-
Verfahren und Vorrichtung zur unmittelbaren elektrischen Widerstandserhitzung
von stabförmigen Körpern aus Metall Bei der unmittelbaren elektrischen Widerstandsbeheizung
von s@tabförmigen Körpern aus Metall, beispielsweise beim Glühen von Knüppeln, Platinen
oder Blöcken aus Stahl, wird an jedem Ende des zu erhitzenden Körpers eine Kontaktvorrichtung
vorgesehen, die eine Anzahl Kontakte aufweist. Im allgemeinen wird an jedem Stabende
ein Stirnkontakt und gleichzeitig mehrere an den Seitenflächen des Stabes anliegende
Seitenkontakte vorgesehen.
-
Die Oberflächenschicht an der Berührungsstelle der Kontakte mit dem
Werkstück während des Erhitzungs- bzw. Glühvorganges ist bekanntlich die empfindlichste
Stelle einer solchen Heizeinrichtung. Der Kontaktdruck oder die Kontaktfläche muß
dem Strom bzw. der Stromdichte richtig angepaßt werden. Wenn aber eine Widerstandsschicht,
beispielsweise verursacht durch eine Oxydhaut, die Stromleitung verschlechtert,
entsteht ein großer übergangswiderstand, wodurch die Wärme auf der Trennschicht
zwischen Kontakten und Werkstück konzentriert wird und so zu einer Überhitzung desselben
führt. Diese Übertemperatur kann beispielsweise Gefügeveränderungen der Oberflächenschicht
des Werkstückes verursachen, wodurch das Werkstück qualitativ minderwertig und eine
weiter Verarbeitung in Frage gestellt wird. Nicht nur die Kontaktform und der Kontaktdruck,
aber auch die Stromdichte der einzelnen Kontakte sind also mitbestimmend für die
Qualität des Endproduktes. Während beim Stirnkontakt Verschmelzungen auf der Stirnfläche
des Werkstückes im allgemeinen zu keiner Qualitätsverminderung führen, da dieselben
im nachfolgenden Walzvorgang nicht eingewalzt werden, führen Verbrennungen oder
Verschmelzungen bzw. Gefügeveränderungen auf den Seitenflächen des Werkstückes,
verursacht durch die Seitenkontakte, zur Qualitätsverschlechterung oder zum Ausschuß
des Werkstückes. Besonders kritisch ist die Zeitspanne vom Einschalten des Stromes,
bis diese Trennschicht bzw. dieser übergangswiderstand zwischen Kontakt und Werkstückoberfläche
verkleinert bzw. durchbrochen ist. Es ergibt sich daher die Notwendigkeit, den Strom
in den Seitenkontakten gegenüber dem Strom in den Stirnkontakten zu Beginn des Heizvorganges
zu entlasten.
-
Mit zunehmender Erwärmung des Glühgutes und beim notwendigen Anpreßdruck
der Kontakte entstehen ferner unter den Kontakten bzw. den Elektroden kleine Mulden.
An den Schnitt- bzw. Stirnflächen des: zu erhitzenden stabförmigen Körpers sind
; die Mulden belanglos, dagegen sind diejenigen, die unter den Seitenkontakten entstehen,
aus walztechnischen Gründen möglichst klein. zu halten. Eine VerändeTung der spezifischen
Strombelastung der verschiedenen Kontakte wird auch die Erwärmung an den Übergangsstellen
von den Kontakten zum Stab bzw. Knüppel und damit - bei gleichem Anpreßdruck - auch
die Größe der Mulden unter den Kontakten verändern. Dies ist somit ein weiterer
Grund für eine Entlastung der Seitenkontakte gegenüber den Stirnkontakten.
-
Um diese Schwierigkeiten bezüglich der erwähnten Gefügeveränderungen
und Muldenbildung zu beseitigen, sind bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen
worden. Bei einem bekannten Verfahren für die elektrische Widerstandsbeheizung von
stabförmigen Stahlgegenständen sollen nur an bestimmten Teilen der Stirnfläche des
Werkstückes Kontakte vorgesehen werden, die infolge der zu großen Stromdichte und
den Kontaktflächen einen Wärmeüberschuß erzeugen, wobei aber die erforderliche gleichmäßige
Werkstückstemperaiur dadurch erzielt wird, daß die Stabenden dauernd oder intermittierend
mit Wasser beaufschlagt werden. Die Bemessung der Wasserkühlung und deren zeitliche
Abgrenzung erfolgt in Abhängigkeit von dem Erhitzungsverlauf. Diese Anordnung verhindert
wohl Verschmelzungen unter den Kontakten, kann jedoch Gefügeveränderungen im Werkstück
durch die Abschreckwirkung
des Wassers verursachen, und vermindert
zudem durch die Abkühlung den Wirkungsgrad der Heizanlage. Bei einem anderen Verfahren,
wo Kontaktvorrichtungen mit Stirn- und Seitenkontakten zu Anwendung kommen, werden
an jedem Stabende eine oder mehrere der Kontaktstellen abwechselnd oder auch nur
zeitweilig eingeschaltet. Auf diese Weise kann die Einwirkungsdauer der einzelnen
Kontakte beschränkt werden. Der Nachteil dieses letzteren Verfahrens ist jedoch
der, daß einerseits durch die zeitweilige Unterbrechung des Erhitzungsstromes an
den Kontaktstellen der elektrische Übergangswiderstand durch die sich bildende Oxydhaut
wieder erhöht wird, und beim Wiedereinschalten des betreffenden Kontaktes entsteht
eine zusätzliche überhitzung der Oberflächenschicht des Werkstückes, so daß die
angestrebte Wirkung doch nicht erreicht wird.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur unmittelbaren Widerstandserhitzung
von stabförmigen Körpern aus Metall, insbesondere von Knüppeln und ähnlichem Halbzeug
aus Stahl, mittels einer an jedem Ende des stabförmigen Körpers angebrachten Kontaktvorrichtung,
bestehend aus mindestens einem stirnseitigen Kontakt und mehreren Seitenkontakten,
mittels welchem die örtliche Überhitzung des Werkstückes unter den Seitenkontakten
auf äußerst einfache und wirksame Weise vermieden wird. Gemäß der Erfindung wird
dies dadurch erreicht, daß die elektrische Spannung der Seitenkontakte gegenüber
derjenigen der Stirnkontakte ohne Unterbrechung der Stromzuführung verändert wird,
und zwar so, daß die Spannung der Seitenkontakte immer kleiner ist als diejenige
der Stirnkontakte, und daß das Werkstücksende gleichmäßig erwärmt wird.
-
Diese Änderung der Spannung und damit des Stromes gemäß der Erfindung,
wodurch die Erwärmung des Werkstückes an den einzelnen Kontaktstellen verschieden
gestaltet wird, kann auf verschiedene Art und Weise verwirklicht werden. Die Seitenkontakte
können gegenüber den Stirnkontakten an eine andere, getrennte, regulierbare Spannungsquelle
angeschlossen werden. Die Spannungsquelle kann aber auch erst sekundärseitig getrennt
und verschieden sein. Auf der Primärseite reguliert bleibt die Sekundärspannung
im gleichen Verhältnis verschieden. Wenn aber alle Kontaktstellen von der gleichen
Spannungsquelle gespeist werden sollen, so können für die Veränderung der Spannung
an den Seitenkontakten gegenüber der Spannung an den Stirnkontakten entweder regulierbare
ohmsche Widerstände oder regulierbare induktive Blindwiderstände den Seitenkontakten
vorgeschaltet werden, wodurch an diesen Widerständen Spannungsabfälle verursacht
werden, die den Strom in den Seitenkontakten gegenüber dem Strom in den Stirnkontakten
verändern. Diese erwähnten Widerstände können während des Erhitzungsvorganges beliebig
verändert werden, zu welchem Zweck noch zusätzliche Reguliermittel vorgesehen werden.
-
Wie bereits erwähnt, treten Verschmelzungen der Oberflächenschicht,
verursacht durch den übergangswiderstand in der Trennschicht zwischen Kontakt und
Werkstück, beispielsweise durch eine Oxydhaut, beim Einschalten des elektrischen
Stromes auf. Jedem Seitenkontakt wird daher beispielsweise ein großer induktiver
Blindwiderstand vorgeschaltet. Beim Einschalten der Heizspannung fließt infolge
der elektrisch schlecht leitenden Trennschicht nur ein geringer Heizstrom, so daß
der Spannungsabfall an dem induktiven Blindwiderstand zwischen Stirnkontakt und
Seitenkontakt klein ist, wodurch die Spannung am Seitenkontakt annähernd gleich
groß ist wie am Stirnkontakt. Durch diese relativ hohe Spannung wird die Trennschicht
durchbrochen. Infolgedessen steigt die Leitfähigkeit an der Kontaktstelle des Seitenkontaktes
und dementsprechend auch der Strom, und dadurch wird der Spannungsabfall an dem
vorgeschalteten induktiven Blindwiderstand vergrößert, wodurch der Heizstrom durch
den Seitenkontakt begrenzt und eine unzulässige Erwärrnung bzw. Gefügeveränderung
unter der Kontaktstelle vermieden wird. Nach Ablauf dieser kritischen Einschaltperiode
wird der induktive Blindwiderstand durch geeignete Mittel kontinuierlich ohne Unterbrechung
des Heizkreises verändert, wodurch der Strom in den Seitenkontakten stufenlos geregelt
wird, so daß eine gleichmäßige Erwärmung des Werkstückendes erreicht wird. Durch
zusätzliche Mittel ist es auch hier möglich, die kontinuierliche Regelung der Induktivität
zu ergänzen oder zu ersetzen.
-
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung, die auf sehr
einfache Weise die Veränderung des Stromflusses durch die Seitenkontakte unter Anwendung
der zuletzt erwähnten Maßnahme, d. h. durch Einschalten eines regelbaren induktiven
Blindwiderstandes zwischen der Spannungsquelle der Stirnkontakte und den Seitenkontakten
ermöglicht. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Seitenkontakte
walzenförmig ausgebildet und so angeordnet sind, daß sie sich auf der Knüppeloberfläche
abwälzen können, wodurch die Induktivität der Stromzuführungsleitung vom Stirnkontakt
zum Seitenkontakt zwangläufig verändert wird.
-
In den F i g. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Seitenansicht dargestellt, und zwar in zwei verschiedenen Betriebsstellungen.
-
Die Kontaktvorrichtung weist einen Stirnkontakt 1 und beispielsweise
vier um den zu erwärmenden Knüppel 2 gleichmäßig verteilte Seitenkontakte 3 auf.
Diese letzteren sind als Wälzkontakte ausgebildet, wobei jeder Kontakt 3 über ein
an einem Tragarm 4 drehbar befestigtes Druckorgan 5 dauernd gegen die Seitenfläche
des Werkstückes 2 gepreßt wird. Diese Anpressung kann durch Federkraft oder auch
hydraulisch erfolgen. Die Stromzuführung zu den Seitenkontakten 3 erfolgt über die
flexiblen Leiter 6, die Luft- oder wassergekühlt sind und an der Spannungsquelle
7 zum Stirnkontakt 1 angeschlossen sind.
-
Zu Beginn des Heizprozesses befinden sich die Seitenkontakte 3 in
der Ausgangslage gemäß F i g. 1, wodurch die Seitenkontakte 3 am weitesten vom Stirnkontakt
entfernt sind und die Stromzuführung 6 zu den Seitenkontakten eine große Induktivität
bildet. Während des Aufheizvorganges werden die Wälzkontakte 3 auf der Knüppeloberfläche
gemäß einem beliebigen Programm in Richtung des Knüppelendes abgewälzt, wodurch
die Induktivität der nät dem Abwälzkontakt verbundenen Stromzuführungsleitung 6
bzw. der Spannungsabfall zwischen dem Stirnkontakt 1 und den Seitenkontakten 3 zwangläufig
verkleinert und dementsprechend der Strom durch die Seitenkontakte 3 vergrößert
wird. In der in F i g. 2 gezeigten Endlage der Seitenkontakte 3 ist der Abstand
zwischen Stirnkontakt 1 und den Seitenkontakten
3 am kleinsten,
d. h., die Stromzuführungsleitungen 6 zu den Seitenkontakten 3 bilden nur eine kleine
Induktivität, wodurch der Strom in den Seitenkontakten 3 gegenüber der Ausgangslage
nach F i g. 1 vergrößert und gleichzeitig eine gleichmäßige Erwärmung des Werkstückendes
gewährleistet wird.
-
Bei geeigneter Ausbildung der Seitenkontakte 3 vorzugsweise als dreieckförmige
oder herzförmige Wälzkontakte können diese Kontakte während des Heizvorganges so
betätigt werden, daß einerseits eine gleichmäßige Temperaturverteilung des Werkstückendes
und andererseits eine konstante Stromdichte unter dem Abwälzkontakt erreicht wird.
Zu Beginn des Heizvorganges, wenn die in Serie zwischen Stirnkontakt 1 und den Seitenkontakten
3 geschalteten induktiven Blindwiderstände groß sind bzw. der Strom klein ist, sind
die Auflageflächen dieser herzförmigen Seitenkontakte 3 klein (F i g. 1), wodurch
der spezifische Kontaktdruck seinen maximalen Wert erreicht. Dieser hohe Druck unterstützt
den durch die hohe Spannung erfolgenden Durchbruch der isolierenden Trennschicht.
Durch Verkleinerung der induktiven Blindwiderstände zwischen dem Stirnkontakt 1
und den Seitenkontakten 3 vermindert sich der Spannungsabfall zwischen dem Stirnkontakt
1 und den Seitenkontakten 3, wodurch sich zwangläufig der Stromfluß durch die Seitenkontakte
3 erhöht. Gleichzeitig werden die Seitenkontakte 3 gegen den Stirnkontakt 1 abgewälzt,
wodurch infolge der herzförmigen Kontaktform die Kontaktfläche sich vergrößert und
die Stromdichte verändert wird. Die Seitenkontakte 3 können während des Aufheizvorganges
entweder einmal von der Ausgangslage F i g. 1 zur Endlage F i g. 2 oder auch mehrmals
hin und her auf der Knüppeloberfläche abgewälzt werden. Durch diese Regelung der
Stromzufuhr zu den Seitenkontakten können auf sehr einfache und wirksame Weise alle
Gefügeänderungen im Werkstück unter den Seitenkontakten vermieden werden, und zwar
ohne jegliche Unterbrechung des Heizvorganges.
-
Um zu verhindern, daß bei der Erwärmung der Stirnkontakt 1 nicht zu
tief in die Stirnfläche des Werkstückes eindringt, ist es ferner vorteilhaft, den
Stirnkontakt als Kugelkalotte auszubilden, die noch mit konzentrischen Rillen versehen
werden kann. Durch diese Rillen wird die Auflagefläche des Stirnkontaktes vergrößert.
-
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist selbstverständlich nicht auf
die Erzeugung einer Spannungsdifferenz zwischen den Seiten- und Stirnkontakten beschränkt.
Unter Umständen kann es auch vorteilhaft sein, die Spannung der Seitenkontakte auch
noch relativ zueinander zu verändern.
-
Bei Kontaktvorrichtungen mit mehreren einzelnen Kontakten nebeneinander
pro Seitenfläche, also senkrecht zur Werkstückachse, kann auch noch die Stromzufuhr
dieser Einzelkontakte auf jede Seitenfläche des Werkstückes relativ zueinander unterschiedlich
verändert werden. Diesen einzelnen .nebeneinander angeordneten Seitenkontakten ist
eine Verkleinerung des Stromes bei den Kontakten, die der Knüppel-, Platinen- oder
Blockkante zugeordnet sind, besonders vorteilhaft. Bekanntlich wird durch den Strom
durch das Werkstück ein Magnetfeld aufgebaut, daß eine Stromverdrängung im Werkstück
bewirkt, wodurch die Block- oder Platinenkante zu Beginn des Aufheizvorganges sich
rascher erwärmt als die mittlere axiale Zone der Seitenfläche. Es ist daher zweckmäßig,
zu Beginn des Aufheizvorganges den Kontakten in der Nähe der Block- oder Platinenkante
eine entsprechend größere Induktivität vorzuschalten als den Kontakten in der axialen
Zone der Seitenflächen, so daß der Strom in den ersteren Kontakten vermindert wird.
Mit zunehmender Erwärmung nimmt der Widerstand zu, und bei magnetischem Stahl verschwindet
oberhalb der Temperatur von 780° C die magnetische Permeabilität, wodurch die Stromverdrängung
weniger ausgeprägt bzw. die Eindringtiefe erhöht und die Wärme über den ganzen Querschnitt
gleichmäßiger verteilt wird. Nun können die der Platinen- oder Blockkante benachbarten
Kontakte vorgeschalteten induktiven Blindwiderstände verringert werden. Im Fall,
da.ß pro Stabende mehr als ein Stirnkontakt verwendet wird, kann es aus dem gleichen
Grunde ebenfalls vorteilhaft sein, wenn die Stromstärke an den verschiedenen stirnseitigen
Kontaktstellen verändert werden kann. Dies kann auf die gleiche Axt und Weise, wie
für die Seitenkontakte angegeben ist, erfolgen.