DE202021004265U1 - Device for inductive heating of metal goods - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallgut, insbesondere Aluminiumstangen oder -blöcken, umfassend eine Anordnung von Induktionsspulen, die aus Wicklungen von Stromleitern (31) gebildet sind und eine Durchführung (6) für die zu erwärmenden Stangen oder Blöcke begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleiter (31) durch massive Vollprofile gebildet sind, wobei Mittel zum Kühlen der Induktionsspulen (2) angeordnet sind. Device for the inductive heating of metal goods, in particular aluminum bars or blocks, comprising an arrangement of induction coils which are formed from windings of current conductors (31) and delimit a passage (6) for the bars or blocks to be heated, characterized in that the current conductors (31) are formed by solid full profiles, with means for cooling the induction coils (2) being arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallgut nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.The invention relates to a device for the inductive heating of metal goods according to the preamble of
Vorrichtungen zur induktiven Erwärmung von Metallgut, sogenannte Induktionsöfen, sind seit Jahrzehnten bekannt. Sie werden eingesetzt, um Metalle auf effiziente Art und Weise zu erwärmen oder zu schmelzen.Devices for the inductive heating of metal goods, so-called induction furnaces, have been known for decades. They are used to efficiently heat or melt metals.
Die prozesstechnischen Anforderungen der Temperaturführung bei der Erwärmung von Metallblöcken bzw. -bolzen zur Umformung sind in den letzten Jahren stetig gestiegen. Die richtige Blocktemperatur ist von zentraler Bedeutung für einen wirtschaftlichen und qualitätsgerechten Strangpressbetrieb. Die Problematik des Anwärmprozesses unterscheidet heute in der Regel zwei Teilaufgaben: Die Erwärmung des Bolzens auf Prozesstemperatur und die Erzeugung eines axialen Blocktemperaturprofils (Taper), welches die Erwärmung während des Umformprozesses derart kompensiert, dass ein isothermer Pressprozess erreicht wird. Zur Erwärmung der Metallblöcke werden unter anderem Induktionsanlagen eingesetzt, bei denen die für die Erwärmung erforderliche Energie direkt in den zu erwärmenden Metallblock induziert wird, so dass das gewünschte Wärmeprofil unmittelbar in dem Metallblock entsteht, wodurch eine besonders effiziente Weise der Erwärmung bewirkt ist. Hierzu sind mehrere Induktionsspulen angeordnet, die jeweils über eine zugeordnete Wechselstromversorgung verfügen.The process technology requirements for temperature control when heating metal blocks or billets for forming have increased steadily in recent years. The right billet temperature is of central importance for an economical and quality-oriented extrusion operation. The problem of the heating process today usually distinguishes between two subtasks: heating the billet to the process temperature and generating an axial billet temperature profile (taper), which compensates for the heating during the forming process in such a way that an isothermal pressing process is achieved. To heat the metal blocks, induction systems are used, among other things, in which the energy required for heating is induced directly into the metal block to be heated, so that the desired heat profile is created directly in the metal block, resulting in a particularly efficient way of heating. For this purpose, several induction coils are arranged, each of which has an associated AC power supply.
Der elektrische Wirkungsgrad der Induktionsanlage ist entscheidend für eine effiziente Erwärmung des Metallgutes. Dieser wird definiert durch die Nutzwärme in Relation zur eingesetzten elektrischen Energie. Die Differenz entspricht im Wesentlichen den Verlusten der Induktionsspulen.The electrical efficiency of the induction system is crucial for efficient heating of the metal goods. This is defined by the useful heat in relation to the electrical energy used. The difference essentially corresponds to the losses of the induction coils.
Bei einem geringen Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit der Induktionsspule (Kupfer) zu dem zu erwärmenden Metallgut (beispielsweise Aluminium) ist der elektrische Wirkungsgrad gering. Zur Optimierung des elektrischen Wirkungsgrades werden mehrlagige Spulenwicklungen vorgesehen, um eine hohe magnetische Flussdichte im zu erwärmenden Metallgut zu erzeugen. Ab einer bestimmten radialen Lagenzahl der Spule ist keine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrads mehr erzielbar, da der Abstand zwischen dem Metallgut und der äußeren radialen Lagen zu groß wird. Zum Wickeln der mehrlagigen Spulen werden daher rechteckige Kupferprofile verwendet, die möglichst flach ausgeführt sind.With a low ratio of the electrical conductivity of the induction coil (copper) to the metal to be heated (for example aluminum), the electrical efficiency is low. In order to optimize the electrical efficiency, multi-layer coil windings are provided in order to generate a high magnetic flux density in the metal to be heated. Above a certain number of radial layers of the coil, no significant improvement in efficiency can be achieved since the distance between the metal material and the outer radial layers becomes too large. For this reason, rectangular copper profiles that are designed to be as flat as possible are used to wind the multi-layer coils.
Problematisch bei einer ungekühlten Spule sind die auftretenden Verluste, die zu einer thermischen Belastung führen. Um die Spulen zur Blockerwärmung vor einem Schaden zu bewahren sind diese durch eine geeignete Kühlung zu schützen. Neben dem durch den erzeugten Wärmestrom wirkt auf die Spule außerdem ein Wärmestrom vom erwärmten Block ein. Obwohl die innere Spulenlage durch eine Isolationsschicht vom erwärmten Block thermisch getrennt wird, ist dieser Wärmestrom in der Regel nicht vernachlässigbar. Die Summe beider Wärmeströme, die Spulenverluste und die Wandverluste sind durch die Kühlung abzuführen.A problem with an uncooled coil is the losses that occur, which lead to thermal stress. In order to protect the coils for block heating from damage, they must be protected by suitable cooling. In addition to the heat flow generated by the coil, a heat flow from the heated block also acts on the coil. Although the inner coil layer is thermally separated from the heated block by an insulating layer, this heat flow is usually not negligible. The sum of both heat flows, the coil losses and the wall losses are to be dissipated by the cooling.
Daher werden zum Wickeln der mehrlagigen Spulen rechteckige Kupferhohlprofile verwendet, die neben dem elektrischen Strom auch einen Kühlmittelstrom leiten. Das Kühlmittel, in der Regel Kühlwasser, steht im unmittelbaren Kontakt zum Stromleiter.For this reason, rectangular hollow copper profiles are used to wind the multi-layer coils, which also conduct a flow of coolant in addition to the electrical current. The coolant, usually cooling water, is in direct contact with the conductor.
Die minimale Bauhöhe dieser Kupferhohlprofile ist durch die innere Hohlkammer für die Kühlmitteldurchleitung bestimmt. Wird die Hohlkammer zu flach gewählt, ist das Kupferhohlprofil im Betrieb empfindlich für Verstopfungen, sodass die Kühlfunktion nicht mehr erfüllt wird. Außerdem ist der hydraulische Widerstand bei einer flachen Hohlkammer hoch, womit der erforderliche Druck steigt. Hohe Drücke sind zur Spulenkühlung jedoch nicht wünschenswert, da diese Leckagen begünstigen können. Die Auslegung dieser mehrlagigen Spulen ist daher regelmäßig ein Kompromiss, bei dem Anforderungen der elektrischen Stromleitung und der Kühlmittelleitung zu erfüllen sind.The minimum overall height of these copper hollow profiles is determined by the inner hollow chamber for the coolant passage. If the hollow chamber is chosen too flat, the copper hollow profile is sensitive to blockages during operation, so that the cooling function can no longer be fulfilled. In addition, the hydraulic resistance is high with a flat hollow chamber, which means that the required pressure increases. However, high pressures are not desirable for coil cooling as they can encourage leakage. The design of these multi-layer coils is therefore regularly a compromise in which the requirements of the electrical power line and the coolant line have to be met.
Bei einer ungekühlten Spule ist die Leistungsdichte der Spule hingegen erheblich begrenzt. Um den Erwärmungsprozess in einer vorgegebenen Zeit zu realisieren, sind jedoch hohe Leistungsdichten erforderlich. Lange Aufwärmzeiten gehen mit der negativen Beeinträchtigung der Mikrostruktur, thermischen Ofenverlusten und einem großen Investitions- und Platzbedarf einher.In the case of an uncooled coil, on the other hand, the power density of the coil is considerably limited. In order to realize the heating process in a given time, however, high power densities are required. Long warm-up times are associated with the negative deterioration of the microstructure, thermal furnace losses and a large investment and space requirement.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallgut, insbesondere Aluminiumstangen oder -blöcken bereitzustellen, bei der der elektrische Wirkungsgrad der Induktionsspulen erhöht ist. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Schutzanspruchs 1 gelöst.This is where the invention aims to remedy the situation. The object of the invention is to provide a device for the inductive heating of metal goods, in particular aluminum rods or blocks, in which the electrical efficiency of the induction coils is increased. According to the invention, this object is achieved by a device having the features of the characterizing part of
Mit der Erfindung ist eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallgut, insbesondere Aluminiumstangen oder -blöcken, bereitgestellt, bei der der elektrische Wirkungsgrad der Induktionsspulen erhöht ist. Dadurch, dass die Stromleiter der Wicklungen durch massive Vollprofile gebildet sind, wobei die Mittel zum Kühlen der Induktionsspulen durch zwischen den Induktionsspulen angeordnete Kühlmittelleitungen gebildet sind, ist eine signifikante Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades erzielt. Bei einer hohen Lagenzahl bauen diese Vollprofile im Vergleich zum hohlen Kupferprofil platzsparend auf. Bevorzugt sind die Wicklungen aus massiven Flachleitern gebildet, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.The invention provides a device for the inductive heating of metal goods, in particular aluminum rods or blocks, in which the electrical efficiency of the induction coils is increased. Due to the fact that the current conductors of the windings are formed by massive full profiles, wherein the means for cooling the induction coils are formed by coolant lines arranged between the induction coils, a significant increase in the electrical efficiency is achieved. With a high number of layers, these solid profiles save space compared to hollow copper profiles. The windings are preferably formed from solid flat conductors which have a rectangular cross section.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zum Kühlen der Induktionsspulen durch Rohrleitungen gebildet, die zwischen den Wicklungen der Leiter der Induktionsspulen gewickelt sind. Hierdurch ist eine Kühlung der Spule bei gleichzeitig minimierter Bauhöhe der Spule erzielt.In a development of the invention, the means for cooling the induction coils are formed by pipelines that are wound between the windings of the conductors of the induction coils. This achieves cooling of the coil while at the same time minimizing the overall height of the coil.
In Ausgestaltung der Erfindung weisen die Leiter und die Rohrleitungen im Wesentlichen einen Kreisquerschnitt oder einen Rechteckquerschnitt auf. Hierdurch ist eine kompakte Wicklung der Leiter und Rohrleitungen ermöglicht.In an embodiment of the invention, the conductors and the pipelines essentially have a circular cross section or a rectangular cross section. This enables compact winding of the conductors and pipelines.
Eine effiziente Form zur Kombination der Strom- und Kühlleiter ist die Wicklung von Stromleitern mit rundem Querschnitt (Kupferlitzen) mit einem benachbarten wasserführenden Profil als Verbundwicklung. Hierbei kann eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung gegenüber der üblichen Wickelform beobachtet werden.An efficient form of combining the current and cooling conductors is the winding of current conductors with a round cross-section (copper strands) with an adjacent water-carrying profile as a compound winding. A considerable increase in efficiency compared to the usual winding form can be observed here.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zum Kühlen der Induktionsspulen durch Kühlringscheiben gebildet, in denen jeweils wenigstens ein Kühlkanal angeordnet ist und die zwischen den Induktionsspulen angeordnet sind. Hierdurch ist eine weiter minimierte Bauhöhe der Leiterwicklungen der Spule ermöglicht. Vorzugsweise sind die Kühlringscheiben aus einem metallischen Werkstoff oder aus Kunststoff hergestellt.In an alternative embodiment of the invention, the means for cooling the induction coils are formed by annular cooling disks, in each of which at least one cooling channel is arranged and which are arranged between the induction coils. This enables a further minimized overall height of the conductor windings of the coil. The cooling ring discs are preferably made of a metallic material or plastic.
Werden massive Flachleiter mit Rechteckquerschnitt für einen Wickelaufbau verwendet, die durch radiale oder durch axiale Kühlscheiben gekühlt werden, können hohe Leistungsdichten bei einem hohen Wirkungsgrad umgesetzt werden.If solid flat conductors with a rectangular cross-section are used for a winding structure, which are cooled by radial or axial cooling discs, high power densities can be implemented with a high level of efficiency.
Bevorzugt ist zwischen den Halbzwickeln wenigstens einer Induktionsspule eine Kühlringscheibe angeordnet. Hierdurch ist eine verbesserte Kühlleistung erzielt.A cooling ring disk is preferably arranged between the half gussets of at least one induction coil. This achieves an improved cooling performance.
In Weiterbildung der Erfindung ist wenigsten eine der Kühlringscheiben in Form einer gewickelten Rohrleitung mit Rechteckquerschnitt gebildet. Hierdurch ist eine flächige Kühlung bei gleichzeitig hoher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels erzielt, wodurch die Kühlleistung weiter verbessert ist.In a development of the invention, at least one of the cooling ring discs is in the form of a coiled pipeline with a rectangular cross section. As a result, planar cooling is achieved with a simultaneous high flow rate of the coolant, as a result of which the cooling capacity is further improved.
In Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine der Kühlringscheiben in Form einer Wendewicklung einer Rohrleitung mit Rechteckquerschnitt gebildet und weist einen radialen Spalt auf. Hierdurch ist eine Temperaturmessung eines von den Induktionsspulen umgebenen Metallguts mittels Pyrometer ermöglicht.In an embodiment of the invention, at least one of the cooling ring discs is formed in the form of a helical winding of a pipeline with a rectangular cross section and has a radial gap. This enables a temperature measurement of a piece of metal surrounded by the induction coils to be carried out using a pyrometer.
Unter eine Wendewicklung ist vorstehend eine Wicklung zu verstehen, bei der vor Vollendung einer Kreisbahn die Wicklungsrichtung umgekehrt wird, wonach die folgende Wicklung in umgekehrter Richtung auf die vorangehende Wicklung aufgelegt wird. Im Gegensatz hierzu wird bei einer „normalen“ Wicklung die Wickelrichtung lediglich einmal geändert, um beide Enden der Leitung nach außen zu führen.A turning winding is to be understood above as a winding in which the winding direction is reversed before a circular path is completed, after which the following winding is placed in the opposite direction on the preceding winding. In contrast, with a "normal" winding, the winding direction is only changed once to lead both ends of the cable outwards.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Enden der Rohrleitung abgewinkelt und parallel zueinander radial an die Kühlringscheibe angestellt. Hierdurch ist ein zentraler Anschluss einer Kühlmittelumwälzeinrichtung ermöglicht.In a further embodiment of the invention, the two ends of the pipeline are angled and placed radially parallel to one another on the annular cooling disk. This enables a central connection of a coolant circulation device.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Induktionsspulen von einer elektrischen Spannung mit einer Frequenz von wenigstens 150 Hz gespeist. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch ein besonders hoher elektrischer Wirkungsgrad erzielbar ist. Bevorzugt beträgt die Frequenz wenigstens 180 Hz, besonders bevorzugt wenigstens 250 Hz.In a preferred embodiment of the invention, the induction coils are supplied with an electrical voltage with a frequency of at least 150 Hz. It has been shown that a particularly high electrical efficiency can be achieved in this way. The frequency is preferably at least 180 Hz, particularly preferably at least 250 Hz.
Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
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1 die schematische Darstellung der Induktionsspulenanordnung einer Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallgut mit eingelegtem Aluminiumbolzen- a) in räumlicher Darstellung;
- b) in der Seitenansicht;
- c) in der Vorderansicht;
- d) im Längsschnitt A-A;
-
2 die schematische Darstellung einer Kühlringscheibe derInduktionsspulenanordnung aus 1 - a) in der Draufsicht;
- b) in Detaildarstellung des Ausschnitts A;
-
3 die schematische Darstellung einer Kühlringscheibe in einer geschlossenen Ausführungsform- a) in der Draufsicht;
- b) in Detaildarstellung des Ausschnitts A;
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4 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Induktionsspulenanordnung einer Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallgut in mit eingelegtem Aluminiumbolzen- a) in räumlicher Darstellung;
- b) in der Seitenansicht;
- c) in der Vorderansicht;
- d) im Längsschnitt A-A;
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5 die schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Induktionsspulenanordnung einer Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallgut mit eingelegtem Aluminiumbolzen- a) in räumlicher Darstellung;
- b) in der Seitenansicht;
- c) in der Vorderansicht;
- d) im Längsschnitt A-A.
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1 the schematic representation of the induction coil arrangement of a device for inductive heating of metal goods with inserted aluminum bolts- a) in spatial representation;
- b) in side view;
- c) in front view;
- d) in longitudinal section AA;
-
2 the schematic representation of a cooling ring disk of theinduction coil arrangement 1 - a) in plan view;
- b) detailed view of section A;
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3 the schematic representation of a cooling ring disc in a closed embodiment- a) in plan view;
- b) detailed view of section A;
-
4 the schematic representation of a further embodiment of an induction coil arrangement of a device for the inductive heating of metal goods with inserted aluminum bolts- a) in spatial representation;
- b) in side view;
- c) in front view;
- d) in longitudinal section AA;
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5 the schematic representation of a third embodiment of an induction coil arrangement of a device for the inductive heating of metal goods with inserted aluminum bolts- a) in spatial representation;
- b) in side view;
- c) in front view;
- d) in longitudinal section AA.
Die als Ausführungsbeispiel gewählte Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Metallgut ist im Wesentlichen durch einen Induktionsofen gebildet, der eine Anordnung von Induktionsspulen umfasst, die jeweils über eine Wechselstromversorgung gespeist sind. Jeder Stromversorgungskreislauf besteht aus einem Wechselrichter zur Bereitstellung der Wirkleistung sowie einem Kompensationskondensator zur Bereitstellung der Blindleistung. Dabei wird jeder Wechselrichter über einen Gleichrichter versorgt, der die elektrische Leistung vom Dreiphasenwechselstrom in Gleichstrom wandelt. Dabei kann jedem Wechselrichter ein Gleichrichter zugeordnet sein, oder es kann auch allen Wechselrichtern ein Gleichrichter zugeordnet sein. Der grundsätzliche Aufbau solcher Induktionsöfen ist dem Fachmann bekannt und beispielsweise in der
In
Die Spulen 2 sind jeweils aus einem Stromleiter 3 gewickelt, der aus Kupfer hergestellt ist und einen massiven, rechteckigen Querschnitt aufweist. Zur elektrischen Isolation sind die Stromleiter 3 in bekannter Art und Weise mit einem Isolationslack beschichtet. Beide Enden eines jeden Stromleiters 3 sind radial abgewinkelt, wodurch an jeder Spule 2 zwei nebeneinander radial versetzt positionierte Anschlussstücke 31 gebildet sind. Im Ausführungsbeispiel sind alle ersten Anschlusstücke 31 in einer Flucht und alle zweiten Anschlussstücke 31 versetzt zu diesen in einer Flucht angeordnet.The coils 2 are each wound from a
Die Kühlringscheiben 4 sind im Ausführungsbeispiel identisch ausgeführt. Sie sind kreisrund ausgebildet und aus einer Rohrleitung 5 gewickelt, die einen rechteckigen Hohlquerschnitt aufweist, wodurch ein Kanal 52 für den Durchfluss eines Kühlmittels gebildet ist. Die Wicklung der Rohrleitungen 5 ist in Form einer Wendewicklung ausgeführt, wobei das außen liegende Rohrleitungsende radial abgewinkelt ist. Das innenliegende Rohrleitungsende ist parallel zu dem außenliegenden Rohrleitungsende abgewinkelt und erstreckt sich entlang der Wendestellen 43 der Windungen 42 der Kühlringscheibe 4 bis zu dem außenliegenden Rohrleitungsende. Durch die beiden Rohrleitungsenden sind zwei beabstandet, parallel zueinander angeordnete, radial nach außen ragende Anschlusstücke 51 gebildet. Zwischen den Anschlussstücken 51 ist ein radialer Spalt 41 gebildet, der sich über die gesamte Breite der Kühlringscheibe 4 erstreckt. Die Gestaltung der Kühlringscheibe 4 ist in
An beiden Seiten eines Halbzwickels 21 einer jeden Spule 2 der Induktionsspulenanordnung 1 ist eine Kühlringscheibe 4 an dem Halbzwickel anliegend positioniert. Die Kühlringscheiben 4 sind derart ausgerichtet, dass die Anschlussstücke 51 um 90° versetzt zu den Anschlussstücken 31 der Spulen 2 in einer Flucht zueinander angestellt sind. Die Spulen 2 und die Kühlringscheiben 4 begrenzen eine zylindrische Durchführung 6 zur Aufnahme eines zu erwärmenden Metallbolzens 7.On either side of a
In
Im Ausführungsbeispiel nach
Im Ausführungsbeispiel gemäß
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R207 | Utility model specification | ||
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |