DD230564A3 - Thermoelektrische temperaturregeleinrichtung fuer waermebehandlungsoefen - Google Patents

Thermoelektrische temperaturregeleinrichtung fuer waermebehandlungsoefen Download PDF

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DD230564A3
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heat treatment
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Roland Scholl
Herbert Poeschl
Dieter Fischer
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Immelborn Hartmetallwerk
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Temperaturregeleinrichtung fuer die Aufheizung von Waermebehandlungsoefen, insbesondere zur isothermen Magnetfeldbehandlung von anisotropen Dauermagneten. Es ist das Ziel der Erfindung, eine thermoelektrische Temperaturregeleinrichtung fuer Waermebehandlungsoefen zu entwickeln, mit der es moeglich ist, die Behandlungszone gleichzeitig mit dem Behandlungsgut in einen isothermen Zustand zu bringen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer durch thermoelektrische Temperaturmessung in den Vorheiz- und Waermebehandlungszonen geregelten Aufheizung eines Waermebehandlungsofens, das Prinzip zur Ermittlung und Verwertung der Regelgroessen zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass in der Mitte der Behandlungszone am Aktionsrohr ein Thermopaar fuer eine erste Regeleinheit mit Sollwertgeber sowie Leistungseinheit und seitlich davon mit Beruehrungskontakt am Behandlungsgut je ein Thermopaarreferenzelement angeordnet ist, wobei das eine Thermopaarreferenzelement mit einem Thermopaar an der ersten Vorheizzone ueber eine zweite Regeleinheit und das andere Thermopaarreferenzelement mit einem Thermopaar an der anderen Vorheizzone ueber eine dritte Regeleinheit temperaturdifferenzabhaengige Thermostromkreise bilden, die jeweils an Leistungseinheiten fuer die Regelung der Temperatur in den Vorheizzonen angeschlossen sind.

Description

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Wesen der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer durch thermoelektrische Temperaturmessung in den Vorheiz- und Wärmebehandlungszonen geregelten Aufheizung eines Wärmebehandlungsofens, das Prinzip zur Ermittlung und
Verwertung der Regelgrößen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Mitte der Behandlungszone am Aktionsrohr ein Thermopaar für eine erste Regeleinheit mit Sollwertgeber sowie Leistungseinheit und seitlich davon mit Berührungskontakt am Behandlungsgut je ein Thermopaarreferenzelement angeordnet ist, wobei das eine Thermopaarreferenzelement mit einem Thermopaar an der ersten Vorheizzone über eine zweite Regeleinheit und das andere Thermopaarreferenzelement mit einem Thermopaar an der anderen Vorheizzone über eine dritte Regeleinheit temperaturdifferenzabhängige Thermostromkreise bilden, die jeweils an Leistungseinheiten für die Regelung der Temperatur in den Vorheizzonen angeschlossen sind. Die erfindungsgemäße Temperaturregeleinrichtung regelt den Wärmebehandlungsofen mit einer hohen Aufheizgeschwindigkeit, wodurch ein entsprechend großer Produktionsdurchsatz des Behandlungsgutes erzielt wird. Neben dieser Leistungssteigerung wird vor allem eine Erhöhung der Temperaturkonstanz in der Behandlungszone erreicht, die ein gleichmäßiges Anheben des Wärmepotentials unter isothermen Bedingungen auf die durch den Werkstoff des Behandlungsgutes vorgegebene Behandlungstemperatur ermöglicht. Durch den Einsatz von Thermopaarreferenzelementen mit Temperaturmeßkontakt direkt am Behandlungsgute werden die besonders schädlichen Überhitzungen, die bei den bekannten Temperaturregeleinrichtungen an den Randzonen des Behandlungsraumes auftreten können, mit Sicherheit vermieden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
Fig. 1: Eine schematische Darstellung einer thermoelektrischen Temperaturregeleinrichtung eines Wärmebehandlungsofens zur Wärmebehandlung von Dauermagneten im Magnetfeld
Der Wärmebehandlungsofen besteht aus einem Aktionsrohr 1, das außen von Heizleitern 2 umgeben ist, die so geschaltet sind, daß sie getrennte Heizstromkreise bilden, von denen sich einer im Bereich der Behandlungszone I und je einer im Bereich jeder der beiden Vorheizzonen Il und III befindet. Das Aktionsrohr 1 mit den Heizleitern 2 ist im Luftspalt eines Elektromagneten 3 angeordnet und nimmt in der im Bereich des Luftspaltes liegenden Behandlungszone I das Behandlungsgut 4 auf, das aus Dauermagneten besteht, die in einen Behälter gerichtet eingeschichtet sind.
Für die thermoelektrische Temperaturmessung sind-mit Berührungskontakt am Aktionsrohr 1 in der Mitte der Behandlungszone I ein Thermopaar 5 und im Bereich der Vorheizzonen Il und III Thermopaare 6 und 7 angebracht. Das Thermopaar 5 an der Behandlungszone I ist mit einer Regeleinheit 8 verbunden, die nach einer von einem Sollwertgeber 9 entsprechend der für die Behandlungszone I eingestellten Temperatur über eine Leistungseinheit 10 den Heizstrom für die Behandlungszone I regelt. Die Thermopaare 6 und 7 der Vorheizzonen Il und III sind jeweils mit einem Thermopaarreferenzelement 11 bzw. 12 gegeneinandergeschaltet und mit einer Regeleinheit 13 bzw. 14 verbunden, wobei dieThermopaarereferenzelemente 11 und 12 durch Bohrungen im Aktionsrohr 1 in die Behandlungszone I hineinragen und mit dem Behandlungsgut 4 zum Zwecke der unmittelbaren Temperaturmessung Berührungskontakt haben. In den Regeleinheiten 13 und 14 wird die sich aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Behandlungszone I einerseits und den Vorheizzonen Il bzw. Ill einstellende Thermospannung ausgewertet und als Regelgröße den angeschlossenen Leistungseinheiten 15 bzw. 16 zur Regelung der Heizströme für die Vorheizzonen Il und III zugeführt. Beim Betrieb des Wärmebehandlungsofens wird zunächst die Behandlungszone I über den Sollwertgeber 9, die Regeleinheit 8 sowie die Leistungseinheit 11 auf die vorgegebene Temperatur gebracht. Das Thermopaar 5 für den Sollwertvergleich dient der Meldung der aktuellen Temperatur in der Behandlungszone I. Die Vorheizzonen Il und III werden durch das Gegeneinanderhalten der Thermopaare 6 und 7 mit den Thermopaarreferenzelementen 11 und 12 über die zuständigen Regeleinheiten 13 und 14 derart eingestellt, daß über die Leistungseinheiten 15 und 16 ein definiertes Anheben der Temperatur am Rande der Behandlungszone I eingeregelt wird. Während der Einstellung des leeren Wärmebehandlungsofens befinden sich dieThermopaarreferenzelemente 11 und 12 in der Mitte des Aktionsrohres 1. Durch die Wahl einer technologisch unkritischen Haltetemperatur am Sollwertgeber 9 wird die vorher auf Behandlungstemperatur eingestellte Behandlungszone I auf diese Haltetemperatur heruntergeregelt. Ist dann das erforderliche Temperaturprofil (± 2°C) bei der Haltetemperatur erreicht, beginnt der Behandlungszyklus mit dem zügigen Einbringen des extern auf die Haltetemperatur vergewärmten Behandlungsgutes 4. Hierbei ist es im Sinne der Erfindung von besonderer Bedeutung, daß die Thermopaarreferenzelemente 11 und 12 nach dem Einbringen des Behandlungsgutes 4 mit diesem in Berührungskontakt gebracht werden und ihre Vergleichstemperatur unmittelbar vom Behandlungsgut 4 erhalten. Wird das Einbringen des Behandlungsgutes 4 ausreichend schnell vorgenommen, kann der Sollwertgeber 9 sofort auf Behandlungstemperatur umgeschaltet werden. Anderenfalls ist der thermische Ausgleich, gemessen am Behandlungsgut 4, abzuwarten.
Nach dem Umschalten des Sollwertgebers 9 auf Behandlungstemperatur wird an die Behandlungszone I die maximale Heizleistung abgegeben. Die beiden Vorheizzonen Il und III, die thermische Puffer bilden, werden mit einer Heizleistung beaufschlagt, die geringfügig über der Regel-Halte-Leistung liegt. Die Ursache dafür ist, daß den Regelkreisen für die Vorheizzonen Il und III nur die tatsächlich am Behandlungsgut 4 vorhandene Temperatur angeboten wird. Während der größten Aufheizgeschwindigkeit, die bei etwa 60 bis 80% der zu überwindenden Temperaturdifferenz liegt, bleibt die Temperaturdifferenz innerhalb des Behandlungsgutes 4 unterhalt ± 5°C, was sich bei Näherung an die Behandlungstemperatur vollkommen wieder ausgleicht. Mittels eines in Fig. 1 nicht dargestellten Reglers wird bei der eingestellten Behandlungstemperatur das für die thermomagnetische Behandlung erforderliche Magnetfeld am Elektromagnet 3 zugeschaltet.

Claims (1)

  1. Erfindungsanspruch:
    Thermoelektrische Temperaturregeleinrichtung für Wärmebehandlungsöfen, insbesondere zur Wärmebehandlung von Dauermagneten im Magnetfeld, bei der ein isothermer Zustand in der gesamten Behandlungszone unter der Einwirkung von auf beiden Seiten der Behandlungszone vorgesehenen Vorheizzonen durch Temperaturmessungen in den drei Heizzonen und Vergleich der Thermospannungen die Heizleistung geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte der Behandlungszone (I) am Aktionsrohr (1) ein Thermopaar (5) für eine erste Regeleinheit (8) mit Sollwertgeber (9) sowie Leistungseinheit (10) und seitlich davon mit Berührungskontakt am Behandlungsgut (4) je einThermopaarreferenzelement (11 und 12) angeordnet ist, wobei das Thermopaarreferenzelement (11) mit einem Thermopaar (6) an der Vorheizzone (II) über eine zweite Regeleinheit (13) und das Thermopaarreferenzelement (12) mit einem Thermopaar (7) an der Vorheizzone (III) über eine dritte Regeleinheit (14) temperaturdifferenzabhängige Thermostromkreise bilden, die jeweils an Leistungseinheiten (15 bzw. 16) für die Regelung der Temperatur in den Vorheizzonen (Il bzw. Ill) angeschlossen sind.
    Hierzu 1 Seite Zeichnung
    Anwendungsgebiet der Erfindung
    Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Temperaturregeleinrichtung für die Aufheizung von Wärmebehandlungsöfen, insbesondere zur isothermen Magnetfeldbehandlung von anisotropen Dauermagneten, bei der ein isothermer Zustand in der gesamten Behandlungszone unter der Einwirkung seitlich neben der Behandlungszone angeordneter Vorheizzonen durch thermoelektrische Temperaturmessungen innerhalb der einzelnen Heizzonen und davon abgeleiteter Heizleistungsregelung der Vorheiz- und Behandlungszonen erzeugt wird.
    Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
    Die thermische Behandlung bestimmter ferromagnetischer Legierungen, wie beispielsweise Dauermagnete der Legierungstypen AINiCo oder FeCrCo unter Einwirkung eines starken Magnetfeldes führt zur Erzeugung einer Anisotropie der magnetischen Eigenschaften mit hohen magnetischen Parametern in der durch das angelegte Magnetfeld bestimmten Vorzugsrichtung. Es hat sich bei einigen dieser Werkstoffe gezeigt, daß durch die Einwirkung des Magnetfeldes bei konstanter Temperatur — also durch isotherme Magnetfeldbehandlung — besonders hohe magnetische Parameter erhalten werden. Dabei kommt es darauf an, in der gesamten Behandlungszone isotherme Bedingungen während des Aufheizens und während der Haltezeit der Behandlungstemperatur zu erzeugen. Das ist bei Wärmebehandlungsöfen, die in einem Magnetfeld arbeiten, schwierig, weil der nutzbare Ofenquerschnitt durch den Luftspalt des Elektromagneten bestimmt wird und deshalb verhältnismäßig klein ist. Um die zur Behandlung erforderliche Feldstärke von 80 bis 240KA/m zu erreichen, muß ein großer Aufwand in der Form eines leistungsfähigen Elektromagneten oder einer entsprechenden Luftspule betrieben werden. Aus Gründen der ökonomischen Dimensionierung entsprechender Magnetsysteme, stehen der Installation eines Wärmebehandlungsofens im Magnetfeld nur geringe Volumina zur Verfügung. In der Praxis gibt es deshalb bei der Unterbringung der Behandlungszone des Wärmebehandlungsofens in dem besonders in seiner Länge sehr klein zu bemessenden Luftspalt (ca. 100 bis 150mm) des Elektromagneten erhebliche Probleme, weil neben dem eigentlichen Raum zur Aufnahme des Behandlungsgutes, Platz für den Ofenkörper, die Heizleiter und für die Wärmeisolation erforderlich ist, wobei Behandlungstemperaturen zwischen 600 und 850°C mit einer hohen Genauigkeitstoleranz von ± 5°C in der gesamten Behandlungszone als isothermer Zustand gehalten werden müssen. Die Aufrechterhaltung eines solchen isothermen Zustandes wird durch die begrenzten Möglichkeiten der Wärmeisolation sehr erschwert und infolge des hohen Füllungsgrades beim Einbringen des Behandlungsgutes erheblich gestört. Solche Störungen des thermischen Ofensystems werden bei bekannten Wärmebehandlungsöfen durch die Anordnung von Vorheizzonen neben der eigentlichen Behandlungszone gemildert. Die völlige Beseitigung dieser thermischen Störungen unter den baulichen Bedingungen im Luftspalteines Elektromagneten ist jedoch bis jetzt nicht gelungen, wie die folgenden bekannten Wärmebehandlungsöfen und die Verfahren zur Temperaturregelung zeigen.
    In der DE-OS 2630676 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Ofentemperatur eines Wärmebehandlungsofens beschrieben worden. Das Verfahren beinhaltet die Regelung der Ofentemperatur während der Aufheizphase und sieht eine getrennte Regelung der vorhandenen Ofenzonen nach Temperatur und Zeit vor, wobei die erste Ofenzone gemäß einem von außen vorgegebenen Sollwert aufgeheizt wird und der Istwert der ersten Ofenzoneden Sollwert fürdie Aufheizung der restlichen Ofenzonen bildet. Der Sollwert der ersten Ofenzone kann auch ein veränderliches Temperatur-Zeitprogramm sein. Als Heizeinrichtung zur Anwendung dieses Aufheizverfahrens wird ein Wärmebehandlungsofen vorgeschlagen, bei dem jede Ofenzone separat regelbare Heizelemente und eigene Temperaturmeßeinrichtungen in der Form von Thermoelementen aufweist und bei dem die Regeleinrichtung für jede Ofenzone aus einem eigenen Temperatur-Meßwertumformer, einem eigenen Regler und einem eigenen Verstärker besteht. Nachteilig an dieser Regelung der Ofenheizung ist die ais Kettenfolge vorgeschriebene alleinige Abhängigkeit der Regelgröße jeder Heizzone vom Temperatur-Istwert der vorangehenden Vorheizzone, die eine Temperaturstufe niedriger liegt, weil in die Regelgrößen die Temperatur des Behandlungsgutes nur indirekt als relativer Temperaturabfall eingeht. Wenn die Temperaturänderung am Behandlungsgut nur langsam der in der Ofenzone vorhandenen Temperatur folgt, werden die Vorheizzonen und auch die Behandlungszone je nach dem Füllungsgrad des Ofens mit einem zu hohen Temperatur-Sollwert angesteuert, was sowohl bei kontinuierlichem als auch bei diskontinuierlichem Ofenbetrieb zu Temperaturdifferenzen in den Übergangsbereichen führt und die Entstehung des angestrebten isothermen Zustandes in der Behandlungszone verhindert.
    Ziel der Erfindung "k
    Es ist das Ziel der Erfindung, eine thermoelektrische Temperaturregeleinrichtung für Wärmebehandlungsöfen zu entwickeln, mit der es möglich ist, die Behandlungszone gleichzeitig mit dem Behandlungsgut in einen isothermen Zustand zu bringen, der eine temperaturkonstante Wärmebehandlung des Behandlungsgutes insbesondere von Dauermagneten im Magnetfeld bei energiemäßig wirtschaftlicher Ofenführung ermöglicht und die Erzeugung von besonderen stofflichen Eigenschaften, wie hohe magnetische Parameter in der magnetischen Vorzugsrichtung gewährleistet.
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