DE1045011B - Einphasiger Querfeldofen fuer die induktive Erwaermung von Werkstuecken - Google Patents

Description

Zur induktiven Erwärmung von axialsymmetrischen Stücken, wie Knüppeln, Stangen und Rohren, werden Längsfeld- oder Querfeldöfen verwendet.

Bei Längs- oder Ouerfeldöfen wird das Werkstück meist in einer zylindrischen Spule mit A_s Ampereleitern je cm Länge und einer bestimmten Frequenz ν untergebracht. Hat das Werkstück die Permeabilität μ und den spezifischen Widerstand ρ (Ohm mm²/m), so wird in jedem Quadratzentimeter der Mantelfläche des Werkstückes eine Oberflächenleistung

erzeugt mit

./Watt\
p 1 =

\ cm² /

a = 0,2 π

· _a η

νμ.

1000 ρ

Der Index L bezieht sich auf einen Längsfeldofen. Hierbei ist φι, eine Funktion von α mal den geometrischen Ausmaßen des Werkstückes. Mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad wird cpi,,Q Sr 0,5 angestrebt. Erhält man jedoch φι,,® < 0,5, so handelt es sich hier um einen Bereich, in dem die Rückwirkung der Wirbelströme vernachlässigbar ist.

Die Erfindung hat besondere Bedeutung für dünnwandige Rohre mit kleinem Außenradius R und Innenradius r. Innerhalb des Bereiches φι, < 0,5 gilt:

<PL,Q'

aR

Einphasiger Querfeldofen

für die induktive Erwärmung

von Werkstücken

Anmelder:

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, Västeras (Schweden)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Missling, Patentanwalt,
Gießen, Bismarckstr. 43

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 15. März 1956

Dr.-Ing. Ludvig Dreyfus, Västeras (Schweden),
ist als Erfinder genannt worden

würde. Dies trifft insbesondere auf dünnwandige Rohre zu. Bringt man nämlich ein solches Rohr unter in einem homogenen Querfeld mit der Feldstärke

also beispielsweise für Eisenrohre bei Temperaturen oberhalb dem Curiepunkt, wo μ und ρ ungefähr 1 ist, und beispielsweise R = 0,7 cm, r — 0,6 ~ 0,65 cm, ν = 10 kHz und α = 1,985 ist, wird

9l,q = 0,309 ~ 0,170

Bei unmagnetischen Rohren mit kleinen Abmessungen erhält man also auch mit den höchsten in umlaufenden Maschinen erzeugten Standardfrequenzen (10 kHz) keinen guten Wirkungsgrad, wenn die Wärmebehandlung im Längsfeldofen erfolgt.

Wenn man axialsymmetrische Werkstücke mit der Achse senkrecht zur Feldrichtung anordnet, so hat man es mit einem Querfeldofen zu tun. In dem Bereich, wo der Längsfeldofen φι, < 0,5 ergibt, ergibt der Querfeldofen mit derselben Feldstärke einen doppelt so großen Wert von φ, also rpQ = 2cp_L (der Index Q bezieht sich auf den Querfeldofen), vorausgesetzt daß der Querschnitt des Werkstücks kreisförmig oder ein gleichseitiges Vieleck ist. Der Querfeldofen arbeitet also in diesem Fall mit bedeutend höherem Wirkungsgrad als der Längsfeldofen.

Trotzdem kann man diesen Vorteil nicht in den Fällen ausnützen, wo die Temperaturverteilung ungleich sein so erhält man für jeden cm² der äußeren Mantelfläche des Rohres eine Oberflächenleistung, die (mit φ§ — 2φ£) sich mit der Winkellage des Oberflächenelements (s. Fig. 2 und 3 der Zeichnung) ändert gemäß

\moj

• α ρ φι, cos^ ψ =

ioo;

α ρ 9?Q (I + cos 2y>)

Hierbei ist angenommen, daß der größte Fluß durch das Rohr zwischen ψ = 0 und π geht. Die spezifische Leistung ist also nicht gleichmäßig verteilt, sondern sie ist 0 bei ψ = -^- und ψ = ~ und doppelt so groß wie die

Mittelleistung bei ψ = 0 und ψ = π. Wäre das Werkstück massiv oder hätte es kleinen Durchmesser, so würde die Wärmeleistung Zeit haben, die Temperaturunterschiede über dem Querschnitt auszugleichen. Bei dünnwandigen Rohren ist dies dagegen im allgemeinen nicht der Fall, wie durch Berechnungen nachgewiesen werden kann. Der Ungleichmäßigkeitsgrad der Temperaturverteilung ist also zu groß.

Erfindungsgemäß ist es jedoch möglich, bei kontinuierlichem Vorschub nicht rotierender Rohre in einem Einphasen-Querfeldofen eine hinreichend gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen. Zu diesem Zweck werden

80S 680/459

in Anknüpfung an bekannte. .Öfenformen mehrere Maßnahmen getroffen. Wie bekannt, kann ein Querfeld in einer sogenannten Haarnadelspule erzeugt werden, d. h. in einer langgestreckten Spule mit parallelen Seiten und mit aus der Vorschubrichtung abgewinkelten Spulenenden. Es ist auch bekannt, daß die Spulenseiten in lamellierte Joche eingebettet sind, die den Luftweg der Kraftlinien verkürzen und dadurch das Querfeld verstärken.

Gemäß der Erfindung ist die Spule in Längsrichtung in zwei gleichmütige, zusammenhängende oder getrennte Abschnitte aufgeteilt, die um 90° gegeneinander verdreht sind. In einer weiteren Ausgestaltung des Querfeldofens stehen besonders bei der Wärmung von dünnwandigen Rohren die Längen oder (und) die Feldstärken der beiden Abschnitte in einem solchen Verhältnis zueinander, daß die Länge I₁ des vorderen (auf der Beschickungsseite belegenen) Abschnitts so viel größer ist als die Länge I₂ des hinteren Abschnitts oder (und) die Feldstärke H über I₁ so viel größer ist als die Feldstärke H₂ über l_z, daß die Bedingung

Wahlweise kann die Spule aus zwei getrennten Haarnadelspulen bestehen, die gegeneinander um 90° in der Längsachse des Ofens versetzt sind. Diese Modifikationen sind in Fig. 4, 5 und 6 dargestePt. Um gleichmäßige Erwärmung der Werkstücke zu erreichen, müssen, besonders bei der Erwärmung von dünnwandigen schwachen Rohren, die aktiven Längen^ und I₂ oder (und) die Querfeldstärken H₁ bzw. H₂ so gewählt werden, daß die oben angegebene Gleichung wenigstens angenähert befriedigt wird. Für H₁ = H₂ gilt besonders

—h

h + e =

Ei

+ 1

angenähert erfüllt ist. Hierbei bedeutet

die Vorschubgeschwindigkeit,

35

/Watt sec \

0 die spezifische Wärme des Werkstückes,

\ cm³ ·"C y . ^r

/ Watt \

•Ä I 57^) die Wärmeleitzahl des Werkstückes.

\ cm C j

Die Zeichnung zeigt einige Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Ofen in perspektivischer Darstellung ohne Eisenmantel;

Fig. 2 und 3 sind Schnitte durch die Spule längs der Linien A-A bzw. B-B in Fig. 1, wobei auch ein Eisenjoch und ein rohrförmiges Werkstück mit dem Außenhalbmesser R und dem Innenhalbmesser rangedeutet sind. Die Richtungen der Feldstärken H₁ und H₂ sind durch Pfeile angezeigt und eine in der Einleitung erwähnte Winkellage ist angedeutet.

Fig. 4,5 und 6 stellen schematisch andere Ausführungen der Spule gemäß der Erfindung dar.

Die Ofenspule besteht aus einem Abschnitt 1 mit zwei parallelen Spulenseiten und einem Abschnitt 2, dessen Spulenseiten um 90° gegenüber den ersteren verdreht sind. Die Länge O₁ des Abschnittes 1 ist größer als die Länge I₂ des Abschnittes 2. Die Spule kann von einem magnetischen Joch 3 umgeben sein, dessen Form in Fig. 2 und 3 angedeutet ist. Gemäß Fig. 1 geschieht die Verdrehung durch Verbindungsstücke 4 zwischen den beiden Abschnitten, so daß hier die Stromführung nicht unterbrachen wird. Der Strom fließt in Richtung der Pfeile.

eh +e ^l° =2

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einphasiger Querfeldofen für die induktive Erwärmung von Werkstücken, wie Knüppeln, Stangen und insbesondere Rohren, die kontinuierlich durch eine Heizspule der Haarnadeltype mit geraden, parallelen Seiten und vorzugsweise länglich rechteckigem Querschnitt und mit abgebogenen Enden geschoben werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule in Längsrichtung in zwei gleichmittige, zusammenhängende oder getrennte, um 90° gegeneinander verdrehte Abschnitte aufgeteilt ist.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden geraden Abschnitte der Spule von lamellierten Eisenmanteln umgeben sind, die gegeneinander in gleicher Weise wie die Abschnitte verdreht sind.

3. Ofen nach Ansprach 1. oder 2 für induktive Erwärmung von kontinuierlich durchgeschobenen dünnwandigen Rohren mit kleinem Außenhalbmesser (R) und Innenhalbmesser (r), dadurch gekennzeichnet, daß die Länge I₁ des vorderen (auf der Beschickungsseite belegenen) Abschnittes so viel größer ist als die Länge I₁ des hinteren Abschnittes der Spule oder (und) daß die Feldstärke H₁ über I₁ so viel größer ist als die Feldstärke H₂ über I₂, daß die Bedingung

—k h

e —

+ 1

angenähert erfüllt ist, wobei
(R* + r*) '..

8λ

ν (—-γ die Vorschubgeschwindigkeit,

V see/

/ Watt sec \

c 5-S7T- die spezifische Wärme des Werkstückes

\ cm³°C j ^r

und

/ Watt
\ cm C

die Wärmeleitzahl des Werkstückes ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Buch von Curtis: »High-frequency Induction Hiating, 1950, S. 117 und 175.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© sog eioiim 11.55