DE2315502A1

DE2315502A1 - ARRANGEMENT FOR INDUCTIVE HEATING OF METALLIC WORKPIECES WITH SMALL CROSS-SECTION DIMENSIONS COMPARED TO THE LENGTH, SUCH AS WIRES IN PARTICULAR

Info

Publication number: DE2315502A1
Application number: DE19732315502
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Berger; Anton Dipl Ing Lendl
Original assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Current assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Priority date: 1972-03-28
Filing date: 1973-03-28
Publication date: 1973-10-04
Also published as: AT323783B

Description

Anordnung zur induktiven Erwärmung metallischer Werkstücke mit im Vergleich zur Länge kleinen Ouerschnittabmessungen, wie insbesondere Drähte Dünne metallische Werkstücke, wie Drähte, lassen sich mit üblichen Zylinderspulen besonders bei größerem Durchsatz nur mit schlechtem Wirkungsgrad induktiv erwärmen, weil der Abstand zwischen Werkstück und der zylindrischen Spule nicht genügend klein gemacht werden kann. Letzteres ist deshalb nicht möglich, weil das Erwärmungsgut im Induktor nicht genügend genau geführt werden kann und weil zwischen Induktor und Werkstück samt eventuell mittransnortiertem Zunder ein ausreichender Spannungsabstand erforderlich ist. Auch lassen sich Spulen mit kleinem Durchmesser nur schwer herstellen.Arrangement for inductive heating of metallic workpieces with im Small cross-sectional dimensions compared to the length, especially thin wires metallic workpieces, such as wires, can be made particularly easy with conventional cylinder coils with higher throughput only heat inductively with poor efficiency, because the The distance between the workpiece and the cylindrical coil is not made small enough can be. The latter is not possible because the material to be heated is in the inductor cannot be guided with sufficient accuracy and because between inductor and workpiece together with any scale that may be transported, a sufficient voltage spacing is required is. Small diameter coils are also difficult to manufacture.

Die Erfindung vermeidet die angeführten Nachteile. Ihr Gegenstand ist nämlich eine Anordnung zur induktiven, vorzugsweise mit Mittelfrequenz (z. B. 500 Hz bis 500 kHz) erfolgenden Erwärmung metallischer Werkstücke mit im Vergleich zur Länge kleinen Querschnittabmessungen, wie insbesondere Drähte, e. B. Baustahldrähte, die gekennzeichnet ist durch einen quer zur Werkstück-Längsachse verlaufenden, mit einer oder mehreren Erregerwicklungen versehenen und vorzugsweise in sich geschlossenen magnetischen Pfad mit einem einen Abschnitt des Werkstückes von bestimmter Länge enthaltenden Luftspalt, der in seiner Weite dem Werkstück-Querschnitt bzw. dem größten vorkommenden WerkstUck-Querschnitt mit ausreichendem, die Längsbewegung des Werkstückes zulassendem Spiel angepaßt ist. Bei der Erfindung kann der den LuPtspalt enthaltende magretitche Pfad aiif gleichem Potential, wie das Werkstück liegen, also vorzugsweise geerdet sein, während seine Erregerspule(n) gegen ihn unschwer die erforderliche', gegebenenFalls sehr hohe Isolationsfestigkeit besitzen können.The invention avoids the disadvantages mentioned. Your subject is namely an arrangement for inductive, preferably with medium frequency (e.g. 500 Hz to 500 kHz) heating of metallic workpieces with in comparison for the length of small cross-sectional dimensions, such as in particular wires, e. B. structural steel wires, which is characterized by a transverse to the longitudinal axis of the workpiece, with one or more excitation windings provided and preferably self-contained magnetic path with a section of the workpiece of a certain length containing air gap, the width of the workpiece cross-section or the largest Occurring workpiece cross-section with sufficient, the longitudinal movement of the workpiece admissible game is adapted. In the invention, the the air gap containing magretitche path with the same potential as the workpiece, so preferably be earthed, while his excitation coil (s) against him is easy can have the required ', if necessary, very high insulation strength.

Ein weiterer durch die Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß die wegen der hohen Temperatur des Werkstückes meist erforderliche oder erwünschte thermische Isolation zwischen diesem und dem Induktor nun wesentlich leichter realisierbar ist.Another advantage achieved by the invention is that because of the high temperature of the workpiece mostly required or desired thermal insulation between this and the inductor can now be realized much more easily is.

Der zur besseren Ankopplung des WerkstUckes an die Erregerspule(n) bzw; zur Reldkonzentration und zum magnetischen RUckschluss dienendemagnetische PPad (Magnetkern) wird aus einem Kernmaterial gebildet, welches einerseits- eine hohe relative Permeabilität, möglichst 50, andererseits zur möglichst konzentrierten Leistungsübertragung eine hohe Sättigungsinduktion hat, hiebei aber sehr geringe Eigenverluste auPweist. r den Frequenzbereich bis etwa 20 kllz eignen -sich am besten lamellierte Kerne aus Spezialblechen mit Sättigungsinduktionen bis 24 kG und einer relativen Permeabilität von einigen Tausend und Blechstärken von 0,35 mm bis 0,05 mm. Wür die höheren Betriebsfrequenzen eignen sich vorzugsweise leicht bearbeitbare Massekerne aus Karbonyleisen mit einer relativen Fermeabilität von etwa 50. Durch die Wahl von diesen Frequenzen entsprechenden dünnen Blechen oder von Karbonyleisenkernen können die Kernverluste trotz der höheren Erregerfrequenzen -in tragbaren Grenzen gehalten werden.The one for better coupling of the workpiece to the excitation coil (s) respectively; magnetic ones used for field concentration and for magnetic return PPad (magnetic core) is formed from a core material which, on the one hand, is a high relative permeability, if possible 50, on the other hand to the most concentrated possible Power transmission has a high saturation induction, but very little Shows own losses. The frequency range up to about 20 kHz is best suited Laminated cores made of special sheets with saturation inductions up to 24 kG and one relative permeability of a few thousand and sheet thicknesses from 0.35 mm to 0.05 mm. Easily editable frequencies are preferably suitable for the higher operating frequencies Carbonyl iron mass cores with a relative fermeability of about 50. Avg the choice of thin sheets corresponding to these frequencies or of carbonyl iron cores the core losses can be within acceptable limits despite the higher excitation frequencies being held.

Die dem Werkstück gegenüberliegenden, den Luftspalt begrenzenden Flachen des magnetischen Pfades können mit einem abriebfesten Material, vorzugsweise einem abriebfesten sinterwerkstoff ausgekleidet werden, um eine direkte Berührung durch das Werkstück und damit Beschädigungen mit Sicherheit zu vermeiden.The surfaces opposite the workpiece and delimiting the air gap of the magnetic path can be made with an abrasion-resistant material, preferably one Abrasion-resistant sintered material lined to allow direct contact through to avoid the workpiece and thus damage with certainty.

Im Bereich des Laftspaltes bzw. Werkstückes kann sich der magnetische Pfad zur Erzielung einer Feldkonzentration verJüngen.In the area of the air gap or workpiece, the magnetic Taper path to achieve field concentration.

Mit Vorteil lassen sich zum Aufbau des magnetischen Pfades im Handel erhältliche E-Kerne aus entsprechendem Material benützen, die nach erfolgter Adaptierung, wie insbesondere Verkürzung des Mittelschenkels zwecks Erzielung des erforderlichen Luftspaltes, paarweise zusammengelegt werden. ur Erzielung der erforderlichen Breite des magnetischen Pfades werden im allgemeinen mehrere oder vieie solche Partre aneinandergefügt.Advantageously, it is possible to set up the magnetic path in the trade use available E-cores made of appropriate material, which after adaptation, such as, in particular, shortening the middle leg in order to achieve the required Air gap, be put together in pairs. To achieve the required width Of the magnetic path, several or many such parts are generally joined together.

Die Windungen der din majnctischen Pfad umschließenden Erregerspule(n) können aus wassergekühlten, vorzugqweise aus KupPer bestehenden Profilleitern hergestellt sein. Dadurch ist es möglich, die Abmessungen der erfindungsgemäßen Anordnung bei gegebener Leistung klein zu halten.The turns of the excitation coil (s) surrounding the majestic path can be made from water-cooled profile conductors, preferably made of copper be. This makes it possible to measure the dimensions of the arrangement according to the invention to keep the given performance small.

Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung. Das Werkstück bzw. Erwärmungsgut, etwa ein Baustahldraht von z. B. 8 mm Durchmesser, ist mit 1 bezeichnet.The drawing shows schematically an embodiment of an inventive Arrangement. The workpiece or material to be heated, such as a structural steel wire of z. B. 8 mm diameter, is denoted by 1.

Es befindet sich in einem z. B. 10 mm weiten Luftspalt eines mit 2 bezeichneten Magnetkernes. Dieser Luftspalt ist mit einer Auskleidung 3 aus einem abriebfesten Sinterwerkstoff versehen. Die Erregerspule, die aus einem wassergekühlten Kupferprofil hergestellt sein kann, ist mit 4 und ihre Isolation gegen den Magnetkern mit 5 bezeichnet. Der Magnetkern 2 verjüngt sich, wie man sieht,zti beiden Seiten des Luftspaltes zu diesem hin, damit sich eine günstige Feldverteilung um das Werkstück 1 ergibt. Der Magnetkern 2 ist im Ausführungsbeisniel aus sieben E-Kern- Paaren zusammengesetzt, wobei die Mittelteile der E-Kerne vorher soweit abgeschliffen wurden, daß ein Luftspalt von 10 mm entsteht, durch den ein Draht von 8 mm Durchmesser mit Spiel hindurchbewegt werden kann. Ist sowohl Kern als auch Werkstück geerdet, so kann selbst ein gelegentliches Streifen des Drahtes nicht zu elektrischen Störungen führen.It is located in a z. B. 10 mm wide air gap one with 2 designated magnetic core. This air gap is with a lining 3 from a provided with abrasion-resistant sintered material. The excitation coil, which consists of a water-cooled Copper profile can be made with 4 and its isolation from the magnetic core denoted by 5. As can be seen, the magnetic core 2 tapers on both sides of the air gap towards this, so that there is a favorable field distribution around the workpiece 1 results. In the exemplary embodiment, the magnetic core 2 consists of seven E core pairs put together, whereby the middle parts of the E-cores were sanded down so far, that an air gap of 10 mm is created through which a wire of 8 mm diameter with Game can be moved through. If both the core and the workpiece are earthed, then so Even an occasional strip of wire may not cause electrical interference to lead.

Als Erregerwicklung können grundsätzlich sowohl Außen- als auch, wie gezeichnet,Mittelschenkelwicklungen verwendet werden. Die letzteren sind im allgemeinen wegen der geringeren Streuung günstiger.As an excitation winding, both external and how drawn, center leg windings are used. The latter are in general cheaper because of the lower spread.

In einer konkreten Versuchsanordnung (drei Paare E-Kerne der Fa.In a specific test arrangement (three pairs of E cores from

Vogt, Material mit<ur - 50, Luftepaltweite 10 mm, Werkstück 3austahldraht 8 mm, axiale Luftspalterstreckung bzw. Kernbreite oder Induktorlänge 6 cm, Spitzeninduktion 5000 G, Kerngewicht ca. 2,25 kg) wurde mit einer Mittelschenkelwicklung mit einem Füllfaktor von 29 ffi sowohl bei einer Frequenz von 1.6 kHz als auch bei 2,3 kHz ein Wirkungsgrad von ca. 45 % erreicht. Das Werkstück 1 wurde dabei von Raumtemperatur auf etwa 4000 erwärmt. Von der zugeführten Leistung von etwa 900 W entfallen also ca. 400 W auf das Werkstück; von den restlichen 500 W sind etwa 50 W Kupferverluste; für die Eisenkernverluste verbleiben 450 W. Bei Verwendung einer Außenschenkeluicklung wurde hingegen bei einem Füllfaktor von 26% nur ein Wirkungsgrad von knapp 10% erreicht, obwohl bei dieser Wicklungsanordnung der Wickelraum wesentlich besser ausgenutzt werden kann. Der Grund liegt in dem wesentlich größeren Streufeld, das sich außerhalb der Wicklung ergibt.Vogt, material with <ur - 50, air gap width 10 mm, workpiece 3 steel wire 8 mm, axial air gap extension or core width or inductor length 6 cm, tip induction 5000 G, core weight approx. 2.25 kg) was wound with a center leg with a Fill factor of 29 ffi both at a frequency of 1.6 kHz and at 2.3 kHz an efficiency of approx. 45% is achieved. The workpiece 1 was at room temperature heated to about 4000. Of the supplied power of around 900 W, there is no need approx. 400 W on the workpiece; of the remaining 500 W are about 50 W copper losses; 450 W remains for the iron core losses on the other hand, with a fill factor of 26%, an outer thigh flexion was only one Efficiency of just under 10% achieved, although with this winding arrangement the winding space can be used much better. The reason lies in the much larger one Stray field that arises outside of the winding.

Auch die vorangeführten, bei einem Wirkungsgrad von 45% verzeichneten Eisenkernverluste von 450 W, bzw. ungefähr 200 W/kg, sind in Anbetracht einer Spitzeninduktion von nur 5.000 G im Vergleich mit den vergleichbaren Verlusten entsprechender Kernbleche sehr hoch. Z.B. haben die Blechsorten "Trafoperm N 2" und "Vacoflux zil der Firma Vakuumschmelze Hanau mit einer Blechstärke von 0,1 mm bzw. 0,05 mm wesentlich geringere Verluste, etwa 20 W/kg bis 40 W/kg bei 5.000 G und etwa 2 kHz. Das heißt, daß sich mit solchem Kernmaterial höchstens 1/5 (90W) der Verluste eines gleichschweren Karbonyleisenkernes (450 w) ergibt Betragen wider die Werkstück leistungen 400 W und die Kupferverluste 50 H so ergibt dies einen Wirkungsgrad von 400/(400+90+50)=74# Bei Verwendung dünnerer Bleche sind auch Wirkungsgrade von 80% erreichbar. Die Sättigungsinduktionen der genannten Blechmaterialien liegen bei 20 kG bzw. 24 kG.Also the previous ones, recorded with an efficiency of 45% Iron core losses of 450 W, or approximately 200 W / kg, are in consideration of peak induction of only 5,000 G in comparison with the comparable losses of corresponding core sheets very high. E.g. the sheet metal types "Trafoperm N 2" and "Vacoflux zil from the company Hanau vacuum melting with a sheet thickness of 0.1 mm or 0.05 mm is much smaller Losses, around 20 W / kg to 40 W / kg at 5,000 G and around 2 kHz. That is, yourself with such a core material no more than 1/5 (90W) of the losses of a carbonyl iron core of the same weight (450 w) gives amounts against the workpiece power 400 W and the copper losses 50 H this results in an efficiency of 400 / (400 + 90 + 50) = 74 # when using thinner ones Sheet metal can also achieve efficiencies of 80%. The saturation inductions of the sheet materials mentioned are 20 kG and 24 kG, respectively.

Faßt man die wichtigsten Werte der Versuchsanordnung zusammen und rechnet man jeweils auf andere Größen um, so kann man z.B. zu folgenden Werten gelangen: 1 kW 12 s 6 cm 4000 50000 G Versuchswerte 25 kW 12 s 150 cm " . Induktor verlängert 400 kW 3/4 s . ts 20.000 G Induktion (Spannung) erhöht " 1 s " 530° " geringerer Vorschub Die jeweils angegebene Länge ist sowohl der Vorschub in der jeweils angegebenen Zeit, als auch die Länge des Induktors, d.h. die Breite des Magnetkernes in Achsrichtung des Werkstückes. Der Verlängerung des Induktors auf das 25fache entspricht eine Erhöhung der Leistung auf das 25-fache. Der Erhöhung der Induktion auf das 4-fache entspricht eine Erhöhung der Leistung auf das 16-fache, soferne sich Strom und Spannung veruerfachen. Bei gleicher Induktorlänge kann man bei gleicher Leistung auch eine geringere Verschubgeschwindigkeit wählen, um eine höhere Ausgangstemperatur zu erreichen. (Letzte-Zeile der Tabelle).If one summarizes the most important values of the test arrangement and one converts each to other quantities, one can arrive at the following values, for example: 1 kW 12 s 6 cm 4000 50000 G Test values 25 kW 12 s 150 cm ". Inductor extended 400 kW 3/4 s. ts 20,000 G induction (voltage) increased "1 s" 530 ° "lower feed rate The specified length is both the feed rate in the specified time and the length of the inductor, ie the width of the magnetic core in the axial direction of the workpiece. The extension of the inductor to 25 times corresponds to an increase in power to 25 times. The increase in induction to 4 times corresponds to an increase in power to 16 times as long as the current and voltage increase. With the same inductor length, a lower displacement speed can also be selected for the same output in order to achieve a higher starting temperature. (Last line of the table).

Bei Verwendung der schon oben erwähnten Bleche würde sich die Leistung von etwa 400 kW zufolge der Verbesserung des Wirkungsgrades von 45 % auf 74 ffi auf etwa 240 kW veringern.When using the above-mentioned sheets, the performance would be of around 400 kW according to the improvement in efficiency from 45% to 74 ffi reduce to about 240 kW.

Wegen der beim dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehenen Feldkonzentration im Bereich des Werkstückes ist für dieses Beispiel der angenommene Wert einer Induktion von 20000 G hinsichtlich der anderen Teile des magnetischen Pfades vielleicht etwas zu hoch gegriffen, bzw. es könnte der Induktor unter sonst gleichen Bedingungen entsprechend-länger als 150 cm gemacht werden.Because of the field concentration provided in the illustrated embodiment in the area of the workpiece is the assumed value of an induction for this example of 20,000 G with respect to the other parts of the magnetic path, perhaps something too high, or the inductor could otherwise be the same accordingly-longer than 150 cm.

Claims

Pat entan's scents

1. Arrangement for inductive, preferably medium-frequency (e.g. B.

500 Hz - 500 kHz) heating of metallic workpieces with Small cross-sectional dimensions compared to the length, such as in particular wires, z. Bo structural steel wires, characterized by a crosswise to the workpiece longitudinal axis, provided with one or more excitation windings and preferably self-contained magnetic path with a section of the workpiece of a certain length containing air gap, the width of the workpiece cross-section or the largest Occurring workpiece cross-section with sufficient, the longitudinal movement of the workpiece admissible game is adapted.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the the Magnetic path containing air gap at the same potential as the workpiece is, so is preferably grounded, while his exciter column (s) against him have required, possibly very high insulation strength.

3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic path is built up from mass cores or from a suitable for such cores Material, preferably carbonyl iron, the relative permeability r) z. B.

is on the order of 50.

4. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic path constructed from electrical steel sheets only 0.1 mm thick or less is.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the workpiece opposite, the air gap delimiting surfaces of the magnetic path with an abrasion-resistant material, preferably an abrasion-resistant Sintered material are dressed.

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that that calibrate the magnetic path in the area of the air gap or workpiece to achieve a field concentration.

7. Arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the magnetic path consists of at least one, but preferably of several consists of joined pairs of E-cores.

8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that that the turns of the coil (s) exciting the magnetic path are made of water-cooled, are preferably made of udder existing profile ladders.

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