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Induktive Heizeinrichtung zur Erhitzung von grossflächigen, verhältnismässig dünnen, metallischen Werkstücken wie Blechen, Bändern od. dgl.
Die Erfindung betrifft eine induktive Heizeinrichtung zur Erhitzung von grossflächigen, verhältnis- mässig dünnen, metallischen Werkstücken. wie Blechen, Bändern od. dgL, unter Zuhilfenahme von ma- gnetischen Querfeldern mittels einer oder mehrerer, das Werkstück umfassenden, flachen Induktionsspulen, deren Induktionsleiter quer zur Vorschubrichtung des Gutes liegen, wobei die einzelnen Leiter gegenein- ander in Abstand angeordnet und die beidseitig vom Werkstück befindlichen Reihen derselben gegenein - ander versetzt sind.
Beim induktiven Erwärmen von Blechen und Bändern kommen grundsätzlich zwei Verfahren in Anwendung. Das eine Verfahren besteht darin, das Blech oder Band durch den Wirkbereich einer entsprechend geformten, das Werkstück umfassenden flachen Induktionsspule hindurchlaufen zu lassen, deren Induktionsleiter quer zur Vorschubrichtung des Gutes angeordnet sind. Dabei ist die von der Spule ausgehende magnetische Feldverteilung derart, dass das Feld in Längsrichtung auf das Werkstück einwirkt.
Eine derartige Längsfelderwärmung hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad der Erhitzung relativ hoch ist und besonders auch magnetisch leitfähige Bleche auf diese Weise erwärmt werden können. Die Erwärmung magnetisch leitfähiger Bleche ist nach diesem Verfahren deshalb möglich, weil keine Kraftkomponente vorhanden ist, die die Bleche gegen die Spulenwindungen zieht, da sich in allen Lagen die mechanischen Kraftkomponenten gegenseitig aufheben. Die Längsfelderwärmung hat indes einen Nachteil, der darin besteht, dass verhältnismässig hohe Frequenz angewendet werden müssen, um die verhältnismässig dünnen Werkstücke wirtschaftlich zu erwärmen.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Erwärmung von Bändern, die eine Dicke von zirka 0. 1 mm aufweisen, Frequenzen unter 10000 - 5000 Hz nicht verwendet werden können, da nur bei höheren Frequenzen ein wirksames Eindringen der Ströme in das Band erfolgt.
Es wurde aus diesem Grunde schon vorgeschlagen, zur Erwärmung der Bänder die induktive Querfeldmethode in Anwendung zu bringen. Dieses Verfahren besteht darin, die Bänder zwischen einer geeigneten Induktoranordnung, bei der zwar die einzelnen Induktionsleiter quer zur Längserstreckung dieses Bandes, jedoch nur auf der einen oder auf beiden Seiten des Bandes, in diesem Falle voneinander getrennt verlaufen, hindurchgezogen werden. Durch diese Massnahme wird In dem Band eine Strombahn erzeugt, die in der Ebene seiner Fläche liegt. Auf diese Weise ist es möglich, mit verhältnismässig niedrigen Frequenzen, beispielsweise mit Netzfrequenz, zu arbeiten.
Dieses bekannte Verfahren weist aber den Nachteil auf, dass der Wirkungsgrad der Induktionseinrichtung verhältnismässig niedrig ist. Ausserdem muss während der Durchführung des Bandes durch die Induktionsvorrichtung sehr genau darauf geachtet werden, dass der Abstand des Induktors vom Band konstant ist.
Im andern Falle würden im Band unterschiedliche Leistungen induziert werden, was zwangsläufig zu unterschiedlichen Erwärmungen führen würde. Ausserdem tritt bei der Erwärmung magnetisch leitfähiger Bänder eine zusätzliche Magnetwirkung auf, welche das Band an den Induktor heranzuziehen versucht.
Diese magnetische Kraft vergrössert sich durch Verkleinerung des Abstandes zwischen Band und Induktor,
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so dass im Falle einer gewünschten kleinen Kopplung zwischen Induktor und Band die Gefahr besteht, dass das Band an den Induktor herangezogen wird, wodurch infolge mechanischer oder wärmemässiger Beein- flussung eine Beschädigung des Induktors oder sogar des zu erwärmenden Bandes zu befürchten ist.
Es ist ferner bekannt, diese Anordnung so abzuwandeln, dass die Leiter sich in Vorschubrichtung des
Gutes erstrecken. Hiebei ist zum Erzielen einer gleichmässigen Temperaturverteilung ein sehr kleiner Abstand der Leiter voneinander erforderlich. Die magnetische Kraftwirkung, die bei dieser Anordnung zur Querfelderwärmung auftritt, wird bekanntermassen kompensiert, indem die Leiter der getrennten Induktoren jeweils zur Gegenseite herumgezogen und auf Lucke gegenübergestellt sind. Die hiezu erforderliche Ausbildung hat die Entstehung eines Längsfeldes quer zur Gutvorschubrichtung zur Folge.
Eine solche Anordnung erlaubt nicht die Erwärmung von dünnen Werkstücken, beispielsweise unter 0, 5 mm, und bedarf einer komplizierten Ausbildung der Induktoren, weil die Leiter so von der einen zur andern Seite der Gutbahn umgeführt werden müssen, damit der Gutvorschub ermöglicht wird.
Einem nicht vorbekannten Vorschlag zufolge soll das Band durch einen flachen spulenförmigen Induktor, der mit Mittelfrequenzstrom verhältnismässig geringer Leistungsdichte beaufschlagt ist, hindurchgezogen werden. Der Induktor ist dabei derart ausgebildet, dass die den Bandflächen gegenüberliegenden Leiterabschnitte senkrecht zu den Kanten des Bandes verlaufen und im Bereich der Kanten mit einer Stei- gutig von mehr als 25 von der einen zu der ändern Seite des Bandes umgeführt werden. Diese Vorrichtung erzeugt im Band ein längsgerichtetes Magnetfeld, so dass entsprechend der Banddicke immerhin verhältnismässig hohe Frequenzen angewendet werden müssen. Lediglich durch die Herabsetzung der Leistungsdichte wird nach diesem Vorschlag eine ausreichend wirtschaftliche Erwärmung erzielt.
Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, die Nachteile der vorbekannten Verfahren zu vermeiden und eine Methode anzugeben mit einer Induktoranordnung, die an und für sich nur für eine Längserwärmung gedacht ist, durch geeignete Massnahmen eine Querfelderwärmung im Werkstück zu erzielen, Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leiter der Spule von einem ferromagnetischenjoch von aussen umfasst sind, wobei die Nennbelastung und dieser entsprechenden Werkstückdimensionen die Magnetfelder der einzelnen Leiter im wesentlichen voneinander getrennt sind und das Werkstück im wesentlichen senkrecht zur Vorschubrichtung durchsetzen.
Auf diese Weise werden im Werkstück von Leiterabschnitt zu Leiterabschnitt Strombahnen erzeugt, die in der Werkstückebene verlaufen. Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung wird also der Vorteil der Querfelderwärmung mit dem Vorteil, der durch eine Induktoranordnung für die Längsfelderwärmung entsteht, vereinigt. Die den beiden Erwärmungsarten anhaftenden Nachteile treten bei den erfindungsgemässen Massnahmen nicht auf, da selbst bei dünnsten Blechen mit verhältnismässig niedrigen Frequenzen gearbeitet werden kann, der Wirkungsgrad relativ hoch ist und ein Anziehen des Werkstückes an die Induktionsspule wegen der sich kompensierenden magnetischen Kraftwirkungen nicht zu befürchten ist.
Die Wirkung der Querdurchflutung zwischen den einzelnen Leiterabschnittenkommt dadurch zustande, dass durch die erfindungsgemäss angegebene Massnahme. das von jedem einzelnen Leiter ausgehende Magnetfeld des nächsten Leiters getrennt wird. Es kann also, über die gesamte Induktionsspule gesehen, kein resultierendes Gesamtfeld aller Einzelwindungen auftreten, sondern jeder Leiter hat ein einzelnes Magnetfeld, welches auch einzeln dem Werkstück gegenüber zur Wirkung kommt.
Es wird eine bevorzugte Vorrichtung vorgeschlagen, die aus einer Kombination an sich bekannter Merkmale besteht. Diese Vorrichtung besteht aus einer Induktionsspule, die eine flache Form aufweist, wobei die Leiter auf jeder Seite des durchlaufenden Werkstückes untereinander parallel sowie parallel zu den Leitern der Gegenseite verlaufen. Dabei befinden sich die Umführungen im Bereich der Werkstückkan- ten.
Die einzelnen, die Induktionsspule bildenden Leiter sind so angeordnet, dass die in der Projektion auf die in Längsrichtung sich erstreckende Spulen-Mittel-Ebene einander zugewendeten Kanten der an sich auf entgegengesetzten Bandseiten liegenden Leiter einen Abstand von d m5 aufweisen. Hiebei besteht zwischen der Eindringtiefe 5 und der Frequenz des Stromes die bekannte Beziehung :
EMI2.1
6 = Eindringtiefe in [ mm ] p = spez.
Widerstand Jl = Permeabilität f = Frequenz Schliesslich sind die einzelnen Leiter der Spule in feldführende, magnetisch leitfähige Stoffe unter
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Freilassung einer Wirkfläche zum Werkstück eingebettet, wobei die resultierende Permeabilität der Stoffe kleiner als 10 ist.
Zur Feldführung werden an sich bekannte Magnetbleche oder ähnliche Stoffe verwendet. Da jede Feldführung eine Energiekonzentration im Werkstück mit sich bringt, die hier nicht erwünscht ist, Ist es zweckmässig, für die Feldführung Stoffe zu verwenden, die eine resultierende Permeabilität von maximal
10 aufweisen. Besonders zweckmässig ist es, für das ferromagnetische Joch der Induktionsspule eine an sich bekannte Mischung von einem Giessharz mit eingelagertem Eisenpulver zu verwenden, in welche die Lei- ter der Induktionsspule eingebettet sind. Dieses Giessharz wird vor dem Vergiessen mit hohem Mischung- verhältnis mit feinstkörnigem Eisenpulver versetzt und so um die Leiter vergossen, dass diese ausserhalb der
Induktionsspule vom Vergussmaterial umgeben sind. Das Innere der Induktionsspule bleibt frei.
Es kann aber auch zweckmässig sein, die freien Wirkflächen der Leiter im Inneren mit einem Kunststoff auszukleiden, in welchem Stoffe aus nichtferromagnetischem, elektrisch nichtleitendem, verschleissfestem Material eingelagert sind. Mit besonderem Vorteil kann hiefür beispielsweise ein Quarzmehl vorgesehen werden. Diese Schicht wirkt magnetisch neutral und hat mit der äusseren feldfuhrenden Schicht eine innige mecha- nische Verbindung, vor allem dann, wenn sie vor dem vollständigen Erstarren der feldführenden Schicht auf diese aufgebracht wird. Die Schutzschicht bewirkt einen'mechanischen Schutz der Leiter der Induktionsspule und erhält anderseits durch die Quarzeinlage eine genügend hohe Temperaturfestigkeit.
In der Zeichnung sind schematisch bekannte Einrichtungen und ein Ausführungsbeispiel der erfindungs- gemässen Einrichtung dargestellt. Fig. la und 1b zeigen das bekannte Längsfelderwärmen, Fig. 2a und 2b die Anwendung der Querfelderwärmung, Fig. 3a die Einrichtung gemäss der Erfindung und Fig. 3b den Stromverlauf im Werkstück.
Die Induktionsspule 1 umgibt nach Fig. la zur Erwärmung im Längsfeld ein kontinuierlich durch die Spule hindurchlaufendes Blech 2. Durch diese Anordnung wird im Band ein Strom 3 hervorgerufen, wie er in Fig. Ib dargestellt ist, die einen Querschnitt durch das Blech zeigt. Für die Ausbildung des Stromes ist eine genügende Blechstärke erforderlich bzw. es muss eine genügend hohe Frequenz verwendet werden, um eine entsprechende Ausbildung des Stromes zu ermöglichen.
In Fig. 2a ist eine bekannte Anordnung zur Querfelderwärmung dargestellt Das Blechband 2 liegt zwischen Induktoren 4 und 4', die zur FeldfUhrung mit Magnetjoche 5 und 5'umgeben sind. Das von diesen Spulen ausgehende Feld durchsetzt das Band quer und ruft in diesem einen in Fig. 2b dargestellten Strom 6 hervor, der in der Blechebene verläuft.
Bei der erfindungsgemässen Einrichtung nach Fig. 3a läuft das Band 2 durch die Induktionsspule hindurch, deren einzelne Leiter 7 und 7'parallel zu sich selbst und zur Bandoberfläche verlaufen. Die Kanten der einzelnen Leiter haben einen Abstand auf einer Seite voneinander, der mindestens 26-t-b beträgt, wobei b die Breite des Induktionsleiters ist. Die Leiter auf der gegenüberliegenden Seite liegen auf Luke. Die Leiter sind mit einem feldführenden Stoff 8 umgeben, 11l den sie eingebettet sind, der sie jedoch nur aussen umgibt, so dass eine Wirkfläche zum Werkstück innen frei bleibt. Durch diesen feldfüh-
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dass ein gesamtes von allen Leitern ausgehendes resultierendes Magnetfeld das Werkstück in Längsrichtung durchsetzen kann.
Jeder Leiter 7 und 7'erzeugt somit im Band 2 einen Strom 10, dessen Strombahn in Fig. 3b ersichtlich ist. Diese Strombahn verläuft in der Bandebene. Für die Ausbildung der Strombahn ist jetzt nicht mehr die Bandstärke des Bandes 2 massgebend. sondern nur noch der Abstand der einzelnen Leiter. Sofern diese Leiter, wie gefordert, einen Abstand von mindestens 2 qu 6 + b auf einer Seite haben, ist die Ausbildung dieser Strombahn mit gutem Wirkungsgrad möglich.
Damit einerseits die Induktionsspule durch das hindurchlaufende Band 2 nicht beschädigt und anderseits aber auch eine wirksame elektrische und Wärmeisolation erzielt wird, ist auf der Innenseite der Induktionsspule auf der Masse des feldfalirenden Stoffes 8 eine weitere Giessharzschicht 11 aufgegossen, die vorzugsweise mit Quarzmehl versetzt ist. Durch diese an sich bekannte Einlagerung von Quarzmehl ergibt sich eine höhere Temperaturfestigkeit des Giessharzes und eine hohe mechanische Festigkeit des Innenraumes der Spule, die sie vor Beschädigung schützt. Diese weitere Schicht 11 wird zu dem Zeitpunkt aufgebracht, bei dem die mit Eisenpulver versetzte Giessharzmasse 8 auszuhärten beginnt.
Dadurch wird erreicht, dass keine Mischung zwischen den beiden unterschiedlichen Giessharzmassen 8 und 11 eintritt, aber ein homogener Übergang von der Schicht 8 zur Schicht 11 vorhanden ist, so dass beide Schichten mit höchster Festigkeit aufeinander haften.