DE4301330C2 - Verfahren durch induktives Aufheizen zum Tempern und/oder Brennen eines feuerfesten Formkörpers aus keramischen Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren durch induktives Aufheizen eines feuerfesten Formkörpers aus keramischem Material.

U. a. in der Metallurgie werden feuerfeste keramische Formkörper eingesetzt, beispielsweise als rohrförmige oder plattenförmige Verschleißteile von Ausgüssen metallurgischer Gefäße. Bei der Herstellung werden die Formkörper, z. B. in einem Ofen, getempert und gebrannt, um die erforderliche Verschleißfestigkeit zu erhalten. Zur Vermeidung von Temperaturschocks oder zur Unterdrückung eines Einfrierens der Metallschmelze beim Angießen sind derartige Verschleißteile vorher aufzuheizen. Hierbei kommt es regelmäßig zu unerwünschter Rißbildung.

Bei dem aus der DE 40 38 061 A1 bekannten Verfahren zur Herstellung von Formkörpern wird eine thermische Behandlung durch induktives Aufheizen des Formkörpers erst am Einsatzort vorgenommen. Der rohrförmige Formkörper wird hierzu in einen Induktor eingesetzt, welcher in ihm Ströme induziert, wodurch sich der Formkörper erhitzt. Dieses Verfahren ist nur bei elektrisch leitenden Formkörpern anwendbar. Infolge des Skineffekts konzentrieren sich zudem die Wirbelströme im Bereich der äußeren Oberfläche, so daß sich rohrförmige Formkörper von außen nach innen fortschreitend nur durch Wärmeleitung erhitzt.

Nach der DE 41 08 153 A1 wird eine innere Schale eines aus mindestens zwei Schalen bestehenden feuerfesten Formkörpers von der Umgebungstemperatur in die Nähe der Betriebstemperatur durch induktive Aufheizung gebracht. Dort ist bekannt, eine äußere Schale zu verwenden, welche schon ab der Umgebungstemperatur in dem elektromagnetischen Feld induktiv aufheizbar ist. Die innere Schale erwärmt sich hierbei wegen des Skineffekts von außen nach innen fortschreitend nur durch Wärmeleitung.

Aus der GB 2 121 028 A ist ein Induktionsofen zum Ziehen einer Lichtleitfaser bekannt. Innerhalb einer Induktionsspule ist eine Baugruppe aus einem becherförmigen Behältnis mit einem zentralen rohrförmigen Suszeptor aus Zirkonoxid vorgesehen. Der Zwischenraum zwischen Becherwandung und Suszeptor ist mit isolierendem Zirkongranulat gefüllt. Der rohrförmige Suszeptor wird durch Kopplung des elektromagnetischen Feldes an einem Kohlenstoffstab vorerhitzt, welcher bei Raumtemperatur in den Suszeptor eingeschoben wird. Oberhalb von 1000°C beginnt der Suszeptor wegen der bloßen Ionenleitfähigkeit insgesamt an das elektromagnetische Feld angekoppelt zu werden. Etwa bei 1400°C wird der Kohlenstoffstab aus dem Suszeptor herausgezogen. Die weitere Erhöhung der Ofentemperatur, wie sie für das Ziehen der Lichtleitfasern erforderlich ist, erfolgt dann unmittelbar induktiv. Das den Suszeptor umgebende Granulat koppelt an das elektromagnetische Feld nicht an, sondern dient lediglich als Isolator zur Aufrechterhaltung der hohen Temperatur in dem Suszeptor.

Aus der DE 30 48 236 A1 ist ein induktiv beheizter Schmelzofen für bei niedrigen Temperaturen elektrisch schlecht leitendes Material bekannt, bei dem sich innerhalb einer von Wechselstrom durchflossenen Heizspule sowohl das Schmelzgut als auch ein elektrisch leitfähiger Körper befindet. Zur Vermeidung von Abstrahlverlusten nach außen und zur Erreichung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Schmelze umgibt die Heizspule einen Schmelztiegel bestehend aus elektrisch isolierendem Material und in dem Schmelztiegel sind einerseits der elektrisch leitende Körper und andererseits das Schmelzgut so angeordnet, daß sich mindestens ein Teil des Schmelzgutes zwischen der Wand des Schmelztiegels und dem elektrisch leitenden Körper befindet.

In der nichtveröffentlichten deutschen Offenlegungsschrift 41 25 916 ist ein Verfahren zum induktiven Aufheizen von keramischen Formkörpern vorgeschlagen, bei dem die Aufheizung eines Formteils aus keramischem Material, das organische Bindemittel enthält, bis zur Bildung eines Kohlenstoffgerüsts durch ein das Formteil umgebenden Mantel durchgeführt wird, der mittels Konvektion und/oder Strahlung zumindest in einem Randbereich des Formteils das Bindemittel zu einem Kohlenstoffgerüst soweit verkokt, daß nach Entfernung des Mantels das Formteil induktiv ankoppelt und vollständig bis zur gewünschten Temperatur aufgeheizt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß beim Tempern und/oder Brennen trotz schnellen Aufheizens eine Rißbildung des Formkörpers vermieden wird.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach dem Anspruch 1 gelöst.

Hierdurch wird das Tempern und Brennen von Formkörpern vor dem Einsatz in der Metallurgie ermöglicht, bei welchem unter Vermeidung des Skineffekts die Aufheizung des Formkörpers verbessert und insbesondere die Gefahr von Rißbildungen herabgesetzt wird. Es wird vermieden, daß sich Wirbelströme auf der äußeren Oberfläche in den von der äußeren Oberfläche abgewandten Bereichen nur auf Wärmeleitung beruht, was verhältnismäßig lange Zeit in Anspruch nimmt. Bei der Erfindung tritt vielmehr die erhöhte Temperatur, bei welcher das keramische Material des Formkörpers an das elektromagnetische Feld ankoppelt, in dem der äußeren Oberfläche des Formkörpers abgewandten Bereich auf, so daß sich der Formkörper durch fortschreitende induktive Ankopplung von innen nach außen erhitzt, bis der gesamte Formkörper die erforderliche Temperatur erreicht hat. Die Initiierung der von innen nach außen fortschreitenden Erhitzung erfolgt durch die innere schon bei Raumtemperatur ankoppelnde Zone. Nach dem Start der Aufheizung des inneren Bereichs des Formkörpers kann die Heizwirkung der schon bei Raumtemperatur induktiv ankoppelnden Zone entfallen. Mit der Erfindung wird daher nicht nur die Aufheizung beschleunigt, so daß weniger Zeit und Energie für das Tempern und Brennen des feuerfesten keramischen Formkörpers als bei bekannten Verfahren benötigt wird, weil die Wärmeübertragung in allen wesentlichen Bereichen des Formkörpers induktiv erfolgt und nicht alleine auf Wärmeleitung beruht. Es wird auch die Gefahr von Rißbildungen herabgesetzt, weil Dämpfe oder Gase an der noch nicht gebrannten äußeren Oberfläche des Formkörpers austreten können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung.

Fig. 1 einen rohrförmigen Formkörper in einem Induktor im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Aufsicht zu Fig. 1,

Fig. 3 eine Platte in einem Induktor und

Fig. 4 einen stabförmigen Formkörper in einem Induktor.

Ein rohrförmiger Formkörper 1 besteht aus keramischem Material, das bei Raumtemperatur praktisch elektrisch nichtleitend ist, jedoch bei erhöhter Temperatur, beispielsweise ab 800°C, elektrisch leitend wird. Die äußere Oberfläche 2 des Formkörpers 1 ist von einer Induktionsspule 3 (Induktor) umschlossen. Der Formkörper 1 ist aus der Induktionsspule 3 herausziehbar.

An seiner der Oberfläche 2 abgewandten Innenseite 4 trägt der Formkörper 1 eine Schicht 5, die schon bei Raumtemperatur elektrisch leitfähig ist. Die Schicht 5 ist beispielsweise eine Graphitschicht oder eine Chromcarbidschicht. Anstelle der Schicht 5 kann an der Innenseite 4 auch eine Folie oder ein Netz aus Kohlenstoff oder aus Metall angebracht sein. Die Schicht 5 läßt sich beispielsweise als aushärtende Schlichte auftragen.

Um zu gewährleisten, daß das keramische Material bei erhöhter Temperatur gezielt elektrisch leitfähig wird, enthält es einen organischen Binder oder organische Zusätze, der bzw. die bei erhöhter Temperatur verkoken und dadurch eine elektrisch leitfähige Vernetzung innerhalb des Formkörpers bildet bzw. bilden.

Der Formkörper 1 wird im vorgeformten, jedoch ungebrannten Zustand in die Induktionsspule 3 bei Raumtemperatur eingesetzt. Anschließend wird die Induktionsspule 3 eingeschaltet, so daß ein elektrisches Feld entsteht. An dieses koppelt zunächst nur die Schicht 5, jedoch noch nicht der Formkörper 1 an, da nur die Schicht 5 bei Raumtemperatur elektrisch leitfähig ist. Die Schicht 5 erhitzt sich dabei und bringt dadurch die Innenseite 4 des Formkörpers 1 auf eine erhöhte Temperatur, bei der der Formkörper 1 zunächst im Bereich der Innenseite 4 leitfähig wird und demzufolge in diesem Bereich an das elektrische Feld ankoppelt, wodurch dieser Bereich nun induktiv erhitzt wird. Dadurch wird der in Richtung der äußeren Oberfläche 2 angrenzende weitere Bereich elektrisch leitfähig, so daß auch dieser nun an das Feld ankoppelt und induktiv erhitzt wird. Dies setzt sich fort, bis auch der Bereich der äußeren Oberfläche 2 an das elektrische Feld ankoppelt. Insgesamt wird der Formkörper 1 also an der Innenseite 4 beginnend in Richtung der äußeren Oberfläche 2 fortschreitend getempert bzw. gebrannt, wie dies durch die Pfeile E dargestellt ist. Nach dem Tempern bzw. Brennen kann der Formkörper 1 aus der Induktionsspule 3 entnommen werden.

Anstelle der Schicht 5 kann auch der anhand von Fig. 3 beschriebene Stift vorgesehen werden, der nur zum Zwecke des Starts des Aufheizvorganges in den Formkörper 1 eingeschoben wird.

In Fig. 3 ist eine keramische Platte 6 gezeigt. Als bei Raumtemperatur induktiv an das Feld der Induktionsspule 32 ankoppelnde Zone ist hier anstelle der Schicht 5 ein Stift 7 aus elektrisch leitfähigem Material, wie Graphit oder Metall, vorgesehen. Der Stift 7 ist in eine Öffnung 8 der Platte 6 zum Starten des Temperns bzw. Brennens der Platte 6 eingeschoben. Im Feld der Induktionsspule 3 koppelt der Stift 7 bereits bei Raumtemperatur an und erhitzt dadurch die Platte 6 im Bereich der Innenseite 4, so daß die Platte 6 in der beschriebenen Weise zunächst in diesem Bereich ankoppelt und induktiv aufgeheizt wird. Dieser Aufheizvorgang setzt sich, wie beschrieben, in Richtung der Pfeile E zur äußeren Oberfläche 2 fort.

Der stabförmige nicht getemperte und gebrannte Formkörper 9 nach Fig. 4 enthält etwa in seinem Durchmesser als bei Raumtemperatur induktiv an das Feld der Induktionsspule 3 ankoppelnde Zone ein Netz 10 aus Kohlenstoff oder Metall. Im Feld der Induktionsspule 3 koppelt bei Raumtemperatur zunächst das Netz 10 an, das dadurch den angrenzenden Bereich des Materials des Formkörpers 9 erhitzt, so daß auch dieser an das Feld ankoppelt und getempert bzw. gebrannt wird. Dieses Tempern bzw. Brennen des Materials des Formkörpers 9 setzt sich in Richtung der äußeren Oberfläche 2 in der beschriebenen Weise fort

Claims (8)

1. Verfahren durch induktives Aufheizen zum Tempern und/oder Brennen eines feuerfesten Formkörpers (1, 6, 9) aus einem keramischen Material, das einen organischen Binder oder organische Zusätze enthält, welcher bzw. welche bei erhöhter Temperatur verkoken und eine elektrisch leitfähige Vernetzung bildet bzw. bilden, so daß das Material des Formkörpers erst bei erhöhter Temperatur induktiv an das Feld eines Induktors (3) ankoppelt, bei welchem einem von der äußeren, dem Induktor (3) zugewandten Oberfläche (2) abgewandten Bereich (4) des Formkörpers eine schon bei Raumtemperatur induktiv an das Feld des Induktors (3) ankoppelnde Zone (5, 7, 10) angeordnet und induktiv so aufgeheizt wird, daß der Formkörper in seinem der Zone nahen Bereich auf erhöhte Temperatur gebracht wird, wodurch der Formkörper von der Zone (5, 7, 10) aus in Richtung seiner äußeren Oberfläche (2) fortschreitend induktiv ankoppelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zone (5, 7) in einer Öffnung (8) des Formkörpers (1, 6) angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Formkörper (1, 6) rohrförmig oder plattenförmig ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zone ein elektrisch leitfähiges Netz (10) oder eine elektrisch leitfähige Folie ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Netz (10) bzw. die Folie aus Kohlenstoff und/oder Metall besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zone eine Schicht (5) aus Graphit oder Chromcarbid ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Schicht (5) als Schlichte auf den Formkörper (1) aufgebracht ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zone von einem elektrisch leitfähigen Stift (7) gebildet ist, der in den Formkörper (1, 6) eingeschoben ist.