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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Werkstückes mit Hilfe einer das Werkstück umschliessenden Induktionsspule.
Wird für die Warmverformung eines Metallblockes dieser auf die Verarbeitungstemperatur erwärmt. so sollte der Block über den gesamten Querschnitt eine gleiche Temperatur aufweisen. was aber beim induktiven Erwärmen dieser Werkstücke zu Schwierigkeiten führt. Die Leiter der Induktionsspule müssen nämlich gekühlt werden, so dass sich zwischen der Induktionsspule und dem von der Induktionsspule umschlossenen Werkstück eine erhebliche Temperaturdifferenz ergibt. die vor allem in Erwärmungspausen zu einer starken Abkühlung des Werkstückes an der Oberfläche führt. Die durch die Abkühlung der Werkstückoberfläche bedingten Temperaturunterschiede zwischen den Aussenschichten des Werkstückes und seinem Kern machen beim Verformen des Werkstückes Schwierigkeiten, so dass mit Qualitätseinbussen gerechnet werden muss.
Bei manchen Legierungen kann ein solcher Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern sogar die Unverpressbarkeit des Werkstückes zur Folge haben.
Die Abkühlung des Werkstückes im Bereich seiner Oberfläche tritt aber nicht nur während betriebs- oder störungsbedingter Erwärmungspausen auf. sondern auch während des Aufwärmvorganges selbst, so dass insbesondere bei hohen Temperaturen des Werkstückes die Werkstückoberfläche nicht entsprechend erwärmt werden kann.
Da eine ausreichende Wärmeisolierung zwischen der Induktionsspule und dem Werkstück kaum erreichbar ist, weil der Luftspalt zwischen Spule und Werkstück aus energetischen Gründen möglichst klein gehalten werden muss, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit dessen Hilfe die geschilderten Nachteile einer Abkühlung der Werkstückoberfläche beim induktiven Erwärmen vermieden werden können.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in einfacher Weise dadurch, dass zwischen dem Werkstück und der Induktionsspule eine Heizeinrichtung zum Aufbau eines Hitzeschildes vorgesehen ist.
Durch das Aufbauen eines Hitzeschildes zwischen dem heissen Werkstück und der gegenüber dem Werkstück kälteren Induktionsspule wird der Wärmefluss zwischen dem Werkstück und der Induktionsspule unterbunden. Die Werkstückoberfläche kann daher keine Wärme abgeben und kühlt folglich auch nicht aus. Dieser Hitzeschild ist vor allem während der auftretenden Erwärmungspausen wesentlich, in denen dem Werkstück keine Leistung induktiv zugeführt wird, in denen aber das Kühlsystem für die Induktionsspule weiter wirksam ist.
Werden Werkstücke aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen erwärmt, deren Verarbeitungstemperaturen gegenüber Werkstücken aus Stahl vergleichsweise niedrig liegen, so spielt die Abkühlung der Werkstückoberfläche während des induktiven Aufwärmvorganges üblicherweise keine wesentliche Rolle, weil die Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück und der gekühlten Induktionsspule nicht zu gross wird. Anders sind jedoch die Verhältnisse beim Erwärmen von Stahlblöcken, bei denen sich wegen der hohen Endtemperatur von beispielsweise 1350 C ein erheblicher Temperaturunterschied zu der Induktionsspule ergibt, die auf etwa 70 C gekühlt wird.
Bei der induktiven Erwärmung von Stahlblöcken kann daher auch während der Erhitzung des Werkstückes das Unterbinden einer Wärmeabstrahlung durch den erfindungsgemässen Aufbau eines Hitzeschildes von grossem Vorteil sein.
Um eine Wärmeabstrahlung in einem ausreichenden Mass zu verhindern, braucht der Hitzeschild nicht auf die Oberflächentemperatur des Werkstückes gebracht zu werden. Für die üblichen Anwendungsfälle wird es genügen, wenn die Zwischenschicht zumindest auf 2/3 der Temperatur des Werkstückes aufgeheizt wird. Die jeweils einzustellende Temperatur des Hitzeschildes wird vor allem vom Werkstoff des Werkstückes und von der angestrebten Qualität abhängen.
Da zur Verhinderung einer Wärmeabstrahlung von der Oberfläche des Werkstückes der Aufbau eines Hitzeschildes und nicht die Art und Weise, wie das Hitzeschild erzeugt wird, massgebend ist, kann die zur Erzeugung des Hitzeschildes notwendige Zwischenschicht zwischen der Induktionsspule und dem Werkstück unterschiedlich erwärmt werden. Es bietet sich jedoch vor allem eine elektrische Heizung an, weil die das Werkstück umschliessende Induktionsspule üblicherweise mit einer inneren, metallischen Schutzauskleidung versehen ist. Diese Schutzauskleidung könnte über die Induktionsspule induktiv erwärmt werden, was eine entsprechende Stärke dieser Schutzauskleidung voraussetzt. Eine solche Schutzauskleidung entzieht aber dem Feld der Induktionsspule Energie, die nicht zum Erwärmen des Werkstückes zur Verfügung steht.
Ausserdem muss während der
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auftretenden Erwärmungspausen für eine entsprechende Induktion gesorgt werden, was beispielsweise über die mit verringerter Leistung und Mittelfrequenz weiter betriebene Induktionsspule erreicht werden kann. Wesentlich vorteilhafter ist es jedoch, wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung die Heizeinrichtung aus einer elektrischen Widerstandsheizung besteht, wobei vorzugsweise die metallische Schutzauskleidung als Heizleiter der elektrischen Widerstandsheizung ausgebildet ist. In einem solchen Fall kann die Temperatur des Hitzeschildes völlig unabhängig vom Betrieb der Induktionsspule in einfacher Weise an die jeweiligen Verhältnisse angepasst und gesteuert werden, ohne dass dem Induktionsfeld der Spule mehr Energie entzogen wird.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeispiel vereinfacht dargestellt : Es zeigen : Fig. l eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Werkstückes im Axialschnitt und Fig. 2 diese Vorrichtung in Stirnansicht.
Die dargestellte Vorrichtung besteht in üblicher Weise aus einer Induktionsspule deren hohle Leiter --2-- von Kühlwasser durchströmt werden. Auf der Innenseite dieser Induktionsspule-l-ist eine Isolierschicht --3-- vorgesehen, die vor allem der elektrischen Isolation dient und der hinsichtlich der Wärmedämmung nur geringe Bedeutung zukommt. Diese Isolierschicht --3-wird von einer metallischen Schutz auskleidung --4-- abgedeckt, die im Ausführungsbeispiel als geschlitzte Rohrhülse ausgebildet ist. Zur Wärmedehnung der Schutzauskleidung --4-- in axialer Richtung sind Führungsbolzen --5-- vorgesehen, die die an der gegenüberliegenden Stirnseite fest eingespannte Schutzauskleidung --4-- gegen ein radiales Verschieben sichern, die axiale Bewegung der Schutzauskleidung jedoch gewährleisten.
Zu diesem Zweck durchsetzen sie entsprechende Führungsbohrungen in einem Ringflansch --6-- der Schutzauskleidung --4--.
Um eine Wärmeabstrahlung von der Oberfläche des in die Induktionsspule --1-- eingebrach- ten Werkstückes auf Grund der beim Erwärmen des Werkstückes auftretenden Temperaturdifferenz
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--1-- zudung --4-- nach der Erfindung erwärmt, so dass zwischen dem Werkstück und der Induktionsspule-l-ein Hitzeschild entsteht. Dieses Erwärmen der metallischen Schutzauskleidung --4-erfolgt durch einen direkten Stromdurchgang durch die Schutzauskleidung. Die Schutzauskleidung - wirkt demnach als Heizelement einer elektrischen Widerstandsheizung. Diese Heizung ist einfach zu installieren, weil die Schutzauskleidung --4-- üblicherweise vorhanden ist und lediglich mit entsprechenden Anschlüssen --7-- an den beiden Stirnseiten für die Stromversorgung versehen werden muss.
Ober den Heizstrom lässt sich somit auch die Temperatur der Schutzauskleidung-4-steuern, so dass der Hitzeschild den jeweiligen Verhältnissen angepasst werden kann. Im allgemeinen wird die Temperatur der Schutzauskleidung --4-- nicht auf die Werkstücktemperatur gebracht werden. Für die meisten Fälle genügt eine höchstens um 1/3 verringerte Temperatur, um eine ins Gewicht fallende Wärmeabstrahlung von der Werkstückoberfläche zu verhindern. Beim Erwärmen von
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von Stahlblöcken bis 1100 C zu steigern sein.
Da die Induktionsspule --1-- in üblicher Weise zwischen zwei Flanschen --8 und 9-- zusammengespannt wird und auch das Kühlsystem für die Induktionsspule --1-- sowie deren elektrische Anschlüsse dem Stand der Technik entsprechend ausgeführt sind, wurde auf eine nähere Beschreibung dieser Konstruktionsmerkmale verzichtet.
Durch den Aufbau eines erfindungsgemässen Hitzeschildes wird nicht nur eine Wärmeabstrahlung in grösserem Umfang vermieden, sondern auch durch die Wahl der Temperatur des Hitzeschildes die Möglichkeit geschaffen, sonst auftretende, ungleichmässige Temperaturverteilungen über den Werkstückquerschnitt durch das Zulassen einer bestimmten Wärmeabstrahlung auszugleichen.
Selbstverständlich kommt dem erfindungsgemässen Verfahren besondere Bedeutung zu, wenn das Werkstück an der Schutzauskleidung anliegt, wie dies bei horizontalen Induktionsspulen der Fall ist, weil damit die Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung ebenfalls unterbunden wird.