Wie funktioniert ein Induktionsschmelzofen?

Was ein Induktionsofen leistet

Ein Induktionsofen schmilzt Metall mit Strom, nicht mit einer Flamme. Wo ein Kupolofen oder ein brennstoffbeheizter Ofen Brennstoff verbrennt und die Wärme dem Metall von außen zuführt, erzeugt ein Induktionsofen die Wärme mit einem Magnetfeld im Metall selbst. Es gibt keinen Brenner, keine Verbrennung und keine Flamme, die die Charge berührt. Dieser eine Unterschied ist der Grund, warum Gießereien weltweit Eisen, Stahl, Kupfer und Aluminium auf diese Weise schmelzen.

Die Idee ist leicht vorzustellen. Eine Charge aus kaltem Metall, Schrott, Kreislaufmaterial und frischer Legierung wird in einen Tiegel gefüllt, der von einer Kupferspule umschlungen ist. Der Strom wird eingeschaltet, die Spule baut ein rasch wechselndes Magnetfeld auf, und binnen Minuten beginnt das Metall zu glühen, weich zu werden und zu einem hellen, flüssigen Bad zusammenzusinken. Der Ofen hält dieses Bad auf geregelter Temperatur, bis es vergießbereit ist. Was wie ein einfacher Kübel geschmolzenen Metalls aussieht, ist das Ergebnis einer präzisen Kette elektrischer Schritte, und der Rest dieses Artikels geht sie durch.

Das Prinzip: Wärme aus einem Magnetfeld

Die Physik dahinter ist die elektromagnetische Induktion, der Effekt, den Michael Faraday 1831 beschrieb: Ein sich änderndes Magnetfeld induziert in jedem nahen Leiter einen elektrischen Strom. Ein Induktionsofen setzt dieses Gesetz in die Praxis um. Wechselstrom in der Spule erzeugt ein Magnetfeld, das viele Male pro Sekunde die Richtung wechselt. Die Metallcharge im Inneren der Spule ist ein Leiter, sodass das wechselnde Feld in ihr umlaufende Ströme induziert, die Wirbelströme genannt werden.

Aus diesen Wirbelströmen kommt die Wärme. Das Metall setzt ihnen einen Widerstand entgegen, und dieser Widerstand wandelt die elektrische Energie unmittelbar in Wärme um, verteilt über die äußere Schicht jedes Stücks der Charge. Weil die Wärme im Metall erzeugt und nicht von einer Flamme in es hineingeleitet wird, tritt sie schnell und gleichmäßig auf, und nichts davon geht durch einen Schornstein verloren. Je höher die Frequenz des Feldes, desto dünner die erhitzte Schicht, weshalb die Frequenz des Umrichters auf die Größe des Ofens und das zu schmelzende Metall abgestimmt wird.

Dasselbe Feld erfüllt eine zweite nützliche Aufgabe. Während es das Bad erhitzt, drückt es auch auf das flüssige Metall und erzeugt eine sanfte Zirkulation, die die Schmelze von innen umwälzt. Dieses elektromagnetische Rühren mischt Legierungszugaben gleichmäßig ein und gleicht die Temperatur über das Bad hinweg aus, sodass eine Probe von oben denselben Wert ergibt wie eine von unten. Ein brennstoffbeheizter Ofen muss sich für dasselbe auf die eigene langsame Konvektion des Metalls verlassen. Wie die Spule und die kernlose Plattform aufgebaut sind, um die Leistung effizient einzukoppeln, zeigt die Kerntechnologie.

Zwei Teile: das Gehirn und der Muskel

Ein Induktionsofen ist eigentlich zwei Maschinen, die zusammenarbeiten. Die eine denkt, die andere arbeitet, und es hilft, sie getrennt zu betrachten.

Der Leistungsumrichter ist das Gehirn. Er nimmt den Netzstrom des Werks und formt ihn in den mittelfrequenten Wechselstrom, den die Spule braucht, auf dem Leistungsniveau, das die Schmelze verlangt. Ein moderner Umrichter nutzt IGBT-Schalter, schnelle Halbleiterbauelemente, die den Strom tausende Male pro Sekunde ein- und ausschalten, um Frequenz und Leistung präzise einzustellen. Hier wird die Schmelze gesteuert: Der Umrichter hält die Leistung stabil, während die Charge ihren Zustand ändert, stimmt sich auf den Ofen ab, während das Metall schmilzt, und speist das Steuerungssystem, das den gesamten Zyklus führt. Den Unterschied zwischen einem IGBT-Umrichter und dem älteren SCR-Typ, den er ablöste, behandelt IGBT- vs. SCR-Umrichter, und die Umrichter selbst finden sich auf der Seite Stromversorgung.

Der Ofenkörper ist der Muskel. In seiner Mitte sitzt ein feuerfester Tiegel, der das Metall hält, umschlungen von einer wassergekühlten Kupferspule. Die Spule führt den Strom vom Umrichter und wandelt ihn in das Magnetfeld, das schmilzt, während die Wasserkühlung das Kupfer davor bewahrt, unter der Last zu überhitzen. Die gesamte Baugruppe sitzt auf einem Kipprahmen, damit die fertige Schmelze sauber ausgegossen werden kann. Für sich allein tut der Ofenkörper nichts; vom Umrichter angetrieben, schmilzt er eine Tonne Metall in wenigen Minuten.

Von der kalten Charge zum flüssigen Metall

Verfolgen Sie eine Schmelze von Anfang bis Ende. Der Ofen wird mit kaltem Metall beschickt: einer Mischung aus Eisen- oder Stahlschrott, Kreislaufmaterial und frischer Legierung, so bemessen, dass sie sich ohne Brückenbildung in den Tiegel packt. Der Umrichter wird eingeschaltet und fährt die Leistung hoch. Zunächst koppelt das Feld in die festen Stücke ein und erhitzt ihre Oberflächen; während sie weich werden und in sich zusammensinken, bildet sich am Boden ein flüssiger Sumpf, der nach oben wächst, bis die ganze Charge geschmolzen ist.

Sobald ein flüssiges Bad vorhanden ist, beschleunigt sich die Schmelze, weil flüssiges Metall besser mit dem Feld koppelt als eine lose feste Charge, und das elektromagnetische Rühren beginnt, es umzuwälzen. Während sie niederschmilzt, kann mehr Metall in das Bad nachgegeben werden, sodass der Ofen oft nachgefüllt statt auf einmal gefüllt wird. Ist die Charge vollständig flüssig, hebt der Bediener sie über ihren Schmelzpunkt hinaus auf die Gießtemperatur, eine geregelte Überhitzung, die dem Metall genug Reserve gibt, die Gussstücke zu füllen, bevor es zu erstarren beginnt.

Während all dies geschieht, wird die Temperatur gemessen und unter digitaler Regelung gehalten. Ein modernes Schmelzsystem dosiert die abgegebene Leistung und erfasst das Bad, sodass es eine Solltemperatur halten, die Chemie mit einer dosierten Zugabe korrigieren und dem Bediener genau sagen kann, wo die Schmelze steht. Ist das Metall auf Temperatur und in der Spezifikation, kippt der Ofen und vergießt, in eine Gießpfanne, ein Transfersystem oder, auf einer automatischen Anlage, einen beheizten Gießofen. Wie viel Strom dieser ganze Zyklus verbraucht, in kWh pro Tonne, ist das Thema von Induktionsofen-Energiebedarf.

Warum Gießereien so schmelzen

Verglichen mit den älteren Schmelzverfahren bietet die Induktion eine durchgängige Reihe an Vorteilen, und sie alle folgen aus derselben Tatsache: Die Wärme entsteht im Metall selbst, elektrisch, ohne dass etwas verbrennt. Fünf davon zählen in der Gießerei am meisten.

Zusammengenommen sind dies die Gründe, warum die Induktion zum Standard für das Gießereischmelzen geworden ist. Die Metallqualität steht an erster Stelle: Weil keine Verbrennungsprodukte aufgenommen werden, bleibt die Schmelze sauber, und ein umgewälztes, gleichmäßig erhitztes Bad lässt sich leicht beproben und korrigieren. Der saubere Prozess folgt daraus, keine Flamme und kein Rauchgas aus der Schmelze selbst, eine bessere Hallenumgebung und ein kleinerer Fußabdruck. Die volle Schrottrückgewinnung lässt eine Gießerei ihr eigenes Kreislaufmaterial und zugekauften Schrott einsetzen und das Ganze auf eine bekannte Chemie bringen, statt Material an eine offene Flamme zu verlieren. Die Energieeffizienz ergibt sich daraus, die Wärme unmittelbar ins Metall zu bringen, statt einen Ofen und eine Flamme darum herum zu heizen. Und die präzise Temperaturregelung durch den digitalen Umrichter hält den Abguss auf Temperatur und die Gussstücke gleichmäßig.

Die Wärme entsteht im Metall selbst, elektrisch, ohne dass etwas verbrennt. Jeder Vorteil, den ein Induktionsofen gegenüber einer Flamme hat, folgt aus diesem einen Satz.

Nahezu das gesamte Gießereischmelzen erfolgt heute in kernlosen Induktionsöfen, bei denen die Spule einen einfachen Tiegel umgibt und das ganze Bad gemeinsam erhitzt, sodass er sich vollständig entleert und die Legierung leicht wechselt. Die Alternative, ein Rinnenofen, ist dargelegt in Induktionstiegelofen vs. Rinnenofen. CIME entwickelt Induktionstiegelöfen in Turin seit 1952, von den Schmelzöfen selbst bis zu ihren IGBT-Stromversorgungen. Um zu sehen, wie die Plattform zusammenpasst, beginnen Sie mit der Kerntechnologie.

Häufig gestellte Fragen