DE395831C - Hochfrequenz-Induktionsofen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochtemperaturschmelzofen, in dem die Beheizung durch induzierte sekundäre Kurzschlußströme erfolgt, die durch eine mit hochfrequenten Wechselströmen gespeiste primäre Wicklung erzeugt werden.

Es sind bereits verschiedene Ofenformen vorgeschlagen worden, bei denen die Beheizung in dieser Weise durch induzierte Ströme erfolgt. Unter diesen Vorschlägen geht der eine dahin, daß ein luftleer gemachter Behälter mit einer Röhre aus Graphit oder Kohle versehen ist, in der eine Graphitspüle angeordnet, ist, durch die der Wechselstrom hindurchgeschickt wird. Innerhalb dieser Graphitröhre ist nach diesem Vorschlag ein Tiegel oder der zu erhitzende Gegenstand außer Kontakt mit der Spule angeordnet, so daß die von der Spule ausgestrahlte Wärme auf den Tiegel übertragen wird. Bei dieser Anordnung wird die Wärme, welche infolge des Stromdurchganges durch den Spulenwiderstand erzeugt wird, nach allen Richtungen ausgestrahlt und ist nicht auf das zu erhitzende Objekt konzentriert, während die Graphitröhre zwar einen Teil der Hitze zurückhält und dadurch die Temperatur wesentlich erhöht, aber andererseits durch Strahlung die Hitze so sehr zerstreut, daß es nicht möglich ist, sehr hohe Temperaturen zu erreichen.

Bei einer anderen Ofenform ist die sekundäre Wicklung aus einem metallenen Ringtiegel gebildet, der samt seinem Inhalt in einem ringförmigen Trog von feuerbeständigem Isoliermaterial konzentrisch innerhalb einer primären Wicklung mit Eisenkern angeordnet ist, die ähnlich wie eine Transformatorwicklung mit Wechselstrom gespeist wird, wobei das Ganze in eine luftleer gemachte Kammer eingeschlossen ist. Bei dieser Anordnung ist es zwar möglich, eine genügende Wärmemenge zu bekommen, die verhältnismäßig große Mengen von Eisen, Stahl u. dgl. leicht schmilzt, aber es ist vollständig unmöglich, sehr hohe Temperaturen zu erhalten wegen der großen Verluste an Wärme, die durch die verhältnismäßig großen Metallmassen absorbiert und ausgestrahlt wird, welche den Eisenkern für die Primär- und Sekundärwicklungen bilden, sowie wegen des verhältnismäßig großen Ab-Standes zwischen letzteren.

Bei einem weiteren Induktionsofen bildet der zu erhitzende Gegenstand das Sekundärglied der Induktionsvorrichtung und ist in einem luftleer gemachten Gefäß angeordnet, um welches die Primärwicklung außen herum liegt und mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist wird. Bei dieser Form erhält man zwar infolge der Anwendung der Hochfrequenzströme hohe Temperaturen, aber das Vorhandensein des die Induktionseinrichtung umschließenden Gehäuses begrenzt die Induktivkopplung und damit die erreichbaren Temperaturen, und manchmal wird dieses Gehäuse so heiß, daß es eine künstliche Außenkühlung verlangt, wodurch wieder eine weitere Einschränkung der erreichbaren Temperaturen eintritt.

Es ist ferner bei allen diesen bekannten Induktionsöfen unmöglich, eine rationelle Um-Wandlung der elektrischen Energie in Wärme zu erhalten, weil nur eine verhältnismäßig lose Kopplung zwischen dem primären Glied und der sekundären Wicklung erreichbar ist wegen

des großen Abstandes zwischen diesen und wegen der Nähe Wärme absorbierender und zerstreuender Massen. Infolgedessen sind bisher die mit Hochfrequenz erreichbaren Temperaturen durch die erreichbare Festigkeit der Kopplung scharf begrenzt worden, während darüber hinaus die Temperatur, auf welche die Primärwicklung durch Ausstrahlung der Wärme der Sekundärwicklung gesteigert wird, ίο ihrerseits wieder sowohl die Festigkeit der Kopplung beschränkt hat, die anwendbar ist, als auch die Frequenz und Spannung der elektrischen Energie, welche der Primärwicklung zugeführt werden kann mit Rücksicht auf die thermoionischen Kurzschlußentladungen zwischen den getrennten Windungen der Primärwicklung, wenn, diese eine bestimmte Temperatur erreicht. Tatsächlich war es nicht möglich, mit den bekannten Induktionsschmelzöfen Temperaturen wesentlich höher als 1500 ° C zu erreichen.

Demgegenüber ist die vorliegende Erfindung auf folgenden Erkenntnissen begründet: Es lassen sich sehr hohe Temperaturen, d. h. solche erheblich über 1500⁰ C, selbst bis 3000⁰ C, durch elektrische Induktion dann erreichen, wenn nur eine genügend feste Kopplung zwischen dem primären Glied und der Sekundärwicklung bei Anwendung von Strömen genügend hoher Frequenz und Spannung, beispielsweise einigen Tausend Volt bei 100 000 Wechseln, benutzt werden.

Bei einem hohen Vakuum entstehen die Wärmeverluste des Sekundärgliedes hauptsächlich durch Ausstrahlung und nur unmerklich durch Konvektion. Man kann eine sehr feste Kopplung dann anwenden, wenn man ein genügend hohes Vakuum benutzt und außerdem alle wärmeleitenden und zerstreuenden Massen aus der Nachbarschaft der Primärwicklung entfernt.

Es kann eine genügende Kühlung außen außerhalb der Primärwicklung selbst in einem hohen Vakuum erfolgen, um zu verhüten, daß die Primärwicklung so heiß wird, daß sie Thermoionen, aussendet, welche Kurzschlußentladungen zwischen ihren Windungen hervorrufen, und daß sie infolge der Überhitzung zusammenklappt.

Das Sekundärglied kann so fest durch die Primärwicklung umgeben werden, daß letztere, insbesondere wenn sie eng aneinanderliegende Windungen zeigt, als eine Wärme zusammenhaltende Hülle für die von dem Sekundärglied ausgestrahlte Hitze dient.

Die verhältnismäßig niedrige Temperatur der Primärwicklung erhöht wesentlich ihre stromführende Kapazität, so daß in Verbindung mit der Festigkeit der Kopplung, die hier möglich ist, und mit der Konzentration der Heizwirkung innerhalb einer verhältnismäßig kleinen isolierten Fläche eine vollständige Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme mit entsprechend hoher Temperatur erzielt wird.

Die Gegenwart heißer Körper, wie Wärmeschirme und Umgebungswände, wie sie bisher benutzt werden, macht die Erhaltung eines hohen Vakuums schwierig und verursacht Verunreinigungen des zu erhitzenden Metalls, weil aus diesen Umgebungskörpern Gase und andere flüchtige Bestandteile abgetrieben werden.

Gemäß der Erfindung wird das Sekundärglied in ganz engem Abstand zu der Primärwicklung angeordnet, die mit Hochfrequenzströmen gespeist wird, und die ganze Induktionsvorrichtung ist für sich allein in einem hochevakuierten Raum angeordnet, so daß eine sehr-feste Induktionskopplung möglich ist. Die Primärwicklung besteht vorteilhaft aus. einem einzigen gewundenen Draht mit eng aneinanderliegenden Windungen, während das zu erhitzende Metall auf oder in einem elektrisch leitenden Körper untergebracht ist, welcher das Sekundärglied bildet und innerhalb dieses schraubenförmig gewundenen Drahtes liegt. Der luftleer gemachte Behälter, in welchem Primärwicklung und Sekundärglied angeordnet sind, ist vorteilhaft so groß, daß seine Wandungen von der Primärwicklung so weit ab- stehen, daß sie sich außerhalb des Wirkungskreises der strahlenden Hitze befinden. Auf diese Weise bleibt der Behälter kühl, so daß es niemals nötig ist,. ihn künstlich zu kühlen, und es auch sehr leicht ist, die Luftleere in ihm zu erhalten, weil kein Gas durch das Wandmetall bzw. Glas diffundieren kann, wenn dasselbe kalt ist. Die Anfertigung des Behälters aus Glas ist auch vorteilhaft, weil man die Schmelzung beobachten kann.

Bei einem Ofen gemäß der Erfindung sind die Sekundärströme von solcher Größe, daß gepulvertes Uran, Vanadium, Titan, Wolfram, Zirkon und andere seltene Metalle und ihre Legierungen unter Aufwendung von verhältnismäßig geringer Energie zu vollständig kohärenten homogenen Massen von im wesentlichen nicht poröser Natur zusammengesintert bzw. geschmolzen werden können. Die Metalle können auch unmittelbar aus Verbindungen der Elemente durch chemische Reaktion erzeugt werden. Auch kann der Ofen dazu benutzt werden, Gase aus den Metallen freizumachen und ferner zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen. Soweit bekannt, hat bisher keine Methode einer reinen Wärmebehandlung einen kohärenten homogenen Metallniederschlag solcher seltenen Metalle und ihrer Legierungen erzielt.

Die Zeichnung zeigt schematisch einige Ausführungsbeispiele des neuen Ofens.

Abb. ι ist eine teilweise im Schnitt dar-

gestellte Ansicht der Ofenanlage mit Schaltschema für eine geeignete Leitungsanlage des Hochfrequenzstromes.

Abb. 2 ist eine Einzelansicht des Heizelementes nach Abb. i.

Abb. 3 ist eine abgeänderte Ausführungsform derselben, während

Abb. 4 ein Querschnitt nach IV-IV in Abb. ι ist.

ίο Abb. 5 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer geänderten Ausführungsform des Ofens.

In der Zeichnung ist ι der Behälter oder das Gefäß von Birnenform, vorteilhaft aus Glas oder anderem durchsichtigen Material. Der Behälter ist mit einem Rohr 2 versehen, an welches die Entlüftungsanlage, beispielsweise eine Diffusionspumpe, angeschlossen werden kann. Das Unterende des Behälters 1 ist mit einer Öffnung 3 versehen für einen Stopfen 4, der genau hineinpaßt und mittels Siegelwachs oder einem anderen dichten Material luftdicht verschließbar ist, wenn der Ofen in Betrieb ist.

In den Stopfen 4 sind Drähte 5 und 6 eingeschmolzen, deren Enden mit der Primärwicklung 7 verbunden sind, die in der Mittelachse des Behälters 1 angeordnet ist und aus einer einfachen Drahtwicklung mit eng aneinanderliegenden Windungen besteht. Ein Halter 8 aus Metall oder anderem Material ist getrennt von den Drähten 5 und 6 und der Wicklung 7 in den Stopfen 4 eingeschmolzen und trägt oben einen Titgel 9. Dieser Tiegel ist in ganzer Höhe und mit engem Abstande von der Wicklung 7 umgeben. Das zu erhitzende Metall 10 wird in den Tiegel eingebracht. Der Behälter 1 ist von solcher Form und von solcher Abmessung, daß seine Wandüngen von der Wicklung 7 so weit abstehen, daß die von dieser strahlende Wärme die Wandung nicht mehr in merkbarer Menge trifft, wenn der Behälter evakuiert ist. Wie ■ ersichtlich, ist das einzige Metall im Inneren dieses Behälters 1 die Primärwicklung 7, der Tiegel 9 mit Inhalt und der dünne Halter 8. Zur Lieferung des Hochfrequenzstromes kann jede geeignete Anlage dienen. Vorteilhaft ist folgende:

Ein Schwingungserzeuger n aus einem abgedichteten höher evakuierten Gefäß 12 hat am Boden eine Metallelektrode 13 eingeschmolzen, die durch einen Leiter 14 mit der Stromleitung 5 verbunden ist. Ein zweites Gefäß 15 > ist am Boden des Schwingungserzeugers ange- ^: ordnet, und der Zwischenraum 16 zwischen beiden Gefäßen ist mit Quecksilber gefüllt. Eine Elektrode 17 ist am Boden des Gefäßes 15 befestigt und durch einen Leiter 18 mit dem Leitungsdraht 6 verbunden. Ein Glasrohr oder sonstiges Isolierungsmittel umgibt den Teil des Drahtes 18, der nicht in das Quecksilber 20 in dem Innengefäß 15 taucht. Diese Ausbildung des Unterbrechers hat den Vorteil einer großen Oberfläche zwischen den beiden Quecksilbersäulen 16 und 20 für die Funkenentladung und ist für die Erzeugung hochfrequenter Ströme sehr wirksam.

Die als Induktanz wirkende Primärspule 7 in Reihe mit einer Kapazität 22 ist parallel mit dem Stromkreis 5 und 6 geschaltet, der über die Sekundärwicklung 23 eines Transformators 24 geschlossen wird; dieser ist mit einer geeigneten Wechselstromquelle verbunden, beispielsweise mit einem Generator von 110 Volt Spannung und 60 Wechseln oder einem entsprechenden Stromnetz.

Eine Gleichstromquelle 25 kann in dem Stromkreis vorgesehen werden und durch einen Schalter 26 o. dgl. nach Belieben in den Stromkreis ein- oder ausgeschaltet werden.

Statt des Tiegels 9 zur Aufnahme des Materials 10 nach den Abb. 1, 2 und 5 kann auch eine Scheibe 27 nach Abb. 3 an dem Halter 8 befestigt sein. In diesem Fall wird das Material in Form einer Scheibe aufgelegt, während eine zweite Scheibe 28 darübergelegt werden kann, doch ist letztere nicht wesentlich.

Die abgeänderte Ofenform nach Abb. 5 ist ähnlich der nach Abb. 1, mit der Ausnahme, daß die Leiter 5 und 6 der Primärwicklung 7 dauernd in dem einen Ende des Glasbehälters befestigt sind, während der Tiegel 9 bzw. die Scheibe 27 an dem Stopfen 4 befestigt sind, der herausnehmbar am anderen Ende des Behälters angebracht ist.

Der Betrieb des Ofens zum Zusammensintern von metallischem Wolfram ist folgender :

Wolframpulver, das nach irgendeiner bekannten Methode gewonnen sein kann, wird in einer geeigneten Form in die gewünschte Gestalt gepreßt und entweder in den Tiegel 9 eingebracht oder auf die Scheibe 27 aufgelegt, die mittels des Halters 8 an dem Stopfen 4 gehalten wird. Der Stopfen wird dann eingesetzt, und nach Abdichtung wird durch das Rohr 2 die Luft aus dem Behälter herausgepumpt. Dann wird der Schalter 26 geschlossen, so daß Strom durch die Wicklung 7 geht, um den Tiegel 9 oder die Scheibe 27 durch Strahlung anzuwärmen. Hierdurch werden die in dem Metall eingeschlossenen Gase ausgetrieben und gehen durch das Rohr 2 ab. Dann wird der Schalter 26 geöffnet und damit der Gleichstrom unterbrochen und der hochfrequente. Wechselstrom eingeschaltet, so daß der Strom über den Transformator 24, Unterbrecher 11 und Primärwicklung 7 geht. Infolgedessen werden hochfrequente Ströme von verhältnismäßig hoher Spannung durch die Primärwicklung 7

geschickt, und beispielsweise sind solche von 7000 Volt und 100 000 Wechseln mit Erfolg benutzt worden.

Die überaus raschen Pulsationen des Stromes in der Primärwicklung 7 bewirken eine intensive Erhitzung des Tiegels 9 bzw. der Scheiben 27 und 28 und damit auch des Materials ro durch Induktion, indem der Tiegel und das darin enthaltene Material das Sekundärglied des Stromkreises bilden. In ganz kurzer Zeit, in der Regel in wenigen Minuten, sintert das sehr hitzebeständige gepulverte Metall zusammen und bildet dann ein kohärentes, homogenes Stück metallischen Wolframs, das herausgenommen und in irgendeiner beliebigen Weise bearbeitet werden kann. Die Erhitzung geht außerordentlich rasch und intensiv vor sich, indem praktisch alle Energie des hochfrequenten Stromes auf das zu erhitzende Metali konzentriert ist.

Trotz der Verwendung so hochfrequenter Ströme in der Primärwicklung 7 entstehen keine Schwierigkeiten durch elektrische Entladungen zwischen den benachbarten und ganz eng zusammenliegenden Windungen. .In der Tat wird die durch die Wicklung gehende elektrische Energie so vollständig in Wärmeenergie in dem Sekundärglied umgewandelt, daß die Primärwicklung sehr selten, wenn überhaupt, bis höchstens auf Rotglut warm wird.

Dadurch, daß eine verhältnismäßig große Kammer in dem Behälter, vorzugsweise aus Glas, gebildet ist, wird einer unerwünschten Erwärmung desselben vorgebeugt, so daß er stets kalt bleibt. Infolgedessen ist es eine einfache Sache, das Vakuum zu erhalten, weil durch kaltes Glas keine Gase diffundieren können. Bei einem solchen Ofen hat das zu erhitzende Metall eine viel höhere Temperatur als die Primärwicklung, im Gegensatz zu den früheren Öfen, bei denen die Temperatur der Heizspule oder des Behälters, in dem die Erhitzung vor sich geht, die Temperatur des zu erhitzenden Metalles beschränkt hat.

Der Ofen kann den verschiedensten Zwecken dienen, beispielsweise zum Zusammensintern oder Schmelzen von Metallen, zur Wärmebehandlung von Metallen, um diese durch Austreibung von Gasen porenfrei zu machen, oder um ans Metallen Gase zum Zweck ihrer Analyse auszutreiben, oder um solche Legierungen zu bilden, bei denen Sicherheit gegen eine Verunreinigung bestehen muß, oder auch zur Durchführung von Hochtemperaturreaktionen. Die Erfindung ist naturgemäß in den Einzelheiten nicht auf die beschriebene Ausfüh-

rungsform beschränkt, es können vielmehr die weitgehendsten Änderungen im Rahmen der Erfindung getroffen werden. Beispielsweise braucht der Behälter, der die Ofenwandungen bildet, nicht notwendigerweise aus Glas zu sein, sondern er kann auch aus anderem hitzebeständigen oder feuerfesten, metallischen oder nichtmetallischen Material bestehen. Ferner können die Primärwicklung 7, der Tiegel 9 oder die Scheibe 27 anders abgestützt sein, vorausgesetzt nur, daß eine Anhäufung von Metallmassen im Inneren des Behälters 2 vermieden wird.

Statt der Anwärmung des Materials durch Gleichstrom kann naturgemäß auch niedrig frequenter Wechselstrom durch die Wicklung 7 oder durch eine den Behälter 1 umgebende Spule gelassen werden, oder es können sonstige geeignete Vorwärmungsmittel angewendet werden. Solche und ähnliche Abänderungen in den Einzelheiten und der Form des Ofens liegen im Rahmen der fachmännischen Tätigkeit.

Claims (5)

Patent-Ansprüche:

1. Hochfrequenz-Induktionsofen, dadurch gekennzeichnet, daß die Primäre zusammen mit der Sekundären in einem Gefäß mit hohem Vakuum untergebracht ist.

2. Hochfrequenz-Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primäre und Sekundäre sehr dicht aneinander ohne zwischengelagertes festes Isolationsmaterial und ohne benachbartes magnetisches Material oder andere wärmezerstreuende Körper gelagert sind.

3. Hochfrequenz-Induktionsofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das evakuierte Gefäß verhältnismäßig groß ist, so daß seine Wandung von der Primären und Sekundären einen großen Abstand hat.

4. Hochfrequenz Induktionsofen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ' die Primärspule dicht aneinanderliegende Windungen aufweist, wobei die Sekundäre in den Windungen so angeordnet ist, daß letztere einen Wärmeschild für die Sekundäre bilden.

5. Hochfrequenz-Induktionsofen nach Anspruch 1 bis 4 in Verbindung mit einem Schwingungserzeuger für den Hochfrequenzstrom, dadurch gekennzeichnet, daß letzterer aus zwei konzentrisch ineinandergesetzten Gefäßen (16 und 20) besteht, welche die Elektroden (17 bzw. 13) enthalten und mit Quecksilber gefüllt sind.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.