

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tert wird. Der Mantel des Vakuumgefäßes, nämlich die Konzentratormanschette (außen), wird elektrisch gut leitend ausgebildet und direkt von der primären Speisespule umschlossen. So kann in günstiger Weise die Spule durch Wahl der optimalen Windungszahl an den Generator angepaßt werden.

Verlustströme in der Manschette des Konzentrators infolge der Ungleichmäßigkeit des Feldes der Primärspule versucht man vielfach dadurch zu vermeiden, daß man die Manschette nicht aus einem Stück, sondern aus einem Bündel parallel geschalteter Leiter herstellt. Wegen der Vakuumdichtigkeit ist dies bei der vorgeschlagenen Ausführung schlecht möglich. Eine gleichmäßige Induktion und damit auch Stromdichte über die ganze Manschette kann man aber auch bekanntlich dadurch erzielen, daß man die Windungsdichte der Primärspule in der Mitte geringer macht als an den Enden.

Eine Verminderung des induktiven Widerstandes der inneren Stromschleife und damit eine weitere Möglichkeit der Frequenzerhöhung ergibt sich bekanntermaßen, wenn man den Abstand zwischen Stromschleife und der Strombahn im Einsatz so gering wie möglich macht, z. B. durch Verwendung eines Tiegels mit leitender Wand oder Außenschicht, so daß sich die heizende Strombahn im Tiegel ausbildet. Die Verwendung leitender Tiegel ist wohl bekannt, z. B. für schlecht leitendes Schmelzgut, aber nicht mit dem Ziel, den Betrieb mit höherer Frequenz zu ermöglichen.

Die vorgeschlagene Ausführungsform zur Speisung eines Schmelzofens mit Einrichtung zur Schwingungsbehandlung des Einsatzes mit höherer Frequenz kann in einzelnen Fällen auch für einen Vakuum-Induktionsschmelzofen ohne Schwingungsbehandlung in Frage kommen, wenn nämlich die höhere Frequenz nur vom Standpunkt der induktiven Heizung vorteilhaft erscheint, z. B. bei kleinen Tiegeldurchmessern und vor allem dann, wenn man Graphittiegel für verhältnismäßig große Eindringtiefe verwenden muß.

Die andere bei einem Schmelzofen mit Einrichtung zur Schwingungsbehandlung des Einsatzes zu treffende Maßnahme ist die Erzeugung eines starken magnetischen Gleichfeldes, das man zweckmäßigerweise mit Hilfe von Polschuhen auf den Bereich der Strombahnen des Einsatzes konzentrieren wird.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Polschuhe der Magnetisierungseinrichtung so ausgebildet, daß sie gleichzeitig Bestandteile des den Vakuumraum begrenzenden Behälters sind, derart, daß die Erregerspulen oder -Permanentmagnete der Magnetisierungsvorrichtung außerhalb des Vakuumgefäßes anbringbar sind. Diese Bauart besitzt gegenüber anderen Möglichkeiten, beispielsweise einem innerhalb der Konzentratormanschette angeordneten Magnetsystem, wesentliche Vorteile: die Innenflächen des Vakuumgefäßes und damit deren Gasabgabe werden so klein wie möglich gehalten, das Magnetsystem mit eventuell hochbelasteten Spulen läßt sich leicht kühlen, die Gleichstrom- und Hochfrequenzspulen sind praktisch entkoppelt, und die Verbindungsleitung des Konzentrators von der Stromschleife zur Manschette „ kann unbehindert durch das Magnetsystem in günstigster Weise ausgebildet werden.

An Hand der Zeichnungen wird im folgenden die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen schematised die erfmdungsgemäße Ausführung eines Vakuumofens ohne Magnetisierungsjoch für eine Schwingungserzeugung, um die Ausbildung des Konzentrators herauszustellen;

Fig. 3 stellt den mit einer Magnetisierungseinrichtung kombinierten Vakuum-Induktionsofen zur Schwingungsbehandlung des Einsatzes dar.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt in Achsrichtung, Fig. 2 ein Querschnitt senkrecht dazu. Das Vakuumgefäß wird gebildet durch den Boden B, den Deckel D mit der Absaugöffnung A, der Manschette M des Konzentrators und den Distanzringen aus Isolierstoff R₀ und R₁₁. Zwischen all diesen Teilen sind für die Vakuumdichtung die Dichtungsringe DR₁. .. DR₁ angeordnet. Der im Boden B gehalterte Schmelztiegel T wird von der bandförmigen Leitungsschleife 5" des Konzentrators umgeben, die über die Verbindungsleitungen L in Form einer Bandleitung in die Manschette übergeht, so daß der geschlossene Stromkreis Manschette— Leitungsschleife entsteht. Um die Manschette M liegt, von dieser durch die Isolierstoffhalter H isoliert, die Primärspule P, der der Erregerstrom über ihre Anschlußenden E₁ und E₂ zugeführt wird. Der Schlitz in der Manschette M wird durch den Dichtungsstab DS ausgefüllt, der aus Gummi oder Kunststoff, besser aber, wie dargestellt, aus einem mit Gummi überzogenen Stab aus Isolierstoff besteht. Die in die Enden der Manschette M eingearbeiteten Nuten N gewährleisten die Lagensicherung des Dichtungsstabes sowie eine gute Dichtung. Mittels der Spannschrauben SB, die durch die Isolierscheiben / gegen die Leitungen L isoliert sind, werden die Enden der Manschette M gegen den Dichtungsstab DS zusammengespannt. Die Länge desselben ist genau gleich der Höhe der Manschette M, so daß an den Stirnflächen zwischen beiden ein stufenloser Übergang und damit eine einwandfreie Dichtung durch die anliegenden Dichtungsringe DR₂ und DR₃ gewährleistet wird. Ungleiche Längenänderungen des Dichtungsstabes DS und der Manschette M durch Temperaturänderungen lassen sich durch gute Kühlung der Manschette M unterdrücken. Das Isolierstoffteil JT gewährleistet auf der Seite der Leitungsschleife S den notwendigen Abstand zwischen den Leitungsenden L. Eventuell kann der Dichtungsstab DS mit dem Isolierstoffteil JT zu einem Teil mit an der Dichtungsseite mit Gummi überzogener Kante zusammengezogen werden, um eine bessere Sicherheit gegen Überschlag zwischen den Leitungen L zu erreichen.

Fig. 3 zeigt im Längsschnitt schematisch einen Vakuumofen, der durch den Einbau eines Magnetisierungsjoches für die kombinierte Vakuum-Schwingungsbehandlung der Schmelze nach dem elektrodynamischen Verfahren geeignet ist.

Das Vakuumgefäß wird gebildet von dem Deckel D, dem Boden B, den ringförmigen ferromagnetischen Polschuhen PS₀ und PS₁₁, den Distanzringen aus Isolierstoff R₀ und R₁₁ und der Manschette M. Zwischen all diesen Teilen sind für die Vakuumdichtung die Dichtungsringe DR₁... DR₆ angeordnet. Im oberen Polschuh PS₀ ist die Absaugöffnung A vorgesehen. Der Tiegel T, der hier in einer für die Schwingungsausbildung günstigen Form dargestellt ist, wird im Boden B gehalten. Die Speisung der Leitungsschleife 5" mit dem erregenden Wechselstrom erfolgt in gleicher Weise wie bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform über die Primär spule P, die Manschette M und die Verbindungsleitungen L. Die Polschuhe PS₀ und PS₁₁ gehen nach außen in mantelartige Ansätze O₀ und O₁₁ über, die sich überlappen und so einen guten magnetischen Schluß ergeben. In der Höhlung jedes Polschuhes ist zur magnetischen Erregung eine Ringwicklung W₀ bzw. W_u mittels eines metallischen Spulenkörpers K befestigt, welcher zusätzlich noch

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eine Abschirmung des HF-Streufeldes bewirkt. Aussparungen in den Mantelteilen O₀ und O₁₁ der Polschuhe ermöglichen das Herausführen der Spulenenden E₁ und E₂. Der Boden B, hier aus ferromagnetischem Material, ist mittels des rohrförmigen Ansatzes so ausgebildet, daß der Polschuh PS_n verstärkt wird, außerdem der Tiegel T aber mit dem Boden B nach unten aus dem Vakuumraum herausgezogen werden kann.

An Stelle des dargestellten Elektromagnets kann auch ein Magnetisierungsjoch mit Permanentmagneten treten, die, z. B. in Ringform ausgeführt, zwischen oberem Distanzring und Deckel bzw. unterem Distanzring und Boden angeordnet werden könnten. Die Polschuhteile selbst könnten eventuell auch mit dem Boden bzw. Deckel in einem Stück ausgeführt werden. Im übrigen kann der Boden in bekannter Weise so gestaltet werden, daß in eine unterhalb des Tiegels angeordnete Kokille unter Vakuum gegossen werden kann. Der Tiegelboden erhält dafür eine Bohrung, deren Verschluß in üblicher Weise mittels Abschmelzspule gelöst werden kann.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vakuum-Induktionsschmelzofen, dessen Ober-Spannungswicklung sich außerhalb des Vakuumgefäßes befindet, wobei eine das eingebrachte Gut induktiv beheizende Konzentratoranordnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Manschette des Konzentrator gleichzeitig als Wand des Vakuumgefäßes ausgebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, kombiniert mit einer Magnetisierungsvorrichtung zur mechanischen Schwingungsbehandlung des Einsatzes, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe der Magnetisierungsvorrichtung gleichzeitig Bestandteile des Vakuumgefäßes sind, derart, daß die Erregerspulen oder Permanentmagnete der Magnetisierungsvorrichtung außerhalb des Vakuumgefäßes anbringbar sind.

3. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wand des Vakuumgefäßes und dem Boden sowie dem Deckel Ringe aus Isolierstoff vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 940 310;

USA.-Patentschrift.en Nr. 1 378 187, 1 378 188;

Druckschrift der Firma »Ateliers de Constructions iSlectriques de Charleroi, Belgique«: »Erwärmung durch Induktion«, Blatt 260.3 (25-2272/10/1951/ 3000);

Frank. W. Curtis-: »High-Frequency Induktion Heating« Mc Graw-Hill Book Company Inc., New York, Toronto, London, 1950, insbesondere S. 322.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen