Induktionstiegelofen

Der Induktionstiegelofen ist neben dem Kupolofen das für die Gießerei wichtigste Schmelzaggregat.

Folgendes Wirkprinzip liegt zugrunde:

Eine Spule wird von Wechselstrom durchflossen und erzeugt dadurch ein magnetisches Feld. Dieses durchdringt das leitfähige Einsatzmaterial im Inneren der Spule und erzeugt Wirbelströme (Joulesches Gesetz). Diese Wirbelströme bewirken dann eine Erwärmung des Einsatzmaterials.

Ist genügend Energie zugeführt kommt es zum Schmelzen des Einsatzmaterials.

Da der vom Spulenstrom erzeugte magnetische Fluss sowohl durch die Schmelze, aber zum großen Teil durch die zwischen Spule und Schmelze liegende Tiegelwand verläuft muss eine Erwärmung der gesamten Ofenkonstruktion und ein unzulässig hohes magnetische Streufeld außerhalb des Ofens vermieden werde. Dies geschieht durch die äußeren Blechpakete, welche einen magnetischen Rückschluss verhindern.

Die Ausbildung elektromagnetischer Felder führt zur Entstehung elektromagnetischer Kräfte, welche im Induktionstiegelofen zur Ausbildung der charakteristischen Badbewegung führen. Dabei bildet sich eine kuppelförmige Badoberfläche (Bild 1).

Die Stärke der Badbewegung (Höhe der Badkuppe)werden durch die Frequenz  des Wechselstromes, die elektrische Leistung und durch die Ofengeometrie bestimmt. Sie kann gezielt eingestellt werden da sie technologische sehr wichtig ist. Die Badbewegung erleichtert die Homogenisierung der Schmelze und optimiert das Einrühren von Zusatzstoffen.

Wenn die Tiegelwerkstoffe und die Einsatzstoffe keine Begrenzung vorgeben, kann durch induktive Erwärmung jede beliebig hohe Temperatur erreicht werden.

Induktionstiegelöfen können mit Netz- und Mittelfrequenz betrieben werden. Dabei bilden die Art der Frequenzumwandlung, die spezifische Ofenleistung und die Art des Anfahrbetriebes die Grundlage unterschiedlicher Merkmale und Einsatzgebiete.

Frequenzumwandlung

Netzfrequenzöfen erfordern keine Einrichtung zur Frequenzumwandlung, weil das elektrische Versorgungsnetz über einen Transformator den Ofen unmittelbar speist.

Mittelfrequenzöfen arbeiten mit 200 bis 10000 Hz, je nach Ofengröße und -leistung, Einsatzgut sowie erforderlicher Badbewegung. Zwischen Transformator und Ofen wird ein Frequenzumwandler (Thyristor-Umrichter)installiert.

spezifische Ofenleistung

Die zulässige Badbewegung sowie die Beherrschbarkeit von Strom und Spannung begrenzen die in einem Induktionsofen installierbare Leistung.

Die Intensität der Badbewegung wird mit höherer Frequenz kleiner. So kann beispielsweise ein Mittelfrequenzofen gegenüber einem Netzfrequenzofen bei gleicher Badbewegung mit etwa der dreifachen Leistung ausgerüstet werden (gilt für Öfen bis zu einer Tonne Fassungsvermögen).

Bei größeren Öfen werden die Leistungsgrenzen durch die Beherrschbarkeit von Strom und Spannung in der Induktionsspule festgesetzt, so dass die spezifischen Leistungen dieser Öfen etwa das Zweifache gegenüber den Leistungen gleich großer Netzfrequenzöfen betragen.

Die Grenzleistung bei Hochleistungsmittelfrequenzöfen wird dabei nicht nur durch die Badbewegung (Metallauswurf, starkes Auswaschen des Tiegels),sondern auch durch maximale Strom- und Spannungswerte sowie die Spulenkühlung bestimmt.

Bild 2 zeigt ein Nomogramm zur Anlagendimensionierung. Danach sollte beispielsweise ein Ofen mit 8 Tonnen Fassungsvermögen eine Mindestnennleistung von 800 – 1000 kW aufweisen (Quelle: Otto Junker GmbH)

Anfahrbetrieb

Die induktive Leistungsaufnahme fester Einsatzstücke in einem Tiegelofen ohne Sumpf hängt ab von der Größe der Einsatzstücke D sowie der Eindringtiefe d des induzierten Stromes, die mit steigender Frequenz abnimmt. Zum wirtschaftlichen Einschmelzen sollte das Verhältnis D/d > 6 sein.

Durch die mit steigender Frequenz abnehmende Eindringtiefe, ist die Mindestgröße der Einsatzstücke für das Anfahren eines Mittelfrequenzofens wesentlich kleiner als die für den Netzfrequenzofen.

Für die Praxis bedeutet dies, dass Mittelfrequenzöfen ohne Leistungseinbuße als Chargenöfen ohne Sumpf arbeiten können. Netzfrequenzöfen dagegen arbeiten nur dann wirtschaftlich, wenn sie mit einem Sumpf von 50 bis 70  % betrieben werden. 

Anlagenaufbau

Zu einer leistungsfähigen Induktionsofen Schmelzanlage gehören folgende Komponenten (nach Otto Junker GmbH):

Schmelzaggregat:

  • Ofenkörper mit Spule
  • Ofenstuhl
  • Hydraulikeinheit
  • Bedienpult

Elektrische Versorgung:

  • Stromrichter-Transformator
  • Frequenzumrichter
  • Kondensatorgestell
  • Stromleitungen

Prozessleittechnik:

  • Wiegeeinrichtung
  • Bedienschrank
  • Schmelzprozessor

Hilfs- und Nebenaggregate:

  • Chargiereinrichtung
  • Rückkühlanlage
  • Entstaubungsanlage

Den Aufbau solch einer leistungsfähigen Schmelzanlage zeigen die Bilder 3 und 4.

Der Ofenkörper besteht aus der zylindrischen Ofenspule, welche den keramischen Tiegel umschließt. Weiterhin den aus Trafo-Blechpaketen bestehenden Jochen zur Führung des elektromagnetischen Feldes und der tragenden Stahlkonstruktion. Der Ofen selbst ist im Ofenstuhl gelagert und kann hydraulisch gekippt werden (Bild 5).

Die wassergekühlte Spule erzeugt das magnetische Feld und nimmt die radialen Kräfte des Tiegels auf. Komplettiert wird der gesamte Ofen durch Ofendeckel und Absaughaube, Wiegeeinrichtung und Tiegelüberwachungssystem sowie der Notauffanggrube.

  • Bild 1: Badkuppe und Schmelzeströmung (Quelle ETP Hannover)
  • Bild 2: Diagramm Dimensionierung Schmelzanlage (Quelle: Otto Junker GmbH)
  • Bild 3:Aufbau einer leistungsfähigen Schmelzanlage, schematisch (Quelle: Otto Junker GmbH) 1 Ofen; 2 Absaughaube; 3 Wiegeeinrichtung; 4 Grubenschutz, 5 Hydraulikaggregat, 6 Steuerstand mit Bedienpult; 7 Umrichter; 8 Kondensatorengestell; 9 Transformator; 10 Wasserrückkühlanlage, 11 Luftkühler; 12 Chargiermaschine; 13 Entstaubungsanlage; 14 Notauffanggrube
  • Bild 4: Tandem-Schmelzanlage mit variabler Leistungsaufteilung (Quelle: ABP)
  • Bild 5: Aufbau eines Induktionstiegelofen (Quelle: Otto Junker GmbH)