DE615418C - Kernloser Induktionsofen zum Betrieb mit Drehstrom - Google Patents

Description

Zum Schmelzen von Metallen wird den Induktionsöfen zunehmend der Vorzug gegeben, weil diese die saubersten Schmelzbedingungen schaffen. Selbst die elektrischen Licht-S bogenöfen werden mehr und mehr von In-

- duktionsöfert verdrängt, weil die im Lichtbogenofen notwendigen Kohleelektroden unerwünschte Aufnahme von Kohlenstoff in das flüssige Metallbad bewirken.

Bei Induktionsöfen ist jede Gefahr von Verunreinigungen ausgeschlossen, ja es ist sogar möglich, die Schmelzung im Vakuum oder in beliebiger Atmosphäre, z. B. Wasserstoffatmosphäre, durchzuführen und damit Reaktionen vorzunehmen und so weitgehende Raffination zu bewirken, wie sie in keinem anderen Schmelzofentyp erreichbar sind. Auch die Leistungszufuhr ist nahezu unbegrenzt, da die Wärme induktiv im S chmelzguf selbst erzeugt wird und damit Zustellung und Gewölbe geschont werden.

Unbequem ist bei den Induktionsöfen üblicher Bauart, daß sie entweder Eisenjoche enthalten, die das Bad durchsetzen und damit eine metallurgisch unbequeme Herdform bedingen, oder, wenn sie keinen das Metallbad durchsetzenden Eisenkern besitzen, zum Betrieb Wechselstrom erhöhter Frequenz erfordern und damit die Aufstellung besonderer Hochfrequenzgeneratoren notwendig machen.

Das Patent 572 445 hat einen kernlosen Induktionsofen zum Gegenstand, der eine metallurgisch zweckmäßige, vorzugsweise schüsseiförmige Herdform besitzt und unmittelbar mit Drehstrom üblicher Netzfrequenzen betrieben werden kann.

Die Einführung von Induktionsöfen in die metallurgische Praxis hängt wesentlich davon ab, ob es gelingt, solche Öfen zum direkten Anschluß an Drehstrom üblicher Netzfrequenzen zu bauen. Um die Öfen an Drehstrom üblicher Netzfrequenzen anschließen zu können, ist es notwendig, sie so auszuführen, daß sie einen günstigen cos φ besitzen, da es unzulässig ist, Stromnetze mit erheblichen Blindleistungen zu belasten.

Es ist zwar ohne weiteres möglich, die durch Induktionsöfen beliebiger Bauart entstehenden Blindleistungen durch Kondensatoren aufzunehmen und dadurch vom Netz fernzuhalten. Solche Kondensatoren werden aber für große Leistungen und übliche Netzfrequenzen so kostspielig, daß die Anlagen unwirtschaftlich teuer werden.

Nachstehend wird angegeben, wie öfen nach Patent 572 445 erfindungsgemäß so verbessert werden können, daß ein hoher elektrischer Leistungsfaktor erzielt werden kann, ohne daß der thermische Wirkungsgrad solcher Öfen unzulässig abnimmt oder bauliche Be-

dingungen in Kauf genommen werden müßten, die den Betrieb solcher Öfen unbequem machen oder die Sicherheit des Betriebes gefährden würden.

Der zugrunde liegende Gedanke soll an dem in Fig. ι im Horizontalschnitt gezeichneten Beispiel eines Drehstromofens für übliche Netzfrequenzen erläutert werden, der mit drei um I2o° gegeneinander versetzten gewölbten ίο Tellerspulen, ausgerüstet ist.

Das schüsseiförmige Metallbad^ ist umgeben von einem Eisen j och B mit den drei Polfortsätzen C₁, C₂, C₃, auf die die Primärspulen DD, EB und FF aufgesteckt sind, die aus entsprechend der Herdform schüsseiförmig gewölbten Flachspulen bestehen. Die Windungsfläche jeder Spule liegt, in der Horizontalebene gesehen, senkrecht zu der entsprechendeni;Polachse. Den Zwischenraum zwisehen der äußeren Begrenzungsfläche P des Bades A und der inneren Oberfläche der Spulen DD, EB und FF sowie der Polfortsätze C₁, C₂ und C₃ füllt die feuerfeste Zustellung, der Herd, aus. Die Wandstärke der feuerfesten Zustellung beträgt üblich zwischen ein Fünftel und ein Zehntel des Baddurchmessers.

Spulen, die zwischen Polfortsätzen eines Induktionsofens angeordnet sind, sind an sich bekannt, doch handelte es sich bei den bekannten Bauarten um zylinderförmige Spulen, die nicht symmetrisch zueinander angeordnet sind. Infolgedessen ist der Leistungsfaktor eines solchen Ofens ungünstig. Es ist bekannt, daß der Leistungsfaktor (cos φ) eines Induktionsofens um so besser wird, je kleiner der Abstand zwischen Bad und Spule bzw. Polfortsätzen ist. Aus elektrischen Gründen wäre es wünschenswert, diesen Abstand soweit wie möglich zu verringern. Diesem Bestreben sind aber Grenzen gesetzt, da Spulen und Polfortsätze in der Nähe der Raumtemperatur gehalten werden müssen und infolgedessen mit abnehmender Stärke der Zustellung der thermische Wirkungsgrad des Ofens abnimmt und auch die Sicherheit gegen Durchbrüche des flüssigen Metalls zu klein wird. Würde man in einem Ofen nach Fig. 1 bei gleichbleibendem Durchmesser der Spulen und Polfortsätze den Baddurchmesser von P auf Q vergrößern, so würde der cos φ des Ofens zunehmen, aber die Wärmeverluste des Ofens unzulässig groß werden. Die Betriebssicherheit würde dagegen bei sorgfältiger Herstellung des Herdes immer noch groß genug sein, namentlich wenn der Herd durch Sinterung von innen heraus aus sandigem rieseiförmigem Material hergestellt wird, da dabei die innere Oberfläche am dichtesten sintert und die Dichtigkeit der Sinterung nach außen zu abnimmt und die äußersten Schichten sogar ungesintert rieselfähig bleiben und eine große Sicherheit gegen durchbrechendes Metall bieten.

In Fig. 2 ist in größerem Maßstab, eben- ⁶S falls im Horizontalschnitt, ein Teil eines Ofens gezeichnet, der gleichzeitig einen genügend großen cos φ und genügende thermische Isolation besitzt. Das Bad A hat einen Durchmesser, der der Linie P der Fig. 1 entspricht, während die Spule EB, die z. B. aus Flach- oder Segmentkupfer mit Kühlrohren G auf ihrer Innenseite besteht, eine innere Oberfläche besitzt, die der inneren Oberfläche der Spulen nach Fig. 1 entspricht. Die Polfortsätze C ragen aber nach dem Schmelzbad zu über die Oberfläche der Spulen hervor, und die innere Oberfläche der Polfortsätze C liegt etwa auf der Linie Q der Fig. 1.

Der thermische Wirkungsgrad des Ofens, ,d. h. die Wärmeverluste des Bades sind im wesentlichen bestimmt durch den Abstand zwischen der den Schmelzraum begrenzenden Linie P und der inneren Oberfläche der Spulen, da vor den Spulen die Isolationsstärke der Zustellung' groß ist und nur ein kleiner Bruchteil der Badoberfläche vor den Polfortsätzen schwächer isoliert ist. Der elektrische Leistungsf aktor cos φ ist dagegen im wesentlichen durch den Abstand zwischen der Linie P und der Linie Q, auf der die Stirnflächen der Polfortsätze liegen, bestimmt.

Um die dem wärmeabgebenden Bad genäherten Polfortsätze vor unzulässiger Erwärmung zu schützen, werden sie mit Schirmspulen H (Fig. 2) versehen, die die über die Spulen herausragenden Flächen der Polfortsätze vor zu starker Erwärmung schützen. Wesentlich ist, daß die Stirnflächen der Polfortsätze von diesen Kuhlröhrchen bedeckt 100 werden. Es ist an sich bei Induktionsöfen bekannt, einzelne Teile von Polen durch Kühleinrichtungen vor unzulässiger Erwärmung zu schützen, doch war bei den bekannten Öfen nicht vorgesehen, die Wärme gerade von den Stirnflächen der Joche fernzuhalten. Die Schirm- oder Kühlspulen H bestehen zweckmäßig aus dünnen Kuhlröhrchen, die mit den Spulen DD, EB und FF nicht in elektrisch leitender Verbindung stehen. Um die in den Kuhlröhrchen induzierte Spannung gering zu halten, empfiehlt es sich, die Kühlspulen bifilar oder mäanderförmig anzuordnen. Es ist ferner bekannt, die Kühlung von Spulen von Induktionsöfen durch Kuhlröhrchen vorzunehmen, die nach der Außenseite des Ofens zu gelegen waren. Nach der Erfindung wird im Gegensatz zu dieser bekannten Anordnung die Kühlung der Spulen DD, EE und FF zweckmäßig auf deren Innenseite bei C- angebracht, da eine derartige Innenkühlung im Falle, daß einmal flüssiges Metall bis zu den

Spulen vordringen sollte, die Spulen wirksamer vor Beschädigung schützt, als eine Anordnung der Kühleinrichtungen an der Außenseite der Primärwicklung. Die Stromverdrängung, die die Anordnung der Kühlung auf der Außenseite empfehlenswert erscheinen läßt, spielt bei den niedrigen Netzfrequenzen keine wesentliche Rolle.

Sollen die Primärspulen für hohe Spannungen mit großen Windttngszahlen ausgeführt werden, so daß die Dicke des Flachoder Segmentkupfers zu gering wird, um bequem Kühlröhrchen G an der Spule anlöten zu können, so empfiehlt es sich, die Kühlung überhaupt von den Primärspulen zu trennen und vor den Primärspulen nach der Seite des Herdraumes zu besondere Schirm- oder Kühlspulen oder Kühlschlangen anzuordnen.

Eine gefährliche Beanspruchung der Zustellung an den Kanten der Polfortsätze C wird gemäß der Erfindung durch in den Winkeln zwischen den Polfortsätzen C und den Spulen angeordnete ausgleichende Übergänge L vermieden (Fig. 2), die fest sein oder aus einem höher sinternden rieselfähigen Material bestehen können. Zwischen einem festen Übergang/, und der Zustellung kann auch eine nicht sinternde dünne Zwischenschicht angeordnet werden, um dem Herd eine gewisse Beweglichkeit gegenüber Spulen und Joch zu geben und Rißbildung unter dem Einfluß der Kanten der Polfortsätze zu verhindern. Es kann auch empfehlenswert sein, zwischen dem Herd und den festen Ofenteilen eine durchgehende Schicht eines rieselfähigen Materials anzubringen, die dauernd rieselfähig bleibt, also gegebenenfalls höher sintert als die eigentliche Zustellungsmasse, so daß gewissermaßen der Herd in der von den festen Ofenteilen gebildeten Schale auf einer etwas nachgiebigen Zwischenschicht schwimmt.

Ein besonderer Vorteil von Öfen nach der Erfindung besteht darin, daß sie elektrisch so dimensioniert werden können, daß sie unmittelbar von solchen Transformatoren und Schalteinrichtungen gespeist werden können, " die für Lichtbogenofen üblich sind. Da Lichtbogenofen mit Rücksicht auf die möglichen Stromstöße meist mit vorgeschalteten Reaktanzen versehen sind und infolgedessen meist nur Leistungsfaktoren zwischen 0 · 45 und ο · 60 aufweisen, genügt unter Umständen die Anordnung einer kleinen Kondensatorenbatterie, um für einen an Stelle eines Lichtbogenofens aufgestellten Induktionsofen die gleichen Betriebsbedingungen wie sonst herzustellen.

Claims (7)

PATENTANSPRtTCHE: g0

1. Kernloser Induktionsofen zum Betrieb mit Drehstrom mit drei um 120⁰

. gegeneinander versetzten, gewölbten Tellerspulen nach Patent 572 445, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Spulen von einem magnetischen, nicht geschlossenen Eisenjoch umgeben sind, dessen Pole über die Spulenoberflächen nach dem Bad derart hervorragen, daß, im Horizontalschnitt gesehen, die Windungsfläche jeder Spule senkrecht zu ihrer Polachse liegt.

2. Kernloser Induktionsofen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Pole des Eisenjoches durch besondere Schirm- oder Kühlspulen gegen die vom Metallbad ausgehende Wärme geschützt sind.

3. Kernloser Induktionsofen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen aus Flach- oder Segmentkupfer mit nach dem Bad zu liegender Kühlung bestehen.

4. Kernloser Induktionsofen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß „ in den Winkeln zwischen dem Polfortsatz und der Spule Übergänge (Z-) angeordnet sind.

5. Kernloser Induktionsofen nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Primärspulen nach der Seite des Herdes zu besondere Kühl- oder Schirmspulen angeordnet sind.

6. Kernloser Induktionsofen nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die besonderen Schirm- oder Kühlspulen mäanderförmig oder bifilar angeordnet sind.

7. Kernloser Induktionsofen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenzustellung aus trockenem rieselfähigem Material zum Teil fest gesintert wird, derart, daß zwischen dem festgesinterten Teil des Herdes und den festen Ofenteilen, insbesondere den Innenflächen der Spulen und Pole, eine Schicht rieselfähig bleibt, die dem Herd eine gewisse Nachgiebigkeit gegenüber den festen Ofenteilen gibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen