Rohling zum Induktionsschmelzen

Abstract

 zur Verwendung in Induktions-Schmelzeinrichtungen wird vorgeschlagen, Rohlinge zu verwenden, insbesondere Metall-Rohlinge, die ringförmig ausgebildet sind, um auf diese Weise eine bessere Ankoppelung des Induktionsfeldes sowie höhere Genauigkeit und gesteigerte Qualität beim Guss zu erreichen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung befasst sich mit Rohlingen aus elektrisch leitendem, schmelzbarem Material zur Verarbeitung in einer Anlage mit Beheizung des Rohlings im elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule.

[0002] Insbesondere beim Schmelzen kleiner Metallegierungs-oder Reinmetall-Mengen werden sehr häufig Induktionsgiessanlagen eingesetzt. Dies gilt vor allem in der Dental-Branche, der Schmuck-Industrie sowie beim industriellen Feinguss und auf artverwandten Gebieten. Bisher wird das zu schmelzende Material, d.h. die Legierung bzw. das Reinmetall, in Form von Granalien (Schots), Stangen, Blöckchen oder Zuschnitten unterschiedlicher Form und unterschiedlichen Gewichtes in den Schmelztiegel eingebracht, wobei meist nur auf die Geometrie des Schmelztiegels Rücksicht genommen wird, d.h. die Grösse des Festmaterials so zu wählen ist, dass es ohne Schwierigkeiten im Schmelztiegel untergebracht werden kann.

[0003] Dieses bekannte Vorgehen hat etliche Nachteile. Es ist insbesondere zu erwähnen, dass Teile unterschiedlicher Geometrie und Form im elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule verschiedene Induktionskreise bilden, was zu unterschiedlichen Aufheizgeschwindigkeiten und Strömen an der Oberfläche des zu schmelzenden Teiles führt. Als Folge hiervon erfolgt häufig eine falsche Behandlung derart, dass Uberhitzungen oder zu lange Erwärmungen auftreten, was insbesondere bei der Verarbeitung von Legierungen zur Beeinträchtigung der an sich gewünschten, in der Ausgangslegierung vorhandenen Materialeigenschaften führen kann. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass abhängig von der Ausbildung der zu schmelzenden Teile sich unterschiedliche, unter Umständen relativ lange Aufheizzeiten ergeben. Auch die Gasaufnahme bzw. -abgabe der zu schmelzenden Rohlinge ist je nach Formgebung des Rohlings unterschiedlich. Ein weiteres Problem bei den bisher bekannten Rohling-Formen ist das, dass die genaue Bestimmung des richtigen Giesszeitpunktes schwierig ist. Wird der Giesszeitpunkt aber nicht genau bestimmt, so kann es zu Überhitzungen beim Giessen bzw. zum Mitreissen ungeschmolzener Metall- oder Legierungsteilchen (falls die richtige Temperatur noch nicht erreicht war) kommen, was zu Fehlgüssen, Lunkern oder Porosität des im Giessvorgang erzeugten Formlings führt.

[0004] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Rohling für die Erhitzung im elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule vorzuschlagen, der gegenüber den bisher bekannten Rohlingen wesentlich verbesserte Eigenschaften aufweist, d.h. insbesondere rasch und mit vergleichsweise geringer Energiezufuhr schmilzt, wobei gleichzeitig die Verarbeitbarkeit verbessert werden soll, indem er sich leichter und rascher entgasen lässt, die Bestimmung des Giesszeitpunktes erleichtert wird und eine genaue Dosierung möglich ist.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, den Rohling als Ring auszubilden. Ein derartiges Vorgehen hat eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber den bisher verwendeten Rohlingen in Form von Würfeln, Stangen, Blöcken oder Zuschnitten. Hierzu sei kurz folgendes ausgeführt:

Bei der Induktionserwärmung handelt es sich um eine Art der Wärmeübertragung, bei der die übertragbare Leistungsdichte von der Oberfläche des zu erwärmenden Teiles abhängt. Nimmt man nun beispielsweise einen Ring mit etwa rechteckigem Querschnitt, der eine Bohrung aufweist und bei dem der Aussendurchmesser etwa dem Zweieinhalbfachen des Bohrungsdurchmessers und die Höhe etwa dem Bohrungsdurchmesser entspricht, so lässt sich ohne Schwierigkeiten rechnerisch ermitteln, dass die Oberfläche dieses Ringes etwa eineinhalbmal so gross ist wie die Oberfläche eines Würfels gleicher Masse. Hieraus ergibt sich, dass bei Verwendung eines Ringes als Rohling schon wegen der grösseren Oberfläche die zum Schmelzen erforderliche Leistung geringer ist als bei einem Rohling anderer Formgebung. Die grössere Oberfläche hat aber auch den Vorteil, dass in dem Rohling etwa enthaltene

Gase rascher entweichen können, als wenn die Oberfläche kleiner wäre, was vor allem beim Vakuum-Giessen wichtig ist und eine Verbesserung der _Quali- tät des gegossenen Formlings ermöglicht.

[0006] Bezüglich der Schmelzgeschwindigkeit spielt auch die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit von der Frequenz eine Rolle, da nur bei ausreichender Eindringtiefe eine entsprechende Leistung auf den Rohling übertragen werden kann. Die Eindringtiefe berechnet sich dabei nach folgender Formel:

[0007] Hierbei bedeuten:

= Eindringtiefe

f = Betriebsfrequenz

-6 V_S µ_o = Permeabilität = 1,256 x 10^-6 Am

µ_x = relative Permeabilität

= spezifischer Widerstand V A

[0008] Die gesamte Eindringtiefe lässt sich insbesondere dann ausnützen, wenn der Ring als Kurzschlussring arbeitet, wozu allerdings gewisse Bedingungen erfüllt sein müssen, auf die später noch eingegangen werden soll.

[0009] Neben dem Vorteil, der sich aus der grösseren Oberfläche ergibt, sind bei Verwendung eines Ringes als Rohling zum Induktionsschmelzen auch noch als Vorzüge zu nennen, dass sich die zum Betrieb der Induktionsspule dienende Hochfrequenz sehr gut ankoppeln lässt, dass, auch bei mehreren übereinandergelegten Ringen, eine hervorragende Temperaturverteilung erreicht werden kann, so dass ein gleichmässiges Erwärmen der Rohlinge erreicht wird, und dass in einfacher Weise eine gute Dosierung möglich ist. Schliesslich wird bei Verwendung eines Ringes erreicht, dass sich der Schmelzpunkt des Rohlings im allgemeinen sehr genau feststellen lässt, weshalb die Möglichkeit von Fehlern infolge eines Gusses bei zu hoher oder zu niedriger Temperatur beachtlich vermindert wird.

[0010] Grundsätzlich können die Ringe unterschiedlichste Formen und Abmessungen haben. In Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass sich besonders gute Ergebnisse dann erzielen lassen, wenn der Aussendurchmesser des Ringes etwa 1,1 bis 10 mal so gross ist wie dessen Innendurchmesser und/oder wenn die Höhe des Ringes etwa gleich dem 0,8- bis 3-fachen Innendurchmesser des Ringes ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aussendurchmesser etwa gleich dem 2,5-fachen Innendurchmesser und die Höhe etwa gleich dem Innendurchmesser des Ringes.

[0011] Bei Verwendung eines Ringes als Rohling wird man üblicherweise eine Betriebsweise anstreben, in der der Ring als Kurzschlussring arbeitet, was zu besonders schneller Erwärmung führt. In diesem Fall ist jedoch zu beachten, dass die Grösse des Innendurchmessers des Ringes, d.h. der Bohrung im Ring, so gewählt wird, dass die beim Betrieb auftretende Grenzfrequenz Berücksichtigung findet, d.h. das elektromagnetische Feld noch die Bohrung im Ring durchsetzen kann. In diesem Zusammenhang ist unter Grenzfrequenz die Frequenz zu verstehen, welche die Grenze zwischen dem Dämpfungs- und dem Wellenverhalten eines Wellenleiters angibt. Diese Frequenz berechnet sich wie folgt:

[0012] Hierbei bedeuten:

f_c = Grenzfrequenz

^q _V = Eigenwert der Welle

ε_r = _Dielektrizitätskonstan te

µr = relative Permeabilität

C = Lichtgeschwindigkeit

[0013] Für einen Ring berechnet sich die Grenzfrequenz wie folgt:

wobei d_i der Durchmesser der Bohrung des Ringes, d.h. der Ring-Innendurchmesser ist.

[0014] Bei einem Innendurchmesser von 8 mm ergibt sich dabei eine Grenzfrequenz von ca. 22 GHz, weshalb günstigerweise der Innendurchmesser kleiner als 8 mm sein sollte.

[0015] Es ist nach der Erfindung weiter vorgesehen, dass der Rohling etwa rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten aufweist, wobei die einzelnen Oberflächen des Ringes im wesentlichen parallel oder senkrecht zur Ringachse verlaufen. Bei einer derartigen Ausführungsform erhält man eine besonders grosse Oberfläche. Zum anderen ist es leicht möglich, mehrere derart gestaltete Ringe aufeinander zu stapeln, wobei dann die senkrecht zur Ringachse verlaufenden Flächen jeweils aufeinander liegen.

[0016] Die abgerundeten Kanten sind dabei insbesondere zur Vermeidung von Uberhitzung erforderlich. In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn der Radius der Abrundung der Kanten wenigstens 1/10 des Innendurchmessers beträgt.

[0017] Schliesslich liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Rohling die Form eines Kreisringes aufweist, weil sich ein solcher Ring im allgemeinen besonders günstig einsetzen lässt.

[0018] Unter Berücksichtigung der vorstehenden, zweckmässigen Ausführungen können die Rohlinge unterschiedlichste Abmessungen besitzen. Der Aussendurchmesser kann etwa zwischen 10 und 50 mm, der Innendurchmesser zwischen 3 und 30 mm und die Höhe des Ringes ebenfalls zwischen 3 und 30 mm schwanken.

[0019] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

[0020] Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf einen Rohling in einer Ausführungsform gemäss der Erfindung.

Figur 2 einen Querschnitt durch den Rohling der Figur 1.

Figur 3 im Schnitt einen Tiegel mit einem eingesetzten, bisher üblichen Rohling zur Veranschaulichung des Verlaufes des elektromagnetischen Feldes.

Figur 4 einen Schnitt ähnlich Figur 3, jedoch bei Verwendung eines Ringes gemäss der Erfindung.

[0021] Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Rohling 1 hat die Form eines Kreisringes. Die Abmessungen sind bei diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass der Innendurchmesser d_i etwa 8 mm, der Aussendurchmesser d _a etwa 20 mm und die Höhe h etwa 7 mm betragen. Dies bedeutet, dass Höhe h und Innendurchmesser d_i etwa gleich sind, während der Aussendurchmesser d_a etwa dem 2,5-fachen des Innendurchmessers d_i des Rohlinges bzw. Ringes 1 entspricht.

[0022] Der Ring 1 kann aus jedem gängigen, im elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule erwärmbaren und schmelzbarem Material hergestellt werden, vor allem natürlich aus Metall. Hier kommen alle üblichen Metalle in Frage, d.h.ausgehend von Eisen, Edelstahl über Sonderlegierungen zu Gold, Platin, usw..

[0023] Aus der Figur 2 geht deutlich hervor, dass der Ring 1 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt, wobei allerdings die Kanten 2 unter einem Radius r abgerundet sind. Der Radius r sollte wenigstens 1/10 des Innendurchmessers d_i sein. Die Verwendung eines rechteckigen Querschnittes hat dabei den Vorteil, dass Flächen enstehen, die so angeordnet werden können, dass die Aussenfläche ₃ und Innenfläche 4 jeweils parallel zur Achse 5 des Ringes verlaufen, während die Oberfläche 6 und Unterfläche 7 etwa senkrecht zu der Achse 5 angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, falls eine grössere Materialmenge für den Schmelzvorgang benötigt wird, mehrere Ringe, ^ggf. auch von unterschiedlicher Höhe, aufeinander zu stapeln.

[0024] Diese Ringe liegen dann im Bereich der Oberfläche 6 bzw. Unterfläche 7 sauber aufeinander, so dass das elektromagnetische Feld nicht zu stark gestört wird. Infolge der Abrundung der Kanten 2 unter dem Radius r kommt es im Bereich dieser Kanten auch nicht zu Uberhitzungen.

[0025] Die Abmessungen des Ringes 1, wie er in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, können variiert werden. Es sollten allerdings zweckmässig folgende Bedingungen eingehalten werden:

[0026] Die Figuren 3 und 4 dienen zur Veranschaulichung der Wirkung des als Rohling dienenden Ringes nach der Erfindung.

[0027] Gemäss Figur 3 wird ein üblicher, im wesentlichen würfelförmiger Rohling verwendet. Dabei dringt das elektromagnetische Feld 8, welches von der den Tiegel 9 umgebenden Induktionsspule 10 erzeugt wird, nur in den äusseren Oberflächenbereich des Rohlings 11 ein. Es entstehen dann im Rohling Wirbelströme, die durch die Pfeile 12 angedeutet sind. Trotzdem ist die Energieübertragung von dem Feld 8 der Induktionsspule 10 auf den Rohling 11 nur vergleichsweise gering.

[0028] Bei Verwendung eines ringförmigen Rohlings 1, wovon in Figur 4 ausgegangen wird, verlaufen die Feldlinien 8' des von der Induktionsspule 10 erzeugten elektromagnetischen Feldes durch die Bohrung 13 des Ringes 1, der als Kurzschlussring eingesetzt wird. Auf diese Weise kommt es zu einer vergleichsweise hohen Leistungsübertragung und damit zu einer raschen Erwärmung des Ringes 1. Ausserdem kann in dem Ring auch die volle, an sich zur Verfügung stehende Eindringtiefe ausgenutzt werden, so dass nicht nur oberflächlich sondern auch verhältnismässig weit innerhalb des Ringes eine entsprechende Energieübertragung erfolgt.

Ansprüche

1. Rohling aus elektrisch leitendem, schmelzbarem Material zur Verarbeitung in einer Anlage mit Beheizung des Rohlings im elektromagnetischen Feld einer Induktionsspule,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rohling als Ring (1) ausgebildet ist.

2. Rohling nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aussendurchmesser (d_a) des Ringes (1) etwa 1,1 bis 10 mal so gross wie dessen Innendurchmesser (d_i) ist.

3. Rohling nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Höhe (h) des Ringes (1) etwa gleich dem 0,8- bis 3-fachen Innendurchmesser (d_i) des Ringes (1) ist.

4. Rohling nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aussendurchmesser (d_a) etwa gleich dem 2,5-fachen Innendurchmesser (d_i) und die Höhe (h) etwa gleich dem Innendurchmesser (d_i) des Ringes (1) sind.

5. Rohling nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Innendurchmesser (d_i) kleiner als 8 mm ist.

6. Rohling nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass er etwa rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten (2) aufweist, wobei die Oberflächen (3, 4) des Ringes (1) parallel und die Oberflächen (6, 7) des Ringes (1) senkrecht zur Ringachse (5) verlaufen.

7. Rohling nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Radius (r) der Abrundung der Kanten (2) wenigstens 1/10 des Innendurchmessers (d_i) beträgt.

8. Rohling nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass er die Form eines Kreisringes aufweist.

Zeichnung