DE69021940T2

DE69021940T2 - Induktionsschmelzen.

Info

Publication number: DE69021940T2
Application number: DE69021940T
Authority: DE
Inventors: John Henry Simcock
Original assignee: Inductotherm Europe Ltd
Current assignee: Inductotherm Europe Ltd
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2010-06-06
Also published as: CA1327839C; GB2232832A; GB2232832B; GB8913620D0; US5012487A; DE69021940D1; ES2077647T3; DK0403138T3; ATE127311T1; EP0403138B1; EP0403138A1; GR3017952T3

Description

Die Erfindung betrifft das Induktionsschmelzen.
Beim Induktionsschmelzen, insbesondere (jedoch nicht ausschließlich) beim Schmelzen von Stahl oder anderen Legierungen bei hohen Temperaturen im Vakuum, ist es oft wünschenswert, das Schmelzbad auf einer konstanten, vorgewählten Temperatur zu halten und gleichzeitig die Schmelze durch die Erzeugung von Turbulenzen oder durch Rühren im gewünschten Umfang zu bewegen, um ein derart homogenes Gemisch zu erhalten, wie es zur Herstellung von Legierungen erforderlich ist. Das Ziel ist es, die Schmelze ausreichend zu bewegen, um ein rasches und wirksames Mischen ohne übermäßige Erwärmung der Schmelze sicherzustellen, so daß die vorbestimmte Haltetemperatur nicht überschritten wird.
In GB 508 255 und GB 2 200 979 werden herkömmliche Induktionsschmelzvorrichtungen beschrieben, die dazu dienen, die Schmelze durch Regulierung der Frequenz und/oder der Amplitude der an die Induktionsspule bzw. -spulen angelegten Stromkomponenten kontrolliert zu erwärmen und in Bewegung zu halten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Induktionsschmelzvorrichtung zu entwickeln, die im Einsatz besonders wirkungsvoll ist, die für den Hochleistungsbetrieb (hohe Energiezufuhr) ebenso verwendet werden kann wie für den Niedrigleistungsbetrieb (geringe Energiezufuhr) und die im Einsatz zuverlässig und leicht steuerbar ist.
Eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der genannten GB 508 255 bekannt.
Eine erfindungsgernäße Schmelzvorrichtung ist durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gekennzeichnet.
Eine Schmelzenergiekomponente kann eine mittlere Frequenz von beispielsweise 150 Hz bis 10 KHz, typischerweise jedoch von 150 bis 500 Hz aufweisen, während die Frequenz der Bewegungsenergiekomponente typischerweise bei 50 Hz liegt.
Die Spulenvorrichtung ist typischerweise so angeordnet, daß die aneinander angrenzenden Wicklungen entgegengesetzt zueinander gewickelt sind, so daß kein Spannungsabfall über die Spalten zwischen den Wicklungen bzw. Abschnitten der Induktionsspuleneinrichtung auftritt.
Vorzugsweise enthält der Schmelzenergie-Erregerstromkreis eine variable Spannungsquelle, die leitungsisoliert ist oder einen Transformator zur Isolierung gegenuber der Schaltung der Spuleneinrichtung aufweist.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung im einzelnen erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig.1 eine Schemadarstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der Induktionsschmelzvorrichtung;
Fig.2 und 3 Schemadarstellungen unterschiedlicher Formen der Bewegung bzw. des Durchmischens, die wirksam in eine Schmelze induziert werden können;
Fig.4 eine Schemadarstellung einer variablen Induktionsleistungeinrichtung sowie von Reihenresonanzschwingkreisen in einer ersten Ausgestaltung eines Schmelzenergie-Erregerkreises;
Fig.5 eine Schemadarstellung einer anderen Ausgestaltung dieses Schaltkreises und
Fig.6 eine Schemadarstellung einer dritten Ausgestaltung dieses Schaltkreises zum Betrieb auf einem niedrigeren Energieniveau.
Aus den Fig.1 bis 3 ist ersichtlich, daß die Induktionsschmelzvorrichtung einen (nicht in Fig.1 dargestellten) Behälter 10 zum Aufnehmen der Schmelze 12 aus geschmolzenem Metall, beispielsweise zur Herstellung von Legierungen, enthält. Eine Induktionsspuleneinrichtung 14 steht mit dem Behälter 10 in herkömmlicher Art und Weise in Verbindung.
Dieses Vorrichtungsbeispiel arbeitet auf der Grundlage einer dreiphasigen Stromzufuhr zur Spuleneinrichtung 14. Die Spuleneinrichtung 14 ist in drei Abschnitte bzw. Wicklungen 14a, b, c aufgeteilt, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei jedoch jede Wicklung in entgegengesetzter Richtung zur unmittelbar angrenzenden Wicklung gewickelt ist. So könnten beispielsweise die Wicklungen 14a und 14c im Uhrzeigersinn gewickelt sein und die Wicklung 14b, die zwischen den erstgenannten Wicklungen angeordnet ist, würde dann gegen den Uhrzeigersinn gewickelt sein. Diese Anordnung stellt sicher, daß über die Spalten bzw. die aneinander angrenzenden Bereiche zwischen den Wicklungen keine Spannungsabfälle auftreten.
Die Vorrichtung enthält weiterhin eine Energiezuführeinrichtung, bestehend aus einzeln angesteuerte und eingestellte Schaltkreise für die Energiezufuhr beim Schmelzen und beim Durchmischen, die jeweils insgesamt mit den Bezugsziffern 16 bzw. 18 auf der linken bzw. rechten Seite der Spuleneinrichtung 14 in Fig.1 bezeichnet sind.
Der Bewegungsenergie-Erregerkreis 18 ist im wesentlichen von herkömmlicher Bauart. Eine 50Hz-Drehstrontquelle wird an Position 20 durch eine Phasenrotations/Phasenumkehr-Kontaktvorrichtung 22 und einen mit Motor versehenen oder manuell betätigbaren, nicht belasteten Spannungsabnahme-Wechselschalter 24 zur Spannungveränderung an eine gegenüber der Erdung abgeschirmte Transformatoreinrichtung 26 angeschlossen, die ihrerseits an ihrem Abgabeende eine Sternschaltung 28 aufweist, die eine direkte Leitung zu den parallelgeschalteten Spulenwicklungen 14a, b, c ermöglicht. Der Transformator 26 enthält weiterhin eine dreiphasige Tertiärwicklung 27, die eine dreiphasige, im Dreieck geschaltete Kondensatorvorrichtung 29 zur Korrektur des Leistungsfaktors mit Energie versorgt.
Die Wicklung 27 kann bei einer nominalen Leitungsspannung von 1.200 V eingesetzt werden. Die Kondensatoranordnung 29 wird dazu verwendet, die Korrektur des Leistungsfaktors durch die in Reihe geschalteten Resonanzschwingkreise im nachfolgend genauer beschriebenen Schmelzenergie-Erregerkreis 16 zu unterstützen.
Die Spannungssteuerung der Transformatoreinrichtung 26 könnte auch so eingestellt werden, daß sie unter Last arbeitet, z.B. durch den Einsatz variabler Festkörperinduktoren oder eines variablen Spannungstransformators, wenngleich die Kosten einer derartigen Anordnung höher sind als die der oben beschriebenen unbelasteten Steuerung.
Der Einsatz der dreiphasigen Bewegungsenergie-Erregerkomponente an der Induktionsspuleneinrichtung 14 erzeugt in einer Richtung wirkende Strömungen zum Durchmischen der Schmelze 12, wie dies schematisch an der Bezugsziffer 30 in Fig.3 angedeutet ist. Die Strömungsrichtung der Bewegungsströmungen kann durch Umschalten der Kontaktgebervorrichtung 22 umgekehrt werden. Fig.3 zeigt eine Form des Durchmischens bzw. Bewegens, doch sind andere Formen oder Kombinationen möglich. Fig.2 illustriert schematisch die Wirkung einer einphasigen, in zwei Richtungen wirkenden Mischströmung 31 zum Bewegen der Schmelze 12. Diese Form kann mit der in Fig.3 dargestellten Form kombiniert werden.
Dem Schmelzenergie-Erregerkreis 16 wird eine Eingangsspannung 32 von einer (in diesem Beispiel) Sollz-Dreiphasen-Hochspannungsquelle (die zu jeder Phase gehörigen Leitungen wurden aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt) zugeführt, die eine dreiphasige zur Erdung hin abgeschirmte Brückengleichrichtervorrichtung 34 mit Stern-/Dreieckverbindungen zur Phasentrennung versorgt, wodurch eine Phasenverschiebung um 30º erzielt wird, so daß deren Ausgangsfrequenz auf einem Zwölfpulszylklus liegt. Diese Ausgangsleistung mittlerer Frequenz wird einer variablen Leistungseinrichtung 36 zugeführt, von der verschiedene Formen nachfolgend genauer erläutert werden. Die Ausgangsleistung wird durch drei Reihenresonanzschwingkreise 38a, b, c parallel aufgespalten, die parall zueinander mit jeweils einer Induktionsspulenwicklung 14a, b bzw. c verbunden sind, um diesen Schmelzenergie-Erregerstrom zuzuführen. Dadurch wird der Spuleneinrichtung 14 gleichzeitig, jedoch getrennt steuerbar, Schmelzenergie-Erregerstrom mittlerer Frequenz und Bewgungsenergie-Erregerstrom niedriger Frequenz zugeführt, wobei die Reihenresonanzschwingkreise 38 automatisch verhindern, daß der zugeführte Bewegungsenergie-Erregerstrom Einfluß auf die variable Leistungseinrichtung 36 ausübt. Der zugeführte Schmelzenergie-Erregerstrom mittlerer Frequenz kann nicht auf die Transformatorvorrichtung 26 einwirken, da deren Sekundäranschlußklemmen bei mittlerer Frequenz wirksam parallelgeschaltet sind.
Die Schwingkreise 38 sind sternförmig verbunden, wobei der "neutrale" Punkt, d.h. der Sternpunkt, bei mittlerer Frequenz der Erregerpunkt ist.
In den Fig.4, 5 und 6 sind verschiedene alternative Ausführungsformen der variablen Leistungsquellen 36 dargestellt Die Ausgangsleistung der Gleichrichtervorrichtung 34, der der Erregerdrehstrom zugeführt wird und die ein Festkörper-Brückengleichrichter sein kann, erzeugt ein Gleichsstrom-Spannungspotential, das einem Filterkondensator 40 der verschiedenen dargestellten variablen Leistungseinrichtungen zugeführt wird. Jede dieser variablen Leistungseinrichtungen enthält darüberhinaus Schaltthyristoren 48, die die Gleichstromspannung bei mittlerer Frequenz für die parallele Weiterleitung an die drei Spulenwicklungen 14a, b und c mittles der Reihenresonanzschwingkreise 38a, b und c in den Fig.4 und 6 umschalten.
Was die Fig.4 und 5 anbelangt, so ist die elektrische Variiervorrichtung leitungsisoliert, wie in Fig.1 dargestellt, so daß der Eingangsstrom der Induktionsspuleneinrichtungen 14 durch die Erdungsabschirmung der Einrichtungen 26 und 34 von der Erdung elektrisch isoliert ist.
Was Fig.4 anbelangt, so dienen die Schwingkreise 38 in den Verbindungen zu den Spulenwicklungen als Zusatzbzw.Hilfssperrkondensatoren (mit etwas niedrigerer Spannung), die die Wirkung der Hauptkondensatoren 50 auf der Eingangsseite der Thyristoren 48 erhöhen.
Das elektrischen Variiervorrichtungen in Fig.5 enthält eine alternative Kondensatoranordnung in Form eines dreitteiligen Kondensators 50 zur Erzeugung des Reihenresonanzeffektes.
Die mit den Spulenwicklungen verbundenen, in Fig.6 dargestellten Reihenresonanzschwingkreise 38a, b, c werden von einem Isolationstransformator 52 mittlerer Frequenz mit Strom versorgt, was eine wirtschaftliche Form der Isolierung auf vergleichsweise niedrigem Energieniveau, etwa bei bis zu 500 kW, darstellt, wobei diesem Transformator die Energie von Schaltthyristoren 48, 54 der Einrichtung 36 zugeführt wird.
Die Verbindungen der Spulenwicklungen 14 mit dem Durchmischenergie-Erregerkreis 18 sind in den Fig.4, 5 und 6 nicht dargestellt, doch entsprechen sie den in Fig.1 dargestellten.

Claims

1. Induktionsschmelzvorrichtung, enthaltend

a) einen Behälter (10) zum Aufnehmen einer Schmelze (12) aus geschmolzenem Metall,

b) eine Induktionsspuleneinrichtung (14) mit drei Wicklungsabschnitten (14a,b,c), die in Verbindung mit dem Behälter parallel zueinander geschaltet sind,

c) einen Schmelzenergie-Erregerschaltkreis (16), der jedem der Wicklungsabschnitte (14a,b,c) Schmelzenergie- Zuführkomponenten mit mittlerer Frequenz zuführt, um die Schmelze durch Induktionserwärmung auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten, und enthaltend eine Einrichtung (36) zur vorgewählten Einstellung dieser Komponenten;

d) einen dreiphasigen Bewegungsergie-Erregerschaltkreis (18), der gleichzeitig mit den Schmelzkomponenten jedem der Wicklungsabschnitte (14a,b,c) wirksam Bewegungsenergie-Zuführkomponenten mit vorbestimmter niedriger Frequenz zum Durchmischen der Schmelze durch Turbulenzinduktion in der Schmelze zuführt, und enthaltend eine Einrichtung (24) zur vorgewählten Einstellung der Bewegungsenergie-Komponenten unabhängig von den Schmelzenergie-Komponenten und ohne diese zu beeinflussen, und eine Transformatoreinrichtung (26), wobei jedem der Wicklungsabschnitte (14a,b,c) eine andere Phase der Bewegungsenergie-Komponente zugeführt wird:

dadurch gekennzeichnet daß,

i.) die Reguliereinrichtung des Schmelzenergie-Erregerschaltkreises eine Leistungseinrichtung (36) ist, die einen Gleichspannungsausgang enthält, der auf herkömmliche Art und Weise mit drei in Reihe geschalteten Resonanzschwingkreisen (38a,b,c) in jeder der drei parallelen Leitungen verbunden ist, um Schmelzenergie der gleichen mittleren Gleichstromspannungsfrequenz an jeden Wicklungsabschnitt (14a,b,c) zu leiten, wobei die Verbindungen zwischen den Schwingkreisen (38a,b,c) und den Wicklungsabschnitten sternförmig (28) ist und

ii) die Transformatoreinrichtung (26) für den Bewegungsenergie-Erregerschaltkreis ein dreiphasiger Transformator ist, der die Bewegungsenergie-Zuführkomponenten über die Sternverbindung (28) an die Wicklungsabschnitte (14a, b, c) weiterleitet;

wobei die Reihenresonanzschwingkreise (38a,b,c) die Bewegungsenergie-Zuführkomponenten im Betrieb blockieren und so verhindern, daß sie die Leistungseinrichtung (36) beeinflussen, und wobei der Bewegungsenergie-Erregerschaltkreis (18) und der Schmelzenergie-Erregerschaltkreis (16) auf unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, und dadurch verhindern, daß der Strom mittlerer Frequenz des Schmelzenergie-Erregerschaltkreises (16) die Sekundärseite der Niedrigfrequenz-Bewegungsenergie-Transvormatoreinrichtung (26) beeinflußt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzenergie-Erregerschaltkreis (36) eine Phasenmodifikationseinrichtung (34) enthält, die dazu dient, die Phasen der betreffenden Energieeingangskomponenten aufzuteilen, um eine phasenversetzte Ausgangskomponente zu erzeugen, die eine Pulsfrequenz aufweist, die ein Mehrfaches der Frequenz der dreiphasigen Eingangskomponente beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander angrenzenden Wicklungsabschnitte (14a, b, c) der Spule einander entgegengesetzt gewickelt sind, wobei im Betrieb über den Spalten zwischen den Abschnitten kein Spannungsabfall vorhanden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schmelzenergiezuführvorrichtung (36) über einen variablen Frequenzbereich von 150 bis 500 Hz einsetzbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungseinrichtung (36) durch einen Transformator (52) mittlerer Frequenz von der Induktionsspuleneinrichtung (14) galvanisch entkoppelt ist.