DE1068831B - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Erwärmen metallischer Werkstücke auf eine selbsttätig zu erreichende einheitliche Endtemperatur. Diese einheitliche Endtemperatur sollen alle Werkstücke gleichermaßen erreichen, unabhängig davon, mit welcher Ausgangstemperatur sie in die Erhitzungseinrichtung eingebracht werden.

Eine derartige Aufgabenstellung ergibt sich im praktischen Betrieb in den verschiedensten Fällen, und zwar vornehmlich bei der neuerdings in steigendem Maße angewendeten kombinierten Erwärmung von. Werkstücken, beispielsweise für Zwecke der Warmformgebung, und ferner auch, wenn es darauf ankommt, Werkstücke, beispielsweise, im Anschluß an eine Warmformgebung unter Zwischeiierwärmung, weiterzuverarbeiten.

Im erstgenannten Fall wird so vorgegangen, daß die Werkstücke in einem gas-, öl- oder koksbeheizten Ofen auf Temperaturen von beispielsweise 400 bis 750° C erwärmt und anschließend in einer Induktionsheizeinrichtung auf die erwünschte Endtemperatur gebracht werden. Je nach den gegebenen Umständen kann diese Endtemperatur zwischen 800 und 1250° C liegen, wobei es zunächst von untergeordneter Bedeutung ist, ob die Endtemperatur dem Zweck des Glühens, Härtens oder Normalisierens dienen soll oder ob sie dazu dient, die notwendige Temperatur für eine Warmformgebung zu erreichen, oder ob bei erhöhter Temperatur gescrweißt werden soll. Dieses sogenannte kombinierte Verfahren hat sich deshalb in die Praxis eingeführt, weil die Temperaturerhöhung in den öl-, gas- oder koksbeheizten öfen mit geringeren Investierungskosten erreicht werden können, als dies.mit einer Induktionsefhitzungsanlage allein der Fall wäre. Die nachgeschaltete induktiv arbeitende Einrichtung hat hierbei einen geringeren Leistungsbedarf. Insgesamt gesehen, wäre beispielsweise bei einer Erwärmung auf 1200° C zum Zwecke des anschließenden Warmfoimgebens der gas-, öl- oder koksbeheizte Ofen — also der Vorofen — für eine Temperatur von etwa 700° C auszulegen, und die Erhitzung auf die Endtemperatur von 1200° C wird in einer Induktionseinrichtung vorgenommen. Die Kosten für den nicht induktiv betriebenen Teil der Einrichtung betragen für einen bestimmten Durchsatz etwa. 45% derjenigen Kosten, die aufzuwenden wären für eine Induktionsanlage, die die Werkstücke von Raumtemperatur auf die Endtemperatur erwärmt.

Neben diesem wirtschaftlichen Vorteil ergibt sich ein technischer Vorzug deshalb, weil die langen Verweilzeiten in den gas-, öl- oder koksbeheizten, öfen jedenfalls bei Werkstücken aus Stahl keine nennenswerte Verzunderung mit sich bringen, da die Temperaturen in der Nähe von 700° C liegen. Meist tritt Verfahren und Einrichtung

zum induktiven Erwärmen metallischer

Werkstücke mit unterschiedlicher

Ausgangstemperatur

Anmelder:

Deutsche Edelstahlwerke

Aktiengesellschaft,

Krefeld, Oberschlesienstr. 16,

und Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft, Berlin-Grunewald, Hohenzollerndamm 150

Dr.-Ing. Gerhard Seuleri und Friedrich Scheffler,

Remscheid,
sind als Erfinder genannt worden

eine nennenswerte Verzunderung erst jenseits dieser Temperaturgrenze auf.

Das kombinierte Verfahren hat aber auch einen entscheidenden Nachteil, der darin gelegen, ist, daß das Aufheizen in dem Vorofen nicht mit genügend genauer Reproduzierbarkeit hinsichtlich der zu erreichenden Temperaturhöhe gelingt. Die Endtemperaturen des Vorofens schwanken in verhältnismäßig großen Bereichen. Beim Erhitzen von Rohren zum nachfolgenden Streckreduzieren unter Verwendung eines ölbeheizten Vorofens auf eine gewünschte Temperatur von 700° C treten beispielsweise Temperaturschwankungen in den Grenzen von 600 bis 780° C auf. Beim Erwärmen von Blöckchen aus Stahl· in einem gasbeheizten A^orofen auf eine gewünschte Temperatur von 650° C ergeben sich beispielsweise Schwankungen in den Grenzen von 580 bis 700° C. Diese Temperaturschwankungen lassen, sich in einer Induktionsheizeinrichtung, die mit konstanter Leistung betrieben wird, nicht mehr ausgleichen, und infolgedessen verlassen die Werkstücke die nachgeschaltete Induktionsheizeinrichtung mit Temperaturen, die ebenfalls in diesen Grenzen schwanken. Abgesehen davon, daß diese Temperaturunterschiede in den einzelnen Werkstücken für die Gleichförmigkeit des AVarmformgebunigsverfahrens unerwünscht sind, so sind sie auoh untragbar im Hinblick auf die Gefügeausbildung und die Ausbildung der Oberfläche. Außer-

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dem kann es in ungünstigen Fällen sogar zum teilweisen Schmelzen oder Verbrennen der Werkstücke führen. Es wäre zwar denkbar, die nachgeschaltete . Induktionsheizeinrichtung mit einer feinfühligen Temperaturregeleinrichtung zu versehen, die in der Lage sein könnte, die Temperaturschwankungen, der durchlaufenden Werkstücke vom Eingangsende bis zum Ausgangsende in einem gewissen Umfang auszugleichen. Solche Einrichtungen sind aber teuer und störanfällig.

Im zweitgenannten Fall, nämlich beim Zwischenerwärmen, ergibt sich ebenfalls eine Undefinierte Ausgangstemperatur für den induktiven Erwärmungsvorganig. Werden beispielsweise Werkstücke in gas-, öl- oder koksbeheizten öfen oder auch induktiv aufgeheizt und anschließend, warmverformt, so ist nach dem Warmformen die Temperatur der verschiedenen Werkstücke unterschiedlich, da die Schnelligkeit der Verarbeitung, der Wärmeentzug durch die Verarbeitungswerkzeuge, die Außentemperatur des Raumes und andere betrieblich bedingte Faktoren die Temperaturhöhe beeinflussen. Wenn nun an solchen Teilen ein weiterer Verformungsvorgang durchgeführt werden muß, so ist hierfür ein weiterer Aufheizvorgang, eine sogenannte zweite Wärme oder Zwischenerwärmung, erforderlich. Der Induktionsheizeinrichtung, in der der zweite Wärmevorgang durchgeführt wird, werden somit aufeinanderfolgend Werkstücke zugeführt, deren- Temperatur in verhältnismäßig weiten Grenzen schwankt. Diese Temperaturunterschiede können von der Heizeinrichtung nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand an Steuereinrichtungen ausgeglichen werden und auch dann nur teilweise.

Auch in solchen Fällen, in denen von der Stange abgeseihmiedet wird, ist der Temperaturverlauf am ersten Ende unterschiedlich und ebenfalls von den betrieblichen Faktoren während des Abschmiedevorganges abhängig. Hinzu kommt, daß bei Verwendung einer neuen Stange das abgeschmiedete Stück Vormaterial von Raumtemperatur auf Formgebungstemperatur erwärmt werden muß, während bereits beim nächsten Schmiedevorgang in dem ersten Ende eine erhöhte Temperatur vorhanden ist. Auch in diesem Falle ließen sich die Temperaturunterschiede durch Einsatz entsprechender Temperatursteuereinrichtungen ausgleichen. Wie bereits vorher erwähnt, sind jedoch solche Einrichtungen aufwendig und in starkem Maße störanfällig.

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wird erfmdungsgemäß vorgeschlagen, metallische Werkstücke, die eine unterschiedliche Ausgangstemperatur haben, selbsttätig auf eine einheitliche Endtemperatur zu bringen, indem die Werkstücke nacheinander mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen induktiv be- ^;heizt werden. Die Frequenz und die Mindestzeit für den ersten Heizvorgang werden hierbei in Abhängigkeit vom Werkstückquerschnitt so gewählt, daß die Werkstücke unabhängig von der Ausgangstemperatur sowie der während dieser Zeit zugeführten Heizleistung eine einheitliche Temperatur annehmen. Ausgehend von dieser für alle Werkstücke einheitliche Temperatur werden diese für die Erhitzung auf die gewünschte Endtemperatur im zweiten Heizvorgang mit einem Strom höherer Frequenz beheizt.

Es.ist zwar bekannt, daß bei einer bestimmten Frequenz Werkstücke bestimmter Eigenschaften und bestimmter Abmessungen nur eine bestimmte Temperatur, erreichen können, die nicht überschritten werden kann. Es wurde aber nicht erkannt, daß diese Erscheinung dazu ausgenutzt werden konnte, verfahrensmäßig im praktischen Betrieb eine Vergleichmäßigung der Temperaturen von Werkstücken zu erzielen, deren Ausgangstemperatur in weiten Grenzen schwankt. Weiter ist es bekannt, durch Wahl einer geeigneten Frequenz bei der induktiven Erwärmung die Tiefenwirkung des induzierten Stromes und damit die Erwärmung des AVerkstückes zu regeln. Hierbei können auch mehrere Frequenzen einander überlagert und so das Verteilungsbild des Stromes bzw. 'der Erwärmung in erwünschter Weise beeinflußt werden. Jedoch sind auch bei diesem Verfahren die AusgangstempeTatur und die Abmessungen des Werkstückes in jedem Falle zu berücksichtigen, so daß ein selbsttätiges Einstellen einer einheitlichen Endtemperatur ohne Rücksicht auf die Ausgangstemperatur nicht erfolgt.

Induktionsheizeinrichtungen, die für das Verfahren gemäß der Erfindung zu verwenden sind, bestehen — wie an sich bekannt — aus zwei Induktoren, wobei die Frequenz der Ströme, mit der sie beaufschlagt werden, unterschiedlich ist. Im ersten Induktor muß die Frequenz abgestellt sein auf die Werkstückabmessungen, die durchgesetzt werden, und zwar derart, daß die gewünschte Temperatur erreicht wird, mit der die Werkstücke in den zweiten Abschnitt der Heizeinrichtung einfahren sollen. Es ist auch möglich, einen Induktor vorzusehen und ihn nach einer gewissen Zeit auf einen Strom anderer Frequenz umzuschalten. Die Gesamteinrichtung wird im Anschluß an einen öl-, gas- oder koksbeheizten Ofen. bzw. einen mit elektrischen Widerständen versehenen Vorofen aufgestellt oder im Anschluß an eine Warmformgebungseinrichtung od. dgl.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich in den verschiedensten Fällen anwenden, und im nachfolgenden werden einige Beispiele aufgeführt:

Streckreduzieren von Rohren, Stangen od. dgl. unter Verwendung eines öl-, gas-, koks- oder elektrisoh beheizten Vorofens, Warmformen von Muttern aus kontinuierlich durchlaufendem Mutterneisen. Auch das Mutterneisen durchläuft dabei zunächst einen beliebig beheizten Vorofen und sodann die Induktionsheizeinrichtung, die gemäß dem Verfahren betrieben wird. Beim Warmformen von Werkstücken aus Stangenabschnitten oder Blöckchen werden ebenfalls beliebig beheizte Voröfen mit nachgeschalteten Indüktionseinrichtungen der beschriebenen Art eingesetzt.

Beim Abschmieden von der Stange verbleiben Restenden, die je nach der Schnelligkeit und Geschicklichkeit des Arbeiters eine Restwärme unterschiedlicher Größe aufweisen. Die Restenden müssen wieder aufgeheizt werden und kommen infolgedessen mit unterschiedlichen Temperaturen in die hierzu vorzusehende Induktionsheizeinrichtung. Hierbei kann die Temperatur nicht nur von Werkstück zu Werkstück unterschiedlich sein, sondern auch in. Achsrichtung des Werkstückes unterschiedliche Werte aufweisen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung gestattet auch, solche Temperaturunterschiede auszugleichen. Sinngemäß das gleiche gilt, wenn irgendwelche Werkstücke einer Warmformgebung unterworfen worden sind und anschließend nach einer. Zwischenerwärmung weiterverformt werden sollen. Die hierbei zwangläufig auftretenden Temperaturunterschiede in den einzelnen Werkstücken werden durch das Verfahren, gemäß der Erfindung ausgeglichen.

Das Verfahren kann somit durchgeführt werden, indem die Werkstücke kontinuierlich durch die beiden

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Induktionseinrichtungen, die mit verschiedenen Fre- nacheinander durchlaufen, ist beispielsweise beim quenzen beaufschlagt sind, hindurchgeführt werden. partiellen Erwärmen ein unterbrochenes Arbeiten Es liegt aber auch im Sinne der Erfindung, beispiels- erforderlich, so z. B. um Stangenenden, von denen weise zwei mit unterschiedlicher Frequenz beauf- Teile abgeschmiedet wurden, immer wieder auf schlagte Induktoren nebeneinander aufzustellen und 5 die erforderliche Warmformgebungstemperatur zu die AVerkstücke von der einen Induktionseinrichtung bringen, bis die Stange verbraucht ist.
in die andere zu überführen. Welche Art der Anord- In Abb. 2 ist eine Einrichtung dargestellt, die für nurig zweckmäßigerweise zu wählen ist, ergibt sich eine solche Arbeitsweise geeignet ist. .
auf Grund der jeweiligen Betriebsverhältnisse. Die Stangeii22 sollen an ihren Enden23 auf Warm-Sollenz. B. Rohre, Stangen, Blöckchen od. dgl. er- ίο formgebungsteniperatur erwärmt werden, nachdem wärmt werden, so werden zweckmäßigerweise minde- von einem solchen Ende bereits ein Werkstück abstens zwei mit verschiedenen Frequenzen eingespeiste geschmiedet wurde. Die jeweilige Ausgangstemperatur InduktionsheizeinTichtungen derart angeordnet, daß der Enden 23 ist damit Undefiniert,
die Werkstücke diese nacheinander durchlaufen. Die Stangen 22 werden zu diesem Zweck auf eine

Abb. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungs- 15 nicht näher veranschaulichte Transporteinrichtung

form einer Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens aufgelegt, die in schrittweiser Bewegung die Werk-

im kontinuierlichen Durchlauf. · stücke in Richtung des Pfeiles 24 bewegt. Zum Auf-

Die Heizeinrichtung besteht aus den beiden Spulen 1 heizen sind insgesamt vier Heizspulen vorgesehen, und 11, die von den Werkstücken 20 in Richtung des die gruppenweise zusammenarbeiten. Jede Gruppe Pfeiles 21 durchlaufen werden. Die Werkstücke korn- 20 könnte beispielsweise auch nur je eine Spule aufmen beispielsweise auf einen Rollgang aus einem weisen. Im gewählten Beispiel werden die beiden nicht dargestellten, beliebig beheizten Vorwärmofen. Spulen 25 von einer Stromquelle 26 mit .einem .Strom Die mit einer vergleichsweise niedrigeren Frequenz niedrigerer Frequenz eingespeist, während die beiden gespeiste Spule 1 hat eine aus festen Kondensatoren 2 Heizspulen 27 von einer Stromquelle 28 mit einem und über Schalter 4 schaltbaren Kondensatoren- 25 Strom höherer Frequenz versorgt werden:. Die Heizeinheiten 3 bestehende Kondensatorenbatterie zur spulen 25 und 27 sind in Richtung des .Doppelpfeiles Kompensation der in der Heizspule 1 entstehenden 29 verschiebbar und können dadurch in einem, der Blindströme. Über einen Schalter 5 wird, die speisende Länge des aufzuheizenden Abschnittes 23 entspre-Stromquelle 6 zu- bzw. abgeschaltet. Je nach. Form chenden Maß auf die Stangen 22 aufgeschoben und Abmessung der zu behandelnden Werkstücke 30 werden. Der Vorgang wird dabei so gesteuert, daß kann die speisende Stromquelle 6 ein rotierender Ge- die Spulen 25 und 27 über die Enden 23 fahren, in nerator, ein statischer Wechsel- oder Umrichter, ein einstellbarer Zeit das gewünschte Aufheizen, vorstatischer Frequenzvervielfacher oder das üblicher- nehmen, sodann in ihre Ausgangsstellung zurückweise in den, Betrieben vorhandene Kraftstromnetz fahren, worauf der Transport der Werkstücke 22 in sein. 35 Richtung des Pfeiles 24 um eine Schrittlänge erfolgt,

Wenn die Anordnung nicht nur gedacht ist für den worauf sich der Vorgang entsprechend fortlaufend

Durchsatz von Werkstücken gleicher Abmessung, son- wiederholt.

dem für Werkstücke, die Unterschiede in ihren Ab- Im gewählten Beispiel sind zum Erreichen einer

messungen aufweisen, so ist es vor allem bei starken einheitlichen Temperatur bestimmter Höhe die beiden

Abmessungsunterschieden meist unerläßlich, die Fre- 40 mit einem Strom niedrigerer Frequenz eingespeisten

quenz des die Spule 1 speisenden Stromes verändern Spulen 25 vorgesehen und zum Erreichen der ge-

zu können, um gemäß dem Abfahren nach der Erfin- wünschten Endtemperatur die mit einem Strom

düng die Frequenz den Abmessungen der Werkstücke höherer Frequenz gespeisten Spulen 27. Je nach den

anpassen zu können. Dies ist beispielsweise bei Ver- betrieblichen Gegebenheiten ist unter Berücksich-

wendung umlaufender Generatoren durch Änderung 45 tigung von Form, Abmessungen und Werkstofreigen-

der Drehzahl, bei Verwendung von Wechsel- oder schäften der Stangen 22 zu entscheiden, wie viele

Umrichtern durch Veränderung der Impulszahl der Heizspulen für jeden Frequenzbereich, vorzusehen

Steuereinrichtung erreichbar. sind. Handelt es sich beispielsweise darum, ver-

Die nachgeschaltete Spule 11 ist mittels der Fest- gleichsweise geringe Temperaturunterschiede auszukondensatoren 12 und der über einen Schalter 14 50 gleichen, so kann es genügen, für die niedrigere zu- und abschaltbar eingerichteten Kondensatoren- Frequenz nur eine Spule 25 vorzusehen, wobei aber einheiten 13 kompensiert. Über einen Schalter 15 bei vorgegebener Taktzeit der Transporteinrichtung wird die speisende Stromquelle 16, im vorliegenden die Mindestverweilzeit erreicht werden muß. Sinn-Beispiel als umlaufender Mittelfrequenzgenerator dar- gemäß entsprechend ist bei der Spülengruppe 27 zu gestellt, zugeschaltet. Die Leistungsabnahme dieses 55 verfahren.

Generators wird durch eine die Erregerwicklung 17 In manchen Fällen, insbesondere beim teilweisen des Generators 16 beeinflussende Regeleinrichtung 18 Erwärmen von sperrigen Werkstücken, ist es zweckdurchgeführt. Die Regeleinrichtung 18 wird von. einer mäßig, das zeitlich nacheinanderfolgende Aufheizen Stromquelle 19 eingespeist. . mit verschiedenen Frequenzen in einer Heizspule

An Stelle des umlaufenden Generators 16 kann in 60 durchzuführen, indem die Heizspule in direkter zeit-

diesem Falle auch eine andere Stromquelle verwendet licher Aufeinanderfolge mit zwei Strömen unter-

werden, wie beispielsweise ein elektronisch gesteuerter schiedlicher Frequenz beaufschlagt wird. Um in diesem

Wechsel- oder Umrichter bzw. ein magnetischer Fall zu einer günstigen Ausnutzung der Einrichtung

Frequenzvervielfacher. Dabei muß in jedem Fall da- zu kommen, werden zweckmäßigerweise zwei .gleiche für gesorgt werden, daß die Frequenz des die Spule 65 Heizspulen angeordnet. Die eine Spule wird mit 11 beaufschlagenden Stromes höher ist als die Fre- höherer, die andere mit niederer Frequenz gespeist

quenz des die Spule 1 speisenden Stromes. und sodann nach entsprechendem Werkstückwechsel

Während beim fortlaufend erfolgenden Aufheizen ein Umschalten vorgenommen.

von Rohren, Stangen, Blöckchen od. dgl. die Werk- In Abb. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, stücke die hintereinander angeordneten Heizspulen 70 die für eine solche Arbeitsweise, geeignet ist. Die

beiden Werkstücke 30 und 31 sollen an ihren Enden 32 und 33 auf eine einheitliche Endtemperatur erwärmt werden, unabhängig von der Ausgangstemperatur dieser Enden. Zu diesem Zweck werden die beiden Heizspulen 34 und 35 vorgesehen:, die von den auf unterschiedlichen Frequenzen arbeitenden Stromquellen 36 und 37 gespeist werden, über die Wechselschalter 38 und. 39 werden die beiden Heizspulen 34 und 35 wechselweise für einstellbare Zeiten mit den Strömen unterschiedlicher Frequenz beaufschlagt.

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Verfahren zur induktiven Erwärmung metallischer Werkstücke mit unterschiedlicher Ausgangstemperatur auf eine selbsttätig zu erreichende einheitliche Endtemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke nacheinander • mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen . beheizt werden und Frequenz und Mindestzeit für den ersten Heizvorgang, wie an sich bekannt, in - Abhängigkeit vom Werkstückquerschnitt so gewählt wird, daß die Werkstücke unabhängig von . ■ der Ausgangstemperatur und der während der Zeit zugeführten Irieizleistung eine für alleWerk-

, - stücke einheitliche Temperatur bestimmter Hohe . erreichen, die als Ausgangstemperatur dient für die Erhitzung der Werkstücke auf die gewünschte Endtemperatur in einem zweiten, mit einem Strom höherer Frequenz durchgeführten Heizvorgang.

2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei hintereinander angeordnete, mit unterschiedlicher Frequenz zu beaufschlagende Spulen (1 und 11) und eine die Werkstücke fortlaufend durch die Spulen transportierende Fördereinrichtung.

3. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei axial hin- und herbewegliche Spulengruppen (25 und 27), die mit unterschiedlichen Frequenzen beaufschlagt sind, und eine die Werkstücke senkrecht zur Spulenbewegung schrittweise fördernde Transporteinrichtung.

4. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei. Spulen (34 und 35) und zwei auf unterschiedlichen Frequenzen arbeitende, über Wechselschalter (38 und 39) mit den Spulen verbundene Generatoren (36 und 37), derart, daß jede Spule in unmittelbarer zeitlicher Aufeinanderfolge ohne Werkstückwechsel mit niedrigerfrequentem und mit höherfrequentem Strom beaufschlagbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 857 839;
Buch von Cable : »Induction and Dielectric Heating«, 1954, S. 305 und 235.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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