Elektrothermische Verfahrenstechnik:
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Essen
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1994
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| adam_text | Titel: Elektrothermische Verfahrenstechnik
Autor: Conrad, Harry
Jahr: 1994
ELEKTRO- THERMISCHE VERFAHRENSTECHNIK VULKAN-VERLAG ESSEN
Inhalt 1 Elektroprozeßwärmeverfahren in der Industrie ...................... 1 1.1 Übersicht........................................................................................ 1 1.2 Verfahrenstechnische Vorteile....................................................... 4 1.3 Auswahl ......................................................................................... 6 2 Verfahrenstechnische Grundlagen............................................. 9 2.1 Elektrischer Strom in festen Körpern, Gasen und Flüssigkeiten ... 9 2.1.1 Wärmeerzeugung im elektrischen Strömungsfeld ......................... 9 2.1.2 Stromleitung in festen Körpern...................................................... 11 2.1.3 Stromleitung in Gasen.................................................................... 12 2.1.4 Stromleitung in Flüssigkeiten ........................................................ 18 2.2 Elektromagnetische Induktion in leitenden Materialien................ 20 2.2.1 Grundlagen..................................................................................... 20 2.2.2 Stromverdrängung, Eindringtiefe................................................... 21 2.2.3 Leistungsumsatz, Wirkungsgrad.................................................... 23 2.3 Elektrische Polarisation in dielektrischen Materialien .................. 26 2.3.1 Grundlagen..................................................................................... 26 2.3.2 Leistungsumsatz, Eindringtiefe...................................................... 28 2.4 Elektronen- und Ionenstrahlen ....................................................... 30 2.4.1 Wirkungen am Prozeßort ............................................................... 30 2.4.2 Strahlerzeugung und -führung ....................................................... 32 2.4.3 Strahlleistung, Reichweite ............................................................. 32 2.5
Laserstrahlen .................................................................................. 35 2.5.1 Wirkungen am Prozeßort ............................................................... 35 2.5.2 Strahlerzeugung ............................................................................. 36 2.5.3 Laserarten...................................................................... 38 2.5.4 Fokussierung, Leistungseintrag ..................................................... 40 2.6 Wärmeübertragung......................................................................... 41 2.6.1 Grundbegriffe................................................................................. 41 2.6.2 Wärmeleitung................................................................................. 41 2.6.3 Konvektion..................................................................................... 42 2.6.4 Wärmestrahlung ............................................................................. 44 2.6.5 Wärmedurchgang ........................................................................... 47 2.7 Rationeller Energieeinsatz ............................................................. 48 V
2.7.1 Energiebilanz ................................................................................. 48 2.7.2 Wirkungsgrad, Nutzungsgrad ........................................................ 50 3 Schmelzen und Warmhalten....................................................... 53 3.1 Einführung ..................................................................................... 53 3.2 Gewinnung von Grundstoffen........................................................ 54 3.2.1 Elektrothermische Reduktion......................................................... 54 3.2.1.1 Technologie............................................................................. 54 3.2.1.2 Herstellung von Ferrolegierungen, Kalziumkarbid und Phosphor, Verhüttung von Buntmetallen........................................................ 56 3.2.1.3 Herstellung von Siliziumkarbid und Elektrographit...................... 58 3.2.2 Schmelzflußelektrolyse von Leichtmetallen.................................. 60 3.2.2.1 Technologie.................................................................................... 60 3.2.2.2 Gewinnung von Aluminium........................................................... 62 3.2.2.3 Gewinnung von Magnesium .......................................................... 62 3.2.2.4 Gewinnung von Natrium................................................................ 63 3.3 Elektrostahlerzeugung.................................................................... 63 3.3.1 Technologie.................................................................................... 63 3.3.2 Lichtbogenschmelzen..................................................................... 65 3.3.2.1 Drehstrom-Lichtbogenofen............................................................ 65 3.2.2.2 Gleichstrom-Lichtbogenofen ......................................................... 68 3.3.3 Plasmaschmelzen
........................................................................... 69 3.4 Umschmelzen und Herstellung von Sonderwerkstoffen................ 71 3.4.1 Elektroschlackeumschmelzen ........................................................ 71 3.4.2 Vakuum-Metallurgie...................................................................... 73 3.4.2.1 Technologie.................................................................................... 73 3.4.2.2 Vakuum-Lichtbogenschmelzen...................................................... 74 3.4.2.3 Elektronenstrahlschmelzen ............................................................ 75 3.4.2.4 Vakuum-Induktionsschmelzen....................................................... 79 3.4.3 Herstellung von Glas ................... 79 3.4.3.1 Technologie.................................................................................... 79 3.4.3.2 Vollelektrisch beheizte Glasschmelze ........................................... 80 3.4.3.3 Elektrische Zusatzbeheizung von Glasschmelzen ......................... 81 3.4.4 Züchten von Einkristallen aus der Schmelze................................. 82 3.4.4.1 Technologie.................................................................................... 82 3.4.4.2 Herstellung von Silizium-Einkristallen.......................................... 86 3.4.5 Herstellung von amorphen Werkstoffen........................................ 90 3.5 Schmelzen von Gußwerkstoffen .................................................... 91 3.5.1 Technologie.................................................................................... 91 3.5.2 Induktionsschmelzen...................................................................... 93 3.5.2.1 Induktionstiegelofen ...................................................................... 93 3.5.2.2 Induktionsrinnenofen ..................................................................... 97 3.5.3
Widerstandsbeheizter Tiegelofen .................................................. 101 VI
4 Erwärmen und Trocknen............................................................ 105 4.1 Einführung ..................................................................................... 105 4.2 Erwärmen für die Warmformgebung............................................. 106 4.2.1 Erwärmen für die Warmformung von Metallen ............................ 106 4.2.1.1 Technologie.................................................................................... 106 4.2.1.2 Konduktive Erwärmung................................................................. 107 4.2.1.3 Induktionserwärmung .................................................................... 110 4.2.1.4 Indirekte Widerstandserwärmung.................................................. 116 4.2.2 Erwärmen für die Warmformgebung von Kunststoffen ................ 117 4.2.2.1 Technologie.................................................................................... 117 4.2.2.2 Formpressen und Spritzpressen von Duroplasten.......................... 118 4.2.2.3 Spritzgießen von Duro- und Thermoplasten.................................. 120 4.2.2.4 Warmformung von Thermoplasten................................................ 122 4.2.3 Ziehen von Glasfasern ................................................................... 124 4.3 Erwärmen und Trocknen diverser Stoffe....................................... 126 4.3.1 Technologie.................................................................................... 126 4.3.2 Trocknen von Farben und Lacken ................................................. 133 4.3.3 Trocknen und Brennen von Keramik............................................. 135 4.3.4 Erwärmen, Auftauen und Trocknen von Nahrungs- und Arzneimitteln ............................................................................................ 136 4.3.5 Erwärmen und Trocknen von Textilien und Leder........................ 140 4.3.6
Erwärmen und Trocknen von Papier und Karton .......................... 142 4.3.7 Erwärmen und Vulkanisieren von Gummi .................................... 143 4.3.8 Trocknen von Holz......................................................................... 144 4.4 Dampf- und Heißwassererzeugung................................................ 146 4.5 Erwärmen zur Abfallentsorgung.................................................... 148 5 Schweißen und Verbinden .......................................................... 153 5.1 Einführung ..................................................................................... 153 5.2 Schweißen ...................................................................................... 154 5.2.1 Technologie.................................................................................... 154 5.2.2 Schmelzschweißen von Metallen................................................... 161 5.2.2.1 Lichtbogenschweißen .................................................................... 161 5.2.2.2 Elektroschlackeschweißen ............................................................. 171 5.2.2.3 Plasmaschweißen ........................................................................... 173 5.2.2.4 Elektronenstrahlschweißen ............................................................ 175 5.2.2.5 Laserschweißen.............................................................................. 178 5.2.2.6 Direct Bonding............................................................................... 183 5.2.3 Preßschweißen von Metallen ......................................................... 185 5.2.3.1 Widerstandsschweißen................................................................... 185 5.2.3.2 Lichtbogenpreßschweißen ............................................................. 195 5.2.3.3 Konduktives und induktives Schweißen von Rohren .................... 196 VII
5.2.3.4 Diffusionsschweißen...................................................................... 199 5.2.4 Preßschweißen von Kunststoffen................................................... 201 5.2.4.1 Dielektrisches Hochfrequenz-Schweißen ...................................... 201 5.2.4.2 Heizelementschweißen ..................... 206 5.2.4.3 Lichtstrahlschweißen ..................................................................... 208 5.3 Löten .............................................................................................. 210 5.3.1 Technologie.................................................................................... 210 5.3.2 Weichlöten ..................................................................................... 213 5.3.3 Hartlöten ........................................................................................ 215 5.3.4 Hochtemperaturlöten...................................................................... 217 5.4 Holzverkleben ................................................................................ 217 5.4.1 Technologie.................................................................................... 218 5.4.2 Spanplattenherstellung................................................................... 219 6 Wärmebehandeln und Oberflächenmodifikation..................... 223 6.1 Einführung ..................................................................................... 223 6.2 Wärmebehandeln ........................................................................... 224 6.2.1 Technologie.................................................................................... 224 6.2.2 Wärmebehandlungsanlagen ........................................................... 225 6.2.3 Thermische Verfahren ................................................................... 235 6.2.3.1
Glühen............................................................................................ 235 6.2.3.2 Härten, Anlassen, Vergüten ........................................................... 240 6.2.3.3 Isothermisches Umwandeln ........................................................... 250 6.2.4 Thermochemische Verfahren......................................................... 251 6.2.4.1 Einsatzhärten.................................................................................. 251 6.2.4.2 Nitrieren und Nitrocarburieren ...................................................... 252 6.3 Oberflächenmodifikation ............................................................... 254 6.3.1 Einteilung.................................................................................. 254 6.3.2 Aufschmelzen.................................................................................. 254 6.3.3 Oberflächenmodifikation mit Ionehstrahlen .................................. 260 6.3.4 Beschichten durch Gasphasenabscheidung ................................... 261 6.3.4.1 Physikalische Gasphasenabscheidung ........................................... 261 6.3.4.2 Chemische Gasphasenabscheidung ............................................... 268 6.4 Thermisches Beschichten .............................................................. 269 6.4.1 Thermisches Spritzen..................................................................... 269 6.4.2 Schmelztauchen ............................................................................. 272 6.4.3 Auftragschweißen .......................................................................... 273 7 Abtragen und Trennen ................................................................ 277 7.1 Einführung ..................................................................................... 277 7.2 Herstellung von Raumformen und Konturen................................. 277 VIII
7.2.1 Technologie der funkenerosiven Bearbeitung ............................... 277 7.2.1.1 Verfahrenskenngrößen und Einflußgrößen.................................... 277 7.2.1.2 Dielektrische Arbeitsflüssigkeit..................................................... 282 7.2.1.3 Werkzeugelektroden ...................................................................... 285 7.2.2 ED-Senken ..................................................................................... 286 7.2.2.1 Konventionelles ED-Senken .......................................................... 286 7.2.2.2 ED-Senken mit überlagerter Bewegung......................................... 290 7.2.3 ED-Schneiden ................................................................................ 295 7.3 Schneiden und Trennen von Flach- und Formteilen...................... 299 7.3.1 Plasmaschneiden ............................................................................ 300 7.3.1.1 Technologie.................................................................................... 300 7.3.1.2 Verfahrensvarianten....................................................................... 305 7.3.2 Laserschneiden............................................................................... 311 7.3.2.1 Technologie.................................................................................... 311 13 . 2.2 Schneiden von Nichtmetallen ........................................................ 314 7.3.2.3 Schneiden von Metallen................................................................. 317 7.3.3 Ritzen und Anreißen ...................................................................... 319 7.3.4 Elektrokontaktbearbeitung............................................................. 320 7.4 Herstellung von Bohrungen und Durchbrüchen ............................ 321 7.4.1
Technologie.................................................................................... 322 7.4.2 Elektronenstrahlbohren.................................................................. 323 7.4.3 Laserbohren.................................................................................... 324 7.5 Abtragen von dünnen Schichten .................................................... 324 7.5.1 Dünnschichtabtragen mit Elektronenstrahlen................................ 325 7.5.2 Dünnschichtabtragen mit Laserstrahlen......................................... 325 7.5.3 Dünnschichtabtragen mit Ionenstrahlen ........................................ 326 Formelzeichen............................................................................................ 329 Sachwortverzeichnis ................................................................................. 332 IX
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