DE857836C - Induktor zum elektro-induktiven Erhitzen elektrisch leitender Werkstuecke - Google Patents

Description

• Induktor zum elektroinduktiven Erhitzen elektrisch leitender Werkstücke Es ist bekannt, metallische oder sonstige elektrisch leitende Werkstücke elektroinduktiv zu erhitzen. Es werden hierfür Induktoren verwendet, die ein- oder mehrwindig ausgeführt die Form von Spulen aufweisen, die das Werkstück umfassen oder auch als sog. Leiterschleifen sich über der Werkstückoberfläche schließen. Mit Hilfe solcher Induktoren werden die Werkstücke vornehmlich zum Zweck des Wärmebehandelns oder auch im Hinblick auf eine nachfolgende Warmformgebung erhitzt. So können die Werkstücke beispielsweise ausschließlich an der Oberfläche erwärmt und abgeschreckt werden, so daß eine gehärtete Oberflächenschicht entsteht. Es ist aber auch miivlirh cii- (lllrl-h-Ph#n(I 7.11 erwärmen belsnlelswelse um sie zu entspannen, anzulassen od. dgl. Beim Erhitzen zum Zweck des Warmformgebens findet meist ebenfalls ein Erhitzen bis in den Kern hinein statt. Es haben sich verschiedene Verfahrensarten herausgebildet, bei welchen entweder Werkstück und Heizleitereinrichtung ruhen oder aber zwischen Heizeinrichtung und Werkstück eine Relativbewegung stattfindet. Die Relativbewegung kann gegebenenfalls auch eine mehrfache sein, indem beispielsweise bei einem Rundkörper eine Relativbewegung in Achsrichtung und eine solche in Umfangsrichtung stattfindet.
• Das Verfahren hat sich in seinen einzelnen Abwandlungen für verschiedene Zwecke in der Praxis bewährt, und das Ziel der Erfindung ist es, die aufgewendete elektrische Energie besser auszunutzen als bisher und eine bessere Temperaturregulierung zu erreichen. Die Heizleiter des Induktors erwärmen sich je nach den gegebenen Verhältnissen mehr oder minder stark und es ist daher üblich, die Heizleiter hohl auszuführen und sie mit einem geeigneten Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder Preßluft, zu kühlen. Die durch den Induktorstrom im Heizleiter erzeugte Joulsche Wärme wird nutzlos vernichtet. Der Anteil dieser vernichteten Energie am Gesamtenergieaufwand ist beträchtlich, und zwar mehr als 5000, wenn die elektrische Leitfähigkeit des Glühgutes und des Heizleiters gleich ist. Wenn beispielsweise ein Kupfezkörper erwärmt werden soll, so wäre im Induktor etwa die Hälfte der eingeführten Energie in Form von Wärme durch das Kühlmittel, das die Heizleiter durchströmt, abzuführen. Beim Erwärmen von Werkstoffen mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit als Kupfer sind die Verhältnisse in dieser Beziehung günstiger, jedoch müssen auch hier erhebliche Wärmemengen im Kühlmittel vernichtet werden.
• Der Induktor gemäß der Erfindung soll gestatten, die in den Heizleitern in Wärme umgewandelte elektrische Energie teilweise zum Aufheizen des Werkstückes auszunutzen. Zu diesem Zweck wird der Heizleiter oder, falls mehrere vorhanden sind, jeder einzelne dieser Heizleiter in einen äußeren gekühlten und einen inneren ungekühlten Ast aufgeteilt. Die beiden Äste werden parallel geschaltet. Der innere ungekühlte Leiter nimmt einen Teil des gesamten Heizleiterstromes auf, dessen Höhe sich nach seinem Querschnitt, Ohmschen und induktiven Widerstand im Verhältnis zum gekühlten Heizleiterast einstellt. Durch richtiges Bemessen kann erreicht werden, daß der ungekühlte Heizleiter gerade die Temperatur annimmt, die das zu erhitzende Gut erhalten soll. Es tritt also zwischen Glühgut und Heizleiter kein Wärmeverlust auf, der bei gekühlten Heizleitern in Anbetracht des geringen Abstandes von i bis 2 mm ganz erheblich ist. Es tritt zwar auch bei dem erfindungsgemäßen Heizleiter ein Wärmeverlust zwischen dem gekühlten und dem nichtgekühlten Heizleiterast auf. Jedoch besteht der wesentliche Unterschied darin, daß dieser Wärmeverlust aus dem Primärstrom des Heizleiters gedeckt wird, dessen Joulsche Wärme ohnehin verlorengehen würde; und er braucht nicht mehr aus dem Sekundärstrom im Glühgut gedeckt werden, in das die Energie erst durch die Induktionswirkung hereingepumpt werden muß. Der innere ungekühlte Leiter erwärmt sich sehr stark und beteiligt sich auf diese Weise auch mit strahlender Wärme an der Heizwirkung des Induktors, ohne daß im Vergleich zu einem üblichen Induktor die Induktionswirkung beeinträchtigt wird. Die äußere gekühlte Spule sorgt dafür, daß die Wechselwirkung zwischen der im einen Heizleiterast erzeugten Joulschen Wärme und der durch die Induktionsströme erzeugten Wärme nicht zu untragbaren Temperaturen für das Heizgerät führen. Der heiße Heizleiter, der das Werkstück umgibt, verhindert ein Abstrahlen der Wärme des aufzuheizenden Körpers nach außen und es wird auf diese Weise eine sehr viel wirksamere Temperatursteigerung im Werkstück erzielt als mit den bekannten Induktoren bisher möglich war. Die Temperaturerhöhung wird ferner besonders rasch herbeigeführt, was beispielsweise wichtig ist für das elektroinduktive Oberflächenhärten, bei welchem es darauf ankommt, daß nur eine möglichst schmale Schicht auf Temperatur gebracht wird.
• Der innere und äußere Ast der Heizleiter gemäß der Erfindung können aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sein, wenn die gewünschte Temperatur des Glühgutes weit unter dem Schmelzpunkt liegen und der Werkstoff nicht oxydieren würde. Meist ist es jedoch erforderlich, einen oxydationsbeständigen Werkstoff zu benutzen, wie Chrom-Nickel-Legierungen oder Platin. In manchen Fällen, bei Verwendung von reduzierender oder neutraler Atmosphäre, können mit besonderem Vorteil Wolfram, Molybdän oder ähnliche Metalle verwendet werden. Wird als ungekühlter Heizleiterast ein Werkstoff mit einem hohen Temperaturkoeffizienten verwendet, so ergibt sich zusätzlich eine selbsttätige Temperaturregelung. Der im Heizleiter fließende Strom verteilt sich nämlich in den beiden Ästen gemäß den verschiedenen Ohmschen und induktiven Widerständen. In dem äußeren gekühlten kupfernen Ast ist der Ohmsche Widerstand kleiner, jedoch der induktive Widerstand größer als in dem ungekühlten Ast. Wächst nun im Laufe des Erhitzens der Olimsche Widerstand des inneren Astes, so wird der Strom mehr auf den äußeren gekühlten Ast gedrängt. Dadurch wird aber die Kopplung zu dem Glühgut geringer und damit die übertragen heizende Wirkung verringert.
• Ein Induktor gemäß der Erfindung kann auch dazu ausgenutzt werden, besonders hohe Temperaturen zu erzeugen, beispielsweise wenn es gilt, hochtemperaturbeständige Werkstoffe zu behandeln. In diesem Fall wird der innere Leiterast aus hochtemperaturbeständigem WerkstoffhergestelltwiebeispielsweiseWolframmetall oder auch aus einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung, wie sie für Widerstandsdrähte üblich sind. An Stelle von Wolfram kann auch beispielsweise Molybdän oder Tantal treten und an Stelle einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung können auch Leiter aus anderen Legierungen benutzt werden, wie sie aus der Technik der Widerstandsdrahtherstellung bekannt sind.
• Die angestrebte Wirkung einerseits, die Abstrahlung des zu erwärmenden Körpers nach außen zu verhindern und außerdem die im Heizleiter erzeugte Joulsche Wärme zur Temperatursteigerung auszunutzen, kann dadurch unterstützt werden, daß zwischen dem inneren ungekühlten und dem äußeren gekühlten Leiterast eine Wärmeisolationsschicht eingeschaltet wird.
• In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar jeweils in einem axialen Längsschnitt und in einem Querschnitt. Der Induktor i, 2 umgibt den aufzuheizenden Körper 3 spulenförmig. Der äußere Heizleiter i des Induktors besteht aus einem Hohlkupferrohr, das von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Der innere Leiter 2 i ist ungekühlt. Die Parallelschaltung der beiden Leiter i und 2 wird erreicht, indem sie beide bei q. unter Zwischenschalten einer Isolation 6 zusammengeklemmt werden. In manchen Fällen ist es zweckmäßig, zwischen den beiden Leiterästen eine Isolation 5 anzubringen, i die die Heizcharakteristik im Sinne einer Steigerung der Heizwirkung beeinflußt und den äußeren Leiter schützt.
• Es kann der Fall eintreten, daß eine gewisse Schirmwirkung des inneren Leiters 2 als störend empfunden wird. Dieser Schirmwirkung kann begegnet werden, indem am gekühlten Leiter i ein vorspringender Flansch oder Bund vorgesehen wird, der in unmittelbarer enger Kopplung zum Werkstück steht. In Abb. 2, die, was die Teile i bis 4 und 6 anlangt, der Abb. i entspricht, sind solche Flansche oder Bunde bei 7a bzw. 76 angedeutet. Einen Flansch nach Art des bei 7a angedeuteten wird vorgesehen, wenn es darauf ankommt, äußerst rasch die gewünschte Temperatur zu erreichen. Bei 76 ist der Flansch oder Bund in der Mitte angeordnet. Der äußere Leiter 2 ist in zwei getrennte Äste unterteilt und durch den Zwischenraum ragt der Bund 76 hindurch.
• Zwar wird im allgemeinen auch der innere Leiter 2 aus Metall hergestellt werden, grundsätzlich ist aber auch die Verwendung von Kohle, Graphit oder Siliziumkarbid als Werkstoff für diesen möglich und kann gelegentlich Vorteile bringen.
• Induktoren der gekennzeichneten Art können für sämtliche Wärmebehandlungen an metallischen oder auch nichtmetallischen, jedoch elektrisch leitenden Werkstücken verwendet werden. Dabei können die Verfahren angewendet werden, die sich in Verbindung mit dem elektroinduktiven Erhitzen auf dem Induktionswege entwickelt haben. Desgleichen auch die Induktionsformen, die hierzu verwendet werden, die lediglich im Sinne der Erfindung abgewandelt werden müssen. Das gilt sowohl für Spulen als auch für Leiterschleifen.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Induktor zum elektroinduktiven Erhitzen von metallischen oder sonstigen elektrisch leitenden Werkstücken, insbesondere für Zwecke der Warmbehandlung oder Warmformgebung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter in einen äußeren gekühlten und einen inneren ungekühlten Ast aufgeteilt werden, die parallel geschaltet sind.
2. 2. Induktor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere gekühlte Leiter mit einem flansch- oder bundartigen Ansatz versehen ist, der in enger Kopplung zum Werkstück steht.
3. 3. Induktor nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Leiter aus einem Werkstoff mit hohem Temperaturkoeffizienten hergestellt ist.
4. 4. Induktor nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Leiter aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff wie Chrom-Nickel-Legierungen, Platin, Wolframmetall od. dgl. besteht.
5. 5. Induktor nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Ästen eine Isolation eingeschaltet ist.