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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 :
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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.
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Inductive heating device for heating large, relatively thin, metallic workpieces such as sheet metal, strips or the like.
The invention relates to an inductive heating device for heating large-area, relatively thin, metallic workpieces. such as sheets, strips or the like, with the aid of magnetic transverse fields by means of one or more flat induction coils encompassing the workpiece, the induction conductors of which lie transversely to the feed direction of the goods, the individual conductors being arranged at a distance from one another and the one on both sides from the Rows located on the workpiece are offset from one another.
There are basically two methods used for inductive heating of sheet metal and strips. One method consists in letting the sheet metal or strip run through the active area of a correspondingly shaped, flat induction coil encompassing the workpiece, the induction conductor of which is arranged transversely to the feed direction of the goods. The magnetic field distribution emanating from the coil is such that the field acts on the workpiece in the longitudinal direction.
Such longitudinal field heating has the advantage that the heating efficiency is relatively high and, in particular, magnetically conductive metal sheets can also be heated in this way. The heating of magnetically conductive sheet metal is possible with this method because there is no force component that pulls the sheet metal against the coil windings, since the mechanical force components cancel each other out in all layers. The longitudinal field heating, however, has a disadvantage that consists in the fact that a relatively high frequency must be used in order to heat the relatively thin workpieces economically.
It has been shown that when heating strips with a thickness of about 0.1 mm, frequencies below 10,000-5,000 Hz cannot be used, since the currents only penetrate the strip effectively at higher frequencies.
For this reason it has already been proposed to use the inductive cross-field method to heat the strips. This method consists in pulling the strips between a suitable inductor arrangement in which the individual induction conductors are pulled through transversely to the longitudinal extension of this strip, but only on one or both sides of the strip, in this case separated from one another. This measure creates a current path in the strip that lies in the plane of its surface. In this way, it is possible to work with relatively low frequencies, for example with mains frequency.
However, this known method has the disadvantage that the efficiency of the induction device is comparatively low. In addition, during the passage of the band through the induction device, it must be ensured that the distance between the inductor and the band is constant.
Otherwise, different powers would be induced in the band, which would inevitably lead to different warming. In addition, when magnetically conductive strips are heated, an additional magnetic effect occurs which tries to attract the strip to the inductor.
This magnetic force increases by reducing the distance between the strip and the inductor,
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so that in the event of a desired small coupling between inductor and strip there is a risk that the strip will be pulled to the inductor, which may damage the inductor or even the strip to be heated due to mechanical or thermal influences.
It is also known to modify this arrangement so that the ladder is in the feed direction of the
Extend good. To achieve a uniform temperature distribution, a very small distance between the conductors is required. The magnetic force that occurs in this arrangement for cross-field heating is known to be compensated by pulling the conductors of the separate inductors around to the opposite side and juxtaposing them with a gap. The training required for this results in the creation of a longitudinal field transverse to the direction of advance of the material.
Such an arrangement does not allow the heating of thin workpieces, for example less than 0.5 mm, and requires a complicated design of the inductors because the conductors have to be moved from one side to the other of the material path so that the material can be fed.
According to a proposal that was not previously known, the tape is to be pulled through a flat, coil-shaped inductor to which a medium-frequency current is subjected to a relatively low power density. The inductor is designed in such a way that the conductor sections opposite the strip surfaces run perpendicular to the edges of the strip and are bypassed in the area of the edges with a pitch of more than 25 from one side of the strip to the other. This device generates a longitudinal magnetic field in the strip, so that, depending on the thickness of the strip, relatively high frequencies must be used. According to this proposal, sufficient economic heating is achieved only by reducing the power density.
The invention has now set itself the task of avoiding the disadvantages of the previously known method and specifying a method with an inductor arrangement, which is only intended for longitudinal heating, to achieve transverse field heating in the workpiece by suitable measures characterized in that the individual conductors of the coil are encompassed from the outside by a ferromagnetic yoke, the nominal load and the workpiece dimensions corresponding to this, the magnetic fields of the individual conductors being essentially separated from one another and passing through the workpiece essentially perpendicular to the feed direction.
In this way, current paths are generated in the workpiece from conductor section to conductor section, which run in the workpiece plane. The device according to the invention therefore combines the advantage of transverse field heating with the advantage that arises from an inductor arrangement for longitudinal field heating. The disadvantages inherent in the two types of heating do not occur with the measures according to the invention, since relatively low frequencies can be used even with the thinnest metal sheets, the efficiency is relatively high and the workpiece is not attracted to the induction coil because of the compensating magnetic force effects .
The effect of the transverse flow between the individual conductor sections is achieved by the measure specified according to the invention. the magnetic field emanating from each individual conductor is separated from the next conductor. Seen over the entire induction coil, no resulting total field of all individual windings can occur, but each conductor has an individual magnetic field, which also has an effect on the workpiece individually.
A preferred device is proposed which consists of a combination of features known per se. This device consists of an induction coil which has a flat shape, with the conductors on each side of the workpiece running parallel to one another and parallel to the conductors on the opposite side. The bypasses are located in the area of the workpiece edges.
The individual conductors forming the induction coil are arranged in such a way that the edges of the conductors lying on opposite sides of the strip which face one another in the projection onto the longitudinally extending coil center plane are spaced d m5. The well-known relationship exists between the penetration depth 5 and the frequency of the current:
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6 = penetration depth in [mm] p = spec.
Resistance Jl = permeability f = frequency Finally, the individual conductors of the coil are submerged in field-conducting, magnetically conductive substances
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Release of an active surface embedded in the workpiece, the resulting permeability of the substances being less than 10.
Magnetic sheets known per se or similar substances are used for field guidance. Since every field guidance brings with it an energy concentration in the workpiece that is not desirable here, it is advisable to use substances for the field guidance that have a resulting permeability of maximum
10 have. For the ferromagnetic yoke of the induction coil, it is particularly expedient to use a mixture, known per se, of a casting resin with embedded iron powder, in which the conductors of the induction coil are embedded. Before it is cast, this casting resin is mixed with very fine-grained iron powder at a high mixing ratio and cast around the conductors so that they are outside the
Induction coil are surrounded by potting material. The inside of the induction coil remains free.
However, it can also be expedient to line the free active surfaces of the conductors inside with a plastic material in which substances made of non-ferromagnetic, electrically non-conductive, wear-resistant material are embedded. A quartz powder, for example, can be provided for this purpose with particular advantage. This layer has a magnetically neutral effect and has an intimate mechanical connection with the outer field-guiding layer, especially when it is applied to the field-guiding layer before it has completely solidified. The protective layer provides mechanical protection for the conductors of the induction coil and, on the other hand, the quartz insert gives it a sufficiently high temperature resistance.
Known devices and an embodiment of the device according to the invention are shown schematically in the drawing. 1a and 1b show the known longitudinal field heating, FIGS. 2a and 2b show the application of transverse field heating, FIG. 3a the device according to the invention and FIG. 3b the current flow in the workpiece.
According to FIG. 1 a, the induction coil 1 surrounds a sheet 2 continuously running through the coil for heating in the longitudinal field. This arrangement produces a current 3 in the strip, as shown in FIG. 1b, which shows a cross section through the sheet. Sufficient sheet metal thickness is required for the formation of the current or a sufficiently high frequency must be used to enable a corresponding formation of the current.
A known arrangement for transverse field heating is shown in FIG. 2a. The sheet metal strip 2 lies between inductors 4 and 4 ', which are surrounded by magnetic yokes 5 and 5' for field guidance. The field emanating from these coils penetrates the strip transversely and causes a current 6 in it, shown in FIG. 2b, which runs in the plane of the sheet.
In the device according to the invention according to FIG. 3a, the strip 2 runs through the induction coil, the individual conductors 7 and 7 'of which run parallel to themselves and to the strip surface. The edges of the individual conductors are spaced apart on one side by at least 26-t-b, where b is the width of the induction conductor. The ladder on the opposite side is on top of hatch. The conductors are surrounded by a field-guiding substance 8 in which they are embedded, but which only surrounds them on the outside, so that an active surface on the workpiece remains free on the inside. Through this field-leading
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that an entire resulting magnetic field emanating from all conductors can penetrate the workpiece in the longitudinal direction.
Each conductor 7 and 7 ′ thus generates a current 10 in strip 2, the current path of which can be seen in FIG. 3b. This current path runs in the band level. The thickness of the band 2 is no longer decisive for the formation of the current path. only the distance between the individual conductors. If these conductors, as required, have a distance of at least 2 qu 6 + b on one side, the formation of this current path is possible with good efficiency.
On the one hand, so that the induction coil is not damaged by the tape 2 running through it and, on the other hand, effective electrical and thermal insulation is achieved, another casting resin layer 11, which is preferably mixed with quartz powder, is poured onto the mass of the field-falling substance 8 on the inside of the induction coil. This storage of quartz powder, which is known per se, results in a higher temperature resistance of the casting resin and a high mechanical strength of the interior of the coil, which protects it from damage. This further layer 11 is applied at the point in time at which the casting resin compound 8 mixed with iron powder begins to harden.
This ensures that no mixture occurs between the two different casting resin compositions 8 and 11, but there is a homogeneous transition from layer 8 to layer 11, so that both layers adhere to one another with maximum strength.