DE515013C

DE515013C - Verfahren zum Gluehen grosser Metallbloecke

Info

Publication number: DE515013C
Application number: DEL72289D
Authority: DE
Inventors: Dr Wilhelm Fischer
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG; C Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG; C Lorenz AG
Priority date: 1928-07-03
Filing date: 1928-07-03
Publication date: 1930-12-22

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 22. DEZEMBER 1930

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21h GRUPPE

C. Lorenz Akt-Ges. in Berlin-Tempelhof*)

Verfahren zum Glühen großer Metallblöcke

Patentiert im Deutschen Reiche vom 3. Juli 1928 ab

Soll ein großer Metallblock erhitzt werden, so wird er z. B. in einem Muffelofen viele Stunden lang der strahlenden Wärme der Ofenwandungen ausgesetzt. Die Oberfläche des ij Blockes nimmt rasch die Wärme durch Strahlung auf. Die Wärme fließt jedoch nur langsam, der Wärmeleitfähigkeit des Materials entsprechend, in das Innere des Blockes. Es besteht daher immer ein verhältnismäßig großer

ίο Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Teilen des Blockes. Für die mechanische Güte des Blockes ist aber die Gleichmäßigkeit der Wärmebehandlung von ausschlaggebender Bedeutung. Diese Schwierigkeit der Temperaturunterschiede ist bei allen Ofenarten vorhanden, welche den Block von außen heizen.

Zum Zwecke der Wärmeerzeugung im Material selbst verwendet man in neuerer Zeit die elektrische Induktionsheizung. Bei derartigen,

ao bisher durchweg mit Hochfrequenz gespeisten Anlagen ist die Dichte des in dem massiven Metallkörper induzierten Stromes nach außen zu wesentlich größer als im Innern des Körpers, d. h. der Strom fließt in der Hauptsache in der Oberfläche des Metallkörpers und kann dadurch ein ziemliches Temperaturgefälle zwischen innen und außen bedingen.

Zur Erzielung des günstigsten elektrischen Wirkungsgrades muß dabei die Frequenz in einem bestimmten Zusammenhang mit der Leitfähigkeit des Materials und dem Durchmesser des zu erhitzenden Körpers gebracht werden.

Die allgemeine Theorie des Hochfrequenzofens ist z. B. in der Veröffentlichung von F.Wever und W. Fischer in den Mitteilungen des Kaiser Wilhelm-Instituts für Eisenforschung, Bd.VIII Lfg. 10S. 149bis 170, entwickelt worden. In dieser Veröffentlichung werden die Verhältnisse zur Erzielung des besten elektrischen Wirkungsgrades beim Schmelzen entwickelt. An Hand der dort gegebenen Formeln läßt sich die Stromdichte in einem massiven Zylinder als Funktion der Frequenz wie als Funktion der Leitfähigkeit berechnen und in der Form der beiliegenden Abbildung zeichnen.

• Für einen Glühkörper von bestimmtem Durchmesser, i, und bestimmter Leitfähigkeit ist die Stromdichteverteilung über dem Querschnitt abhängig von der Frequenz dargestellt. Je höher die Frequenz wird, desto mehr drängt sich der Strom auf die Oberflächenschicht zusammen. Um einen günstigen elektrischen Wirkungsgrad zu erhalten, muß die Frequenz eine solche Höhe haben, daß sie eine Stromdichtekurve erzeugt, wie sie den Frequenzen von 200 bis 2000 Hertz in dem Beispiel der Abbildung entspricht, d. h. mit nach außen stark ansteigender Tendenz. Da die Erwärmung dem Quadrat der Stromdichte proportional ist, tritt bei diesen nach außen stark ansteigenden Kurven der Stromdichte also auch die Erwärmung in der Hauptsache in der Oberflächenschicht auf, so daß die Verhältnisse hinsichtlich der Temperaturverteilung über dem Querschnitt

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr. Wilhelm Fischer in Berlin-Tempelhof.

ähnlich liegen wie bei einer Heizung von außen. Beim Schmelzen ist Aufgabe der Dimensionierung, den besten elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen; beim Glühen großer Blöcke kommt als weitere Forderung hinzu, die Erhitzung so zu führen, daß möglichst geringe Wärmespannungen in dem Block entstehen.

Die Erkenntnis aus der Weiterverfolgung der veröffentlichten theoretischen Grundlagen ist

ίο die, daß mit Verringerung der Frequenz die bei hohen Frequenzen eintretende Zusammendrängung der Stromdichte (und damit der Wärmeenergie) in die äußeren Randzonen allmählich in eine lineare Verteilung der Stromdichte von ihrem Maximalwert auf der Oberfläche zu dem Wert NuU. in der Achse übergeht und daß von einer gewissen Frequenz, ab abwärts, deren Höhe von dem Durchmesser und der Leitfähigkeit des Materials abhängt, die Form der linearen Verteilung bestehen bleibt; nur die Energieausbeute, d. h. der Wirkungsgrad sinkt. Die Lösung der gestellten Aufgabe, eine elektrische Erhitzung mit möglichst geringen Wärmespannungen zu finden, besteht also in derjenigen Dimensionierung, welche noch eine Stromdichteverteilung in dem unteren linearen Gebiet (oder praktisch angenähert linearem Gebiet) ergibt, dabei aber doch möglichst guten Wirkungsgrad hat. Dies ist gerade an dem

Übergang von dem linearen: Verteilungsgebiet in das Gebiet mit ausgesprochener Hautwirkung der FaU.

Theoretisch ist für einen unendlich langen Zylinder (vgl. 1. c. S. 156 Gleichung 11 der genannten Veröffentlichung) die Stromdichte über dem Querschnitt

+ο also proportional J₁ (β ν) (J₁ = Besselsche Funktion i. Ordnung vom Argument ßr). Wie aus Abb. 12 auf S. 156 ersichtlich, ist die Funktion J₁ auf ihrem unteren Ast linear und ' weicht erst bei β r — 2,5 um. 10 °/_0> bei β r = 3 um 20 ⁰Z₀ von der Geraden ab. Daraus ergibt sich, daß man bis zu den Werten ßr₀ = 3 etwa gehen darf, ohne daß der Stromabfall vom Rande nach der Mitte allzuweit von dem linearen Abfall abweicht.
Es war nach Gleichung 9

ßr₀ ζ=:

fμκ

' 2J'μχ. ,

wobei der Durchmesser des Glühkörpers mit d, die Frequenz des erregenden Wechselstroms mit f, die Permeabilität mit μ und die elektrische Leitfähigkeit mit κ bezeichnet sind. (Sämtliche Größen in C. G. S.-Einheiten.)

Es ergibt sich dann für β r_Q — 3 ein Grenzwert

Diese Ableitung gilt für unendlich lange Zylinder (theoretischer GrenzfaU). Da praktisch die zu glühenden Blöcke von diesem theoretischen Fall ziemlich weit abweichen, muß man zur Berücksichtigung der endlichen Länge der Zylinder noch einen Formfaktor einführen, welcher empirisch gewonnen ist. Es hat sich gezeigt, daß man dem unendlich langen Zylinder vergleichbare Verhältnisse bekommt bei Zylinderdurchmessern, welche 50 bis 60 ⁰Z₀ größer sind als die theoretisch ermittelten. Aus obigem würde sich theoretisch ein Grenzdurchmesser ergeben zu

praktisch ist etwa das i,6fache zu nehmen, so daß man erhält

d<

oder

Hieraus ergibt sich bei gegebenem Glühkörper, also gegebener Leitfähigkeit und gegebenem Durchmesser, die Wahl der Frequenz, bis zu welcher eine solche Erwärmung des Körpers eintritt, daß die Temperaturunterschiede in den einzelnen Tiefen mögliehst gering sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Glühen großer Metallblöcke, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz so gewählt wird, daß ein nahezu linearer Anstieg der Stromdichte von der Mitte nach, dem Rande des Blockes eintritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch. gekennzeichnet, daß die Größen (in C. G. S.Einheiten) der elektrischen Leitfähigkeit (κ), der magnetischen Permeabilität (μ), der Frequenz (f) des erregenden "Wechselstroms und des Blockdurchmessers (d) der Bedingung genügen, daß der Ausdruck

unterhalb des Wertes 5 bleibt.

Hierzu τ Blatt Zeichnungen