DE102004021818A1

DE102004021818A1 - Energieeffiziente Erwärmungsanlage für Metalle

Info

Publication number: DE102004021818A1
Application number: DE200410021818
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Müller; Jan Dr. Wiezoreck; Carsten Dr. Bührer
Original assignee: ALPHA IP VERWERTUNGSGESELLSCHAFT MBH; ALPHA IP VERWERTUNGSGMBH
Current assignee: ALPHA IP VERWERTUNGSGESELLSCHAFT MBH; ALPHA IP VERWERTUNGSGMBH
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-12-08
Also published as: WO2005109955A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage und Verfahren zur induktiven Erwärmung von Metallen, vorzugsweise Nichteisen(NE)-Metallen. DOLLAR A In der Nichteisen-metallverarbeitenden Industrie werden zur Erwärmung von Metallblöcken (Kupfer, Aluminium, Messing) Induktionsöfen eingesetzt. Prinzipbedingt ist die Effizienz dieser Geräte auf 50-60% beschränkt, da man mittels einer Induktionsspule aus einem elektrischen Leiter (z. B. Kupfer als sehr gut leitendes Material) versucht, ein anderes sehr gut leitendes Material zu erwärmen. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Anlage und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben die Steigerung der Effizienz auf ein wesentlich höheres Niveau durch Verwendung von Supraleitern.

Description

Zitierte Dokumente

• D1: EP 0979594
• D2: DE 19902002
• D3: US 4307276
• D4: US 1981631
• D5: Konferenzbeitrag EUCAS 2001; Induction Heating of Aluminium Billets Using Superconducting Coils, M. Runde, N. Magnusson, SINTEF Energy Research, N-7465 Trondheim, Norway Magne Runde

In der Metallverarbeitenden Industrie ist häufig die Erwärmung oder gar Verflüssigung des Metalls vor weiterer Verarbeitung notwendig. Zu diesem Zweck wird das Material mittels elektro-magnetischer Induktion erhitzt. Anlagen dieser Art bestehen aus einem Spulensystem (Induktor), das um ein Behältnis, z.B. einen Tiegel oder eine Materialführung, angeordnet ist. Diese Spulen werden mit einem Wechselstrom beaufschlagt, der durch die entstehende Änderung des magnetischen Flusses wiederum in dem Werkstück eine Spannung induziert. Dadurch kommt es zu Stromfluss im Werkstück und daher aufgrund des ohmschen Widerstandes zur Erwärmung desselben.
Anlagen zur Durchführung dieses Verfahrens sind weit verbreitet.

In DE 19902002 wird ein Induktionsrinnentiegelofen offenbart, der die Vorteile eines Rinnenofens (hoher Wirkungsgrad) und eines Tiegelofens (hohe Flexibiltät bei vollständiger Entleerbarkeit) vereint.

EP 0979594 beschreibt eine Anlage zur Erwärmung von Metallbolzen mittels Wechselstromfeld. Eine Homogenisierung der Temperaturverteilung wird durch Bewegung des Werkstücks erreicht.

US 4307276 offenbart einen Induktionsheizer zur Erwärmung von Metallbolzen. Die Spulenanordnung besteht aus mehreren, einzeln steuerbaren Sektoren, die mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden. Eine homogene Temperaturverteilung wird durch entsprechende Ansteuerung und kontinuierliche Bewegung des Bolzens durch das Induktionsfeld erreicht.

US 1981631 beschreibt ebenfalls einen Induktionsheizer mittels Wechselstrom für Metallbolzen. Die Erfindung umfasst eine Bestimmung der Wärme des einlaufenden Blocks und Variation der eingebrachten Wärmeleistung, derart, dass die auslaufenden Blöcke eine einheitliche Temperatur haben.

In D5 wird vorgeschlagen, einen Induktionsheizer nach dem klassischen Prinzip mit HTS zu betreiben, um die Verluste zu verringern. Hier wird der Induktor, die Spule mit HTS-Drähten gebaut, die einen geringeren Verlust als konventionelle Kupferwicklungen haben. Leider weisen auch HTS bei Verwendung von Wechselstrom (z.B. 50Hz oder 250Hz), wie in diesem Vorschlag, Verluste auf. Diese Verluste treten bei tiefen Temperaturen (unterhalb von –196°C) auf, so dass diese mit erheblichem Aufwand weggekühlt werden müssen. Typischerweise müssen für ein Watt Verlustleistung bei –196°C 12-18 Watt elektrische Leistung bei Raumtemperatur zur Kompensation aufgebracht werden. Hierdurch werden selbst geringe Verluste bei tiefen Temperaturen zu erheblichen Verlusten bei Raumtemperatur.

Allen Induktionsheizungen ist gemeinsam, das mittels elektromagnetischer Induktion eine Spannung im Werkstück induziert wird, die wiederum zu Stromfluss und über die ohmschen Verluste zur Erwärmung des Werkstücks führt.

Um eine Spannung zu induzieren, muss sich bekanntermaßen der magnetische Fluss ändern. Da er das Produkt aus Flussdichte und Fläche ist, kann sich dazu entweder die Flussdichte oder die Fläche ändern. Eine Änderung der Flussdichte erreicht man durch ein veränderliches Magnetfeld. Nach diesem Prinzip wird z.B auch in der Sekundärwicklung eines Transformators eine Spannung induziert.

Mit Hilfe von solchen Induktionsanlagen wird Metallschrott eingeschmolzen oder werden Bolzen vor einem Extrusions- oder Pressprozess erwärmt. Diese sind dann z.B. in einem Extrusionsprozess – mittels einer Strangpresse – formbar. Die Bolzen werden bis unterhalb ihres Schmelzpunktes erhitzt. Im Falle von Aluminium liegt der Schmelzpunkt bei etwa 660°C. Die Aluminiumbolzen werden auf bis zu 520°C erhitzt. Damit verlassen sie die Bolzenerwärmungsanlage im festen Zustand, sind aber soweit formbar, dass im nachfolgenden Prozess die Strangpresse mühelos industriell verwertbare Profile extrudieren bzw. formen kann.

Aufgeschmolzene Metalle werden in entsprechenden Extrudern zu Bolzen geformt oder mittels Gießtechnik in die gewünschte Form gebracht.

Nachteil

Die elektrische Induktion beinhaltet kurze Erhitzungszeiten und kompakte Systeme, die wenig Stellfläche benötigen. Aber die Effizienz (=Energieausnutzung) liegt z.B. bei Kupfer unter 55%. Hinzu kommt, dass die Temperaturhomogenität wegen des Oberflächenwiderstandes gering ist. Dabei fließen die umlaufenden Ströme nicht einheitlich durch einen Bolzen, sondern konzentrieren sich auf seiner Oberfläche. Die Penetrationstiefe hängt ab von der Frequenz des Induktionsfeldes, dem Widerstand des Bolzenmaterials und seiner Durchlässigkeit. So gilt z.B. für Aluminium eine relative Durchlässigkeit von 1 und bei einer Frequenz von 50 Hz ist die Penetrationstiefe nur 12 mm bei Raumtemperatur. Innerhalb dieser geringen Oberflächentiefe werden 86% der zugeführten Energie in Wärme umgesetzt. Damit kann nur die Oberfläche der Bolzen durch elektrische Induktion erwärmt werden. Der Rest des Bolzens muss über die thermische Weiterleitung auf die gewünschte Temperatur gebracht werden. Je größer also der Durchmesser des Bolzens, desto weniger effizient ist die herkömmliche elektrische Induktion.

In der Praxis wird diese Problematik adressiert, indem der Bolzen nach Verlassen des Induktionsheizgerätes ein bis mehrere Minuten vor dem Einführen in die Strangpresse gelagert wird, um den thermischen Ausgleich zu ermöglichen.

Während der induktiven Erwärmung wird nur ein Teil der elektrischen Energie der Induktionsspule in dem Werkstück deponiert. Ein erheblicher Teil wird als ohmscher Verlust in der Spule (zumeist aus Kupfer) selbst in Wärme umgesetzt. Dies ist die unvermeidbare Abwärme eines solchen Systems und stellt die Hauptverlustquelle dar. Selbst bei Verwendung von HTS in solchen System (vgl. D5) treten noch erhebliche Verluste auf.

Herkömmliche Induktionsanlagen weisen somit folgende Nachteile auf:

• Verluste in der Kupferwicklung
• Hierdurch bedingter hoher Kühlaufwand (Wasser) der Kupferwicklung
• Alterung der Kupferisolation aufgrund der hohen thermischen Belastung – Auswechseln der Heizwicklung
• Langsame und ungleichmäßiger Erwärmung des Werkstückes

Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz eines Induktionsheizers erheblich zu steigern. Die Effizienz des konventionellen Systems ist von den Verlusten im Kupfer der Wicklungen bestimmt. Die Effizienz kann nur erhöht werden, wenn ein anderes, effizienteres System zur Anwendung kommt. Dies geschieht durch die Verwendung von Supraleitern, insbesondere durch die Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern.

Wie bereits erwähnt haben Supraleiter im Wechselstrombetrieb bei den üblicherweise verwendeten Frequenzen zwar geringe Verluste bei tiefen Temperaturen, die aber zu erheblichen Verlusten bei Raumtemperatur führen. Andererseits hat ein Supraleiter im Betrieb mit Gleichstrom nahezu keine Verluste. Die geringen Verluste des Cryostaten und der elektrischen Zuleitungen können vernachlässigt werden gegenüber der Anschlussleistung eines Induktionsheizers und liegen typischerweise deutlich unter 100-500W.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage und dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Vorteile der Supraleiter im Gleichstrombetrieb oder mit sehr niedrigen Frequenzen (z.B. 5-7 Hz) genutzt. Die notwendige Änderung des Flusses im zu erwärmenden Werkstück erreicht man durch die Änderung der durchsetzenden Fläche, indem man die Spule relativ zum Werkstück bewegt.

Die Energie zum Aufheizen des Bolzens kommt nicht von der Spule, sondern von einem Motor, der die Relativbewegung (z.B. drehenden Bolzen) und damit Änderung des Feldflusses erzeugt. Der Strom, der das Werkstück aufheizt, produziert gleichzeitig ein mechanisches Moment mit der Tendenz, den Motor zu verlangsamen. Mit anderen Worten: die Bremsung der Bolzen wirkt als Belastung für den Motor. An dieser Stelle wird eine Effizienzminderung bewirkt, die aber deutlich unter 10% liegt. Die Effizienz von Elektromotoren ist generell sehr hoch und hängt ab von der Größe der Motoren. Für große Induktionsheizanlagen können Motoren von 500 kW bis über 1000 kW zum Einsatz kommen. In dieser Größenordnung ist die Effizienz von Elektromotoren deutlich über 90%.

Der Start, der Stop und die Geschwindigkeit des Elektromotors wird in der erfindungsgemäßen Anlage reguliert über moderne Konverter, die auf Halbleiter- Schaltkreisen basieren. Auch die Konverter haben Effektivitäten von über 90%. Der Supraleiter trägt inklusive Kühlung nur ca. 0,1-0,5% der Verluste (z.B. in der DC Spule) bei. Damit liegt die gesamte Effizienz des neuen rotierenden Induktionsheizsystems über 90% für Industrieanlagen.

Tabelle 1 zeigt übersichtlich einen Vergleich zwischen einer konventionellen und der erfindungsgemäßen Anlage mit den drei primären Merkmalen Stellfläche, Energieausbeute und Temperaturhomogenität.

Ausführungsbeispiele
Folgende Ausführungsbeispiele seien angeführt, ohne sich auf diese zu beschränken:

1. Supraleitende Spule mit 180° phasenverschoben gegeneinander verschalteten Pancake Spulen (vgl. 1 und 2), die sich in einem Joch aus weichmagnetischen Material befinden können. Durch einen Gleichstrom wird ein Magnetfeld in der Spule erzeugt, derart dass der Magnetfeldbeitrag zweier benachbarter Spulen ungleich ist. Die Anordnung findet sich konzentrisch um das zu erwärmende Werkstück. Hierdurch wird ein ganzer Bereich von inhomogenen magnetischen Felder erzeugt. Das Werkstück wird auf einer Rollenbahn mittels Linearmotor oder Hydraulikstempel in diesem Feld bewegt. Wegen der Inhomogenität des Feldes entstehen induzierte Ströme im Werkstück, die dieses aufheizen.
2. Supraleitende Spule mit 180° phasenverschoben gegeneinander verschalteten Pancake Spulen, die sich in einem Joch aus weichmagnetischen Material befinden können. Durch einen Gleichstrom wird ein Magnetfeld in der Spule erzeugt, derart dass der Magnetfeldbeitrag zweier benachbarter Spulen ungleich ist. Die Anordnung findet sich konzentrisch um das zu erwärmende Werkstück. Hier durch wird ein ganzer Bereich von inhomogenen magnetischen Felder erzeugt. Das Werkstück wird fest eingespannt und der Spulenblock mittels Linearmotor oder Hydraulikstempel bewegt. Wegen der Inhomogenität des Feldes entstehen induzierte Ströme im Werkstück, die dieses aufheizen.
3. Die supraleitende, gleichstromdurchflossene Spule wird so ausgeführt, dass das Metall in ihr liegt. Die Spule bleibt fest und der Bolzen rotiert in einem quer laufenden Magnetfeld. Aufgrund der Rotation wird im Bolzen Spannung erzeugt und der Strom fließt in axialer Richtung (s. 3). Damit wird eine etwa gleichmäßige Stromverteilung im gesamten Bolzen von der Oberfläche bis zum Kern erreicht. Dies entspricht gleichzeitig einer guten Temperaturverteilung im Bolzen – die Temperaturhomogenität ist hoch.
4. Die supraleitende, gleichstromdurchflossene Spule wird so ausgeführt, dass das Metall in ihr liegt. Die Spule (invertiertes Rotorfeld – Feld ist nach Innen gerichtet) rotiert um ihre eigene Längsachse. Das Metall wird so erwärmt.
5. In einer ruhenden supraleitenden, gleichstromdurchflossenen Spule wird ein Metallbillet gelagert und mittels Strom konduktiv erwärmt. Das äußere DC-Feld der Spule führt zu einer Verlängerung der elektrischen Strecke der Elektronen im Magnetfeld (HallEffekt mit Schraubenbahn der Elektronen im Billet) und damit zur stärkeren Erwärmung.
6. Eine Metallschmelze, die im Umwälzbetrieb gefahren wird, wird durch eine supraleitende Spule geführt, die ein Gleichfeld erzeugt. Die Spule wird mechanisch vibriert um die notwendigen Wirbelströme zu erzeugen.
7. Die Induktion durch die supraleitende Spule wird zum Rühren von Metallschmelzen genutzt. Die Schmelze wird langsam in einem sehr hohen Magnetfeld der supraleitenden Spule bewegt.

Als zu erwärmende Metalle können, ohne sich auf diese zu beschränken, Cu, Cu Ni, Messing, Stahl, Aluminium, Edelmetalle und andere gut leitende Materialien zum Einsatz kommen. Sollte eine Schmelze erzeugt werden sollen, muss ein geeignetes, hochtemperaturfestes Tiegelmaterial gewählt werden.

Claims

Anordnung zur induktiven Erwärmung von Metallen, wobei der Induktor mehrere Wicklungen (3) aufweist, axial hintereinander angeordnet sind und eine Wicklung mit einem zur benachbarten Wicklung unterschiedlichen Stromfluss betrieben wird, so dass der Magnetfeldbeitrag zweier benachbarter Spulen ungleich ist, und die Wicklungen mit Supraleitern ausgeführt sind und sich innerhalb des Induktors das zu erwärmende Material befindet und dass Induktor und Material relativ zueinander bewegt werden.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei zwischen den Spulen weichmagnetisches Material eingefügt wird, um das Magnetfeld zu führen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei um die Spule außen eine Magnetfeldführung (Rückschluss) angebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei sich die gesamte Anordnung in einem Cryostaten befindet.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei als HTS-Draht ein BSCCO oder YBaCuO Material zum Einsatz kommt.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das zu erwärmende Material durch einen Linearmotor oder ein Hydraulikstempel in der Anordnung bewegt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das zu erwärmende Material fixiert ist und der Induktor durch einen Linearmotor oder ein Hydraulikstempel bewegt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei durch zwei benachbarte Spulen ein um 180° phasenverschobener Gleichstrom fließt.
Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, wobei das Material in einem Tiegel gelagert ist, so dass das Material auch flüssig sein kann.
Anordnung zur induktiven Erwärmung von Metallen, wobei der Induktor eine oder mehrere Wicklungen aus Supraleitern aufweist, die ein Dipolfeld erzeugen, das relativ zu dem zu erwärmenden Material bewegt wird.
Anordnung nach Anspruch 10 wobei als HTS-Draht ein BSCCO oder YBaCuO Material zum Einsatz kommt.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das zu erwärmende Material durch einen Elektromotor über eine Welle in Rotation versetzt wird.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Induktor durch einen Elektromotor in Rotation versetzt wird und das zu erwärmende Material fixiert ist.
Anordnung nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei das Material in einem Tiegel gelagert ist, so dass das Material auch flüssig sein kann.
Verfahren zur Erwärmung von Metallen mittels Induktion, dadurch gekennzeichnet dass das Magnetfeld des Induktors ein Gleichfeld oder ein langsam variiertes Magnetfeld mit einer Frequenz von kleiner gleich 10 Hz ist und das zu erwärmende Metallstück und der Induktor relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei sich das zu erwärmende Material wenigstens teilweise innerhalb einer Induktorspule befindet.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Spule des Induktors aus Supraleitern ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Spule des Induktors aus Hochtemperatur-Supraleitern ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 15, 16, 17 oder 18, wobei der verwendete Strom zur Erzeugung des Magnetfeldes im Induktor ein Gleichstrom ist.
Verfahren nach Anspruch 15, 16, 17, 18 oder 19, wobei der Induktor feststeht und das zu erwärmende Material durch einen Rotationsmotor in einem Dipolfeld gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, 16, 17, 18 oder 19, wobei der Induktor feststeht und das zu erwärmende Material durch einen Linearmotor oder Hydraulikantrieb in einem axial wechselnd aufgebauten Feld periodisch hin- und her bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, 16, 17, 18 oder 19, wobei der Induktor um das zu erwärmende Material durch einen Rotationsmotor gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, 16, 17, 18 oder 19, wobei das zu erwärmende Material feststeht und der Induktor durch einen Linearmotor oder Hydraulikantrieb periodisch hin- und her bewegt wird.