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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
weiterer Nachteil liegt darin, dass der Ersatz der Auskleidung 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.
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Aus
der
GB 8 39 343 ist eine
Schutzvorrichtung für
eine Induktionsspule bekannt, bei der die Induktionsspule mit Wicklungen
in ein gießbares,
wärmebeständiges Material
eingebettet ist. Auf der Innenseite der Induktionsspule befindet
sich eine Auskleidung aus rostfreiem Stahl. Der Raum zwischen der
Auskleidung und der eingebetteten Induktionsspule wird durch ein
Wärmeisolierungsmaterial
aus Faserwerkstoffen ausgefüllt.
Diese bekannte Schutzvorrichtung weist die vorstehend genannten
Nachteile auf. Diese integrierte Schutzvorrichtung, die aus mehreren
Materialien besteht, kann nur unter großem Aufwand von der Induktionsspule
getrennt werden. Daher ist der Austausch einer solchen Einheit vor
Ort, also beispielsweise in einer Schmiede, unter praktischen Gesichtspunkten
nicht möglich
und jedenfalls zu zeitaufwendig.
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In
der
DE 196 54 356
A1 ist ein Ofen zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung beschrieben, der
eine mikrowellendichte metallische Auskleidung und eine im Inneren
hiervon fest eingebaute, mikrowellendurchlässige thermische Isolationsschicht
aufweist. Eine Schutzvorrichtung für eine Induktionsspule zur
Erwärmung
von Metallblöcken
im Sinne des Patentanspruchs 1 der vorliegenden Erfindung ist aus
der
DE 196 54 356
A1 nicht bekannt.
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Aus
der
DE 36 38 658 C1 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzrohres bekannt, wobei auf
ein Fasergewebe durch ein Plasma-Spritzverfahren eine Deckschicht
aus einem keramischen Werkstoff eingespritzt wird.
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Die
vorliegende Erfindung geht von der
GB
8 39 343 als nächstliegendem
Stand der Technik aus. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Schutzvorrichtung für
eine Induktionsspule zu schaffen, die in der Fertigung und auch
in ihrem Austausch einfacher und weniger zeitaufwendig ist.
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Dies
wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
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Zweckmäßige Ausführungsformen
werden durch die zugehörigen
Unteransprüche
definiert.
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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.
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Dies
wird durch die Merkmale des Anspruchs 9 erreicht.
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Zweckmäßige Ausführungsformen
werden durch die zugehörigen
Unteransprüche
definiert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform wird
das aus faserverstärkter
Keramik bestehende Schutzrohr mit einem hochtemperaturfesten Band, insbesondere
einem Gewebeband auf der Basis von SiO2,
Al2O3 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.
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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.
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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 3 Al2O3 × 2SiO2 definiert.
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Auch
die Faserverstärkung
des Schutzrohrs kann aus einem Aluminumsilikat-Gewebe, insbesondere
einem Mulit-Gewebe hergestellt sein.
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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.
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Wegen
der auftretenden, hohen Temperaturen muss das Kernwerkzeug während des
Spritzvorgangs gekühlt
werden, wozu Wasserdampf besonders geeignet ist, der eine sehr hohe
Temperaturstabilität
ergibt.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Ansicht einer Stirnfläche
eines Induktionsofens mit der Induktionsspule, dem Schutzrohr und
einem zu erwärmenden
Metallblock; und
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2 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines
Schutzrohrs.
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1 zeigt
einen allgemein durch das Bezugszeichen 10 angedeuteten
Induktionsofen mit einer Induktionsspule 12, die aus einem
Kupferrohr besteht, das von Wasser durchströmt wird.
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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 1 entnehmen
kann.
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Das
Schutzrohr 16 ist durch einander gegenüberliegende Laschen 18 an
dem Induktionsofen befestigt, nämlich
mit der umlaufenden Stirnfläche
des Induktionsrohrs 12 verschraubt.
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Am
Boden des Schutzrohrs 16 gemäß der Darstellung in 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.
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Das
Schutzrohr 16 besteht aus einem keramischen Verbundwerkstoff
aus einem Aluminiumsilikat, nämlich
Mullit, in das ein Fasergewebe aus Mullit eingebettet ist.
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Das
Schutzrohr 16 wird durch ein Plasmaspritzverfahren hergestellt,
wie es aus 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.
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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 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.
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Dieses
Verfahren beginnt mit einem Kernwerkzeug, das in diesem Beispiel
ebenfalls einen kreisförmigen
Querschnitt hat. Dieses Kernwerkzeug wird während des Spritzvorgangs mit
Wasserdampf gekühlt.
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Auf
das Kernwerkzeug wird durch die Anlage nach 2 Mullit
aufgespritzt, wodurch eine Grundschicht entsteht.
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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 2 eingespritzt.
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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.
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Anschließend wird
das Schutzrohr mit einem hochtemperaturfesten Gewebeband auf der
Basis von SiO2, Al2O3 und Na2O umwickelt.
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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.