DE2536621C2

DE2536621C2 - Induktive Erwärmung von Stahlrohren

Info

Publication number: DE2536621C2
Application number: DE2536621A
Authority: DE
Inventors: Hajime Kisarazu Chiba Nakasugi; Katsuhiko Kimitsu Chiba Narihara; Masanobu Kimitsu Chiba Yamaguchi
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1975-08-16
Filing date: 1975-08-16
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DE2536621A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur induktiven Erwärmung von Stahlrohren, wonach das Stahlrohr in axialer Richtung derart durch eine Induktionsspule hindurchbewegt wird, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Rohrende und einem Mittelteil des Rohres unterhalb eines Wertes von 20⁰C gehalten wird.

Hierzu wird das Stahlrohr durch einen Induktionsofen hindurchgeschoben. Dabei benötigt man für eine befriedigende Erwärmung ein Durchwärmen bzw. Ausgleichen des Stahlrohres in Längsrichtung.

Für einen Wärmeausgleich des Stahlrohres in Längsrichtung erweist sich die Temperaturdifferenz zwischen dem Mittelteil und dem Endteil des Stahlrohres als ein Problem. Wenn die Wärmebehandlung zum Härten und Anlassen durchgeführt wird, wird die Temperatur des Rohrendes nicht innerhalb der vorgeschriebenen Temperaturdifferenz gegenüber dem Mittelbereich des Stahlrohres gehalten. Infolgedessen kann man keine zufriedenstellende Wärmebehandlung durchführen und es stellen sich nachteilige Einflüsse ein, so daß die gewünschten Eigenschaften des Werkstoffes und die Formbeständigkeit im Bereich des Rohrendes nicht gegeben sind.

Die Temperaturdifferenz zwischen dem Mittelbereich und dem Rohrende beruht auf der unterschiedlichen Wärmestrahlung des Rohrendes gegenüber dem Mittelteil sowie auf dem durch den Wärmefluß bedingten Temperaturgradienten. Zur Verringerung der Temperaturdifferenz gibt es bereits zahlreiche Vorschläge, wie Zusatzerwärmung unter Verwendung einer zusätzlichen Heizeinrichtung, eine kontinuierliche Arbeitsweise, eine Arbeitsweise mit einer Ausgleichszone und eine Arbeitsweise mit Regelung der elektrischen Leistung. Jede dieser im folgenden aufgeführten Arbeitsweisen hat spezielle Probleme, so daß keine dieser Arbeitswiesen als wirksam zur Lösung der angegebenen Schwierigkeiten angesehen werden kann:

a) Zusatzheizung: Hier erfolgt eine Zusatzheizung des in der Temperatur abgesunkenen Rohrendes vor oder nach dem Durchgang durch eine Hauptheizung. Die Bedingungen der Hauptheizung müssen jedoch sehr genau auf die Zusatzheizung abgestimmt sein. Man benötigt · komplizierte Regeleinrichtungen, wenn man reproduzierbare Arbeitsbedingungen erhalten wiil.

b) Kontinuierliche Arbeitsweise: Eine kontinuierliche Erwärmung des Stirnendes und des Hinterendes der stumpf aneinanderstoßenden Rohre wird durch Unterschiede in den Abmessungen der Rohrenden sowie durch eine mangelnde Geradlinigkeit der Rohrachse erschwert. Die Stirnflächen der stumpf

ίο aneinanderstoßenden Rohre können nicht bündig

miteinander in Anlage gebracht werden. Nach einem ähnlichen Vorschlag wird an das Stirnende und an das Hinterende jedes Rohres ein Blindstück angefügt. Nachteilig ist der Verlust des Blindstückes. Die Wirtschaftlichkeit und der Durchsatz des Verfahrens werden stark beeinträchtigt.

c) Ausgleichszone: Dieses Verfahren wird normalerweise in einem üblichen Heizofen angewandt. Doch in einem Induktionsofen, der innerhalb des Stahls innere Wärme erzeugt, ist eine gesonderte indirekte Heizeinrichtung etwa mit Gasbrennern erforderlich. Dadurch kann die Charakteristik des Verfahrens verschlechtert werden.

d) Regelung der elektrischen Leistung: Die Temperatür in der Nähe des Rohres wird während der Erhitzung gemessen. Aufgrund von Temperaturänderungen erfolgt eine Regelung der elektrischen Leistungszufuhr, so daß diese Temperaturänderungen kompensiert werden. Infolge der notwendigen komplizierten Regeleinrichtungen und Steuergeräte ist dieses Verfahren relativ unwirtschaftlich.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur induktiven Erwärmung von Stahlrohren, das in einfacher Weise und in großem Maßstab ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden kann und eine gleichförmige Erwärmung längs der Rohrachse sicherstellt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Bewegungsgeschwind'gkeit ν des Rohres mit der Wandstärke dentsprechend der elektrischen Leistung nach der folgenden Beziehung festgelegt wird:

v>k-T-\/d

wobei A- eine betriebsbedingte Konstante und T die Temperatur ist, auf die das Rohr ei wärmt werden soll. Die Erfindung ermöglicht eine gleichförmige Erwärmung des Stahlrohres in Längsrichtung, so daß die Eigenschaften des Werkstoffes und die Form des Rohrendes verbessert werden können. Die Erfindung kann an jedem bereits bestehenden Induktionsofen ohne Schwierigkeiten zum Einsatz kommen. Die erfindungsgemäße Durchführung erfordert nur geringe Investitionskosten und ist mit geringen Betriebskosten verbunden.
Die Erfindung bringt eine Verkürzung der Aufheizdauer. Infolgedessen kann der Wirkungsgrad der Einrichtung vergrößert werden.

Ausfuhrungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert,' in denen darstellen:

Fig. 1 ein Schaubild der Temperaturänderung im Bereich des Rohrendes in axialer Richtung,

Fig. 2 ein Schaubild für die Beziehung zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit des Rohres und der Länge des Endabschnitts mit verringerter Temperatur.

Fig. 3 ein Schaubild der Beziehung zwischen der AuF-heiztemperatur und der Oberflächenabsorptionsdichte für die elektromagnetische Energie,

'fit It-

Fig. 4 ein Schaubild der Beziehung zwischen der Oberflächenabsorptionsdichte für die elektromagnetische Energie und der Länge des unbrauchbaren Rohrendes und

Fi g. 5 ein Schaubild der Beziehung zwischen der Aufheiztemperatur, der Oberflächenabsoiptionsdichte für die elektromagnetische Energie und der Wandstärke des Rohres.

Nähere Untersuchungen zeigen, daß die Tcmperaiurdifferenz zwischen dem Mittelbereich des Stahlrohres und dem Rohrende sehr stark durch die Aufheizdauer beeinflußt wird. Aufgrund zahlreicher Untersuchungen hat sich eine Verkürzung der Aufheizdauer und die Anwendung der im folgenden erläuterten Behandlungsbedingungen zur Herabsetzung der Temperaturdifferenz als vorteilhaft erwiesen. Im Rahmen der Erfindung sind die optimalen Arbeitsbedingungen herausgestellt, die eine Verkürzung der Aufheizdauer möglich machen.

Die Erfindung ist anhand der induktiven Erwärmung von Stahlrohren mit großem Durchmesser, z. B. Außendurchmesser 750 mm, beschrieben.

Der Norraalwert der Temperaturdifferenz Δ Τ beträgt nach Tabelle 1 40 bis 80⁰C; auch größere Werte sind nicht ungewöhnlich. Aufgrund der durchgeführten Abschätzungen hinsichtlich einer merklichen Qualitätsverschlechterung der Erzeugnisse hat sich ergeben, daß die noch zulässige Temperaturdifferenz, bei der keine Nachteile in der praktischen Anwendung auftreten, einen Wert von etwa ΔΤ' = 2O⁰C hat. Wenn die Temperaturdifferenz diesen Bereich ΔΤ gemäß Fig. 1 übersteigt, muß ein Abschnitt /, am Rohrende, der einen stärkeren Temperaturabfall aufweist, ausgeschieden werden.

Diese Temperaturdifferenz Δ Τ schwankt in Abhängigkeit von der Aufheizdauer, der Aufheiztemperatur und der Wandstärke des Stahlrohres. Die Aufheizdauer hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit des Stahlrohres und der Länge der Induktionsspule ab.

Untersuchungen ergaben, daß die Länge /, des Rohrendes, innerhalb der die zulässige Temperaturdifferenz ΔT überschritten wurde, nach Fig. 2 entsprechend der \o Zunahme der Bewegungsgeschwindigkeit ν des Stahlrohres kleiner wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit v₀ des Stahlrohres, bei der die Länge /, dem Doppelten der Wandstärke i/des Stahlrohres entspricht, ergibt sich aufgrund entsprechender Versuche aus der Differenztemperatur ΔΤ, den Erregungsbedingungen der Induktionsspule und den Abmessungen des Stahlrohres.

Wenn dann die bis zum Erreichen der Autheiztemperatur von dem Stahlrohr aufgenommene Wärmemenge unabhängig von den Erregungsbedingungen der Induktionsspule als spezifische Wärmemenge bestimmt wird und wenn dabei die Erregungsbedingungen der Induktionsspule konstant gehalten werden, ergibt sich die pro Zeiteinheit und Fläche absorbierte Wärmemenge — also die Oberflächenabsorptionsdichte P für die elektromagnetische Energie — als proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit ν des Stahlrohres. Es gilt also v = AP, mit k als einer Konstanten. Damit auch bei zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit 1; die von dem Stahlrohr aufgenommene Wärmemenge gleichbleibt, muß die Oberflächenabsorptionsdichte P entsprechend heraufgesetzt werden. Wenn also die Abmessungen der Induktionsspule konstant gehalten werden, kann die Bewegungsgeschwindigkeit υ durch die Oberflächenabsorptionsdichte P ausgedrückt werden.

Wenn die Wandstärke konstant gehalten wird, ergibt sich zwischen der Oberflächenabsorptionsdichte P (W/cm²) und der Aufheiztemperatur TfC) eine im wesentliche lineare Beziehung. Diese Beziehung für ein Rohr mit einer Wandstärke d von 12,7 mm und einem Außendurchmesser D von 762 mm ist in Fig. 3 dargestellt. Die V-Meßpunkte gelten für eine Länge /, des Endabschnitts gleich oder kleiner der doppelten Wandstärke d, die '·'-Meßpunkte gelten für Aufheizbedingungen mit einer Länge I₁ größer als Id. Der in Fig. 3 dargestellte Grenzwert der Oberflächenabsorptionsgrenzdichte P₀ grenzt diese Bereiche linear ao, wobei Zustände oberhalb der Grenzgeraden ein Ergebnis im Sinne der Zielsetzung der Erfindung sicherstellen.

Diese Versuche werden in einem Wandstärken bereich von 6 bis 40 mm, einem Rohrdurchmesser von 500 bis 1400 mm und einer Aufheiztemperatur im Bereich von 300 bis 950°C durchgeführt. Die bereits genannten Einflußgiößen wie Aufheizdauer, Aufheiztemperatur und Wandstärke werden jeweils in Abhängigkeit von der Oberflächenabsorptionsdichie untersucht und als unabhängige Einflußgrößen benutzt. Die Analyse wird darauf angelegt, daß der jeweilige Einfluß auf die Temperaturdifferenz erfaßt wird. Insgesamt zeigt sich, daß man die Oberflächenabsorptionsdichte P durch die elektrische Leistungsdichte E ausdrücken kann. Wenn also der Wert für die Oberflächeneinheit des Stahlrohres als Maß für die elektrische Leistungsdichte benutzt wird, ergibt sich die Aufheizdauer proportional der Aufheiztemperatur und der Wandstärke sowie umgekehrt proportional zu der elektrischen Erregungsleistung. Man kann also die Beziehung der elektrischen Leistungsdichte zu der Aufheiztemperatur und der Wandstärke so regeln, daß die Temperautrdifferenz Δ T am Rohrende herabgesetzt wird. Ein Beispiel für diesen Zusammenhang ist in Fig. 4 angegeben.

Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen Aufheiztemperatur, Wandstärke und OberflächenabEorptionsdichte. Man erkennt den Grenzwert P₀ der Oberflächenabsorptionsdichte, der zur Aufrechterhaltung der Temperatur am Rohrende innerhalb eines solchen Differenzbereiches Δ T erforderlich ist, der im praktischen Betrieb keine Schwierigkeiten bringt. Dieser aus Fig. 5 entnehmbare Grenzwert der Mindestoberflächenabsorptionsdichte P₀ (W/cm²) hängt nämlich mit der Aufheiztemperatur T(⁰C) und der Wandstärke (/(mm) folgendermaßen zusammen:

P.-TVd

Zur Herabsetzung der Temperaturabweichungen am Rohrende muß man die Oberflächenabsorptionsdichte P auf einen Wert oberhalb des Grenzwertes P₀ festsetzen (vgl. Fig. 3). Es muß also die nachstehende Relation für die Oberflächenabsorptionsdichte erfüllt sein:

Da, wie oben ausgeführt, ein linearer Zusammenhang zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit ν und der Oberflächenabsorptionsdichte P besteht, erhält man die erfindungsgemäße Maßgabe für die Bewegungsgeschwindigkeit v, die von der Wandstärke d des Rohres und der Aufheiztemperatur Γ folgendermaßen abhängt;

v>k-T-]/d,

wobei k eine betriebsbedingte Konstante ist.

Damit die Zielsetzung der Erfindung erreicht wird, muß man in erster Linie auf die Einstellung der Betriebsgrößen nach dieser empirischen Formel achten, vor allem darauf, daß der Induktionsofen die Einhai-

tung dieser Formel ermöglicht. Die effektive Länge L der Induktionsspule muß der Beziehung

^L-n~DP_o

genügen, wobei E die Leistungsdichte und D den Rohraußendurchmesser bezeichnen. Die effektive Länge der Spule liegt normalerweise zwischen 1 und 5 m. Im Betrieb müssen die Arbeitsbedingungen konstant eingehalten werden, die eine Oberflächenabsorptionsdichte für die elektromagnetische Energie innerhalb des Bereichs der obigen Formel sicherstellen. Die von dem Rohr absorbierte elektrische Leistung £muß E^nDLF₀ sein. Diese Arbeitsbedingungen müssen vor Betriebsbeginn bestimmt werden.

Die Obergrenze der Oberflächenabsorptionsdichte P liegt etwa bei 150 W/cm², wenn die Induktionserwärmung mit der üblichen elektrischen Netzleistung einer Niederfrequenz von etwa 50 bis 60 Hz durchgeführt wird. Wenn die Aufheizdauer durch die Länge der Induktionsspule und die Oberflächenabsorptionsdichte bestimmt wird, soll die Auslegung und Dimensionierung der Heizeinrichtung so getroffen werden, daß die Heizdauer, die für eine bestimmte Güte des Erzeugnisses erforderlich ist. zwischen 2 und 10 min, vorzugsweise zwischen 3 und 5 min liegt.

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse von Vergleichsmessungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach herkömmlichen Verfahren.

Die Erfindung bringt zahlreiche Vorteile, so daß man eine befriedigende Aufheizwirkung allein durch Auswahl der Oberfiächenabsorptionsdichte für die elektrische Energie gemäß der obigen Formel erhalten kann. Die aufgrund der induktiven Erwärmung erzielbare schnelle Erwärmung führt nicht zu Störungen. Es ist keine umfangreiche Regeleinrichtung notwendig.

Tabelle 1

herkömmt.Technik Erfindung

Heizofen:

Spulenleistung (kW) 2000 2000 20000 2000 2000 effektive

Länge (mm) 830 830 830 830 600

Spulengröße entspr. einem Rohr mit 750 mm

Außendurchmesser

Wärmegut:

Form Stahlrohr

Außendurchmesser D (mm) 762 762 762 762 762

Wandstärke i/(mm) 9,6 9,6 9.6 9,6 9,6

Aufheiztemperatur 7"(⁰C) 650 650 650 650 650 Bewegungsgeschw. ν

(m/min) 0,5 0,7 0,9 1.2 0,8

Mindestoberflächenabsorptions-

dichte/yW/cm²) 50 50 50 50 70

gemessene Ober-

flächenabsorptions-

dichte/MW/cm²) 30 41 54 77 138

Temperatur-

Oi(LATCC) 80 40 18 10 8

Bewertung schlecht schlecht gut gut gut

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur induktiven Erwärmung von Stahlrohren, wonach das Stahlrohr in axialer Richtung derart durch eine Induktionsspule hindurchbewegt wird, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Rohrende und einem Mittelteil des Rohres unterhalb eines Wertes von 20⁰C gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit ν des Rohres mit der Wandstärke d entsprechend der elektrischen Leistung nach der folgenden Beziehung festgelegt wird:

v>k-T-\/d

wobei A- eine betriebsbedingte Konstante und T die Temperatur ist, auf die das Rohr erwärmt werden soll.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenabsorptionsdichte P für die elektromagnetische Energie unterhalb 150 W/cm² gehalten wird.