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Entscheidend für die Güte der Bauweise von Induktionsrinnenöfen, wenn man von der Zustellung, d. h. von der Ausmauerung absieht, sowohl zum Warrnhalten, als auch zum Schmelzen, sind zwei Gesichtspunkte :
1. Die möglichst rasche und ungehemmte Übertragung der Wärme aus den Heizrinnen in das
Schmelzgut.
2. Es soll möglichst vermieden werden, dass sich die Heizrinnen durch abgesetztes Aluminiumoxyd verengen, was für Öfen, die zum Schmelzen und Warmhalten von Aluminium und seinen
Legierungen bestimmt sind, von besonderer Bedeutung ist.
In der österr. Patentschrift Nr. 317569 sind jene Patente angeführt, die angeben, wie diesen beiden
Gesichtspunkten möglichst wirkungsvoll durch eine geeignete Ausführung der Heizrinnen, bzw. durch geeignete
Massnahmen entsprochen werden soll. Es geht daraus hervor, dass zwischen der wirksamen Übertragung der
Schmelzwärme aus der Heizrinne in das Metallbad und dem Absetzen von Aluminiumoxyd an den
Rinnenwänden ein Zusammenhang besteht, der etwa so geschildert werden kann : Je stärker die Strömung des
Schmelzgutes aus den Heizrinnen in das geschmolzene Metall im Ofenkörper und umgekehrt von statten geht, umsomehr wird das Absetzen von Aluminiumoxyd in den Rinnen vermieden.
In diesem Zusammenhang ist die deutsche Auslegeschrift 1949053 als Stand der Technik zu erwähnen, soweit sie sich darauf bezieht, die Strömung im Rinnensystem durch Magnetfelder wunschgemäss zu beeinflussen, um Wärmestauungen, die durch ungenügenden Austausch des in der Rinne erhitzten Schmelzgutes mit dem kühleren Metall des Ofenraumes entstehen, zu vermeiden.
Zu diesem Zweck wird darin vorgeschlagen, mindestens ein unabhängiges magnetisches Wechselfeld, in der
Hauptsache phasengleich mit den Rinnenstrom und senkrecht zu diesem, so anzuordnen, dass ein Teil der
Schmelzrinne sich im Luftspalt des Elektromagneten befindet, der dieses Wechselfeld hervorruft.
Es geht daraus hervor, dass die erwähnte deutsche Auslegeschrift 1949053 die wünschenswerte
Beeinflussung der Strömung im Rinnensystem durch unabhängige regelbare Elektromagnete, die durch
Wechselstrom erregt sind, vorschlägt, die aber keineswegs den Schmelzstrom hervorrufen, während nach der
Erfindung die Beeinflussung der Strömung in den Rinnen durch die Heizinduktionssysteme selbst erfolgt, die ebenfalls regelbar sind.
Es kommt vor, dass bei Ofen, die mit den üblichen Dreirinneninduktoren ausgestattet sind, die Strömung des Schmelzgutes in den Rinnen so günstig ausgebildet ist, dass ihre Reinigung durch mechanische Werkzeuge, und damit die Erhaltung des Nenndurchmessers der Rinnen, keine besondere Anstrengung erfordert und fast nur mehr sicherheitshalber erfolgt, was auf Können und eine glückliche Hand beim Entwurf schliessen lässt.
Die maximale Zielsetzung des Konstrukteurs könnte so ausgesprochen werden : Die thermisch und elektrodynamisch verursachte Strömung in den Heizrinnen muss so gross sein, dass das Absetzen von
Aluminiumoxyd an den Rinnenwänden vermieden wird, d. h. : die Kraft, die die Strömung auf die Oxydteilchen ausübt, muss grösser sein, als die dazu senkrechte Kraft, die die Oxydteilchen an die Rinnenwände führt, wo sie sich festsetzen und den Rinnenquerschnitt verengen, was ja vermieden werden soll.
Die Erfindung behandelt dasselbe Problem und betrifft somit einen Induktionsrinnenofen mit zwei oder mehreren von einander unabhängigen Heizinduktionssystemen, deren jedes einen geschlossenen Eisenkern mit einer oder mehreren Spulen aufweist, die mit einem Rinnensystem und dem Metallbad als Sekundärschleife einen
Transformator bilden, und zeichnet sich dadurch aus, dass die sinusförmigen Grundwelle der Wechselströme in diesen Induktionssystemen im Bereich zwischen 0 und 1800 elektrisch gegeneinander nach Wahl einstellbar phasenverschoben sind. Weicht z. B. der Phasenwinkel in zwei Induktionssystemen von einander um 1800 ab, so wird jene Längsrinne, die sich dort befindet, wo die beiden Magnetflüsse sich aufheben, in der Hauptsache stromlos.
Allgemein gesagt : Ein Teil der Querschnitte des Rinnensystems ist demnach mehr oder weniger frei von der Strömung des erhitzten Schmelzgutes von den Rinnen in den Ofenraum, was sonst in der Hauptsache durch elektrodynamische Kräfte bewirkt wird, so dass dem Durchströmen des kühleren Schmelzgutes durch diesen
Querschnitt aus dem Ofenraum in den Induktor keine, oder nur eine sehr geringe Strömung der erhitzten Schmelze entgegengesetzt ist, da ja in diesem Bereich der magnetische Fluss ausfällt.
Es hat sich gezeigt, dass die Versorgung des Rinnensystems mit der kühleren Schmelze in der Hauptsache durch diesen stromlosen Querschnitt von statten geht, was irgendwie bedarfsgerechter ist, so dass eine Art ausgeprägterer Kreislauf, Ofen-stromlose Rinne-Querrinne-beheizter Rinnenquerschnitt-Ofen entsteht.
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kann weitgehend vermieden werden. Die Stromaufnahme, die z. B. bei Fünfrinneninduktoren ohne Anwendung des Erfindungsgedankens bei sonst gleicher Ausrüstung im Vergleich zu Dreirinnenindukto20 bis 25% absinkt, kann durch Anwendung der Erfindung gleichgehalten werden, was auch für die zu übertragende Schmelzwärme gilt.
Der elektrodynamische Druck aus den beaufschlagten Längsrinnen vergrössert sich, da er von Gegenströmungen weniger beeinflusst wird, was vom Konstrukteur dazu verwendet werden kann, um einen Ofen zu bauen, dessen Abstrahlung geringer ist, wenn er nicht dazu verwendet wird, die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze im Rinnensystem zu erhöhen, was eben der Ablagerung von Aluminiumoxyd an den Rinnenwänden entgegenwirkt. Allerdings muss dann die Zustellung und auch die Gestaltung der Rinne entsprechend sein. Ein
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weiterer Vorteil ist, dass die Querrinne nicht so oft gereinigt werden muss, da bei Anwendung der Erfindung die
Strömungsverhältnisse dort weitgehend dieser Erscheinung entgegenwirken.
Weicht z. B. der Phasenwinkel der Wechselströme in zwei Induktionssysteme um 1200 von einander ab, wie es sich bei Verwendung von Drehstrom anbietet, so entsteht folgender Sachverhalt : Die maximale
Stromaufnahme kommt nicht in beiden Induktionssystemen gleichzeitig zustande. Dementsprechend schwankt die davon abhängige elektrodynamische Kraft. Sie ist in beiden Induktionssystemen abwechselnd stärker und schwächer, dem ein abwechselnd stärkeres Strömen durch die dazu gehörigen Rinnen in den Herdraum entspricht, da auch die Stärke des Druckes aus den Längsrinnen in Richtung Herdraum wechselt.
Daraus ergibt sich eine Wirkung, wie man sie sich ähnlich vorstellen kann, als wären die Induktionssysteme
Pumpen, die abwechselnd ein Mehr erhitzter Schmelze in den Ofenraum fördern, was für den Wärmetausch, der durch das Strömen der Schmelze zustande kommt, von Bedeutung ist.
Im folgenden soll an Hand von schematischen Skizzen das Gesagte dem Verständnis näher gebracht werden.
Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Induktionsrinnenofen, an dessen Herdraum--l--ein Fünfrinneninduktor als Wechselinduktor angeflanscht ist. Fig. 2 ist der dazugehörige Grundriss des Induktors, ebenfalls geschnitten.
--2-- bedeutet den Kasten des Induktors mit der Zustellung, --3a und 3b--die Eisenkerne mit den
Spulen der von einander unabhängigen Induktionssysteme.--4--weist die äusseren Längsrinnen anus,--5-- die mittlere Längsrinne und--6--die Querrinne.--7--gibt an, wie der magnetische Fluss in den beiden Induktionssystemen verläuft, wenn der Phasenwinkel der Erregerströme um 1800 von einander abweicht.
--8-- deutet an, wie aus den äusseren Längsrinnen erwärmtes Schmelzgut in den Ofenraum stroomt,--9--, u. zw. die Pfeilspitze in Richtung zur Querrinne, gibt an, wie die elektrodynamische Kraft zu gleicher Zeit eine Strömung in dieser Richtung bewirkte, wenn die Längsrinnen allein und nicht in der gesamten Sekundärschleife angeordnet wäre. Man könnte sich vorstellen, dass diese Strömung, neben anderem, auch durch den Anprall an die Querrinne geschwächt, bzw. mehr oder weniger vernichtet wird.
Tatsache ist, dass die Hauptströmung in der Richtung der entgegengesetzt gezeichneten Pfeilspitze verläuft, wie man aus den lebhaften Strömungswirbeln auf der Badoberfläche über den Rinnen, ebenso aus Spuren einer lebhaften Strömung im Querkanal mit Sicherheit schliessen kann.--10--ist ein Symbol dafür, dass die Menge erhitzten Schmelzgutes, die durch die äusseren Längsrinnen ausgestossen wird, durch die mittlere Rinne verhältnismässig leicht nachströmt.
Fig. 3 gibt den Phasenverlauf des magnetischen Flusses wieder, wie er in den beiden beschriebenen Induktionssystemen erregt wird, wenn die Phasenwinkel der Ströme um 1800 verschoben sind. Der Verlauf der Phase ist jeweils unter das dazu gehörige Induktionssystem gezeichnet. Die Phase--lla--gehört zum Induktionssystem--3a--, und die Phase--llb--gehört zum Induktionssystem--3b--. Im Bereich der mittleren Längsrinne--5--heben sich die Magnetflüsse in der Hauptsache auf, so dass diese Rinne praktisch stromlos bleibt und daher auch keine elektrodynamischen Kräfte aufweist, die dem Strömen des Schmelzgutes aus dem kühleren Ofenraum in die beheizten Rinnen entgegenwirkt.
Fig. 4 gib t als weiteres Beispiel einen Induktionsrinnenofen mit einen angeflanschten Vierrinneninduktor, der zwei von einander unabhängige Induktionssysteme besitzt, geschnitten im Aufriss wieder. Fig. 5 ist der dazu gehörige Grundriss des Induktors, ebenfalls im Schnitt.
--l-- ist wieder der Herdraum,--2--der Kasten des Induktors mit der Zustellung, --3a und 3b-geben die Eisenkerne der Induktionssysteme mit den Spulen wieder, --4-- sind die Längsrinnen. In diesem
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zeigt den Verlauf der magnetischen Flüsse. Für das Induktionssystem--3b--gibt--8--den Verlauf der Strömung des Schmelzgutes aus den Längsrinnen in den Ofenraum anzeigt durch die beiden Pfeilspitzen an, wie im vorhergehenden Beispiel, wie der Strömungsimpuls in Richtung zur Querrinne die
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Rinnensystem zuströmt, da dort ein geringeres Druckpotential herrscht, entsprechend der Resultierenden der Magnetflüsse, wie aus Fig. 6 hervorgeht.
Diese zeigt, wie sich die Magnetflüsse beim angeführten Vierrinneninduktor verhalten, wenn die Phasenwinkel der Erregerströme in den beiden Induktionssystemen um 1200 von einander abweichen.--Ha--
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Teile dieser Kurven gehören zum Induktionssystem--3a--, die unteren zum System--3b--. Dementsprechend gibt die Kurve an, dass ein Mehr an Druckpotential abwechselnd in beiden Induktionssystemen zustande kommt.
Es wäre z. B. denkbar, auf diese Weise einen Induktionsrinnenofen für Aluminium zu bauen, dessen Induktoren, bzw. deren Rinnensystem so beschaffen ist, dass mit Sicherheit jedes Absetzen von Aluminiumoxyd in den Rinnen vermieden wird, so dass die oft mühsame Reinigung der Heizrinnen entfällt. Schliesslich sind alle
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Bemühungen, wie sie in den verschiedenen Patentschriften dargestellt sind, ebenso der vorliegende Erfindungsgedanke, darauf gerichtet, einen Induktionsrinnenofen, besonders für Aluminium und seine Legierungen, zu bauen, der einem solchen Idealofen möglichst nahe kommt.
Es gibt für eine in der Hauptsache waagrechte, oder auch senkrechte Rinne von bestimmter Form und Länge bei einer bestimmten hydrostatischen Höhe der Schmelze einen bestimmten Wert der spezifischen Strombelastung, bei dem ein Anlegen von Aluminiumoxyd an den Rinnenwänden mit Sicherheit vermieden wird.
Im Nachstehenden sei versucht, die einfachste Form eines solchen Idealinduktors zu beschreiben, dem das Vorhergesagte, sowie der Erfindungsgedanke zugrunde liegt.
Das Rinnensystem besteht aus zwei Längsrinnen, die durch eine Querrinne verbunden sind, deren Anschlüsse an die Längsrinnen auch gerundet sein können. Die erste Längsrinne bleibt stromlos, da ihr kein Induktionssystem beigeordnet ist. Die nachfolgenden Teile des Rinnensystems können so, da keine wesentliche Gegenströmung besteht, gut mit kühler, d. h. vom Herdraum zufliessender Schmelze versorgt werden. Der Querrinne ist in ihrem ersten Teil ein Induktionssystem beigeordnet, das wohl eine gewisse Heizwirkung hervorbringt ; aber die Schmelze weiter zur zweiten Längsrinne fördern soll, der das zweite Induktionssystem beigeordnet ist, das die hauptsächlichste Heizleistung hervorbringen soll.
Angestrebt wird ein ausgebildeter Umlauf des Schmelzgutes, mit jener Mindestbewegung des Schmelzgutes, bei der das Absetzen von Aluminiumoxyd nicht mehr stattfindet, was durch eine entsprechende Phasenverschiebung der Ströme in den Induktionssystemen und auch durch eine entsprechende Amplitudenmodulierung, d. h. durch verschiedene Stromstärken bewirkt werden soll.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Induktionsrinnenofen mit zwei oder mehreren von einander unabhängigen Heizinduktionssystemen, deren jedes einen geschlossenen Eisenkern mit einer oder mehreren Spulen aufweist, die mit einem Rinnensystem
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die sinusförmigen Grundwellen der Wechselströme in diesen Induktionssystemen im Bereich zwischen 0 und 1800 elektrisch gegeneinander nach Wahl einstellbar phasenverschoben sind.
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