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Vorrichtung zum Erhitzen von Körpern vorzugsweise auf Temperaturen
von über 2000'C
Zur Erreichung sehr hoher Temperaturen in Vakuumöfen werden
hauptsächlich zwei Beheizungsarten verwendet: die elektrische Widerstandsheizung
und die Induktionsheizung. Die Widerstandsheizung ist einfach und mit relativ geringen
Anlagenkosten verbunden. Ihr Nachteil liegt in der raschen Abnutzung der Heizkörper
bei hohen Temperaturen, weshalb es notwendig ist, den Heizleiter häufig zu ersetzen.
Demgegenüber hat der Induktionsofen den Vorteil, daß eine Induktionsheizspule praktisch
unbegrenzt haltbar ist. Ziemliche Schwierigkeiten bereitet bei Induktionsöfen jedoch
die Tiegelfrage.
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Bisher wurden vorzugsweise keramische Tiegel und Tiegel aus Graphit
verwendet. Versucht man mit diesen Tiegeln auf sehr hohe Temperaturen von beispielsweise
über 20Q0° C zu kommen, wie dies z. B. für die Karburierung oder für die Herstellung
von Sinterkörpern aus hochschmelzenden Karbiden oder auch zum Erschmelzen von Karbiden
nötig ist, dann tritt eine Reihe unangenehmer Erscheinungen auf. Bei den keramischen
Tiegeln zeigt sich, daß sie den thermischen Beanspruchungen bei sehr hohen Temperaturen
nicht gewachsen sind und zur Rissebildung neigen. Viele keramische Tiegelbaustoffe
geben zudem unerwünschte chemische Reaktionen, wenn sie mit dem Glühgut bei den
hohen Temperaturen in Berührung kommen. Außerdem können keramische Tiegel nur zur
Erhitzung von elektrisch leitendem Gut verwendet werden, da in den elektrisch nichtleitenden
Tiegelwänden selbst keine Heizströme induziert werden können.
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Der geeignetste Tiegelwerkstoff zum Glühen und Schmelzen von Stoffen
bei höchsten Temperaturen wäre Graphit, soweit diese Stoffe mit dem Graphit nicht
reagieren. Graphittiegel sind elektrisch leitend und werden daher durch das Induktionsfeld
der Spule aufgeheizt, so daß mit ihnen auch das Erhitzen von elektrisch nichtleitendem
Gut möglich ist. Solche Graphittiegel können nun zwar für kleine Dimensionen frei
tragend, d.. h. ohne Stützmaterial gegenüber den umgebenden Spulenwindungen verwendet
werden, da in diesem Falle die Abstrahlungsverluste nicht groß sind. Für größere
Tiegel ist jedoch meistens eine Umkleidung mit keramischem Material erforderlich,
derart, daß die keramische Umkleidung sich an den Windungen der Spule abstützen
kann. Diese keramische Umkleidung dient zugleich als Strahlungsschutz für die Spule.
gegen .die Wärmestrahlung der äußeren Tiegelwand. Wenn man mit einer solchen bekannten
Anordnung Temperaturen von über 200Q° C erreichen will, ergeben sich große Schwierigkeiten,
weil fast alle oxydkeramischen Materialien mit Kohlenstoff chemisch reagieren und.
weil die verschiedene Wärmeausdehnung von Graphit und Keramik leicht zu Brüchen
führt. Man suchte die letztgenannten Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, daß man
eine so dicke Graphitisolationsschicht zwischen- Tiegel und keramischer Spulenauskleidung
einbaute;, dä.ß die Temperatur an der Berührungsstelle zwischen der äußeren Graphitgrießschicht
und der Spuleriauskleidung genügend niedrig war. Dadurch wurde aber, nun der zur
Verfügung stehende Nutzraum innerhalb der Ofenspule beträchtlich reduziert und die
Energieübertragung erschwert. Außerdem ist bei einer solchen Anordnung die Menge
des gasabgebenden Isolationsmaterials erheblich, wodurch es schwierig ist, in kurzer
Zeit ein gutes Vakuum zu erreichen.
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Zur Lösung der genannten Schwierigkeiten wird nun erfindungsgemäß
eine neue Vorrichtung zum Erhitzen von Körpern vorzugsweise auf Temperaturen von
über 2000° C mit einem in einer Induktionsheizspule angeordneten, von . körnigem
Wärmeisoliermaterial umgebenen Tiegel vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet
ist, da;ß ein im Innern des Hohlraumes der Induktionsheizspule angeordneter, aus
Stäben aufgebauter korbartiger= Behälter zur Aufnahme des vom Wärrrieisoliermaterial
umgebenen Tiegels dient. - " Durch den korbartigen Aufbau wird vor allem die Entgasung
des Isolationsmaterials sehr erleichtert und schreitet sehr rasch fort. Auf-diese
Weise wird rascher: als bei irgendwelchen anderen Anordnungen ein Hochvakuum erreicht,
was einen- wesentlichen technischen Fortschritt darstellt. Dieser ergibt sich, gleich
ob als Wärmeisolation Graphit,. Kohle oder ein keramisches Material verwendet wird.
-Graphit- und Kohle sind jedoch zu empfehlen, wenn Temperaturen von über
2000°
C erreicht werden sollen, wofür der erfindungsgemäße Ofen vorgesehen ist. Als weiterer
Vorteil ergibt sich, daß bei entsprechender Anordnung der Stäbe (parallel zur Achse
der Spule) eine bisher sehr unbequeme Beschränkung in-der Auswahl des Werkstoffes
für den Behälter für den Wärmeisolationsgrieß wegfällt. Würde dieser Behälter nämlich
in bekannter Weise mit ,geschlossener Wand ausgebildet, dann müßte er, wenn eine
störende Abschirmung des elektrischen Feldes der Spule vermieden. werden soll, aus
elektrisch nicht- oder schlecht leitendem Werkstoff bestehen. Solche ringzylindrische
Formkörper aus hochtemperaturbeständigen Isoliermaterialien, z. B. Berylliumoxyd,-
sind aber teuer, außerdem ist, sobald man sich mit dem Behältermaterial festgelegt
hat, man auch in der Wahl des Wärmeisolationsgrießes und des Tiegelmäterials nicht
mehr frei, da man die möglichen chemischen Reaktionen zwischen den Werkstoffen der
drei vorgenannten Bauteile bei den hohen Betriebstemperaturen berücksichtigen muß.
Nach der Erfindung dagegen wählt man den Werkstöff des Tiegels allein mit Rücksicht
auf das Glüh- bzw. Schmelzgut, wählt dann das dazu passende körnige Wärmeisoliermaterial
und schließlicch das passende Material für die Stäbe des Korbes, welches auch elektrisch
leitend sein darf. Auch teuere keramische Materialien können nach der Erfindung
für die Stäbe verwendet werden, denn die Stäbe liegen preislich immer noch wesentlich
günstiger als zylindrische Formkörper.
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Gleich welches Material man aus thermochemischen Gründen als das geeignetste
wählt, läßt sich die Korbkonstruktion realisieren, und stets erhält man den Vorteil
der guten Entgasbarkeit.
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Wenn für die Stäbe elektrisch leitendes Material genommen wird, muß
die Konstruktion so getroffen werden, daß die Wirbelstromverluste möglichst gering
bleiben.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die für hohe Temperaturen
von über 2000° C besonders geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß sowohl
der, Wärmeisolationsgrieß als auch der Korb im wesentlichen aus Graphit oder Kohle
bestehen.
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Die Erfindung unterscheidet sich wesentlich gegenüber -einem älteren
Vorschlag, die Spulenwindungen von Spulen für Hochvakuum-Induktionsöfen allseitig
in pulverförmige, den elektrischen Strom nicht- oder nur mäßig leitende Massen einzubetten,
deren Korngröße so gewählt ist, daß die linearen Abmessungen der Zwischenräume geringer
sind als die zehnfache mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle unter dem beim Betrieb
herrschenden Druck. Diese bekannte Maßnahme diente lediglich der elektrischen Isolierung
der Spule, um Spannungsüberschläge und Lichtbogenbildung au vermeiden. Vorliegende
Erfindung beabsichtigt dagegen, den eigentlichen Glühgutbehälter gegen Wärmeverluste
zu isolieren. Erfindungsgemäß wird mit Absicht eine Berührung des körnigen Isoliermaterials
mit der Induktionsspule vermieden.
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Durch. den Wegfall der Beschränkung in der Wahl des Werkstoffes für
den Wärmeisolationsgrieß und dessen Behälter ergeben sich in den einzelnen Anwendungsfällen
noch besondere Vorteile. Zum Beispiel erhält man einen größeren Nutzraum als bei
einer bekannten Konstruktion mit einem zylindrischen Behälter für den Isolationsgrieß
dann, wenn der Tiegel etwa aus verfahrenstechnischen Gründen aus Graphit oder Kohle
bestehen muß. Dann ist es nämlich, um chemische Reaktionen bei sehr hohen Temperaturen
zu vermeiden, zweckmäßig, auch für den Wärmeisolationsgrieß Graphit oder Kohle zu
wählen. Letzterer Umstand führt aber beim bekannten Stand der Technik zu folgendem
Dilemma: Entweder macht man den zylindrischen Kohlegrießbehälter auch aus Graphit
oder Kohle, was jedoch elektrisch ungünstig oder (bei geschlitztem Zylinder) mindestens
umständlich ist, oder man fertigt diesen Behälter aus einem Isoliermaterial (Oxydkeramik)
an, dann aber muß die Wärmeisolationsschicht so dick sein, daß an der Grenze zwischen
Kohlegrieß und Isoliermaterial die Temperatur genügend niedrig bleibt, um eine sonst
unvermeidliche chemische Reaktion zu verhindern. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung
dagegen benötigt man, da die Stäbe des Korbes auch aus Kohle bestehen können und
die Temperatur an der Berührungsstelle zwischen den Stäben und dem Wärmeisolationsgrieß
hoch sein darf, keine so dicke Wärmeisolationsschicht, was zu dem erwähnten größeren
Nützraum führt.
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Die Erfindung wird an Hand der Figuren, beispielsweise erläutert:
Fig. 1 stellt einen erfindungsgemäßen Tiegel -für Glühbehandlungen in einem achsenparallelen
Schnitt dar; Fig. 2 gibt einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 1.
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Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Tiegel, der sich in einem
Vakuumofen befindet, bedeutet 1 eine massive Bodenplatte aus Kohle bzw. Graphit,
welche zwecks thermischer und elektrischer Isolierung mit einer Platte 2 aus Quarzgut
unterlegt sein kann. Die Platte 1 weist Bohrungen 3 auf, in welche Kohle-bzw. Graphitstäbe
4 lose hineingesteckt sind. Die Stäbe bilden in ihrer Gesamtheit eine Art Korb und
werden am oberen Rande durch einen Kohle- bzw. Graphitring 5 gehalten, welcher ebenfalls
mit entsprechenden Bohrungen versehen ist.
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In dem so gebildeten Korb ist Kohle- oder Graphitgrieß eingefüllt.
Der Zwischenraum zwischen den Stäben ist so bemessen, daß der Grieß niccht herausfallen
kann. Zweckmäßig ist beispielsweise ein Stababstand von 1 mm und eine Grießkörnung
von 2 bis 3 mm. In den Grieß eingebettet liegt ein Tiegel 8, welcher ebenfalls aus
Kohle oder Graphit bestehen kann, in manchen. Fällen aber, metallurgischen Gesicchtspunkten
entsprechend, auch aus einem anderen hochschmelzenden Werkstoff angefertigt sein
kann. In diesen Tiegel wird das zu erhitzende Gut eingebracht. Der Tiegel 8 wird
bei Sinter- und Karburierungsvorgängen oben durch einen lose aufgesetzten Deckel
9 verschlossen, welcher nur eine Beobachtungsöffnung 10 mit lose angesetztem Graphit-
oder Kohlerohr 11 besitzt. Im übrigen ist der Tiegel 8 völlig mit Kohlegrieß überdeckt,
also vollständig eingebettet.
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Im Bereich des Tiegels 8 ist der aus den Stäben 4 gebildete Korb von
einer Induktionsheizspule 12 umgeben. Diese kann aus mehreren Windungen eines kühlwasserdurchströmten
Kupferrohres bestehen.
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Beim Betriebe wird der elektrisch leitende Kohle-bzw. Graphittiegel
8 durch Induktionsströme auf höchste Temperaturen gebracht. Im Kohle- bzw. Graphitgrieß
dagegen bilden sich keine nennenswerten Induktionsströme aus, weil der elektrische
Widerstand relativ hoch ist. Auch in den Stäben 4 werden keine starken Induktionsströme
erzeugt, weil keine geschlossenen Wirbels.trombahnen vorhanden sind. Die Bodenplatte
1 bzw. -der Ring 5 liegen schon so weit außerhalb des induzierenden Feldes. der
Spule, daß keine besondere Erhitzung dieser Teile auftritt. Nötigenfalls kann der
Ring 5- an einer Stelle durch einen radialen Schlitz unterbrochen sein, um die Ausbildung
eines
geschlossenen Wirbelstromkreises im Ring 5 zu vermeiden.
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Die Einblicköffnung 10 mit Rohr 11 dient hauptsächlich zur pyrometrischen
Temperaturmessung.
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Die beschriebene Vorrichtung ist leicht zu demontieren und zusammenzubauen.
Beim Zusammenbau werden zuerst die Stäbe 4 in die Bodenplatte l gesteckt und der
Ring 5 aufgesetzt. Der so gebildete Korb wird mit Kohlegrieß bis zu einer gewissen
Höhe aufgefüllt. Der eigentliche, mit dem Glühgut gefüllte Tiegel 8 wird eingesetzt,
mit dem Deckel verschlossen und weiter bis zur Höhe des Ringes 5 mit Grieß gefüllt.
Der ganze Aufbau ist ohne innere Spannungen und kann der Wärmeausdehnung der einzelnen
Teile ohne weiteres nachgeben. Bei erfindungsgemä em Aufbau kann der Korb mitsamt
dem Tiegel 8 und der Wärmeisolation als Ganzes aus der Spule 12 ohne Gefahr einer
Beschädigung herausgenommen und wieder in sie eingesetzt werden, wodurch eine Umstellung
auf andere Arbeitsverfahren innerhalb kürzester Zeit durchgeführt werden kann.
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In Fig.3 ist eine Variante der Erfindung dargestellt. Hier bezeichnet
13 die Bodenplatte, welche die Stäbe 14 des Korbes an ihrem unteren Ende festhält.
Am oberen Ende werden die Stäbe durch den Ring 15 zusammengehalten. Der Zwischenraum
zwischen Tiegel 16 für das Glühgut 16 und dem durch den Korb gebildeten äußeren
Mantel ist wiederum mit Graphit- oder Kohlegrieß ausgefüllt. An Stelle einer einfachen
Platte als Tiegelverschluß ist aber folgende Anordnung getroffen: auf dem äußeren
Teil des oberen Randes des Tiegels 16 ruht ein kurzer Graphitzylinder 17 auf. In
diesen Zylinder hinein paßt genau ein ebenfalls aus Graphit bestehendes Gefäß mit
zylindrischer Wand 18 und Boden 19. Dieses Gefäß ist mit Graphitgrieß 20 gefüllt
und dient als Verschluß für den Tiegel 16. Eine Beobachtungsöffnung 21 im Boden
19 mit einem entsprechenden Rohr 22 kann vorhanden sein.
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Diese Anordnung nach Fig. 3 hat den Vorteil, daß der Tiegel geöffnet
und geschlossen werden kann, ohne daß Isolationsgrieß hineinrieselt. Es ist bei
dieser Anordnung nicht notwendig, zuerst einen Teil des Graphitgrießes zu entfernen,
um Zugang zum Glühgut zu haben.
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Wenn, wie im Falle des Beispiels der Fig. 3, die Stäbe 14 aus einem
elektrisch leitenden. Material bestehen und parallel zur Spulenachse angeordnet
sind, wobei die Halteorgane für die Stäbe im wesentlichen außerhalb des induzierenden
Feldes der Spule liegen, werden geschlossene Wirbelstrombahnen vermieden.
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Es ist offensichtlich, daß noch mehrere weitere Varianten der Erfindung
möglich sind, welche alle von dem Gedanken ausgehen, daß als Behälter für das den
Tiegel umgebende körnige Wärmeisoliermaterial ein aus Stäben aufgebauter Korb vorgesehen
ist, wodurch die Entgasung ganz wesentlich erleichtert wird.
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Die Form des Tiegels für das Glühgut und die praktische Ausgestaltung
seines Verschlusses sind dabei von untergeordneter Bedeutung.
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Mit der Vorrichtung nach der Erfindung werden leicht Temperaturen
von 3000° C und mehr für Tiegel von 100 mm Durchmesser im Dauerbetrieb erreicht.