AT389969B - Device for inductive heating of a metallic workpiece - Google Patents

Abstract

In order to be able to heat a workpiece inductively with the aid of at least one induction coil 1 in accordance with a target temporal heating profile, without having to detect the temperature profile, in particular of the workpiece core, the temporal heat requirement respectively required for the heating profile of the workpiece is calculated in a computer 12 taking account of the thermal losses occurring, and then submitted as reference variable to the control device 6 for a thyristor switch 5 which switches the supply of power. <IMAGE>

Description

Nr. 389969No. 389969

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Werkstückes mit wenigstens einer ein Werkstück aufnehmenden Induktionsspule, die über einen Steuerschalter, insbesondere einen Thyristorschalter, mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbindbar ist, und mit einer Steuereinrichtung für den Steuerschalter. 5 Beim induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken ergibt sich aufgrund des sogenannten Skineffektes eine ungleichmäßige Stromdichteverteilung der induzierten Wirbelströme über den Werkstückquerschnitt, was eine entsprechend ungleichmäßige Erwärmung des Werkstückes über seinen Querschnitt zur Folge hat Um eine gleichmäßige Werkstücktemperatur über den gesamten Querschnitt zu erhalten, ist es bekannt (DE-PS 1 286 664), das Werkstück unter voller Leistungszufuhr rasch aufzuwärmen und dabei im Bereich der 10 Werkstückoberfläche zu überhitzen, damit einerseits der Werkstückkem auf ein höheres Temperatumiveau gebracht wird und anderseits beim anschließenden Abkühlen der äußeren Werkstückschicht unter Wärmeabgabe an den Kern ein Temperaturausgleich stattfinden kann. Zur Vermeidung einer solchen Überhitzung von Werkstückbereichen ist es außerdem bekannt (AT-PS 365 028), die volle Leistungszufuhr in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Außenschicht und dem Kem des Werkstückes wiederholt zu unterbrechen, 15 weil sich herausgestellt hat, daß sich dabei der Erwärmungsverlauf des Kernes nicht wesentlich ändert, daß aber durch die Kühlperioden während der Leistungsabschaltung die Außenschicht des Werkstückes erheblich langsamer aufgewärmt werden kann, was eine Anpassung des Erwärmungsverlaufes der Außenschicht an den Erwärmungsverlauf des Kernes ermöglicht, und zwar ohne Verlängerung -der Erwärmungszeit, weil ja während der Einschaltzeiten stets die volle elektrische Leistung zugeführt wird. Da durch die Anpassung des 20 Erwärmungsverlaufes der Außenschicht an den Erwärmungsverlauf des Kernes die Temperaturdifferenz zwischen der Außenschicht und dem Kem beim Erreichen der Endtemperatur durch die Außenschicht klein ist, bleibt auch die Ausgleichsperiode klein.The invention relates to a device for inductive heating of a metallic workpiece with at least one induction coil receiving a workpiece, which can be connected to an electrical supply network via a control switch, in particular a thyristor switch, and with a control device for the control switch. 5 With inductive heating of metallic workpieces, the so-called skin effect results in an uneven current density distribution of the induced eddy currents over the cross section of the workpiece, which results in a correspondingly uneven heating of the workpiece over its cross section. In order to obtain a uniform workpiece temperature over the entire cross section, it is known (DE-PS 1 286 664) to warm up the workpiece quickly with full power and thereby overheat in the area of the workpiece surface, so that on the one hand the workpiece core is brought to a higher temperature level and on the other hand during the subsequent cooling of the outer workpiece layer with heat being released to the core Temperature compensation can take place. In order to avoid such overheating of workpiece areas, it is also known (AT-PS 365 028) to repeatedly interrupt the full power supply as a function of the temperature difference between the outer layer and the core of the workpiece, 15 because it has been found that the course of heating increases of the core does not change significantly, but that the outer layer of the workpiece can be warmed up considerably more slowly due to the cooling periods during the power cut-off, which enables the heating curve of the outer layer to be adapted to the heating curve of the core, without an extension of the heating time, because during the Switch-on times the full electrical power is always supplied. Since the temperature difference between the outer layer and the core is small when the final temperature is reached by the outer layer due to the adaptation of the heating curve of the outer layer to the heating curve of the core, the compensation period also remains small.

Um den Vorteil einer solchen Erwärmung eines metallischen Werkstückes ausnützen und enge Toleranzbereiche für die Endtemperatur und deren Verteilung über den Werkstückquerschnitt einhalten zu können, 25 ist es allerdings erforderlich, den Erwärmungsverlauf des Kernes zu erfassen, der jedoch im Gegensatz zum Erwärmungsverlauf der Werkstückoberfläche nicht unmittelbar über eine Temperaturmessung ermittelt werden kann. Es stehen hiefür lediglich die Stirnseiten des Werkstückes zur Verfügung, die jedoch wegen der im Stimbereich wirksamen Wärmeabfuhr kein genaues Abbild der Temperaturverteilung über den Querschnitt geben können. 30 Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu vermeiden und eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Werkstückes der eingangs geschilderten Art mit einfachen Mitteln so zu verbessern, daß für ein metallisches Werkstück ein bestimmter Erwärmungsverlauf eingehalten und eine angestrebte Endtemperatur mit hoher Genauigkeit sichergestellt werden kann, und zwar bei einer vorgegebenen maximalen Temperaturdifferenz zwischen der Außenschicht und dem Kem des Werkstückes. 35 Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß für die der Induktionsspule zugeführte Energie ein an einem Rechner angeschlossener Zähler vorgesehen ist und daß der Rechner die Steuereinrichtung für den Steuerschalter in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der durch den Zählerstand erfaßten, dem Werkstück zugeführten Wärmemenge und dem programmbedingt aus eingebbaren Werkstückdaten für einen Sollerwärmungsverlauf unter Berücksichtigung der auftretenden Wärmeverluste errechneten, zeitlichen 40 Wärmebedarf des Werkstückes steuertIn order to take advantage of such heating of a metallic workpiece and to be able to maintain narrow tolerance ranges for the final temperature and its distribution over the workpiece cross-section, 25 it is necessary to record the heating curve of the core, which, in contrast to the heating curve of the workpiece surface, does not immediately exceed a temperature measurement can be determined. Only the front sides of the workpiece are available for this purpose, but because of the heat dissipation effective in the end region, they cannot give an exact picture of the temperature distribution over the cross section. 30 The invention is therefore based on the object to avoid these shortcomings and to improve a device for inductive heating of a metallic workpiece of the type described above with simple means so that a certain heating curve is maintained for a metallic workpiece and ensures a desired end temperature with high accuracy can be, namely at a predetermined maximum temperature difference between the outer layer and the core of the workpiece. 35 The invention solves this problem in that a counter connected to a computer is provided for the energy supplied to the induction coil and that the computer controls the control device for the control switch as a function of the difference between the amount of heat detected by the counter, the workpiece and controls the temporal heat requirement of the workpiece, which is calculated from the workpiece data that can be input for a target heating curve, taking into account the heat losses that occur

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einer gegebenen Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Werkstückes die Wärmeverluste mit hoher Genauigkeit berechnet werden können, so daß aufgrund der Gesetzmäßigkeit der Erwärmung der zeitliche Energiebedarf für einen angestrebten Erwärmungsverlauf des Werkstückes ermittelt und die Energiezufuhr zur Induktionsspule davon abhängig 45 gesteuert worden kann. Da die jeweils der Induktionsspule zugeführte elektrische Energie einfach und genau gemessen werden kann, wird es durch die Steuerung der Energiezufuhr in Abhängigkeit von dem unter Berücksichtigung der auf tretenden Wärmeverluste errechneten Energiebedarf möglich, die angestrebte Endtemperatur unter Einhaltung einer vorgegebenen, maximal zulässigen Temperaturdifferenz zwischen dem Kem und der Außenschicht des Werkstückes innerhalb enger Toleranzgrenzen zu erreichen, ohne den Temperaturverlauf 50 des Kernes oder der Außenschicht erfassen zu müssen. Durch die Steuerung der Energiezufuhr können sich außerdem Schwankungen des Versorgungsnetzes nicht störend auf den Erwärmungsverlauf des Werkstückes im Sinne einer Vergrößerung des Toleranzbereiches auswirken.The invention is based on the knowledge that with a given device for inductive heating of a metallic workpiece, the heat losses can be calculated with high accuracy, so that due to the law of the heating, the temporal energy requirement for a desired heating process of the workpiece is determined and the energy supply to the induction coil depending on it, 45 can be controlled. Since the electrical energy supplied to the induction coil can be measured simply and precisely, the control of the energy supply depending on the energy requirement calculated taking heat losses into account makes it possible to achieve the desired end temperature while maintaining a predetermined, maximum permissible temperature difference between the core and to reach the outer layer of the workpiece within narrow tolerance limits without having to record the temperature profile 50 of the core or the outer layer. By controlling the energy supply, fluctuations in the supply network cannot have a disruptive effect on the heating process of the workpiece in the sense of an increase in the tolerance range.

Da sich für einen Sollerwärmungsverlauf eines Werkstückes unter gegebenen Induktionsbedingungen der Wärmebedarf aus den Werkstückeigenschaften und den auftretenden Wärmeverlusten rechnerisch ermitteln läßt, 55 kann dieser errechnete, zeitliche Wärmebedarf der Steuereinrichtung für den Steuerschalter als Führungsgröße vorgelegt werden, um die für den gewünschten Erwärmungsverlauf erforderliche Energiezufuhr zur Induktionsspule mit Hilfe eines Soll-Istwertabgleiches zu steuern. Bei einem die als konstant anzusehenden, vorrichtungsspezifischen Parameter vor allem hinsichtlich der Wärmeverluste berücksichtigenden Rechnerprogramm brauchen lediglich die Werkstückdaten bezüglich der Werkstückabmessungen, der 60 Werkstoffeigenschaften des Werkstückes und der Werkstückausgangstemperatur als Variable eingegeben zu werden, um die Energiezufuhr zur Induktionsspule im Hinblick auf einen gewünschten Erwärmungsverlauf bis zu einer vorgegebenen Endtemperatur des Werkstückes über den Rechner und die Steuereinrichtung für den -2-Since the heat demand from the workpiece properties and the heat losses occurring can be determined mathematically for a target heating curve of a workpiece under given induction conditions, 55 this calculated, temporal heat requirement can be presented to the control device for the control switch as a reference variable in order to supply the energy to the induction coil required for the desired heating curve to be controlled with the aid of a target / actual value comparison. In the case of a computer program which considers the device-specific parameters to be constant, above all with regard to the heat losses, only the workpiece data relating to the workpiece dimensions, the 60 material properties of the workpiece and the workpiece initial temperature need to be entered as a variable in order to supply the energy to the induction coil with a view to a desired heating curve to a predetermined final temperature of the workpiece via the computer and the control device for the -2-

Nr. 389969No. 389969

Steuerschalter zu steuern, was eine sonst notwendige, aber nicht ausreichend genau durchführbare Überwachung des Temperaturverlaufes bzw. der Temperaturdifferenz von Kern und Außenschicht des Werkstückes überflüssig macht. Obwohl sich Thyristorschalter für das Schalten hoher elektrischer Leistungen besonders gut eignen, können auch andere Steuerschalter Verwendung finden, wenn sie den gestellten Anforderungen hinsichtlich der 5 Größe der zu schaltenden Energie und der Schaltzeit genügen.Control switch to control, which makes an otherwise necessary, but not sufficiently accurate monitoring of the temperature profile or the temperature difference of the core and outer layer of the workpiece unnecessary. Although thyristor switches are particularly well suited for switching high electrical outputs, other control switches can also be used if they meet the requirements regarding the size of the energy to be switched and the switching time.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, und zwar wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Werkstückes in einem schematischen Blockschaltbild gezeigt.The subject matter of the invention is shown in the drawing, for example, namely a device according to the invention for inductive heating of a metallic workpiece is shown in a schematic block diagram.

Die dargestellte Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Werkstückes besteht im 10 wesentlichen aus wenigstens einer Induktionsspule (1), die über einen Transformator (2) an ein Versorgungsnetz (3) angeschlossen ist, und zwar mit Hilfe eines Leistungsschalters (4). Zur Steuerung der Energiezufuhr zur Induktionsspule (1) dient ein Steuerschalter (5) in Form eines Thyristorschalters, der von einer Steuereinrichtung (6) her betätigt wird. Um die hohe induktive Last zu kompensieren, sind zwei Kondensatoren (7) und (8) bzw. Kondensatorgruppen zur Induktionsspule (1) parallelgeschaltet, von denen der eine 15 Kondensator (8) wahlweise über einen Schalter (9) zu- und weggeschaltet werden kann.The device shown for the inductive heating of a metallic workpiece essentially consists of at least one induction coil (1) which is connected to a supply network (3) via a transformer (2) with the aid of a circuit breaker (4). A control switch (5) in the form of a thyristor switch, which is actuated by a control device (6), is used to control the energy supply to the induction coil (1). In order to compensate for the high inductive load, two capacitors (7) and (8) or capacitor groups are connected in parallel to the induction coil (1), of which one capacitor (8) can optionally be switched on and off via a switch (9) .

Die Steuerung des Steuerschalters (5) erfolgt in Abhängigkeit von der der Induktionsspule (1) zugeführten Energie. Zu diesem Zweck ist ein Zähler (10) vorgesehen, der einerseits an einen im Primärkreis des Transformators (2) angeordneten Stromwandler (11) angeschlossen ist und anderseits an der Spannung des Versorgungsnetzes (3) anliegt. Der jeweilige Zählerstand wird in einen Rechner (12) eingelesen, in dem der für 20 einen bestimmten Erwärmungsverlauf des Werkstückes erforderliche, zeitliche Wärmebedarf errechnet wird. Während die vorrichtungsabhängigen Parameter, wie Größe und Aufbau der Induktionsspule, elektrischer Widerstand der Spule, Spulenspannung, Frequenz, Abmessungen des Schutzrohres zwischen der Induktionsspule und dem Werkstück, Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Konstruktionsteile, Zwangskühlung der Induktionsspule u. dgl., als konstant angesehen werden können und zur Ermittlung der Wärmeverluste durch Wärmeabstrahlung und 25 Wärmeleitung im Rechnerprogramm enthalten sind, müssen die werkstückbedingten Parameter, wie die Werkstückabmessungen, die Werkstoffeigenschaften hinsichtlich der Permeabilität, der elektrischen Leitfähigkeit, der Wärmeleitfähigkeit u. dgl., als Variable über eine Eingabe (13) in den Rechner (12) eingegeben werden, in den über eine Eingabe (14) zusätzlich die Anfangstemperatur des Werkstückes und über eine Eingabe (15) die gewünschte Endtemperatur mit der zulässigen Temperaturdifferenz zwischen dem Kern und der Außenschicht des 30 Werkstückes eingelesen werden. Mit diesen Daten kann programmbedingt unter Berücksichtigung der auftretenden Wärmeverluste der für einen angestrebten Erwärmungsverlauf jeweils benötigte, zeitliche Wärmebedarf errechnet und als Sollwert der Steuerung der Energiezufuhr vorgelegt werden, so daß mit Hüfe eines Soll-Istwertabgleiches die für einen vorgesehenen Erwärmungsverlauf zuzuführende Energie über den Steuerschalter (5) genau gesteuert werden kann. 35 Es braucht wohl nicht besonders hervorgehoben zu werden, daß nicht nur eine Induktionsspule (1), sondern auch mehrere Induktionsspulen eingesetzt werden können, um beispielsweise bei stangenförmigen Werkstücken in axialen Abschnitten unterschiedliche Energiemengen dem Werkstück zuführen und damit das Werkstück mit einem vorgegebenen Temperaturverlauf auch über die axiale Länge erwärmen zu können. Über den Rechner wird die jeweils für eine zulässige maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Kern und 40 der Außenschicht des Werkstückes notwendige Ausgleichszeit nach der Beendigung der Energiezufuhr zur Induktionsspule (1) bestimmt, was zur Steuerung eines Weikstückförderers ausgenützt werden kann, wodurch die Verweilzeit des Werkstückes im Induktionsofen genau festgelegt wird. 45 50 55 -3- 60The control switch (5) is controlled as a function of the energy supplied to the induction coil (1). For this purpose, a counter (10) is provided, which is connected on the one hand to a current transformer (11) arranged in the primary circuit of the transformer (2) and on the other hand is connected to the voltage of the supply network (3). The respective counter reading is read into a computer (12), in which the temporal heat requirement required for a specific heating profile of the workpiece is calculated. While the device-dependent parameters, such as size and structure of the induction coil, electrical resistance of the coil, coil voltage, frequency, dimensions of the protective tube between the induction coil and the workpiece, thermal conductivity of the individual structural parts, forced cooling of the induction coil u. Like. Can be regarded as constant and to determine the heat losses through heat radiation and heat conduction contained in the computer program, the workpiece-related parameters, such as the workpiece dimensions, the material properties with regard to permeability, electrical conductivity, thermal conductivity and the like. Like., Entered as a variable via an input (13) in the computer (12), in addition via an input (14) the starting temperature of the workpiece and via an input (15) the desired end temperature with the permissible temperature difference between the core and the outer layer of the workpiece. With this data, depending on the program, taking into account the heat losses that occur, the temporal heat requirement required for a desired heating process can be calculated and presented as a setpoint to the control of the energy supply, so that with the aid of a setpoint / actual value comparison, the energy to be supplied for a planned heating process can be set via the control switch ( 5) can be controlled precisely. 35 It does not need to be particularly emphasized that not only one induction coil (1), but also a number of induction coils can be used in order to supply different amounts of energy to the workpiece, for example in the case of rod-shaped workpieces, in axial sections and thus also to the workpiece with a predetermined temperature profile to be able to heat the axial length. The compensation time required for a permissible maximum temperature difference between the core and the outer layer of the workpiece after the end of the energy supply to the induction coil (1) is determined by the computer, which can be used to control a Weikstückförderer, whereby the dwell time of the workpiece in the induction furnace is specified precisely. 45 50 55 -3- 60

Claims (1)

5 Nr. 389969 PATENTANSPRUCH 10 Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Werkstückes mit wenigstens einer ein Werkstück 15 aufnehmenden Induktionsspule, die über einen Steuerschalter, insbesondere einen Thyristorschalter, mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbindbar ist, und mit einer Steuereinrichtung für den Steuerschalter, dadurch gekennzeichnet, daß für die der Induktionsspule (1) zugeführte Energie ein an einem Rechner (12) angeschlossener Zähler (10) vorgesehen ist und daß der Rechner (12) die Steuereinrichtung (6) für den Steuerschalter (5) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der durch den Zählerstand erfaßten, dem Werkstück 20 zugeführten Wärmemenge und dem programmbedingt aus eingebbaren Werkstückdaten für einen Sollerwärmungsverlauf unter Berücksichtigung der auftretenden Wärmeverluste errechneten, zeitlichen Wärmebedarf des Werkstückes steuert 25 Hiezu 1 Blatt Zeichnung -4-5 No. 389969 PATENT CLAIM 10 Device for inductive heating of a metallic workpiece with at least one induction coil receiving a workpiece 15, which can be connected to an electrical supply network via a control switch, in particular a thyristor switch, and with a control device for the control switch, characterized in that a counter (10) connected to a computer (12) is provided for the energy supplied to the induction coil (1) and that the computer (12) controls the control device (6) for the control switch (5) as a function of the difference between the The counter reading of the heat quantity supplied to the workpiece 20 and the time-dependent heat requirement of the workpiece calculated from the workpiece data that can be input from the workpiece data for a target heating curve, taking into account the heat losses that occur, controls 25 to 1 sheet drawing -4-