DE1042787B - Vacuum induction melting furnace - Google Patents
Vacuum induction melting furnaceInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Induktionsschmelzofen, der es gestattet, zusätzlich zum Vakuumschmelzen eine Schwingungsbehandlung der Schmelze zur Erzielung bestimmter metallurgischer Effekte durchzuführen.The invention relates to a vacuum induction melting furnace, which allows, in addition to vacuum melting, a vibration treatment of the melt to achieve certain metallurgical Carry out effects.
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.It is well known that electrodynamic alternating forces are generated in every inductively heated melt, however, these are so small that there is no mention of a vibration treatment of the melt can. It is known that only by superimposing a strong constant field on the alternating field achieve higher alternating pressures in the vibration treatment of melts. With this well-known However, it is not a matter of simultaneous melting in a vacuum. Rather, one uses an ordinary coreless induction furnace whose heating coil operates simultaneously with direct and alternating current was fed. This type of furnace for vibration treatment of the insert could prove to be however, because of their low electromechanical efficiency and thus less metallurgical Effectiveness not enforce.
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. The invention is based on the assumption that usable electromechanical efficiencies are only achieved when once the constant magnetic field in the area of the heating current path is made very large is and on the other hand the shape of the crucible and the frequency of the exciting alternating current so selected ensure that the insert (crucible with melt) can oscillate well. That requires but a special design of the induction vacuum melting furnace.
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.These requirements cannot be met with the known designs of vacuum induction melting furnaces. First of all, maintaining the usual multi-turn heating coil encounters difficulties, since if the frequency were to be increased and the heating power maintained, the coil voltage would rise approximately at ω 3 ' 4 (ω = angular frequency). However, as is known, there is a limit for the coil voltage, ie the maximum voltage permissible in the negative pressure chamber, which is around 300 volts and must not be exceeded with regard to glow discharges and flashovers that are otherwise to be expected. This is partly due to the fact that in the known vacuum melting furnaces with a coil arranged in the vacuum vessel, the use of frequencies above 10 kHz has been avoided as far as possible when higher melting capacities are involved.
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-Only when you reduce the number of turns of the coil and in the borderline case only a single current loop used for excitation, the maximum voltage in the Va-
Anmelder:Applicant:
Dr. habil. Hugo Josef Seemann,
Saarbrücken 3, Max-Planck-Str. 1Dr. habil. Hugo Josef Seemann,
Saarbrücken 3, Max-Planck-Str. 1
Dr. habil. Hugo Josef Seemann, Saarbrücken,Dr. habil. Hugo Josef Seemann, Saarbrücken,
und Herbert Staats, Dillingen/Saar,and Herbert Staats, Dillingen / Saar,
sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors
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.keep the vacuum space sufficiently small. In this case, for the inductive excitation, i. H. the heating, the use of a known one for concentrating HF energy on a spatially limited heating zone Concentrator is provided, the high-voltage winding of which is arranged outside the vacuum vessel is.
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.While the voltage in the vacuum vessel is kept low in this way, on the other hand it is increased approximately the inverse ratio is the current strength in the line loop and thus in the current feedthroughs. One would therefore have to, if one wanted to keep the known designs of the vacuum vessel, the increase the usual vacuum-tight electrical feedthroughs considerably, which in turn is less favorable Match the length and dummy components of the inner conduit loop to the concentrator sleeve connecting pipe sections would enlarge.
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-These difficulties can be avoided according to the invention in that the outer sleeve of the Concentrator is designed as a wall of the vacuum vessel at the same time. So in this way are special power feedthroughs are unnecessary. However, this requires seals on the abutting edges and Edges of the cuffs and, in the case of a metal lid or bottom of the vacuum vessel, additionally Spacer rings made of insulating material in order to avoid leakage currents in the cover or base, but this is technically is quite feasible, since these seals can be made permanent. Otherwise saved one thereby the seals for the otherwise necessary current feedthroughs of the usual design. By This measure is achieved, however, that the ratio of the line resistance to the resistance of the Use that is known to determine the efficiency of the concentrator as a result of its use not significantly deteriorated in the vacuum furnace
8Oi 577/3238Oi 577/323
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.tert is. The jacket of the vacuum vessel, namely the concentrator collar (outside), becomes electrical Well conductive and directly enclosed by the primary feed coil. So can in a cheap way the coil can be adapted to the generator by choosing the optimal number of turns.
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.Leakage currents in the concentrator cuff due to the non-uniformity of the field of the primary coil One tries in many cases to avoid that the cuff is not made of one piece, but rather made from a bundle of parallel conductors. Because of the vacuum tightness this is at the proposed design is poorly possible. A uniform induction and thus also current density As is well known, however, one can also achieve over the entire cuff by the winding density of the primary coil in the middle makes it less than at the ends.
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.A reduction in the inductive resistance of the inner current loop and thus a further reduction As is well known, the possibility of increasing the frequency arises if the distance between Makes current loop and the current path in use as low as possible, z. B. by use a crucible with a conductive wall or outer layer, so that the heating current path is formed in the crucible. The use of conductive crucibles is well known, e.g. B. for poorly conductive melt material, but not with the aim of enabling operation at a higher frequency.
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.The proposed embodiment for feeding a melting furnace with a device for treating vibrations of the insert with a higher frequency can in individual cases also for a vacuum induction melting furnace without vibration treatment in Question come, namely, if the higher frequency is only advantageous from the standpoint of inductive heating appears, e.g. B. with small crucible diameters and especially when graphite crucibles are considered relatively must use great depth of penetration.
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.The other to be met in a melting furnace with a device for vibration treatment of the insert The measure is the generation of a strong magnetic constant field, which one expediently with the help of pole pieces will concentrate on the area of the current paths of use.
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.According to one embodiment of the invention, the pole shoes of the magnetization device are designed so that they are also part of the container delimiting the vacuum space, in such a way that the excitation coils or permanent magnets of the magnetization device can be attached outside the vacuum vessel. This design has significant advantages over other options, for example a magnet system arranged within the concentrator sleeve: the inner surfaces of the vacuum vessel and thus its gas release are kept as small as possible, the magnet system with possibly highly loaded coils can be easily cooled, which are direct current and high frequency coils practically decoupled, and the connecting line of the concentrator from the current loop to the cuff “ can be designed in the most favorable manner without being hindered by the magnet system.
An Hand der Zeichnungen wird im folgenden die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen erläutert.In the following, the invention is explained using two exemplary embodiments with reference to the drawings.
Fig. 1 und 2 zeigen schematised die erfmdungsgemäße Ausführung eines Vakuumofens ohne Magnetisierungsjoch für eine Schwingungserzeugung, um die Ausbildung des Konzentrators herauszustellen;1 and 2 show schematically the one according to the invention Design of a vacuum furnace without a magnetizing yoke for generating vibrations highlight the design of the concentrator;
Fig. 3 stellt den mit einer Magnetisierungseinrichtung kombinierten Vakuum-Induktionsofen zur Schwingungsbehandlung des Einsatzes dar.3 shows the vacuum induction furnace combined with a magnetization device Vibration treatment of the insert.
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. 1 is a longitudinal section in the axial direction, Fig. 2 is a cross section perpendicular thereto. The vacuum vessel is formed by the base B, the cover D with the suction opening A, the collar M of the concentrator and the spacer rings made of insulating material R 0 and R 11 . Sealing rings DR 1 for the vacuum seal are between all these parts . .. DR 1 arranged. The supported in the bottom B crucible T is surrounded 5 "of the concentrator of the belt-shaped cable loop which passes via the connecting lines L in the form of a ribbon cable into the sleeve, so that the closed circuit is created Manschette- loop. To the sleeve M is, by this insulated by the insulating material holder H , the primary coil P, to which the excitation current is supplied via its connection ends E 1 and E 2. The slot in the cuff M is filled by the sealing rod DS , which is made of rubber or plastic, but better as shown a rubber-coated rod made of insulating material. the incorporated in the ends of the sleeve M grooves N ensure the positional securing of the seal bar, as well as a good seal. by means of the clamping screws SB which are / isolated by the insulating against the lines L, the ends of the Cuff M clamped together against the sealing rod DS , the length of which is exactly the same ch the height of the cuff M, so that a smooth transition and thus a perfect seal is guaranteed by the sealing rings DR 2 and DR 3 at the end faces between the two. Unequal changes in length of the sealing rod DS and the cuff M due to temperature changes can be suppressed by good cooling of the cuff M. On the side of the cable loop S, the insulating material JT ensures the necessary distance between the cable ends L. The sealing rod DS with the insulating material JT can possibly be pulled together to form a part with an edge covered with rubber on the sealing side in order to provide better protection against flashover between the cables L to reach.
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.Fig. 3 shows in longitudinal section schematically a vacuum furnace, which by the installation of a magnetizing yoke for the combined vacuum-oscillation treatment of the melt after the electrodynamic one Procedure is suitable.
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. Wu mittels eines metallischen Spulenkörpers K befestigt, welcher zusätzlich nochThe vacuum vessel is formed by the cover D, the base B, the ring-shaped ferromagnetic pole pieces PS 0 and PS 11 , the spacer rings made of insulating material R 0 and R 11 and the sleeve M. Between all these parts are the sealing rings DR 1 for the vacuum seal. .. DR 6 arranged. The suction opening A is provided in the upper pole piece PS 0. The crucible T, which is shown here in a form that is favorable for the formation of vibrations, is held in the base B. The line loop 5 "is fed with the exciting alternating current in the same way as in the embodiment described first via the primary coil P, the cuff M and the connecting lines L. The pole shoes PS 0 and PS 11 go to the outside in jacket-like approaches O 0 and O 11 , which overlap and thus result in a good magnetic connection. For magnetic excitation, a ring winding W 0 or W u is fastened in the cavity of each pole piece by means of a metallic coil former K , which is additionally
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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 PSn verstärkt wird, außerdem der Tiegel T aber mit dem Boden B nach unten aus dem Vakuumraum herausgezogen werden kann.causes a shielding of the HF stray field. Recesses in the jacket parts O 0 and O 11 of the pole shoes allow the coil ends E 1 and E 2 to be led out . The bottom B, here made of ferromagnetic material, is designed by means of the tubular extension so that the pole piece PS n is reinforced, but also the crucible T can be pulled out of the vacuum space with the bottom B downwards.
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.Instead of the electromagnet shown, a magnetizing yoke with permanent magnets can also be used kick that, e.g. B. executed in a ring shape, between the upper spacer ring and cover or lower spacer ring and floor could be arranged. The pole pieces themselves could possibly also with the Bottom or cover are made in one piece. Otherwise, the soil can be so in a known manner be designed that are poured into a mold arranged below the crucible under vacuum can. The crucible bottom is given a bore for this purpose, which is closed in the usual way by means of a melt-off coil can be solved.
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Cited By (1)
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1956
- 1956-06-09 DE DES49010A patent/DE1042787B/en active Pending
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