Verfahren zum Ausglühen von Metallband mittels Induktionsheizung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausglühen von Metallband mittels Induktionsheizung, insbesondere bei Netzfrequenz.
Bisher wird zum Zwecke einer Änderung der metallographischen Struktur das Ausglühen von im Walzund Ziehverfahren gehärteten Bändern meistens in elektrischen Widerstandsöfen durchgeführt. Der zum Ausglühen vorgesehene Werkstoff wird in den Ofen hineingebracht und indirekt durch Ausnutzung der Wärmeleitfähigkeit vom äussersten bis zum innersten Teil eines kreisförmig lose aufgewickelten Bandes erwärmt. Dieses Ausglühverfahren hat, ungeachtet dessen, dass eine bedeutende Menge elektrischen Stroms verbraucht wird, da doch die Wärme den Werkstoff langsam durchdringt, noch den Nachteil, dass die Struktur des auszuglühenden Stoffes durch Ungleichmässigkeit seiner Körner und einen damit verbundenen Streubereich der mechanischen Parameter gekennzeichnet ist.
Das Ausglühen von Bändern in einem anderen bekannten Verfahren, nämlich in mittels Gas oder eines anderen Brennstoffes geheizten Feueröfen wird ebenfalls durch indirektes Erwärmen durchgeführt, wobei der ausgeglühte Stoff, nachdem er in der Betriebszone des Ofens angewärmt worden ist, an der Oberfläche oxydiert wird und einem zusätzlichen Beizungsverfahren ausgesetzt werden muss. Das erhöht die Herstellungskosten.
Die Regelung der Temperatur ist schwierig und die Aufheizung auf die gewünschte Temperatur dauert lange.
Dieses hat zur Folge, dass das Ausglühen des Stoffes ungleichmässig ist, was wiederum zu seiner geringen Qualität führt.
Bekannt ist auch das Verfahren eines Induktionsausglühens mit Hilfe von Induktionserwärmungsöfen, die durch Hochfrequenzröhrengeneratoren gespeist werden.
Das Erwärmen der Bänder erfolgt indirekt, wie z.B.
infolge des Kontakts des Bandes mit einer sich in Drehbewegung befindenden und induktionsmässig erwärmten Stahltrommel. Derartige Erwärmungsöfen sind in ihrer Bauweise kompliziert und sind durch grosse Wärmeverluste, sowie durch einen geringen Energiewirkungsgrad gekennzeichnet. Bekannt sind ebenfalls Induktionsdurchlauferwärmeöfen, in denen das auszuglühende Band unmittelbar während des Ziehverfahrens über den Erwärmeofen angewärmt wird. Infolge einer ungleichmässigen Verteilung der Temperatur im elektromagnetischen Feld des den Strom in den auszuglühenden Stoff induzierenden Induktors ist dieser Stoff durch eine ungleichmässige metallographische Struktur gekennzeichnet. Durch Anwendung von Hochfrequenzgeneratoren werden die Kosten der Vorrichtung bedeutend gesteigert und es wird auch die energiemässige Leistungsfähigkeit des Erwärmens verschlechtert.
Das Ausglühverfahren erfordert schliesslich eine Anpassung der Frequenz des den Induktor speisenden elektrischen Stroms an den betreffenden Werkstoff und die Stärke des Bands. Der vorliegenden Erfindung liegt das Bestreben zugrunde, die vorstehend erwähnten Unzulänglichkeiten zu vermeiden.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erzielt, dass das Metallband so eng zu einer Bandrolle aufgewickelt und gegen Lockerung gesichert wird, dass benachbarte Windungen einander berühren, und dass die anschliessende Induktionserhitzung so durchgeführt wird, dass der zeitliche Temperaturverlauf an jeder Stelle des Querschnitts der Bandrolle mindestens annähernd der gleiche ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Induktionserhitzung und Abkühlung der Bandrolle in Schutzatmosphäre oder im Vakuum durchgeführt.
Im folgenden werden als Beispiele zwei Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Einrichtung mit innen angebrachtem Induktor, und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Einrichtung mit abnehmbarem Induktor.
Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Einrichtung hat eine abnehmbare Haube 1, die mit einem Griff 2 versehen und auf einem standfesten Herd 3 angebracht ist. Im Gestell des Herdes 3 befindet sich ein Rohr 4, welches mit einer nicht dargestellten Schutzgasinstallation oder Vakuumpumpe verbunden ist.
Um die Atmosphäre innerhalb der Einrichtung von der Umgebung zu isolieren, ist die Fläche der Berührung der Haube 1 mit dem Herd 3 mit der Abdichtungsunterlage 5 belegt. Unter der Haube 1 ist der wassergekühlte Induktor 6 aufgestellt. Auf dem Ofensockel befindet sich die Spule 7 mit dem zum Ausglühen bestimmten Stoff 8.
Um eine langsame Abkühlung des ausgeglühten Stoffes 8 zu erzielen, ohne dass dessen Oberfläche einer Oxydation unterliegt, ist es vorteilhaft, den Induktor 6 auf der Haube 1 anzuordnen und ihn mit dem Griff 9 (Fig. 2) auszurüsten. Bei einer derartigen Lösung wird der ausgeglühte Stoff, nach Wegnahme des Induktors 6 von der Haube 1, in der in der Vorrichtung herrschenden Atmosphäre langsam kalt.
Um eine sehr ausgeglichene Verteilung der Temperatur in der dem Ausglühen unterzogenen Bandrolle zu erreichen und um das Ausglühverfahren zu beschleunigen, wird ein zusätzlicher Induktor innerhalb der aufgewickelten Bandrolle (oder der Spule) angebracht.
Da das Ausglühverfahren kurz ist und gewöhnlich nicht länger als der Walzzyklus des Bandes dauert, so kann der Induktionserwärmungsofen nach vorliegender Erfindung neben das Walzwerk gestellt und dessen Betrieb dem des Walzwerkes angeschlossen werden.
Nach dem Ausglühen wird der ausgeglühte Werkstoff durch Blasen von Schutzgas oder in der in der Vorrichtung herrschenden Atmosphäre abgekühlt, wonach die ausgeglühte Rolle, nachdem sie von der Spule abgenommen worden ist, von neuem ins Walzwerk zwecks weiteren Walzens in einem geschlossenen Zyklus gebracht wird.
Das beschriebene Verfahren ist durch eine sehr kurze Erwärmungszeit und daher auch durch eine grosse Ergiebigkeit des Ausglühverfahrens sowie Sparsamkeit m bezug auf den Energieverbrauch ausgezeichnet; man erzielt bei diesem Verfahren einen besseren Nutzeffekt und verbraucht weniger Strom als in den bisher bekannten Ausglühverfahren. Infolge der isothermischen Temperaturverteilung im Durchmesser der Rolle besitzt das ausgeglühte Band homogene, mechanische und metallographische Eigenschaften, was für dessen weitere plastische Verarbeitung äusserst günstig ist.
Die Anwendung des oben beschriebenen Ausglühverfahrens beruht darauf, dass die kaltgewalzte, mit entsprechendem Aufzug gewickelte Bandrolle in einen Induktionsofen gebracht wird, welcher am günstigsten mit Netzfrequenz gespeist ist. Der grosse Aufzug des aufzuwickelnden Stoffes bezweckt die Sicherstellung einer genügend kleinen Berührungsresistenz zwischen den Windungsschichten für den durch den Induktor des Erwärmungsofens erregten Induktionsstromdurchgang und für den Wärmedurchgang durch die Wärmeleitung zu den inneren Schichten der Bandrolle. Die Resistenz ist aus diesem Grunde etwas höher als der einer monolithischen Walze aus demselben Stoff und mit demselben Durchmesser.
Die Leistungsfähigkeit des Induktors ist so zu wählen, dass die Verteilung der Temperatur über dem Durchmesser der Rolle in der Endphase der Banderwärmung isothermen Charakter hat. Bei gegebener Eindringtiefe des Stromes steigt die Temperatur während des Ausglühverfahrens zuerst in den Aussenschichten der Rolle rasch an; danach wird die Wärme nach und nach gemäss der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes in die inneren Schichten weitergeleitet, bis die Temperatur schliesslich über dem ganzen Durchmesser der Rolle ausgeglichen ist.
Das Ausglühverfahren ist dann beendet, wenn die inneren Windungen die erforderliche Glühtemperatur und -zeit erreicht haben.
Process for annealing metal strip by means of induction heating
This invention relates to a method of annealing metal strip by means of induction heating, particularly at mains frequency.
Up to now, for the purpose of changing the metallographic structure, the annealing of strips hardened in the rolling and drawing process has mostly been carried out in electrical resistance furnaces. The material intended for annealing is brought into the furnace and heated indirectly by utilizing the thermal conductivity from the outermost to the innermost part of a loosely wound band. Despite the fact that a significant amount of electrical current is consumed, since the heat slowly penetrates the material, this annealing process still has the disadvantage that the structure of the material to be annealed is characterized by the unevenness of its grains and the associated scatter of the mechanical parameters.
The annealing of strips in another known process, namely in furnaces heated by gas or another fuel, is also carried out by indirect heating, the annealed substance, after it has been heated in the operating zone of the furnace, is oxidized on the surface and a additional pickling processes must be exposed. This increases the manufacturing cost.
It is difficult to regulate the temperature and it takes a long time to heat up to the desired temperature.
This has the consequence that the annealing of the substance is uneven, which in turn leads to its poor quality.
Also known is the process of induction annealing with the aid of induction heating furnaces fed by high-frequency tube generators.
The belts are heated indirectly, e.g.
as a result of the contact of the belt with a rotating steel drum which is heated by induction. Such heating furnaces are complicated in their construction and are characterized by large heat losses and a low energy efficiency. Induction heating furnaces are also known, in which the strip to be annealed is heated directly by the heating furnace during the drawing process. As a result of an uneven distribution of the temperature in the electromagnetic field of the inductor that induces the current in the substance to be annealed, this substance is characterized by an uneven metallographic structure. By using high frequency generators, the cost of the device is significantly increased and the energy efficiency of the heating is also deteriorated.
The annealing process finally requires an adaptation of the frequency of the electrical current feeding the inductor to the material in question and the thickness of the strip. The present invention seeks to avoid the above-mentioned inadequacies.
According to the invention, this is achieved in that the metal tape is wound so tightly into a tape roll and secured against loosening that adjacent turns touch each other, and that the subsequent induction heating is carried out in such a way that the temperature profile over time at each point of the cross-section of the tape roll is at least approximately the same is.
In a preferred embodiment, induction heating and cooling of the tape roll are carried out in a protective atmosphere or in a vacuum.
In the following, two embodiments of the subject matter of the invention are described in more detail as examples with reference to the drawing. Show it:
1 shows a longitudinal section through a device with an internally mounted inductor, and
2 shows a longitudinal section through a second device with a removable inductor.
The device shown in FIGS. 1 and 2 has a removable hood 1, which is provided with a handle 2 and is attached to a stable stove 3. In the frame of the cooker 3 there is a pipe 4 which is connected to a protective gas installation or vacuum pump (not shown).
In order to isolate the atmosphere within the device from the surroundings, the area of contact between the hood 1 and the stove 3 is covered with the sealing pad 5. The water-cooled inductor 6 is set up under the hood 1. The coil 7 with the substance 8 intended for annealing is located on the furnace base.
In order to achieve slow cooling of the annealed substance 8 without its surface being subject to oxidation, it is advantageous to arrange the inductor 6 on the hood 1 and to equip it with the handle 9 (FIG. 2). With such a solution, after the inductor 6 has been removed from the hood 1, the annealed substance slowly becomes cold in the atmosphere prevailing in the device.
In order to achieve a very even distribution of the temperature in the reel of tape subjected to annealing and to speed up the annealing process, an additional inductor is placed inside the wound reel of tape (or spool).
Since the annealing process is short and usually does not take longer than the rolling cycle of the strip, the induction heating furnace according to the present invention can be placed next to the rolling mill and its operation can be connected to that of the rolling mill.
After annealing, the annealed material is cooled by blowing protective gas or in the atmosphere prevailing in the device, after which the annealed roll, after it has been removed from the spool, is brought back into the rolling mill for further rolling in a closed cycle.
The method described is characterized by a very short heating time and therefore also by a high productivity of the annealing process as well as economy m in terms of energy consumption; With this method, a better efficiency is achieved and less electricity is used than in the previously known annealing method. As a result of the isothermal temperature distribution in the diameter of the roll, the annealed strip has homogeneous, mechanical and metallographic properties, which is extremely favorable for its further plastic processing.
The application of the annealing process described above is based on the fact that the cold-rolled strip roll, wound with an appropriate winding, is brought into an induction furnace, which is best fed with mains frequency. The purpose of the large winding of the material to be wound up is to ensure a sufficiently small contact resistance between the winding layers for the passage of induction current excited by the inductor of the heating furnace and for the passage of heat through the heat conduction to the inner layers of the tape roll. For this reason, the resistance is somewhat higher than that of a monolithic roller made of the same material and with the same diameter.
The capacity of the inductor is to be selected in such a way that the distribution of the temperature over the diameter of the roller in the final phase of heating the strip is isothermal. For a given current penetration depth, the temperature rises rapidly during the annealing process, first in the outer layers of the roll; then the heat is gradually transferred into the inner layers according to the thermal conductivity of the material, until the temperature is finally equalized over the entire diameter of the roll.
The annealing process is finished when the inner coils have reached the required annealing temperature and time.