DE1018650B - Verfahren und Vorrichtung, um elektrisch leitende, insbesondere metallische Werkstoffe frei schwebend zu halten - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist schon vor langer Zeit vorgeschlagen worden, metallische Werkstoffe ohne Berührung mit einem Tiegel dadurch zu schmelzen, daß man sie einem elektromagnetischen Feld aussetzt, das durch ein oder mehrere mit Wechselstrom gespeiste Elektromagnete erzeugt wird. Man vermutete, daß es auf diese Weise möglich sein würde, Metallkörper durch elektrodynamische Wirkung frei schwebend zu erhalten und sie gegebenenfalls auf beliebige Temperaturen, auch bis über den Schmelzpunkt, zu erhitzen.

Es dauerte jedoch lange Zeit, bis es gelang, die hierfür notwendigen Bedingungen so einzustellen, daß wenigstens kleine Mengen in der Größenordnung bis etwa 100 g an Metallen oder Legierungen tatsächlich zum freien Schweben gebracht werden konnten. Im flüssigen Zustand gelang dies zunächst nur für Aluminium, da dieses im geschmolzenen Zustand von einer das Abfließen verhindernden Oxydhaut umgeben ist.

Für die Durchführung des Verfahrens war es notwendig, einerseits genügend starke elektromagnetische Felder zu erzeugen, durch deren Auftrieb die auf den zu behandelnden Metallkörper wirkende Schwerkraft kompensiert wurde, und andererseits das elektromagnetische Feld so zu gestalten, daß der zu behandelnde Metallkörper sich in einem Feldminimum und damit in einer stabilen Lage befindet.

Man versuchte, diesen Bedingungen durch verschiedene Ausgestaltung von stromdurchflossenen Spulen gerecht zu werden. Beispielsweise ordnete man zwei spiralförmig gewickelte Tellerspulen übereinander an und versuchte, Metallkugeln zwischen diesen frei schwebend zu halten.

Man versuchte auch, mit zwei übereinander angeordneten Zyliiiderspulen oder konischen Spulen, gegebenenfalls mit verschiedener Konizität, oder mit einer Kombination von konischen und Tellerspulen zu arbeiten.

Schließlich ist vorgeschlagen worden, die untere Tellerspule zu wölben.

Die bisher bekanntgewordenen Verfahren waren aber auf verhältnismäßig schmale zu behandelnde Körper beschränkt. Es wurde mit Kugeln oder kugelähnlichen Körpern gearbeitet, deren Durchmesser in der Regel in der Größenordnung eines Zentimeters lag.

Andererseits zeigen Betrachtungen über die Stabilität von flüssigen Schmelzkörpern im elektromagnetischen Feld, daß es wegen der für diese Felder geltenden Gesetzmäßigkeiten und dem geringen Wert der Oberflächenspannung z. B. von flüssigen Metallen nicht möglich ist, die Schmelzhöhe und die Schmelzmenge über ein gewisses, verhältnismäßig geringes Maß hinaus zu steigern. Wenn die maximal zulässige Schmelzhöhe überschritten wird, läuft das Metall an Verfahren und Vorrichtung, um elektrisch

leitende, insbesondere metallische
Werkstoffe frei schwebend zu halten

Anmelder:

Vacuumschmelze Aktiengesellschaft,
Hanau/M., Grüner Weg 37

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Albrecht Mager, Hanau/M.,
ist als Erfinder genannt worden

gewissen kritischen Stellen ab. Bei den bekannten Spulensystemen befindet sich diese kritische Stelle in der Spulenachse.

Ein Vorschlag, der nicht zum Stande der Technik gehört, geht dahin, die Breite der zu behandelnden Körper dadurch zu vergrößern, daß man zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes eine Art Rost verwendet, der aus einem elektrischen Leiter derart aufgebaut ist, daß benachbarte Leiterteile in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen werden. Die Erfindung besteht in einem Verfahren für die Schwebebehandlung von elektrisch ausreichend leitenden, beispielsweise metallischen Werkstoffen. Das elektromagnetische Feld wird dabei ebenfalls mit Hilfe einer Art Rost erzeugt. Dieser ist aufgebaut aus einem Leitersystem, das aus einer Vielzahl von Gruppen von je mindestens zwei parallelen oder fast gleichlaufenden Leiterteilen besteht, die von Strom durchflossen werden, wobei die Stromrichtung in benachbarten Leitergruppen entgegengesetzt ist. Da mit Wechselstrom gearbeitet wird, ist unter Stromrichtung die in einem beliebigen Zeitpunkt gerade vorhandene Stromrichtung verstanden.

Ein solcher Rost kann z. B. mäanderförmig oder -spiralförmig gestaltet sein und enthält in der Regel mehr als drei (mindestens aber drei) Gruppen. Die Stromleiter bestehen z. B. aus wassergekühlten Kupferrohren.

Abb. 1 gibt einen mäanderförmig gestalteten Rost wieder, ber dem jeweils zwei benachbarte Leiterteile zu einer Gruppe zusammengefaßt sind. Die Gruppen sind mit α und b bezeichnet. Die eingezeichneten Pfeile lassen erkennen, daß die Gruppen & in entgegengesetzter' Richtung von Strom durchflossen werden als die Gruppen α. Seitlich ist nur jeweils ein einzelner Leiterteil a' und V vorhanden.

VB 758/370

Abb. 2 zeigt einen Rost, bei dem der Leiter spiralförmig aufgewickelt ist nach Art einer doppelten Bifilarspule. Auch hierbei sind die Leiterteile der verschiedenen Gruppen in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen.

Als Querschnitt ergibt sich im Prinzip eine Anordnung, wie sie in Abb. 3 dargestellt ist, bei der die um die Leitergruppen α und b gezeichneten Linien die Ausbildung des elektromagnetischen Feldes andeuten und c der zum Schweben gebrachte Metallkörper ist. Abb. 3 läßt deutlich erkennen, daß durch Vergrößerung des Rostes die Horizontalausdehnung des Körpers c beliebig gesteigert werden kann.

Praktische Versuche mit verhältnismäßig kleinen derartigen Rosten haben gezeigt, daß bei geeignet gewählter Frequenz beispielsweise 1,5 kg festes Kupfer oder 170 g geschmolzenes Aluminium in der Schwebe gehalten werden konnten.

Es kann zweckmäßig sein, die Leiteranordnungen schalenförmig auszuführen oder an den Rändern hochzuziehen, um das zur Schwebe zu bringende und in der Schwebe zu haltende Material wie in einem Schmelztiegel zu halten.

Wie vorstehend erwähnt, ist es nicht möglich, die Schmelzhöhe über ein gewisses Maß hinaus zu steigern, und auch bei den bekannten Anordnungen sind die Schichthöhen des geschmolzenen Materials im wesentlichen durch die kritischen Ablaufstellen begrenzt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung liegen kritische Ablaufstellen auf Linien zwischen den Spulengruppen α und b, wie dies die Abbildungen erkennen lassen.

Der Einfluß dieser kritischen Ablaufstellen kann erfindungsgemäß weitgehend vermindert werden, wenn man mindestens zwei zu einer gemeinsamen Einheit zusammengefaßte erfindungsgemäße, aus abwechselnd in verschiedener Richtung von Strom durchflossenen Leitergruppen bestehende Leitersysteme mit verschiedenen Frequenzen betreibt, wobei die Frequenzen möglichst unabhängig voneinander sein sollen, um störende Schwebungen zu vermeiden, die zu Resonanzen mit dem Schmelzkörper führen könnten. In Abb. 4 ist ein Beispiel für den Zusammenbau von Leitersystemen wiedergegeben, deren jedes gemäß der Erfindung aus Leitergruppen besteht, bei dem benachbarte Gruppen in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen werden. Die Systeme werden von Strom verschiedener Frequenzen durchflossen.

Das eine Leitersystem besteht aus Gruppen von Leiterteilen, die mit + und — bezeichnet sind, das andere System aus denjenigen Leitergruppen, deren Teile mit P und M gekennzeichnet sind. Der Kraftlinienverlauf des zuerst genannten Systems ist durch ausgezogene Linien, der Kraftlinienverlauf des zweiten Systems durch gestrichelte Linien wiedergegeben. Man sieht, daß das durch das zweite System ausgebildete Feld gerade diejenigen kritischen Stellen des ersten Systems überbrückt, an denen infolge der senkrechten Richtung der Kraftlinien die Gefahr des Ablaufens des geschmolzenen Metallkörpers bestehen würde. Dadurch wird es möglich, die Schichthöhe des geschmolzenen und in der Schwebe zu haltenden Metalls bei Anwendung der für das betreffende Metall erforderlichen Mindestfrequenz zu erhöhen. Die Schichthöhe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen durch die angewendete Feldstärke begrenzt, also nicht mehr, wie bei den bekannten Verfahren, durch die Oberflächenspannung,

Das geschilderte Prinzip der Anwendung zweier Frequenzen zur Vermeidung der kritischen Ablaufstellen kann auch bei anderen zum Teil bekannten Spulenanordnungen angewendet werden. Auch dabei werden mindestens zwei Leitersysteme zu einer Einheit zusammengefaßt. Die Leiterteile des einen Systems werden von Strom einer bestimmten Frequenz durchflossen, und das dadurch aufgebaute Feld überbrückt die kritischen Ablaufstellen des anderen Leitersystems, das von Strom einer anderen Frequenz gespeist wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf alle Stoffe ausreichender elektrischer Leitfähigkeit anwenden, insbesondere auf Metalle und Legierungen. Zum Beispiel ist es auch anwendbar auf ferromagnetische Werkstoffe, sofern diese bis zum Curiepunkt oder darüber erhitzt werden.

Das Verfahren erweist sich z. B. für die nachstehend angeführten Zwecke als nützlich:

1. Wärmebehandlungen jeglicher Art im festen Zustand.

2. Sauberes Schmelzen.

3. Zonenschmelzen, indem einzelne Zonen schwebend geschmolzen werden.

4. Durchführung von Reaktionen im festen oder geschmolzenen Zustand mit umgebenden Gasphasen.

5. Vakuumbehandlungen im festen oder geschmolzenen Zustand z. B. zum Zwecke der Reinigung.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren, um mit Hilfe elektromagnetischer Felder elektrisch leitende, insbesondere metallische Werkstoffe im festen oder flüssigen Zustand frei schwebend zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Feld durch ein Leitersystem erzeugt wird, das aus einer Vielzahl von Gruppen von je mindestens zwei parallelen oder fast gleichlaufenden, zusammen eine rostartige Vorrichtung bildenden Leiterteilen besteht, und benachbarte Gruppen von antiparallelen Strömen durchflossen werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes eine rostartige Vorrichtung dient, die aus mäanderförmig gewundenen Leitern gebildet ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes eine rostartige Vorrichtung dient, die aus spiralförmig gewundenen Leitern gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Ränder nach oben gezogen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei von Strömen verschiedener Frequenz durchflossene Leitersysteme nach Anspruch 1 derart angeordnet werden, daß die durch das eine System erzeugten Felder die durch das andere System gebildeten kritischen Ablaufstellen überbrücken.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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