DE2402550A1 - Auskleidung fuer induktionsoefen - Google Patents

Description

Auskleidung für Induktionsöfen

Die vorliegende Erfindung betrifft Induktionsöfen und insbesondere eine hitzebeständige Einstampfmischung für die Verwendung in Induktionsöfen.

In der Vergangenheit waren Induktionsöfen eine wirksame Einrichtung für das Erhitzen von Metallen, indem man das Metall einem sehr großen Wechselstrom-Magnetfeld aussetzte und dabei in dem Metall Wirbelströme und Hysterese erzeugte. Die Wirbelströme und die Hysterese sind das, was das Metall tatsächlich erhitzt.

Ein Induktionsofen umfaßt im allgemeinen einen Behälter, der eine hitzebeständige Auskleidung aufweist, in die Kanäle für die Aufnahme der Induktionsspulen und das zu erhitzende oder zu schmelzende Metall eingearbeitet sind« In dem speziellen Beispiel

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eines Ofens zum Schmelzen von Kupfer muß die hitzebeständige Auskleidung die Induktionsspulen von dem geschmolzenen Kupfer elektrisch isolieren. Die bekannten Auskleidungen, z.B. Aluminiumoxyd und Siliciumdioxyd, zeigen jedoch eine Neigung zu einem benetzenden Zustand (wetting condition).

Analog ergibt sich bei Wasser ein benetzender Zustand, wenn die Oberflächenspannung unzureichend ist, um das Material Perlen bilden zu lassen. Ein vertrautes Beispiel ist das perlenbildende Wasser auf einem frisch gewachsten Auto. Die Zugabe von Seife oder einem das Wasser "weich" machenden Mittel verringert die Oberflächenspannung und die Perlen zerfließen.

Bei geschmolzenem Kupfer wurde festgestellt, daß ein benetzender Zustand durch Sauerstoff verursacht wird. D.h. es wurde festgestellt, daß die Gegenwart von Sauerstoff das Ausbreiten von Kupfer auf der Oberfläche und das Durchdringen durch die Poren der hitzebeständigen Auskleidung, wie das von Wasser in einem Schwamm, gestattet und schließlich das Feld zu dem Stahlgehäuse des Ofens hin und manchmal sogar einige Teile des Induktors selbst elektrisch kurzschließt.

Bei einigen Auskleidungen tritt das Kurzschließen mehr oder weniger regelmäßig während einer Periode von einer bis zu einigen Wochen auf und erfordert das Außerbetriebsetzen, Reinigen und das Einbringen bzw. Einstampfen einer neuen Auskleidung in den Ofen. Das Reinigen und Einstampfen erfordern beträchtliche Zeit und Anstrengung und resultieren in einer beachtlichen Zeit, in der der Ofen außer Betrieb ist. Die Kosten dieser Zeit, in der der Ofen außer Betrieb ist, ebenso wie die Kosten für das häufige Reinigen und Einstampfen einer neuen Auskleidung erhöhen unnötigerweise die Kosten des Produktes.

Einige der bekannten Auskleidungen, wie Aluminiumsilikat in Kombination mit Siliciumcarbid, haben zxvar für eine gewisse Zeit eine Benetzungsbeständigkeit, verursachen jedoch die Bildung von Schläckenab !Lagerungen (Metalloxyden) auf den Kanälen für das

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Kupfer. Dies verlangsamt das Herausfließen des geschmolzenen Kupfers aus dem Ofen und verursacht auch die Bildung lokaler heißer Bereiche in dem Kupfer. Diese heißen Bereiche sind unerwünscht, da sie die Reaktivität des Kupfers erhöhen und das Benetzungsproblem erschweren.

Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine hitzebeständige Einstampfmischung von geschmolzenem Magnesiumoxyd ₃ das in Form einer Mischung von Teilchen verschiedener Größe vorliegt, mit Tonbindern gelöst. Es wurde festgestellt, daß Magnesiumoxyd außer bei hohen Temperaturen, d.h. bei mehr als 1300 ⁰C, durch Kupferoxyd nicht benetzt wird. Ferner wurde festgestellt, daß durch Anwendung des aus einer Mischung von Pulverteilchen verschiedener Größen bestehende geschmolzenen Magnesiumoxyds eine hochdichte Auskleidung gepreßt werden kann, in der wenig Luft eingeschlossen ist, wodurch die Menge des zur Verfügung stehenden Sauerstoffes verringert wird.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine örtliche reduzierende Atmosphäre durch die Zugabe einer geringen Menge harter Kohle (hard carbon) zur hitzebeständigen Auskleidung geschaffen.

Im folgenden wird die Erfindung zum besseren Verständnis näher beschrieben:

Im allgemeinen muß die für Ofenauskleidungen verwendete hitzebeständige Einstampfmischung gleichzeitig verschiedene Kriterien erfüllen. Sie muß ohne nachfolgendes Zerfallen oder Zerbrechen und ohne an den Kernen haften zu bleiben eingestampft oder geformt werden können. Nachdem die Auskleidung geformt ist, muß sie geschmolzenes Metall zurückhalten und die Induktionsspulen schützen. Die Auskleidung der vorliegenden Erfindung muß daher außer der Lösung des Benetzungsproblems auch die oben genannten Kriterien erfüllen.

Es wurde festgestellt, daß eine Auskleidung, die mehr als. 85 %

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und weniger als 95 % hitzebes tändiges Material, das im folgenden •näher aufgeführt wird, und mehr als 5 % und weniger als 15 % Binder enthält, geeignet zum Einstampfen ist. Verwendet man 5 % oder weniger Binder, dann erhält man eine Auskleidung, die anfällig für Zerfallen oder Zerbrechen ist und möglicherweise sogar das Einstampfen nicht übersteht. Andererseits führt die Verwendung von 15 % oder mehr Binder zu einer Auskleidung, die zu sehr haftet und nicht richtig geformt werden kann.

Der verwendete Binder sollte eine gute Kohäsionsfähigkeit haben. Von den hitzebeständigen Tonen ist Bindeton (ball clay) bevorzugt. In den weiter unten gegebenen spezifischen Beispielen besteht der Binder, aus Kentucky Nr. 4 Old Mine-Bindeton (in Luft gemahlen - im Englischen "air floated" genannt). Es können auch andere geeignete Tone oder Binder verwendet werden und die Erfindung ist nicht auf irgendeinen speziellen Binder beschränkt.

Das hitzebeständige Material umfaßt prinzipiell aus einer Mischung von Teilchen verschiedener Größe bestehendes geschmolzenes Magnesiumoxyd, wobei die Teilchengröße im Bereich von etwa 4,7 mm lichter Maschenweite bis zu dem feinst gemahlenen Pulver liegt (entsprechend 4 bis 600 Maschen/Zoll). Geschmolzenes Magnesiumoxyd, das im Rahmen der vorliegenden Erfindung brauchbar ist, ist aus einer Reihe von Quellen käuflich erhältlich. So wurde das in den Beispielen verwendete geschmolzene Magnesiumoxyd von der General Electric Company, Plastics Department, unter Nummer 12716 (mittlere Reinheit) erhalten. Das Magnesiumoxyd wird dann in einer Reihe von Pulverzusammensetzungen verschiedener Teilchengrößen hergestellt, um eine maximale Packungsdichte zu erhalten. Die maximale Dichte wird bei einiger Variation in der speziellen Menge, z.B. +_ 15 %> bei jeder Pulvermischung erhalten.

Es können einige andere Mittel zum Vermeiden des Benetzens anstelle eines Teils des Magnesiumoxyds eingesetzt werden, z.B. harte Kohle und Siliciumcarbid. Weniger als 10 Gew.-? einer harten Kohle mit einer Pulverteilchengröße entsprechend einer lichten. Maschenweite von 44 Mikron (325 Maschen/Zoll) oder weniger kann

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hinzugesetzt werden, um ein zusätzliches reduzierendes Material zu schaffen. Obwohl die Kohle ein ideales Reduktionsmittel abzugeben scheint, gibt es mindestens zwei Grenzen, die ihre Verwendung auf weniger als 10 % beschränken. Eine Begrenzung ist die, daß der Ofen die Isolation der Induktionsspulen voneinander und vom Ofengehäuse erfordert. Viel mehr als etwa 10 % Kohle machen die Auskleidung leitfähiger. Eine zweite Beschränkung erwächst aus dem Vorbereiten des Ofens für den Betrieb. Nach dem Einstampfen der Auskleidung wird der Ofen in Luft getrocknet und die Kanäle für das Kupfer werden mit einer Gasflamme erhitzt, welche die Kohle von der Oberfläche wegbre.nnt. Auf diese Weise tritt ein Kohleverlust bis zu einer Tiefe von etwa 2 1/2 oder 5 cm ein. Bei Anwendung einer größeren Gewichtsprozentmenge Kohle würden dann Hohlräume geschaffen werden, durch welche das Kupfer fließen könnte. Von einer kleinen Menge der Kohle wird innerhalb der Poren ein reduzierendes Gas (Kohlenmonoxyd) erzeugt.

"Zu dem Magnesiumoxyd kann etwas Siliciumcarbid (nicht mehr als 25 Gew.-%) mit einer Teilchengröße entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 150 bis etwa 17 Mikron (100 bis 600 Maschen/Zoll) hinzugegeben werden, um ihm Hochtemperaturbeständigkeit gegen Kupferoxyd zu verleihen. Der begrenzende Faktor in diesem Zusammenhang ist die unerwünschte Bildung von Schlacke während des Betriebes des Ofens.

Die folgende Tabelle enthält eine Anzahl von Zusammensetzungs-Beispielen, die mit Ausnahme der Beispiele 1 und 2 geeignete Auskleidungen ergaben. Die Auskleidung Nr. 1 zerbrach und die Auskleidung Nr. 2 haftete während des Einstampfens an den Kernen. Die Zahlen in der Materialspalte sind die den Pulverteilchengrößen entsprechenden lichten Maschenweiten (Maschenzahlen/Zoll) und die Zahlen in den Kolonnen der Beispiele geben die Gewichts-· Prozente der jeweiligen Bestandteile, aufgeteilt nach den Pulvergrößen, wieder.

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Beispiele Materialien

MgO - lichte Maschenweite mm
(Maschen/Zoll)

(4 - 10) (10- 20) (20- 48) (48-100) (100-200)

(2)

,7 - 2
~2 - 0,84
-0,84- 0,32
^0,32- 0,15 ·
-0,15- 0,075

feinere Teilchen Bindeton
Kohle
SiC

-0^058
~0,017

total

(150) (240) (600)

Wasser (deionisiert)

(3) (4) (5)

Gewichtsteile

(6)

(7)

6,53	6,53
6,92	6,92
20,56	20,56
5,44	5,44
2,11	2,11
34,44	26,44

5,10
5,40

16,05
4,25
1,65

23,75

8,17
8,65

25,80
6,81
2,64

38,03

8,17
8,65

25,70
6,81
2,64

13,03

80,00
3,80

62,45 100,10 100,00

2,75 4,40

5,10	5,10
5,40	5,40
16,05	16,05
4,25	4,25
1,65	1,65
17,50	20,63

4,00 12,00 6,25 10,00 10,00 6,25

6,25
3,12

16 8	,67 ,33	6	,25	62	__	3,	13
00	iOO	62	,45	2	,45	62,	45
4		2	,75	,75	2,	75

•fr-CD NO

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Von den verschiedenen untersuchten Zusammensetzungen ergab die Zusammensetzung Nr. 4 eine leicht bessere Auskleidung als die übrigen. Alle Zusammensetzungen 3 bis 8 ergaben Auskleidungen, die sehr viel besser waren als die bekannten und die einem Benetzen sehr viel besser widerstanden als die bekannten Zusammensetzungen. Die Untersuchungen zeigten, daß die Gebrauchsdauer der Auskleidung bei Verwendung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen um den Paktor 5 oder mehr verlängert wurde. Darüber hinaus sind die Auskleidungen nach der vorliegenden Erfindung nicht schwieriger zu entfernen als die bekannten.

Eine Auskleidung wird üblicherweise folgendermaßen hergestellt. Die verschiedenen Bestandteile werden in den richtigen Gewichts-Prozentanteilen ausgewogen. Diese Bestandteile werden dann in einem Mischer (der im Englischen als "muller" bezeichnet ist) gründlich miteinander vermischt, nicht jedoch gemahlen, d.h. daß die Teilchengröße unverändert bleibt.

Nachdem das Material gründlich vermischt ist, wird Wasser hinzugegeben und das Vermischen eine kurze Zeit fortgesetzt. Das Auskleidungsmaterial wird dann über hölzerne Formen, die die Kanäle schaffen, in den Ofen eingestampft. Die hölzernen Formen werden auf geeignete Weise ausgebrannt, z.B. mit einer Heizspule, die zum Zünden des Holzes dient.

Nachdem die Holzformen ausgebrannt sind, wird die Auskleidung langsam in Luft getrocknet, d.h. bei Umgebungstemperatur über Nacht in Luft und dann in einem Ofen für einige Tage bei etwa 80 ⁰C.

Nachdem die Auskleidung getrocknet ist, werden die Induktorkanäle mit einer Gasflamme erhitzt, um sie zu härten und zu festigen, üblicherweise wird die Gasflamme auf eine oder mehrere äußere öffnungen der Kanäle gerichtet, um das Durchströmen von heißem . Gas durch die Kanäle und dabei das Erhitzen der Wände oder Oberflächen der Kanäle zu verursachen. Während die Oberfläche de'r

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Kanäle eine Temperatur von 1*100 bis 1500 ⁰C erreichen kann, stellt sich in der Auskleidung ein steiler Temperaturgradient ein, so. .daß die Temperatur in der Auskleidung von den Wänden des Kanals weg rasch abfällt. Dieser Vorgang ist in etwa 2k Stunden beendet und die Auskleidung ist fertig für die Anwendung.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird die folgende Arbeitshypothese angegeben. Obwohl die Theorie für richtig angesehen wird, darf sie jedoch nicht als Begrenzung der vorliegenden Erfindung angesehen werden.

Während des Schmelzens von Kupfer, z.B. in öfen mit den bisher verwendeten Auskleidungen, vereinigt sich der innerhalb des Ofens verfügbare Sauerstoff mit mindestens einem Teil des Kupfers unter Bildung von Kupferoxyd. Kupfer und Kupferoxyd benetzen die Oberfläche der Auskleidung und fließen durch die Poren in der Auskleidung von der Hauptmenge des geschmolzenen Kupfers weg. Während das Induktionsfeld diese Mischung aus Kupfer und Kupferoxyd bis zu einem bestimmten Ausmaß erhitzt, scheint die Kupfer-und-Kupferoxyd-Mischung durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Wiedererstarren durch die Auskleidung des Ofens bis zum Gehäuse, das im allgemeinen Stahl umfaßt, sich fortzubewegen. Es wird dann auf diese Weise ein leitender Pfad für die Erdung des Induktionsfeldes gebildet, der einen großen Teil des Feldes kurzschließt und die Heizwirkung des Ofens stark vermindert. In einigen Fällen ist der. benetzende Zustand derart, daß tatsächlich Teile der Induktorspule selbst kurzgeschlossen sind. Die hitzebeständige Auskleidung der vorliegenden Erfindung widersteht diesem Benetzen.

Der Sauerstoff innerhalb des Ofens kann aus Verunreinigungen im Kupfer selbst, der Atmosphäre oder der Auskleidung der Kanäle, verursacht durch die Art der Herstellung dieser Kanäle, in der. Induktorauskleidung herrühren, und zwar durch die zum Härten durchgeführte Wärmebehandlung der Kanäle mit einer Gasflamme nach dem Einstampfen der Auskleidung. Es wird angenommen, daß dabei eine relativ große Menge überschüssigen Sauerstoffes er zeugt wird, der später das Benetzen der hitzebeständigen Ausklei-

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dung fördert. Durch, die Auskleidung der vorliegenden Erfindung wird eine örtliche reduzierende Atmosphäre in der Induktorauskleidung erzeugt, die das Kombinieren des Sauerstoffes mit dem oder das Unterstützen des Benetzens der Auskleidung durch das geschmolzene Kupfer verhindert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können vom Fachmann zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden. So können z.B., obwohl Kohle als Reduktionsmittel beschrieben ist, auch andere Reduktionsmittel verwendet werden. Außerdem können organische Materialien verwendet werden, die man z.B. entweder als Binder oder zu dem hitzebeständigen Material hinzugibt. Beispielsweise können Holzmehl, Weizen oder Nußschalen in Mengen von weniger als 2 Gew.-% hinzugegeben werden. Diese Materialien haben den Vorteil, die Leitfähigkeit der Auskleidung nicht zu ändern.

Die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung angegebenen Maschenzah-len/Zoll sind der US-Standard-Siebtabelle entnommen.

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Claims (11)

Patentansprüche

1. Wenig benetzbare Auskleidung für Induktionsöfen, dadurch gekennzeichnet , daß sie im wesentlichen aus folgenden Bestandteilen besteht: mindestens 85 Gew.-% eines hitzebeständigen Materials, das ausgewählt ist aus einer Mischung von Teilchen verschiedener Größe von geschmolzenem (fused) Magnesiumoxyd und Mischungen einer solchen Mischung von Teilchen verschiedener Größe geschmolzenen Magnesiumoxyds mit Siliciumcarbid und harter Kohle und

5 bis 15 Gew.-% Tonbinder.

2. Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie 90 Gew.-# der Mischung aus Teilchen verschiedener Größe von geschmolzenem Magnesiumoxyd und 10 Gew.-% Tonbinder umfaßt.

3. Auskleidung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Tonbinder einen Bindeton umfaßt.

4. Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das hitzebeständige Material im wesentlichen aus höchstens 25 % Siliciumcarbid und mindestens 75 % einer Mischung von Teilchen verschiedener Größe von geschmolzenem Magnesiumoxyd besteht.

5. Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das hitzebeständige Material im wesentlichen aus maximal 10 % harter Kohle und als Rest einer Mischung von Teilchen verschiedener Größe von geschmolzenem Magnesiumoxyd besteht.

6. Auskleidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das hitzebeständige Material im wesentlichen aus bis zu 25 % Siliciumcarbid, bis zu 10 % harter Kohle und als Rest aus einer Mischung von Teilchen verschiedener Größe von geschmolzenem Magnesiumoxyd besteht.

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7. Wenig benetzbare Auskleidung für Induktionsöfen, dadurch gekennzeichnet , daß sie im wesentlichen aus folgenden Materialien in den folgenden Ge-• wichtsteilen besteht:

Material

MgO-Pulver entsprechend einer lichten Maschenweite (mm) (Maschen/Zoll)

(4 - 10) (10 - 20) (20 - 48) (48 -100) (100-200)

,7 - 2
2 - 0,84
84 - 0,32
-0,32 - 0,15
~0,15 - 0,075

feinere Teilchen (Ground)
Bindeton
harte Kohle

SiC

0,10 (150)

0,058 (240)

0,017 (600)

Gewichtsteile

5,10 - 8,17 5,40 - 8,65 16,05 - 25,80 4,25 - 6,81 1,65 - 2,64 13,03 - 38,03 4,01 - 11,99 0 - 6,25 0 - 16,67 0 - 8,33 0 - 6,25

worin Siliciumcarbid nicht mehr als 25 %» die Kohle, nicht mehr als 10 % der Mischung, der Bindeton mehr als 5 % und weniger als 15 % der Mischung ausmacht.

8. Auskleidung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Zusammensetzung im wesentlichen aus folgenden Materialien in folgenden Gewichtsteilen besteht:

Material

MgO, entsprechend einer lichten Maschenweite (mm) (Maschen/Zoll)

~4,7 - 2 " (4-10)

~2 - 0,84 (10 - 20)

Gewichtsteile

8,17 8,65

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- 12 - 2402550 Material Gewichtsteile MgO, entsprechend einer lichten Maschen- weite (mm) (Maschen/Zoll) ^0,84 - 0,32 (20 - 48) 25,80 ■-0,32 - 0,15 (48 -100) 6,81 -0,15 - 0,075 (100-200) 2,64 feinere Teilchen 38,03 Bindeton 10.00

total 100,10

Wasser (deionisiert) 4,40

9. Auskleidung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Zusammensetzung im wesentlichen aus folgenden Materialien in folgenden Gewichtsteilen besteht

Material einer lichten Maschen- Gewichtsteile MgO, entsprechend (Maschen/Zoll) weite (mm) (4 - 10) --4,7 - 2 (10 - 20) 5,10 ~2 - 0,84 (20 - 48) 5,40 '-0,84 - 0,32 (48 -100) 16,05 ~O,32 - 0,15 (100-200) 4,25 /-0,15 - 0,075 1,65 feinere Teilchen 17,50 Bindeton 6,25 harte Kohle 3,12 SiC 3,13 total 62,45

10. Verfahren zum Herstellen einer wenig benetzbaren Auskleidung für Induktionsöfen, gekennzei chnet durch die folgenden Stufen:

4 C 9 8 3 2/0 7 51

Vermischen von Teilchen geschmolzenen Magnesiumoxyd, die eine Größe im Bereich entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 4,7 mm (4 Maschen/Zoll) bis zu einem fein gemahlenen Pulver haben, um eine Mischung von Teilchen verschiedener Größe von geschmolzenem Magnesiumoxyd zu erhalten, Vermischen des aus Teilchen verschiedener Größe bestehenden geschmolzenen Magnesiumoxyds mit nicht mehr als 10 Gew.-% eines Reduktionsmittels,

Zugeben eines Tonbinders in einer Menge von 4 bis 14 Gew.-% zu der Mischung,

Einstampfen der Mischung in den Induktionsofen, um Kanäle zu bilden,

Trocknen der eingestampften Auskleidung und Erhitzen der Kanäle bis zu einer Oberflächentemperatur von 1400 bis l600 °C, um die Kanäle zu härten.

11. Verfahren zum Verzögern der Benetzung der Auskleidung eines Induktionsofens mit geschmolzenem Metall, d a d u r.c.h

prinzipiell gekennzeichnet , daß man die Auskleidung/aus einem wenig benetzbaren, keine Schlacke bildenden Material herstellt, und zwar durch

Vermischen verschiedener Teilchengrößen des Materials, um eine in etwa maximale Packungsdichte zu erhalten, Zugeben von weniger als 25 Gew.-% eines hochtemperaturbeständigen, wenig benetzbaren Materials zu der Auskleidung und Zugeben von weniger als 10 Gew.-% eines Reduktionsmittels zu der Auskleidung.

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