DE3639973A1 - Vorrichtung zum behaelterlosen schmelzen von metallen oder legierungen - Google Patents
Vorrichtung zum behaelterlosen schmelzen von metallen oder legierungenInfo
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- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/02—Induction heating
- H05B6/22—Furnaces without an endless core
- H05B6/32—Arrangements for simultaneous levitation and heating
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum behälterlosen
Schmelzen und Erstarren von Metallen oder Legierungen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Experimentiervorrichtung,
die dazu dient, das Erstarrungsverhalten
aufgeschmolzener metallischer Legierungen unter
dem Gesichtspunkt reduzierter Keimbildung durch behälterloses
Prozessieren der Schmelze, insbesondere unter
Schwerelosigkeit, zu untersuchen.
In einer metallischen Probe, welche sich in einem äußeren
hochfrequenten Magnetfeld befindet, werden Wirbelströme
erzeugt, die zum Aufheizen der Probe führen. Die
pro Zeiteinheit in der Probe erzeugte Wärme P ist
proportional zu B:
Hierbei ist die magnetische Flußdichte.
Andererseits werden durch das Magnetfeld auch Kräfte
verursacht, welche die Probe in Richtung abnehmender
Flußdichte drängen. Diese Kraft ist proportional:
Zur stabilen berührungsfreien Positionierung der Probe
ist es bekannt, ein magnetisches "Quadrupolfeld" zu
benutzen, das durch mindestens ein Paar gegensinnig
stromdurchflossener Ringspulen erzeugt wird. Diese Ringspulen
sind auf entgegengesetzten Seiten des Schmelzbereichs
angeordnet. Eine Metallkugel (Probe), die
unter Schwerelosigkeit keinen weiteren zeitlich konstanten
äußeren Kräften ausgesetzt ist, wird in dem
Magnetfeld der beiden Spulen an dem Punkt fixiert bzw.
nach kleinen mechanischen Erschütterungen zu dem Punkt
zurückgedrängt, an dem das kombinierte Magnetfeld der
beiden Spulen am schwächsten ist. Hierbei befindet sich
die Metallprobe aber in einem Bereich, in dem der Betrag
der Flußdichte, und damit auch die durch Wirbelströme
erzeugte Wärme, am geringsten ist. Die bekannte
Vorrichtung ermöglicht zwar eine stabile Positionierung
der Probe im Schmelzbereich, jedoch ist ihre Heizleistung
sehr gering. Der Heizwirkungsgrad einer
solchen Spulenanordnung liegt nur bei etwa 2%. Die Vorrichtung
wird vornehmlich im Weltraum unter Bedingungen
der Schwerelosigkeit eingesetzt, wo nur begrenzte Energie,
z. B. aus Batterien oder Solarzellen, zur Verfügung
steht. Das Aufschmelzen einer Probe belastet daher die
Energiequelle erheblich. Außerdem ist die zum Schmelzen
benötigte Zeit sehr lang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Art zu schaffen, die einen wesentlich verbesserten
Wirkungsgrad hat und einen schnelleren Schmelzvorgang
ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmalen.
Nach der Erfindung ist außer der im wesentlichen zur
Positionierung dienenden Spulenanordnung mindestens
eine weitere Spule vorgesehen, die den Schmelzbereich
umgibt und mit einer Frequenz erregt ist, die von der
Frequenz, mit der die Spulenanordnung betrieben wird,
abweicht. Die weitere Spule dient als Heizspule zur berührungsfreien
induktiven Aufheizung der Probe. Sie ist
so angeordnet, daß sie ihre größte Flußdichte im
Schmelzbereich erzeugt, so daß die Energie dieser weiteren
Spule mit hohem Wirkungsgrad in Schmelzwärme umgesetzt
wird.
Die Unterschiedlichkeit der Frequenzen der jeweils von
der Heiz- und Positionierspule erzeugten Magnetfelder
gewährleistet, daß sich die beiden überlagerten Felder
an einzelnen Punkten des Schmelzbereiches nicht teilweise
gegenseitig aufheben. Damit es weiterhin in dem
Gesamtmagnetfeld nicht zu niederfrequenten Schwebungen
kommt, welche die Probe unter Umständen zu mechanischen
Schwingungen um ihre Gleichgewichtslage anregen können,
müssen die Erregerfrequenzen von Heiz- und Positionierspule
weit genug auseinanderliegen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, daß Heizung und Positionierung der Probe
unabhängig voneinander geregelt werden können.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beim Schmelzen
von Messingkugeln mit einem Durchmesser von etwa
1 cm ein Wirkungsgrad von ca. 30% bis 40% erreicht werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform der Vorrichtung,
Fig. 2 eine Darstellung des zur Positionierung der
Probe dienenden Magnetfeldes bei der Vorrichtung
nach Fig. 1 und
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite
Ausführungsform.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum behälterlosen
Schmelzen und Erstarren von Metallen oder Legierungen,
insbesondere unter Schwerelosigkeit. Sie ist
Bestandteil einer insbesondere im Weltraum einzusetzenden
Experimentiervorrichtung zur Untersuchung z. B. der
Keimbildung i unterkühlten Schmelzen, speziell unter
dem Gesichtspunkt reduzierter heterogener Keimbildung
durch Ausschaltung tiegelwandinduzierter Keimbildung.
Gemäß Fig. 1 ist eine kugelförmige Probe 10 aus Metall
oder einer Metallegierung im Schmelzbereich 11 frei
schwebend berührungsfrei angeordnet. Auf entgegengesetzten
Seiten der Probe 10 sind zwei parallele
Spulen 12, 13 angeordnet, deren gemeinsame Achse durch
den Mittelpunkt des Schmelzbereichs 11 hindurchgeht.
Die Spulen 12, 13 sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
kreisförmige Ringspulen mit jeweils nur
einer einzigen Wicklung. Beide Spulen sind elektrisch
in Reihe geschaltet und an eine gemeinsame Hochfrequenz-Stromquelle
14 angeschlossen, die durch die
Spulen einen Hochfrequenzstrom der Frequenz f₁ hindurchschickt.
Die Spulen 12, 13 könnten auch parallel
an die Hochfrequenz-Stromquelle 14 angeschlossen sein.
Wichtig ist, daß die Spulen 12, 13 gegensinnig stromdurchflossen
sind. Dies wird bei dem Ausführungsbeispiel
von Fig. 1 dadurch erreicht, daß die in Reihe
geschalteten Spulen 12, 13 gegensinnig gewickelt sind.
Wenn in der Spule 12 der Strom in Richtung des Pfeiles
15 fließt, also bei Betrachtung von oben im Gegenuhrzeigersinn,
fließt derselbe Strom in der Spule 13 in
Gegenrichtung, also bei Betrachtung aus derselben Richtung,
im Uhrzeigersinn.
Die bisher beschriebene Spulenanordnung aus den Spulen
12 und 13 erzeugt das in Fig. 2 dargestellte Magnetfeld,
das natürlich ein Wechselfeld ist, jedoch stets
im Schmelzbereich, in dem sich die Probe 10 befindet,
die geringste Flußdichte hat, so daß die Probe 10 in
diesem Bereich stabilisiert wird.
Gemäß Fig. 1 ist um den Schmelzbereich 11 die weitere
Spule 17 herumgelegt. Die Ebene der Spule 17 verläuft
also in der Mitte der Ebenen der Spulen 12 und 13 und
parallel zu diesen. Die Spule 17 umgibt den Äquator der
Probe 10, ohne die Probe zu berühren. Die aus einer
Windung bestehende ringförmige Spule 17 ist an die
Hochfrequenz-Stromquelle 18 angeschlossen, die eine
Frequenz f₂ erzeugt. Die Frequenz f₂ sollte zur Erzielung
einer großen Heizleistung höher sein als die Frequenz
f₁. Beide Frequenzen müssen einen solchen Abstand
voneinander haben, daß sie keine niederfrequenten
Schwebungen bilden können.
Während die Spulen 12 und 13 die Probe 10 positionieren
und im Schmelzbereich 11 stabilisieren, dient die Spule
17 ausschließlich als Heizspule. Die Stromstärken der
beiden Spulensysteme können unabhängig voneinander gesteuert
oder geregelt werden.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem jede der
drei Spulen 12, 13 und 17 aus mehreren Windungen besteht.
Die Spulen 12 und 13 sind in Reihe geschaltet,
jedoch gegensinnig gewickelt, so daß sie gegensinnig
von demselben Strom durchflossen werden. Die Wickelrichtungen
sind durch den Punkt 19 und das Kreuz 20
angedeutet. Die einzelnen Windungen sind in der dargestellten
Weise untereinander verbunden, wobei jeweils
Windungen, die in derselben Lage dargestellt sind,
spiralförmig übereinandergewickelt sind.
Die Spulen 12 und 13 bestehen jeweils aus drei koaxialen
Lagen, wobei die aus einer einzigen Lage bestehende
Spule 17 mit ihren äußeren Windungen 17 a in einen Hohlraum
der inneren Lage jeder Spule 12, 13 eindringt. Die
beiden Enden der Spule 17 überlappen sich also mit den
Spulen 12 und 13. Die Spule 17 hat in der Mitte ihrer
Länge den größten Durchmesser, so daß hier eine ringförmige
Ausbauchung gebildet wird, deren Durchmesser zu
den Enden hin abnimmt. Dadurch wird erreicht, daß alle
Spulenwindungen der Spule 17 annähernd den gleichen
Abstand vom Umfang der Probe 10 haben.
Die Spulen 12, 13 und 17 bestehen bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel aus Kupfer-Hohlrohren, die von
einem Kühlmedium durchströmt werden.
Claims (4)
1. Vorrichtung zum behälterlosen Schmelzen von Metallen
oder Legierungen, mit einer Spulenanordnung
aus mindestens zwei auf entgegengesetzten Seiten
eines Schmelzbereichs (11) angeordneten ersten
Spulen (12, 13), die gegensinnig und gleichphasig
von Hochfrequenzstrom einer ersten Frequenz (f₁)
durchflossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine den Schmelzbereich (11) umgebende
weitere Spule (17) vorgesehen ist, die von
Hochfrequenstrom einer von der ersten Frequenz
(f₁) unterschiedlichen zweiten Frequenz (f₂)
durchflossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Spulen (12, 13) und die
weitere Spule (17) sich teilweise überlappen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die ersten Spulen (12, 13)
mehrlagig ausgeführt sind und daß die weitere
Spule (17) mit mindestens einer Windung (17 a) in
einen Hohlraum der inneren Lage jeder ersten
Spule (12, 13) hineinragt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Spule
(17) um den Schmelzbereich (11) herum eine Ausbauchung
aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863639973 DE3639973A1 (de) | 1986-11-22 | 1986-11-22 | Vorrichtung zum behaelterlosen schmelzen von metallen oder legierungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863639973 DE3639973A1 (de) | 1986-11-22 | 1986-11-22 | Vorrichtung zum behaelterlosen schmelzen von metallen oder legierungen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3639973A1 true DE3639973A1 (de) | 1988-06-01 |
DE3639973C2 DE3639973C2 (de) | 1989-12-28 |
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ID=6314571
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863639973 Granted DE3639973A1 (de) | 1986-11-22 | 1986-11-22 | Vorrichtung zum behaelterlosen schmelzen von metallen oder legierungen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3639973A1 (de) |
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-
1986
- 1986-11-22 DE DE19863639973 patent/DE3639973A1/de active Granted
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Also Published As
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