DD243511A5 - Mehrdraht-induktionsheizung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die induktive Beheizung von duennen Stahldraehten (W) (z. B. mit Durchmessern von 0,5 bis 3 mm) bei kontinuierlichen Heizverfahren, wobei relativ niedrige Feldstaerken von z. B. bis zu 20 000 Am 1 verwendet werden, aber so gewaehlt werden, dass die relative magnetische Permeabilitaet mr auf 40 oder mehr eingestellt wird. Die Draehte werden durch Spulenbloecke (1) gefuehrt, die flach um eine Reihe von Keramikrohren (3) gewickelt sind, um die Draehte zu fuehren und zu isolieren. Die Spulenbloecke werden bei Frequenzen von gewoehnlich bis zu 30 kHz erregt. Die Wicklungsrichtung und/oder die Phase des Stroms wird zwischen benachbarten Spulenbloecken (1) oder Gruppen von Bloecken geaendert, um einen Spannungsaufbau laengs der Draehte herabzusetzen. Fig. 1

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung bezieht sich auf die Induktionsheizung bzw. induktive Erwärmung und insbesondere auf die induktive Erwärmung langgestreckter Metallgegenstände, wie ζ. B. von Stahldrähten, durch Führung dieser Gegenstände durch Induktionsspulen. Es besteht häufig ein Bedarf zum Erwärmen von Stahldrähten auf niedrige oder mittlere Temperaturen. Beispiele für Wärmebehandlungen sind thermische Diffusion, Spannungsarmglühen, Tempern, teilweises oder volles Ausglühen bzw. Spannungsfreiglühen, usw. Der Erwärmungsschritt kann getrennt oder in Übereinstimmung mit anderen Stufen, wie z. B. Oberflächenbehandlungen, Beschichtungsverfahren, Deformationsverfahren, etc. ausgeführt werden. Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Erwärmung von Stahldrähten mit einem Durchmesser von weniger als 5mm und vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 3mm, auf Temperaturen, die die Curietemperatur (750-760⁰C) nicht überschreiten. Die Erfindung kann jedoch auf andere Verfahren angewendet werden. Für Herstellungszwecke ist es allgemein erwünscht, eine Anzahl von Drähten gleichzeitig zu erwärmen, während sie sich fortlaufend längs parallelen Bahnen bewegen, und die Erfindung ist insbesondere in einem solchen Zusammenhang anwendbar.

Herkömmliche Vorrichtungen zur gleichzeitigen Erwärmung einer Anzahl von Stahldrähten umfassen beispielsweise brennstoffbeheizte oder elektrische Öfen, Bäder mit geschmolzenem Blei oder Salz und Widerstandsheizleitungen, die von der direkten Elektrokontaktdrahtheizung und dergleichen Gebrauch machen.

Das Arbeiten herkömmlicher Öfen ist in bezug auf eine präzise Hochgeschwindigkeitserwärmung von Drähten bis zu 750°C aufgrund ziemlich langsamer Wärmeübertragungsraten in diesem niedrigen bis mittleren Temperaturbereich begrenzt. Demzufolge sind Öfen mit beträchtlich erhöhter Länge erforderlich, um hohe Drahtdurchsatzgeschwindigkeiten zu erzielen, was sowohl technisch als auch wirtschaftlich eine unattraktive Lösung ist. Eine direkte Immersionserwärmung in geschmolzenem Salz und Blei hingegen ist rasch und wirksamer, aber die hauptsächlichen Nachteile hierbei sind die Kontamination der Drahtoberfläche, die eine Extrareinigung erforderlich macht, und schlechtere bzw. mittelmäßige Arbeitsbedingungen. Für verschiedene Anwendungsfälle der Drahterwärmung sind in der Industrie direkte Elektrowiderstandseinrichtungen übernommen worden, bei denen der Heizstrom zu den Drähten mittels Elektrokontaktwalzen zugeführt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß mit zunehmender Geschwindigkeit und Leistungsdichte die Risiken von Funkenbildung und Oberflächenfehlern sehr kritisch werden können. Bei der Produktion mit großer Qualität und feinen Drähten ist dies in hohem Maße ungewünscht.

Eine vielversprechende Lösung wird durch die Induktionsheizverfahren geliefert, die eine rasche, kontaktfreie Erwärmung erzeugen. Induktive Erwärmung ist heutzutage eine weitverbreitete Technologie zum Erwärmen von großen Werkstücken, wie z. B. Blöcken, Barren, Stangen und Stäben, vor dem Schmieden oder Bearbeiten etc. und zum Oberflächenhärten von

Gegenständen, wie ζ. B.Achsen, Pumpstangen etc. Die Technik wird bereits in einigen spezifischen Bereichen der Drahtindustrie angewendet, beispielsweise zum Entspannungsglühen von vorgespannten Betondrähten und Drahtlitzen. Sie ist auch bis zu einem gegebenen Ausmaß zum Ausglühen von gezogenem Kupferdraht im Eingang mit der Drahtziehmaschine verwendet worden.

Die induktive Erwärmung ist jedoch bei Mehrdrahtanlagen nicht weit verbreitet verwendet worden, die gegenwärtig eine große Anzahl von Drähten (5,10, 20,30 und sogar 40 oder mehr) gleichzeitig behandeln können. Das Konzept der kontaktfreien induktiven Erwärmung einer Vielzahl von Drähten ist seit langem als technisch unpraktisch und/oder zu verschwenderisch an Energie und Kapital·betrachtet worden, insbesondere für kleinere Drahtgrößen. Es ist festgestellt worden, daß die induktive Erwärmung aufgrund des bekannten Bedarfs für getrennte Induktionsheizspulen für jede Drahtbahn und aufgrund der Kompliziertheit der Verzweigung sämtlicher Induktoren zu Stromversorgungen geeigneter Frequenz zu kostspielig ist. In gleicher Weise ist ein allgemeiner Glaube und Erfahrung, daß der elektrische und/oder thermische Wirkungsgrad unzulänglich bleiben, wenn die induktive Erwärmung von Drähten mit anderen Erwärmungsverfahren verglichen wird. In dieser Hinsicht hat die Überzeugung bestanden, daß eine induktive Erwärmung von Drähten mit kleinem Durchmesser nicht nur in hohem Maße unbefriedigend und ungenügend ist, sondern sogar unterhalb einer bestimmten Durchmessergrenze von z.B. 1 bis 1,5 mm unmöglich werden kann.

Das spezielle Problem einer effektiven induktiven Erwärmung von dünnen bis mittelgroßen Stahldrähten, im Durchmesser etwa unterhalb 2 bis 3 mm, umfaßt verschiedene Aspekte: das Verhältnis der Eindringtiefe des induzierten Stroms zum Drahtdurchmesser wird kritisch, die magnetischen Koppelverluste sind aufgrund des schlechteren Spulenfüllgrads, d.h. des geringen Verhältnisses von Draht- zu Spulendurchmesser, groß, etc. Um diese Faktoren zu verbessern, ist versucht worden, eine Anzahl von Drähten durch eine einzige zylindrische Induktionsspule durchzuführen, um den effektiven Füllgrad zu erhöhen. Andere Versuche wurden gemacht, aber keiner war wirklich erfolgreich oder konnte die Anforderungen an die praktische Brauchbarkeit und Wirtschaftlichkeit zufriedenstellen, die bei modernen Mehrdraht-Verarbeitungssträngen verlangt werden. In bezug auf bestimmte bekannte Prinzipien und die Theorie der induktiven Erwärmung wird auf folgende Beispiele zum Nachschlagen verwiesen:

— „Induction heating" — Simpson P. G., McGraw-Hill, New York, 1960,

— „Induction heating handbook" — J.Davies, P.Simpson, McGraw-Hill, England, 1979,

— US-PS 4118617: Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von Metalldrähten und -bändern,

— Europäische Patentanmeldung Veröff. Nr. 90488: Vorrichtung zur gleichzeitigen Aufheizung einer Anzahl langgestreckter Werkstücke.

Wenn ein zylindrisches Werkstück in einem Solenoid betrachtet wird, sind die Basisfaktoren zur Bestimmung einer effektiven induktiven Erwärmung wie Frequenz und Dichte des Erregerstroms, der Luftspalt zwischen dem Werkstück und der Wicklung,

d. h. das Verhältnis des Werkstücks zum Innendurchmesser der Spule, und die geometrische Anordnung der Spulenwicklungen.

Um die Heizleistung abzuschätzen, die im Werkstück selbst wirksam ist, muß primär die effektive Eindringtiefe ρ des induzierten Stroms betrachtet werden, die durch die Formel (1) gegeben ist:

₌ 5033

wobei ρ'die effektive Eindringtiefe (cm)

ρ der spezifische elektrische Widerstand des Werkstücks (Ohm — cm),

μ, die relative effektive magnetische Permeabilität,

f die Frequenz) — ) ist.

Da z. B. 87% der gesamten Wärme durch den induzierten Strom in der effektiven Eindringtiefe ρ erzeugt wird, ist es verständlich, daß die Eindringtiefe in ausreichendem Maße unter der Hälfte des Werkstückdurchmessers gehalten werden sollte,

wobei d der Werkstückdurchmesser ist), um eine Redundanz des induzierten Stroms zu verhindern. Die Eindringtiefe ist frequenzabhängig und kann beispielsweise für ferromagnetische Stahlstäbe von 1 mm bis 10mm bei gewöhnlich verwendeten Hauptfrequenzen, z.B. f = 50Hz, variieren. Das Problem der Stromverluste im Zentrum des Werkstücks wird besonders akut bei der induktiven Erwärmung von Drähten mit kleinem Durchmesser. Um mittlere bis kleine Drähte mit Durchmessern von beispielsweise weniger als 3 mm wirksam induktiv zu erwärmen, ist es erforderlich, Stromfrequenzen von zumindest einigen tausend Hertz zu verwenden

Der elektrische Wirkungsgrad einer Induktionsheizspule wird durch die Formel (2) ausgedrückt:

⁷I

(2)

p_cu der spezifische Widerstand der Spulenwicklungen (Kupfermaterial),

p_w der spezifische Widerstand des Werkstücks (z.B. Stahldraht),

/x,_r die relative Permeabilität des Werkstücks (z. B. Stahldraht),

D der Durchmesser der Spulenwicklungen,

L die Länge der Induktionsspule,

I die effektive Lä'nge des von der Induktionsspule umschlossenen Drahts,

k der Stromausbeutekoeffizient (k < I) abhängig vom Verhältnis d|p, d. h. des Drahtdurchmessers zur Eindringtiefe, ist,

wobei k ~ Ifürd §> p

Die im Werkstück verlorene Heizleistung Pw ist durch die Gleichung (3) gegeben:

Pw = Η²- iüL·. TT · d - I -

wobei H ( = ——) die induktive magnetische Feldstärke ist mit I Erregerstrom,

ρ Eindringtiefe und N Windungszahl.

Aus der Gleichung (3) folgt, daß die Menge der erzeugten Wärme in Proportion zu H² oder I² zunimmt. Eine abnehmende Eindringtiefe ρ vergrößert ebenfalls die Wärmeeingabe. Bei der induktiven Erwärmung von Stangen und Blöcken ist es gängige Praxis, hohe Stromdichten (die noch von den Spulenwicklungen gehalten werden können) bis zum Sättigungspegel des Magnetfelds Hs anzuwenden. Im Falle kleiner Drahtdurchmesser erscheint es vernünftig, die niedrigsten durchführbaren Eindringtiefen ρ unter Verwendung hoher Frequenzen zu suchen und hohe Stromdichten zu verwenden. Wir haben jedoch herausgefunden, daß dies häufig zu erratischen bzw. unberechenbaren Ergebnissen und sehr geringen Heizwirkungsgraden führt, insbesondere wenn der Durchmesser der Heizdrähte im Bereich von 0,5 bis 2 mm liegt. Wir haben herausgefunden, daß die Schwierigkeiten bei der Erwärmung zu einem großen Ausmaß von der empfindlichen Balance zwischen den elektrischen und thermischen Energien herrühren, wenn kleine Drähte induktiv erwärmt werden. Zu hohe Frequenzen und/oder Stromdichten können entweder zu überhitzten oder sogar verbrannten Oberflächen oder zu in weitem Maße schwankenden tatsächlichen thermischen Wirkungsgraden führen. Demzufolge wird bei den benötigten Drahttemperaturen eine große Streuung erhalten, und der gesamte Energiewirkungsgrad bleibt bei Pegeln, die mit einer effektiven und wirtschaftlichen Erwärmung nicht kompatibel sind. Das Problem kann beim niedrigeren Drahtdurchmesserbereich von 0,5 bis 1,5 mm sehr akut werden, wo magnetische Kopplung, ein deutlicher vortretender Skin-Effekt und Wärmeverluste von der Drahtoberfläche zu z. B. wassergekühlten Spulenwicklungen entweder die Heizkapazitäten oder den Wirkungsgrad nachteilig beeinträchtigen können. ·

Das Ziel eines Aspekts der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Probleme zu überwinden oder zu vermindern. Es ist so vorgeschlagen worden, relativ niedrige Energiedichten (zur Vermeidung einer Oberflächenüberhitzung und zur Reduktion der Menge weniger kontrollierbarer Wärmeverluste des Drahtrandes zur Umgebung) und eine Verschiebung zu hohen Werten der magnetischen Permeabilität für die Drähte zu verwenden. Eine derartige Anordnung verbessert den elektrischen Wirkungsgrad (vergleiche Formel [2]), und es sollte weiter festgestellt werden, daß die relative magnetische Permeabilität für Stahldrähte mit abnehmenden Feldstärken zunimmt. Eine Umschreibung der Formel (3) als die pro Einheitsdrahtvolumen verlorene Heizenergie ergibt:

P_w = 4 H² μ_α · μ_Γ . f . k · §-' " (4)

Wenn der Faktor H² μ_Γ betrachtet wird, kann so erkannt werden, daß eine Abnahme der Feldstärke keine äquivalente Abnahme der Heizleistung erzeugt, da eine Zunahme in μ_Γ erfolgt. Wir haben herausgefunden, daß es möglich ist, die Parameter einzustellen, um so ein Fortgehen von der herkömmlichen Verwendung hoher Feldstärken zu gestatten, während noch

ausreichende Heizleistungen erhalten werden. /

Von diesem Aspekt her gesehen wird durch die Erfindung ein Verfahren der induktiven Erwärmung eines langgestreckten Stahlelements in einer Induktionsspule geschaffen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die magnetische Feldstärke so eingestellt wird, daß die relative magnetische Permeabilität des Elements zumindestens 40 ist.

Dies ist wohl oberhalb des normalerweise verwendeten Pegels, wobei übliche Werte im Bereich von 10 bis 20 für sich der Sättigung nähernde Felder sind. Bei Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die relative magnetische Permeabilität vorzugsweise mindestens 80 und ein repräsentativ oder typisch verwendbarer Bereich ist 100 bis 200.

Die Erfindung ist gemäß diesem Aspekt besonders anwendbar auf dünne Stahldrähte mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm, und ein besonders nützlicher Bereich geht bis zu 2 oder 3 mm. Die unteren Grenzen können etwa 0,5 mm sein.

Das magnetische Feld wird ungefähr im Bereich von 3000 bis 35000 Amperewindungen pro Meter und vorzugsweise 5000 bis 20000Am"¹ sein. Typische verwendete Frequenzen werden bis zu 50000Hz sein, und ein bevorzugter Bereich ist 5000 bis 30000Hz. -.'·

Es wird erkannt werden, daß die Wärmeeingabe kleiner als bei herkömmlichen Anordnungen sein kann, obwohl sie durch die Erfindung bei praktischen Pegeln sein wird. Dies bedeutet, daß die zum Erwärmen benötigte Zeitdauer vergrößert wird. Die Erfindung befaßt sich besonders mit der Erwärmung von sich fortdauernd bewegenden Drähten, und somit werden im Vergleich mit dem Fall einer herkömmlichen Heizanordnung größere Spulenlängen benötigt. Dies führt zu einem anderen potentiellen Problem, das zu lösen ist.

Die Heizanforderungen ändern sich entsprechend dem Drahttyp und -durchmesser, und die Spulenlänge hängt auch von der Drahtgeschwindigkeit ab, die beispielsweise im Bereich von 10 bis 100 m min"¹ oder größer liegen kann. Eine typische Spulenlänge kann z.B. um 2 oder 3m bis 5m liegen. Wir haben herausgefunden, daß dies zu unannehmbar hohen induzierten Potentialdifferenzen über die Drahtlänge führen kann. Dies ist bei einer induktiven Erwärmung normalerweise kein Problem, aber in diesem speziellen Fall —wenn lange Spulen und kontinuierliche Drahtstränge verwendet werden — kann die angewachsene Spannung in der Drahtlängsrichtung einen kritischen Wert annehmen (bis zu mehr als 50V) und hierdurch eine Funkenbildung zwischen dem Draht und geerdeten Bauteilen der Anlage, wie z. B. Führungselementen, Aufwickelrollen und

Es wird angenommen, daß ein Hauptgrund für eine übermäßige Spannungsaufsummierung in der Drahtlängsrichtung in der Tatsache besteht, daß aufgrund der Ganghöhe bzw. Neigung der Spulenwicklungen in bezug auf die Drahtachse im Draht ein räumliches elektrisches Feld induziert wird, das zur Drahtrichtung leicht geneigt ist. Dieses Feld kann in eine große radiale Komponente und in eine kleine axiale Komponente zerlegt werden, deren Vektorsumme einen stufenweisen bzw. allmählichen Potentialanstieg längs der Drahtlänge erzeugt.

Wir haben herausgefunden, daß das Problem gelöst werden kann, indem die Länge der Induktionsspule in zumindest zwei Teile aufgeteilt wird und indem die Wicklungsrichtung und/oder die Phase des Stroms in den beiden Teilen umgekehrt wird.

Dies kann bei anderen Umständen bzw. Verhältnissen nützlich sein, wo relativ lange Induktionsspulen benötigt werden. Von einem anderen Aspekt her betrachtet ist somit durch die Erfindung eine Induktionsheizvorrichtung mit einer Spule geschaffen worden, in der ein Element angeordnet werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei benachbarte Spulenlängen vorgesehen sind, wobei die Richtung der Spulenwicklung und/oder die Phase des Erregerstroms zwischen benachbarten Längen umgekehrt ist.

Es hat sich herausgestellt, daß die Phasenumkehr eine größere Wirkung als die Wicklungsrichtung hat. Jedoch werden die besten Ergebnisse erzielt, indem beides ausgeführt wird, und dies setzt auch tote Punkte im magnetischen Feld aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung der Enden benachbarter Spulen herab.

Diese Anordnungen können leicht durch eine Anzahl von Spulenmodulen erhalten werden, die in bezug aufeinander angeordnet und mit einer Energiequelle verbunden werden können, und zwar in solchen Anzahlen und Kombinationen, wie sie für irgendeine spezielle Anwendung benötigt wird.

Es ist ersichtlich, daß die Umkehr der Spulenwicklung im allgemeinen zu einer Umkehr des Neigungswinkels der Wicklungen in bezug auf die Spulenachse führt.

Ein anderer Aspekt der Erfindung befaßt sich mit der Anordnung der induktionsspule selbst. Wie bereits festgestellt wurde, sollte der Luftspalt zwischen dem Werkstück und der Spule auf einem Minimum gehalten werden, d. h. in der Formel (2) sollte D/d für den besten Wirkungsgrad klein sein. Dies bringt Probleme mit sich, wenn große Drahtzahlen behandelt werden sollen.

Vorschläge, einzelne Spulen für jeden Draht zu verwenden, sind nicht wirtschaftlich. Auf der anderen Seite führt die Anordnung einer Anzahl von Drähten in einer einfachen Spule zu größeren D/d-Werten und Veränderlichkeiten oder Unbeständigkeiten in der Behandlung von Drähten, abhängig von deren Position.

Von einem anderen Aspekt her betrachtet wird durch die Erfindung somit eine Induktionsheizvorrichtung geschaffen, die eine Spule umfaßt, in der eine Anzahl von langgestreckten Elementen angeordnet werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule einen annähernd flachen Querschnitt aufweist, in dem die Elemente in einer Reihe angeordnet werden sollen. Der Querschnitt kann somit in der Form eines langgestreckten Rechtecks sein, dessen Enden vorzugsweise abgerundet sind.

Es ist vorstellbar, daß zwei oder sogar drei Reihen vernünftige Ergebnisse bringen könnten, aber besonders bevorzugt ist die Anordnung derart, daß nur eine einzige Reihe untergebracht ist. Es gibt dann eine Ebene bzw. flächenartige Anordnung paralleler Drähte oder anderer Elemente, wobei die Windungen der im wesentlichen flachen Spule die Reihe bzw. Anordnung dicht umhüllt. Vorzugsweise sind die Spulenwicklungen selbst flach und bestehen z.B. aus einem Kupferstreifen.

Während die vorstehend gegebenen theoretischen Formeln für den Fall eines einzigen von einer zylindrischen Spule umschlossenen dicken Abschnitts sind, werden die Vorteile der verschiedenen anderen Aspekte der Erfindung bei der Verwendung der flachen Spule und einer Anordnung des Träger, weitgehend identischer schmaler Abschnitte, z. B. von Drähten, beibehalten.

Eine besonders bevorzugte und vorteilhafte Anordnung umfaßt die Verwendung von Führungen zum Anordnen der einzelnen Drähte (oder dergleichen) getrennt mit Abstand und zum Führen von ihnen durch die Spule. Derartige Führungen könnten in der Form offener Kanäle oder dergleichen und kontinuierlich oder intermittierend vorliegen. Vorzugsweise liegen die Führungen jedoch in der Form paralleler, durchgehender Rohre vor.

Die Führungen selbst sind vorzugsweise elektrisch isolierend und können aus keramischem oder anderem feuerfesten Material hergestellt sein. ·

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine Draufsicht auf ein gebräuchliches Ausführungsbeispiel einer Heizvorrichtung mit einer

Mehrdrahtinduktionsspule, die mit einem Generator für mittlere Frequenzen verbunden ist; Fig. 2: eine vergrößerte Querschnittsansicht der Induktanz längs Linie A-A von Fig. 1;

Fig.-3: eine vergrößerte Querschnittsansicht längs Linie B-B von Fig. 2, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der

Spulenwicklungsanordnung in der Drahtlängsrichtung zeigt;

Fig. 4: ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Spulenwicklungsaufbaus;

Fig. 5 a und 5 b: eine detailliertere Ansicht eines speziellen Ausführungsbeispiels einer Spulenanordnung für eine

induktive Mehrdrahterwärmung, die Kupferstreifenwicklungen mit aufgelöteten Kupferkühlrohren aufweist; Fig. 6: * eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Induktionsheizstrangs

mit einem Modularbaustein-Konzept mit einer Sequenz identischer Mehrdrahtinduktanzen, die

parallel an die Versorgung angeschlossen sind; Fig. 7 a: eine graphische Darstellung des Arbeitsbereichs (Magnetfeldstärke und Permeabilität) bei dem

erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich mit der herkömmlichen Praxis; Fig. 7 b: insbesondere die gemessenen ^_r-Werte üblicher Eisendrähte, gegen Amperewindungen pro Meter

aufgetragen; Fig. 8: verschiedene Möglichkeiten von Anordnungen mit in Reihe angeschlossenen Heizspulen zur

Anpassung an einen Longitudinal-Spannungsaufbau in der Drahtrichtung; Fig. 9: verschiedene Ausführungsbeispiele von Anordnungen mit parallel angeschlossenen Heizspulen zum

Herabsetzen des Spannungsauf baus auf ein Minimum in der axialen Richtung der induktiv geheizten Drähte; Fig. 10: ein Ausführungsbeispiel eines Mehrdrahts-Induktionsheizblockkonzepts, das auch einen verbesserten .

Stromversorgungsanschluß enthält; und Fig. 11: einige kennzeichnende Heizleitungsaufbauten, die ein Heizen und Halten auf einer bestimmten

Es wird im folgenden auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine allgemeine Ansicht eines induktiven Heizsystems zeigt. Eine Mehrdrahtinduktionsheizspule 1 wird durch einen Strom mit mittlerer (oder hoher) Frequenz erregt, der von einem geeigneten Generator 2 zugeführt wird. Die elektrische Beschaltung des Generators 2 umfaßt gewöhnlich einen Spannungsversorgungs-TransformatorTr und eine 3-Phasen-Thyristorgleichrichterbrücke Rf, Drosselspulen CH, einen thyristorgesteuerten Frequenzstrom erzeugenden Abschnitt (Thyristoren Th 1 bis Th 4) und eine Kondensatoranordnung C mit geeigneter Kapazität (um die Impedanz des Lastkreises bezüglich der elektrischen Eigenschaften des Generators zu kompensieren). Eine Anzahl von Drähten W bewegt sich kontinuierlich durch eine flache Induktionsspulenanordnung (Induktor) 1, und jeder Drahttritt insbesondere durch eine bestimmte wärme- und elektrisch isolierende röhrenförmige Führung 3. Die Führungen sind vorzugsweise Rohre aus Keramikmaterial mit geeignetem Querschnitt und sind hier als einlagige ebene Reihe angeordnet, die durch die Wicklungen 4 der Heizspule umhüllt sind. Für runde Drähte werden gewöhnlich zylindrische Rohre verwendet, während für geformte Drähte, wie z. B. Flachdrähte, ein Rohr mit rechteckigem Querschnitt in Betracht gezogen werden kann. Die Spulenwicklungen können aus massivem hochleitenden Kupferdraht-, -kabel oder -streifen hergestellt sein, vorausgesetzt, daß geeignete Kühleinrichtungen in der äußeren Spulenkonstruktion (z. B. ein von dem Spuleninnenraum getrennter und direkt mit den Wicklungen in Kontakt stehender Wassermantel) oder rohrförmige Kupferwicklungen mit einer Wasserinnenkühlung vorgesehen sind.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht senkrecht zur Drahtrichtung einer flachen Mehrdraht-Heizspule, wobei die örtliche Anordnung der Spulenwicklungen 4, der Keramikrohre 3 und der Drähte W deutlich gezeigt ist.

Figuren 3 und 4zeigen weitere Einzelheiten, wobei eine Längsquerschnittansicht der Heizspule durch die Drahtachse (längs Linie B-B in Fig.2) veranschaulicht ist. In Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Spulenwicklungen aus einem massiven Kupferstreifen 5 bestehen, der mittels eines auf die Außenfläche der Streifenwicklungen bzw. -windungen aufgelöteten durchgehenden Kupferrohrs 6 wassergekühlt ist. Diese Art der Kupferwicklungen ermöglicht es, sehr flache Heizspulen mit einer inneren Induktortunnelhöhe von sogar weniger als 20 mm herzustellen.

Fig. 4zeigt einen Typ einer Heizspule, die aus wassergekühlten Kupferrohren 7 gebildet ist, die vorzugsweise einen ovalförmigen, flach abgerundeten oder abgeflachten Querschnitt besitzen, um auf geringe Induktorhöhen (die dicht mit der äußeren Peripherie der Anordnung der röhrenförmigen Drahtführung auf der Innenseite zusammenpassen) aufwickelbarzu sein. Bei der Anordnung und Verwendung der Heizspulen ist es wichtig, die Induktorhöhe so dicht wie möglich zu den inneren Förderrohren zu bringen und diese Höhe in der seitlichen und längsgerichteten Spulenrichtung während des Betriebs konstant zu halten. Unter den verschiedenen Möglichkeiten zur Herstellung einer Mehrdrahtwicklung kann das folgende Verfahren gewählt werden. Als erstes wird der Kupferleiter auf einen Dorn mit geeigneter Abmessung aufgewickelt, um eine Heizspulemit einer gewünschten Geometrie (Höhe, Breite, Länge und Windungszahl pro Meter) zu bilden. Die Spule wird zur Stabilitätsbildung entspannungsgeglüht und mit einem Polymer- oder einem anderen Material beschichtet, um die einzelnen Induktorwindungen zu isolieren (wobei die Spulenhelix z. B. als Feder gestreckt und in einen geeigneten Lack eingetaucht wird, ausgehärtet/ getrocknet wird, die Helix gelöst wird). Anschließend wird die nackte, d.h. freiliegende Spule mit einer geeigneten mechanischen Befestigungseinrichtung und mit den erforderlichen elektrischen Anschlüssen und Kühlzubehöreinrichtungen versehen. Alternativ können die Spulenwicklungen auch mittels einer steifen Masse dauerstabilisiert werden, z. B. durch Formung in einem geeigneten Kunststoffmaterial (Epoxydmaterial oder dergleichen) oder in einem faserigen zementhaltigen Material, wie z. B. Faserzement oder Faserbeton.

Der innere Tunnelraum des fertiggestellten Induktors, d.h. der Induktionsspule, ist mit der festgelegten (vorgeschriebenen) Anzahl geeigneter Führungskanäle versehen, die durch eine mehrfach genutete Platte aus feuerfestem Material oder eine Mehrlochmuffel vorgesehen sein kann, aber in diesem Fall die Anzahl der Keramikrohre 3 zum Transportieren der Drähte einzeln durch die Induktionsspule bzw. Induktoranordnung umfaßt.

Zwischen den Keramikrohren und den Kupferwicklungen kann auch eine extra wärmeisolierende Isolations- bzw. Grenzschicht angeordnet werden, z. B..eine Glimmerschicht, ein feuerfester Faserfilz oder dergleichen, um den Wärmeverlust der Drähte zu · den Wicklungen weiter herabzusetzen. Diese Schicht erhöht auch die Sicherheit der Anordnung für den Fall eines zufälligen oder unfallbedingten Brechens einer rohrförmigen Führung und schaltet das Risiko eines direkten Kontakts zwischen Draht und Spule aus.

Die in den flachen rechteckförmigen Induktorkanal eingefügten Keramikrohre (wobei die Kanalhöhe nur wenige Millimeter größer als der Rohrdurchmesser ist) sind am Spuleneingang und -ausgang durch geeignete Klemmeinrichtungen befestigt. Wenn die gesamte Heizlänge aus einer Anzahl getrennter benachbarter Spulenmodulen zusammengesetzt ist, können die Keramikrohre entweder fortlaufend über die gesamten Heizpfade bzw. -bahnen sein oder sie können sich lediglich über die Länge eines Spulenblocks erstrecken und dann in Reihe mit den nachfolgenden Modulen durch geeignete Flansche verbunden sein.

Der Vorteil der letzteren Anordnung beruht auf der Tatsache, daß ein gebrochenes Rohr und/oder ein defektes Spulenmodul schnell entfernt und durch ein neues Bauteil ersetzt werden kann.

Fig. 5 zeigt eine detailliertere Ansteht einer Induktionsanordnung mit einer fortlaufenden Spulenlänge, die in zwei seriell angeschlossene Spulenabschnitte unterteilt ist, die entgegengesetzte Wicklungsneigungsrichtungen besitzen (Änderung der Wicklungsrichtung in der Spulenmitte 8). Beidiesem Ausführungsbeispiel sind die Spulenwicklungen aus einem Kupferstreifen 5 hergestellt, der ein aufgelötetes Kühlrohr 6 trägt, das im aufgefalteten Querschnitt der Fig. 5 b mehr im einzelnen gezeigt ist. Diese Spule hat eine Länge von etwa 2,4m und umfaßt 37 Windungen eines Kupferstreifens von 2mm x 55mm. Die Spuleninnenhöheist20 bis 22mm und in den Induktorkanal mit einer Breite von weniger als 60cm können 36 Keramikrohre mit einem Außendurchmesser von 15 mm und einer Dicke von 2 mm eingepaßt werden. Dies bedeutet, daß in diesem Fall der Drahtabstand nahe 15 mm ist. Wenn kleinere Rohre verwendet werden, kann der Drahtabstand noch herabgesetzt werden, um den Induktionsspulen-Füllfaktor zu erhöhen. Bei einem Produktionsstrang hingegen wird der minimale erreichbare Abstand auch von praktischen Erwägungen abhängen, wie z. B. der Schwierigkeit, die Drähte durch sehr kleine Löcher zu ziehen, was zu Drahtbrüchen führen kann, der Verfügbarkeit von Keramikrohren mit kleinem Durchmesser, der Möglichkeit einer Verwicklung der Drähte, etc. Wenn der Induktionsheizschritt in einen Drahtverarbeitungsstrang integriert wird, kann der tatsächliche Drahtabstand bzw. -Zwischenraum auch durch den minimalen erreichbaren Zwischenraum beim Verarbeitungsschritt vor oder nach dem Erwärmungsschritt bestimmt sein

In Fig.6 ist ein Mehrdraht-Induktionsheizstrang schematisch dargestellt, der eine Folge separater Spulenblöcke 1' umfaßt, die

hergestellt (36 Windungen von etwa 10 mm Breite), wie in Fig. 6a gezeigt ist. Die Leiterwicklungen sind von den Keramikrohren mittels einer wärmebeständigen isolierenden Schicht 10 von einigen Millimetern Dicke getrennt. In Fig. 6 b sind die Spulenblöcke T parallel zur Stromversorgung mittels zweier paralleler Stromschienen 9 angeschlossen. Diese Anordnung ist sehr günstig, um die verwendbare Kapazität des Generators auf einem hohen Pegel zu halten (gegen die installierte Leistungskapazität), da ohmsche und induktive Spannungsverluste über Stromschienen und Heizspulen im Vergleich zu seriell angeschlossenen Spulenblöcken niedrig gehalten werden können, die beträchtlich längere Stromversorgungsleitungen aufweisen. · In Fig.7 a ist die Abhängigkeit der relativen magnetischen Permeabilität /z_r von der angelegten Feldstärke H veranschaulicht, wobei die Darstellung auf magnetischen Messungen beruht, die an verschiedenen Eisendrahttypen ausgeführt worden sind (das Band A bezieht sich auf nichtlegierte Stahldrähte mit niedrigem und hohem Kohlenstoffgehalt, die Kurve B bezieht sich auf ferritischen Stahldraht mit hohem Chromgehalt). Der ausgewählte Arbeitsbereich entspricht /x_r-Werten oberhalb 40 bis 50, vorzugsweise oberhalb 80 und besonders bevorzugt aus dem Bereich von 100 bis 200. Um diese Bedingungen zu erreichen, sind die Spulenkonfiguration (Windungen pro m) und der Erregerstrom angepaßt, um einen breiten Arbeitsbereich von 3000 bis 35000 A/m, vorzugsweise von 5000 bis 20000 A/m zu überdecken.

Es sei festgestellt, daß bei ^-Werten oberhalb von 200 die rasche Veränderung von μ, bei einer Änderung von H zu ungewünschten Schwankungen bei den Arbeitsbedingungen führen kann.

Diese Näherung weicht beträchtlich von dem Arbeitsbereich dicht oder jenseits der Sättigungsmagnetisierung Hs ab (μ_Γ weit unter 40 und gewöhnlich um 10 bis 20), der der normale Bereich des herkömmlichen Verfahrens der induktiven Erwärmung ist, wie in Fig.7 b gezeigt ist.

Bei Verwendung der flachen Mehrdrahtspulen und bei Anwendung der vorbeschriebenen Erregerbedingungen sind Spulenwirkungsgrade von 60 bis 90% (entsprechend dem Drahtdurchmesser) erreichbar, gewöhnlich von 70 bis 85% für den Drahtdurchmesserbereich von 0,75 bis 2mm bei Generatorfrequenzen von 8000 bis 25000Hz. Die gesamten tatsächlichen untersuchten Energiewirkungsgrade (die auch vom tatsächlichen Wirkungsgrad des Generators und seinem Wirkungsgrad gegen die Lastkurve abhängen) überschritten in sämtlichen Fällen 50%, und in der Mehrzahl praktischer Verfahrenssituationen erstreckte sich der Bereich des gesamten Energiewirkungsgrades des Systems von 60 bis 75%. Dies sind überraschend hohe Werte für die betrachteten Drahtdurchmesser.

In Fig. 8 sind verschiedene Heizspulenanordnungen zum Herabsetzen des Spannungsaufbaus gezeigt, bei denen entweder eine durchgehende lange Spule in zumindest zwei Spulenabschnitte unterteilt ist, die in entgegengesetzter Richtung aufgewickelt sind (Fig. 8a), oder bei denen sich die gesamte Heizlänge aus einer veränderlichen Anzahl von in Reihe angeschlossenen einzelnen Spulenblöcken zusammensetzt (8 b bise), die entweder in entgegengesetzten Richtungen aufgewickelt sind und dieselbe augenblickliche bzw. gleichzeitige Stromflußrichtung haben (Fig. 8b), oder an die Versorgung auf solche Weise angeschlossen sind, daß die Stromflußrichtung in einigen Spulenblöcken umgekehrt ist (Fig.8c bis e). Der Spulenblock kann auch in Termen der Wicklungsrichtung umgekehrt sein. In Fig. 8 ist die Stromrichtung in jedem Augenblick durch einen Pfeil i veranschaulicht.

Eine andere Anordnung ist in Fig. 9 dargestellt, die eine Induktionsheizeinrichtung zeigt, die in eine Anzahl von Spulenabschnitten oder in einzelne Spulenmodulen unterteilt ist, die parallel an die Versorgung angeschlossen sind und wodurch der Spannungsaufbau längs der Drähte entweder durch Umkehr der Stromrichtung oder der Spulenwicklungsrichtung oder beides herabgesetzt ist.

In den Fig. 9a und 9 b ist eine Spule gezeigt, die in zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei mit dem Zentrum der Abgriff zur Versorgung ist und die Abschnitte entweder mit denselben Wicklungen (Fig. 9 a) oder mit entgegengesetzten Wicklungen (Fig. 9 b) versehen sind. Der Pfeil i zeigt die augenblickliche Richtung des Stroms. Beim Konzept des modularen Blockaufbaus (Fig. 9c, dunde) kann die Stromrichtung von Block zu Block geändert werden (Fig.9c) oder von einer Blockanordnung zu einer Blockanordnung (Fig.9d) und dieselbe Spulenblockwicklungsrichtung beibehalten werden, öderes können sowohl die Wicklungs-als auch die Stromrichtung geändert werden, wie in Fig. 9 e gezeigt ist, wo ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht ist, bei dem die Stromfluß- und Wicklungsrichtung jedesmal gleichzeitig zwischen zwei benachbarten Spulenblöcken umgekehrt werden.

Die bevorzugtesten Ausführungsbeispiele der in den Fig.8 und 9 gezeigten Beispiele sind die Mehrfachspulenanordnungen, bei denen die Spulenwicklungsrichtung und der Stromfluß gleichzeitig umgekehrt werden. Auf diese Weise werden Potentialunterschiede zwischen den Drähten und den geerdeten Installationsbauteilen wirksam auf vernachlässigbare Pegel (maximal 1 bis 5V) unterdrückt, und auch die lokalen Potentialunterschiede über die Heizlänge sind weitgehend herabgesetzt. Überdies bleiben sämtliche Amperewindungen der aufeinanderfolgenden Spulen aktiv, da die Umkehranordnung auch die negative Wechselwirkung zwischen benachbarten Spulen ausschließt, die sonst die effektive Heizkapazität des Heizstrangs bzw. der Heizleitung herabsetzt.

In Fig. 10 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Mehrfachspulen-Baublocks (parallel angeschlossen) gezeigt, das zusätzlich dadurch verbessert ist, daß die Stromversorgung mittels eines neuartigen Aufbaus des Stromschienenanschlusses bewirkt wird, der zwei parallele Leiterschienen mit geeigneter Form (z.B. U-oder L-Profil) bei dichtem Abstand (max. 2 mm) und durch eine dünne Isolierschicht getrennt, aufweist, beispielsweise in der Form einer 3-Lagen-Verbundschiene. Diese Anordnung der Stromversorgung ist aus dem Grunde überraschend nützlich, daß sie weitgehend die unerwünschte Abnahme in der verfügbaren Arbeitsspannung (Klemmenspannung des Generators gegen effektive Spannung über die Heizspulenanschlüsse) verhindert, was sie nicht nur durch Herabsetzen des Abstandes der Stromversorgung und des damit in Zusammenhang stehenden ohmschen Spannungsabfalls (durch Parallelanschließen an die Versorgung), sondern insbesondere durch Unterdrücken oder Kompensieren des induktiven Feldes (und damit in Zusammenhang stehenden Spannungsabfalls) längs der Stromversorgungsschienen und/oder zwischen der Versorgung und den Spulen bewirkt.

Das bevorzugte, in Fig. 10 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ein Induktionsheizstrang vom modularen Blockaufbaukonzept, der eine Folge von Mehrdrahtspulen 1' umfaßt, die parallel an die Versorgung angeschlossen sind (mit Stromumkehr zwischen den Spulen), was die Merkmale der verbesserten Stromschienenkonstruktion sind, die zwei parallele Leiter 11 mit U-Profil mit einer isolierenden Zwischenschicht 12 umfaßt. Ein zusätzlicher Vorteil der Stromschienenkonstruktion besteht darin, daß sie eine rasche und einfache Anbringung/Austausch der Standardspulenblöcke ermöglicht. In Fig. 11 sind zwei weitere Induktionsheizanordnungen veranschaulicht, mit denen die Ausführung spezieller hp7WPrkt ict In Fin 1 1 Ά IQt pin Hoi7Ctrann 71 im ΜοΪ7ΟΠ ι ir»H Tränen noToint Aar a'inan flwton Cq+i imn

Spulen vorzugsweise parallel am selben Generator angeschlossen sind. Die Impedanz Z2 ist geeignet, den erreichten Temperaturpegel nach einer raschen linearen Aufheizung mit den Spulen Z1 zu halten. Andere Temperaturprofile sind selbstverständlich möglich. In Fig. 11 b ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gezeigt, um eine Anzahl von Eisendrähten über den Curie-Punkt gleichzeitig aufzuheizen. Der Induktionsstrang ist jeweils aus einem Heizpfad mit mittlerer Frequenz (an einen Generator G1 angeschlossene Spulen C1) und aus einem Heizpfad mit hoher Frequenz (C2-G 2) aufgebaut.

Wie in den begleitenden Heizdiagrammen schematisch gezeigt ist, ist eine effektive induktive Erwärmung auf hohe Temperatur möglich (vorausgesetzt, daß der benötigte hohe Pegel der Generatorfrequenz angelegt und mit ausreichender Leistung verfügbar ist), und ein Hauptteil der Gesamtheizung (bis zu etwa 760°C) tritt noch bei optimalem elektrischen Wirkungsgrad

Es ist des weiteren offensichtlich, daß die mit einzelnen Keramikrohrkanälen ausgestattete induktive Mehrdrahtheizvorrichtung die Verwendung jeglicher Schutzatmosphäre ermöglicht. Der Gasverbrauch kann aufgrund des damit verbundenen geringen .

Rohrdurchmessers und der entsprechend geringen Gasvolumina niedrig gehalten werden.

Die folgenden Beispiele werden die praktischen Vorteile und die vielseitige Verwendungsmöglichkeit der bevorzugten Mehrdraht-Heizvorrichtung und -verfahren weiter veranschaulichen.

Beispiel 1

Es wird eine Mehrfachdraht-Induktionsspule mit einer Gesamtlänge von 4,6 m für die gleichzeitige Erwärmung von 36 Stahldrähten mit einem Durchmesser von 1,20 mm verwendet. Die Induktionsanordnung (Induktor; gleicher Typ wie in Fig. 5 gezeigt) wird aus einem Kupferstreifen von 100 χ 2 mm aufgewickelt (durch ein auf die Außenfläche der Streifenwicklungen aufgelötetes Kupferrohr von 10 mm Durchmesser wassergekühlt), wobei ein innerer Induktionskanal mit einem flachen rechteckförmigen Querschnitt von 22 mm (Höhe) χ 560 mm (Breite) umschlossen wird. Er enthält 36 Keramikrohre (in ebenem parallelen Muster), um jeden Draht einzeln zu führen. Die Spule ist in zwei Spulenabschnitte von jeweils 17 Wicklungen aufgeteilt, die jeweils rechtsgängige und linksgängige Wicklungen sind. An die Spule ist ein Generator mit 200 kW und 10 kHz angeschlossen. Sämtliche Drähte können gleichmäßig auf eine Temperatur bis zu 700°C und mit Geschwindigkeiten bis zu 50 m pro Minute und höher aufgeheizt werden. Bei einem praktischen Beispiel wurde die Mehrdraht-Induktionsheizeinrichtung im Strang mit einer Anlage für ein Drahtpatentierungs- bzw. -bleihärtungs- und -elektrogalvanisierverfahren verwendet, um einen Thermodiffusionsschritt auf kupfer- und zinkbeschichtetem Stahldraht mit einer einheitlichen Stranggeschwindigkeit von etwa 40 m pro min auszuführen

Die Heizbedingungen waren folgende:

— induzierte Feldstärke: 14 bis 15 x 10³A/m

— relative magnetische Permeabilität: μ_Γ = 95-100

— Nettoenergieverlust in den Drähten: 7OkW

— Generatorwirkungsgrad: 90,2%

— Spulenwirkungsgrad: 65-72%

— Gesamtheizwirkungsgrad: 60-64%

— mittlere Drahttemperatur: 596X

— Standardabweichung*: 14°C

— maximale Potentialdifferenz in der Drahtlängsrichtung: 32V (Spuleneingang bis -ausgang)

— Spannungsabfall vom Draht zu geerdeten Führungsrollen: 26-29V.

* Standardabweichung: Streuung zwischen den Drähten in bezug auf ihre relative Position in der Heizspule und als Ergebnis geringer Veränderungen in der Drahtoberflächenfeuchtigkeit nach galvanischer Oberflächenbehandlung, Spülen und Trocknen.

Beispiel 2

Es wurde eine Mehrdrahtinduktionsheizvorrichtung konstruiert, um gleichzeitig 40 Eisendrähte bis zu einer Temperatur von 700°Czu behandeln. Die Vorrichtung umfaßt zwei Heizspulen mit einer Länge von 2,4m und einer Breite von 0,62m. Jede Spule besitzt 37 Wicklungen aus Kupfermassivstreifen mitAbmessungen von 55 x 2mm (versehen mit wassergekühltem Kupferrohr), die einen Induktionskanal von etwa 20mm Höhe bilden, in den 40 Keramikrohre (14mm Außendurchmesser, 10mm Innendurchmesser) eingeführt werden. Die einzelnen Spulen sind jeweils an einen Generator mit 80 kW-25 kHz angeschlossen. Die 37 Wicklungen sind in 18 rechtsgängige und 18 linksgängige Windungen unterteilt. Die Induktionsheizanlage wurde verwendet, um 40 Drähte mit einem Durchmesser von 0,7 bis 1,4mm bei einer Geschwindigkeit von 35 bis65m/minzu behandeln. Bei der Ausführung einerThermodiffusionsbehandlung auf zuvor mit einem galvanischen Überzug versehenen bzw. verkleideten und bleigehärteten bzw. patentierten Drähten waren die Arbeitsbedingungen wie folgt:

— Draht mit 0,70% C und 1,04mm Durchmesser; Durchsatzgeschwindigkeit 48m/min.

— angewendete Magnetfeldstärke: 8500 bis 9000 A/m

— relative magnetische Permeabilität μ_Γ des Drahtmaterials: 140-160

— Arbeitsfrequenz: 20600Hz Heizergebnisse:

— im Draht verlorene Heizleistung: 66kW (Generator 1+2)

— Heizspulenwirkungsgrad: 70-76%

— Gesamtheizwirkungsgrad: 58-67%

— mittlere Drahttemperatur: 585°C mittlere Streubreite (40 Drähte): s = 12,3°C

— max. Potentialdifferenz an Drähten zwischen Eingang und Ausgang der Heizspulen: 17V

— max. Spannungsabfall von den Drähten zu geerdeten Rolleneinrichtungen: 15,2V

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel ist die Nützlichkeit des Systems mit Mehrdraht-Induktionsheizung für das Tempern von Ölbad (martinsitischem) Stahldraht, insbesondere für einen Flachdraht mit einem Querschnitt von 5x1 mm veranschaulicht. Zu diesem Zweck wurde ein Induktionsbaublock mit einer Länge von 2 m konstruiert, der aus 4 Spulen von 0,50 m in Serie aufgebaut

Die Spulen waren an einem 40kW-Generator angeschlossen, der bei 25kHz arbeitet. Im Heizspulentunnel 10 waren Keramikkanäle mit rechteckförmigem Querschnitt 16 a 10 mm (Wanddicke 2 mm) so angeordnet, daß jeder der 10 flachen Drähte durch den entsprechenden Keramikkanal durchtrat. Die geformten Drähte wurden bei einer Temperatur von 480°C bei einer Geschwindigkeit von 10 bis 25 m/min getempert. Die mittlere Streuung der Drahttemperatur war kleiner als 10°C. Das System, das ein herkömmliches Bleitemperbad ersetzt, ist besonders vorteilhaft deshalb, weil es kompakt und sauber in Begriffen der Arbeitsumgebung ist, und zwar dahingehend, daß die Bleikontamination nicht vorhanden ist, die manchmal die Oberflächenqualität des Drahts beeinträchtigt, und daß der Gesamtenergieverbrauch deutlich niedriger ist, d. h. vernachlässigbarer Wärmeverlust an die Umgebung; kompaktes System mit null Wärmeinhalt, keine Hilfsheizung, etc. Um die vielseitige Verwendungsmöglichkeit der mit flachen rohrförmigen Keramikführungen versehenen Mehrdrahtspule zu demonstrieren, wurde sie für eine gleichzeitige Aufheizung einer Anzahl von Mehrdrahtbändern und -streifen getestet, wobei jedes Band 10 parallele Drähte mit 0,5mm umfaßt, die durch eine Klebstoffmasse zusammengehalten sind. Der Test enthüllte, daß es in perfekter Weise möglich war, die Verbunddraht-Bänder bei einer konstanten Temperatur (200-300⁰C) und bei erhöhten Geschwindigkeiten bis zu 300 m/min zu trocknen und auszuhärten. Der Energiewirkungsgrad betrug bis zu 55-70% (Spulenwirkungsgrad bis zu 80%) entsprechend Generatortyp und Lastfaktor.

Beispiel 4

Bei diesem Beispiel wurde die vielfache Verwendungsmöglichkeit von Mehrdraht-Heizspulen in bezug auf verschiedene Heizanwendungsfälle veranschaulicht. Es wurden verschiedene Spulenwicklungsmaterialien verwendet, um die gewünschten Mehrdraht-Heizspulen herzustellen.

In einer ersten Testserie wurde eine 10 Draht-Induktionsheizvorrichtung mit einer oder mehreren Heizspulen mit einer Gesamtheitslänge im Bereich von 1 bis 2 m versehen. Es wurden Stahldrähte mit einem.Durchmesser von 0,5 bis 2 mm auf verschiedene Temperaturpegel unterhalb von 750°C aufgeheizt. Die Drahtdurchsatzgeschwindigkeit wurde von 20 bis 100 m/ min variiert.

Es wurden zwei Generatortypen verwendet: Eine Vorrichtung mit 40kW-25kHz und eine Vorrichtung mit 8OkW-IOkHz.

Die innere Spulenhöhe war 22 mm, gefüllt mit einer Reihe von Keramikrohren mit einem Durchmesser von 15 mm.

Unter den getesteten Spulenwicklungen waren: massiver Kupferstreifen (20 x 2mm), geschichtete Kupferfolie (10 Lagen mit 20 χ 0,2mm), Kupferkabel (7 χ 4 χ 0,30mm), Kupferstreifen (55 χ 2mm) mit äußerem Kühlrohrund abgeflachtes Kupferrohr (10 x 6mm). Die Volumenleistungsdichte Q (in den Drähten verlorene Gesamtwärme, dividiert durch die Anzahl von Drähten, Spulenlänge und Drahtquerschnitt) wurde von 0,3 bis 3kW/m/mm² variiert, und die tatsächlichen Heizwirkungsgrade wurden verglichen, berechnet aus durch die Hauptleitungen zugeführter Energie und der Menge der Spulenverluste und Generatorverluste (gemessen durch Bestimmung des Wärmegehalts von Kühlwasser).

Die allgemeinen Schlußfolgerungen aus den Tests sind wie folgt:

— die Mehrdraht-Induktionsheizspulen ermöglichten es, eine rasche Erwärmung mittlerer bis kleiner Drahtdurchmesser mit ziemlich gutem Gesamtenergiewirkungsgrad durchzuführen. Entsprechend dem Drahtdurchmesser, der Geschwindigkeit (angewendete Energiedichte) und dem Generatortyp erstrecken sich die Gesamtwirkungsgrade von 50 bis 75%.

— Die Spulenwirkungsgrade sind höher als 65% und liegen meistens im Bereich von 70 bis zu 85% (niedrigster Wert für höchste Energiedichte von 3 kW/m/mm²).

— Für höchste Drahtgeschwindigkeiten verbesserte Spulenkonstruktionen (optimale Länge und Wicklungszahl pro m, um optimale Energiedichte-Bedingungen zu gestatten) gestatten es, den Spulenwirkungsgrad um 5-15% zu erhöhen.

— Der Generatortyp, insbesondere die Kurve des Generatorwirkungsgrads gegen den Lastfaktor aufgetragen, ist wichtig, um verbesserte „Gesamf'-Energiewirkungsgrade zu erzielen.

— Drahtgeschwindigkeiten im Bereich von 150-250 m/min sind perfekt aufrechtzuerhalten.

— Die max. Rate der Drahtgeschwindigkeit bei einer Mehrdraht-Induktionsheizung kann im Prinzip auf über 500 m/min erhöht werden (noch mit zufriedenstellendem Heizwirkungsgrad), wenn die gesamte Heizlänge eines modularen Induktionsbaublocks vergrößert wird, indem zusätzliche Spulenmodulen addiert werden, wobei sämtliche Spulen parallel an eine Stromquelle mit ausreichender Leistung angeschlossen werden (einen oder mehrere Generatoren).

Beispiel 5

Bei diesem Beispiel (es wird auch auf Fig. 8 und 9 Bezug genommen) wurde eine große Anzahl von Spulenanordnungen untersucht, um den axial induzierten Spannungsaufbau in den sich bewegenden Drähten zu steuern und zu kontrollieren. Es wurde eine Heizlänge von 4,5 bis 5 m gewählt und mit entweder kontinuierlichen Spulen, unterteilten Spulen oder modularen Spulenblöcken versehen (entweder seriell oder parallel an die Versorgung angeschlossen), wodurch die Wicklungsrichtung und/oder die Phase des Stroms geändert wurden. Das unerwartete Ergebnis dieser Untersuchungen war die Tatsache, daß die Stromflußrichtung im Spulenabschnitt oder Spulenblock eine vergleichsweise größere Wirkung und Bedeutung bei der Steuerung und Kompensierung der induzierten Spannung in der Drahtlängsrichtung als die Änderung in der magnetischen Flußrichtung bei Verwendung entgegengesetzter Wicklungen hat. In der Theorie sollten beide Maßnahmen dieselben Wirkungen haben. Wir beobachteten jedoch bei Aufprägen einer Stromrichtungsumkehr zwischen zwei Spulenabschnitten oder zwischen zwei benachbarten Spulenblöcken, daß die gesamte Heizkapazität zu einem signifikanten Ausmaß herabgesetzt wird.

Die bevorzugteste Anordnung, von der wir herausfanden, daß sie in der Praxis überraschend wirksam war, wenn eine Folge austauschbarer Spulenblöcke verwendet wird (parallel an die Versorgung angeschlossen), ist die gleichzeitige Umkehr sowohl der Stromflußrichtung als auch der Wicklungsrichtung

In nachfolgender Tabelle sind einige typische Ergebnisse angegeben:

Spulentyp (Gesamtlänge 4,5-5 m)

	-11- 243 511	B
Spannung		50-70V
A	24-29V
bis zu 80 V	14-16V
33 V	5-15V
20V
30-48V

) kontinuierliche Spule

) unterteilte Spule in links-und

rechtsgängig gewickelten Abschnitt

in Reihe an- <l 3) 2 unterteilte Spulen wie bei 2) geschlossen \ 4) 4Spulen: Änderung in Wicklungen

5) dasselbe wie 4) Umkehr mit einer

Stromumkehr 16-20V 1,9-9V

6) dasselbe wie 4); 3 Stromumkehrungen 12-16 V 1,8-2,5 V

7) 10 Spulenblöcke mit derselben parallel . J Wicklungsrichtung, Stromumkehr

angeschlossen | zwischen Spulen 5 und 6 20-30 V 2-5 V

8) Strom-und Wicklungsrichtungsum-

kehr in sämtlichen Spulen 2-9 V 0-1V

A = max. Potentialdifferenz über Heizlänge

B = tatsächliche gemessene Spannung zwischen beheizten Drähten, belassend den Induktor und die geerdete Wickelvorrichtung.

Es ist offensichtlich, daß für einen gegebenen Anwendungsfall viele Modifikationen möglich sind, wie z. B. bei der Wahl der geeignetsten Spulengeometrien, der Konstruktion des Induktionstunnels und der Anordnung des Arbeitsweges und dergleichen. Außerdem können Induktionsanordnungen, wie sie oben beschrieben wurden, mit geeigneten Temperatursensoren und geeigneten Stromregelvorrichtungen versehen werden, mit dem Ziel, die Werkstücke automatisch gesteuerten Heizprofilen auszusetzen, wie z. B. einem programmierten Heizplan.

Während die Ausführungsbeispiele bislang speziell dünne Drähte betrafen, können die Vorrichtungen und Verfahren für viel dickere Drähte, z.B. mit Durchmessern von 3 bis 6 mm oder mehr, sowie für eisenfreie Drähte verwendet werden, z.B. für Kupferdrähte, Drähte aus rostfreiem Stahl, oder für Drähte, die mit nicht kreisförmigem Querschnitt geformt sind. Außerdem ist eine Hochtemperaturbeheizung möglich—-z.B. über den Curie-Punkt hinaus, wenn Eisenmaterialien nichtmagnetisch werden. Die Induktionsanordnung und -frequenz sollten für jeden speziellen Zweck angepaßt werden.

Unter Betrachtung verschiedener Aspekte und Vorteile der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne daß deren breitere Aspekte begrenzt werden, gestattet die Vorrichtung das Erwärmen einer Anzahl von Elementen, wobei jedes Element demselben Heizprofil ausgesetzt wird, das sich entlang seiner Länge erstreckt, und es wird längs einer bestimmten, getrennten, isolierten Bahn durch die Vorrichtung geführt, wobei einzelne Bahnen in einer solchen Weise angeordnet sind, daß sie eine regelmäßige Anordnung gerader und paralleler Kanäle bilden, die im Innenraum einer gemeinsamen Induktionsanordnung enthalten sind und durch deren Wicklungen umhüllt sind.

Außer daß sie energieeffizient ist und in der Lage ist, eine gleichmäßige, wirksame und wirtschaftliche Aufheizung auf hohe Drahtgeschwindigkeiten und bis zu kleinen Drahtgrößen ermöglicht, gestattet die Vorrichtung identische Beheizung jedes einzelnen Drahtes auf ein anpaßbares Heizprofil, eliminiert die Notwendigkeit, den gesamten Strang im Fall eines zufälligen bzw. gelegentlichen Drahtbruchs anzuhalten (selbst bei erhöhten Drahtgeschwindigkeiten) und verhindert das Auftreten von Drahtoberflächendefekten, wie z. B. Kontakt- und/oder Funkenmarken.

Die bevorzugte Induktionsheizvorrichtung umfaßt geeignete Einrichtungen für die Zuführung und Erregung der Induktionsanordnung mit regelbarem Strom gewünschter Frequenz und umfaßt des weiteren geeignete Einrichtungen zum Befördern der Anzahl der Elemente mit derselben einstellbaren Geschhwindigkeitsratein Längsrichtung längs ihrer entsprechenden parallelen Arbeitspfade, die zu der (den) und durch die Heizspule(n) der Induktionsanordnung führen. Ausführlicher: Die Vorrichtung ist mit einer flach geformten Induktionsanordnung versehen, die aus einer oder mehreren Induktionsheizspulen besteht, die benachbart in der Drahtlängsrichtung angeordnet sind, wobei die Spulen einen Induktionsheiztunnel mit anpaßbarer Länge mit flachem rechteckförmigem Querschnitt bilden, der sämtliche Arbeitspfade bzw. -bahnen darin enthält. Die Arbeitspfade sind in einer oder mehreren horizontalen Reihen von eng mit Abstand angeordneten, isolierten Kanälen angeordnet, durch die die Metallelemente einzeln geführt werden und längs deren Länge die Elemente auf dieselbe festgelegte Temperatur gebracht werden.

Von einem anderen Aspekt her gesehen, umfaßt die bevorzugte Vorrichtung eine flachgeformte Induktionsvorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metalldrähten, mehr im einzelnen eine Mehrdraht-Induktionsanordnung zur gleichzeitigen Erwärmung einer Anzahl von Eisenmetalldrähten (beispielsweise auf eine Temperatur, die deren Curie-Punkt nicht überschreitet; ungefähr 750⁰C), wodurch die Drähte einzeln durch identische feuerfeste Kanäle geführt werden, die im Kanal der Induktionsanordnung vorzugsweise als einlagige Schicht angeordnet sind, wobei sich die Kanäle über die gesamte Länge der entsprechenden Heizspulen der Induktionsanordnung erstrecken. Gemäß einer speziellen Konstruktionsmöglichkeit für die Mehrdrahtspule können die Kanäle in der Form einer keramischen Mehrlochmuffel vorliegen, und besonders bevorzugt in der Form von getrennten (austauschbaren) Keramikrohren mit geeignetem Querschnitt, die als dicht gepackte einlagige Anordnung und durch die Spulenwicklungen fest bzw. dicht umhüllt angeordnet sind.

Von einem weiteren Aspekt her betrachtet ist durch die bevorzugte Vorrichtung ein verbessertes Induktionssystem zum gleichzeitigen Erwärmen einer Anzahl identischer Drähte mit hohem Energiewirkungsgrad (50% überschreitend) und erhöhter Drahtkapazität (gleichzeitiges Aufheizen von 40 oder noch mehr Drähten bei Geschwindigkeiten im Bereich von 10 bis mehr als 100m/min entsprechend Drahttyp und Verfahren) geschaffen worden. Der Induktionsstrang kann aus einer durchgehend gewickelten Spuleneinheit mit gewünschter Spulenlänge oder aus einer Anzahl getrennter Spulenmodulen (als austauschbare Blöcke) mit kürzerer Länge aufgebaut sein, die zusammen in Längsrichtung (in einem sogenannten Baubiockkonzept) und

bilden, und hierdurch progressive Leistungseingabe und wirksame Beheizung mit beliebiger gewünschter Rate gestattet und es weiterdurch Auswahl der optimalen Kombination von Spulenparametern und Erregerbedingungen (Stromdichte und Frequenz) ermöglicht, den Energiewirkungsgrad und den Drahtdurchsatz gut über die bekannter Verfahren für die Induktionsbeheizung von Drähten zu erhöhen. Die Spulen- oder Spulenmodul-Konstruktion kann in der Form eines integrierten vormontierten Baublocks ausgeführt werden, der sämtliche notwendigen elektrischen Kühlbefestigungen enthält und bei dem die isolierten Spulenwicklungen in einer elektrisch nicht leitenden Formmasse versteift sind oder "durch andere geeignete mechanische Einrichtungen versteift sind, um bei Betrieb eine konstante Höhe des flachen inneren Tunnels der Induktionsanordnung (Induktor) beizubehalten, in den eine Anzahl austauschbarer Keramikrohre eingepaßt ist, um die einzelnen Drähte in parallelen geraden Pfaden bzw. Bahnen vom Eingang zum Ausgang zu befördern. Die Rohre können sich hierbei ohne Unterbrechung über die gesamte Heizlänge erstrecken oder sind lediglich durchgehend je Spulenmodullänge und dann im Strang von einem Spulenblock zum anderen miteinander verbunden, um einen durchgehenden Drahtpfad zu schaffen.

Gemäß einem bevorzugten Merkmal ist eine spezielle Anordnung der Spulenwicklungen und des elektrischen Anschlusses von aufeinanderfolgenden Heizspulen an die Stromversorgung vorgesehen, um einen Spannungsaufbau längs der Länge der induktiv beheizten Drähte auf ein Minimum herabzusetzen und hierdurch eine mögliche Funkenbildung zwischen den Drähten und der Führung oder Aufnahmeelementen zu vermeiden.

Ein weiteres bevorzugtes Merkmal bezieht sich auf die Verbindung der Stromversorgung zwischen Generator und Arbeitsspulen, wobei diese Verbindung so aufgebaut ist, daß ohmsche Verluste und insbesondere Verluste induzierter Spannung wesentlich herabgesetzt sind, so daß die tatsächliche verfügbare Leistung (Verhältnis der Spulenarbeitsspannung zur Klemmentspannung des Generators) die höchstmögliche bleibt. Demgemäß ist eine Stromschienenverbindung mit Verbundaufbau vorgesehen worden, die zwei parallele Leiterprofile in sehr dichtem Abstand aufweist, wobei eine dünne Isolierschicht die Profile trennt und die Verbundstromschiene parallel zur Längsrichtung der Induktionsanordnung angeordnet ist. Diese Stromschiene und insbesondere in Verbindung mit den Induktionsspulen kann in anderen Zusammenhängen als hier offenbart verwendet werden.

Gemäß dem bevorzugten Verfahren ist ein verbessertes Verfahren zur induktiven Beheizung einer Anzahl von ferromagnetischen Metalldrähten, wie z.b. Kohlenstoffstahldrähten bereitgestellt worden. Die Verbesserung beruhtauf der wohl überlegten und zweckentsprechenden Auswahl der Spulengeometrie und der Spulenerregerbedingungen, wobei das aktive magnetische Feld unterhalb eines Pegels von 30 bis 35000Ä/m gehalten wird und die relative magnetische Permeabilität der beheizten Drähte einen Wert von 40-50 überschreitet, um Spulenverluste für einen gegebenen Drahtdurchmesserbereich auf ein Minimum herabzusetzen, ohne die Heizkapazität und den Drahtdurchsatz zu beeinträchtigen.

Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen sind zuverlässige und wirtschaftliche Verfahren geschaffen worden, sowie eine verbesserte Mehrdraht-Induktionsvorrichtung zur Verwendung bei der gleichförmigen Erwärmung einer Anzahl von Kohlenstoffstahldrähten mit Durchmessern von 0,3 bis 3mm bei erhöhten Bewegungsgeschwindigkeiten und mit hohen Wirkungsgraden, ohne daß die.Notwendigkeit besteht, den Strang im Fall eines zufälligen Drahtbruchs anzuhalten und ohne daß Defekte durch Funkenbildung verursacht werden.

Ein großer Vorteil eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit einer speziellen Konstruktion der Induktionsanordnung, einem flexiblen Spulenblockkonzept und einer verbesserten Erregeranordnung besteht in der Möglichkeit, eine kontaktfreie, rasche und wirtschaftliche Erwärmung von ferromagnetischen Stahldrähten mit hohen Raten auszuführen, wobei der Heizschritt separat oder kontinuierlich im Strang mit einer vorhergehenden oder nachfolgenden Drahtbehandlungsstufe ausgeführt werden kann (in Abhängigkeit von der Art des Drahtprozesses oder einer Mehrdraht-Verarbeitungsanlage). Dieser Schritt kann in der Geschwindigkeit so angepaßt werden, daß er mit der optimalen Verarbeitsgeschwindigkeit des gesamten Produktionsstrangs konsistent ist.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung somit die induktive Erwärmung dünner Stahldrähte (mit Durchmessern von beispielsweise 0,5 bis 3mm) bei kontinuierlichen Heizverfahren, wobei relativ niedrige Feldstärken von z. B. bis zu 20000 Am"¹ verwendet werden, aber so gewählt werden, daß die relative magnetische Permeabilität μ_ν auf 40 oder mehr eingestellt wird. Die Drähte werden durch Spulenblöcke durchgeführt, die flach um eine Reihe von Keramikrohren gewickelt sind, um die Drähte zu führen und zu isolieren. Die Spulenblöcke werden bei Frequenzen erregt, die gewöhnlich bis zu 30 kHz gehen. Die Wicklungsrichtung und/oder die Phase des Stroms wird zwischen benachbarten Spulenblöcken oder Blockgruppen geändert, um einen Spannungsaufbau längs der Drähte zu reduzieren.

Claims (49)

1. Erfindungsansprüche:

   1. Verfahren zur induktiven Erwärmung eines langgestreckten Stahlelements (W) in einer Induktionsspule (1), dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Feldstärke so eingestellt wird, daß die relative magnetische Permeabilität des Elements mindestens 40 ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relative magnetische Permeabilität mindestens 80 ist.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative magnetische Permeabilität im Bereich von 100 bis 200 liegt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (W) ein Draht mit einem Durchmesser bis zu 5 mm ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtdurchmesser im Bereich von 0,5 bis 3 mm liegt.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Feldstärke im Bereich von 3000 bis 35000Am'¹ liegt.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Feldstärke im Bereich von 5000 bis 20000Am"¹ liegt.
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Erregerstroms im Bereich von 5 bis 3OkHz liegt.
9. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der langgestreckten Stahlelemente (W) durch eine Induktionsspule (1) längs paralleler Bahnen in einem kontinuierlichen Prozeß bewegt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) einen annähernd flachen Querschnitt besitzt, in dem die Elemente (W) in einer Reihe angeordnet sind.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Reihe von Elementen (W) als ebene Anordnung vorgesehen wird, die dicht von den Spulenwicklungen (4) umhüllt ist.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (W) durch isolierende Führungen (3) geführt werden.
13. 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Element (W) durch zumindest zwei benachbarte Spulenlängen (T) durchgeführt wird, wobei die Richtung der Spulenwicklung und/oder der Phase des Erregerstroms zwischen den benachbarten Längen umgekehrt wird.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Richtung der Spulenwicklung als auch die Phase des Erregerstroms zwischen den benachbarten Spulenlängen (T) umgekehrt werden.
15. 15. Vorrichtung zur induktiven Erwärmung, mit einer Spule (1), in derein Element (W) angeordnet werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei benachbarte Spulenlängen (T) vorgesehen sind, wobei die Richtung der Spulenwicklungen und/oder der Phase des Erregerstroms zwischen benachbarten Längen umgekehrt sind.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Richtung der Spulenwicklung als auch die Phase des Erregerstroms zwischen benachbarten Längen (T) umgekehrt sind.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenlängen (T) an den Erregerstrom durch eine Stromschiene angeschlossen sind, die zwei parallele Leiter umfaßt, die um einen schmalen Abstand durch eine Isolierschicht getrennt sind und sich parallel zur Achse der Spulenlängen (T) erstrecken.
18. 18. Vorrichtung zur induktiven Erwärmung, mit einer Spule (T), in der eine Anzahl langgestreckter Elemente (W) anzuordnen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule einen annähernd flachen Querschnitt aufweist, in dem die Elemente in einer Reihe angeordnet werden sollen.
19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (3) vorgesehen sind, um eine einzelne Reihe von Elementen (W) als ebene Anordnung aufzunehmen, die dicht durch die Wicklungen (4) der Spule (1) umhüllt ist.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3) zur Aufnahme der Elemente (W) eine Anzahl paralleler Führungen aufweist.
21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen in der Form von Rohren vorliegen.
22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen (3) aus einem Isoliermaterial sind.
23. 23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (4) der Spule (1) im wesentlichen flach sind.
24. 24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (1) in Längen (T) Inderin einem der Ansprüche 15,16 oder 17 beanspruchten Art und Weise angeordnet sind.
25. 25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (2) vorgesehen sind, um die Spulen bei einer Frequenz im Bereich von 5 bis 30 kHz zu erregen, um eine Feldstärke im Bereich von 5 bis 2OkAm"¹ vorzusehen.
26. 26. Vorrichtung zur gleichzeitigen induktiven Erwärmung einer Anzahl langgestreckter Werkstücke auf eine annähernd ähnliche Temperatur über deren Länge, wobei die Werkstücke einen im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt über ihre jeweiligen Längen aufweisen, wobei die Vorrichtung Einrichtungen zum Befördern der Werkstücke mit derselben vorbestimmten einheitlichen Geschwindigkeitsrate in Längsrichtung längs einer Anzahl gleicher Arbeitsbahnen, eine Induktanz-Heizeinrichtung mit einer oder mehreren langgestreckten benachbarten Heizzonen, wobei jede der aufeinanderfolgenden Zonen ein Eingangs- und ein Ausgangsende besitzt und in Längsrichtung um die Anzahl der Arbeitsbahnen herum angeordnet ist, um eine lineare Heizbahn vorgeschriebener Länge zu bilden, und Einrichtungen zum Aktivieren der Induktanz-Heinzeinrichtung auf einen festgelegten einstellbaren Erregerpegel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizzonen der Induktanz-Heizzonen durch Mehrkanal-Induktanzspulen vorgesehen sind, deren elektrische Wicklungen die

    Anzahl der Arbeitsbahnen über jede Spulenlänge völlig umhüllen, und daß die Arbeitsbahnen im Innentunnel einer jeden · Spule enthalten sind, in der Form einer regelmäßigen Stapelung getrennter, dicht mit Abstand angeordneter Führungskanäle angeordnet sind, wodurch jedes Werkstück individuell und elektrisch isoliert längs seines jeweiligen Kanals befördert wird.
27. 27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsbahnen parallel sind und sich kontinuierlich in derselben annähernd linearen Richtung der Induktanzspule (m) erstrecken, und daß zumindest die in dem (den) entsprechenden Induktanzspulentunnel(n) enthaltenen Arbeitsbahnlängen elektrisch isolierende Kanäle sind.
28. 28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß^die parallelen Arbeitsbahnen in einer horizontalen Ebene angeordnet sind, die sich über die gesamte längsgerichtete Heizlänge der aufeinanderfolgenden Spulen erstreckt und darin eine Lage der isolierten Führungskanäle enthält, deren Länge vom Eingang bis zum Ausgang einer jeden individuellen Induktanzspule ununterbrochen ist oder sich alternativ kontinuierlich durch sämtliche Spulen erstrecken kann, die die gesamte Heizlänge bilden. ·
29. 29. Vorrichtung nach Anspruch 26,27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der im Induktanztunnel enthaltenen Arbeitsbahn in der Form einer monolithischen Konstruktion aus einem geeigneten hitzebeständigen und elektrisch isolierenden Material ist, wie z.B. einer mit Kanälen versehenen Keramikplatte oder einer feuerfesten Mehrlochmuffel, die die gewünschte Anzahl getrennter Führungskanäle aufweist.
30. 30. Vorrichtung nach Anspruch 26,27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskanäle getrennte, identische, in den Induktanztunnel eingeführte Keramikrohre aufweisen.
31. 31. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktanz-Heizeinrichtungen eine oder mehrere Heizspulen mit flacher Rechteckform aufweisen, die eine gleiche Anzahl von dichtgepackten Keramikrohren zur individuellen Führung der Drähte durch den Induktanztunnel dicht umschließen, wobei der Tunnel eine konstante Höhe und Querschnitt in der Induktanzlängsrichtung besitzt.
32. 32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche wärmeisolierende Schicht mit geeigneter Dicke zwischen den Spulenwicklungen und der ebenen Anordnung der Keramikrohre vorgesehen ist.
33. 33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch isolierte Spulenwicklungen aus Kupfer mit hoher Leitfähigkeit hergestellt sind, das aus einer Gruppe von Leitermaterialien ausgewählt worden ist, die Draht, Kabel, Streifen, dünne Mehrlagenstreifen, Kupferrohr und dergleichen umfassen, wobei die Leiter einen geeigneten Querschnitt zum Führen der benötigten Stromdichten und für die Formbarkeit zu flachen Spulen mit einer minimalen wirksamen Induktanzhöhe besitzen.
34. 34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen aus massivem Kupfer hergestellt sind und direkt in einem die äußere Pheripherie der Heizspule umschließenden Wassermantel gekühlt sind, deren innere Peripherie von dem Induktanztunnel durch eine geeignete Lage abgedichtet ist,
35. 35. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwicklungen aus einem Kupferstreifenleiter hergestellt sind, wobei längs der Außenfläche von dessen kontinuierlicher Wicklungslänge ein wassergekühltes Kupferrohr aufgelötet ist.
36. 36. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwicklungen aus einem wassergekühlten rohrförmigen Kupferleiter mit geeigneter Geometrie hergestellt sind, wie z. B. aus runden Rohren, abgeflachten runden Rohren, ovalförmigen Rohren und dergleichen, die in flache Wicklungen der gewünschten niedrigen Höhe formbar sind.
37. 37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwicklungen und die damit verbundene Induktorhöhe dimensionsmäßig entweder durch eine geeignete mechanische Befestigungseinrichtung oder dadurch stabilisiert sind, daß die Spule mit einem steifen aufgeformten Mantel aus geformtem Kunststoff, einem faserigen zementhaltigen Material oder dergleichen versehen ist.
38. 38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheizlänge eine Anzahl individueller Spulenblöcke aufweist, die entweder in Reihe oder parallel an die Versorgung angeschlossen sind oder in zwei oder mehr Gruppen von einem oder mehreren Spulenblöcken mit einer getrennten Stromversorgung pro Gruppe angeschlossen sind, wodurch die Spulenblöcke jeder Gruppe in Reihe oder parallel an ihre entsprechende Stromversorgung angeschlossen werden können.
39. 39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine geeignete Einrichtung aufweist, um einen übermäßigen Spannungsaufbau in der Längsrichtung der induktiv erwärmten Werkstücke zu verhindern.
40. 40. Spulenvorrichtung zur induktiven Erwärmung zum Erwärmen einer Anzahl von Eisendrähten, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Induktanzlänge in einzelne Spulenabschnitte aufgeteilt ist oder als getrennte Spulenblöcke ausgebildet ist, von denen einige entweder entgegengesetzte Wicklungswinkel und/oder Wicklungsrichtungen aufweisen, oder dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Induktanzlänge in Spulenabschnitte aufgeteilt ist, die miteinander und mit der Versorgung auf solche Weise verbunden sind, daß die Richtung des Stromflusses in einigen der Spulenabschnitte umgekehrt ist, um das Auftreten eines Spannungsaufbaus längs der Drähte herabzusetzen oder zu unterdrücken.
41. 41. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenwicklungsrichtung und die Stromflußrichtung gleichzeitig zwischen zwei benachbarten Spulenabschnitten oder -blöcken umgekehrt sind, um längsgerichtete Potentialunterschiede auf im wesentlichen harmlose Pegel herabzusetzen und gleichzeitig das magnetische Feld in einer identischen Richtung über die gesamte Heizlänge beizubehalten.
42. 42. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sequenz identischer Heizspulenblöcke mit kurzer Länge vorgesehen ist, die eine Gesamtheizzone der benötigten Länge bilden, und die Spulenblöcke parallel an ihre entsprechenden

    Energieversorgungen angeschlossen sind, wobei die Stromflußrichtung und die Spulenwicklungsrichtung jedesmal gleichzeitig zwischen zwei benachbarten Spulenblöcken geändert werden, und weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Stromversorgung mittels einer Stromschienenverbindung mit niedrigem induktivem Spannungsabfall vorgesehen ist, die zwei parallele Leiterstäbe oder-profile aufweist, die durch eine dünne Isolierschicht von nicht mehr als 2 mm Dicke getrennt sind.
43. 43. Verfahren zur gleichzeitigen induktiven Beheizung einer Anzahl von Eisendrähten auf eine annähernd gleiche Temperatur, die sich über deren gesamte Länge erstreckt, gekennzeichnet durch die Schritte, daß

    a) eine Anzahl paralleler längsgerichteter Arbeitsbahnen in einem gemeinsamen Induktanztunnel vorgesehen wird, die dicht mit Abstand und elektrisch voneinander isoliert sind und sich in derselben linearen Richtung erstrecken;

    b) eine oder mehrere Mehrfachwindungs-Induktanzspulen vorgesehen werden, die nacheinander mit ihrem jeweiligem Eingang und Ausgang und im Strang angeordnet sind, und deren Spulenwicklungen koaxial um die Anzahl der Arbeitsbahnen angeordnet sind;

    c) die einzelnen Drähte in Längsrichtung längs jeder Arbeitsbahn mit einer vorbestimmten konstanten Geschwindigkeitsrate zu und durch die Induktanzspulen zugeführt werden und

    d) die Induktionsspulen bis zu einem vorgewählten Erregungspegel erregt werden, wenn die Drähte durch die Induktanzspulen hindurchtreten, wobei die Stromfrequenz im Bereich von einigen tausend bis mehr als 50000Hz, vorzugsweise von 5000 bis 30000Hzfür Drähte von 0,5 bis 3mm Durchmesser liegt.
44. 44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Drähte längs paralleler Arbeitsbahnen in einer horizontalen Ebene bewegen, wobei die Arbeitsbahnen durch eine dichte einlagige ebene Stapelung von Keramikrohren gebildet werden, die einen flachen, im wesentlichen rechteckförmigen Mehrdraht-Induktanztunnel bilden, der durch die Spulenwicklungen der entsprechenden Heizspulen umgeben ist.
45. 45. Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Heizspulen (in Reihe oder parallel) an die Stromversorgung eines Frequenzgenerators mit ausreichender Leistung angeschlossen wird oder alternativ gruppiert und an einen getrennten Generator für jede Gruppe angeschlossen wird.
46. 46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Heizspulen in der Impedanz angepaßt werden und an die Stromversorgung oder -Versorgungen auf solche Weise angeschlossen werden, daß sie ein Heizprofil über deren Länge erzeugen, das eine erste Stufe mit einem im wesentlichen linearen Anstieg auf ein voreingestelltes Temperaturniveau und eine zweite Stufe mit gesteuertem Halten auf der Temperatur aufweist.
47. 47. Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination der Induktanzspulenkonstruktion und der Erregerbedingungen so eingestellt wird, daß die relative magnetische Permeabilität der Drähte auf einem Pegel von nicht mehr als 50, vorzugsweise oberhalb 80 und besonders bevorzugt im Bereich von 80-100 bis 150-200.beizubehalten.
48. 48. Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß das angelegte erregende magnetische Feld in einem Bereich von 3000 bis 35000 Amperewindungen pro -Meter ausgewählt wird, vorzugsweise von 5000 bis 200Ö0A/m.
49. 49. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte zuerst durch einen Strom mittlerer Frequenz von 5000 bis 50000 Hz auf eine Temperatur gerade unterhalb des Curie-Punkts aufgeheizt werden und daß die Drahte anschließend in der Temperatur unter Verwendung einer zweiten Mehrdraht-Induktanzspule im Einklang angeboten werden, die an einen Hochfrequenzgenerator mit mindestens 50000Hz angeschlossen ist.