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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines Billets durch Drehen des Billets um seine Längsachse in einem Gleichmagnetfeld zwischen einander zugewandten Polstücken an den Schenkeln eines ferromagnetischen Jochs mit einer gleichspannungsgespeisten Spule. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Induktionsheizer.
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Aus der
DE 10 2007 051 144 B4 ist es bekannt, zylindrische Billets auf die zu ihrer Weiterverarbeitung benötigte Temperatur mittels eines Induktionsheizers zu bringen, der im Wesentlichen aus einem ferromagnetischen Joch mit M-Querschnitt besteht. In dem Joch wird mittels einer Spule ein Gleichmagnetfeld erzeugt, das sich über je einen Luftspalt zwischen im Querschnitt rechteckigen Polstücken mit planebenen Polflächen an den freien Enden der Schenkel des Jochs schließt. In den Luftspalten wird jeweils ein Billet, das über seine Stirnseiten eingespannt und drehbar gelagert ist, mittels eines äußeren Drehantriebes um seine Längsachse in Drehung versetzt und infolge dessen durch die induzierten Wirbelströme erwärmt. Bei gegebenem Werkstoff des Billets hängt der auf die aufgewendete elektrische Antriebsleistung bezogene Wirkungsgrad der Erwärmung unter anderem von dem Durchmesser des Billets im Verhältnis zu der Breite des Luftspaltes, in welchem das Billet rotiert, ab.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Induktionsheizer mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Leistung zu schaffen.
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Verfahrensmäßig ist diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die durch das Gleichmagnetfeld in dem Billet erzeugte Induktion mittels der geometrischen Form der Polstücke optimiert wird.
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Diese Optimierung besteht darin, mittels an sich bekannter, rechnerischer Simulationsverfahren, z. B. 3D-FEM, ausgehend von den bekannten Parametern wie der magnetischen Flussdichte in dem ferromagnetischen Werkstoff des Jochs, der Geometrie des Luftspaltes und dem Werkstoff sowie dem Durchmesser des Billets eine geometrische Form der Polstücke zu bestimmen, die zu einer stärkeren Bündelung des magnetischen Flusses auf das Billet führt, mit anderen Worten den Streufluss um das Billet herum verringert.
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Vorzugsweise wird auf diese Art die Induktion in dem Billet mittels Formgebung des Querschnittes der Polstücke sowohl in einer zur Längsachse des Billets orthogonalen Ebene als auch entlang der Länge des Billets optimiert.
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Entgegen der bisherigen Meinung der Fachwelt, wie sie beispielsweise durch die
US 4 761 527 A ,
15 bis
17, veranschaulicht wird, führen eine zu der Zylindermantelfläche des Billets koaxiale Form der Polstückflächen und ein vergrößerter Umgriff des Billets durch die Polstücke zu einer Verschlechterung der Leistung. Eine Erhöhung der Leistung wird hingegen dann erreicht, wenn der Querschnitt der Polstücke in Richtung auf das Billet verringert wird, denn dadurch wird das Magnetfeld auf das Billet fokussiert wird.
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Das gilt sowohl in radialer als auch in axialer Richtung.
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Umgekehrt kann es vorteilhaft sein, wenn der Abstand der Stirnflächen der Polstücke außerhalb des von dem Billet und dem letzteres umgebenden Luftspalt eingenommenen Raums in der Querschnittebene und/oder in der Längsrichtung geringer als in diesem Raum bemessen wird, um den das Billet durchsetzenden Teil des Gleichmagnetfeldes zu verringern. Dadurch wird das Magnetfeld bereichsweise als Streufluss um das Billet geführt. Damit wird z. B. erreicht, dass die Stirnflächenbereiche des Billets nicht stärker als der Billetkörper im Übrigen erwärmt werden. Dadurch kann die Temperaturverteilung entlang der Achse des Billets je nach Notwendigkeit der Anwendung eingestellt werden.
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Eine deutliche Verbesserung der Leistung bei einem M-förmigen Joch wird auch dadurch erreicht, dass das Billet, das sich in dem Luftspalt zwischen dem Mittelschenkel und dem rechten Außenschenkel befindet, im Uhrzeigersinn und das Billet in dem Luftspalt zwischen dem Mitelschenkel und dem linken Außenschenkel im Gegenuhrzeigersinn drehantrieben wird. Diese Wahl der Drehrichtungen vermeidet nämlich, dass das durch die in dem Billet induzierten Ströme erzeugte Gegenmagnetfeld das Gleichmagnetfeld teilweise aus dem Billet heraus in Richtung des Luftraums zwischen den freien Stirnflächen der Schenkel des M-Jochs verdrängt.
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Vorrichtungsmäßig ist die Aufgabe der Erfindung durch einen Induktionsheizer mit dem aus der
DE 10 2007 051 144 B grundsätzlich bekannten Aufbau dadurch gelöst, dass die Polstücke mindestens über einen Teil ihrer Länge parallel zur Längsachse des Billets einen sich in Richtung auf das Billet zu verjüngenden Querschnitt haben, so dass der magnetische Fluss zu einem großen Teil auf das Billet konzentriert oder fokussiert wird. Entsprechend geringer ist der Anteil des magnetischen Streuflusses, der den Luftspalt an dem Billet vorbei durchsetzt und folglich zur Erwärmung des Billets nichts beiträgt.
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Vorzugsweise sind die Polstücke mindestens an ihren den freien Enden der Schenkel des Jochs zugewandten Seitenflächen abgeschrägt.
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Der Querschnitt der Polstücke kann sich alternativ oder zusätzlich auch entlang der Längsachse des Billets ändern, so dass sich die Weite des Luftspaltes entsprechend ändert. Dadurch kann in dem Billet in axialer Richtung ein Temperaturgradient erzeugt werden, entweder um ein Billet, das zu Beginn der Erwärmung einen Temperaturgradienten in Längsrichtung hat, insgesamt auf eine konstante Temperatur zu erwärmen oder um einen gewünschten Temperaturverlauf von der einen Stirnfläche des Billets zu seiner anderen Stirnfläche einzustellen.
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Die Stirnflächen der Polstücke können in einem zweiten Bereich einen geringeren Abstand als in einem ersten Bereich haben. Der erste Bereich schließt sich an die freien Schenkelenden des Jochs an und ist zur Erwärmung von Billets eines ersten Durchmessers bestimmt. Der zweite Bereich ist der von den Schenkelenden des Jochs entferntere, dem Querschenkel des Jochs näher liegende Bereich der Polschuhe und ermöglicht die Erwärmung von Billets, die einen kleineren Durchmesser als die Billets haben, zu deren Erwärmung der erste Bereich bestimmt ist.
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Das Joch kann insgesamt relativ zu der Mittelachse des Billets höhenverstellbar sein. Weil in der Verlängerung der Mittelachse des Billets dessen Einspann- und Antriebsvorrichtungen liegen und auf die dadurch gegebene (horizontale) Ebene des Induktionsheizers auch die Beschickungs- und Entnahmevorrichtungen für die Billets abgestimmt sind, können in dem gleichen Induktionsheizer auch Billets unterschiedlichen Durchmessers erwärmt werden ohne die vorgenannten peripheren Vorrichtungen höhenverstellbar zu machen.
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Eine weitere Verbesserung ermöglicht eine Erwärmung des Billets mit einem in axialer Richtung vorgegebenen Temperaturgradienten dadurch, dass das Joch um eine zu der Mittelachse des Billets rechtwinkelige, horizontale Achse im Bereich der einen Stirnfläche des Joches kippbar ist.
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Zur Erhöhung der Fokussierung des Magnetflusses auf das Billet können die Polstücke aus einem ferromagnetischen Werkstoff sein, dessen Magnetisierung bei den an den Polstücken auftretende magnetischen Feldstärken größer als im Werkstoff des Jochs ist.
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Bevorzugt ist das Joch nach dem Vorbild der
DE 10 2007 051 144 B ein M-Joch mit einem Querschenkel, der zwei Außenschenkel und einen Mittelschenkel verbindet, wobei die Spulenanordnung auf dem Mittelschenkel sitzt. In dieser Ausführungsform können jeweils zwei Billets gleichzeitig erwärmt werden.
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Vorzugsweise sind in dieser Ausführungsform die Billets gegensinnig drehangetrieben, und zwar derart, dass das Billet in dem Raum zwischen den Polstücken des Mittelschenkels und des rechten Außenschenkels im Uhrzeigersinn und das Billet zwischen den Polstücken des Mittelschenkels und des linken Außenschenkels entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Damit wird berücksichtigt, dass die Ebene der stärksten Induktion gegenüber einer die Längsachsen der Billets enthaltenden (horizontalen) Ebene infolge des Verdrängungseffektes des durch die im jeweiligen Billet fließenden Wirbelströme erzeugen Gegenmagnetfeldes um einen Winkel verkippt ist.
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Eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades im Verhältnis zu einer normalleitenden Spulenanordnung wird bei allen Ausführungsformen durch eine supraleitende Spulenanordnung erzielt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der Ausführungsbeispiel des Induktionsheizers in schematischer Vereinfachung dargestellt sind. Es zeigt:
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1 bis 3: einen Induktionsheizer nach dem Stand der Technik in einer Stirnansicht, einer Untersicht und einer Isometrie,
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4a, 4b: eine erste Ausführungsform der Polstücke in einer Aufsicht und einer Isometrie,
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5: eine zweite Ausführungsform der Polstücke in einer Isometrie,
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6a, 6b: eine dritte Ausführungsform der Polstücke in der Aufsicht und einer Isometrie,
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7a, 7b: eine vierte, zur Erwärmung von Billets unterschiedlichen Durchmessers geeignete Ausführungsform der Polstücke,
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8: ein höhenverstellbares Joch in der Seitenansicht und
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9: ein kippbares Joch in der Seitenansicht.
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In den
1 bis
3 ist das ferromagnetische Joch eines aus der
DE 10 2007 051 144 A1 bekannten Induktionsheizers dargestellt. Der Induktionsheizer dient zum Erwärmen von Billets oder Bolzen, die normalerweise vollzylindrische Metallhalbzeuge, meist aus Aluminium, Kupfer oder entsprechenden Legierungen sind. Das Joch dieses Induktionsheizers ist im Querschnitt M-förmig, mit einem oberen Querschenkel
1, einem Mittelschenkel
2 und zwei Außenschenkeln
3 und
4. Auf dem Mittelschenkel
2 sitzt eine gleichstromgespeiste Spule oder Spulenanordnung
5, deren Wicklung vorzugsweise hochtemperatursupraleitend ist. Mittels der Spule
5 wird ein Gleichmagnetfeld erzeugt, dessen Magnetfluss sich auf die Außenschenkel
3 und
4 aufteilt und über Polstücke
3.1,
2.3 bzw.
4.1,
2.4 sowie den jeweiligen, zwischen diesen Polstücke liegenden Luftspalt zurück zu dem Mittelschenkel
2 schließt.
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In den beiden parallelen Luftspalten zwischen den Polstücken 3.1, 2.3 bzw. 4.1, 2.4 befinden sich Billets 10 bzw. 11, die über ihre jeweiligen Stirnseiten in an sich bekannter Weise zwischen nicht dargestellte Drehantriebe eingespannt sind. Der Drehantrieb für das Billet 10 dreht letzteres, bezogen auf 1, gegen den Uhrzeigersinn und das Billet 11 im Uhrzeigersinn. Infolgedessen werden in den Billets 10, 11 Wirbel- oder Kurzschlussströme induziert, die zur Erwärmung der Billets führen.
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In der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 des Jochs haben alle Polstücke über die gesamte Länge des Jochs den gleichen, rechteckigen Querschnitt. Nach dem vorliegenden Vorschlag können durch hiervon abweichende Geometrien der Polstücke die Erwärmungsleistung verbessert und/oder die Temperaturverteilung längs der Achse der Billets beeinflusst und/oder Billets unterschiedlichen Durchmessers erwärmt werden.
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Dies verdeutlichen die 4a bis 7b, in denen der Einfachheit halber lediglich die rechte Hälfte des M-Joches (ohne die Spule 5) dargestellt ist, weil die linke Hälfte im Normalfall identisch ausgebildet ist.
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In der in den 4a und 4b dargestellten Ausführungsform haben die Polstücke 2.4.1, 4.1.1 einen sich in Richtung auf das Billet 11 verjüngenden, z. B. trapezförmigen Querschnitt. Infolgedessen wird der magnetische Fluss zu einem großen Teil auf das Billet 11 konzentriert oder fokussiert. Gleichzeitig verringert sich der magnetische Streufluss um das Billet 11 herum, der zu dessen Erwärmung nichts beiträgt. Im Ergebnis verbessert sich die in dem Billet 11 erzeugte Heizleistung, so dass sich bei konstanter Drehzahl des Billets 11 die Erwärmungszeit verkürzt oder bei gleicher Erwärmungszeit die Drehzahl des Billets 11 vermindert werden kann. Letzteres hat den Vorteil, dass sich das reibschlüssig auf die Stirnflächen des Billets übertragene Antriebsdrehmoment verringert. Folglich kann auch die axiale Kraft, mit der das Billet an den Stirnseiten eingespannt ist, vermindert werden, so dass eine Stauchung von Billets zufolge einer werkstoff- und temperaturabhängigen plastischen Verformung vermieden wird.
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Sofern die Billets mit einem Temperaturgradienten in Längsrichtung erwärmt werden sollen, können die Polstücke wie 2.4.1, 4.1.1 mit dem. Trapezquerschnitt entsprechend den 4a und 4b in Längsrichtung des Jochs bzw. des Billets mit Polstücken mit Rechteckquerschnitt wie 3.1, 2.3 bzw. 2.4, 4.1 in den 1 bis 3 kombiniert werden. In diesem Fall wird derjenige Teil des Billets, der sich zwischen den Polstücken mit Trapezquerschnitt befindet, stärker erwärmt als der Rest des Billets.
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Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in dem Billet veranschaulicht 5. Die Polstücke 2.4.2, 4.1.2 sind an ihren jeweiligen beiden Enden keilförmig abgeflacht, so dass der Luftspalt, in dem sich das in dieser Figur nicht dargestellte Billet befindet, zu dessen Stirnflächen hin größer wird. Infolgedessen wird das Billet in seinem mittleren Abschnitt stärker als in seinen Endabschnitten erwärmt. Abhängig von dem gewünschten Temperaturgradienten kann das M-Joch auch Polstücke haben, die nur an einem Ende keilförmig abgeflacht sind. Der Keilwinkel und damit die Länge der Abflachung wird entsprechend dem Temperaturgradienten gewählt, den das Billet aufweisen soll. Insbesondere ist auch eine Kombination der Geometrie der Polstücke gemäß 5 mit derjenigen gemäß den 4a und 4b möglich.
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Eine weitere Ausführungsform der Polstücke veranschaulichen die 6a und 6b. In einem mittleren Abschnitt haben die Polstücke 2.4.3, 4.1.3 an ihrem dem Querschenkel 1 des Jochs zugewandten Längsrand aufgesetzte Profilabschnitte 2.4.3a, 4.1.3a aus ferromagnetischem Material mit dreieckigem Querschnitt. Diese Profilabschnitte können mit den Polstücken auswechselbar verbunden, insbesondere verschraubt sein. Im Bereich der Profilabschnitte hat der Luftspalt die aus 6a ersichtliche Geometrie. Die Profilabschnitte 2.4.3a, 4.1.3a führen zu einem erhöhten magnetischen Streufluss oberhalb des Billets 11, so dass letzteres in diesem Bereich weniger stark als in den übrigen Bereichen erwärmt wird.
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Eine weitere Ausführungsform ist in den 7a und 7b veranschaulicht. Die Polstücke 2.4.4, 4.1.4 haben über die gesamte Länge des Joches ein gestuftes Profil. Infolgedessen hat der Luftspalt zwischen den Polstücken, im Querschnitt gesehen, nahe den freien Enden des Mittelschenkels 2 und des Außenschenkels 4 eine größere Weite als auf der dem Querschenkel 1 zugewandten Seite. Die Luftspaltweite L1 ist auf den Durchmesser des Billets 11 abgestimmt, die Luftspaltweite L2 hingegen auf den kleineren Durchmesser eines Billets 12. Mit dieser Geometrie der Polstücke verringert sich zwar für das Billet 11 mit dem größeren Durchmesser die in diesem je Zeiteinheit erzeugte Wärmeleistung, jedoch kann dies in Kauf genommen werden, weil mit dem gleichen Joch ohne Auswechseln oder Umbau der Polstücke auch Billets 12 erwärmt werden können. Weil die Längsmittelachse der Billets unabhängig von deren Durchmesser stets mit der Achsrichtung der Wellen der nicht dargestellten Antriebe zusammenfallen muss, wird zur Erwärmung von Billets 12 das M-Joch relativ zu diesem eingespannten Billet 12 so weit abgesenkt, dass das Billet 12 sich in Höhe des engeren Luftspaltes L2 der Polstücke befindet. Dies ist in den 7a und 8 durch den Doppelpfeil P1 angedeutet. In 8 ist die vorgegebene Längsachse, um die sowohl Billets 11 als auch Billets 12 in Drehung versetzt werden, strichpunktiert dargestellt. Zur Erwärmung von Billets 12 wird das Joch aus der links gezeichneten Stellung in die rechts gezeichnete Stellung abgesenkt, so dass sich das Billet in dem Luftspalt L2 in 7a befindet.
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9 zeigt in einer Seitenansicht das M-Joch in einer Ausführungsform, die entsprechend dem Doppelpfeil P2 um eine Kippachse K kippbar ist. In Kombination mit Polstücken mit den vorstehend beschriebenen Geometrien bzw. Querschnitten kann in der Ausführungsform gemäß 9 das Billet mit einem Temperaturgradienten in Längsrichtung erzeugt werden, dessen Wert von dem Kippwinkel α abhängt. Das Billet wird auf diese Weise mit einem Temperaturkeil in Längsrichtung erwärmt. Die höchste Temperatur hat das Billet im Bereich seiner der Kippachse K näher liegenden Stirnfläche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007051144 B4 [0002]
- US 4761527 A [0007]
- DE 102007051144 B [0011, 0018]
- DE 102007051144 A1 [0029]
