DE3446260A1 - Elektrischer schmelzofen, insbesondere induktionsofen - Google Patents

Description

PATENTANWALT D R.-ING. EDUARD B

BAM

18.12.1984 5 KÖLN 1, _G/Str Werderstraße 3 Telefon (0221) 524208-9

Kn 801

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Patentanmeldung

der

Tauch Technik Service GmbH, Neusser Straße 363, 5000 Köln 60

"Elektrischer Schmelzofen, insbesondere Induktionsofen"

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schmelzofen, insbesondere Induktionsofen, mit einem Schmelzgefäß, das von einer ein magnetisches Wechsel feld erzeugenden Spule umgeben ist und eine Auslaßeinrichtung mit einer Auslaßöffnung zum intermittierenden Auslassen von Schmelze aufweist.

Elektroöfen unterscheiden sich von anderen Industrieöfen dadurch, daß bei diesen elektrische Energie benutzt wird, um eine beispielsweise zum Schmelzen einer Ofencharge erforderliche Temperatur zu erzeugen. Je nach Art der Energiezufuhr wird bei Elektroöfen zwischen Lichtbogenheizung, Widerstandsheizung und Induktionsheizung unterschieden.

Beim Induktionsofen sieht die gebräuchlichste industrielle Ausführung einen Feuerfesttiegel vor, der von einer wassergekühlten Kupferspule umgeben ist. Durch das elektromagnetische Wechselfeld dieser Induktionsspule werden in elektrisch leitenden Körpern, beispielsweise in einem metallischen Schmelzgut, Wechselströme erzeugt, die dieses aufheizen. Nach der angewendeten Frequenz wird zwischen Nieder-, Mittel- und Hochfrequenz-Induktionsöfen unterschieden. Bei Induktionsöfen mit einem nicht unmittelbar in magnetischen Wechsel feld heizbaren Schmelzgut kann das Schmelzgefäß selbst aus elektromagnetischinduktiv beheizbarem Material bestehen und durch übertragung von Wärme an die Charge diese zum Schmelzen bringen. Bei einem Schmelzofen mit Induktionsheizung ist es Stand der Technik, eine Ausflußöffnung am Tiefsten des Schmelztiegels bzw. unterhalb des Niveaus des Schmelzofens anzuordnen. Im Falle eines chargenweisen Betriebes, wobei die Schmelze zum Ende der metallurgischen Behandlung im Schmelzofen zumeist vollständig abgelassen wird, ist die genannte Anordnung der Ausflußöffnung zweckmäßig. Fallweise kann zur Verhinderung des Einfrierens von Metall resten oder zum Wiederaufschmelzen solcher Reste eine eigene Induktionsspule im Bereich der Ausflußöffnung vorgesehen sein. Bei intermittierendem Ofengang, wobei jeweils nur Teile der Schmelze aus dem Ofen abgelassen werden, ergeben sich bei der bekannten Anordnung der Ausflußöffnung Schwierigkeiten und Störungen, die durch das intermittierende öffnen und Wiederschließen der Auslaßorgane verursacht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schmelzofen mit Induktionsheizung anzugeben, der in der Lage ist, sowohl im Dauerbetrieb als auch im diskoninuierlichen Betrieb störungsfrei zu arbeiten, und dessen Auslaßeinrichtung ein beliebiges öffnen und Schließen zum Teilauslaß von Schmelze problemlos ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem elektrischen Schmelzofen mit Induktionsheizung der eingangs genannten Art dadurch, daß die Auslaßöffnung in einer Ebene oberhalb des Bodens des Schmelzgefäßes angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung befindet sich die Auslaßöffnung im Bereich der Wärmeeinstrahlung durch die sie umgebende heiße Schmelze, wodurch einem Verstopfen der Auslaßöffnung durch einfrierende Reste der Schmelze mit Vorteil wirksam begegnet wird.

Weiter ist vorgesehen, daß die Auslaßeinrichtung im Wechselfeld der Spule angeordnet ist und aus elektromagnetisch-induktiv beheizbarem Material besteht. Mit Vorteil wird hierdurch die Auslaßeinrichtung durch unmittelbare Einwirkung des induktiven Wechselfeldes beheizt und infolgedessen das Einfrieren von Schmelze in der Auslaßeinrichtung wirksam verhindert. Dabei wird diese vorteilhafte Wirkung in einfacher Weise erreicht, ohne daß hierfür die Anordnung einer eigenen Induktionsspule erforderlich ist.

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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sehen vor, daß Teile der Auslaßeinrichtung aus elektrisch leitendem, warmfestem Material wie Metall, vorzugsweise Stahl, und/oder Kohle bzw. Graphit bestehen.

Die Wahl des Materials liegt im Ermessen des Fachmannes und richtet sich vorzugsweise nach der stofflichen Substanz der Schmelze.

Weiter ist vorgesehen, daß die Auslaßeinrichtung eine Auslaßöffnung mit einem mit dieser als Ventil zusammenwirkenden, mechanisch betätigbaren Verschlußorgan aufweist, wobei mit Vorteil das Verschlußorgan als Ventil nadel ausgebildet ist.

Eine erfindungswesentliche Ausgestaltung der Verschlußeinrichtung sieht weiter vor, daß Auslaßöffnung und Ventilnadel von einer Vorkammer umgeben sind, und daß die Vorkammer im Bereich des Schmelzgefäßbodens wenigstens eine Einlaßöffnung für Schmelze aufweist und sich nach oben zu mit einem Schutzrohr für die Ventilnadel durch das Schmelzgefäß fortsetzt, und daß Vorkammer und Schutzrohr ebenfalls aus elektromagnetisch-induktiv beheizbarem Material bestehen.

Die erfindungsgemäß ausgestaltete Auslaßeinrichtung ist einerseits unkompliziert im Aufbau und zuverlässig in der Funktion. Dadurch, daß auch die Ventil nadel induktiv erhitzt wird, kann an deren Spitze anhaftende Schmelze nicht erstarren, weil diese mindestens auf

Schmelztemperatur induktiv aufgeheizt ist.

Weiterhin wird durch die Anordnung der Vorkammer die induktive Erhitzung der Auslaßeinrichtung und Warmhaltung der in ihrem Bereich befindlichen Teile der Schmelze verbessert. Die im Bereich des Schmelzgefä'ßbodens gelegene Einlaßöffnung der Vorkammer bewirkt mit Vorteil, daß Schmelze aus dem Tiegel oder Schmelzgefäß an dessen tiefster Stelle abgezogen wird und sodann in einem nach oben gerichteten Strom in die höher gelegene Auslaßöffnung gelangt.

Weiter ist vorgesehen, daß die Auslaßeinrichtung eine im Inneren der Vorkammer angeordnete Ausflußkammer mit einem im Abstand vom Boden des Schmelzgefäßes angeordneten Deckel aufweist, und daß die Auslaßöffnung im Deckel angeordnet ist.

Mit Vorteil wird hierdurch erreicht, daß die Vorkammer mit der darin angeordneten Ausflußkammer ein syphonartiges Ausflußsystem bilden, dessen Einlaßöffnung am Boden des Schmelzgefäßes und dessen Auslaßöffnung im Abstand darüber im Deckel der Ausflußkammer gelegen sind. Dabei gewährleistet die untere öffnung der Vorkammer, daß nur bereits hocherhitztes Material in die Vorkammer einfließt. Obwohl die Ausflußöffnung höher liegt, wird kontinuierlich Schmelze an tiefster Stelle des Schmelzgefäßes abgezogen, wordurch gewährleistet ist, daß kein Restvolumen bleibt, sondern geschmolzenes Gut fortlaufend aus dem Schmelzgefäß genommen werden kann.

Weil auch die Ausflußkammer ebenso wie die übrigen Teile der Auslaßeinrichtung induktiv beheizt ist, sichert ihre glockenartige
Gestaltung einen Temperaturstau im Ausflußraum. Die Ausflußöffnung ist damit immer von schmelzflüssigem Gut umgeben und kann
nicht durch einfrierende Schmelze in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.

Infolge induktiver Beheizung sowohl der Ventilnadel als auch des Schutzrohres weisen diese eine gleiche oder höhere Temperatur auf als die umgebende Schmelze. Gleichzeitig verhindert das Schutzrohr einen thermischen Kurzschluß zwischen der Schmelze und der Ausflußöffnung.

Hierbei kann es, insbesondere im Falle einer induktiv nicht beheizbaren Charge, vorteilhaft sein, daß sowohl der Boden des Schmelzgefäßes als auch dessen Mantel aus elektromagnetisch-induktiv beheizbarem Material bestehen.

Die Erfindung wird in der Zeichnung in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt, wobei aus der Zeichnung weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung entnehmbar sind.

Es zeigen:

Figur 1 einen Induktionsofen im Schnitt,

Figur 2 in Draufsicht den Induktionsofen gemäß Figur 1.

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Der Induktionsofen 1 ist auf einem Ofengestell 15 aufgebaut und weist einen Mantel 14, einen damit verschweißten Boden 2 sowie einen mittels Flanschen 18 unter Zwischenlage einer Dichtung durch Schrauben verbundenen oberen Abschlußdeckel 16 auf, der mit einem Einfüllstutzen 17 versehen ist. Der Mantel 14, ebenso wie der Boden und der Abschlußdeckel 16, sind aus warmfestem Metall, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Stahl gefertigt. Der Mantel 14 ist von einer wassergekühlten, kupfernen Induktionsspule 5 umgeben. Diese ist an einen (nicht gezeigten) Wechselstromgenerator angeschlossen und arbeitet nach Maßgabe des schmelzbaren Gutes in einem Frequenzbereich zwischen 50 Hz (Niederfrequenzofen), 500 bis 2000 Hz (Mittelfrequenzofen) bis zu 100 000 Hz (Hochfrequenzofen).

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, wobei das Schmelzgefäß 3 selbst aus magnetisch-induzierbarem Material besteht, werden dessen Teile im magnetischen Wechselfeld der Spule 5 nach Maßgabe von Feldstärke und Frequenz des Wechsel fei des unmittelbar erhitzt. Dabei sieht die erfindungswesentliche Ausgestaltung des Induktionsofens 1 vor, daß die Auslaßöffnung 7 in einer Ebene x-x im Abstand oberhalb des Bodens 2 des Schmelzgefäßes 3 angeordnet ist. überhaupt ist die gesamte Auslaßeinrichtung 4 mit der Auslaßöffnung 7 im Wechselfeld der Spule 5 angeordnet und besteht, ebenso wie der Boden 2, der Mantel 14 und der Abschlußdeckel 16 aus elektromagnetisch-induktiv beheizbarem Material, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Stahl. Die Auslaßeinrichtung 4 ist im übrigen im Zusammenwirken zwischen

der Auslaßöffnung 7 und einem mechanisch betätigbaren Verschlußorgan 8 als Ventil ausgebildet. Dabei besitzt die Auslaßöffnung 7 einen konischen Kanal, der mit einer als Verschlußorgan 8 ausgebildeten Ventilnadel 6 verschließbar ist. Auch diese Ventilnadel ist aus elektromagnetisch-induktiv beheizbarem Material hergestellt. Die Auslaßöffnung 7 befindet sich im Deckel 13 einer Ausflußkammer 12, die ihrerseits von einer Vorkammer 9 umgeben ist. Von dieser erstreckt sich nach oben hin ein Schutzrohr 11, welches die Ventil nadel 6 umschließt. Dieses Schutzrohr 11 setzt sich nach oben hin bis zum Anschluß an den Schmelzgefäßdeckel 16 fort und wird vom Deckel 16 in einer zentrischen Aufnahme 19 gehalten. Die Ventilnadel 16 ist durch eine Bohrung 20 im Abschlußdeckel 16 hindurchgeführt und steht mit (nicht dargestellten) Mitteln zur Betätigung der Auslaßeinrichtung 4 in Verbindung.Die Ausflußkammer mündet nach unten zu in einen Abflußkanal 17, der das Ofengestell nach unten durchdringt.

Wie aus der Darstellung im Schnitt gemäß Figur 1 deutlich erkennbar, bildet die Ausflußeinrichtung 4 im Zusammenwirken zwischen der Vorkammer 9 und der Ausflußkammer 12 ein syphonartiges Abflußsystem, wobei die im Bereich des Bodens 2 gelegenen Einlaßöffnungen 10 der Vorkammer 9 dafür sorgen, daß Schmelze jeweils vom Tiefsten des Schmelzgefäßes 3 abgezogen und durch die im Deckel höher gelegene Auslaßöffnung 7 zum Abflußkanal 17 hin abgezogen werden kann. Dadurch, daß alle Elemente der Auslaßeinrichtung,

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nämlich die im Deckel 13 angeordnete Auslaßöffnung, das Verschlußorgan 8, die Ausflußkammer 12 sowie die Vorkammer 9 und das Schutzrohr 11 aus elektromagnetisch-induktiv beheizbarem Material bestehen und im Wechselfeld der Induktionsspule 5 angeordnet sind, ergibt sich mit dieser erfindungswesentlichen Ausgestaltung der Vorteil, daß in jeder Phase des Betriebes, und zwar sowohl im Dauerbetrieb als auch im diskontinuierlichen Betrieb, ein störungsfreies Arbeiten möglich ist. Die im beheizten Raum des Wechselfeldes angeordnete Auslaßeinrichtung bildet somit eine Wärmestauzone und eine der heißesten Stellen des Schmelzofenraumes. Dadurch ist gewährleistet, daß dieser Ausfluß in keiner Phase des diskontinuierlichen Betriebes einfrieren kann.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Induktionsofens ist umkompliziert und in funktioneller Hinsicht zuverlässig. Sie stellt damit eine optimale Lösung der eingangs gestellten Aufgabe dar.

- Ansprüche -

Claims (11)

Ansprüche

1. Elektrischer Schmelzofen, insbesondere Induktionsofen, mit einem Schmelzgefäß, das von einer ein magnetisches Wechsel feld erzeugenden Spule umgeben ist und eine Auslaßeinrichtung mit einer Auslaßöffnung zum intermittierenden Auslassen von Schmelze aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (7) in einer Ebene (x-x) oberhalb des Bodens (2) des Schmelzgefäßes (3) angeordnet ist.

2. Schmelzgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtung (4) im Wechselfeld der Spule (5) angeordnet und aus elektromagnetisch-induktiv bei heizbarem Material besteht.

3. Schmelzofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (7,8) der Auslaßeinrichtung (4) aus elektrisch leitendem, warmfestem Material wie Metall, vorzugsweise Stahl, und/oder Kohle bzw. Graphit bestehen.

4. Schmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtung (4) eine Auslaßöffnung (7) mit einem mit dieser als Ventil zusammenwirkenden, mechanisch betätigbaren Verschlußorgan (8) aufweist.

5. Schmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Verschlußorgan (8) als Ventilnadel (6) ausgebildet ist.

6. Schmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Auslaßöffnung (7) und Ventil nadel (6) von einer Vorkammer (9) umgeben sind.

7. Schmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (9) im Bereich des Schmelzgefäßbodens (2) wenigstens eine Einlaßöffnung (10) für Schmelze aufweist und sich nach oben zu mit einem Schutzrohr (11) für die Ventilnadel (6) durch das Schmelzgefäß (3) fortsetzt, und daß Vorkammer (9) und Schutzrohr (11) ebenfalls aus elektromagnetisch-induktiv beheizbarem Material bestehen.

8. Schmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßeinrichtung (4) eine im Innern der Vorkamme (9) angeordnete Ausflußkammer (12) mit einem im Abstand vom Boden (2) des Schmelzgefäßes (3) angeordneten Deckel (13) aufweist, und daß die Auslaßöffnung (7) im Deckel (13) angeordnet ist.

9. Schmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Äusflußkammer (12) aus elektromagnetisch-induktiv beheizbarem Material besteht.

10. Schmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (2) des Schmelzgefäßes (3) ebenfalls aus elektromagnetsich-induktiv beheizbarem Material besteht.

11. Schmelzofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (14) des Schmelzgefäßes (3) aus elektromagnetischinduktiv beheizbarem Material besteht.