Verfahren zum Schmelzen von Metallen in einem Induktionsofen und Ofen zur Durchführung des Verfahrens. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von Metallen, insbesondere von Leichtmetallen und ihren Legierungen, in einem Induktionsofen mit unterhalb des Ofen herdes angeordneter Schmelzrinne und einen Ofen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Wenn ein elektrischer Strom durch einen festen oder geschmolzenen Leiter geschickt wird, dann wird innerhalb und ausserhalb die ses Leiters ,ein magnetisches Kraftfeld er zeugt. Durch die Zusammenwirkung der Stromelemente, die den Leiter durchfliessen, und der Kraftfelder, die diesen Stromfluss durchqueren, werden in dem Leiter elektro magnetische Kräfte erzeugt. Wenn der Leiter ein geschmolzenes Metall ist, werden in dem selben elektromagnetische Kraft- bzw. Druck wirkungen von verschiedener Stärke erzeugt, wodurch in Teilen des Leiters höhere und in andern Teilen desselben niedrigere Druck zonen entstehen.
Diese Druckkräfte sind nach der Mitte des magnetischen Kraftfeldes ge richtet, welche Richtung mit Hilfe der be kannten Dreifingerregel bestimmt werden kann. Die Kraftrichtung wird auch bei Ver wendung von Wechselstrom nicht geändert. Daher behalten die in dem geschmolzenen Me tall erzeugten Kraftkomponenten stets die gleiche Richtung.
Wenn sich in dem geschmolzenen Metall Schlackenteile befinden, dann werden diese Kraftkomponenten nur in dem die Schlacken umgebenden Metall erzeugt; infolgedessen werden die Schlacken gezwungen, in Zonen zu wandern, wo niedrigere Drucke herrschen als in ihrer Umgebung. Die elektromagne tischen Kräfte sind bei den in Frage kom menden Stromdichten viele hundert Mal grö sser als die Schwerkraft, die im Ruhezustande des geschmolzenen Metalles zur Auswirkung gelangt. Es ist bekannt, Metallbäder, z.
B. ge schmolzenen Siliziumstahl, in den sogenannten offenen Induktionsöfen von Schlacken zu befreien; in diesem Ofen ist die Primärspule oberhalb des ringförmigen Metallbades ange ordnet. Die Schlackenteile werden dabei ge zwungen, an die Oberfläche des Bades zu wandern, von wo sie entfernt werden können. Das bekannte Verfahren hat den Nachteil sehr hohen Stromverbrauches; wenn es sich um leicht oxydierende Metalle handelt, ist es besonders unvorteilhaft, da die Aufwärts bewegung des Bades die Berührung desselben mit der umgebenden Luft und Oxydierung des Metalles fördert.
Es ist auch vorgeschlagen worden, die Trennung der Schlacken vom Metallschmelz- bad durch Schaffung zweier elektromagneti scher Felder zu erzielen, die in besonderer Weise zueinander orientiert sind. Hier wird aber der Strom nicht im Bade induziert, son dern direkt in dasselbe geleitet.
Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen einen langen Leiter von kreisförmigem Querschnitt; durch den ein starker Strom geschickt wird; der Rückleiter befindet sich in ziemlicher Entfernung, und .der Mittelpunkt des magne tischen Feldes fällt mit dem geometrischen Mittelpunkt 31 des Kreisquerschnittes zusam men.
Die magnetischen Kraftlinien verlaufen in konzentrischen Kreisen um diesen Mittel punkt (siehe Fig. 9). Die Feldstärke im Mit telpunkt ist Null und hat einen Höchstwert am Umfang. Der grösste elektromagnetische Druck wird in der Mitte und der geringste am Umfange erreicht. Die Kraftv,-irkungen sind daher radial nach dem Mittelpunkt gerichtet.
Die Kräfte, die durch die Wirkung des elektrischen Stromes und der Magnetfelder erzeugt werden, können aus der nachstehenden Gleichung K <I>=</I> 0,125<I>. j. H (1)</I> abgeleitet werden, wobei E = Kraft in dyn./em3 j = Stromdichte in Amp./cm- H = Feldstärke in Amp./em ist. Die Stromdichte j im Querschnitt von Lei tern, wie sie für die vorliegenden Zwecke in Frage kommen, ist überall ungefähr gleich.
Die Feldstärke in einer kreisförmigen Schicht mit dem Durchmesser x ist
EMI0002.0031
Durch Einsetzen von Gleichung (2) in Gleichung (1) ergibt sich eine Kraft pro Vo lumeneinheit wirksam auf alle Teile eines Kreises mit dem Durchmesser x
EMI0002.0032
In den Aussenschichten des kreisförmigen Leiters ist die Kraft
EMI0002.0033
Fig. 10 zeigt die Verteilung der Kräfte über -den Querschnitt. In einer praktisch endlosen zylindrischen Spule, die einen Durchmesser D hat,
können die wirksamen Kräfte durch Anwendung der Gleichungen auf ein Einheitslängenteil er rechnet werden (vergleiche Fig. 11). Die Feldstärke ist in einer Schicht, die eine Ent fernung x von dem Umfange des Leiters hat HX=x.j <I>(5)</I> Durch Einsetzen von Gleichung (5) in Gleichung (1) ergibt sich Ix. <I>=</I> 0,125<I>. x.
j= (6)</I> An der Innensebichtseite ist die Höchst kraft pro Volumeneinheit <I>K</I> ma,t = e125 <I>.</I> j" <I>. D (7)</I> Fig. 11 zeigt einen Querschnitt des Lei ters samt den Kraftfeldlinien in und Fig. 12 .die Verteilung der Kräfte auf den Querschnitt.
Aus dem Vergleich der Gleichung (4) mit der Gleichung (7) ergibt sich, dass unter ähn lichen Bedingungen, das heisst gleicher Strom dichte und Querschnitt des Leiters, die Kraft- virkung im Falle der endlosen Spule vier mal grösser ist als im Falle des langen Lei ters.
Die Kräfte, die in den Schmelzkanälen von Induktionsöfen mit unterhalb des Herdes angeordneter Schmelzrinne wirken, liegen zwischen denen der beiden oben erörterten Grenzfälle.
Fig. 13 zeigt die Primärspule A eines In duktionsofens, den Schmelzkanal B, die Achse Y der Primärspule und die Streufelder vt, welche den Sekundärleiter umgeben und durchsetzen. Der Nullpunkt M des Feldes ist innerhalb des Sekundärleiters, aber nicht im Mittelpunkt desselben angeordnet, wie in Fig. 9 ; er liegt auch mehr innerhalb des Lei ters B als in Fig. 11. Es werden daher die maximalen Kräfte zwischen den Werten lie gen, die durch die Gleichungen (4) und (7) bestimmt sind.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist da durch gekennzeichnet, dass die Stromstärke und die Dimensionen der Kanäle so gewählt werden, dass das Produkt vom Quadrat der in Amperen pro Quadratzentimeter gemessenen Stromdichte und dem in Zentimetern gemes senen Durchmesser des dem Kanalquerschnitt flächengleichen Kreises im unzugänglichen Bodenkanal höchstens 1,3. 10s beträgt, damit die dadurch bewirkten elektromagnetischen Druckkräfte hier zu gering bleiben, um ein Absetzen von Schlackenteilen zu bewirken, während in den Verbindungskanälen dieses Produkt grösser als 1,3.10s gehalten wird.
damit hier die Schlackenteile durch die elek trischen Kräfte an die Wandungen gedrängt werden und sich hier absetzen, und dass die Schlackenteile hier entfernt werden, ohne den Ofen zu entleeren und den kontinuierlichen Betrieb zu unterbrechen. Der erfindungs gemässe Induktionsofen zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine unterhalb des Ofenherdes angeord nete, aus einem Bodenkanal und diesen Bo denkanal mit dem Herd verbindenden geraden Kanälen bestehende Schmelzrinne aufweist, und dass die Querschnittsfläche des Boden kanals mindestens dreimal so gross als die jenige eines Verbindungskanals ist.
In dem Bodenkanal sind dabei die elektromagnetischen Kräfte so gering, dass Schlackenteile, die von der in dem Kanal herrschenden Metallbewe gung mitgerissen werden, nicht haften blei ben; daher kann ein Absetzen von Schlacken in dem Bodenkanal nicht stattfinden; die selben werden mit dem Metallschmelzstrom in die Verbindungskanäle geführt, an deren Wände sie durch die in demselben wirksamen höheren elektromagnetischen Kräfte gepresst und zur Ablagerung gebracht. werden. Die Entfernung der Schlackenablagerungen kann ohne 'Unterbrechung des Betriebes vorgenom men werden, weil die Verbindungskanäle ohne Entleerung des Ofens zugänglich sind und ge reinigt werden können.
Im folgenden werden Beispiele des Ver fahrens und des Ofens erläutert.
Die Fig. 1 bis 8, 14, 15 und 16 zeigen senkrechte Schnitte durch solche Öfen, wobei Fig. 2 einen Schnitt gemäss 2-2 der Fig. 1, Fig.4 einen Schnitt gemäss 4-4 der Fig. 3 und Fig. 15 einen Schnitt gemäss 2-2 der Fig. 16 darstellt; Fig. 17 ist eine Tabelle gleicher Betriebs daten von erfindungsgemässen und nicht der Erfindung entsprechenden Induktionsöfen;
Fig. 18 zeigt eine Zusammenstellung von Kurven, welche die Beziehungen zwischen den elektromagnetischen Druckkräften und den Querschnittsänderungen im sekundären Leiter veranschaulichen.
Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, besitzt der Ofen einen Herd 2, welcher den Hauptteil der geschmolzenen Beschickung enthält, eine Schmelzrinne mit Bodenkanal 7 und einen Transformator.
Die Teile des Ofens sind in ein Gehäuse 1 eingeschlossen, welches ein Futter 3 aus feuerbeständigem Material besitzt. Die Trans formatorwicklung besteht aus zwei isolierten Kupferdrahtspulen,welche an eine einphasige Wechselstromquelle angeschlossen sind, die jedoch in den Figuren nicht gezeigt ist.
Die Spulen sind rechteckig und mit 8, der Eisenkern mit 10 bezeichnet. Diese Primär wicklung ist von der Schmelzrinne, welche die Sekundärwicklung bildet, mittels einer Asbestzementhülse 11 isoliert und befindet sich in einem Gehäuse 12, in welches mit tels des Gebläses 13 ein Kühlluftstrom ge blasen wird.
Die Schmelzrinne besteht aus einem ver tikalen Mittelkanal 5, zwei seitlichen verti kalen Kanälen 4 und dem Bodenkanal 7, in welch letzteren die vertikalen Kanäle 4, 5 einmünden.
Es sind Stopfen 17 für den Bodenkanal vorgesehen; diese Stopfen werden aber nur von Zeit zu Zeit zur Reinigung des Boden kanals benützt. Im gewöhnlichen Betrieb werden die Kanäle nur von oben gereinigt.
Jeder dieser Kanäle hat einen in seiner gesamten Länge im wesentlichen gleichen Querschnitt, und alle drei vertikalen Kanäle münden in den Herd und in den Bodenkanal unter Vermeidung von Enderweiterungen. Die Schlacken werden, wie beschrieben, in den senkrechten Kanälen angesammelt, von wo sie leicht entfernt werden können. Beim Ofen gemäss Fig. 3 und 4 sind riunenförmige Ausnehmungen 15 und 16 im Bodenteil des Herdes 2 und in dem Oberteil des Bodenkanals 7 angeordnet. Diese Aus nehmungen verbinden die obern und untern Enden der drei Kanäle 4 und 5.
Die beiden Spulen des Ofens sind an eine einphasige Stromquelle angeschlossen und können hintereinander oder parallel geschaltet werden.
Die Stromdichte in den vertikalen Ka nälen ist ungefähr dreimal so hoch als die Stromdichte in dem Bodenkanal.
Der Ofen gemäss Fig. 5 hat einen Herd 2 und eine Schmelzrinne, die aus einem Boden kanal 5 und zwei Seitenkanälen 6 besteht. Der Ofen ist. von einem Gehäuse 1 umgeben, welches mit -einem feuerfesten Futter 3 ver sehen ist. Der Transformator besteht aus einem Eisenkern 4 und einer Spule 9, welche mittels einer Asbesthülse 8 isoliert ist.
Der Querschnitt der senkrechten Kanäle ist hier leicht nach oben hin verjüngt; infolge dessen werden maximale Druckkräfte in den obern Endteilen 7 erzeugt, wo die grösste Schlackenabsetzung stattfindet und wo die Schlacken an den Innenwandungen der Schmelzkanäle zum Anhaften gebracht werden.
Diese obern Kanalzonen sind leicht zu gänglich: die Schlacken können aus denselben in gewissen Zeitabständen entfernt werden.
In dem Bodenkanal 5, welcher einen wesentlich grösseren Querschnitt hat als die Seitenkanäle und in welchem entsprechend geringere elektromagnetische Druckkräfte herrschen, findet selbst nach langer Betriebs flauer des Ofens keine Absetzung oder An häufung von Schlacken statt. Die Schlacken werden daher von dem 11#Ietallstrom, der in be kannter Weise durch die Schmelzrinne des Ofens zirkuliert, erfasst und gelangen in die Seitenkanäle 6, wo sie infolge der wesentlich erhöhten elektromagnetischen Drucke zum Anhaften an die Wände gebracht werden.
Der Ofen, welcher in Fig. 6 dargestellt ist, ist von dem in F'ig. 5 gezeigten insofern verschieden, als hier drei vertikale Kanäle, nämlich zwei Seitenkanäle 6 und ein Mittel kanal 11 vorgesehen sind, die einen runden Querschnitt haben.
In der Ausführungsform des Ofens nach Fig. 7 sind feuerfeste Stauplatten 14 ober halb des obern Endes der vertikalen Kanäle 6 angeordnet. Die Zonen von höchstem elek tromagnetischem Druck befinden sich daher unterhalb dieser Stauplatten 14. Die Stau platten 14 sind lose im Bodenteil des Herdes angeordnet und können zum Zwecke der Rei nigung .der Kanäle entfernt werden.
Zur Reinigung der Kanäle können Stahl iohre verwendet werden. Beim Einführen der Rohre in die Kanäle werden die Schlacken aus den Kanälen herausgeschnitten, haften an den innern Wandungen der eingeführten Rohre an und können auf diese Weise leicht entfernt werden.
Der in Fig. 8 im senkrechten Schnitt ge zeigte Ofen unterscheidet sich von dem in Fig. 6 gezeigten Ofen insofern, als in den obern Enden der vertikalen Kanäle 6 Ein sätze 15 vorgesehen sind, welche einen innern Kanal 16 besitzen.
Die beschriebenen Üfen eignen sich beson ders für das Schmelzen von Kupfer, Leicht metallen und Leichtmetallegierungen, z. B. Aluminiumbronze, Aluminium-Siliziumlegie- rungen usw.
In einem Ofen, wie er in den Fig. 1, 2, 3, 4, 7 oder 8 dargestellt ist, haben z. B. die beiden senkrechten Seitenkanäle einen kreis förmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von 5 cm; sie erhalten jeder einen Strom von 17 500 Amp.; der Wert i'. <I>D</I> ist dann gleich etwa 4. 10'. Dadurch werden die Schlacken teile an die Wand der senkrechten Seiten kanäle gepresst, von wo sie in einfacher Weise und ohne Unterbrechung des Schmelzbetriebes entfernbar sind.
Der mittlere senkrechte Kanal hat einen rechteckigen Querschnitt von 5. 10 cm und erhält einen Strom von 35 000 Amp:; der Wert j'. <I>D</I> ist hier<B>3,1.</B> 10'; die Schlacken absonderung ist in diesem Kanal nicht ganz so stark wie in .den beiden Seitenkanälen. Der horizontale Bodenkanal hat einen Querschnitt von 7,5 . 10 cm und erhält einen Strom von 17 500 Amp.; der Wert j' <I>.
D</I> ist gleich 0.55.10e. Hier ist die elektromagnetische Kraftwirkung so gering, dass eine Schlacken- nblagerunb an den Wänden selbst nach einem kontinuierlichen Betrieb von sechs und mehr Monaten nicht stattfindet.
Die Querschnitte der Kanäle können zu einander im Verhältnis von 3 : 2 : 1 stehen. Der in Fig. 14 gezeigte Ofen besitzt einen Herd 2 und eine unterhalb desselben ange ordnete Schmelzrinne, welche aus dem Bo denkanal 5 und den beiden senkrechten Ka nälen 6 besteht, die den Bodenkanal mit dem Herd verbinden. Der Ofen ist auch hier in ein Gehäuse 1 eingeschlossen, welches mit einem feuerfesten Futter 3 versehen ist. Der Transformator besitzt eine Kupferspirale 9 und einen Eisenkern 4; er ist mittels einer Asbest hülse 8 isoliert. Das Verhältnis des Quer schnittes des Bodenkanals 5 zum Querschnitt jedes der Verbindungskanäle 6 entspricht hier ungefähr 3 : 1.
Der Ofen, der in den Fig. 15 und 16 dar gestellt ist, hat zwei Schmelzrinnen, welche im Winkel zueinander und zu dem Schmelz herd angeordnet sind. Auch hier ist der Ofen in ein Gehäuse 1 eingeschlossen, welches mit einem feuerfesten Futter 3 versehen ist.
Die Schmelzrinnen bestehen aus einem Bodenkanal 5 und den Seitenkanälen 6, welche den Bodenkanal mit dem Herd 2 ver binden.
Jede Schmelzrinne ist mit einem Trans formator, bestehend aus einer Kupferspirale 9 und einem Eisenkern 4, versehen; die Spirale ist mittels einer Asbestzementhülse 8 isoliert.
Zum Vergleich sind die Betriebsdaten für eine Anzahl von Induktionsöfen mit unterhalb des Herdes angeordneter Schmelzrinne in der in Fig. 17 dargestellten Tabelle zusammen gefasst worden. Die Öfen sind in der Tabelle mit den Buchstaben A-G bezeichnet; die Öfen A-D repräsentieren den bekannten Typ dieser Induktionsöfen, und die Öfen E. F, G repräsentieren Öfen, die gemäss der Er findung ausgebildet sind. Der Ofen A ist. z. B. ein Messingschmelz ofen, in welchem versuchsweise Aluminium geschmolzen wurde.
Die Öfen besitzen mit Ausnahme des Ofens F eine einzige Schmelzrinne, während der Ofen F zwei Schmelzrinnen hat.
In den Öfen A-D ist die Querschnitts- fläche des horizontalen Bodenkanals gleich der der senkrechten Verbindungskanäle, wäh rend in den Öfen E-C der Querschnitt des Bodenkanals beträchtlich grösser ist als der Querschnitt .der Verbindungskanäle.
In allen Fällen der hier behandelten Öfen ist der Sekundärstrom gleich dem Primär strom multipliziert mit der Windungszahl.
In der ersten Spalte der Tabelle (Fig. 17) sind die Ofenbezeichnungen A-G verzeich net, in der zweiten Spalte die Windungszahl 1T, in der dritten Spalte die Primärstrom stärke, in der vierten Spalte die Sekundär stromstärke, in der fünften Spalte die Quer schnittsflächen Q der Sekundärschmelzrinne, wobei für die Öfen E-G die verschiedenen Querschnitte der Verbindungskanäle und des Bodenkanals angegeben sind;
in der sechsten Spalte ist die Stromdichte j und in der sie benten Spalte der Wert für j" <I>. D</I> angegeben. Auf dem Kurvenschaubild, welches in der Fig. 18 dargestellt ist, sind die Werte für die Querschnitte auf der Abszissenachse und die Werte für das Produkt j2 <I>. D</I> auf der Ordinatenachse eingetragen, und @ zwar ent sprechend Stromstärken von 10000,<B>15000,</B> 20 000, 25 000 und. 30 000 Amp.
Wenn z. B. ein Kanal der Sekundär schmelzrinne einen Querschnitt von 40 cm' hat, ein Strom von<B>30000</B> Amp. durch diesen Kanal fliesst, dann zeigt die Kurve ein Pro dukt von j- <I>. D</I> = 4. 10s an.<I>D</I> bezeichnet immer den Durchmesser des der Querschnitts fläche flächengleichen Kreises.
Die Arbeitsgebiete der einzelnen Öfen sind durch kleine Kreise veranschaulicht, die in das Schaubild der Fig.18 eingetragen und mit den Ofenbezeichnungen der Tabelle, Spalte 1, in Fig. 17 versehen sind. Die ver schiedenen Querschnitte des Bodenkanals und der Verbindungskanäle der Öfen E, F und G sind durch die zusätzlichen Zahlen 2 und 1 kenntlich gemacht.
Während in den Ofen -A-D eine im wesentlichen gleichförmige Schlackenablage rung auf der Gesamtlänge der Sekundär- schmelzrinne stattfindet und infolgedessen eine Reinigung der Schmelzrinne nach jeder neuen Beschickung erforderlich ist, können die Ofen E-G dadurch im kontinuierlichen Betrieb erhalten werden, dass die Schlacken ohne Entleerung des Schmelzbades aus den Verbindungskanälen entfernt werden und die Absetzung von Schlacken in dem Boden kanal völlig verhindert ist.
Das Kurvenbild der Fig. 18 zeigt in sehr anschaulicher Weise wie die elektromagneti schen Druckkräfte die Schlackenabsetzung im Verhältnis zum Querschnitt der Schmelz kanäle bewirken oder verhindern.
Sämtliche in der Fig. 18 eingetragenen Kurven zeigen von rechts nach links betrach tet einen langsam ansteigenden Verlauf, bis ein gewisser Punkt erreicht ist; von da ab erfolgt ein scharfer Anstieg der Kurve, das heisst, wenn die Querschnittsfläche der Schmelzrinne allmählich verringert wird, dann steigen die elektromagnetischen Druckkräfte zunächst allmählich an und nehmen aber dann in rapider Weise zu.
Wenn in der Schmelzrinne des Induktions ofens ein Verhältnis eingehalten wird zwi schen Stromdichte und dem Querschnitt des Kanals, wobei sich das j2 <I>. D</I> oberhalb der Linie 0-P befinden, dann wird eine Ab- lagerung von Schlackenteilen aus dem schmelzflüssigen Leiter innerhalb kürzester Frist stattfinden. Dieses Gebiet oberhalb der Linie 0-P kennzeichnet daher Verhältnisse, die in den bekannten Ofen eine häufige Unter brechung des Ofenbetriebes und die Entlee rung des Ofens zwecks Reinigung der Schmelz rinne verursachen.
Die Linie M-N zeigt die untere Grenze dieses kritischen Betriebszustandes an. Diese ist bestimmt durch Aufrechterhaltung eines Verhältnisses zwischen Stromdichte und dem Querschnitt des geschmolzenen Leiters, wel ches zur Bildung von elektromagnetischen Druckkräften führt, .die durch die Gleichung j= . D = 0,6 . 10e definiert wird. Wenn diese elektromagnetischen Druckkräfte in der Schmelzrinne erzeugt werden, dann wird die Absetzung von Schlacken für praktisch end lose Zeitperioden ausgeschlossen.