DE10230123B4 - Schutzvorrichtung für eine Induktionsspule zur Erwärmung von Metallblöcken - Google Patents

Abstract

Schutzvorrichtung für eine Induktionsspule zur Erwärmung von Metallblöcken,
a) mit einem in der Induktionsspule (12) angeordneten, der Form des Metallblocks (14) angepassten keramischen Schutzrohr (16),
b) und mit zylindrischen, als Gleitschlitten für den Metallblock (14) dienenden Käfigkörpern (25), die in Rillen im Boden des Schutzrohres (16) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigkörper (25) aus Keramik bestehen und das Schutzrohr (16) aus einem faserverstärkten, keramischen Werkstoff besteht und lösbar in der Induktionsspule (12) befestigt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine Induktionsspule zur Erwärmung von Metallblöcken.
• Im Hauptpatent DE 101 58 507 B4 eine Schutzvorrichtung für eine Induktionsspule zur Erwärmung von Metallblöcken offenbart, bei der in der Induktionsspule ein der Form des zu erwärmenden Metallblockes angepasstes Schutzrohr aus einem faserverstärkten, keramischen Werkstoff angeordnet ist. Die Anordnung des Schutzrohres in der Induktionsspule bietet viele Vorteile, da beispielsweise das Schutzrohr problemlos ausgetauscht werden kann, es viel kostengünstiger hergestellt werden kann und sich auch Vorteile im Betrieb der Induktionsspule ergeben. Ein wichtiges Merkmal der erwähnten Schutzvorrichtung besteht darin, dass am Boden des in der Induktionsspule angeordneten Schutzrohres zylindrische Käfigkörper angeordnet sind, auf denen der Metallblock aufliegt und die als Gleitschlitten dienen, so dass die Blöcke auf diesen gleitend durch das Schutzrohr und vorbei an der Induktionsspule geschoben werden können.
• Allerdings mussten die Käfigkörper aus Stabilitätsgründen überwiegend aus Metall bestehen, so dass die Käfigrohre ihrerseits an die Induktionsspule geringfügig ankoppelten, aber vor allem durch die auf ihnen gleitenden induktiv erwärmten Metallblöcke stark erwärmt wurden. Dies erforderte eine Kühlung der Käfigrohre, beispielsweise mittels Wasserkühlung.
• Es hat sich jedoch in Praxistests gezeigt, dass durch die wassergekühlten Käfigrohre Temperaturunterschiede innerhalb des Metallblocks von etwa 100°C vertikal von unten nach oben induziert wurden. Derartige Unterschiede wirken sich auf die Konstanz der Festigkeitswerte innerhalb der geschmiedeten Teile nachteilig aus.
• Aus der DD 30294 A1 ist eine Einrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken bekannt, bei der die Induktionsspulen in einen monolitischen einheitlichen Keramikkörper eingebettet sind. Das keramische Trägermaterial umschließt die Induktionsspulen, sodass ein einheitlicher Induktor in „Blockbauweise" entsteht. Zwischen den Induktionsspulen und dem das Werkstück umgebenden Hohlraum ist ein aus keramischem Material bestehender Bereich vorhanden, der seiner Funktion nach ein Schutzrohr bildet, welches allerdings integraler Bestandteil des gesamten Induktors ist. Bei dieser Induktionsvorrichtung besteht ein wichtiger technischer Nachteil darin, dass das Schutzrohr nicht getrennt von den restlichen Induktorbauteilen und insbesondere nicht getrennt von der Induktionsspule ausgetauscht werden kann.
• Aus der Druckschrift GB 839343 A ist eine Induktionsvorrichtung bekannt, bei der die Induktionsspule ebenfalls in eine keramische Masse eingebettet ist. Die keramische Masse ist eine vergießbare feuerfeste Keramik, in die die Induktionsspule eingegossen ist. Der Innenraum des Induktors ist von einem thermischen Isolationsmaterial (Bezugszeichen 13) und einer aus Edelstahl bestehenden Wandauskleidung (Bezugszeichen 14) umgeben. Auf den Edelstahlwänden sind Verschleißelemente (Bezugszeichen 20) angeordnet, die ebenfalls vorzugsweise aus Edelstahl bestehen.
• In der Druckschrift DE 1 095 421 A ist eine Induktionsheizeinrichtung mit einer nichtmetallischen, insbesondere keramischen Auskleidung des Spulenwirkraumes beschrieben. Die Auskleidung besteht aus mehreren Formstücken. Die Auskleidung der Spule ist in Umfangsrichtung an den Stellen, an denen dem Werkstück weniger Wärme entzogen wird, mit geringerer und dort, wo ein größerer Wärmeentzug zu erwarten ist, mit größerer Wandstärke ausgebildet als an den anderen Stellen der Auskleidung.
• Sowohl beim Gegenstand der GB 839343 A als auch beim Gegenstand der DE 1 095 421 A kann das Schutzrohr nicht getrennt von den übrigen Bauteilen der Induktionsvorrichtung und insbesondere nicht getrennt von der Induktionsspule ausgetauscht werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Schutzvorrichtung der Gattung nach dem Hauptpatent zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll eine Schutzvorrichtung vorgeschlagen werden, mit der sich Metall- bzw. Schmiedeblöcke mit noch konstanteren Festigkeitswerten erzielen lassen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
• Erfindungsgemäß sind die als Gleitschlitten für den Metallblock dienenden zylindrischen Käfigkörper aus Keramik hergestellt, sodass die Käfigkörper nicht mehr an die zur Erwärmung des Metallblocks dienende Induktionsspule ankoppeln können. Erfindungsgemäß werden die Käfigkörper somit nur passiv, d. h. von den aktiv erwärmten Elementen, beispielsweise dem Metallblock, erwärmt. Deshalb nimmt der Käfigkörper im Wesentlichen die Temperatur der Umgebung innerhalb des Schutzrohres an, die im Wesentlichen durch die Temperatur des erwärmten Metallblocks vorgegeben ist. Dadurch, dass das Schutzrohr lösbar in der Induktionsspule befestigt ist, kann das Schutzrohr problemlos ausgetauscht werden und es kann kostengünstiger hergestellt werden.
• Da Keramik im Vergleich zu Metall ein vergleichsweise schlechter Wärmeleiter ist, werden Temperaturunterschiede, die etwa von einer anderen Temperatur des Schutzrohres herrühren, gemildert, sodass insbesondere auch nahe der Auflagefläche, d. h. in den Bereichen, wo der Metallblock auf den Käfigkörpern aufliegt, konstante Temperaturverhältnisse geschaffen werden können. Dies führt zu vorteilhaft konstanteren Festigkeitswerten in den Metallblöcken bzw. geschmiedeten Teilen.
• Erfindungsgemäß sind die zylindrischen Käfigkörper in Rillen oder vergleichbar geformten Vertiefungen im Boden des Schutzrohres angeordnet und dort ganz besonders bevorzugt eingeklebt, beispielsweise mit einem Hochtemperaturkleber. Die Rillen bzw. Vertiefungen im Boden des Schutzrohres sind korrespondierend zum Profil der Käfigkörper ausgebildet. Das im Wesentlichen zylindrische Profil der Käfigkörper ermöglicht eine vergleichsweise kleine Auflagefläche zwischen Metallblock und Käfigkörper, was die Reibungskräfte mindert. Unter dem Begriff zylindrisch im Sinne dieser Patentanmeldung sind auch von der idealen Kreisform abweichende Profile zu verstehen, beispielsweise elliptische oder anderweitig exzentrisch ausgebildete Profile oder Halbprofile mit stetig gekrümmter Außenumfangsoberfläche.
• Ganz besonders bevorzugt sind die keramischen zylindrischen Käfigkörper ungekühlt. Dies schließt jedoch nicht den Fall aus, dass besondere Kühlvorrichtungen zur Kühlung der Käfigkörper vorgesehen sein können, die etwa zu anderen Zwecken verwendbar sind, wie beispielsweise für eine beschleunigte Kühlung der Vorrichtung etwa im Falle von Wartungsarbeiten. Bevorzugte Materialien für die zylindrischen Käfigkörper sind insbesondere keramische Carbide, Nitride oder Oxide. Weiter können die keramischen zylindrischen Käfigkörper aus hochgesintertem Aluminiumoxid bestehen, das insbesondere hohe Festigkeitseigenschaften und eine vergleichsweise geringe Sprödigkeit aufweist.
• Bevorzugt sind die zylindrischen Käfigkörper in Axialrichtung des Schutzrohres verschiebesicher eingesetzt, so dass die als Gleitschlitten dienenden Käfigkörper beim axialen Vorschieben der Metallblöcke nicht verschoben werden. Zur Verschiebesicherung können kraft- oder formschlüssige Verbindungen, aber auch stoffschlüssige Verbindungen erfindungsgemäß verwendet werden.
• Zur stoffschlüssigen Verbindung eignen sich insbesondere hochtemperaturfeste Keramikkleber. Vorteilhaft ist, dass deren Eigenschaften sehr gut an die der aus Keramikmaterial bestehenden zylindrischen Käfigkörper angepasst sind.
• Die zylindrischen Käfigkörper können als Vollstab ausgebildet sein, was vorteilhaft hohe Festigkeitswerte für die Auflage der Metallblöcke bietet.
• Ganz besonders bevorzugt umfasst jeder Gleitschlitten fair den Metallblock mehrere, linienförmig hintereinander angeordnete keramische Käfigelemente, so dass diese modular ausgetauscht werden können, etwa im Falle von Beschädigungen ihrer Oberfläche. Für einen noch einfacheren Austausch sind die Käfigelemente bei einer solchen Ausführungsform an zumindest einer Stirnseite angefast oder im Querschnitt geeignet reduziert. Die Anfasung ermöglicht insbesondere auch eine innige Verbindung der einzelnen Käfigelemente, so dass die Gleitauflagefläche insgesamt stabiler ausgebildet werden kann. Außerdem kann durch die Anfasung verhindert werden, dass die auf den Käfigelementen gleitenden Metallblöcke an Stirnseiten der Käfigelemente anstoßen und diese zerstören. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind nur die gegen die Transportrichtung der Metallblöcke gerichteten Stirnflächen der Käfigelemente in ihrem äußeren Umfang angefast bzw. ringförmig abgeschrägt. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Minderung von Reibungskräften.
• Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden, worin:
• 1 in einem schematischen Querschnitt eine Ansicht des in der Induktionsspule angeordneten Schutzrohres gemäß der Weiterbildung des Zusatzpatents darstellt;
• 2 das Schutzrohr gemäß der 1 ohne die Käfigkörper darstellt; und
• 3 in einer schematischen Querschnittsansicht die Anordnung mehrerer angefaster zylindrischer Käfigelemente gemäß einer weiteren Ausführungsform darstellt.
• In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder gleichwirkende Elemente oder Baugruppen. Dabei werden dieselben Bezugszeichen wie im Hauptpatent DE 101 58 507 B4 verwendet, mit Ausnahme der Käfigkörper, die mit dem Bezugszeichen 25 versehen sind.
• Die 1 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine Schutzvorrichtung gemäß der Weiterbildung des Zusatzpatents. Das Schutzrohr 16 ist innerhalb der Induktionsspule 12 angeordnet und weist einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei das Innenprofil im Wesentlichen an das Profil des mit gestrichelten Linien dargestellten Metallblocks 14 angepasst ist. Das Schutzrohr 16 liegt auf einer Auflagefläche 27 auf, die beispielsweise aus Keramikmaterial, feuerfestem Beton, der bevorzugt eine feuerfeste Gleitanlage aufweist, bestehen oder als Gleitmatte ausgebildet sein kann. Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, sind in den Boden 23 des Schutzrohres 16 zumindest zwei Vertiefungen 24 ausgebildet, deren Profil an das Profil der in diese Vertiefungen eingelassenen Käfigkörper 25 angepasst ist. Wie dargestellt, weisen die Käfigkörper ein zylindrisches Profil auf.
• Die zylindrischen Käfigkörper 25 können in die Vertiefungen bzw. Rillen eingeklebt sein, insbesondere mit einem Hochtemperaturkleber. Die zylindrischen Käfigkörper 25 sind aus Keramik gefertigt und können einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Die Käfigkörper 25 sind ungekühlt.
• Wie in der 1 dargestellt, liegen die Metallblöcke 14 beim Durchschieben durch das Schutzrohr 16 auf den zumindest zwei zylindrischen Käfigkörpern 25 auf, die somit als Gleitschlitten wirken. Beim Hindurchschieben wird der Metallblock 14 durch die Induktionsspule 12 erwärmt. Die Wärme verteilt sich gleichmäßig auf die in dem Innenraum der Induktionsspule 12 angeordneten Elemente, insbesondere auf das Schutzrohr 16, die zylindrischen Käfigkörper 25 und den Metallblock 14. Temperaturunterschiede werden in der Querschnittsansicht allenfalls durch andere Temperaturen auf der Außenseite des Schutzrohrs 16 hervorgerufen und, in Axialrichtung betrachtet, durch etwa stirnseitig verlaufende Luftströmungen und durch andere Temperaturen des Schutzrohrs 16, der zylindrischen Käfigkörper 25 etc. an nicht von der Induktionsspule erwärmten Bereichen, insbesondere an den beiden Stirnseiten des Induktionsofens. Da sowohl das Schutzrohr 16 als auch die keramischen, zylindrischen Käfigkörper 25 vergleichsweise schlecht wärmeleitend sind, ergeben sich relativ geringe Temperaturunterschiede, so dass sich relativ konstante Festigkeitswerte in dem Metallblock 14 erzielen lassen.
• Die 3 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht eine weitere Ausführungsform, bei der der Käfigkörper jeweils aus einer Mehrzahl von linienförmig hintereinander angeordneten keramischen Käfigelementen 25 besteht, die, wie in den 1 und 2 dargestellt, in Vertiefungen am Boden 23 des Schutzrohrs eingelassen sind. Durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen Z wird die Verschieberichtung der Metallblöcke durch den Induktionsofen angedeutet. Wie in der 3 dargestellt, ist am Ausgang des Induktionsofens 10 am Boden 23 des Schutzrohres ein Anschlag 29 vorgesehen, an dem das letzte Käfigelement 25 anliegt. Die Käfigelemente 25 werden auf diese Weise verschiebegesichert. Die Käfigelemente 25 brauchen deshalb nicht notwendigerweise in die Rillen am Boden des Schutzrohrs 16 eingeklebt sein.
• Wie in der 3 dargestellt, sind die jeweils gegen die Transportrichtung der Metallblöcke gerichteten Stirnflächen der Käfigelemente 25 angefast bzw. an ihrem äußeren Umfang ringförmig abgeschrägt. Die Käfigelemente 25 können so einfacher ergriffen werden, beispielsweise zum Austauschen im Falle von Beschädigungen. Außerdem verkeilen sich die Käfigelemente 25 an den Stirnseiten gleichsam ineinander, so dass der aus den Käfigelementen 25 gebildete Gleitschlitten besonders formstabil ist. Außerdem werden durch die Anfasung etwaige Rauhigkeiten auf der Oberfläche des Gleitschlittens im Übergangsbereich zwischen einzelnen Käfigelementen 25 verhindert, so dass Reibungswiderstände herabgesetzt werden können. Ferner können die auf den Käfigelementen 25 gleitenden Metallblöcke nicht an Stirnseiten der Käfigelemente 25 hängen bleiben.
• Der Betrieb des Induktionsofens erfolgt wie in dem Hauptpatent beschrieben.

Claims (11)

1. Schutzvorrichtung für eine Induktionsspule zur Erwärmung von Metallblöcken, a) mit einem in der Induktionsspule (12) angeordneten, der Form des Metallblocks (14) angepassten keramischen Schutzrohr (16), b) und mit zylindrischen, als Gleitschlitten für den Metallblock (14) dienenden Käfigkörpern (25), die in Rillen im Boden des Schutzrohres (16) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Käfigkörper (25) aus Keramik bestehen und das Schutzrohr (16) aus einem faserverstärkten, keramischen Werkstoff besteht und lösbar in der Induktionsspule (12) befestigt ist.
2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen, zylindrischen Käfigkörper (25) ungekühlt sind.
3. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Käfigkörper (25) aus keramischen Carbiden, Nitriden oder Oxiden bestehen.
4. Schutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen, zylindrischen Käfigkörper (25) aus hochgesintertem Aluminiumoxid bestehen.
5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen, zylindrischen Käfigkörper (25) durch einen Hochtemperatur-Kleber in den Rillen in dem Schutzrohr (16) eingeklebt sind.
6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen, keramischen Käfigkörper (25) durch Keramik-Kleber in die Rillen in dem Schutzrohr (16) eingeklebt sind.
7. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen, zylindrischen Käfigkörper durch Vollstäbe gebildet werden.
8. Schutzvorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen, zylindrischen Käfigkörper durch Rohre gebildet werden.
9. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen, zylindrischen Käfigkörper (25) durch mehrere, linienförmig hintereinander angeordnete keramische Käfigelemente (25a) gebildet werden.
10. Schutzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gegen die Transportrichtung der Metallblöcke (14) gerichteten Stirnflächen der Käfigelemente (25a) an ihrem äußerem Umfang ringförmig abgeschrägt sind.
11. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in das Schutzrohr (16) ein Anschlag (29a) für die Anlage der keramischen, zylindrischen Käfigkörper (20) integriert ist.