DE10158507A1 - Protective device for an induction coil for heating metal blocks comprises a protective tube made of a fire-proof, fiber-reinforced ceramic material in the shape of the metal block which is inserted in the induction coil - Google Patents
Protective device for an induction coil for heating metal blocks comprises a protective tube made of a fire-proof, fiber-reinforced ceramic material in the shape of the metal block which is inserted in the induction coilInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine Induktionsspule zur Erwärmung von Metallblöcken unter Verwendung eines feuerfesten Werkstoffes sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schutzvorrichtung. The invention relates to a protective device for an induction coil for heating of metal blocks using a refractory material and method for the manufacture of such a protective device.
Metallblöcke, insbesondere Eisen- oder Stahlblöcke, werden in Gesenkschmieden vor ihrer Verformung durch Induktionsspulen erwärmt. Dabei muss zwischen der Induktionsspule und dem Eisen- oder Stahlblock eine deutliche Trennung bestehen, damit der bei einer Erwärmung des Blocks auf eine Temperatur im Bereich zwischen 1200°C und 1300°C entstehende Zunder keinen Kontakt mit der Induktionsspule bekommen kann, der zu Kurzschlüssen und damit zu einem Ausfall der Anlage führen würde. Metal blocks, especially iron or steel blocks, are found in drop forges their deformation heated by induction coils. It must be between the Induction coil and the iron or steel block, so there is a clear separation when the block is heated to a temperature in the range between 1200 ° C and the 1300 ° C scale that comes into contact with the induction coil can, which would lead to short circuits and thus to a failure of the system.
Um diesen Kontakt auszuschließen, wird die Induktionsspule, in der Regel eine wassergekühlte Kupferspule, mit einer Feuerfestmasse vollständig ausgeschmiert bzw. ausgekleidet. Diese Masse muss in einem langwierigen Vorgang sehr sorgfältig getrocknet werden, so dass die Reparatur einer solchen Induktionsspule einschließlich Auskleidung mit der Feuerfestmasse in der Regel mindestens vier Wochen dauert. To rule out this contact, the induction coil, usually one water-cooled copper coil, fully lubricated with a refractory compound or lined. This mass must be very carefully in a lengthy process be dried so that the repair of such an induction coil including Lining with the refractory mass usually takes at least four weeks.
Da es aufgrund der variierenden Form der Blöcke immer wieder zu Kontakten zwischen dem Block und der ausgekleideten Spule kommt, lassen sich im Laufe eines längeren Betriebs die erwähnten Kurzschlüsse nicht vermeiden, die wiederum eine Reparatur der Einheit aus Induktionsspule und Feuerfestmasse bedingen. Wegen der erwähnten Reparaturdauer von etwa vier Wochen muss man sich solche Einheiten aus Induktionsspule und Feuerfestmasse auf Vorrat halten, damit die Produktion problemlos weiterlaufen kann. Because of the varying shape of the blocks, there are always contacts between the block and the lined coil comes out over a longer period Operating do not avoid the short circuits mentioned, which in turn require repair of the Require unit from induction coil and refractory mass. Because of the mentioned Such a unit needs to be repaired for about four weeks Keep induction coil and refractory mass in stock so that production runs smoothly can continue to run.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass der Ersatz der Auskleidung der Spule in der Regel nicht vor Ort, sondern nur bei den Spulenherstellern durchgeführt wird, d. h. die Induktionsspule muss zum Hersteller zurückgeschickt und dort erneut ausgekleidet werden. Der dadurch entstehende Kostenaufwand ist ebenfalls beträchtlich. Another disadvantage is that the replacement of the coil's lining is usually is not carried out on site, but only at the coil manufacturers, d. H. the Induction coil must be sent back to the manufacturer and lined there again become. The resulting cost is also significant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll eine Schutzvorrichtung vorgeschlagen werden, die in der Fertigung einfacher und weniger zeitaufwendig ist und sich deshalb problemlos ersetzen lässt. The invention has for its object a protective device of the specified To create genus in which the disadvantages mentioned above do not occur. In particular A protective device is to be proposed which is simpler and easier to manufacture is less time-consuming and can therefore be easily replaced.
Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. This is achieved by the features of claim 1.
Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die zugehörigen Unteransprüche definiert. Appropriate embodiments are defined by the associated subclaims Are defined.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schutzvorrichtung zu schaffen, die sich leicht, auch in Massenfertigung, herstellen und problemlos austauschen lässt. The invention is also based on the object of a method for producing a to create such a protective device that is easy, even in mass production, manufacture and can be easily replaced.
Dies wird durch die Merkmale des Anspruchs 9 erreicht. This is achieved by the features of claim 9.
Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die zugehörigen Unteransprüche definiert. Appropriate embodiments are defined by the associated subclaims Are defined.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, dass sich in einem Massenfertigungsverfahren und damit relativ preisgünstig ein Schutzrohr für die Induktionsschule herstellen lässt, das man beispielsweise auf Vorrat in einer Gesenkschmiede halten kann. Der Austausch dieses Schutzrohrs gegen ein defektes Schutzrohr ist problemlos möglich, so dass die hierzu erforderliche Betriebsunterbrechung vernachlässigbar ist. So wurde bei ersten Untersuchungen festgestellt, dass man den Austausch eines beschädigten Schutzrohrs gegen ein neues, intaktes Schutzrohrs vor Ort, also ohne Zurücksendung zum Hersteller, innerhalb von etwa 15 bis etwa 30 min vornehmen kann. Diese Zeitspanne lässt sich nach Erfahrungen mit dieser neuen Technologie sicher noch verringern. The advantages achieved with the invention are based on the fact that in one Mass production process and therefore a relatively inexpensive protective tube for the Induction school can be made, for example, in stock in one Drop forge can hold. The exchange of this protective tube for a defective one Protective tube is easily possible, so that the necessary Business interruption is negligible. So it was with the first investigations found that replacing a damaged thermowell with a new one intact protective tube on site, i.e. without returning it to the manufacturer, within can take about 15 to about 30 minutes. This period can be based on experience decrease with this new technology.
Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die Herstellung des Schutzrohrs, die jedoch, wie erwähnt, unabhängig von der Induktionsspule ist, so dass nur eine ausreichende Zahl von Schutzrohren, die gegebenenfalls auf Vorrat gefertigt werden können, zur Verfügung stehen muss. The speed-determining step is the manufacture of the protective tube, which, however, as mentioned, is independent of the induction coil, so only a sufficient number of protective tubes, which can be manufactured if necessary must stand.
Ein weiterer Vorteil dieses Schutzrohrs aus faserverstärkter Keramik liegt darin, dass man solche Schutzrohre mit einer sehr viel geringeren Wandstärke herstellen kann als die Auskleidung der Induktionsspule mit der bisher üblichen Feuerfestmasse. Dadurch ergibt sich eine Intensivierung der Wirkung der Induktionsspule, die bisher durch die dicke Auskleidung stark abgeschirmt wurde, so dass die Blöcke sehr viel schneller auf die für die Verarbeitung, z. B. das Schmieden erforderliche Temperatur gebracht werden können und sich damit die Produktionsrate um beinahe 25% steigern lässt. Another advantage of this protective tube made of fiber-reinforced ceramic is that you can manufacture such protective tubes with a much smaller wall thickness than that Lining the induction coil with the usual refractory compound. This gives an intensification of the effect of the induction coil, which was previously caused by the thick Lining has been heavily shielded so that the blocks move on much faster the processing, e.g. B. the forging required temperature can be brought and thus the production rate can be increased by almost 25%.
Auch der erzielte Kostenvorteil ist beträchtlich, da die Kosten für ein in Massenfertigung hergestelltes Schutzrohr nur etwa ein Drittel der Kosten für eine durch den Hersteller reparierte und ausgekleidete Induktionsspule betragen. The cost advantage achieved is also considerable since the cost of a mass production protection tube manufactured only about a third of the cost of one by the manufacturer repaired and lined induction coil.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das aus faserverstärkter Keramik bestehende Schutzrohr mit einem hochtemperaturfesten Band, insbesondere einem Gewebeband auf der Basis von SiO2, AbO3 und Na2O umwickelt, so dass es selbst bei Rissen im Keramikrohr bei entstehendem Zunder zu keiner Berührung zwischen dem geerdeten Käfigrohr/Metallblock und der Induktionsspule kommen kann. According to a preferred embodiment, the protective tube made of fiber-reinforced ceramic is wrapped with a high-temperature-resistant tape, in particular a fabric tape based on SiO 2 , AbO 3 and Na 2 O, so that even if there are cracks in the ceramic tube, no scale will come into contact with the scale grounded cage tube / metal block and the induction coil can come.
Durch Druckversuche wurde festgestellt, dass der Verbund aus dem faserverstärkten, keramischen Werkstoff durch thermische Einflüsse Haarrisse bekommt, dass dieser Verbund jedoch trotz der Haarrisse nicht mehr auseinander fällt, wie es bei der Auskleidung mit einer Feuerfestmasse der Fall war, und zwar selbst dann nicht, wenn der Verbund im Druckversuch mechanisch belastet wird. Zwar reißt er in einem solchen Fall, fällt jedoch nicht mehr auseinander. Pressure tests have shown that the composite of fiber-reinforced, ceramic material due to thermal influences hair cracks that this However, despite the hairline cracks, composite no longer falls apart, as is the case with Lining with a refractory compound was the case, even if the Composite is mechanically loaded in the pressure test. In such a case, he tears, no longer falls apart.
Obwohl als Werkstoff für ein solches Schutzrohr im Prinzip jeder keramische Werkstoff in Frage kommt, wird nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Aluminiumsilikat verwendet, insbesondere der unter der Bezeichnung Mullit bekannte, hochtemperaturstabile Werkstoff, der aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid besteht. Mullit weist die beste Temperaturschockbeständigkeit unter den Oxidkeramiken sowie eine gute Temperaturstabilität und Korrosionsbeständigkeit auf und wird durch die Formel 3AbO3×2SiO2 definiert. Although in principle any ceramic material can be used as the material for such a protective tube, an aluminum silicate is used according to a preferred embodiment, in particular the high-temperature stable material known under the name mullite, which consists of aluminum oxide and silicon oxide. Mullite has the best thermal shock resistance among oxide ceramics as well as good thermal stability and corrosion resistance and is defined by the formula 3AbO 3 × 2SiO 2 .
Auch die Faserverstärkung des Schutzrohrs kann aus einem Aluminiumsilikat-Gewebe, insbesondere einem Mulit-Gewebe hergestellt sein. The fiber reinforcement of the protective tube can also be made from an aluminum silicate fabric, in particular a multi-fabric.
Sehr gute Ergebnisse wurden bei ersten Praxistests in einer Gesenkschmiede mit einem Schutzrohr erzielt, das durch Plasmaspritzen hergestellt wurde. Dabei wurde auf ein Kernwerkzeug mit einer der Innenfläche des Schutzrohrs entsprechenden Form eine Grundschicht aus Mullit durch ein Plasmaspritzverfahren aufgespritzt; anschließend wurde auf diese Grundschicht ein Fasergewebe aus Mullit aufgelegt, und schließlich wurde das Fasergewebe mit einer Deckschicht aus Mullit durch ein Plasmaspritzverfahren eingespritzt. Dann wurde das so gefertigte Schutzrohr nach dem Abkühlen von dem Kernwerkzeug abgezogen. Very good results were obtained in the first practical tests in a drop forge with a Protection tube achieved, which was produced by plasma spraying. It was on a Core tool with a shape corresponding to the inner surface of the protective tube Mullite base layer sprayed on by a plasma spraying process; subsequently a mullite fiber fabric was placed on this base layer, and finally was the fiber fabric with a top layer of mullite by a plasma spraying process injected. Then the thermowell thus made was cooled after cooling Core tool removed.
Wegen der auftretenden, hohen Temperaturen muss das Kernwerkzeug während des Spritzvorgangs gekühlt werden, wozu Wasserdampf besonders geeignet ist, der eine sehr hohe Temperaturstabilität ergibt. Because of the high temperatures that occur, the core tool must be Spraying cooled, which is particularly suitable for water vapor, which is a very results in high temperature stability.
Bei der Trennung des fertigen Schutzrohrs von dem Kernwerkzeug muss das Kernwerkzeug geschrumpft werden. Hierzu bietet sich ebenfalls die Kühlung des Kernwerkzeugs an, insbesondere mit einer Tieftemperaturflüssigkeit, wie beispielsweise flüssigem Stickstoff. When separating the finished protective tube from the core tool, this must be done Core tool can be shrunk. The cooling of the Core tool, especially with a low-temperature liquid, such as liquid nitrogen.
Verfahren zum Plasmaspritzen solcher Rohre mit verschiedenen, dem jeweils zu erwärmenden Metallblock angepassten Formen und Abmessungen stehen zur Verfügung, so dass auch die Massenfertigung solcher Schutzrohre keine Probleme bereitet. Process for plasma spraying such tubes with different, each to warming metal block customized shapes and dimensions are available so that the mass production of such protective tubes also poses no problems.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is described below with reference to exemplary embodiments explained in more detail on the accompanying schematic drawings. Show it:
Fig. 1 eine Ansicht einer Stirnfläche eines Induktionsofens mit der Induktionsspule, dem Schutzrohr und einem zu erwärmenden Metallblock; und Figure 1 is a view of an end face of an induction furnace with the induction coil, the protective tube and a metal block to be heated. and
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Schutzrohrs. Fig. 2 is a schematic representation of a method for producing a protective tube.
Fig. 1 zeigt einen allgemein durch das Bezugszeichen 10 angedeuteten Induktionsofen mit einer Induktionsspule 12, die aus einem Kupferrohr besteht, das von Wasser durchströmt wird. Fig. 1 shows a general direction indicated by the reference numeral 10. Induction furnace with an induction coil 12, which consists of a copper tube which is flowed through by water.
Mit diesem Induktionsofen 10 sollen Metallblöcke 14 mit rechteckigem Querschnitt, insbesondere Eisen- oder Stahlblöcke 14, erwärmt werden. Um jeden Kontakt zwischen dem durch den Induktionsofen 10 transportierten Metallblock 14 und der Induktionsspule 12 zu verhindern, ist in der Induktionsspule 12 ein Schutzrohr 16 aus einem faserverstärkten keramischen Werkstoff angeordnet, dessen Form an die Form des Metallblocks 14 angepasst ist. In dem dargestellten Beispiel hat also das Schutzrohr 16 ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt, wie man Fig. 1 entnehmen kann. This induction furnace 10 is intended to heat metal blocks 14 with a rectangular cross section, in particular iron or steel blocks 14 . Any contact between the transported through the induction furnace 10 metal block 14 and the induction coil to prevent 12, in the induction coil 12, a protective tube 16 is disposed a fiber-reinforced ceramic material, whose shape is adapted to the shape of the metal block fourteenth In the example shown, the protective tube 16 also has a rectangular cross section, as can be seen in FIG. 1.
Das Schutzrohr 16 ist durch einander gegenüberliegende Laschen 18 an dem Induktionsofen befestigt, nämlich mit der umlaufenden Stirnfläche des Induktionsrohrs 12 verschraubt. The protective tube 16 is fastened to the induction furnace by brackets 18 lying opposite one another, namely screwed to the circumferential end face of the induction tube 12 .
Am Boden des Schutzrohrs 16 gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind Käfigrohre 20 vorgesehen, die als Gleitschlitten für die Metallblöcke 14 dienen. Die Metallblöcke 14 liegen also auf diesen Käfigrohren 20 auf und werden durch nicht gezeigte Fördervorrichtungen durch das Schutzrohr 16 und damit durch die Induktionsspule 12 transportiert, wobei jeweils ein Block einer Folge von Blöcken den vor ihn befindlichen Block vor sich herschiebt. At the bottom of the protective tube 16 as shown in FIG. 1, cage tubes 20 are provided, which serve as sliding carriages for the metal blocks 14 . The metal blocks 14 thus rest on these cage tubes 20 and are transported by conveyor devices, not shown, through the protective tube 16 and thus through the induction coil 12 , one block of a sequence of blocks each pushing the block in front of it.
Das Schutzrohr 16 besteht aus einem keramischen Verbundwerkstoff aus einem Aluminiumsilikat, nämlich Mullit, in das ein Fasergewebe aus Mullit eingebettet ist. The protective tube 16 consists of a ceramic composite material made of an aluminum silicate, namely mullite, in which a fiber fabric made of mullite is embedded.
Das Schutzrohr 16 wird durch ein Plasmaspritzverfahren hergestellt, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist. Dieses Schutzrohr soll für zylindrische Metallblöcke verwendet werden, d. h., dieses Schutzrohr hat einen kreisförmigen Querschnitt, dessen Abmessungen an den Durchmesser des durchzuführenden, zylindrischen Metallblocks (nicht dargestellt) angepasst sind. The protective tube 16 is produced by a plasma spraying process, as can be seen in FIG. 2. This protective tube is to be used for cylindrical metal blocks, ie this protective tube has a circular cross section, the dimensions of which are adapted to the diameter of the cylindrical metal block to be carried out (not shown).
Die Anlage zur Herstellung dieses Schutzrohrs 16 mit kreisförmigem Querschnitt wird in der letzten Phase der Herstellung gezeigt. Dabei wird eine Anlage zum Plasmaspritzen von Keramiken verwendet, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich, einen Trichter für das oxidkeramische Mullit-Pulver, eine Rohrleitung für die Pulverzufuhr, eine Anode, eine Kathode und einen Plasmabrenner hat, die eine Plasmaflamme mit etwa 30.000°C erzeugen, die das oxidkeramische Mullit-Pulver aufspritzen. The system for producing this protective tube 16 with a circular cross section is shown in the last phase of the production. A system for plasma spraying of ceramics is used which, as can be seen in FIG. 2, has a funnel for the oxide-ceramic mullite powder, a pipeline for the powder supply, an anode, a cathode and a plasma torch, which has a plasma flame with approximately 30,000 ° C which spray the oxide ceramic mullite powder.
Dieses Verfahren beginnt mit einem Kernwerkzeug, das in diesem Beispiel ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt hat. Dieses Kernwerkzeug wird während des Spritzvorgangs mit Wasserdampf gekühlt. This process starts with a core tool, which is also in this example has a circular cross section. This core tool is used during the Spraying cooled with steam.
Auf das Kernwerkzeug wird durch die Anlage nach Fig. 2 Mullit aufgespritzt, wodurch eine Grundschicht entsteht. Mullite is sprayed onto the core tool by the system according to FIG. 2, whereby a base layer is formed.
Nach dem Abkühlen der Grundschicht wird ein Fasergewebe aus Mullit auf die plasmagespritzte Mullit-Grundschicht aufgelegt, und dann wird das Fasergewebe mit einer Deckschicht aus Mullit ebenfalls mit der Anlage nach Fig. 2 eingespritzt. After the base layer has cooled, a fiber fabric made of mullite is placed on the plasma-sprayed mullite base layer, and then the fiber fabric with a cover layer made of mullite is also injected with the system according to FIG. 2.
Nach dem Abkühlen des so hergestellten Mullit-Verbundkörpers wird das Kernwerkzeug mit flüssigem Stickstoff gekühlt, wodurch es schrumpft, so dass nun das Schutzrohr 16 von dem Kernwerkzeug abgezogen werden kann. After the mullite composite body thus produced has cooled, the core tool is cooled with liquid nitrogen, causing it to shrink, so that the protective tube 16 can now be removed from the core tool.
Anschließend wird das Schutzrohr mit einem hochtemperaturfesten Gewebeband auf der Basis von SiO2, Al2O3 und Na2O umwickelt. The protective tube is then wrapped with a high-temperature resistant fabric tape based on SiO 2 , Al 2 O 3 and Na 2 O.
Beim Ausfall eines Schutzrohrs 16 in einem Induktionsofen 10 muss nur die Schraubbefestigung für das Schutzrohr 16 gelöst werden, und dann kann das defekte Schutzrohr 16 gegen ein neues Schutzrohr 16 ausgetauscht werden. Das neue Schutzrohr wird wieder festgeschraubt, und dann steht der Induktionsofen 10 wieder für die Produktion zur Verfügung. Only the screw fastening to be achieved for the protective pipe 16 in case of failure of a protective tube 16 in an induction furnace 10, and then the defective protection tube 16 with a new protective tube 16 to be replaced. The new protective tube is screwed back on, and then the induction furnace 10 is again available for production.
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