DE4301330A1 - Verfahren zum induktiven Aufheizen eines keramischen Formkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Aufheizen eines Formkörpers aus keramischem Material, das bei Raumtemperatur induktiv nicht ankoppelt, jedoch bei erhöhter Temperatur induktiv an das Feld eines Induktors ankoppelt.

Feuerfeste, keramische Formkörper werden beispielsweise in der Metallurgie verwendet. Solche Formkörper sind z. B. rohrförmige oder plattenförmige Verschleißteile von Ausgüssen metallurgischer Gefäße. Die Formkörper werden bei der Herstellung gebrannt. Im Betrieb werden sie gegebenenfalls aufgeheizt, um beispielsweise beim Angießen einen Temperaturschock zu vermeiden oder ein Einfrieren der Metallschmelze zu unterdrücken.

In der DE 40 38 061 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung derartiger Formkörper beschrieben. Dabei wird eine thermische Behandlung durch induktives Aufheizen des Formkörpers erst am Einsatzort vorgenommen. Der rohrförmige Formkörper wird hierfür in einen Induktor eingesetzt, der in ihm Ströme induziert, wodurch sich der Formkörper erhitzt. Infolge des Skineffekts konzentrieren sich die Wirbelströme im Bereich der äußeren Oberfläche, so daß sich der rohrförmige Formkörper von außen nach innen fortschreitend durch Wärmeleitung erhitzt.

In der DE 41 08 153 A1 ist ein feuerfestes Formteil der genannten Art beschrieben. Bei diesem wird eine innere Schale von der Umgebungstemperatur in die Nähe der Betriebstemperatur durch induktive Aufheizung gebracht. Eine äußere Schale soll Rißbildungen unterdrücken. Dabei ist vorgeschlagen für den Fall, daß bei Raumtemperatur eine induktive Ankopplung noch nicht erfolgt, eine weitere Heizeinrichtung für die äußere Schale zu verwenden. Die innere Schale als solche erwärmt sich wegen des Skineffekts von außen nach innen fortschreitend durch Wärmeleitung.

Ein Verfahren zur Regelung des Durchflusses einer Metallschmelze ist in der EP 0 155 575 B1 beschrieben. Eine ein Gießrohr umgebende Induktionsspule soll den Strom der Metallschmelze steuern. Eine Aufheizung des Gießrohrs spielt keine Rolle. In das Gießrohr ist ein Einsatzkörper eingebaut. Durch diesen soll es möglich sein, den Schmelzenstrom zu unterbrechen.

In der GB 21 21 028 A ist ein Induktionsofen zum Ziehen einer Lichtleitfaser beschrieben. Innerhalb der Induktionsspule ist eine Baugruppe aus einem Rohr und einer Granulatschüttung angeordnet. Das bei erhöhter Temperatur induktiv ankoppelnde Rohr aus Zirkondioxid ist mittels eines einschiebbaren, an das Feld der Induktionsspule ankoppelnden Stabes auf die Temperatur vorheizbar, bei der es selbst ankoppelt. Die Granulatschüttung soll nicht an das Feld ankoppeln. Es ist in der Baugruppe also keine über die Wandstärke der Baugruppe fortschreitende induktive Ankopplung bzw. Erhitzung vorgesehen. Im Rohr selbst findet eine solche fortschreitende Ankopplung ebenfalls nicht statt, da der Stab das dünnwandige Rohr insgesamt, also über seine gesamte Wandstärke auf die gewünschte Temperatur vorerhitzt.

Bei der GB 21 21 028 A ist davon ausgegangen, daß das Rohr und die Granulatschüttung beim Einbau in den Ofen bereits fertig wärmebehandelt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, durch das das Aufheizen des Formkörpers verbessert ist.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem der äußeren, dem Induktor zugewandten Oberfläche abgewandten Bereich des Formkörpers eine schon bei Raumtemperatur induktiv an das Feld des Induktors ankoppelnde Zone angeordnet wird und die induktiv erhitzte Zone den Formkörper in seinem ihr nahen Bereich auf die erhöhte Temperatur bringt, wobei das Material des Formkörpers in Richtung der äußeren Oberfläche fortschreitend induktiv ankoppelt.

Bei diesem Verfahren ist die Auswirkung des Skineffekts, daß sich die Wirbelströme bei der dem Induktor zugewandten Oberfläche konzentrieren und deshalb eine Erwärmung im der Oberfläche abgewandten Bereich nur auf Wärmeleitung beruht, unterdrückt, weil zu Beginn des Aufheizens der der Oberfläche nahe Bereich noch nicht an das Feld ankoppelt. Die erhöhte Temperatur, bei der das Material des Formkörpers ankoppelt, tritt zunächst im der Oberfläche abgewandten Bereich auf, so daß das Material erst nur dort ankoppelt und sich dementsprechend erhitzt. Durch diese Erhitzung koppelt dann auch der in Richtung der Oberfläche anschließende Bereich an und erhitzt den nächstanschließenden Bereich. Dies setzt sich fort, bis der gesamte Formkörper durcherhitzt ist. Die Initierung dieser - von innen nach außen fortschreitenden Erhitzung erfolgt durch die schon bei Raumtemperatur ankoppelnde Zone. Nach dem Start der Aufheizung kann die Heizwirkung der Zone entfallen.

Das beschriebene Verfahren nutzt die an sich hinderliche Eigenschaft des Materials, daß es erst bei erhöhter Temperatur elektrisch leitend wird, d. h. ankoppelt, aus, um die Aufheizung zu beschleunigen. Dieses Aufheizen des Formkörpers beansprucht weniger Zeit und Energie als bekannte Verfahren, da in allen wesentlichen Bereichen der Wandstärke des Formkörpers eine induktive Erwärmung stattfindet und die Erwärmung von wesentlichen Bereichen also nicht allein auf der Wärmeleitung beruht.

Das beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere zum Brennen oder Tempern von Formkörpern. Denn das Brennen bzw. Tempern erfolgt dann innen beginnend zur Oberfläche hin. Dadurch ist die Gefahr von Rißbildungen herabgesetzt, weil Dämpfe oder Gase an der noch nicht gebrannten, äußeren Oberfläche austreten können. Günstig ist dieses Verfahren auch für den gleichzeitigen Einbrand von Glasuren der Oberfläche.

Durch das Verfahren kann auch ein reduzierendes Brennen, das beispielsweise beim Brennen von Schieberplatten durch Einsatz von Koksgrus erfolgt, überflüssig werden, da wegen des schnellen Aufheizens der Sauerstoffausbrand bzw. Kohlenstoffausbrand gering ist.

Das beschriebene Verfahren eignet sich für Formkörper aus allen keramischen Materialien, die bei erhöhter Temperatur elektrisch leitfähig werden. Es ist nicht nur zum herstellungsbedingten Brennen bzw. Tempern der Formkörper geeignet, sondern kann auch für deren Aufheizen im bestimmungsgemäßen Betrieb eingesetzt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die bei Raumtemperatur induktiv ankoppelnde Zone ein elektrisch leitfähiges Netz oder eine elektrisch leitfähige Folie aus Kohlenstoff oder Metall. Das Netz bzw. die Folie ist mit dem Formkörper verbunden. Die bei Raumtemperatur ankoppelnde Zone kann auch eine Graphitschicht oder eine Chromcarbitschicht sein. Diese läßt sich als Schlichte auf den Formkörper aufbringen und an diesem aushärten.

Die bei Raumtemperatur ankoppelnde Zone kann auch von einem elektrisch leitfähigen Stift gebildet sein, der in den Formkörper einschiebbar ist. Nach dem Start des Aufheizvorganges kann der Stift entfernt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen rohrförmigen Formkörper in einem Induktor im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Aufsicht zu Fig. 1,

Fig. 3 eine Platte in einem Induktor und

Fig. 4 einen stabförmigen Formkörper in einem Induktor.

Ein rohrförmiger Formkörper 1 besteht aus keramischem Material, beispielsweise Zirkonoxid, das bei Raumtemperatur praktisch elektrisch nichtleitend ist, jedoch bei erhöhter Temperatur, beispielsweise ab 800°C, elektrisch leitend wird. Die äußere Oberfläche 2 des Formkörpers 1 ist von einer Induktionsspule 3 (Induktor) umschlossen. Der Formkörper 1 ist aus der Induktionsspule 3 herausziehbar.

An seiner der Oberfläche 2 abgewandten Innenseite 4 trägt der Formkörper 1 eine Schicht 5, die schon bei Raumtemperatur elektrisch leitfähig ist. Die Schicht 5 ist beispielsweise eine Graphitschicht oder eine Chromcarbitschicht. Anstelle der Schicht 5 kann an der Innenseite 4 auch eine Folie oder ein Netz aus Kohlenstoff oder aus Metall angebracht sein. Die Schicht 5 läßt sich beispielsweise als aushärtende Schlichte auftragen.

Um zu gewährleisten, daß das keramische Material bei erhöhter Temperatur gezielt elektrisch leitfähig wird, kann es einen organischen Binder oder organische Zusätze enthalten, die bei erhöhter Temperatur verkoken und dadurch eine elektrisch leitfähige Vernetzung innerhalb des Formkörpers bilden.

Der Formkörper 1 wird im vorgeformten, jedoch ungebrannten Zustand in die Induktionsspule 3 bei Raumtemperatur eingesetzt. Anschließend wird die Induktionsspule 3 eingeschaltet, so daß ein elektrisches Feld entsteht. An dieses koppelt zunächst nur die Schicht 5, jedoch noch nicht der Formkörper 1 an, da nur die Schicht 5 bei Raumtemperatur elektrisch leitfähig ist. Die Schicht 5 erhitzt sich dabei und bringt dadurch die Innenseite 4 des Formkörpers 1 auf eine erhöhte Temperatur, bei der der Formkörper 1 zunächst im Bereich der Innenseite 4 leitfähig wird und demzufolge in diesem Bereich an das elektrische Feld ankoppelt, wodurch dieser Bereich nun induktiv erhitzt wird. Dadurch wird der in Richtung der äußeren Oberfläche 2 angrenzende weitere Bereich elektrisch leitfähig, so daß auch dieser nun an das Feld ankoppelt und induktiv erhitzt wird. Dies setzt sich fort, bis auch der Bereich der äußeren Oberfläche 2 an das elektrische Feld ankoppelt. Insgesamt wird der Formkörper 1 also an der Innenseite 4 beginnend in Richtung der äußeren Oberfläche 2 fortschreitend gebrannt, wie dies durch die Pfeile E dargestellt ist. Nach dem Brennen kann der Formkörper 1 aus der Induktionsspule 3 entnommen werden.

Anstelle der Schicht 5 kann auch der anhand von Fig. 3 beschriebene Stift vorgesehen werden, der nur zum Zwecke des Starts des Aufheizvorganges in den Formkörper 1 eingeschoben wird.

Das Verfahren eignet sich auch zum Vorerwärmen des Formkörpers im bestimmungsgemäßen Betrieb. Ist der rohrförmige Formkörper 1 beispielsweise Teil eines Ausgusses eines Schmelzengefäßes, das von Metallschmelze durchflossen wird, kann der Formkörper 1 mittels der Induktionsspule 3 von innen nach außen vorerwärmt werden. Ein solches Vorerwärmen ist möglich, wenn das Material des Formkörpers 1 bei Raumtemperatur reversibel elektrisch nichtleitend wird, also nicht ankoppelt. Wenn nicht mit dem Stift nach Fig. 3, sondern mit der Schicht 5 gearbeitet wird, muß sichergestellt sein, daß die Schicht 5 bei Raumtemperatur ankoppelt.

Ein solches Vorerwärmen ist jedoch auch möglich, wenn das Material des Formkörpers 1 beim beschriebenen Brennen irreversibel elektrisch leitfähig wird, beispielsweise weil der organische Binder oder die organischen Zusätze zu einer elektrisch leitfähigen Vernetzung verkoken.

In Fig. 3 ist eine keramische Platte 6 gezeigt. Als bei Raumtemperatur induktiv an das Feld der Induktionsspule 3 ankoppelnde Zone ist hier anstelle der Schicht 5 ein Stift 7 aus elektrisch leitfähigem Material, wie Graphit oder Metall, vorgesehen. Der Stift 7 ist in eine Öffnung 8 der Platte 6 zum Starten des Brennens der Platte 6 eingeschoben. Im Feld der Induktionsspule 3 koppelt der Stift 7 bereits bei Raumtemperatur an und erhitzt dadurch die Platte 6 im Bereich der Innenseite 4, so daß die Platte 6 in der beschriebenen Weise zunächst in diesem Bereich ankoppelt und induktiv aufgeheizt wird. Dieser Aufheizvorgang setzt sich, wie beschrieben, in Richtung der Pfeile E zur äußeren Oberfläche 2 fort.

Der stabförmige nichtgebrannte oder getemperte Formkörper 9 nach Fig. 4 enthält etwa in seinem Durchmesser als bei Raumtemperatur induktiv an das Feld der Induktionsspule 3 ankoppelnde Zone ein Netz 10 aus Kohlenstoff oder Metall. Im Feld der Induktionsspule 3 koppelt bei Raumtemperatur zunächst das Netz 10 an, das dadurch den angrenzenden Bereich des Materials des Formkörpers 9 erhitzt, so daß auch dieser an das Feld ankoppelt und gebrannt bzw. getempert wird. Dieses Brennen des Materials des Formkörpers 9 setzt sich in Richtung der äußeren Oberfläche 2 in der beschriebenen Weise fort.

Claims (11)

1. Verfahren zum induktiven Aufheizen eines Formkörpers aus keramischem Material, das bei Raumtemperatur induktiv nicht ankoppelt, jedoch bei erhöhter Temperatur induktiv an das Feld eines Induktors ankoppelt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem der äußeren, dem Induktor zugewandten Oberfläche (2) abgewandten Bereich (4) des Formkörpers (1, 6, 9) eine schon bei Raumtemperatur induktiv an das Feld des Induktors (3) ankoppelnde Zone (5, 7, 10) angeordnet wird und die induktiv erhitzte Zone den Formkörper in seinem ihr nahen Bereich auf die erhöhte Temperatur bringt, wobei das Material des Formkörpers in Richtung der äußeren Oberfläche (2) fortschreitend induktiv ankoppelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Formkörper durch das Verfahren getempert oder gebrannt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als keramisches Material Zirkonoxid verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material einen organischen Binder oder organische Zusätze enthält, die bei erhöhter Temperatur verkoken und eine elektrisch leitfähige Vernetzung bilden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (1, 6, 9) innerhalb des Induktors (3) und die Zone (5, 7) in einer Öffnung des Formkörpers (1, 6) angeordnet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (1, 6) rohrförmig oder plattenförmig ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Raumtemperatur induktiv ankoppelnde Zone ein elektrisch leitfähiges Netz (10) oder eine elektrisch leitfähige Folie ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Netz (10) bzw. die Folie aus Kohlenstoff und/oder Metall besteht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Raumtemperatur ankoppelnde Zone eine Graphitschicht (5) oder eine Chromcarbitschicht ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) als Schlichte auf den Formkörper (1) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Raumtemperatur ankoppelnde Zone von einem elektrisch leitfähigen Stift (7) gebildet ist, der in den Formkörper (1, 6) einschiebbar ist.