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Verfahren zum induktiven Erwärmen von metallischen Werk-
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stücken Beim induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken werden
im Werkstück iiber eine Spule, dem Induktor, Wirbelströme induziert, die die joulesche
Verlustwärme bedingen.
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Bei ferromagnetischen Werkstoffen wird diese Verlustwärme noch durch
Hystereseverluste ergänzt. Infolge des sogenannten Skineffektes ist die Dichte der
induzierten Ströme an der Werkstückoberfläche am größten und nimmt nach dem Inneren
hin schnell ab. Diese ungleichen Stromdichten haben selbstverständlich eine ungleiche
Erwärmung des Werkstücks über den Querschnitt zur Folge, was besondere Probleme
mit sich bringt, wenn eine gleichmäßige WerkstUcktemperatur über den gesamten Querschnitt
angestrebt wird, wie dies beispielsweise beim Warmverformen der Fall ist.
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Um nun eine gleichmäßige Werkstücktemperatur über den gesamten Querschnitt
zu erhalten, wird das Werkstueck üblicherweise im Bereich der Werkstückoberfläche
überhitzt, damit einerseits der Werkstückkern auf ein höheres Temperaturniveau gebracht
wird und anderseits beim anschließenden Abkühlen der äußeren Werkstückschicht unter
Wärmeabgabe an den Kern ein Temperaturausgleich stattfinden kann. Durch ein zeitweises
Erwärmen des Werkstückes während der Ausgleichsperiode kann dabei das erforderliche
Maß der Überhitzung kleiner gehalten, die erforderliche Ausgleichszeit verkürzt
und die gleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt verbessert werden.
Da aber bei verschiedenen Temperaturbereichen mit verschiedenen metallurgischen
Veränderungen der Werkstoffe zu rechnen ist, ergeben sich auf Grund der auftretenden
hohen Temperaturdifferenzen unterschiedliche Reaktionen im Kern
und
in der Außenschicht, was ebenso vermieden werden soll wie die Oberflachenverzunderung,
die mit der Erw2rmungszeit steigt. Trotz der bekannten Maßnahmen zum Ausgleichen
der Temperaturdifferenz zwischen Außenschicht und Kern des Werkstückes war es bisher
nicht möglich, die für manche Weiterverarbeitungen erforderliche gleichmäßige Temperatur
über den gesamten Werkstückquerschnitt sicherzustellen.
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Außerdem können die nicht überhitzbaren Werkstücke nicht allein induktiv
erwärmt werden.
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Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu
vermeiden und ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe durch ein gezieltes, induktives
Erwärmen die gewünschte Temperaturverteilung über den Querschnitt des Werkstückes
ohne Überhitzung der Außenschicht in vergleichsweise kurzer Zeit erreicht werden
kann.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß bis zum Aufwärmen
der Außenschicht des Werkstückes auf die gewünschte Endtemperatur die volle Leistungszufuhr
in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Außenschicht und ICsrn wiederholt
unterbrochen wird und daß dann bei einer noch vorhandenen Temperaturdifferenz zwischen
Außenschicht und Kern die Außenschichttenperatur durch wiederholtes Zu- und Abschalten
der Leistung in einem bestimmten Temperaturbereich gehalten wird, bis der Kern die
Endtemperatur erreicht hat Es hat sich nämlich herausgestellt, daß sich bei einer
wiederholten Abschaltung der vollen Leistungszufuhr der Erwärmungsverlauf des Kernes
nicht wesentlich ändert, die Außenschicht jedoch durch die Kuhlperioden während
der Leistungsabschaltung wesentlich langsamer aufgewärmt werden kann, so daß eine
Anpassung des Erwärmungsverlaufes der Außenschicht an den Erwärmungsverlauf des
Kernes eintritt. Je nach der gewählten Länge der Ein-und Ausschaltzeit.en kann demnach
für Jeden Werkstoff die gewünschte Erwärmung der Außenschicht in Anlehnung an den
Temperaturverlauf des Kernes eingestellt werden. Wesentlich dabei ist, daß während
der Einschaltzeiten die volle Leistung zugeführt wird-, damit sich die Erwärmungszeit
für den Kern
nicht wesentlich verlängert. Würde nämlich eine Steuerung
des Erwärmungsverlaufes fiir die Außenschicht durch einen allmählichen Leistungsaufbau
erfolgen, so würde die Erwärmungszeit in unerwünschter Weise verlängert werden,
ohne die Temperaturdifferenz zwischen Außenschicht und Kern wirklich gering halten
zu können. Es muß daher stets die volle Leistung zugeschaltet werden. Es ist aber
nicht notwendig, die Leistung während des Abkühlvorganges völlig wegzunehmen. In
bestimmten Fällen känn es durchaus vorteilhaft sein, lediglich zwischen der vollen
Leistung und einer Teilleistung zu schalten, wodurch auf die Abkühlung zwischen
den Perioden der vollen Leistungszufuhr Einfluß genommen werden kann.
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Erreicht der Kern die gewünschte Endtemperatur nicht gleichzeitig
mit der Au.S nschicht, so muß eine Ausgleichsperiode an die Aufwärmperiode angeschlossen
werden. Dabei wird di e zum die Außenschichttemperatur durch wiederholtes Zu- und
Abschalten der vollen Leistung in einem bestimmten, eine Überhitzung ausschließenden,
konstanten Temperaturbereich gehalten, bis auch der Kern die Endtemperatur erreicht
hat.
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Da durch die Anpassung des Erwärmungsverlaufes der Außenschicht an
den Erwärmungsverlauf des Kernes die Temperaturdifferenz zwischen Außenschicht und
Kern beim Erreichen der Endtemperatur durch die Außenschicht klein ist, bleibt auch
die Ausgleichsperiode klein. Es hat sich herausgestellt, daß durch das erfindungsgemäße
Verfahren nicht nur eine wesentlich gleichmäßigere Erwärmung mit allen damit verbundenen
Vorteilen gewährleistet wird, sondern auch, daß die gesamte Erwärmungszeit trotz
besserer Ergebnisse hinsichtlich der gleichmäßigen Temperaturverteilung über den
Querschnitt verkürzt werden kann, insbesondere dann, wenn mit höheren Leistungen
gearbeitet wird.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
Schwierigkeiten, weil das häufige Schalten hoher Leistungen mit üblichen Leistungsschaltern
nicht
durchführbar ist. Ausgehend von einem gegebenenfalls über
einen Transformator an ein Speisenetz angeschlossenen Induktor und einem zum Induktor
bzw. zur Primärwicklung des Transformators parallelgeschalteten Kompensationskondensator
wird folglich zur Durchführung des Verfahrens eine Anlage vorgeschlagen, die sich
dadurch auszeichnet, daß der aus dem Kompensationskondensator und dem Induktor bzw.
der Transformatorwicklung bestehenden Parallelschaltung ein Thyristorschalter vorgeschaltet
ist, der in Abhängiglveit von der Temperatur des erkstücks über eine Steuereinrichtung
jeweils im Bereich des Spannungsnulldurchganges betätigbar ist, und daß in Serie
mit dem Thyristorschalter und dem Kompensationskondensator ein kurzschließbarer,nur
nfährend des Ein- und Ausschaltvorganges eingeschalteter Vorwiderstand liegt. Durch
das Vorsehen eines Thyristorschalters wird es im Zusammenhang mit einer entsprechenden
Steuereinrichtung möglich, dem Induktor auch in kurzen Zeitintervallen entsprechende
Leistungen zuzuführen, so daß durch ein taktweises Aufschalten der Heizleistung
die Temperatur der Außenschicht an den Temperaturverlauf des Kernes angepaßt werden
kann. Der Kern, der sich im Gegensatz zu der Außenschicht in den kurzen Abschaltperioden
kaum abkühlen kann, wird nämlich trotz der Unterbrechungen in der Leistungszufuhr
nahezu stetig aufgeheizt.
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Damit die gewünschte Werkstücktemperatur rasch erreicht werden kann,
muß der Induktor mit entsprechender Energie versorgt werden. Die hohen Heizleistungen
stehen aber dem wirtschaftlichen Einsatz von Thyristorschaltern entgegen, weil die
hohen Leistungen große Ein- und Ausschaltströme verursachen, die ohne aufwendige
Maßnahmen zu einer Zerstörung der Thyristoren führen können. Um nun die hohen Ein-
und usschaltströme in entsprechenden Grenzen zu halten, ist die Steuereinrichtung
zusätzlich vom Speisenetz her so beaufschlagt, daß die Zündimpulse für die Thyristoren
im Bereich des Spannungsnulldurchganges abgegeben werden. Zufolge der schnellen
Schaltzeit der
Thyristoren werden nämlich die auftretenden Stromspitzen
vom Einschaltzeitpunict bestimmt. Wegen der gegenüber der Frequenz des Speisenetzes
hohen rrequenz der Ausgleichsvorgänge ergibt sich über den Kompensationskondensator
praktisch ein Kurzschluß, so daß der auftretende Stoßkurzschlußstrom vom Zeitwert
der Spannung bestimmt wird.
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Durch die Wahl des Einschaltzeitpunktes und durch einen zusätzlichen,
in Serie mit dem Thyristorschalter und dem Kompensationskondensator geschalteten
Vorwiderstand kann somit der Einschaltstrom auf ein für den Thyristorschalter tragbares
Maß reduziert werden. Der Vorwiderstand dämpft dabei den Ausgleichsvorgang, der
gegenüber den Netzperioden kurz dauert, und bewirkt zusätzlich eine VerbesserunG
des Phasenwinkels beim Einschalten.
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Dieser Vorwiderstand würde aber auf Grund der hohen Nennströme eine
nicht vernachlässigbare Verlustleistung bedingen, was nicht nur auf den Wirkungsgrad
der Anlage, sondern auch auf die thermische Bemessung des Widerstandes selbst Auswirl;ungen
hätte. Dieser Gründe wegen wird der Widerstand nur während der Schaltvorgänge eingeschaltet,
in der übrigen Zeit aber kurzgeschlossen.
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Da zufolge der erfindungsgemäßen Maßnahme zur Begrenzung der Ein-
und Ausschaltströme bei gleicher Belastung des Thyristorschalters durch die Ausgleichsströme
höhere Leistungen geschaltet werden können, kann eine besonders kurze Aufwärmzeit
sichergestellt werden.
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In der Zeichnung ist eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in mehreren Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Es zeigen
die Fig. 1 und 2 zwei Konstruktionsvarianten einer erfindungsgemäßen Anlage zum
induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken mit einem unmittelbar vom Netz
gespeisten Induktor im Blockschaltbild und die Fig. 3 bis 5 verschiedene Anlagen
mit einem über einen Transformator gespeisten Induktor, ebenfalls im Blockschaltbild.
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Die dargestellten Anlegen zum induktiven ~Erwärmen von metallischen
Werkstücken bestehen grundsätzlich aus einer Induktionsspule, dem Induktor 1, und
einem Kompensationskondensator 2, der die hohen indulLtiven Lasten kompensiert.
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Obwohl nur ein Kompensationskondensator dargestellt ist, versteht
es sich wohl von selbst, daß die erforderliche Kapazität im allgemeinen durch mehrere
parallelgeschaltete Kondensatoren erreicht wird.
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Zum taktweisen Ein- und Ausschalten der Heizleistung ist ein Thyristorschalter
3 vorgesehen, der je nach der Schaltungsart entweder der aus dem Induktor 1 und
dem Kompensationskondensator 2 oder der aus dem Kompensationskondensator 2 und der
Primärwicklung des Transformators 4 ist bestehenden Parallelschaltung vorgeordnet/
Dieser Thyristorschalter 3 wird über eine Steuereinrichtung 5 gezündet, und zwar
vorzugsweise im Augenblick des Nulldurchganges der Spannung. Zu diesem Zweck wird
die Steuereinrichtung 5 von der Netzfrequenz her über die Steuerleitung 6 getriggert.
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Die auftretenden Ein- und Ausschaltströme werden dadurch teschränkt.
Eine zusätzliche Begrenzung wird durch einen Ohmschen Vorwiderstand 7 erreicht,
der in Serie mit den Thyristorschalter 3 und dem Kompensationskondensator 2 geschaltet
ist. Die verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten für den Vorwiderstand 7 sind in den
Fig. 1 bis 5 dargestellt.
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Parallel zum Vorwiderstand 7 liegt ein Schalter 8, über den der Vorwiderstand
kurzgeschlossen werden kann. Da der Vorwiderstand nur zur Begrenzung der Ein- und
Ausschaltströme und zur Dämpfung der Ausgleichsvorgänge dient, wird er auch nur
während des Ein- und Ausschaltvorganges eingeschaltet. Der Schalter 8 muß folglich
kurz vor dem Zünden des Thyristorschalters 3 geöffnet und nach dem Abklingen der
Ausgleichsvorgänge wieder geschlossen werden. Die gesteuerte Betätigung des Schalters
8 ist in der Zeichnung durch die Steuerleitung 9 angedeutet.
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Damit die dem Wertstück taktweise zugeführte Heizleistung den gewünschten
Temperaturverlauf ergibt, wird der Steuereinrichtun- 5 über einen entsprechenden
Temperaturgeber 10 der Istwert der Wer stwicktemperatur zugeführt, so daß über einen
Soll-Istwertvergleich die Schaltfrequenz für den Thyristorschalter 3 von der Steuereinrichbung
5 bestimmt werden kann. Ziel des gesteuerten Temperaturverlaufes ist es, die Temperaturdifferenz
zwischen Kern und Außenschicht nicht über ein bestimmtes Maß ansteigen zu lassen.
Für eine besonders gute Regelung wäre daher auch die Erfassung der Kerntemperatur
wünschenswert. Dies ist aber aus verständlichen Gründen nur bei gebohrten Werkstücken
möglich. Da bei einer entsprechenden Leistungszufuhr der Erwärmungsverlauf des Kerns
bei Werkstücken gleicher Abmessungen und gleicher Werkstoffe gleichbleibt, kann
der Steuereinrichtung 5 jedoch der Sollwert für die Außenschichttemperatur mit ausreichender
Genauigkeit vorgegeben werden, ohne die Kerntemperatur tatsächlich jedes Mal zu
messen. Es wird in den meisten Fällen sogar genügen, eine bestimmte Schaltfrequenz
vorzugeben, so daß eine Beeinflussung der Taktzeiten über die gemessene Außentemperatur
des Werkstückes im allgemeinen unnötig sein wird.
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