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Verfahren und Vorrichtung zur konduktiven Erwärmung
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Die Erfindung betrifft ein VerJ:0iren und eine Vorrichtung zur konduktiven
Erwärmung langgestreckter Werkstücke in Form von Knüppeln, Stangen oder dergl.,
bei dem bzw. der das vom durchfließenden Strom sich erhitzende Werkstück in einer
mit einer Wärmeisolierung ausgekleideten Umhüllung untergebracht ist.
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Bei der unmittelbaren Erwärmung mit direktem Stromdurchgang wird bei
Verwendung von Gleichstrom die Wärme über den gesamten Querschnitt des Werkstückes
erzeugt.
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Bei Wechselstrom verteilt sich allerdings bei größerem Querschnitt
eines kalten oder im Ofen bis auf etwa 7000 C vorgewärmten ferromagnetischen Werkstücks
am Anfang der Strom nicht gleichmäßig über den Querschnitt. Der Strom nimmt zunächst
von der Oberfläche zum Kern hin ab. Im Verlauf der Erwärmung ändern sich dann die
Stoffwerte. Dadurch nimmt die relative Permeabilität ab und erreicht im Curie-Punkt
ihren niedrigsten Wert.
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Gleichzeitig steigt dagegen aber der spezifische Widerstand an.
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Über dem Curie-Punkt wird dann auch eine praktisch gleichmäßige Stromverteilung
erreicht.
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Aus der zunächst unterschiedlichen Stromdichte über dem Querschnitt
ergibt sich, daß unterhalb des Curie-Punktes das Werkstück an seiner Oberfläche
eine höhere Temperatur als im Kern hat.
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Uber dem Curie-Punkt wird das Werkstück vom durchfließenden Strom
dann gleichmäßiger erwärmt.
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Die Gesamtstrahlung eines Körpers ist bekanntlich proportional mit
der vierten Potenz seiner absoluten Temperatur. Daher kühlt sich mit zunehmender
Temperaturhöhe das Werkstück außen immer stärker ab. Beim Erreichen einer Verformungstemperatur
von etwa 12000 C besteht daher im Querschnitt des Werkstückes ein Temperaturgefälle
vom Kern zum Mantel hin.
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Um die Temperaturerniedrigung an der Oberfläche des Werkstückes in
der für die Warmverformung zulässigen Grenze halten zu können, hat man bisher mit
kurzen Aufheizzeiten bei Verwendung entsprechend hoher Ströme gearbeitet, um die
Abstrahlungsverluste so klein als möglich zu halten. Dies erforderte entsprechend
groß dimensionierte, teuere elektrische Anlagen und hatte außerdem eine starke Beanspruchung
der den Strom auf das Werkstück übertragenden Elektroden zur Folge, die bekanntlich
der kritischste Teil einer konduktiven Erwärmungsvorrichtung sind.
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Aus der DT-PS 731 767 ist es bekannt, bei einer Vorrichtung zum elektrischen
Widerstands erhitzen von Metallstangen und Rohren das zu erwärmende Werkstück mit
einem innen mit einem feuerfesten Wärmeschutzmittel ausgekleideten Zylinder zu umgeben,
um die Abstrahlungsverluste des Werkstückes herabzusetzen. Dabei kann der Zylinder
aus zwei parallel zur Werkstück achse schwenkbaren Schalen bestehen, um das Werkstück
unter Verwendung von sich auf- und abwärts bewegenden Fingern von oben in die Erwärmungsvorrichtung
zu bringen und auch wieder aus dieser heraus zu heben. Mit diesem wärmeisolierten
Zylinder läßt sich während des Aufheizens die Abkühlung des Werkstücks an seiner
Oberfläche verlangsamen. In der Praxis ist allerdings die Verwendung einer solchen
Einrichtung bis heute nicht bekannt geworden.
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Aus wirtschaftlichen Gründen strebt man neuerdings an Knüppel, die
mit einer über dem Curie-Punkt liegenden Kerntemperatur bei gleichzeitig stark abgekühlter
Oberfläche aus einer Stranggießanlage kommen, ohne diese weiter abkühlen zu lassen,
anschließend in einer konduktiven Erwärmungsvorrichtung auf Warmverformungstemperatur
zu bringen.
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Beim Erwärmungszustand eines solchen Knüppels spielt es auch keine
Rolle mehr, ob dieser aus einem ferromagnetischen oder unmagnetischen Material besteht,
da ja durch die über dem Curiepunkt liegende Kerntemperatur beim Stromduchgang von
Anfang an über den ganzen Werkstück-Querschnitt eine annähernd gleichmäßige Erwärmung
erfolgt.
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Diese bringt es mit sich, daß der schon auf einer hohen Temperatur
von etwa 8000 C befindliche Kern in einem sehr kurzen Zeitraum auf Verformungstemperatur
erwärmt wird, während in der gleichen Zeit die bedeutend niedriger liegende Temperatur
an der Oberfläche viel langsamer ansteigt, da mit deren Temperaturzunahme die Strahlungsverluste
proportional mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur anwachsen.
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Dies er Temperaturunterschied kann auch nicht, wie Untersuchungen
ergeben haben, durch einen höheren Energieaufwand beim konduktiven Erwärmen bei
gleichzeitiger Verwendung eines mit einem Wärmeschutzmittel versehenen, das Werkstück
umschließenden Zylinder bekannter Art ausgeglichen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
mit dem es möglich ist, ein kaltes oder in beliebiger Weise vorgewärmtes Werkstück
durch Verminderung der Wärmeverluste, die insbesondere durch Strahlung, aber auch
in weit geringerem Umfang durch Konvektion entstehen, in einem dem nachfolgenden
Arbeitsvorgang angepaßten Zeitraum konduktiv auf Warmverformungstemperat zu erhitzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die abstrahlende
Wärmeenergie der Werkstückoberfläche auf diese als Wärmestrahlung zurückgeworfen
und dabei gleichzeitig innerhalb der das Werkstück umschließenden Hülle das strahlungsdurchlässige
Medium auf einer solchen Temperatur gehalten wird, deren Höhe geringfügig über derjenigen
der Werkstückoberfläche liegt.
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Um die empfohlenen Verfahrensschritte in vorteilhafter Weise durchführen
zu können, wird weiterhin nn:h der Erfindung eine konduktive Brwärmlingsvorrichtung
vorgeschlagen, bei welcher die nachfolgenden Einzelmerkmale, a) die tragenden Gerüste
für die Schalen sind die unmittelbar neben dem Werkstück angeordneten, parallel
zu dessen Achse verschwenkbaren Stromrohre mit ihren Verbindungsteilen und Haltearmen,
b) die Schalen sind,die Stromrohre überdeckend, mit keramischen Werkstoffen hohen
Wärmedämmwertes ausgefüllt, c) auf den dem Werkstück gegenüberliegenden Oberflächen
der keramischen Werkstoffe sind Reflektoren aufgebracht, die aus poliertem, metallischem
und/oder nichtmetallischem hitzebeständigen Werkstoff bestehen und d) innerhalb
der Schalen sind unterhalb des Werkstücks in dessert Achsrichtung mit gleichem Abstand
eine Mehrzahl von Wärmeerzeugern angeordnet, gleichzeitig angewendet werden.
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Dabei können die Wärmeerzeuger Öl- oder Gasbrenner oder elektrie sche
Widerstandsheizkörper sein.
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Ein AusfUhr ungsbei spiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigt die Figur 1 eine Vorrichtung zur konduktiven Erwärmung eines
langgestreckten Werkstückes senkrecht zu dessen Achse an der Stelle geschnitten,
an welcher sich einer der heb- und senkbaren Stützen für das Werkstück befindet.
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In der Figur 2 ist die Vorrichtung in der gleichen Weise an einer
anderen Stelle geschnitten, wo sich unter dem Werkstück ein Wärmeerzeuger befindet.
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In den beiden Figul*n sind von der elektrischen Ausrüstung nur die
Stromrohre dargestellt, die,um die Gesamtinduktivität der elektrischen Anlage niedrig
zu halten, in bekannter Art unmittelbar um das zu erhitzende Werkstück herum und
parallel zu diesem angeordnet sind.
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Die Stromrohre 1 sind über die Verbindungsteile 2 mit den Haltearmen
3 verbunden. Diese Teile bilden zusammen die tragenden Gerüste 4 der Schalen 5a
und 5b.
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Die Haltearme 3 sind um die Schwenkpunkte 6 durch Differential-Zylinder
7 vom Werkstück 8 weg, wenn dieses mittels eines Kranes in die Vorrichtung ein-
oder aus dieser ausgebracht werden soll, oder auf das Werkstück zu bewegbar, wenn
dieses vom durchfließen den Strom erhitzt wird. Durch die Schalen 5a und 5b wird
im geschlossenen Zustand eine Hülle um das Werkstück gebildet.
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Vom Kran wird in bekannter Weise das zu behandelnde Werkstück 8 von
den angehobenen Stützen 9 übernommen, von denen in Figur 1 die in der Zeichnungsebene
liegende Stütze zu sehen ist.
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Von den Stützen wird durch Absenken das Werkstück in die Arbeiter
stellung gebracht, in der es von den stromführenden, nicht gezeigten, Elektroden
erfaßt wird, die an axial zum Werkstück verfahrbaren Kontaktwagen angeordnet sind.
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Danach werden die Stützen 9 noch etwas abgesenkt, um diese vom Werkstück
zu trennen und dadurch eine Wärmeableitung vom Werkstück 8 zu verhindern.
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Innerhalb der Schalen 5a und 5b sind zwischen den Stromrohren 1 und
diese zum Werkstück 8 hin in zweckentsprechender Stärke übes deckend, keramische
Werkstoffe 10 mit hohem Wärmedämmwert eingebracht.
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Auf den dem Werkstück 8 gegenüberliegenden Oberflächen der keramischen
Werkstoffe 10 sind Reflektoren 12 angeordnet, die aus einem polierten metallischen
hitzebeständigen Werkstoff bestehen.
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Durch die zweckentsprechend geformten Reflektoren 12 wird die von
der Oberfläche des erhitzten Werkstückes 8 abgestrahlte Wärmeenergie, die etwa 90
26 der Wärmeverluste ausmacht, als Wärmestrahlung auf die Werkstückoberfläche zurückgeworfen.
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Um die restlichen ca. 10 % der Wärmeverluste, die durch Konvektion
entstehen, praktisch auf Null zu bringen, sind innerhalb der Schalen 5a und 5b unterhalb
des Werkstückes in dessen Achsrichtung mit gleichem Abstand voneinander entfernt
eine Anzahl von Wärmeerzeugern 13, im vojliegenden Falle Gasbrenner 14, angeordnet.
Durch diese wird innerhalb der das Werkstück 8 umschließenden Hülle eine Temperatur
aufrecht erhalten, die geringfügig höher ist als die Oberflächentemperatur des Werkstücks.
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Dabei kann, um eine gleichmäßige Verteilung der Eisenbegleiter im
randlichen Bereich des Werkstücks aufrecht zu erhalten, bei dem Gasbrenner 14 in
zweckentsprechender Weise die Flammenführung oxydierend oder reduzierend oder neutral
sein.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere då^in,
daß sich kalte oder in beliebiger Weise vorgewärmte Werkstücke mit weniger Energieaufwand
als bisher bei sich daraus ergebender längerer Lebensdauer der den Strom auf das
Werkstück übertragenden Elektroden innerhalb eines sich aus der anschließenden Warmverformungsdauer
ergebenden Zeitraums mit einer praktisch gleichmäßigen Temperaturverteilung über
den Werkstückquerschnitt aufheizen lassen.
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