DD160550A3

DD160550A3 - Verfahren zur direkten elektrischen widerstandserwaermung von metallischen werkstuecken

Info

Publication number: DD160550A3
Application number: DD81227372A
Authority: DD
Inventors: Klaus-Michael Petzold; Werner Schirmer; Roland Lippmann; Gerald Werthmann; Herbert Muehe; Gregor Mueller
Original assignee: Rothenburg Draht Seilwerk
Priority date: 1981-02-02
Filing date: 1981-02-02
Publication date: 1983-09-14
Also published as: DE3272791D1; EP0057385A2; SU1446170A1; ATE21799T1; EP0057385B1; EP0057385A3; CS247109B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten elektrischen Widerstandserwaermung von metallischen Werkstuecken, wobei im Gegensatz zu den ueblichen technologischen Verfahren, bei denen nur die Oberflaechentemperatur zur Steuerung und Regelung des technologischen Prozesses herangezogen wird, eine gezielte Temperaturfeldbeeinflussung im Werkstueck senkrecht zur Stromflussrichtung vorgenommen wird. Ziel der Erfindung ist die Einstellung gezielter Temperaturverteilungen in einem metallischen Werkstueck unter Ausnutzung der Abhaengigkeit der spezifischen elektrischen Widerstands von der Temperatur. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass das zu erwaermende Werkstueck zunaechst durch an sich bekannte Erwaermungs- und/oder Abkuehlungsvorrichtungen gefuehrt wird, die eine ungleichmaessige Temperaturverteilung im Werkstueck senkrecht zur nachfolgenden Stromflussrichtung bewirken, dass anschliessend das Werkstueck in an sich bekannter Weise mittels direkten elektrischen Stromdurchgangs erwaermt wird, und/oder dass waehrend der direkten elektrischen Widerstandserwaermung in der Erwaermungsstrecke auf das Werkstueck zusaetzlich Erwaermungs- und/oder Abkuehlvorrichtungen gleichzeitig oder nacheinander mit definierten Energieangeboten einwirken, und Temperaturgradienten ueber den Querschnitt erzeugen.

Description

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a) Titel der Erfindung

Verfahren zur direkten elektrischen Widerstandserwärmung von metallischen Werkstücken-

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten elektrischen Widerstandserwärmung von metallischen Werkstücken, wobei eine Temperaturbeeinflussung senkrecht zur Stromflußrichtung vorgenommen wird.

c) Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei der direkten elektrischen Widerst andserwärmung erfolgt die Erwärmung durch direkte Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme im stromdurchflossenen Werkstück. Die Temperaturverteilung im erwärmten Werkstück hängt bekanntlich ab

-von der Stromstärke, der Dichte, der spezifischen Färme und der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des jeweiligen Materials bezüglich 'der Umwandlung elektrischer Energie in Wärme und

- vom Wärmeleitungskoeffizient, der Wärmeübergangezahl, der

Dichte und der spezifischen Wärme des jeweiligen Materials

bezüglich der Abstrahlbedingungen der Wärme an die Umgebung.

Bisher wurde grundsätzlich die sich einstellende Oberflächentemperatur des Werkstücks zur Festlegung der elektrischen Parameter verwendet, ohne auf die Temperaturverteilung senkrecht zur Stromflußrichtung Rücksicht zu nehmen, die die Resultierende aus Erwärmunga- und Abstrahlbedingungen ist.

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Das trifft zu für alle bekannten Verfahren zur direkten elektrischen Widerstandserwärmung von metallischen Werkstücken.

Es ist weiterhin ein Verfahren gemäß DE-AS 1262 32o bekannt, bei dein während der direkten elektrischen Widerstandserwärfiiung eines vorgewärmten Stahlblocks mindestens zeitweise eine Beaufschlagung der BlOckoberfläche mit Wasser oder Dampf erfolgt. Dabei ist von lachteil, daß die Einstellung einer gezielten Temperaturverteilung über den Querschnitt ausgeschlossen ist und ein definierter Temperaturgradient nicht erzeugt wird.

Im Resultat von Erwärmungs- und Abstrahlbedingungen stellt sich stets über den Querschnitt eine ganz bestimmte Temperaturverteilung ein, die man als gegeben hinnimmt. Das ist zugleich der Kachteil des Standes der Technik, da bezüglich eines zu lösenden Erwärmungsproblems die sich einstellende Temperaturverteilung senkrecht zur Stromflußrichtung in der Mehrzahl aller Fälle nicht diejenige ist, die zur optimalen Problemlösung führ

t.

d) Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Vermeidung der Mängel des Standes der Technik durch Anwendung eines Verfahrens, das die Einstellung gezielter Temperaturverteilungen in einem metallischen Werkstück senkrecht zur Stromflußrichtung ermöglicht, so daß für die jeweils vorgesehene Wärmebehandlung eine optimale Temperaturverteilung im Werkstück eingestellt werden kann.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dem Endzweck optimal angepaßte Temperaturverteilung senkrecht zur Stromflußrichtung bei direkter elektrischer Widerstandserwä rmung metallischer Werkstücke zu erzeugen, wobei die Abhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands von der Temperatur zur Beeinflussung der Temperaturverteilung gezielt genutzt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst} daß in

dem zu erwärmenden Wertstück, dessen thermische Vorbehandlung unterschiedlich sein kann, ausschließlich vor und/oder während der direkten elektrischen Widerstandserwärmung durch eine oder mehrere zusätzlich an unterschiedlichen Stellen auf das Werkstück senkrecht zur Stromdurchflußrichtung gleichzeitig oder nacheinander einwirkende an sich bekannte Brwärraungs- und/oder Abkühlvorrichtungen mit definierten Snergieangeboten einen Temperaturgradienten über den Querschnitt erzeugen. Dabei wird die ungleiche Temperaturverteilung über den Querschnitt des Werkstücks ausschließlich durch an sich bekannte Brwärmungs- und/oder Abkühlvorrichtungen vor der direkten elektrischen Widerstandserwärmung oder ausschließlich durch an sich bekannte Srwärmungs- und/oder Abkühlvorrichtungen während der direkten elektrischen Widerstandserwärmung oder durch das gleichzeitige Einwirken an sich bekannter Srwärmungs- und/oder Abkühlvorrichtungen vor und während der direkten elektrischen Widerstandserwärmung eingestellt«

S3 ist auch möglich, daß die erforderliche ungleiche Temperatumverteilung über den Querschnitt des Werkstücks ausschließlich durch das erste an sich bekannte Eontaktbad der elektrischen Widerstandserwärmung erzeugt wird.

f) Ausführungsbeispiel ~~

Die Erfindung soll an Beispielen näher erläutert werden·

1. Ein Stahldraht M 45_} 0 4 mm und 5oo mm länge, mit einer Ausgangstemperatur von beispielsweise 0 ⁰C wird durch Anlegen zweier Kontakte direkt elektrisch widerstandserwärmt. Yor Beginn der Stromerwärmung wird durch eine äußere Brwärmungsvorrichtung in Form eines zylindrischen, elektrisch beheizten Hochleistungsofens die Oberflächentemperatur bis in eine Tiefe von o,5 mm auf 2oo ⁰C erwärmt. Nach Einschalten der Stromversorgungseinheit für die direkte elektrische Widerstandserwärmung mit einer Spannung von 4o Y und einer Einwirkungszeit von 4o s ergibt sich eine Endtemperaturverteilung von 95o ⁰G im ursprünglich wärmeunbeeinflußten Querschnitt und 72o ⁰G in der wärmebeein-

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flußten Randzone.

2. Ein von einein Ring mit einer Geschwindigkeit von

2o inulin" ' ablaufender Draht aus Stahl M 78, Durchmesser 5,5 min, wird durch Kontaktierung in Metallschmelzen auf einer Länge von 2ooo mm (= Glühlänge) direkt elektrisch erwärmt. Die Länge des ersten Kontaktbades soll 1ooo mm und dessen Temperatur 4oo ⁰C betragen. Unter diesen Bedingungen erfolgt während des Durchlaufes durch das erste Kontaktbad eine indirekte Erwärmung des Drahtes auf 12o ⁰C bis in o.2 mm 'Tiefe, wodurch sich eine gleichmäßige Stromverteilung senkrecht zur Drahtachse einstellt, die zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung am Ende der. Erwärmungsstrecke führt. Diese gleichmäßige Temperatur senkrecht zur Draht achse ist ungünstig'für eine beispielsweise nachfolgende isothermische Umwandlung in der Perlit stufe. Um günstige Umwandlungsbedingungen zu schaffen, muß der Draht eine Kerntemperatur von 93o ⁰C und eine Randtemperatur von 84ο ⁰C aufweisen. Dazu muß in einem Abstand von 3oo mm vor dem Drahteintritt in das 2. Kontaktbad eine 2oo mm lange, den Draht allseitig umschlieesende Zusatzheizung mit einer Heizleistung von o,45 kW angebracht v/erden, die indirekt den Draht so erwärmt, daß durch den jetzt höheren spezifischen el. Widerstand des Drahtrandes bis in o,5 mm Tiefe der Kern des Drahtes sich um 8o - 1oo K höher erwärmt als der Rand, was zu günstigen isothermischen Umwandlungsbedingungen hinsichtlich der Gleichmäßigkeit bei Umwandlung in der Perlitstufe führt.

3. Ein von einem Ring mit einer Geschwindigkeit von

-1

1o mmin ablaufender Draht aus Stahl M 78, Durchmesser 5,5 mm, wird durch Kontaktierung in Metallschmelzen auf einer Länge von 2ooo mm (= Glühlänge) direkt elektrisch erwärmt. Die Länge des ersten Kontaktbades soll 1ooo mm und dessen Temperatur 4oo ⁰C betragen. Unter diesen Bedingungen erfolgt während des Durchlaufes durch das erste Kontaktbad eine indirekte Erwärmung des Drahtes auf 15o ⁰C bis in o,5 mm Tiefe und auf 33o ⁰C bis in o,15

Tiefe, wodurch sieh eine ungleichmäßige Stromverteilung senkrecht zur Drahtachse zu Beginn des Erwärinungsvorganges einstellt. Das führt dazu, daß zuerst der Drahtkern schneller erwärmt wird als der Draht rand, in einer Entfernung von 12o JM nach Austritt des-Drahtes aus dem ersten Kontaktbad ist der temperaturbedingte Unterschied des spezifischen elektrischen Widerstandes zwischen Drahtrand und -kern so groß, daß die Randzone die deutlich höhere Stromdichte und damit die höhere Erwärmungsgeschwindigkeit aufweist. Dieser Vorgang wechselt periodisch ("schwarze Plecken") bis zum Eintritt des Drahtes in das 2. Eontaktbad und führt zu einer zufälligen Temperaturverteilung senkrecht zur Drahtachse, die z. B. für ein nachfolgendes Karten zu ungleichmäßigen Gefügeausbildungen führt. Deshalb muß der Draht vor Eintritt in das erste Eontaktbad durch eine Zusatzheizvorrichtung mit einer Leistung von 0,60 kW geführt werden, die eine Drahterwärmung auf 3oc ⁰C bis in 0,5 mm Tiefe vor Eintritt des Drahtes in das erste Kontaktbad bewirkt. Dadurch weist der Draht nach Austritt aus dem ersten Kontaktbad nur noch geringe Temperaturunterschiede zwischen Rand und Kern auf, was eine gleichmäßige Erwärmung in der Glühstrecke ermöglicht.

4· Ein Draht, der"von einem Ring mit einer Geschwindigkeit

— 1 von 3o mniin abläuft aus M 45» Durchmesser 4 mm, wird durch Kontaktierung in Metallschmelzen auf einer Länge von 2ooo mm (= Glühstrecke) direkt elektrisch erwärmt. Die Länge des ersten Kontaktbades soll 1ooc mm und dessen Temperatur 4oo ⁰C betragen. Unter diesen Bedingungen wird der Draht beim Durchlauf durch das erste Kontaktbad bis in eine Tiefe von o,11 mm auf 90 C erwärmt. Durch Anbringen einer Zusatzheizung von 2oo mm Länge, die den Draht allseitig umschließt und eine Leistung von 0,3 kW hat, wird durch indirekte Erwärmung im Draht eine Temperaturerhöhung der Randzone um 14o E bis in eine Tiefe von o,2 mm erreicht. Damit ergibt sich eine Temperaturverteilung senkrecht zur Drahtachse nach Verlassen des ersten

Kontaktbades von 18o ⁰C bis in eine Tiefe von o,18 mm, was zu einer schnelleren Erwärmung des Kernes führt. Bei Erwärmung von kaltgezogenen Drähten kann dies erforderlich sein, um eine zum gleichen Zeitpunkt beginnende Rekristallisation zu gewährleisten, die unter üblichen direkten Erwärmungen auf Grund des unterschiedlichen Verformungsgrades (Rand höher als Kern) im Rand früher einsetzen und ungleichmäßige Austenitzustände ergeben würde. Nach erfolgter Rekristallisation des gesamten Querschnittes kann die für eine isotherme Umwandlung in der Perlitstufe günstige Temperaturverteilung (Rand kleiner als Kern) durch Anbringen einer 25o mm langen Kühlstrecke, die den Draht allseitig umschließt, in einem Abstand von 3oo mm vor Eintritt des Drahtes in das 2. Kontaktbad-mit einer Kühlleistung von o,35 kW erreicht werden. ITach Verlassen der Kühleinrichtung hat der Draht bis in eine Tiefe von o,25 mm eine 195 K geringere Temperatur als der Kern, was durch den kleineren spez. el. Widerstand zu einer Stromverdichtung in der Randzone führt, die in einer Zeit von o,25 s (= 12o mm) nach Verlassen der Kühleinrichtung die Randtemperatur des Drahtes 2oo K gegenüber der Kerntemperatur erhöht. Iiach weiteren o,25 s hat wiederum die Kernzone die höhere Temperatur. Damit weist der Draht bei Eintritt in das 2. Kontaktbad das gewünschte Temperaturprofil auf.

Ein von einem Ring ablaufender Draht aus M 65, Durchmesser 6 mm, wird durch Kontaktierung in Metallschmelzen auf einer Länge von 2ooo mm durch direkte elektrische Widerstands erwärmung erwärmt. Die Länge des ersten Kontaktbadeε beträgt iooo mm, die Temperatur 45o ⁰C. Der Draht soll während der Erwärmung mind. 2 s lang eine höhere Kernais Randtemperatur aufweisen, wobei eine Tiefe von o,3 nun als Randzone gelten soll. Durch geeignete Wahl der Durchzuggeschwindigkeit kann das erste Eontaktbad neben seiner Punktion der Übertragung der Elektroenergie gleichzeitig die Punktion der Zusatzerwärmungseinheit übernehmen. Unter den genannten Bedingungen wurde der Draht bei einer

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Verweildauer von 4 s bis in eine Tiefe von ο,3 mm eine Temperatur von 26o ⁰C aufweisen, was einer Ablaufgeschwindigkeit von 15 mmin entspricht* Sofort nach Austritt des Drahtes aus dem ersten Kontaktbad muß der Draht durch eine ihn allseitig umschließende Zusatzheizeinrichtung von 5oo mm und einer Leistung von o,62 kW geführt v/erden, die für die Dauer von 2 s den spezifischen elektrischen Widerstand des Randes erhöht und damit eine höhere Kerntemperatur bewirkt. ITach Verlassen der Zusatzheizung setzt im Draht der periodische Wechsel der Temperaturverteilung Rand - Kern ein, der dazu führt, daß unter den genannten Bedingungen der Draht im Moment des Eintauchens in das zweite Zontaktbad die höhere Randtemperatur aufweist.

Claims

Erfindungsanspruch

1* Verfahren zur direkten elektrischen Widerstandserwärmung von metallischen 7/erkstücken, erforderlichenfalls in Verbindung mit einer thermischen Vorbehandlung desselben, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zu erwärmenden Werkstück: mittels einer oder mehrerer an sich bekannten Erwärmuiigs- und/oder Abkühlvorrichtungen eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im Werkstück senkrecht zur nachfolgenden Stromflußrichtung erzeugt und anschließend das Werkstück mitteis direkten elektrischen Stromdurchgangs erwärmt wird und/oder daß durch zusätzlich in der Erwärmungsstrecke der elektrischen Widerstandserwärmung auf das Werkstück senkrecht zur Strbmflußrichtung gleichseitig oder nacheinander einwirkende an sich bekannte Erwärmung- und/oder Abkühlvorrichtungen mit definierten Energieangeboten pro Zeiteinheit einen Temperaturgradient en -erzeugen.
2. Verfahren nach Punkt 1«, dadurch gekennzeichnet,, daß die erforderliche ungleiche Temperaturverteilung über den Querschnitt des Werkstücks ausschließlich durch das erste Kontaktbad der elektrischen Widerstandserwärmung eingestellt wird.