DE19805644A1 - Verfahren und Induktionsofen zum Schmelzen von kleinstückigem Metall- und/oder metallhaltigem Schüttgut - Google Patents
Verfahren und Induktionsofen zum Schmelzen von kleinstückigem Metall- und/oder metallhaltigem SchüttgutInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Induktionsofen
zum Schmelzen von kleinstückigem Metall- und metallhaltigem
Schüttgut, insbesondere in Form von Spänen aus Eisen, Kupfer,
Kupferlegierungen und/oder Aluminium und des sen Legierungen
mittels induktiver Erwärmung.
Zum Schmelzen von kleinstückigem Metall- und/oder metallhalti
gem Schüttgut, insbesondere von Spänen, wie sie bei der Metall-
Zerspanung anfallen, sind nach dem Stand der Technik zwei
unterschiedliche Induktionsofen-Typen bekannt. Beide Ofentypen
basieren auf der Ausnutzung der magnetischen Induktion.
Der vorwiegend zum Einschmelzen von Metallspänen, insbesondere
Messingspänen, eingesetzte Induktionstiegelofen besteht aus
einem feuerfesten Tiegel, um den eine wassergekühlte Kupfer
spule angeordnet ist. Wird diese Spule von einem Wechselstrom
durchflossen, so wird in dem Tiegeleinsatz ein elektromagneti
sches Wechselfeld induziert, das den Einsatz zum Schmelzen
bringt. Das hierbei entstehende Wechselfeld bewirkt eine inten
sive Schmelzebewegung, welche das Einrühren der von oben aufge
gebenen Metallstücke fördert. Dadurch, daß die aufgegebenen,
oft ölhaltigen Metallspäne rasch in die Schmelze eingerührt
werden, lassen sich Metallverluste jeder Art minimieren und die
Bildung von toxischen Kohlenwasserstoffen verhindern.
Die Ströme in der Magnetspule und im Schmelzgut erzeugen zusam
men mit dem Magnetfeld Kräfte in Richtung auf die Zylinder
achse, wodurch sich eine konvexe Schmelzbadoberfläche ausbil
det. Ringförmig um die Schmelzbadoberfläche setzt sich am Ofen
innenmantel Krätze ab, wobei die Breite des Krätze-Ringes um so
geringer ist, je heftiger die Badbewegung ist.
Der geschilderte Tiegelofen hat verfahrensbedingt folgende
Nachteile:
Zunächst ist der thermische Wirkungsgrad des Tiegelofens rela
tiv gering, weshalb sich ein hoher spezifischer Energiever
brauch ergibt. Des weiteren kann mit dem Tiegelofen nur diskon
tinuierlich gearbeitet werden. Ist der maximale Füllgrad des
Tiegelofens erreicht, muß die Schmelze vergossen werden, bevor
mit dem weiteren Einschmelzen von Metallstücken fortgefahren
werden kann. Hierdurch entstehen Nebenzeiten, die die Anlagen
verfügbarkeit erheblich einschränken.
Durch Ablagerungen an der Tiegelwand ergibt sich ein hoher Rei
nigungsaufwand. Schließlich führen Schlackenanhaftungen an der
Tiegelwand zu nicht unerheblichen Leistungsverlusten.
Eine Alternative bietet der sogenannte Rinnenofen, bei dem sich
das Schmelzgut in einer geschlossenen Rinne um den Eisenkern
eines Niederfrequenztransformators befindet. Die Schmelze bil
det die kurzgeschlossene Sekundärwicklung, wobei die Heizwir
kung durch den hohen, in der Schmelzrinne fließenden Strom ent
steht. Allerdings fehlt bei der Rinnenofen-Ausführung die Bad
bewegung, wodurch die Gefahr des Metallabbrandes erhöht ist,
soweit die auf dem flüssigen Bad liegenden Metallstücke der
oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt sind. Bedingt kann dem
Metallabbrand durch Einsatz von Stampfern oder Rührwerken ent
gegengewirkt werden, die jedoch den technischen Aufwand erhö
hen. Obwohl der thermische Wirkungsgrad des Rinnenofens groß
ist, können nur kleine Schmelzleistungen erzielt werden, da das
mechanische Einrühren zeitintensiv ist. Im Regelfall werden nur
30% Metallspan-Anteile zum stückigen Schrott zugesetzt, um
befriedigende Schmelzleistungen zu erzielen. Ebenso wie der
Tiegelofen arbeitet der Rinnenofen nur diskontinuierlich.
Außerdem ist auch er mit dem Nachteil hoher Nebenzeiten
behaftet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren
und den Induktionsofen der eingangs genannten Art zu verbes
sern, indem die vorgenannten Nachteile beseitigt werden. Insbe
sondere soll ein kontinuierliches effizientes Einschmelzen von
stückigem Metall-Schüttgut und ein hierzu geeigneter Indukti
onsofen geschaffen werden, der wartungsarm arbeitet.
Verfahrenstechnisch besteht die Lösung darin, daß auf die in
einem Ofenbehälter erzeugte Schmelze das Metall-Schüttgut von
oben zugeführt wird und-die Schmelze im oberen Bereich durch
ein mittels einer ersten um den Ofenbehälter angeordneten
Magnetspule (Tiegelspule, Rührspule) erzeugtes Wechselfeld
einer Rührbewegung ausgesetzt wird, wobei der Schmelze gleich
zeitig im unteren Bereich in einer Schmelzrinne um den Eisen
kern eines Niederfrequenztransformators als kurzgeschlossene
Sekundärwicklung Wärme zugeführt wird. Das beschriebene Verfah
ren hat den Vorteil, daß mittels einer stromdurchflossenen
Tiegelspule in Abhängigkeit der Frequenz der aufgegebenen Wech
selspannung eine starke Rührbewegung zur Vermeidung eines
Metallbrandes und zur Minimierung der Krätzemenge erzeugt wird.
Die Schmelzrinne, in deren Bereich keine Rührarbeit mehr gelei
stet werden muß, läßt sich so hinsichtlich ihres thermischen
Wirkungsgrades optimal ausnutzen. Insgesamt läßt sich durch das
erfindungsgemäße Verfahren eine deutliche Energieersparnis von
ca. 20% erzielen.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
die Schmelze über einen Siphon mit einer unterhalb der Tiegel
spule liegenden, in den Ofenbehälter mündenden Öffnung kontinu
ierlich abgeführt, vorzugsweise in dem Maß, wie Metallstückgut
der Schmelze zugeführt wird. Mit dieser Maßnahme kann ein kon
stantes Schmelzbadoberflächeniveau erzeugt werden, wodurch
bewirkt wird, daß die Schlackezone stets im gleichen Ofenwand
bereich liegt, so daß ein Zuwachsen der Ofeninnenwand wie beim
Tiegelofen bzw. die damit erforderlichen Reinigungsarbeiten
vermieden werden können. Der Einschmelzprozeß kann kontinuier
lich bei einer stabilisierten Prozeßführung vorgenommen werden.
Vorteilhafterweise entstehen keine Nebenzeiten wie bei nach dem
Stand der Technik bekannten Verfahren für Temperaturmessungen
und -einstellungen, das Abschlacken, Entleeren und Reinigen
aufzuwenden sind. Hierdurch ergibt sich erfindungsgemäß eine
Produktionserhöhung in der Größenordnung von ca. 30% sowie
eine Betriebskostensenkung von ca. 10%. Die Anlagenverfügbar
keit für die Produktion wird erheblich verbessert.
Wie bereits erwähnt, schafft das erfindungsgemäße Verfahren die
Möglichkeit, mehr als 50%, vorzugsweise 60 bis 70%, der
gesamten zur Erzeugung der Schmelze zugeführten elektrischen
Heizleistung der Schmelzrinne und den Rest über die Tiegel spule
zuzuführen, womit der höhere thermische Wirkungsgrad durch
Energieübertragung in die Rinne ausgenutzt wird.
Je nach Ausbildung des Siphons kann dieser ggf. beheizt werden.
Vorzugsweise wird die Schmelze im Siphon spitzwinklig zur Senk
rechten oder senkrecht nach dem Prinzip der kommunizierenden
Röhren über einen Auslauf des Siphons abgeführt. Hierbei wird
nach einer Weiterbildung des Verfahrens die Siphonmündungsöff
nung in bezug auf den Rinneninduktor so angeordnet, daß dessen
Heiz- und Rührbewegung bis in die in die Siphonmündungsöffnung
fließende Schmelze hineinreicht. Die vorgenannten Maßnahmen
erlauben es, daß die im Ofenbereich erzeugte Wärme über-die
Schmelze in den Siphon transportiert wird, so daß in entspre
chendem Maße eine Siphon-Heizung unterbleiben kann. In dem ver
wendeten Ofengefäß wird sich der Schmelzbadspiegel in demselben
Höhenniveau einstellen, in dem sich die Siphonauslaßöffnung
befindet. In dem Maße, in dem metallisches Stückgut einge
schmolzen wird, fließt auch Schmelze über die Siphonauslaßöff
nung, etwa in eine Gießanlage, ab. Bei einer solchen kontinu
ierlichen Verfahrensführung ist auch kein Reinigen der Ofen-
Innenwand erforderlich, so daß diesbezügliche Ofenstillstands
zeiten entfallen.
Vorzugsweise wird der durch den Ofenbehälter definierte
Schmelzbaddurchmesser so groß gewählt, daß die durch die Rühr
bewegung erzeugte konvexe krätzefreie Schmelzbadoberfläche im
Durchmesser größer ist als die doppelte Breite des am Ofenrand
anliegenden Krätzeringes. Der Durchmesser der sogenannten
"Glatze" im Verhältnis zur Krätzeringbreite läßt sich über die
Frequenz des Wechselfeldes und die Leistung beeinflussen, wel
che der Tiegelspule zugeführt wird. Niedrige Frequenzen im
Bereich der Netzfrequenz wirken sich hierbei vorteilhaft aus,
da sie die Rührwirkung fördern. Zur Vermeidung von Metallab
brand wird das aufgegebene metallische Schüttgut ausschließlich
auf die konvexe krätzefreie Schmelzbadoberfläche, insbesondere
über einen Trichter zugeführt.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die
Tiegel spule mit einem Wechselstrom einer Frequenz von 50 bis
250 Hz, vorzugsweise 50 bis 120 Hz, und der Rinneninduktor mit
einem Wechselstrom einer Frequenz von 50 bis 60 Hz gespeist.
Apparativ wird die eingangs beschriebene Aufgabe durch den
Induktionsofen nach Anspruch 10 gelöst, der dadurch gekenn
zeichnet ist, daß der Ofen unter Ausbildung einer einzigen
Schmelzkammer im oberen Bereich als Induktionstiegelofen und im
unteren Bereich als Induktionsrinnenofen ausgebildet ist.
Weitere vorzugsweise Ausbildungen des Induktionsofens sind in
den Ansprüchen 11 bis 17 beschrieben.
So besitzt der Induktionsofen einen Siphon, der unterhalb der
Tiegelspule des Induktions-Tiegelofenteiles mündet. Der Siphon
ausfluß verläuft vertikal oder spitzwinklig zur Vertikalen und
besitzt eine Ausflußöffnung oberhalb der Tiegel spule. Durch
diese Maßnahme werden lange Fließwege vermieden, welche die
flüssige Schmelze ansonsten vom Ofen zu Ausfluß zurückzulegen
hätte. Darüber hinaus läßt sich durch diese Anordnung die Wär
mekonvektion und der Wärmetransport über die im Ofen befindli
che Schmelze ausnutzen.
Ggf. ist der Siphon wärmeisoliert und/oder mittels einer Induk
tions- oder Widerstandsheizung erwärmbar. Bevorzugt beträgt der
Siphonausflußdurchmesser mindestens 150 mm.
In einer weiteren Ausführungsform des Induktionsofens wird das
Verhältnis der Induktionsspulenhöhe (Rührspulenhöhe) zum Spu
lendurchmesser etwa 1 : 2 gewählt, wobei positive wie negative
Abweichungen um 20% zulässig sind.
In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Indukti
onsofens ist die Rinne des Rinnenofenteiles senkrecht zum
Siphon und der Rinneninduktor waagerecht angeordnet. Es sind
jedoch auch Schräganordnungen des Rinneninduktors bzw. der
Rinne denkbar, etwa um die Flußbewegung der Schmelze in Rich
tung des Siphon-Ausganges zu unterstützen. Selbstverständlich
kann im Sinne der vorliegenden Erfindung die Rinne auch um 90°
relativ zum Siphon gedreht angeordnet werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Induktionsofens
ist in der Zeichnung dargestellt, die Querschnittsansicht
dieses Induktionsofens zeigt.
Der erfindungsgemäße Induktionsofen besitzt eine einzige
Schmelzkammer 10, deren oberer Bereich von einer wassergekühl
ten Tiegelspule 11 umgeben ist. Der Ofen selbst besitzt eine
nach dem Stand der Technik im Prinzip bekannte feuerfeste Aus
kleidung 12. Im unteren Bereich des Ofens-ist eine Rinne 13
ausgebildet, die mittels des Rinneninduktors 14 beheizbar ist.
Dieser Rinneninduktor 14 besteht aus Magnetspulen 15 über einem
Eisenkern 16. Durch diesen Aufbau ergibt sich ein oberer
Bereich 17, der einem Induktionstiegelofen entspricht, sowie
ein unterer Bereich 18, der einem Induktions-Rinnenofen ent
spricht. Unterhalb der Tiegelspule 11 aber oberhalb der
Rinne 13 besitzt der Induktionsofen einen Auslaß, nämlich die
in den Ofenbehälter mündende Öffnung 19 eines Siphons 20, des
sen Längsachse spitzwinklig zur Vertikalen geneigt ist. Die
Siphonüberlauföffnung 21 befindet sich oberhalb der Tiegel
spule 11. Von dort aus gelangt abfließende Schmelze in einen
Gießbehälter 22 oder ähnliches. Der Induktionsofen ist im obe
ren Bereich mit einer Absaughaube 23 abgedeckt, in der auch-ein
Trichter 24 integriert ist. Der erfindungsgeinäße, Induktionsofen
bzw. das erfindungsgemäße Verfahren arbeiten folgendermaßen:
Die über einen Trichter 24 oder eine sonstige Schüttvorrichtung
aufgegebenen Metallspäne gelangen auf die sogenannte Glatze 25,
das ist die krätzefreie konvexe Schmelzbadoberfläche, um die
herum der sogenannte Krätzering 26 ist. Die Metallspäneaufgabe
ist derart gerichtet, daß Metallspäne ausnahmslos auf die
Glatze 25 fallen. Durch die Tiegelspule, die mit einer Frequenz
zwischen 50 Hz bis 120 Hz gespeist wird, wird die Schmelze in
eine Rührbewegung versetzt, durch welche die auf der Glatze 25
aufliegenden Späne oder Metallstückchen mitgerissen und in die
Schmelze gezogen werden. Das Aufschmelzen der kleinstückigen
Metallteilchen geschieht somit im wesentlichen in der Schmelze,
wodurch ein Metallabbrand verhindert werden kann. Vorzugsweise
wird über die Tiegelspule 11 nur etwa ein Drittel der dem
gesamten Induktionsofen zugeführten Heizleistung zugeführt,
zwei Drittel dieser Heizleistung werden über den Rinneninduk
tor 14 abgegeben. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren
bildet sich im Siphon 20 eine Schmelzesäule entsprechend der
Schmelzbadoberfläche 25 aus. Ist der Induktionsofen, wie dar
gestellt, "gefüllt", führt jeder weitere durch Metallspänezu
gabe erzeugte Schmelzenzufluß zu einem Abfließen betreffender
Mengen über den Überlauf 21. Die Steuerung des Verfahrens ist
so angelegt, daß die Heizleistung groß genug ist, um die einge
führten Metallspäne vollständig aufzuschmelzen. Verarbeitbare
Späne bestehen insbesondere aus Eisen, Kupfer, Aluminium und
deren Legierungen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch
auch auf metallhaltige Schüttgüter anwendbar, die beim Recy
cling von Reststoffen wie Aschen, Filterstäube etc. auftreten.
In einem konkreten Ausführungsbeispiel besaß der Induktionsofen
eine Leistung von 2 MW, wobei 1100 kW über die Rinne und 900 kW
über die Tiegelspule 11 abgegeben worden sind. Durch entspre
chende Ofendimensionierung konnten 8 t/h Messingspäne einge
schmolzen werden. Die erzielte Energieeinsparung gegenüber
einem Tiegelofen betrug etwa 20%.
Claims (19)
1. Verfahren zum Schmelzen von kleinstückigem Metall-
und/oder metallhaltigem Schüttgut, insbesondere Spänen aus
Eisen, Kupfer und/oder Aluminium, und/oder deren
Legierungen mittels induktiver Erwärmung,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf die in einem Ofenbehälter erzeugte Schmelze das
Metall-Schüttgut von oben zugeführt wird und die Schmelze
im oberen Bereich durch ein mittels einer ersten um den
Ofenbehälter angeordneten Magnetspule (Tiegelspule (11),
Rührspule) erzeugtes Wechselfeld einer Rührbewegung
ausgesetzt wird, wobei der Schmelze gleichzeitig im
unteren, Bereich in einer Schmelzrinne (13) um den
Eisenkern (16) eines Niederfrequenz-Transformators als
kurzgeschlossene Sekundärwicklung Wärme zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schmelze über einen Siphon (20) mit einer unterhalb der
Tiegelspule (11) liegenden, in den Ofenbehälter mündenden
Öffnung (19) kontinuierlich in dem Maß abgeführt wird wie
Metallstückgut der Schmelze zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mehr als 50%, vorzugsweise 60 bis 70%, der gesamten
zur Erzeugung der Schmelze zugeführten elektrischen, Heiz
leistung der Schmelzrinne (13) und der Rest über die Tie
gelspule (11) zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Siphon (20) beheizt wird, vorzugs
weise mittels einer Induktions- oder Widerstandsheizung.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schmelze im Siphon (20) spitzwink
lig zur Senkrechten oder senkrecht nach dem Prinzip der
kommunizierenden Röhren über einen Auslauf (21) des
Siphons (20) kontinuierlich abgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß-die
Siphonmündungsöffnung (19) in bezug auf die Tiegel
spule (11) so angeordnet ist, daß die Rührbewegung bis in
die Siphonmündungsöffnung (19) fließende Schmelze hinein
reicht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der durch den Ofenbehälter definierte
Schmelzbaddurchmesser (d) so groß gewählt wird, daß die
durch die Rührbewegung erzeugte konvexe (krätzefreie)
Schmelzbadoberfläche (25) im Durchmesser größer als die
zweifache Breite des am Ofenrand anliegenden Ringes der
Krätze (26) ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
Metall-Schüttgut ausschließlich auf die konvexe krätze
freie Schmelzbadoberfläche (25) aufgegeben wird, vorzugs
weise zentrisch über einen Schüttgut-Trichter.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Tiegelspule (11) mit einem Wech
selstrom einer Frequenz von 50 bis 250 Hz, vorzugsweise 50
bis 120 Hz, und der Rinneninduktor (14) mit einem Wechsel
strom einer Frequenz von 50 bis 60 Hz gespeist werden.
10. Induktionsofen zum kontinuierlichen Schmelzen von klein
stückigem Metall- und/oder metallhaltigem Schüttgut, ins
besondere in Form von Spänen aus Eisen, Kupfer und/oder
Aluminium und deren Legierungen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ofen unter Ausbildung einer einzigen Schmelzkam
mer (10) im oberen Bereich (17) als Induktionstiegelofen
und im unteren Bereich (18) als Induktionsrinnenofen aus
gebildet ist.
11. Induktionsofen nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch
einen Siphon (20), der unterhalb der Tiegelspule (11) des
Induktionstiegelofenteiles (17) mündet.
12. Induktionsofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Siphonausfluß (20) vertikal oder spitzwinklig zur
Vertikalen verläuft und seine Ausflußöffnung (21) oberhalb
der Tiegelspule (11) besitzt.
13. Induktionsofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß, der Siphon (20) wärmeisoliert ist und/oder mittels
einer Induktions- oder Widerstandsheizung erwärmbar ist.
14. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, daß der Siphonausflußdurchmesser
mindestens 150 mm beträgt.
15. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Rührspulen
höhe zum Rührspulendurchmesser 1 : 2 (± 20%) beträgt.
16. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rinne (13) des Rinnenofentei
les (18) senkrecht zum Siphon (20) angeordnet ist.
17. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rinneninduktor (14) waage
recht oder schräg zur Siphonachse angeordnet ist.
18. Induktionsofen nach einem der Ansprüche 10 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß der Rinneninduktor (14) um 90°
zur Senkrechten verdreht angeordnet ist.
Priority Applications (7)
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