DE2311616B2

DE2311616B2 - Verfahren und vorrichtung zum automatischen bestimmen der heizgastemperatur in einem durchlauf-gluehofen

Info

Publication number: DE2311616B2
Application number: DE19732311616
Authority: DE
Inventors: Guy Bau-Saint-Martin Sartorius (Frankreich)
Original assignee: Societe Des Aciers Fins De L'est, Billancourt, Hauts De Seine (Frankreich)
Priority date: 1972-03-09
Filing date: 1973-03-09
Publication date: 1978-02-02
Also published as: FR2174748B1; JPS48102710A; GB1429945A; IT978704B; DE2311616C3; DE2311616A1; JPS5752518B2; FR2174748A1; US3879603A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Bestimmen der Heizgastemperatur in einem direkt beheizten Durchlauf-GIühofen mit mindestens einer Behandlungszone, bei vorgegebener Verweilzeit des Behandlungsgutes im Ofen, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Ein solches Verfahren wird bei der Herstellung von Teilen aus unlegierten Stählen eingesetzt, wie sie insbesondere in der Automobilindustrie in großem Umfang verwendet werden. Das Stahlhalbzeug muß vor dem Herstellen der Einzelteile einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Es handelt sich dabei zum Beispiel um in Elektroöfen erschmolzenen Walzstahl in Form von aufgewickeltem Draht, von Stangen oder von Profilstäben mit flachem, hexagonalem oder anderem Querschnitt Dieses Material wird dann durch spanende Formung, durch Warm- oder Kaltverformung usw. weiter verarbeitet. In Abhängigkeit von der nachfolgenden Umformung ist es erforderlich, dem zu verarbeitenden Metall bei der Wärmebehandlung durch Einfluß auf das Gefüge unterschiedliche Eigenschaften zu verleihen. Diese Eigenschaften lassen sich nur durch Anwendung bestimmter, auf den jeweiligen Fall zugeschnittener Glühtechniken erreichen. Dabei muß auch die Oberflächenentkohlung in engen Grenzen gehalten werden. Die von dem jeweiligen Werkstoff im Einzelfall zu erfüllenden Güteforderungen sind dem Fachmann bekannt. Sie zu erfüllen wird auch durch den Wunsch nach immer kürzeren Fertigungszeiten erschwert.

Es sind direkt beheizte Durchlauf-GIühofen bekannt, bei denen die Wärmebehandlung dadurch gesteuert wird, daß die Temperatur der umgewälzten Heizgase mit Hilfe eines auf empirische Weise eingestellten Reglers auf einen Wert eingeregelt wird, der die gewünschte Behandlung des den Ofen durchlaufenden Gutes bewirkt.

Die Durchführung der verschiedenen Wärmebehandlungsarten erfordert aber sehr unterschiedliche Durchlaufgeschwindigkeiten durch den Ofen. Die empirische Einstellung des Reglers führt dabei zu Schwierigkeiten, die insbesondere bei modernen Durchlauf-GIühofen mit intensiv wirkenden Wärmetauscheinrichtungen und mit einer Folge von untereinander unabhängiger Behandlungszonen ins Gewicht fallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Behandlungstemperatur im Ofen schnell und genau einzustellen und dabei insbesondere beim Abkühlen des Behandlungsgutes eine genaue Temperaturführung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster Heizversuch unter Betriebsbedingungen auf einem Temperaturniveau, bei dem der Wärmeübergang durch Konvektion und vernachlässigbarem Strahlungsanteil erfolgt, sowie ein zweiter Heizversuch unter Betriebsbedingungen auf einem Temperaturniveau, bei dem der Wärmeübergang durch Konvektion und durch

Strahlung erfolgt, durchgeführt werden, daß durch Vergleich der Ergebnisse der beiden Heizversuche die Parameter des Strahlungs- und des konvektiven Wärmeübergangs bestimmt und sodann mit Hilfe einer Näherungsgleichung, welche in Abhängigkeit von der ^r, Heizgastemperatur ein Verweilzeitintervall ergibt, die Verweilzeit für einen ersten Wert der Heizgastemperatur berechnet, mit dem vorgegebenen Wert verglichen wird, sodann bei fehlender Übereinstimmung zwischen den beiden Werten der Verweilzeit diese jeweils für einen neuen, von dem vorhergehenden Wert der Heizgastemperatur abweichenden Heizgastemperaturwert berechnet wird, bis bei Übereinstimmung der jeweiligen Verweilzeitwerte die erforderliche Heizgastemperatur ermittelt ist. Zweckmäßigerweise erfolgt i> dabei die Berechnung der Verweilzeitwerte durch Analogintegration.

Eine Vorrichtung zum automatischen Bestimmen der Heizgastemperatur in einem direkt beheizten Durchlaß-Glühofen mit mindestens einer Behandlungszone, bei si vorgegebener Verweilzeit des Behandlungsgutes im Ofen, nach dem vorstehend genannten Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Analog-Recheneinheit aufweist, in welcher nach Eingabe von durch Heizversuche ermittelten Parametern und nach Eingabe eines ersten Wertes für die Heizgastemperatur ein Wert für die Verweilzeit in einer Behandlungszone berechenbar ist, und welche eingangsseitig mit Rechengliedern für die Eingabe von in Abhängigkeit von der jeweiligen Behandlungszone κ> veränderten Parametern sowie ausgangsseitig mit einem den berechneten mit dem vorgegebenen Wert der Verweilzeit vergleichenden Komparator verbunden ist, und daß an den Ausgang des !Comparators ein Schrittschaltglied angeschlossen ist, durch welches r> jeweils ein neuer, von dem vorhergehenden Wert abweichender Heizgastemperaturwert in die Analog-Recheneinrichtung eingebbar ist und bei einer Abweichung zwischen den beiden Werten über ein Steuerglied ein neuer Rechenschritt auslösbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 4 und 5 gekennzeichnet.

Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sie eine sehr schnelle Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen ermöglicht. Die zum Erreichen einer gewünsch- 4 > ten Temperatur des Behandlungsgutes erforderliche Heizgastemperatur hängt außer von vielen äußeren Einflüssen auch von der Art des Behandlungsgutes selbst ab, und diese Abhängigkeiten werden durch die unter Betriebsbedingungen zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführenden Vergleichs-Heizversuche automatisch berücksichtigt, wobei in der Regel zwei Versuche genügen. Demgegenüber sind bei den bekannten Verfahren zur Temperaturregelung in Durchlaufofen jeweils umfangreiche Versuchsserien ·3^Γι nötig, um für jeden einzelnen Fall die erforderlichen Heizgastemperaturen zu bestimmen. Serien von bis zu dreißig Versuchen sind hierbei durchaus üblich.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung w) anhand eines Ausführungsbeispiels für den Anwendungsfall einer schnellen Abkühlung in einem Durchlauf-Glühofen mit direkter Heizung und Strahlungsgewölbe entsprechend den Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen &; Ofen im Bereich von zwei Zonen,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch den Ofen mit den Kühlkreisläufen,

Fig.3 ein allgemeines Funktionsschema des Rechners,

F i g. 4 ein Schaltbild spezieller Schaltkreise,

Fig.5 eine schematische Darstellung einer Bandaufzeichnung.

Zur Berechnung des Wärmeaustausches innerhalb eines Glühofens ist zunächst die analoge Auflösung der partiellen Differentialgleichung für den Wärmeübergang durch Strahlung und durch Konvektion erforderlich, deren mathematische Lösung θ (l) nicht ausgedrückt werden kann:

dtc

ate +

ΰθ

dfR,
(I)

worin dfcdie Zeit bedeutet, um allein durch Konvektion die Temperatur um d0 abzusenken unter dem Einfluß eines Konvektionsgradienten

und wobei dtR die Zeit bedeutet, um allein unter Berücksichtigung der Strahlung die Temperatur um d0 abzusenken unter dem Einfluß eines Strahlungsgradienten

(3)

In den Gleichungen haben die Buchstaben die folgende Bedeutung:

O: Temperatur des Produktes,
R: Strahlung,
C: Konvektion,
T: Temperatur der Heizgase,
Z: Temperatur einer Ofenzone,
A: Konvektionskoeffizient der Gasumwälzanlage,
B: Strahlungskoeffizient der Ofenzone,
C: Wärmekapazität der in der Zeit d/ entsprechend einer Abkühlung d0 durchlaufenden Produkte.

Es ist möglich, eine angenäherte Formel für die Wärmeaustauschvorgänge aufzustellen, indem man von einer Geschwindigkeit ν des Produktes auf zwei verschiedene Arten ausgeht:

Entweder verändert man die Gaseinblastemperatur T, wobei man die Anfangstemperatur θο der Ofenladung kennt und einen Betriebsablauf festzulegen versucht, in dem die vorgegebene Endtemperatur der Ofencharge QF ist. Diese Formel ergibt eine Temperatur: 0c = f(tF), worin tF die Verweildauer und 0c die Endtemperatur der Ofenladung ist und durch wiederholte Abtastungen 0 der Endtemperatur der Ladung auf den vorgegebenen Wert BF einjustiert wird, wenn T verändert wird. Oder man ändert die Gaseinblastemperatur Tund versucht einen Betriebsablauf festzulegen, in dem die Verweilzeit tF ist. Die Formel ergibt für eine verschiedene Produktionsgeschwindigkeit V eine berechnete Verweilzeit te: te = gißF), worin VF die Endtemperatur der Ofenladung ist und ic durch wiederholte Abtastungen auf den durch Veränderung der Temperatur vorgegebenen Wert einjustiert wird.

Für das nachfolgende Beispiel einer Ausführung eines Analogrechners wurde die zweite Methode ausgewählt.

Der Rechner erhält die Anfangstemperatur θο und die Endtemperatur 0Fder Produkte, die Gaseinblastemperatur Tund die vorgegebene Verweilzeit tF zugeführt. Andererseits ermittelt der Analogrechner durch Summierung die Verweilzeit te, vergleicht diese Verweilzeit ^r> mit der vorgegebenen Zeit tF, um durch Iteration eine Nachregelung der Temperatur 7"zu erreichen.

In Abhängigkeit von der durch Strahlung und Konvektion zeitlich abgeführten Gesamtwärmemenge hat man durch graphische Annäherung eine Formel für κι die Wärmeaustauschvorgänge wie folgt aufgestellt:

f =

C(B) x Λ Θ

Ά(Z) χ (W^Y) + B((-f - Z⁴),

(4)

worin At die Elementarveränderung der Verweilzeit, ΔΘ die Temperaturänderung des Produktes, θ die in der Rechenstufe berücksichtigte Temperatur und die anderen Zeichen mit den Bedeutungen in den obengenannten Formeln (2) und (3) übereinstimmen.

Nachfolgend sind mögliche Organisationsformen eines Rechners zur Berechnung der Formel (4) beschrieben und wie eine Summierung und ein Vergleich der Resultate durchgeführt werden kann. Es ist notwendig, die Produkttemperaturen zwischen zwei festen Grenzen θο und BFzu zerlegen und die Resultate At am Ausgang der Analogorgane zu summieren. Diese Summierung kann mit Hilfe der erforderlichen Elemente stufenweise oder kontinuierlich durchgeführt werden. Darüber hinaus wird auch die dem Produkt im Ofen vorgegebene Geschwindigkeit berücksichtigt, da die endgültige Aufenthaltszeit als Bezugswert dient und diese beiden variabel miteinander verknüpft sind.

Man erkennt nunmehr die aus der Konstruktion de. Ofens, auf den sich das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht, vorgegebenen natürlichen Bedingungen. Eine Glühbehandlung von Stangenmaterial erfolgt in einem Ofen, von dem ein Abschnitt schematisch in F i g. 1 gezeigt ist. Der Ofen umfaßt mehrere abgegrenzte Zonen, um aufeinanderfolgende Aufheizungen und Abkühlungen durchzuführen, wie sie weiter oben beschrieben worden sind. Von der rechten Seite aus in F i g. 1 wird eine aus Stangen bestehende Schicht 1 in die nicht gezeigten Zonen eingeführt und läuft auf Rollen 2 (F i g. 2) weiter nach links.

Die Unterteilung des Ofens in Zonen ist durch die verschiedenen vorgesehenen Arbeitszyklen bestimmt, um die erforderlichen Temperatur- und Zeitbedingungen erfüllen zu können. Der Abschnitt 3 in Fig. 1 umfaßt in Wirklichkeit drei Heizzonen zum Aufheizen und zur Temperaturhaltung mit der Möglichkeit einer Warmbehandlung bis zu 1100°C. Der mittlere Abschnitt in Fig. 1 zeigt zwei Schnellkühlzonen 4, 5 mit weiter unten beschriebener orthogonaler Konvektion. Auf dem anschließenden Weg der Stangenschicht 1 befinden sich mehrere Zonen zum Temperaturhaltcn oder zur langsamen Abkühlung, die an sich bekannt und nicht weiter beschrieben sind. Innerhalb der Zonen 4 und 5 wie auch in den benachbarten Zonen befinden sich zur Durchführung der jeweils erforderlichen Behandlungen geeignete Auflageflächen mit veränderbarer Geschwindigkeit der Produkte. In der folgenden Beschreibung ist das Ausfiilirungsbcispicl auf eine Anwendung der Zonen 4 und 5 als Schncllkühking mit einer Unterbrechung beschrankt, obwohl sie in bestimmten anderen Fällen auch ills llci/zoncn mit nicht gezeigten Luft- und Giiscrhitzmi arbeilen können. Die Temperaüirrege-

20

4(1 lung der Schnellkühlung wird indirekt durch di< Gasumwälzung entsprechend F i g. 2 erreicht.

Die gleichmäßige homogene Abkühlung der Ofen charge 1 über die gesamte Länge des Ofens wird durcl Rohre 7 a, Tb gesichert, die senkrecht oberhalb bzw unterhalb der Rollen 2 angeordnet sind, welche dit Stangenschicht 1 unterstützen. Die Rohre 7 a und Tl enthalten öffnungen 8, um die Stangenschicht mit der Kühlgasen zu beaufschlagen, die aus den Rohrleitunger 9a, 9b kommen, welche kräftigen Gebläsen 10a, 10/ angeschlossen sind. Die Gebläse saugen über die Leitungen 11a, Ui? in die Wärmetauscher 12a, 12f> eir konstantes Gasvolumen. Die Wärmetauscher enthalter in bekannter Weise metallische Rohrbündel in zwe nicht miteinander in Verbindung stehenden paralleler Volumen entsprechend den beiden am Wärmeaustausch beteiligten Strömungsmedien, so daß sich eine nähere Beschreibung erübrigt. Der Kreislauf der Umwälzgas« 11a, Wb wird durch die Ansaugleitungen 13a, 13/ zwischen dem Ofen und den Wärmetauschern vervoll ständigt. Zwei weitere leistungsfähige Gebläse 14a, 14/ für äußere Kaltluft blasen diese über die Kanäle 15a, 15/ durch die Wärmetauscher 12a bzw. 126 und von dori über die Kanäle 16a, 166 zurück in die Atmosphäre Längs des Verlaufes der Kanäle 15a, 156 sine Regelventile 17a bzw. 176 angeordnet, die durch Veränderung der öffnung einer Einlaßklappe If steuerbar sind.

Gemäß Fig. 1 haben die beiden Ofenzonen 4 und 5 die gleiche Länge und sind durch einen unbeaufschlagten Abschnitt 19 voneinander getrennt, der hier als »tote Zone« bezeichnet ist. In dieser Zone beginnt mit einer gewissen Verzögerung die Gefügeumwandlung des Metalls. In schematischer Darstellung sind Abschirmungen 20 angedeutet, die eine gewisse Abdichtung der Zonen 4 und 5 gewährleisten.

Bezeichnet man mit T die Temperatur der in die Wärmeaustauscher eingeblasenen Umwälzmenge des Gases, so erfolgt die Regelung, indem man auf einer Regeleinrichtung einen Wert einstellt, der die erwünschte Kühlung der Ofencharge in Abhängigkeit von ihrer Masse und Geschwindigkeit herbeiführt. Die letztere Einflußgröße ist durch die weiteren metallurgischen Behandlungsbedingungen vorgegeben, insbesondere den Zeitabsatz vor oder nach den Schnellkühlzonen. Die Regelung erfolgt durch zyklische Steuerimpulse für die Zufuhr von kalter Luft über die Schieber 18.

Zur Aufstellung der oben angegebenen Gleichung (4) werden zunächst zwei Versuche durchgeführt. Im ersten Fall gehen die Rückkühltemperaturen von 850° bis 650⁰C. Wenn man eine Temperatur von 450⁰C für das Einblasmedium zuläßt, befindet sich der Ofen in der Zone 5 auf einer mittleren Temperatur von 600⁰C. Die aus den öffnungen 8 der Rohre 7a, Tb austretenden Gase umstreichen die Stangen, kühlen sich außerhalb der Rohre 7a, Tbab und kommen an die Wandungen und die Gewölbe der Zonen, von wo sie abgesaugt werden. Aufgrund der starken Konvektion kann man die Gewölbe und die Wände praktisch auf der mittleren Temperatur belassen, so daß sich sämtliche Austauschvorgänge auf eine äquivalente Konvektion zurückführen lassen.

In einem zweiten Fall der Abkühlung von 1050 bis 650° ist der Wärmeaustausch durch Strahlung proportional viel stärker als im vorangehenden Fall, obwohl der Konvektionsanteil nicht vernachlässigbar ist. Die Anteile der Strahlung und Konvektion und die Parameter A (Z), B und C (Θ) lassen sich leicht

bestimmen, so daß man die durch Näherung aufgestellte Gleichung (4) benutzen kann.

Für diese Untersuchungen verwendet man Thermoelemente, die im Kern der Stangen eingekapselt worden sind, während die Gastemperaturen und eine bestimmte Vorschubgeschwindigkeit V gegeben sind. Aus diesen vorgegebenen Versuchswerten ermittelt am Anfang der Rechner die Summe des Zuwachses der Aufenthaltszeit in Abhängigkeit von Elementaränderungen in der Produkttemperatur. In der Gleichung (4) berücksichtigt der Ausdruck A(Z) ■ (B-T) die Konvektion und der Ausdruck B (B*-2?) die Strahlung. Der Rechner behandelt nun nach und nach die Stufungen der Abkühlzeit Al (B) für die elementaren Temperaturintervalle

I θ =

(-J_n - GF

worin θο die Anfangstemperatur des Produktes, 0Fdie zu erreichende Endtemperatur und η die willkürlich durch den Rechner festgelegte Anzahl der Einzelschritte ist.

Von dieser Untersuchung aus, die gemäß der Gleichung (4) die für die feststehende Ursprungsgeschwindigkeit ν und ein vorgeschlagenes T geeichte Verweilzeit tFergibt, läßt sich leicht die Verweilzeit t'F für eine andere Geschwindigkeit ^'berechnen.

Tatsächlich besteht bezüglich eines theoretischen Wertes tF, der aus einer im Versuch festgelegten Geschwindigkeit ν resultiert, die geometrische Beziehung der Zonenlänge:

t'F = tF-v/v',

wobei der Rechner eine Folge von Untersuchungen mit geänderten Gastemperaturen T durchführt, die von T verschieden sind, bis die Verweilzeit te = t'F gefunden ist.

Fig.3 zeigt den allgemeinen Aufbau des Rechners, dessen grundlegende Elemente mit dreistelligen Bezugszeichen versehen sind.

Eine Gruppe von Rechenelementen ist allgemein an der Stelle 100 angegeben; sie umfaßt:

1. Drei Eingangsbausteine (Moduln) 101, 102, 103, nämlich einen Modul 101 zur Berechnung der Gleichung (5): Δ B = (Q-QF)In, wobei die Anzahl der Einzelschritte z. B. 40 betragen kann, ferner einen Modul 102 zur Berechnung der Gleichung (8): C(B) = MB + N, die weiter unten beschrieben wird und einen Modul 103 zur Rechnung der ebenfalls nachfolgend erläuterten Gleichung (9): Z(T)= KT + C.

2. Eine Recheneinheit, deren Einzelheiten nicht beschrieben sind, da das Ausführungsbeispiel von einem Durchschnittsfachmann unter Verwendung von handelsüblichen Moduln ohne weiteres durchgeführt werden kann, so daß diese Einheit nur symbolisiert ist. Sie enthält die folgenden Analogfunktionserzeuger; der Funktionserzeuger 104 bewirkt die Änderungen Δ t, wobei er über eine erste Leitung 21 die Änderung (Δ B) als Ausgang des Eingangsmoduls 101 empfängt, ferner einen zweiten Eingang 22 für den Wert C(B) des spezifischen Wärmekoeffizienten als Ausgang des Moduls 102, ferner auf einem dritten Eingang einen Wert, der den Nenner der Gleichung (4) bildet, wobei dieser Wert über die Zuleitung 23 aus einem Funktionserzeuger 105 herangeführt wird. Der Funktionserzeuger 105 besitzt zwei Eingänge, von denen der eine über den Anschluß 24a an den Ausgang der Einheit 106 angeschlossen ist und eine

Funktion B(B* -Z*) der Gleichung (4) bildet, während der andere über die Leitung 246 an den Ausgang des Rechenelementes 107 angeschlossen ist und die Funktion A(Z) ■ (B-T) der Gleichung ίο (4) bildet.

Die Einheit 106 besteht in Wirklichkeit aus einer Gruppe von einzelnen Rechenelementen zur Durchführung von Operationen mit den Werten von B, B und Z.

Gleichfalls enthält die Einheit 107 in Wirklichkeit mehrere Rechenelemente zur Durchführung von (5) Operationen mit den Werten A, B und T. Die Einheit 106

besitzt zwei Eingänge, von denen der Eingang 25 den Temperaturwert θ an der Trennstelle heranbringt und der andere Eingang 26 an den Ausgang des Moduls 103 zur Berechnung von Zangeschlossen ist. Die Einheit 107 besitzt zwei Eingänge, von denen der Eingang 27 ebenfalls am Ausgang des Moduls 103 liegt, während der andere Eingang 28 an einem Modul 108 liegt, der den Ausdruck (B-T) der Gleichung (4) errechnet. Der Modul 108 besitzt seinerseits zwei Eingänge für die Werte β und T und ist dementsprechend über die Leitungen 38 und 29 an das Potentiometer 1096, das die Temperaturen von θο bis BF aufteilt, bzw. an das Potentiometer HOa angeschlossen, über dessen Schieber die Temperatur T der Heiz- bzw. Umwälzgase festgelegt wird.

Nach der Übersicht über die Rechenelemente erkennt man nunmehr die veränderlichen Eingangsgrö-Ben. Der Modul 101 ist über die Leitungen 30 und 31 an die Mitte der Schleifkontakte 32 bzw. 33 des Potentiometers 109a angeschlossen, über die man die dem Produkt vorgegebene Temperaturänderung einstellen kann. Die Schleifkontakte 32, 33 beaufschlagen ihrerseits ein zweites Potentiometer 109/?, dessen Schleifkontakt 34 mit Hilfe eines Motors 109c verschoben wird, wobei der Motor durch Impulse eines Taktgebers /-"gesteuert wird.

Der Eingangsmodul 102 besitzt zwei Eingänge 35,36 zur Korrektur der spezifischen Wärme nach der Gleichung

C = M θ + N,

worin Mund Λ/die Koeffizienten sind. Die Eichung von C erfolgt von dem ersten Versuchslauf aus, der für eine Abweichung von der Temperatur θο die Werte A/CO und B/CO ergibt. Ein weiterer Versuch mit einer beliebigen Abweichung θ ergibt dann die Werte für A/C und B/C. Da der Wert B in beiden Fällen der gleiche ist, erhält man C/CO. Die relative Regelung von M und N erfolgt an Hand von Tabellen über die spezifischen Wärmewerte in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Eingangsmodul 103 bewirkt eine Korrektur der Temperaturen in den in F i g. 1 sichtbaren Strahlungszonen 4 und 5, da diese Temperaturen im wesentlichen linear abhängig sind von der Veränderlichen T (Umwälzgastemperatur). Diese Funktion entspricht der Gleichung

Z = KT + L,

worin K und L die Koeffizienten sind.

Die durch die vorangehenden Gleichungen (8) und (9) bestimmten Änderungsgesetze gelten in Abhängigkeit von der vom Produkt zurückgelegten Wegstrecke in den drei in F i g. 1 sichtbaren Abschnitten, nämlich der Zone 4, der toten Zone 19 und der Zone 5. An diesen ^r> Stellen müssen somit die Regelorgane eingreifen, die nachfolgend (F i g. 4) beschrieben sind. Der Motor 109c ist ausgelegt, um einen Zyklus entsprechend der Abspaltung der Anfangstemperatur von der Endtemperatur des Produktes durchzuführen. Er besitzt eine ι υ Welle von Kurvenscheiben 111, 112 und 113, die zur Betätigung von Mikroschaltern wie folgt eingestellt sind: Die Kurve 111 betätigt ihren Kontakt lila zu Beginn des Zyklus. Die Kurve 112 betätigt ihren Kontakt 112a während des Durchganges des Produktes auf ebener Strecke, und die Kurve 113 betätigt ihren Kontakt 113a beim Durchgang des Produktes durch die tote Zone.

F i g. 4 zeigt ferner, daß die Kurvenscheiben 111 und 113 gesetzte Kontakte in ihrer R-ihelage überführen. Ein Kontakt lila wird zu Beginn eines Zyklus unterbrochen, um den Verstelltrieb des Potentiometers 110a anzuhalten, wobei dieser Kontakt über eine Leitung 40 an eine Stromquelle t/und über eine Leitung 41 an eine Klemme edes Motors 1106 angeschlossen ist, der noch 2> durch weitere Steuerungen beeinflußt wird. Andererseits unterbricht die Kurvenscheibe 113 beim öffnen des Kontaktes 113b einen Stromkreis, der über die Leitung 42 an den Ausgang des Moduls iO3 für die Temperaturkorrektur der Zonen geführt ist und über jo die Leitung 43 Verbindung zum Eingang 44 des Rechners 100 hat und von dort zu nicht gezeigten Rechenelementen für die Korrektur des Koeffizienten A in der Gleichung (4). Sobald ein Produkt die tote Zone 19 im Ofen durchläuft, findet an dieser Stelle keine j-, Konvektion durch Gasumwälzung statt, sondern nur noch ein Wärmeübergang durch Strahlung. Aus diesem Grund bewirkt die Steuerkurve 113 provisorisch, daß der Wert für den Koeffizienten A auf Null zurückgeführt wird. Der Eingang 44 ist im Rechner an solche Elemente angeschlossen, die auf die oben beschriebene Einheit 107 einwirken.

Die Kurvenscheibe 111 steuert über den Kontakt IUa einen Schaltkreis 45 mit der Wicklung eines Relais R), das einen Arbeitskontakt 65 mit weiter unten beschriebener Funktion besitzt. Die Kurvenscheibe 112 steuert über den Kontakt 112a einen Schaltkreis 46 mit Wicklungen von zwei Kupplungsrelais R₂ und R), während die Kurvenscheibe 113 über ihren Kontakt 113a einen Schaltkreis 47 steuert, der mit der Wicklung eines Relais R4 in Verbindung steht. Diese Relais steuern über nicht im einzelnen beschriebene Potentiometereinrichtungen die Eingangsspannungen in die Moduln 102 und 103. Diese Spannungen werden in Abhängigkeit vom Weg des Produktes auf der Normalstrecke und in v, der toten Zone geregelt. Wie schon erwähnt, bildet der Modul 102 eine Funktion entsprechend Gleichung (8) C = ΜΘ + N zur Durchführung der Korrektur der spezifischen Wärme. Unter der Wirkung der Steuerkurve 112 kann das Relais R2 den ersten Eingang 48 des m> Moduls 102 von einem Potentiometerwert N\ auf einen anderen Wert N₂ umschalten. Das Relais 43 kann den zweiten Eingang 49 des Moduls 102 zwischen einem Potentiometerwert M\ und einem Wert M₂ umschalten.

Der Modul 103 besitzt zwei Eingänge 50 und 51, von h^r> denen der Eingang 50 an einen Regelwiderstand mit einem festen Wert K entsprechend der Gleichung (9) KT+ L angeschlossen ist. Demgegenüber ist der zweite Eingang 51 an den Kontakt des Relais R* angeschlossen, das unter der Wirkung des Kontaktes 113a der Steuerkurve 113 für die tote Zone zwischen einem Potentiometerwert U und L5 umschalten kann. Die Werte L·, und L5 entsprechen den Strahlungskoeffizienten in den Zonen 4 und 5, während der Wert von K konstant ist.

Unter Bezugnahme auf Fig.3 seien die an den Ausgang des Rechners 100 angeschlossenen Elemente betrachtet. Der letzte Funktionserzeuger 104 gibt das Ergebnis der Gleichung (4) in eine Leitung 52, die durch den Kontakt Hi des Taktgebers //unterbrochen ist, und im Anschluß an diesen Kontakt über die Leitung 53 zum Eingang eines Summators 114, der aus einem schrittweise arbeitenden Speicher bestehen kann und somit eine Summierung der Werte Δ Τ bewirkt. Der Ausgang 54 des Summators 114 führt über einen Zweig 55 zu einem Aufzeichnungsgerät E und über einen zweiten Zweig 56 an eine Komparatoreinheit 115.

Aus F i g. 3 geht außerdem hervor, daß der Schrittmotor 1106 für das Potentiometer 110a drei Steuereingänge aufweist, von denen der Eingang e unter der Steuerung der Kurvenscheibe 111 für den Zyklusbeginn steht, während die beiden anderen Eingänge /i und f₂ die Drehrichtung des Motors bestimmen. Die Motorzuleitungen 57 und 58 für die Drehrichtungen kommen aus einem Steuerrelais 117.

Gemäß F i g. 5 ist das in F i g. 3 angedeutete Aufzeichnungsgerät E deutlicher schematisch dargestellt. Die aus dem Summator 114 kommende Zweigleitung 55 führt an einen Umschalter 59, über den der Maßstab ausgewählt wird, mit dem auf den Schreiber oder Zeiger 60 entsprechend jeder Zyklusbewegung des Aufzeichnungsgerätes eingewirkt wird. Der Antriebsmotor 118 dient zum Abrollen eines Aufzeichnungsstreifens 5 nach unten in der Figur, während der Schreiber sich von links nach rechts bewegen kann. Da der Betrieb des Rechners über den Kontakt H\ des Zeitgebers bestimmt wird, und zwar synchron mit der Abtrennung bzw. Abschaltung des Potentiometers 1096, bleiben die Temperaturänderungsschritte ΔΘ konstant, während die zeitlichen Abstufungen At denjenigen entsprechen, die in dem Summator 114 angesammelt sind. Gemäß Fig.5 sind ein erster Stufenverlauf im Zeitraum X\ entsprechend der Zone 4 sichtbar, anschließend sein Überquerungsabschnitt X₂ während der Zeit W des Durchlaufes der toten Zone und ein zweiter Stufenverlauf X) entsprechend der Zone 5 eingetragen.

Es ist auch eine kontinuierliche Summenbildung möglich, wobei der Motor 109 gemäß F i g. 4 dann ein Synchronmotor ist und das Rechenelement 114 aus einem Integrator besteht. Im Aufzeichnungsgerät erscheint ein Kurvenverlauf Y\, Y₂ gemäß Fig.5. In diesem Fall ist der Aufzeichnungsmotor 118 mit dem Motor 109c synchronisiert, so daß beide proportionale Geschwindigkeiten besitzen. Dadurch entspricht der zyklische Schaltvorgang am Potentiometerabgriff dem Abrollvorgang des Schreibstreifens mit einer konstanten Länge, so daß das dargestellte Schaubild stets die gesuchte Gesamtabkühlungszeit wiedergibt. Die Verweilzeit te erscheint auf dem Aufzeichnungsgerät gemäß F i g. 5 am Ende des Zyklus.

In Fig.4 ist die Komparatoreinheit 116 auf der rechten Seite eingezeichnet. Die Leitung 56 des Ausgangs des Summators 114 führt an ein Potentiometer 121 mit einem Abgriff 61, dessen Stellung auf der erwünschten Geschwindigkeit V entsprechend einem

Erfahrungswert festgelegt wird. Dieser Abgriff der Analogspannung ist an einen Eingang 62 eines !Comparators 116 angelegt, der über einen zweiten Eingang 63 Spannung von einem Regelwiderstand 119 und über einen dritten Eingang 64 Spannung von einem zweiten Regelwiderstand 120 zugeführt erhält. Die Potentiometer 119 und 120 geben einen Verweilzeitwert tF mit einem zulässigen größeren oder kleineren Fehler vor. Der !Comparator hat die Aufgabe, den Zeitpunkt herauszufinden, wo die Eingangsspannung in der Leitung 62 dem Wert der Verweilzeit fFmit einer unteren Annäherung innerhalb der Fehlergrenze gleich wird.

Der Komparator darf jedoch nur einmal am Ende des Zyklus in Funktion treten, wenn entsprechend Fig.4 der Kontakt 65 des Relais Ri über die Leitung 66 eine Steuerspannung an den Komparator weitergibt. Der Komparator liefert am Ende des Zyklus drei Signale 67, 68, 69, die in Fig.3 durch eine einzige Linie 70 schematisch wiedergegeben sind. Die Steuerleitung 70 wirkt auf das Relais 117, um drei verschiedene Befehle auszulösen. Wenn die berechnete Zeit te, die vom Potentiometer 121 (Fig.5) korrigiert worden ist, sich unterhalb der von den Potentiometern 119, 120 vorgegebenen Zeit befindet, muß die Temperatur Tder Umwälzgase verringert werden und somii der Motor 110b um einen Schritt zurücklaufen; ist die Zeit te zu lang, so muß umgekehrt der Motor 1106 einen Schritt voranlaufen, und in diesen beiden Fällen beginnt der Ablauf der Rechenoperationen mit einem neuen Wert von T! Wenn schließlich der Zeitwert am Eingang 62 in den zulässigen Annäherungsbereich hineinfällt, wird dem Relais 117 ein Anhalt- bzw. Abschaltbefehl erteilt. In diesem Fall unterbricht der Kontakt 117a die Leitung 70, die ihrerseits den Betrieb des Taktgebers anhält, so daß keine Impulse mehr zum Motor 109c gelangen und die gesamte Recheneinheit blockiert ist. Wenn der Anhaltbefehl nicht gegeben wird, nämlich jedesmal dann, wenn am Ende des Zyklus der Motor 1106 seine Stellung geändert hat, läuft der Betrieb weiter, wobei ein neuer Wert für die Temperatur T, der über das Potentiometer HOa eingestellt wird, in die Leitung 29 (F i g. 3) eingegeben wird und von dort in das Rechenelement 108 für einen neuen Rechenablauf. Da

in die anderen Parameter unveränder' bleiben, kann der Rechner über aufeinanderfolgende Versuchsrechnungen die erforderliche Temperatur einstellen.

Aus einigen, theoretisch aus nur zwei, Betriebsversuchen bei einer Geschwindigkeit ν findet man erfindungsgemäß über eine andere Abkühlung und eine andere Geschwindigkeit die richtige Einblastemperatur für das Umwälzgas, und zwar mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 3% des Gesamtabkühlbereiches. Als weiteres praktisches Ergebnis kann der Rechner dauernd den Programmierungstechniker während der Ofenzyklen entlasten, so daß der Techniker seine Anstrengungen auf die metallurgischen Gefügeuntersuchungen konzentrieren kann, die letztlich die Basis für die Berechnungen ergeben.

Der Rechner mu3 nicht ein Untersuchungsgerät bleiben, sondern kann auch zur direkten Steuerung eines Sollwertreglers eingesetzt werden, nachdem die Parameter des Arbeitszyklus festgelegt worden sind. Darüber hinaus ergeben sich die Anwendungsmöglich-

jo keiten fur den Aufheizvorgang von Wärmebehandlungsöfen, insbesondere als Untersuchungs- und Entwicklungsgerät für öfen bei ausgearbeiteten Eingangsdaten für numerische Rechengeräte, d. h. zur direkten Steuerung der Strömungsmittel im Ofen von der Festlegung des Sollwertes aus.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum automatischen Bestimmen der Heizgastemperatur in einem direkt beheizten s Durchlauf-GIühofen mit mindestens einer Behandlungszone, bei vorgegebener Verweilzeit des Behandlungsgutes im Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Heizversuch unter Betriebsbedingungen auf einem Temperaturniveau, ι ο bei dem der Wärmeübergang durch Konvektion und vernachlässigbarem Strahlungsanteil erfolgt, sowie ein zweiter Heizversuch unter Betriebsbedingungen auf einem Temperaturniveau, bei dem der Wärmeübergang durch Konvektion und durch Strahlung ι-5 erfolgt, durchgeführt werden, daß durch Vergleich der Ergebnisse der beiden Heizversuche die Parameter des Strahlungs- und des konvektiven Wärmeübergangs bestimmt und sodann mit Hilfe einer Näherungsgleichung, welche in Abhängigkeit 2u von der Heizgastemperatur ein Verweifzeitintervall ergibt, die Verweilzeit für einen ersten Wert der Heizgastemperatur berechnet, mit dem vorgegebenen Wert verglichen wird, sodann bei fehlender Übereinstimmung zwischen den beiden Werten der Verweilzeit, diese jeweils für einen neuen, von dem vorhergehenden Wert der Heizgastemperatur abweichenden Heizgastemperaturwert berechnet wird, bis bei Übereinstimmung der jeweiligen Verweilzeitwerte die erforderliche Heizgastemperatür ermittelt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Verweilzeitwerte durch Analogintegration erfolgt.

3. Vorrichtung zum automatischen Bestimmen der y, Heizgastemperatur in einem direkt beheizten Durchlauf-GIühofen mit mindestens einer Behandlungszone, bei vorgegebener Verweilzeit des Behandlungsgutes im Ofen, nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie -w eine Analog-Recheneinheit (100) aufweist, in welcher nach Eingabe von durch Heizversuche ermittelten Parametern und nach Eingabe eines ersten Wertes für die Heizgastemperatur ein Wert für die Verweilzeit in einer Behandlungszone berechenbar 4> ist, und welche eingangsseitig mit Rechengliedern (100, 102, 103) für die Eingabe von in Abhängigkeit von der jeweiligen Behandlungszone (4,5) veränderten Parametern sowie ausgangsseitig mit einem den berechneten (t_c) mit dem vorgegebenen Wert (V) ^r>i> der Verweilzeit vergleichenden Komparator (116) verbunden ist, und daß an den Ausgang des Komparator (116) ein Schrittschaltglied (UOb) angeschlossen ist, durch welches jeweils ein neuer, von dem vorhergehenden Wert abweichender Heizgastemperaturwert in die Analog-Recheneinrichtung (100) eingebbar ist und bei einer Abweichung zwischen den beiden Werten über ein Steuerglied (117) ein neuer Rechenschritt auslösbar ist. bo

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die schrittweise Berechnung der Temperaturwerte steuernde Schrittschaltwerk (110) ein durch einen Schrittmotor (UOb) betätigtes Potentiometer (110a,) aufweist und daß der Ausgang der Analog-Recheneinheit (100) durch einen Taktgeber (H) taktweise mit einem die berechneten Temperaturänderungen aufsummierenden, als Speicher ausgebildeten Summator (114) verbunden wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Ausgangsspannung des Summators (114) auf einen Komparator (116) übertragen wird, durch welchen die vorgegebene Durchlaufgeschwindigkeit der Ofencharge bei der Berechnung der Temperaturwerte berücksichtigt wird.