DE2311616C3

DE2311616C3 - Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Bestimmen der Heizgastemperatur in einem Durchlauf-Glühofen

Info

Publication number: DE2311616C3
Application number: DE2311616A
Authority: DE
Inventors: Guy Bau-Saint-Martin Sartorius (Frankreich)
Original assignee: ACIERS FINS DE L'EST BILLANCOURT HAUTS DE SEINE (FRANKREICH) Ste
Current assignee: ACIERS FINS DE L'EST BILLANCOURT HAUTS DE SEINE (FRANKREICH) Ste
Priority date: 1972-03-09
Filing date: 1973-03-09
Publication date: 1978-10-05
Also published as: JPS48102710A; JPS5752518B2; US3879603A; DE2311616A1; FR2174748B1; FR2174748A1; DE2311616B2; IT978704B; GB1429945A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Bestimmen der Heizgastemperatur in einem

π direkt beheizten Durchlauf-Glühofen mit mindestens eii:er Behandlungszone, bei vorgegebener Verweilzeit des Behandlungsgutes im Ofen, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Ein solches Verfahren wird bei der Herstellung von

jo 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

υ 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.

«ι 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

ti bestimmter, auf den jeweiligen Fall zugeschnittener Glühtechniken erreichen. Dabei muß auch die Oberflächenenlkohltng in engen Grenzen gehalten werden. Die von dem jeweiligen Werkstoff im Einzelfall zu erfüllenden Güteforderungen sind dem Fachmann

w bekannt. Sie zu erfüllen wird auch dvznh den Wunsch nach immer kürzeren Fertigungszeiten erschwert.

Es sind direkt beheizte Durchlauf-Glühöfen bekannt, bei denen die Wärmebehandlung dadurch gesteuert wird, daß die Temperatur der umgewälzten Heizgase

Γι 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 Wärmebehand-

-,it lungsarten erfordert aber sehr unterschiedliche Durchlaufgeschwindigkeiten durch den Ofen. Die empirische Einstellung des Reglers führt dabei zu Schwierigkeiten, die insbesondere bei modernen Durchlauf-Glühofen mit intensiv wirkenden Wärmetauscheinrichtungen und mit

>. einer Folge von untereinander unabhängiger Behandlungszonen ins Gewicht fallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bchandlungslcinpcratur im Ofen schnell und genau einzustellen und dabei insbesondere beim Abkühlen des

mi Uchandlungsgutes eine genaue TemperalurfUhrung /ti erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster llcizversuch unter Betriebsbedingungen iiiif einem Tcnipcruliirniveaii, bei dem der Würmeüber-

h\ gang durch Konvektion und vernaehlUssigbarem Slruhlungsantcil erfolgt, sow ie ein zweiler llci/versuch unter Betriebsbedingungen uif einem Temperuliirniveaii, bei dein der Wdrnici)bcrg..ng 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 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 Weritn der Verweilzeit diese jeweils für einen neuen, von dem vorhergehenden Wert der Heizgastemperalur abweichenden Heizgastemperaturwert berechnet wird, bis bei Übereinstimmung der jeweiligen Verweilzeitwerte die erforderliche Heizgastemperatur ermittelt ist. Zweckmäßigerweise erfolgt dabei die Berechnung der Verweilzeitwerie durch Analogintegration.

Eine Vorrichtung zum automatischen Bestimmen der Heizgastemperatur in einem direkt beheizten Durchlaß-Glühofen mit mindestens einer Behandlungszone, bei 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 Abhängigkeil von der jeweiligen Behandlungszone 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 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 sine sehr schnelle Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen ermöglicht. Die zum Erreichen einer gewünschten 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 durchzurührenden Vergleichs-Heiz. versuche automatisch berücksichtigt, wobei in der Regel zwei Versuche genügen. Demgegenüber sind bei den bekannten Verfahren zur Temperaturregelung in Durchlauföfen jeweils umfangreiche Versuchsserien 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 anhand eines Ausführungsbeispicls für den Anwendungsfall einer schnellen Abkühlung in einem Durchlauf-GKlhofen mit direkter Heizung und Strahlungsgewölbc entsprechend den Zeichnungen. Ms zeigt

F i g. I einen schumalischcn Längsschnitt durch einen Ofen im Bereich voii /wei Zonen,

Fig. 2 einen schcmatischcn Querschnitt durch ilen Ofen mit den Kfihlkrcisliiiiiui,

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 erforderlieh, deren mathematische Lösung θ (ι) nicht ausgedrückt werden kann:

d H[RU-)), C[H)] = ''''' ν ic

PH

UiR.
(I)

worin dfcdie Zeit bedeutet, um allein durch Konvektion die Temperatur um dö abzusenken unser dem F.influU eines Konvektionsgradicnten

OH

(2)

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

OtR

^B-C

(3)

In den Gleichungen haben die Buchstaben die folgende Bedeutung:

B: 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 di entsprechend einer Abkühlung dö durchlaufenden Produkte.

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

Entweder verändert man die Gaseinblaslemperatur T, wobei man die Anfangstemperatur θο der Ofenladung kennt und einen Betriebsablauf festzulegen versucht, in dem die vorgegebene Endlemperatur der Ofencharge BF is» Diese Formel ergibt eine Temperatur: Bc = f((F), worin lF die Verweildauer und Bc die Endtemperatur der O^nladung ist und durch wiederholte Abtastungen B der Endtemperatur der Ladung auf den vorgegebenen Wert BF einjustiert wird, wenn Γ verändert wird. Oder man ändert die Gaseinblastemperatur Tund versucht einen Betriebsablauf festzulegen, in dem die Verweilzeit lF ist. Die Formel ergibt für eine verschiedene ProduktionsKCSchwindiskeit V ein? berechnete Verweilzeit te = g(B F), worin (■){■' die Endtemperatur der Ofenladung ist und if 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.

23 1 1 bib

Der Rechner erhält die Anfangstemperatur Bn und die Kndtcmperalur β/der Produkte, die Oaseinblastemperatiir 7'und die vorgegebene Verweil/eit f/-~ zugeführt. Andererseits ermittelt der Analogrechner durch Summicning die Verweil/eil Ic, vergleicht diese Verweil/eil mit der vorgegebenen Zeil If'. um durch Iteration eine Naebregeliing der Temperatur T/.u erreichen.

In Abhängigkeit von der durch Strahlung und Konvektion zeitlich abgeführten (iesamtwärmemenge hai man durch graphische Annäherung eine lormel für die Wärmeausiauschvorgänge wie folgt aufgestellt:

I ''

1 ι /1

/ ι IUir' /Ί

won π I / die ! k'"i ut.irv crandemng der \ erw eil/eil .1β die I I¹IiIjHTJ!■■· änderung des l'roihiktes. H die in der Rechenstiifc bcrin.ksichtigte Temperatur und die anderen /eu hen mit den Bedeutungen in den obengenannten I Ot mein (2) und (3) ii her einst ι mm en.

Nachfolgend smd mögliche Organisationsfomien eine- Hei liner¹- /ur Hcrechniing der Formel (4) bi-sthiielu'n und wie eine Siimmiening und ein Virtleuli der Resultate durchgefuhri werden kann Ls isi notwendig, die l'rodukttcmpcraturen /wischen zwei fc-ten (lien/en H. und Hl'/u /erlegen und die Resultate .W .in' Ausgang der Analogorgane /u summieren. Diese Sti'iiii'i·,τ ¹IHf; kann mil I lilfe der erforderlichen !Jemen ie M;i!enw eise oder kontinuierlich dun.hgeluhrt w erden. Darüber liinai:~ wird aueh die dem Produkt im Ο!ι·π .ιίΓυυι,ΊΡ'η¹. (iesi hwtndigkcit herucksichtigt. d;> die ι.ίηΙ^ίΙ'ιγ^ \':'l"!^!:jlls/eil als Rc/iigswert diem und Jn H' K '■ ί ν ,tn.il't'l miteinander verknüpf! sind.

M.i' ■■ ''1'VH nunmehr die aus der Konstruktion des Of₁. rs. ,ι·,¹ .ic;- Si₁Ii das beschriebene Ausfuhrung-bc -pie; :-r-.'^;'.'^;".·. ■.!>■ gegebenen natürlichen Bedingungen. I !tu (i':.i-!-thjiu:^:',rig um Siangenmaterial erfolg; in ■.■■neu: ^(|f:" ■.·■!■ .!em ein Abschnitt schcma'isch in I : t i geze.g· -: Der Ofen umfaßt mehrere abgegrenzte /."!■"," -im .:.(■.ή,inderfolgende Aufhei/.ungen und •VhkuH-ini'en ; ir·. Ivufuhren. wie sie weiter oben be«·.· !ir'cb·.-". w.--di sind Von der rechten Seile air- in hei 'Ardeii.e .ri'-stangen bestehende Schicht I in die ■ir hi i.v/1 gier: /oiier· --iiigefuhrt und läuft auf Rollen 2 (1 ' g 2) w..-;cr naeh links

Du- I !Verteilung des Ofens m Zonen ist durch die ·.ersi hiedener vorgesehenen Arbcits/vklen bestimmt, um die erforderlichen Temperatur- und Zeitbedingun gen erfüllen zu können Der Abschnitt 3 in 1 ι g. 1 tjmfaLit m Wirklichkeit drei Hei/zonen /um Aufheizen und zur Tempcraturhaluing mit der Möglichkeit einer Warmbehandlung bis yu HOC) C. Der mittlere Abschnitt in fig. 1 zeigt zwei Schnellkühlzonen 4, 5 mit weiter unten beschriebener orthogonaler Konvektion. Auf dem anschließenden Weg der .Stangenschicht J befinden sich mehrere Zonen zum Temperaturhalten 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 Ausführungsbeispiel auf eine Anwendung der Zonen 4 und 5 als Schnellkühlung mit einer Unterbrechung beschränkt, obwohl sie in bestimmten anderen Fällen auch als Heizzonen mit nicht gezeigten Luft- und Gaserhitzern arbeiten können. Die Temperaturregelung der Schncllkühlung wird indirekt durch die Gasumwälzung entsprechend F- i g. 2 erreicht.

Die gleichmäßige homogene Abkühlung der Ofen charge < über die gesamte Länge des Ofens wird durch Rohre 7 a. Tb gesichert, die senkrecht oberhalb bzw unterhalb der Rollen 2 angeordnet sind, welche die Stiingcnschicht 1 unterstützen. Die Rohre 7a und Ti enthalten Offnungen 8. um die Slangensehichl mit der Kühlgasen zu beaufschlagen, die aus den Rohrleitunger 9.1. 9b kommen, welche kräftigen Gebläsen 10a. 10/ angeschlossen sind. Die Gebläse saugen über die Leitungen IL/. II/¹ in die Wärmetaiischei 12;/. 12/ieti konstantes Gaswiliimcn. Die W arme ta use her enthaltei in bekannter Weise mctallisinc Rohrbündel in /we nullt miteinander in Verbindung stehenden paralleler \ olumen entsprechend den beiden am Wärmeaustausch beteiligten StiomiingsiiK-dien. so dall sich eine nahen Beschreibung erübrigt. Der Kieisl.iuf der Umwiil/gast ILi. ll/i wird durch die Ansaugleitungen 13./. 13/ /wischen dem Ofen und den Wärmetauschern veruill standigt. Zwei weitere leistungsfähige Gebläse 14a. 14/ für äußere Kaltluft blasen diese über die Kanäle 15./. Ii/ durch die Wärmetauschei 12.) b/w. l2/> und von dor liber die Kanäle 16,/. lh/' ziiruik in die Atmosphäre Langs des Verlaufes der Kanäle Ii;/. 15Λ «-ine Regelventile 17,/ bzw 17/' angeordnet, die durcl Veränderung der Öffnung einer Liiilaßklappe 11 steuerbar "ind

(ieinaB I ι g. 1 haben die beulen Ofen/onen 4 und ' die gleiche Lange und sind dun h einen iinbeaufsihl.ig ι en \bschnitt 19 voneinander gen en η I. der hier als »lot t /otv.·" heze'chnel ist In diesel /one beginnt mit eine reu'ssen \ei/ogerung die ( lefiigeumw andlung de Metalls. In schematicher Da'-teilung sind Abschirmun gen 20 angedeutet, die eine gewisse Abdichtung tie /onen 4 und 5 gew ährleisten

Bezeichnet man mit /die lemperatur der in dii Wärmeaustauscher eingeblasenen Umwälzmenge de (iases. so erfolgt die Regelung, indem nan auf eine Regeleinrichtung einen Wert einstellt, der die erwünsch te Kühlung der Ofencharge in Abhängigkeit von ihre Masse und Geschwindigkeit herbeiführt. Die letzten l.iiilluügroße ist durch die weiteren metallurgische! Behandlungshedingungcn vorgegeben, insbcsonden ilen /eitabsatz ν or oder nach den Schncllkühlzoncn. Dii Regelung erfolgt durch zyklische Steuerimpulse für dii Zufuhr von kalter Luft über die Schieber 18.

Zur Aufstellung der oben angegebenen Gleichung (4 w erden zunächst zw ei Versuche durchgeführt. Im erste! IaI' gehen die Rückkuhltcmpcraturcn von 850' bi 850 ( . Wenn man eine Temperatur von 450'C für ia Linblasmcdium zuläßt, befindet sich der Ofen in de Zone 5 auf einer minieren Temperatur von 6(XTC. Dii au;, den Öffnungen 8 der Rohre 7a. Tb austretende! Gase umstreichen die Stangen, kühlen sich außerhall der Rohre 7a. Tb ab und kommen an die Wandungen um die Gewölbe der Zonen, von wo sie abgesaugt werden Aufgrund der starken Konvektion kann man dii Gewölbe und die Wände praktisch auf der mittlerei Temperatur belassen, so daß sich sämtliche Austausch vorgänge auf eine äquivalente Konvektion zurückfüh rer lassen.

In einem zweiten Fall der Abkühlung von 1050 bi 650° ist der Wärmeaustausch durch Strahlung propor tional viel stärker als im vorangehenden Fall, obwoh der Konvektionsantei! nicht verp.achlässigbar ist. Dii Anteile der Strahlung und Konvektion und dii Parameter A (Z), B und C (Θ) lassen sich leich

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 Rechnet 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 R(V⁴-/*) die Strahlung. Der Rechner behandelt nun nach und nach die Stufungen der Abkühlzcit At (B) für die elementaren Tempcraturintcrvalle

I H ■=

(->„ - Hl-

worin H₁₁ die Anfangstemperatur des Produktes. Θ A"die 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 IJrsprungsgeschwindigkeii ν und ein vorgeschlagenes T geeichte Verweilzeit //-'ergibt, läßt sich leicht die Verweilzeit /'/·' für eine andere Geschwindigkeit v'berechnen.

Tatsächlich besteht bezüglich eines theoretischen Wertes (/·", der aus einer im Versuch festgelegten Geschwindigkeit ν resultiert, die geometrische Beziehung der Zoncnlänge:

ti = il·

Γ Ι .

wobei der Rechner eine Folge von Untersuchungen mit geänderten Gastemperaturen T' durchführt, die von T verschieden sind, bis die Vcrweilzeit te = f'Fgefunden 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-BF)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 Analog- t funktionserzeuger; 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 Wer! C(B) des t 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 24b an den Ausgang des Rechenelementes 107 angeschlossen ist und die Funktion A (Z) ■ (B- T)der Gleichung (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 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 B und T und ist dementsprechend über die Leitungen 38 und 29 an das Potentiometer 1096. das die Temperaturen von θ,, 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 Rechenelcmentc erkennt man nunmehr die veränderlichen Eingangsgrößen. 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 1096, dessen Schleifkontakt 34 mit Hilfe eines Motors 109c verschoben wird, wobei der Motor durch Impulse eines Taktgebers Fgesteuert wird.

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

worin Mund Ndie Koeffizienten sind. Die Eichung von Γ erfolgt von dem ersten Versuchslauf aus, der für eine Abweichung von der Temperatur θ₀ die Werte A/CO und 3/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

7 - KT + /.. (9)

worin K und /. die Koeffizienten sind.

23 Π 616

ιο

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 Stellen müssen somit die Regetorgane 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 Welle von Kurvenscheiben 111, 112 und 113, die zur Betätigung von Mikrosehaltern 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

ι a-J gi.avi*.i\. iwruuiMi. im iiii «.i i\uui.icigi. uiy«,i ium vii. liiii 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 Uund über eine Leitung 41 an eine Klemme e des Motors 110b angeschlossen ist, der noch durch weitere Steuerungen beeinflußt wird. Andererseits unterbricht die Kurvenscheibe 113 beim öffnen des Kontaktes 113t einen Stromkreis, der über die Leitung 42 an den Ausgang des Moduls 103 für die Temperaturkorrektur der Zonen geführt ist und über 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 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 11: steuert über den Kontakt lila einen Schaltkreis 45 mit der Wicklungeines 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 R* 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 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 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 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 Rt angeschlossen, das unter der Wirkung des Kontaktes 113a der Steuerkurve 113 für die tote Zone zwischen einem Potentiometerwert U und U umschalten kann. Die Werte U und L·, 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 Wi des Taktgebers Wunterbfochen 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 fund über einen zweiten Zweig 56 an eine Komparatoreinheit 115.

A nc C ί η 1 _ΛηΙ,| η,,ί)ηι·Ίηηι L> *τ *-■··-*·- «-Ιοίϊ rtrf Cn-jfi Hkhi.

/IUJ ι t g> >y gvni UUVLiUbIIi iili TUi₁ uuu uvi t_r«.i ii iitniw

tor 110b 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 f< und f₂ die Drehrichtung des Motors bestimmen. Die Motorzuleitungen 57 und 58 für die Drehrichtungen kommen aus einem Steuerrelais 117.

Gemäß Fig. 5 ist das in Fig. 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 f'-enjenigen entsprechen, die in dem Summator 114 angesammelt sind. Gemäß Fig.5 sind ein erster Stufenverlauf im Zeitraum ΑΊ entsprechend der Zone 4 sichtbar, anschließend sein Überquerungsabschnitt X₂ während der Zeit W des Durchlaufes der toten Zone und ein zweiter Stufenverlauf Xj entsprechend der Zone 5 eingetragen.

Es ist auch eine kontinuierliche Summenbildung möglich, wobei der Motor 109 gemäß Fig.4 dann ein Synchronmotor ist und das Rechenelement 114 aus einem Integrator besteht. Im Aufzeichnungsgerät erscheint ein Kurvenverlauf Y_t, V₂ 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 K entsprechend einem

Il

Erfahmngswert festgelegt wird. Dieser Abgriff der Anaiogspannung ist an einen Eingang 62 eines Komparator 116 angelegt, der über einen zweiten Eingang 63 Spannung von einem Regelwiderstand 119 und über einen dritten Eingang 64 Spannung von einem zweiten Regelwidersland 120 zugeführt erhält. Die Potentiometer 119 und 120 geben einen Verweilzeitwert /F mit einem zulässigen größeren oder kleineren Fehler vor. Der Komparator 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 R\ über die Leitung 66 eine Steuerspannung an den Komparator weiiergibt. Der Komparator liefert am Ende des Zyklus drei Signale 67, 68, 69, die in Fig. 3 durch eine einzige Linie 70 Γ^Ι,ηη,η,,ρηΙ, mln^npnnnnUnn r'tnA l~\tr> C *n, wr> «-!#*» ·. tr*rw 7Λ JkllVIIIUtl.ll.ll », IkUkI gkgkLJkll .111IU. LTIk Lj I k U k I I k I t U I Ig fk· wirkt auf das Relais 117, um drei verschiedene Befehle auszulösen. V»enn 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 somit der Motor 1106 um einen Schritt zurücklaufen; ist die Zeit ic 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 110a eingestellt wird, in die Leitung 29 (Fig.3) eingegeben wird und von dort in das Rechenelement 108 für einen neuen Rechenablauf. Da

κι die anderen Parameter unverändert bleiben, kann der Rechner über aufeinanderfolgende Versuchsrechnun gen die erforderliche Temperatur einstellen.

Aus einigen, theoretisch aus nur zwei, Betriebsversuchen bei einer Geschwindigkeit ν findet man erfindungs- > gemäß über eine andere Abkühlung und eine andere Geschwindigkeit die richtige Einblastemperatur für das Umwälzgas, und zwar mit einer Genauigkeit in dir Größenordnung von 3% des Gesamtabkühlbereiches. Als weiteres praktisches Ergebnis kann der Rechner

-■■ UuliCrilk! uCn 1 rGgrüiTiiniCrUMgSlkkllMIIVkr *Α'μιιΓ0μ£| UkT Ofenzyklen entlasten, so daß der Techniker seine Anstrengungen auf die metallurgischen Gefügeuntersuchungen konzentrieren kann, die letztlich die Basis für die Berechnungen ergeben.

y> Der Rechner muß 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-

Mi keilen für 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

r, Festlegung des Sollwertes aus.

llici/ii 4 Ml;ill /cichniinsicn

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zum automatischen Bestimmen der Heizgasternperatur in einem direkt beheizten Durchlauf-Glühofen mit mindestens einer Behandlungszone, bei vorgegebener Verweilzeit des Behandlungsgutes im Ofen, dadurch gekennzeichnet, 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 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.

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

3. Vorrichtung zum automatischen Bestimmen der Heizgastemperatur in einem uirekt beheizten Durchlauf-Glühofen mit mindestens einer Behandlungszorte, bei vorgegebener Verweilzeit des Behandlungsgutes im Ofen, nach dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Analog-Kecheneinheit (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 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 (tfi der Verweilzeit vergleichenden Komparator (116) verbunden ist, und daß an den Ausgang des Knmparators (116) ein Schrittschaltglied (MOb) angeschlossen ist, durch welches jeweils ein neuer, von dem vorhergehenden Wert abweichender Heizgastemperaturwert in die Analog-Recheneinrichiung (100) eingebbar ist und bei einer Abweichung zwischen den beiden Werten über ein Steuerglied (117) ein neuer Kechenschritt auslösbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das die schrittweise Berechnung der Temperatiirwerte steuernde Schrittschaltwerk (HO) ein durch einen Schrittmotor (IiOb) betätigtes l'olcnliomcter (MOa^aufweist und daß der Ausgang der An.ilog-Recheneinheit (100) durch einen Taktgeber (II) lakiweise mit einem die berechneten Temperaiiirilndcrungen aufsuminiercnden. ,ils 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.