DE1037614B

DE1037614B - Process for inductive heating of magnetic materials

Info

Publication number: DE1037614B
Application number: DES37230A
Authority: DE
Inventors: Joseph Minssieux
Original assignee: APPLIC ELECTRO THERMIQUES SOC
Current assignee: APPLIC ELECTRO THERMIQUES SOC
Priority date: 1953-01-21
Filing date: 1954-01-19
Publication date: 1958-08-28

Description

Verfahren zum induktiven Durcherhitzen von magnetischen Werkstoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum induktiven Durcherhitzen von magnetischen Werkstoffen, beispielsweise Stahlknüppeln, bis oberhalb des Curiepunktes und richtet sich insbesondere auf ein besoiideres energiesparendes und schnell durchführbares Verfahren.Process for inductive heating of magnetic materials The invention relates to a method for inductive heating through of magnetic Materials, for example steel billets, up to above the Curie point and straightened in particular on a special energy-saving and quickly feasible Procedure.

Die Anwendung von Hochfrequenz für die Erhitzung eines ferromagnetischen Gutes auf oberhalb des Curiepunktes liegende Temperaturen ist aus den folgenden Gründen uribedingt erforderlich: Bekanntlich berechnet sich die Eindringtiefe e i von Induktionsströmen in einen ferromagnetischen Stoff nach der Formel In dieser Formel bedeutet o den mit der Temperatur «-achsenden spezifischen Widerstand des Stoffes, H die magnetische Permeabilität des Stoffes, die mit wachsender Temperatur bis auf 1 (im Curiepunkt) absinkt, f die Speisefrequenz der Induktionsspule.The use of high frequency for heating a ferromagnetic material to temperatures above the Curie point is necessary for the following reasons: It is known that the penetration depth e i of induction currents in a ferromagnetic material is calculated according to the formula In this formula, o denotes the specific resistance of the substance, which increases with temperature, H denotes the magnetic permeability of the substance, which drops to 1 (at the Curie point) with increasing temperature, f the supply frequency of the induction coil.

Es ist ferner bekannt, daß für einen guten Wirkungsgrad ein Mindestverhältnis zwischen den Abmessungen des Gutes und der Frequenz des Stromes erforderlich ist. Zum Beispiel muß der Durchmesser eines kreisförmigen Körpers groß genug sein im Verhältnis zu dem oben bezeichneten Wert ei.It is also known that a minimum ratio for good efficiency between the dimensions of the goods and the frequency of the current is required. For example, the diameter of a circular body must be large enough in Relation to the above-mentioned value ei.

Bei ferromagnetischen Stoffen beträgt die Eindringtiefe der Induktionsströme nach Überschreiten des Curiepunktes den Wert E2, der sich nach folgender Formel berechnet: wobei die Perineabilität den Wert 1 angenommen hat, während e, der Temperaturzunahme entsprechend, zugenommen hat.In the case of ferromagnetic materials, the penetration depth of the induction currents after the Curie point is exceeded is the value E2, which is calculated using the following formula: where the perineability has assumed the value 1, while e, corresponding to the increase in temperature, has increased.

Aus den bekannten Permeabilitätszahlen der ferromagnetischen Legierungen und Metalle, wie Eisen, Nickel usw., ergeben die obigen Formeln ohne weiteres, daß ein guter Wirkungsgrad, nur erzielt werden kann bei einem Mindestverhältnis zwischen den Abmessungen des zu erhitzenden Stückes und der Eindringtiefe und daß man erheblich höhere Frequenzen wählen muß, wenn man über den Curiepunkt erhitzen will, als wenn die Erhitzung unterhalb des Curiepunktes erfolgt. Hierauf beruht die bisher übliche Arbeitsweise, gemäß der für den gesamten Erhitzungsvorgang Hochfrequenz verwendet wird.From the known permeability numbers of ferromagnetic alloys and metals such as iron, nickel, etc., the above formulas readily give that A good level of efficiency can only be achieved with a minimum ratio between the dimensions of the piece to be heated and the depth of penetration and that one considerably must choose higher frequencies if one wants to heat above the Curie point than if the heating takes place below the Curie point. The usual one is based on this Operation according to the high frequency used for the entire heating process will.

Es ist zwar bereits für die Durcherhitzung von in Form eines endlosen Stranges vorliegenden Werkstücken, wie von Stahlhändern, Walzprofilen oder Rohren, die Erhitzung in zwei Stufen unter Verwendung einer niedrigen Frequenz für die erste und einer demgegenüber höheren Frequenz für die zweite Stufe bekannt.Although it is already in the form of an endless heat Workpieces present in a strand, such as steel handlers, rolled sections or pipes, the heating in two stages using a low frequency for the first and a relatively higher frequency known for the second stage.

Die Erfindung geht aus von diesem Verfahren und will ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Durcherhitzung von magnetischen Werkstücken, wie Stahlknüppeln, schaffen, indem diese unter aufeinanderfolgender Erhitzung zunächst bis in die Nähe des Curiepunktes mittels einer von einer Wechselstromquelle niedriger Frequenz erregten Induktionsspule und dann auf die gewünschte Temperatur oberhalb des Curiepunktes mittels Wechselstrom höherer Frequenz erhitzt und erfindungsgemäß eine Induktionsspule umschichtig oder zwei Induktionsspulen bzw. ein Vielfaches davon abwechselnd mit Netzfrequenz von 50 bis 60 Hz bzw. mit einer Frequenz von 250 bis 3000 Hz gespeist werden und die Frequenzumschaltung in Abhängigkeit von Temperatur oder Zeit erfolgt.The invention is based on this method and aims at a special one economical process for heating through magnetic workpieces, such as Steel billets, create by first heating them up down to the vicinity of the Curie point by means of an alternating current source Frequency excited induction coil and then to the desired temperature above of the Curie point heated by means of alternating current of higher frequency and according to the invention one induction coil in several layers or two induction coils or a multiple of which alternating with a mains frequency of 50 to 60 Hz or with a frequency of 250 to 3000 Hz can be fed and the frequency switching depending on Temperature or time.

Zum Beispiel erfolgt im Falle der Erhitzung von zylindrischen Stahlknüppeln von einem Durchmesser von etwa 10 cm, die auf Schmiedetemperatur, d. h. eine solche in der Größenordnung von 1200° C, erwärmt werden sollen, die erste Phase der Erhitzung mit der Netzfrequenz bis auf etwa 650 bis 700° C, der eine weitere Erhitzungsphase mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1000 Hz bis auf etwa 1200° C folgt.For example, in the case of heating cylindrical steel billets of a diameter of about 10 cm, which is at forging temperature, i.e. H. such in the order of 1200 ° C, should be heated, the first phase of heating with the mains frequency up to about 650 to 700 ° C, which is a further heating phase with a frequency in the order of magnitude of 1000 Hz up to about 1200 ° C follows.

Bei der bisher üblichen Arbeitsweise zum Durcherhitzen von Werkstücken, wie Stahlknüppeln, wäre es, um in einer Stunde 1 t solcher Knüppel auf eine Schmiedetemperatur von etwa 1200° C zu erhitzen, unter Berücksichtigung der elektrischen und magnetischen Verluste notwendig, einen Hochfrequenzgenerator mit einer Leistung von etwa 400 kW und einer Periodenzahl von etwa 1000 Hz zu verwenden. Demzufolge würde der Stromverbrauch für die Erhitzung einer Tonne Stahl je Stunde auf 1200° C etwa 400 kWh betragen.In the previously usual way of heating workpieces, like steel billets, it would take 1 t of such billets to a forging temperature in one hour of about 1200 ° C, taking into account the electrical and magnetic losses necessary a high frequency generator with a power of about 400 kW and a Use periods of around 1000 Hz. As a result, the power consumption would be for the heating of one ton of steel per hour to 1200 ° C are around 400 kWh.

Bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung für die gleiche Behandlung wird zunächst eine Stromquelle mit einer Periodenzahl von 50 Hz für die Erhitzung bis auf 650 bis 700° C und darauffolgend für den Erhitzungs.bereich von etwa 650 bis 700 bis 1200° C ein Stromerzeuger für eine erhöhte Frequenz in der Größenordnung von z. B. 1000 Hz verwendiet. Der Stromverbrauch dieser Stromquellen liegt in der Größenordnung von etwa 180 bis 200kWh/t für die normale Netzfrequenz und 180 kWh/t für die Hochfrequenz.When using the method according to the invention for the same treatment is first a power source with a number of periods of 50 Hz for the heating up to 650 to 700 ° C and then for the heating range of around 650 up to 700 to 1200 ° C a power generator for an increased frequency in the order of magnitude from Z. B. 1000 Hz is used. The power consumption of these power sources lies in the Magnitude of around 180 to 200 kWh / t for the normal grid frequency and 180 kWh / t for the high frequency.

Aus diesem Beispiel geht die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nach der Erfindung eindeutig hervor, da die Leistung der für die Erzeugung der erhöhten Frequenz notwendigen Umformergruppe nicht größer ist als 180 kW/t statt 400 kW/t bei Anwendung des üblichen Verfahrens.This example shows the economics of the process the invention clearly stands out because the performance of the increased for the generation of Frequency required converter group is not greater than 180 kW / t instead of 400 kW / t using the usual procedure.

Die notwendige Leistung dieser Umformergruppe wird also erheblich verringert, mit dem Ergebnis einer entsprechenden Verringerung sowohl der Anlage- als auch der Unterhaltungskosten.The necessary performance of this converter group is therefore considerable reduced, with the result of a corresponding reduction in both the investment as well as the maintenance costs.

Ferner ermöglicht es das Verfahren nach der Erfindung, den Gesamtwirkungsgrad einer nach ihm betriebenen Anlage dadurch zu verbessern, daß die Verluste für die Stromumformung von der normalen Netzfrequenz auf die Hochfrequenz für einen großen Teil der verbrauchten Energie, nämlich der, die für die Erhitzung bis auf den Curiepunkt benötigt wird, in Fortfall kommen.Furthermore, the method according to the invention enables the overall efficiency to improve a system operated by him that the losses for the Current conversion from the normal line frequency to the high frequency for a large Part of the energy used, namely that required for heating to the Curie point is required, come in failure.

Um die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens nach der Erfindung noch besser zu veranschaulichen, werden nachstehend einige Ausführungsbeispiele gegeben: a) Ein und dieselbe zylindrische Induktionsspule für die Erhitzung von Stahlknüppeln von kreisförmigem Querschnitt wird aufeinanderfolgend an zwei Stromquellen. von denen die eine mit Netzfrequenz, die andere mit Hochfrequenz betrieben wird, angeschlossen. Demzufolge wird die Induktionsspule unter Zwischenschaltung von geeigneten Transformatoren und Kondensatoren so betrieben, daß in den beiden genannten Fällen die Resonanz der Stromkreise gesichert ist. Eine automatische Steuervorrichtung, die in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Zeit arbeitet, bewirkt aufeinanderfolgend den Anschluß der Induktionsspule zuerst an die Stromquelle mit normaler Frequenz, bis die Temperatur des zu erhitzenden Werkstückes 600 bis 700° C erreicht hat, und dann an die Stromquelle für Hochfrequenz für die anschließende Erhitzung auf erhöhte Temperatur. Im Falle der Verwendung dieser Vorrichtung wird die Umformergruppe nicht während der gesamten Zeitdauer verwendet, während der die Induktionsspule an die Stromquelle Normaler Frequenz angeschlossen ist.To the application possibilities of the method according to the invention yet To better illustrate, some exemplary embodiments are given below: a) One and the same cylindrical induction coil for heating steel billets of circular cross-section is applied successively to two power sources. from to which one is connected with mains frequency, the other with high frequency. As a result, the induction coil with the interposition of suitable transformers and capacitors operated so that in the two cases mentioned the resonance the circuits are secured. An automatic control device that is dependent of temperature or time works, sequentially effects the connection the induction coil first to the power source at normal frequency until the temperature of the workpiece to be heated has reached 600 to 700 ° C, and then to the power source for high frequency for the subsequent heating to an elevated temperature. In the event of the use of this device will not keep the group of converters during the entire period Period of time used during which the induction coil is connected to the normal power source Frequency is connected.

b) Um die Umformergruppe in praktisch kontinuierlicher Weise verwenden und demzufolge ihre StundenIeist-tng an behandelten Knüppeln entsprechend vergröl.'. rn zu können, können entweder ein Paar oder mehrere Paare von Induktionsspulen verwendet werden, die aufeinanderfolgend mit Strom von normaler Frequenz und Strom von erhöhter Frequenz betrieben werden, wobei eine Spule jedes Paares von solchen mit Strom von normaler Frequenz gespeist wird, um die Erhitzung der Knüppel bis auf Temperaturen von 600 bis 700° C zu bewirken, während die andere Spule, welche Knüppd enthält, die durch Strom von normaler Frequenz bereits auf diese Temperaturen erhitzt worden sind, an die Umformergruppe mit hoher Frequenz angeschlossen wird. Hierbei bleiben die Knüppel während der beiden aufeinanderfolgenden Behandlungsphasen, denen sie gemäß der Erfindung unterworfen sind, in ein und derselben Spule.b) To use the converter group in a practically continuous manner and consequently their hours of work on treated clubs increased accordingly. ' Either a pair or multiple pairs of induction coils can be used be successive with current of normal frequency and current of increased Frequency operated, one coil of each pair of such with current of Normal frequency is fed to the heating of the billets up to temperatures from 600 to 700 ° C, while the other coil, which contains Knüppd, which have already been heated to these temperatures by current of normal frequency connected to the converter group at high frequency. Stay here the billets during the two consecutive treatment phases they face are subject according to the invention, in one and the same reel.

c) Bei einer abgeänderten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die umschichtige Behandlung des Ausgangsgutes nicht durch Umschaltung der Spulen, sondern durch umschichtige Beschickung zweier auf verschiedenen Frequenzen gehaltenen Spulen oder Spulensätze. Die Knüppel werden zuerst in die erste, auf Netzfrequenz gehaltene Spule eingeführt und in Abhängigkeit von der Temperatur oder der Zeit der zweiten, mit Strom höherer Frequenz gespeisten Spule übergeben. Hierbei handelt es sich also praktisch um das mechanische Äquivalent der umschichtigen oder abwechselnden elektrischen Einspeisung der verschiedenen Frequenzen.c) In a modified embodiment of the method according to the invention the shifting treatment of the initial goods is not carried out by switching over the Coils, but by shifting the feed of two at different frequencies held bobbins or sets of bobbins. The sticks are first in the first, on Mains frequency held coil introduced and depending on the temperature or the time of the second coil fed with a higher frequency current. Here it is practically the mechanical equivalent of the layered or alternating electrical feed of the different frequencies.

In allen Fällen sind die aus dem allgemeinen Verteilungsnetz mit normaler Frequenz versorgten Spulen in hinreichender Anzahl entweder auf ein und dieselbe Vorrichtung oder mehrere parallel zueinander angeordnete, einander ähnliche Vorrichtungen so verteilt, daß ein zweckmäßiges Gleichgewicht der Phasen ge sichert wird.In all cases, those from the general distribution network are normal Frequency supplied coils in sufficient numbers either on one and the same Device or several similar devices arranged parallel to one another distributed in such a way that an appropriate balance of the phases is ensured.

Gegebenenfalls kann außerdem eine dritte Stromquelle mit noch höherer Frequenz für die Versorgung des Induktionssystems in Fällen verwendet werden, in denen das zu behandelnde Gut einen hohen spezifischen Widerstandänderungskoeffizienten besitzt.If necessary, a third power source with an even higher Frequency to be used for the supply of the induction system in cases which the material to be treated has a high coefficient of specific resistance change owns.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Process for inductive heating of magnetic workpieces, for example steel billets, up to above the Curie point by successive heating first up to the vicinity of the Curie point by means of an induction coil excited by an alternating current source of low frequency and then to the desired temperature above the Curie point by means of a higher alternating current Frequency, characterized in that one induction coil or two induction coils or a multiple thereof are alternately fed with 'mains frequency (50 to 60 Hz) or 250 to 3000 Hz and the frequency is switched depending on the temperature or time.

2. Process for inductive heating of magnetic workpieces, for example steel billets, up to above the Curie point by successive heating first up to the vicinity of the Curie point by means of an induction coil excited by an alternating current source of low frequency and then to the desired temperature above the Curie point by means of alternating current of higher frequency, characterized in that the workpieces to be heated through are automatically introduced successively by hydraulic, mechanical or pneumatic devices in two coils operated at the different frequencies or a corresponding multiple of coils as a function of temperature or time. Printed literature considered: USA.-Patent No. 1900 843, 1 d16 498,

2444259.