DE1055715B

DE1055715B - Vacuum induction melting furnace

Info

Publication number: DE1055715B
Application number: DED26626A
Authority: DE
Inventors: Milo Pelc Hnilicka Jun
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1957-10-12
Filing date: 1957-10-12
Publication date: 1959-04-23

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft einen Vakuuminduktionsschmelzofen mit zwei aus ein und derselben Wechselspannung gespeisten, parallel geschalteten einlagigen Induktionsspulen, der die Erreichung hoher Temperaturen und das Schmelzen großer Metalleinsätze ermöglicht. The invention relates to a vacuum induction melting furnace with two of one and the same alternating voltage fed, single-layer induction coils connected in parallel, which enables high temperatures to be achieved and allows the melting of large metal inserts.

Es ist bekannt, kleine in Tiegeln enthaltene Metallmengen in evakuierten öfen unter Anwendung von Induktionsheizung zu schmelzen. Diese Schmelztechnick hat sich für die Gewinnung· kleiner hochwertiger Schmelzen und Gußbarren als außerordentlich geeignet erwiesen. Bisher ergaben sich jedoch für die Anwendung der Induktionsheizung für den Betrieb von größeren Vakuumöfen, die eine höhere Spulenspannung zum Zwecke einer verstärkten Energiezufuhr zur Schmelzcharge erfordern, besonders für hohe Vakua im Bereich von Bruchteilen von Millimetern Quecksilbersäule erhebliche Schwierigkeiten und Hindernisse. Diese beruhen auf der Entstehung von unerwünschten Lichtbogen und Abbrand- ao erscheinungen, die sich durch Ionisations- und Glimmentladungen zwischen dem Ofengehäuse oder anderen Metallteilen des Tiegels und den Zonen hohen Potentials der Spule oder der Zuleitungen ausbilden. Die Notwendigkeit einer intensiven Wasserkühlung der Spule selbst und der Zuleitungen beeinträchtigt die Betriebssicherheit, da bei der Entstehung von Leckstellen durch Abbrand in Kontakt mit dem hochfeuerfesten Baustoff und/oder mit dem Metall große Mengen von Wasserdampf oder Wasserstoff im Ofengehäuse auftreten, die zu außerordentlich hohen Innendrücken oder gar zur Zerstörung des Ofens durch Knallgasexplosionen führen, wobei das Knallgas durch das geschmolzene Metall gezündet wird. Derartige Schadensfälle sind bereits bei verschiedenen Ofeneinrichtungen aufgetreten.It is known to use small amounts of metal contained in crucibles in evacuated furnaces Melt induction heating. This melting technique has proven to be useful for the production of small, high quality Melts and cast ingots proved to be extremely suitable. So far, however, resulted for the application of induction heating for the operation of larger vacuum furnaces that require higher Require coil voltage for the purpose of increased energy supply to the melt charge, especially considerable difficulties for high vacuums in the range of fractions of a millimeter of mercury and obstacles. These are based on the creation of undesired arcs and erosion ao phenomena caused by ionization and glow discharges between the furnace housing or other Form metal parts of the crucible and the zones of high potential of the coil or the leads. The need for intensive water cooling of the coil itself and the leads adversely affects the operational safety, since large leaks occur due to burn-off in contact with the highly refractory building material and / or with the metal Amounts of water vapor or hydrogen occur in the furnace housing that are extremely high Internal pressure or even to the destruction of the furnace by oxyhydrogen explosions, with the oxyhydrogen gas ignited by the molten metal. Such cases of damage are already at various Furnace setups occurred.

In Anbetracht der vorgenannten Schwierigkeiten bei der Benutzung von höheren Spannungen hat sich das aligemeine Bestreben herausgebildet, die Probleme der Ionisations- oder Glimmentladung und der Lichtbogenbildung nicht zu lösen, sondern ihr Auftreten zu vermeiden, indem man verhältnismäßig niedrige Spannungen für die Beaufschlagung der Induktionsspule anwendet, die 300 bis 400¹VoIt nicht übersteigen. Die Anpassung des erhöhten Energiebedarfs an den obenerwähnten Grenzwert der Spannung macht die Benutzung hoher Ströme und schwerer Leiter für Spulen mit nur wenigen Windungen erforderlich. Demgemäß hat der gegebene Energiebedarf für eine angemessene Schmelzgeschwindigkeit einer größeren Charge praktisch zu einem Abfall des Wirkungsgrades des Ofens geführt, der auf der kombinierten Wirkung· der Ohmschen Verluste, der Wirbelstromverluste und des SMn- In view of the aforementioned difficulties when using higher voltages, the general endeavor has emerged not to solve the problems of ionization or glow discharge and arcing, but to avoid their occurrence by using relatively low voltages for the application of the induction coil, which do not exceed 300 to 400 ^{1 VoIt.} The adaptation of the increased energy requirement to the above-mentioned limit value of the voltage makes it necessary to use high currents and heavy conductors for coils with only a few turns. Accordingly, the given energy requirement for an adequate melting rate of a larger batch has practically led to a decrease in the efficiency of the furnace, which is due to the combined effect of ohmic losses, eddy current losses and the SMn-

Anmelder:Applicant:

Deutsche Gold- und SilberscheideanstaltGerman gold and silver refinery

vormals Roessler_r
Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9 ·formerly Roessler _r
Frankfurt / M., Weißfrauenstr. 9 ·

MiIo PeIc Hnilicka jun., Concord, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt wordenMiIo PeIc Hnilicka Jr., Concord, Mass. (V. St. A.),
has been named as the inventor

effektes in massiven Leitern beruht. Auch die Gleichförmigkeit der Energiekoppelung zwischen der Charge und der Induktionsspule, die nur wenige Windungen mit sehr großen Querschnitten umfaßt, wird dabei nachteilig beeinflußt.effect is based in massive ladders. Even the uniformity the energy coupling between the charge and the induction coil, which is only a few Includes turns with very large cross-sections, is adversely affected.

Der theoretische Grenzwert für die maxim;
Schmelzchaxge ist gegeben durch den induktiven Widerstand einer Spule mit einer einzigen Windung, die einerseits die geschmolzene Charge umgeben muß und andererseits dann den oberen Grenzwert der Spannung bei dem gewünschten hohen Strom nicht übersteigen darf. In der Praxis ist eine Spule mit einer einzigen Windung nicht anwendbar. Aus diesen Gründen konnten bis jetzt maxiamle Mengen von mehr als einer halben Tonne Schmelzgut in einem Vakuumofen nicht betriebssicher verarbeitet werden." Hinzu kommt, daß die Anlagekosten für größere Öfen weiter erhöht wurden durch die Notwendigkeit, größere Untersetzungstransformatoren oder eine außerordentliche Anzahl von Kondensatoren einzubauen, um zur Abstimmung der Spule die hohen kapazitiven Ströme bei niedrigen Spannungen zu erzeugen. The theoretical limit for the maxim;
Melting chaxge is given by the inductive resistance of a coil with a single turn, which on the one hand must surround the molten charge and on the other hand must not exceed the upper limit of the voltage at the desired high current. In practice, a single turn coil is not applicable. For these reasons, up to now a maximum of more than half a ton of melt material could not be safely processed in a vacuum furnace. to generate the high capacitive currents at low voltages to tune the coil.

Es sind parallel geschaltete, aus der gleichen Stromquelle mit ein und derselben Spannung gespeiste Induktionsspulen bekannt, wobei zwei Ofenspulen jeweils gegenläufig gewickelt sind. Würde man derartige Spulen bei einem Vakuumofen verwenden, so würde gleichfalls über dem engen Spalt zwischen dem Tiegelrahinen und/oder dem heißen hochschmelzenden Werkstoff in der Nähe der Gießschnauze ein großer Spannungsgradient entstehen, so· daß insbesondere beim Auftreten von Metalldämpfen unerwünschte Lichtbogen- und Abbranderscheinungen auftreten können, die sich durch Ionisations- und Glimm-They are induction coils connected in parallel and fed with the same voltage from the same power source known, wherein two furnace coils are wound in opposite directions. One would like that Using coils in a vacuum furnace would also work across the narrow gap between the Crucible frames and / or the hot refractory material near the pouring spout a large one Voltage gradients arise, so that undesirable in particular when metal vapors occur Arc and burn-off phenomena can occur, which are caused by ionization and glowing

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entladungen zwischen dem Ofengehäuse oder anderen weiligen Schmelzvorgang benötigte Energiezufuhrdischarges between the furnace housing or other occasional melting process required energy supply

Metallteilen des Tiegels und den Zonen hohen um einen Faktor 2 herabgesetzt, während sich derMetal parts of the crucible and the high zones are reduced by a factor of 2, while the

Potentials der Spule oder der Zuleitungen ausbilden. Strom durch jeden Spulenleiter auf ein Viertel desForm the potential of the coil or the leads. Current through each coil conductor to a quarter of the

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Betrages vermindert, der bei gängigen Anordnungen Schwierigkeiten gegenüber dem Stand der Technik 5 aufgebracht werden muß. Infolgedessen verkleinern dadurch überwunden, daß die beiden Induktionsspulen sich auch die Ohmschen Verluste und die Wirbelin an sich bekannter Weise gegenläufig gewickelt Stromverluste in den Zuleitungen und den Spulen sind, derart, daß die Anschlüsse der mittleren Induk- leitern, so daß der Wirkungsgrad d.er gesamten tionsspule mit den benachbarten inneren Enden der Spulenanordnung erheblich verbessert wird.
auf den oberen und unteren Teil des Tiegels verteilten io Selbstverständlich ist der Aufbau einer Spule mit anderen Induktionsspule verbunden sind, wobei der Leitern, deren Querschnitt auf 25% des üblichen Stromkreis für die andere Induktionsspule durch eine vermindert ist, ganz erheblich einfacher,
ihre äußeren geerdeten Enden verbindende Brücke Vom Standpunkt des einfachen Aufbaues und der geschlossen ist. Vereinfachung der Installation wird nach einer be-According to the present invention, this amount is reduced, which has to be applied with difficulties compared to the prior art 5 with current arrangements. As a result, the two induction coils also reduce the ohmic losses and the vortices are wound in opposite directions in a known manner entire tion coil with the adjacent inner ends of the coil assembly is significantly improved.
io distributed over the upper and lower part of the crucible, of course, the construction of a coil is connected to other induction coils, whereby the conductors, whose cross-section is reduced to 25% of the usual circuit for the other induction coil by one, is considerably simpler,
bridge connecting their outer earthed ends from the standpoint of simple construction and that is closed. Installation is simplified after a

Demzufolge entsteht über dem engen Spalt 15 vorzugten Ausführungsform der Doppelspule dieAccordingly, the preferred embodiment of the double coil arises over the narrow gap 15

zwischen dem Tiegelrahmen und/oder dem heißen Energie durch ein koaxiales, aus drei Leitern be-between the crucible frame and / or the hot energy through a coaxial, three-conductor

hochschmelzenden Werkstoff in der Nähe der Gieß- stehendes Zuleitungsorgan zugeführt. Der innerehigh-melting material supplied in the vicinity of the casting standing supply element. The inner one

schnauze kein Spannungsgradient. Das Wechselstrom- Leiter ist dabei vorzugsweise verbunden mit demdon't breathe a stress gradient. The alternating current conductor is preferably connected to the

potential steigt linear mit den Windungen der Spule Ende der zentralen Spule, während der äußere an daspotential increases linearly with the turns of the coil end of the central coil, while the outer to the end

von Null an den äußeren Enden der Halbspule auf 20 andere Ende führt und der mittlere Leiter vorteilhaftleads from zero at the outer ends of the half-coil to the other end and the middle conductor is advantageous

ein Maximum an der Verbindung der Stromzufüh- geerdet und so mit den äußeren Enden der beidena maximum at the connection of the power supply earthed and so with the outer ends of the two

rungen zur zentralen Spule. Da diese Strom- Halbspulen verbunden ist.to the central coil. Because this current half-coil is connected.

Zuführungen an den Verbindungspunkten der zentralen Der Gegenstand der Erfindung wird an Hand der Spule mit den Halbspulen, die auf dem größten schematischen Abb. 1 weiterhin erläutert. Zur Verein-Potential oberhalb des Tiegelrahmens stehen, unge- 25 fachung der Darstellung ist lediglich die Induktionsfähr in einem Viertel der gesamten Spulenlänge von spule, ein Teil des koaxialen Zuleitungsorgans, die jedem Ende angeordnet sind, liegt der Bereich des Energieversorgung und ein kleiner Ausschnitt des Höchstpotentials der Spule in günstigem Abstand von Vakuumofens wiedergegeben. Die vakuumdichte dem Kopf und Fuß des Schmelztiegels, d. h„ daß der Ofenwandung ist mit 10 bezeichnet, während die all-Spannungsgradient (V/cm), der zwischen den Ab- 30 gemeine Anordnung des Tiegels durch die gestrichelte schnitten der Spule und dem Tiegeltragkörper besteht, Linie 12 festgelegt ist. Der Tiegel weist eine Gießdurch diese Anordnung unterhalb der Ionisations- schnauze 13 auf. 14 bezeichnet Ausschnitte aus dem schwelle gehalten werden kann. Auf die zentrale geerdeten metallischen. Träger für den Tiegel. Um Spule und die beiden Abschnitte der Halbspulen kann den Tiegel liegen die Zentralspule 15 und die beiden die volle Generatorspannung von beispielsweise 35 Halbspulen 16 und 18. An den beiden Enden der 800 Volt aufgegeben werden. Da jedoch die Über- inneren Spule 15 befinden sich die Zuleitungen 20 und brückung an der äußeren Spule geerdet ist, ergibt sich, 22., die mit den Hochspannungsenden der Spule 16 daß die Spule in bezug auf den Tiegel an einem Ende und 18 entsprechend verkettet sind. Die äußeren mit einem Potential arbeitet, das jeweils nicht höher Enden dieser Halbspulen sind mit einer Brücke 23 als +400VoIt ist. Gleichzeitig liegt an dem anderen 40 verbunden, die geerdet ist. Die Zuleitung 24 ist in Ende eine negative Spannung von 400VoIt und ent- Verbindung mit dem geerdeten mittleren Leiter 32 sprechend umgekehrt während der nächsten Halb- dargestellt, der zu dem koaxialen Zuleitungsorgan 26 periode, so daß kein Abschnitt irgendeiner Spule je- gehört. Dieses Zuleitungsorgan besteht aus dem mais mehr als die Hälfte der Generatorspannung Innenleiter 28, einer ihn umgebenden Isolierschicht (400 Volt) gegen Erde führt. Wenn es wünschenswert 45 30, dem mittleren geerdeten Leiter 32., einer weiteren erscheint, kann auch der Mittelpunkt der zentralen Isolierschicht 34 und dem äußeren Leiter 36. Diese Spule geerdet werden, und zwar vorzugsweise mit Anordnung ist bei 38 isoliert und vakuumdicht durch Hilfe eines kleinen Widerstandes. die Ofenwandung 10 geführt. Die StromzuleitungenFeeds at the connection points of the central The object of the invention is based on the Coil with the half-coils, which are further explained on the largest schematic Fig. 1. To club potential stand above the crucible frame; in a quarter of the total coil length of coil, part of the coaxial supply organ that at each end is the area of the power supply and a small section of the The maximum potential of the coil is shown at a convenient distance from the vacuum furnace. The vacuum tight the top and bottom of the crucible, d. h "that the furnace wall is denoted by 10, while the all-voltage gradient (V / cm), the one between the 30 common arrangement of the crucible indicated by the dashed line cut the coil and the crucible support body, line 12 is set. The crucible has a pouring thru this arrangement below the ionization nozzle 13. 14 denotes excerpts from the threshold can be maintained. On the central grounded metallic. Carrier for the crucible. Around Coil and the two sections of the half-coils can lie the crucible, the central coil 15 and the two the full generator voltage of, for example, 35 half-coils 16 and 18. At the two ends of the 800 volts are abandoned. However, since the over-inner coil 15 is the supply lines 20 and bridge is grounded to the outer coil, results 22nd, which is connected to the high voltage ends of the coil 16 that the coil with respect to the crucible at one end and 18 are chained accordingly. The outer ones operates with a potential that is not higher in each case. The ends of these half-coils are connected to a bridge 23 than + 400VoIt is. At the same time is connected to the other 40, which is grounded. The lead 24 is in End a negative voltage of 400VoIt and dis- connect to the grounded middle conductor 32 speaking the other way around during the next half, the one to the coaxial feed member 26 period, so that no section of any coil ever belongs. This supply organ consists of the mais more than half of the generator voltage inner conductor 28, an insulating layer surrounding it (400 volts) to earth. If it is desirable 45 30, the middle grounded conductor 32nd, another appears, the center point of the central insulating layer 34 and the outer conductor 36. This Coil to be grounded, preferably with the arrangement is insulated at 38 and vacuum-tight through Help a little resistance. the furnace wall 10 out. The power supply lines

Diese Anordnung der Induktionsspule, die die An- 44 und 46 verbinden das koaxiale ZuleitungsorganThis arrangement of the induction coil, which the connections 44 and 46 connect the coaxial feed member

wendung einer höheren Generatorspannung, verbun- 50 mit einem geeigneten Generator 40 und einer Konden-application of a higher generator voltage, connected to a suitable generator 40 and a condenser

den mit einer Herabsetzung des Spannungsgradienten satorbatterie 42.with a reduction in the voltage gradient satorbatterie 42.

unter die Inonisationsgrenze gestattet, führt zu einem Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erbetriebssicheren Arbeiten der Spule auf höherem findung arbeitet der Generator mit einer Frequenz Energieniveau, das die obenerwähnten Grenzen einer von 960 Schwingungen pro- Sekunde. Die Spulen beSpule mit einer Windung erheblich übersteigt. Auch 55 stehen aus Kupferrohren, die durch geeignete Wasserwerden in wirtschaftlicher Weise die Aufwendungen anschlüsse gekühlt werden können- Eine geeignete für die Verbindungsschienen vermindert und der Methode zur Einführung des Wassers in die Ofen-Umfang des zum Abstimmen benötigten Mehrfach- kammer besteht darin, daß in der Abbildung nicht festkondensator verkleinert, wobei auf einen Unter- gezeigte Wasserdurchlässe in dem koaxialen Zuleisetzungstransformator gegebenenfalls ganz verzichtet 60 tungsorgan 26 angebracht werden. Eine solche Anwerden kann. Die Anordnung der Spule gemäß der Ordnung bewirkt die gleichmäßige Verteilung des Erfindung ermöglicht es also, in technischem Umfange Kühlwasserstromes in beiden Spulen.
ein schnelles Schmelzen großer Einsätze durchzu- Die vorliegende Erfindung bietet den zusätzlichen führen und Gußbarren von mehreren Tonnen zu er- Vorteil, daß sie eine verbesserte Kopplung und Eneryeugen. Sie stellt somit einen beachtlichen technischen 6g gieverteilung bewirkt, wenn der Tiegel nur teilweise Fortschritt zur Erhöhung der Kapazität von Vakuum- mit geschmolzenem Metall beschickt ist. Wenn die Schmelzöfen dar. erste Charge geschmolzen ist, ist der Tiegel üblicher-After a preferred embodiment of the safe operation of the coil at a higher level, the generator operates at a frequency energy level which the above-mentioned limits of one of 960 oscillations per second. The coils beSpule significantly exceeds one turn. Also 55 are made of copper pipes, which can be cooled economically by means of suitable water connections The figure is not reduced in size of the fixed capacitor, with a water passages shown below in the coaxial feed-in transformer, if necessary, being provided without any device 26. Such can become. The arrangement of the coil in accordance with the order causes the uniform distribution of the invention thus makes it possible, on a technical scale, cooling water flow in both coils.
The present invention offers the additional advantage of lead and cast ingots of several tons in that they provide improved coupling and energy eyes. It thus represents a considerable technical gie distribution effect when the crucible is only partially advanced to increase the capacity of vacuum-charged with molten metal. When the furnace is the first batch melted, the crucible is usually

Da die angewendete Generatorspannung doppelt so weise nur halb gefüllt. Bei den bekannten Einrichtungroß ist wie das tatsächliche maximale Potential an gen mit zwei parallel geschalteten Spulen ergibt die der Spule, wird der Generatorstrom für die zum je- 7° Anwesenheit von geschmolzenem Metall in der unte-Because the applied generator voltage is twice as much only half filled. In the known device large is like the actual maximum potential at gene with two coils connected in parallel results in the the coil, the generator current for the 7 ° presence of molten metal in the lower

Claims

reti coil and the lack of metal in the top coil make a quite significant difference in the inductive resistance of each coil. This leads to a very serious imbalance in the currents in the coil fields. In the known device, in order to avoid this disadvantage, one of the coils connected in parallel is switched off, so that only one of the coils is still effective. In the present invention, on the other hand, this imbalance is effectively eliminated without the use of a switch by distributing the effect of a half-full crucible between half of the central coil and the lower half-coil. Therefore, each of the coils operating in parallel consists of the same number of turns with and without molten metal, so that an imbalance is avoided. Claims: 20

1. Vacuum induction melting furnace with two fed from one and the same alternating voltage, in parallel switched single-layer induction coils, the magnetic fields of which have the same direction, thereby characterized in that the two induction coils are wound in opposite directions in a manner known per se are in such a way that the connections of the middle induction coil with the neighboring inner ends of the other induction coil distributed on the upper and lower part of the crucible are connected, with the circuit for the other induction coil through one of its outer the bridge connecting the earthed ends is closed.

2. Vacuum induction melting furnace according to claim 1, characterized in that the middle Induction coil wound in opposite directions to the upper and lower part of the other induction coil is.

3. Vacuum induction melting furnace according to claim 1 or 2, characterized in that the Induction coils are fed via a feed member with three coaxial conductors, the inner conductor with one end and the outer conductor with the other end of the middle induction coil is connected and the middle conductor is grounded.

Considered publications:
French patent specification No. 713 498.

1 sheet of drawings

DRAWINGS SHEET

ISSUE DATE: APRIL 23, 1959

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