DE3880416T2

DE3880416T2 - Schmelztiegel für einen Induktionsofen.

Info

Publication number: DE3880416T2
Application number: DE88402505T
Authority: DE
Inventors: Roger Boen
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1988-10-04
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2008-10-05
Also published as: JPH01118089A; EP0311506A1; DE3880416D1; JP2660018B2; US4873698A; FR2621387A1; FR2621387B1; EP0311506B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine besondere Konstruktion eines Induktionsofen-Schmelztiegels der Bauart aus elektrisch leitendem Material, wie etwa Kupfer, außen umgeben von einer Induktionsspule.
Die zylindrische Wand solcher Tiegel ist großen Erwärmungen ausgesetzt, ebenso wegen der geschmolzenen Charge, die sie umgibt, wie wegen der Stromwärmefreisetzungen auf Grund der induzierten Ströme, deren Sitz sie ist. Es ist daher wichtig, die Erwärmungen zu begrenzen durch Kühlkreise im Innern der Wand. Jedoch, die Notwendigkeit, die in dieser Wand induzierten Ströme zu begrenzen, die, außer den thermischen Verlusten, die sie erzeugen, zudem eine elektromagnetische Auskopplung erzeugen zwischen der Spule und der Charge, ist der Grund dafür, daß die Wand aus dem Zusammenbau von Längseleinenten an ihren Querseiten besteht, nach Art der Dauben eines Fasses, mit einer elektrisch isolierenden Dichtung zwischen zwei benachbarten Elementen.
Man würde die Querausdehnung dieser Elemente gerne so weit wie möglich einengen, d.h. den Winkel der sie einschließt, ist dabei aber beschränkt durch die minimalen Abmessungen der Kühlleitungen.
Die Figur 1 stellt perspektivisch und im Partialschnitt einen dieser schon bekannten Tiegel dar. Der Induktor 1 ist eine Spule, um Längselemente 2 gewickelt, die einen ringsektorförmigen Querschnitt aufweisen, von einem Winkel C' eingeschlossen. Sie sind mit ihren Seitenflächen 3 aneinandergefügt, um die zylindrische Wand eines Tiegels zu bilden, der außerdem einen Boden umfaßt, der in der Figur nicht erscheint. Dichtungen 4 aus elektrisch isolierendem Material sind zwischen den benachbarten Elementen 2 angebracht und werden zwischen den Querseiten 3 gepreßt.
Jedes der Elemente 2 umschließt einen hydraulischen Kühlkreis, der hier aus einer U-förmigen Leitung 5 besteht, die sich über die ganze Länge erstreckt. Einer seiner Zweige 6 kommuniziert mit einem Wasserversorgungsrohr 8, der andere Zweig 7 mit einem Wasserentleerungrohr 9. Das Kühlwasser durchfließt folglich nacheinander die beiden Zweige 6 und 7 der U-förmigen Leitung 5.
Hier befinden sich die beiden Zweige 6 und 7 auf demselben Umfang, auf halbem Weg zwischen der Außen- und der Innenfläche der zylindrischen Wand des Tiegels. Der Winkel C' der Elemente 2 muß folglich ausreichend groß sein, um die beiden Zweige einzuschließen; er beträgt hier 24º, während man sich ihn so klein wie möglich wünscht.
Das Problem ist nicht grundsätzlich ein anderes, wenn die beiden Zweige sich in unterschiedlichen Wandtiefen befinden und auf dem gleichen Radiusstrahl, oder wenn man die U-förmige Leitung 5 ersetzt durch eine geradlinige vertikale Leitung mit einem Versorgungsrohr oben und einem Entleerungsrohr unten. Der Winkel C' kann durch diese Einrichtungen nur geringfügig reduziert werden.
Die Erfindung gestattet, sich frei zu machen von diesen Nachteilen, indem man die vorgefaßte Meinung aufgibt, nach der jedes der Elemente 2 durch einen eigenen Kühlkreis gekühlt werden muß. Sie zeigt, daß es ohne weiteres möglich ist, die Kühlkreise in Umfangsrichtung anzuordnen, so daß sie nacheinander mehrere Elemente 2 durchlaufen. Die Dichtungen 4 können nämlich ohne weiteres die Dichtheit gewährleisten.
Folglich kann man den die Elemente 2 einschließenden Winkel reduzieren bis auf vorher unbekannte Werte in der Größenordnung eines Grades. Die in den Tiegel induzierten Ströme sind dann vernachlässigbar, und die erzielten Energiegewinne beträchtlich.
Die Erfindung betrifft folglich einen Induktionsofentiegel aus elektrisch leitfähigem Material, der gebildet wird von Längselementen, aneinandergefügt mit ihren Querseiten mittels elektrisch isolierenden Dichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente durchbrochen sind von Leitungen, die an ihren Querseiten münden, und in analoge Leitungen von Elementen münden, mit denen sie zusammengefügt sind, und daß die Dichtungen dicht sind für Kühlflüssigkeiten, welche die Leitungen durchfließen.
Diese Erfindung wird nun beschrieben mit Hilfe der angefügten Figuren, beigegeben zur Veranschaulichung, die aber keinesfalls einschränkend sind:
- die Figur 1, schon beschrieben, stellt einen Tiegel der herkömmlichen Technik dar;
- die Figur 2A stellt einen erfindungsgemäßen Tiegel dar;
- die Figur 2B stellt ein Detail der Figur 2A dar;
- die Figuren 3, 4 und 5 stellen drei besondere Ausführungen der Erfindung dar.
Der Induktor 1 der Figuren 2A und 2B ist derselbe wie in der vorhergehenden Figur, und man findet die ringsektorförmigen Längselemente 12 wieder, die von einem Winkel C eingeschlossen werden, der sehr viel kleiner ist, als der Winkel C' aus Figur 1:
ungefähr ein oder zwei Grad. Man sieht, daß die Elemente 12 nun eine größere Dicke aufweisen, als ihre Breite Zwischen ihren Querseiten 13 beträgt, was bewirkt, daß die durch den Induktor 1 induzierten Ströme sich nicht entwickeln können, und daß die elektromagnetischen Verluste, ebenso wie die Erwärmung, die sie auf Grund des Joule-Effekts erzeugen, sehr reduziert werden. Die elektrisch isolierenden Dichtungen 14 sind, wie vorher, zwischen den benachbarten Längselementen 12 angebracht.
Der grundsätzliche strukturelle Unterschied zu Figur 1 ist, daß die Umfangsleitungen 15, abgestuft über die Höhe der Elemente 12, diese durchqueren und an ihren Seitenflächen 13 münden, wo sie sich Verbinden mit den entsprechenden Leitungen 15 der benachbarten Elemente 12, um ein umfassendes hydraulisches Kühlnetz zu bilden. Selbstverständlich müssen die Dichtungen 14 auf Höhe der Leitungen 15 durchbrochen sein, und zugleich Ausflüsse aus dem Kühlnetz nach außen verhindern, d.h. die Dichtheit gewährleisten.
Die Figur 3 stellt eine mögliche Ausführung der Verbindung dar. Die Wand des Tiegels ist diagonal geschnitten Die Elemente 12 weisen einen unteren Absatz 16 auf, der sich präsentiert in Form eines Vorsprungs 17 ihrer Außenfläche, und einer Vertiefung 18 ihrer Innenfläche. Das Kühlnetz, gebildet aus Kanälen 15, bildet hier zwei ineinander verschlungene Spiralen 15' und 15'', wovon jede mit ihrem unteren Ende in einem zylindrischen Wasserversorgungsbehälter 19 mündet, auf den die Vertiefungen 18 passen, und mit ihrem oberen Ende in einem Wasserentleerungsbehälter, der auf die hochstehenden oberen Ränder der Elemente 12 gesteckt ist.
Der Wasserentleerungsbehälter 20 ruht auf dem oberen Rand eines Hüllrings 23, angebracht um die Elemente 12 herum, der seinerseits selbst auf den Vorsprüngen 17 ruht. Er ist aus elektrischem Isoliermaterial, wie etwa Glasfiber.
Die Wasserbehälter 19 und 20, sowie der Hüllring 23 gewährleisten folglich den mechanischen Zusammenhalt der Längselemente 12.
Ein Unterteil 24 aus hitzebeständigem Material, versehen mit einer Entleerungsöffnung 25 der geschmolzenen Charge, vervollständigt die Vorrichtung. Es ist angebracht in der Mitte des Wasserversorgungsbehälters 19, in dem Raum, den er begrenzt.
Selbstverständlich können die Leitungen 15 eine beliebige Anzahl Spiralen bilden, die nur begrenzt ist aus Gründen der Konstruktionsvereinfachung.
Die Figur 4 zeigt eine weitere mögliche Ausführung der Erfindung, die von der vorhergehenden dadurch abweicht, daß der Hydraulikkreis diesmal aus mehreren horizontalen Kanälen 30 besteht, wovon sich jeder auf einem Umfang der zylindrischen Wand erstreckt. Man sieht dann ein Längelement 32 von besonderer Form vor, eventuell mit einer größeren Winkelausdehnung als die anderen, dessen Querschnitt H-Form aufweist, und das somit eine Innenwand 33, eine Außenwand 34 und eine, die beiden Wände 33 und 34 verbindende Mitteltraverse 35 aufweist. Die Traverse trennt die beiden vertikalen Kanäle 36 und 37; einer davon, rechts in der Zeichnung, wird von Kühlwasser durchflossen, das aus einem Versorgungsrohr 38 kommt, und verteilt dieses Wasser in die horizontalen Kanäle 30; der andere 37, links in der Zeichnung, sammelt das Wasser, das den Kanal 30 durchlaufen hat, vor der Entleerung durch ein Entleerungsrohr 39.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung erscheint in Figur 5. Mit den Konstruktionen der herkömmlichen Technik ist es nicht möglich, die eingeengten Teile des Tiegels richtig zu kühlen. Im Gegensatz dazu können Längselemente 42 vorgesehen werden, die einen zylindrischen Oberteil 43 aufweisen, der anschließt an einen Unterteil 44, der sich abwärts nach innen verbreitert: der von der geschmolzenen Charge eingenommene Raum ist dann zylindrischkonisch, mit der Konusspitze nach unten, und mündet in einen Abfluß 45 von kleinem Durchmesser, begrenzt durch die unteren Teile 44. Diese Längselemente 12 weisen nahe dem Abfluß 45 eine sehr viel geringer Breite auf. Jedoch ist es möglich, sie an dieser Stelle zu kühlen, indem man progressiv die Breite (Radialmaß) des Querschnitts der unten befindlichen Kühlleitungen 15 erhöht.
Die Anordnung der Leitungen 15 als durchquerende Kanäle weist folglich einen doppelten Vorteil auf: man kann sowohl die Verluste in den Tiegeln reduzieren mit schmäleren und zahlreicheren Elementen, als auch die Kühlung der verengten Zonen gewährleisten.
Selbstverständlich kann man sich zahlreiche weitere Formen und Anordnungen dieser Kühlkanäle vorstellen, ohne den durch die Ansprüche definierten Rahmen zu verlassen.

Claims

1. Induktionsofen-Schmelztiegel aus elektrisch leitendem Material, der Längselement (12; 22, 32, 42) umfaßt, die mit ihren Querseiten (13) aneinandergefügt sind über dazwischenliegende, elektrisch isolierende Dichtungen (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente durchbrochen sind von Leitungen (15), die an ihren Querseiten (13) münden und in entsprechende Leitungen von den Elementen münden, an die sie angefügt sind, und dadurch, daß die Dichtungen (14) dicht sind für Kühlflüssigkeiten, welche die Leitungen (15) durchfließen.

2. Induktionsofen-Schmelztiegel aus elektrisch leitendem Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (15) wenigstens eine Schraubenlinie bilden im Innern des Schmelztiegels.

3. Induktionsofen-Schmelztiegel aus elektrisch leitendem Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (15) im Innern des Schmelztiegels parallele Ringe (30) bilden, wovon jeder von einer Längsleitung für die Zuführung (36) und einer Längsleitung für die Entleerung (37) durchquert wird.

4. Induktionsofen-Schmelztiegel aus elektrisch leitendem Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Querseiten (13) der Elemente kleiner ist als die Stärke des Schmelztiegels.

5. Induktionsofen-Schmelztiegel aus elektrisch leitendem Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel einen eingeengten Teil (45) aufweist.