DE102022121025A1

DE102022121025A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erwärmen stangenförmiger metallischer Werkstücke

Info

Publication number: DE102022121025A1
Application number: DE102022121025.1A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schmitz
Original assignee: Otto Junker GmbH
Current assignee: Otto Junker GmbH
Priority date: 2022-08-19
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2024-02-22
Also published as: WO2024038073A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben sind eine Vorrichtung zum Erwärmen stangenförmiger metallischer Werkstücke (1), insbesondere Bolzen aus Aluminium oder Kupfer sowie deren Legierungen, mit einem Induktionsofen (2) zur induktiven Erwärmung, wobei die Induktionsspulen (3) des Induktionsofens (2) mittels einer Kühleinrichtung (5) gekühlt werden, und mit einer Vorwärmeinrichtung (9) zum Vorwärmen der Werkstücke (1), sowie ein Verfahren zum Erwärmen stangenförmiger metallischer Werkstücke mittels einer solchen Vorrichtung. Um auf einen gasbeheizten Vorwärmofen zur Vorwärmung der stangenförmigen Werkstücke verzichten zu können und zum Erreichen einer Energieeffizienzsteigerung bei der induktiven Bolzenerwärmung, um Energieverluste möglichst zu minimieren oder gänzlich zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühleinrichtung (5) ein flüssiges, in einem Kühlkreislauf geführtes Temperiermedium verwendet und dass die Werkstücke (1) vor dem Eintritt in den Induktionsofen (2) durch das aufgeheizte Temperiermedium in der Vorwärmeinrichtung (9) erwärmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen stangenförmiger metallischer Werkstücke, insbesondere Bolzen aus Aluminium oder Kupfer sowie deren Legierungen, mit einem Induktionsofen zur induktiven Erwärmung, wobei die Induktionsspulen des Induktionsofens mittels einer Kühleinrichtung gekühlt werden, und mit einer Vorwärmeinrichtung zum Vorwärmen der Werkstücke, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Erwärmen solcher stangenförmiger metallischer Werkstücke.
Solche Vorrichtungen werden auch als „Induktive Bolzenerwärmungsanlagen (IBE)“ bezeichnet. Diese dienen zur Erwärmung von metallischen Pressbolzen und haben sich seit Jahrzehnten aus zahlreichen Gründen bewährt. Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise aus der WO 2010/031503 A1 bekannt. Die sehr hohe Wärmeleistung ermöglicht hohen Durchsatz bei geringem Platzbedarf. Mit Hilfe einer solchen hohen Wärmeleistung kann ein gezieltes Temperaturprofil im Bolzen eingestellt werden, was Vorteile in der sich anschließenden Verarbeitung bietet. Dass die induktive Beheizung auf Strom basiert, macht das System in der aktuellen Zeit zusätzlich interessant, da bei Verwendung von regenerativ hergestelltem Strom CO₂-freie Energie verwendet werden kann.
Gegenüber Pressbolzen aus ferritischen Materialien ergeben sich bei der Erwärmung nicht-ferritischer Materialien wie insbesondere Aluminium und Kupfer, sowie deren Legierungen, schlechtere Wirkungsgrade. Dies ist in der unterschiedlichen magnetischen Ankopplung des Induktionsfeldes begründet. Aufgrund der eingangs genannten Vorteile ist die Verwendung aber durchaus für beispielsweise Aluminium und Kupfer üblich.
Bei der magnetischen Ankopplung und somit bei der induktiven Wärmeübertragung kommt es daher insbesondere bei nicht-ferritischen Einsatzmaterialen zu Wirkungsgradverlusten. Dies erfordert eine Kühlung der Induktionsspulen des Induktionsofens, die meist als Wasserkühlung ausgeführt wird. Mit dieser Kühlung wird gleichzeitig auch die Wärmeabstrahlung der vorgewärmten Bolzen auf die Induktionsspule/n abgeführt. In geringerem Umfang entsteht auch Abwärme in der elektrischen Ansteuerung, die ebenfalls über das Kühlwasser abgeführt wird. Der Gesamt-Wirkungsgrad liegt in der Größenordnung von ca. 60 %, so dass ca. 40 % der zugeführten elektrischen Energie überwiegend über das Kühlwasser abgeführt werden müssen.
Zur Einsparung von Primärenergie werden den induktiven Bolzenerwärmungsanlagen häufig gasbeheizte Vorwärmöfen vorgeschaltet. Hier erfolgt eine Vorwärmung auf ein Temperatur-Grundniveau. Oberhalb dieses Niveaus erfolgt die prozesstechnisch notwendige, sehr schnelle Resterwärmung mit der induktiven Bolzenerwärmungsanlage. In der aktuellen Entwicklung ist zu beachten, dass eine gasbeheizte Vorwärmung zu einem CO₂-Ausstoß führt, der sich nur mit Verwendung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff als Brenngas vermeiden lässt.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Vorrichtung und das entsprechende Verfahren so auszugestalten und weiterzubilden, dass auf einen gasbeheizten Vorwärmofen zur Vorwärmung der stangenförmigen Werkstücke verzichtet werden kann. Insbesondere soll bei der induktiven Bolzenerwärmung eine Energieeffizienzsteigerung erfolgen, um Energieverluste möglichst zu minimieren oder gänzlich zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die Kühleinrichtung ein flüssiges, in einem Kühlkreislauf geführtes Temperiermedium verwendet und dass die Werkstücke vor dem Eintritt in den Induktionsofen durch das aufgeheizte Temperiermedium in der Vorwärmeinrichtung erwärmt werden. Auf diese Weise kann die ungenutzte Restwärme aus dem Induktionsofen vollständig für die Vorwärmung der Werkstücke genutzt werden. Dabei ist eine direkte Erwärmung der Werkstücke (Bolzen) mit dem Temperiermedium der Kühleinrichtung möglich.
Auch verfahrensmäßig erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass die Kühleinrichtung ein flüssiges, in einem Kühlkreislauf geführtes Temperiermedium verwendet und dass die Werkstücke vor dem Eintritt in den Induktionsofen durch das aufgeheizte Temperiermedium in der Vorwärmeinrichtung erwärmt werden.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkreislauf einen Wärmetauscher aufweist. Dabei kann ein in einem zweiten Kreislauf geführtes Behandlungsmedium indirekt über den Wärmetauscher mit dem Temperiermedium der Kühleinrichtung des Induktionsofens erwärmt werden und für die direkte Erwärmung der der Vorwärmeinrichtung zugeführten Bolzen eingesetzt werden.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Vorwärmeinrichtung und dem Induktionsofen eine Zwischenerwärmungseinrichtung vorgesehen ist. Dies ist immer dann zweckmäßig, wenn durch die Vorwärmung kein ausreichendes Temperaturniveau der Werkstücke/Bolzen erreicht werden kann.
Bevorzugt kann die Vorwärmungseinrichtung ein Becken zum Vorwärmen der Bolzen durch das Temperiermedium aufweisen. Dabei können im Becken Einrichtungen zur Vermischung des Temperiermediums und/oder zur Erhöhung des Wärmeübergangs angeordnet sein. Solche Einrichtungen zur Vermischung können Düsen oder Aggregate zur Umwälzung umfassen.
Alternativ dazu oder auch zusätzlich kann zur Vorwärmung der Bolzen als Vorwärmungseinrichtung auch eine Spritz-/Duschkammer vorgesehen sein, die einen intensiven Kontakt des Behandlungsmediums mit der Bolzenoberfläche bewirkt.
In jedem Fall ist es nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn die die Vorwärmeinrichtung Einrichtungen zur Reinigung und/oder Entzunderung der Bolzen aufweist. Dabei kann die Reinigung der Bolzen mechanisch erfolgen und dazu können beispielsweise angetriebene Bürsten innerhalb der Vorwärmeinrichtung vorgesehen sein.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Vorwärmeinrichtung und dem Induktionsofen Einrichtungen zur Trocknung oder Abblasung des Temperiermediums von den Bolzen vorgesehen sind, damit diese dem Induktionsofen möglichst trocken zugeführt werden können.
Bevorzugt wird als Temperiermedium und/oder Behandlungsmedium Wasser verwendet, dabei kann das Wasser mit chemischen Zusätzen versetzt sein.
Es ist auch möglich, als Temperiermedium und/oder Behandlungsmedium an Stelle von Wasser ein Thermoöl einzusetzen, wodurch eine Erhöhung des Temperaturniveaus erreicht werden kann.
Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkreislauf der Kühleinrichtung in verschiedene Kreise separiert wird und nur ein Kreis, oder mehrere einzelne Kreise, für die Vorerwärmung der Bolzen genutzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der induktiven Erwärmung der Bolzen eine brennstoffbeheizte Erwärmung vor- und/oder nachgeschaltet sein. Eine solche brennstoffbeheizte Erwärmung kann gasbeheizt sein, wobei die Erwärmung insbesondere mittels Wasserstoff oder Erdgas erfolgen kann. Es ist jedoch auch möglich, dass die brennstoffbeheizte Erwärmung mit Flüssigbrennstoff erfolgt.
Der induktiven Erwärmung der Bolzen kann auch eine elektrische (widerstandbeheizte) Erwärmung vor- und/oder nachgeschaltet sein, wobei die Wärme mittels Konvektion oder auch mittels Strahlung auf die Bolzen übertragen werden kann.
In einer weiteren Alternative kann der induktiven Erwärmung der Bolzen auch eine abgasbeheizte Erwärmung vor- und/oder nachgeschaltet sein.
In jedem Fall ist es zweckmäßig, wenn die Regelung der Vorerwärmung der Bolzen mit Hilfe eines mathematischen Modells erfolgt. Ein solches mathematisches Modell erfasst die Vorwärmtemperatur und passt die induktive Erwärmung in der induktiven Bolzenerwärmungsanlage basierend auf einer Modellierung des gesamten Erwärmungsprozesses optimal auf die gewünschte Zieltemperatur an. Hierbei spricht man auch von einem „digitalen Zwilling“. Dabei ist eine Optimierung nach maximaler Leistung oder auch maximaler Energieeinsparung möglich. Auch können Umwelteinflüsse (beispielsweise Luft-Temperatur oder Kühlwasser-Temperatur) oder auch Prozesseinflüsse (beispielsweise Stillsetzen der nachfolgenden Presslinie) möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen, alle schematisch,

1 eine induktive Bolzenerwärmungsanlage nach dem Stand der Technik in schematischer Darstellung,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung eines Wärmetauschers,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

1 zeigt schematisch den Aufbau einer induktiven Bolzenerwärmungsanlage (IBE) bei dem ein metallischer, nicht-ferritischer Pressbolzen (beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer) in einem nur angedeuteten Induktionsofen 2 induktiv erwärmt wird. Man erkennt dazu die schematisch dargestellte Induktionsspule des Induktionsofens 2 und eine dazu notwendige elektrische Ansteuerung 4. Eine nur angedeutete Kühleinrichtung 5 verwendet ein flüssiges, in einem Kühlkreislauf geführtes Temperiermedium, welches die nicht genutzte Wärme (etwa 40 % der zugeführten elektrischen Energie) der Induktionsspule 3 aus dem Induktionsofen 2 abführt. In geringerem Umfang entsteht auch Abwärme in der elektrischen Ansteuerung 4, welche ebenfalls über das Temperaturmedium abgeführt und einem Wärmetauscher 7 zugeführt wird. Dabei ist nicht dargestellt, dass der weitere Kreislauf die dem Wärmetauscher zugeführte Wärme entnimmt und beispielsweise für das Beheizen von Gebäuden für die Brauchwassererwärmung eingesetzt werden kann. Eine Pumpe 6 sorgt dafür, dass das Temperiermedium nach Verlassen des Wärmetauschers 7 wieder dem Induktionsofen 2 bzw. der elektrischen Ansteuerung 4 zu Kühlzwecken zugeführt wird.
In 2 ist nun schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wobei der weitere Kreislauf hinter dem Wärmetauscher 7 eine Leitung 8 aufweist, welche einer Vorwärmeinrichtung 9 zugeführt wird. Diese kann ein Becken 10 für die Aufnahme des im zweiten Kreislauf geführten Behandlungsmediums aufweisen, wobei die zugeführten Bolzen 1 vollständig mit dem Behandlungsmedium in Kontakt kommen, um die Bolzen 1 zu erwärmen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich im Bereich der Vorwärmeinrichtung 9 eine Spritz-/Duschkammer 11 oder eine Sprinklereinrichtung (nur schematisch dargestellt) vorzusehen. Eine Pumpe 12 sorgt dafür, dass das bei der Vorerwärmung abgekühlte Behandlungsmedium wieder dem Wärmetauscher 7 zugeführt wird, um den zweiten Kreislauf zu vervollständigen.
3 zeigt nur die schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei kein Wärmetauscher vorhanden ist. Die aus dem Induktionsofen 2 und auch der elektrischen Ansteuerung 4 entnommene Wärme des Temperiermediums wird mittels einer Wärmepumpe 6' über eine Leitung 8 unmittelbar der Vorwärmeinrichtung 9 zugeführt, welche den gleichen Aufbau hat wie bei der Vorrichtung gemäß 2. Aus dem Becken 10 wird dann das Temperiermedium mittels der Pumpe 6 im abgekühlten Zustand der Kühleinrichtung 5 zugeführt wie bereits zuvor beschrieben.
Schließlich ist in 4 eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß 2 gezeigt, bei der zwischen der Vorwärmeinrichtung 9 und dem Induktionsofen 2 noch eine nur angedeutete Zwischenerwärmungseinrichtung vorgesehen sein kann. Diese kann, wie in den Unteransprüchen beschrieben mit unterschiedlichen Energieformen beheizt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010031503 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Erwärmen stangenförmiger metallischer Werkstücke (1), insbesondere Bolzen aus Aluminium oder Kupfer sowie deren Legierungen, mit einem Induktionsofen (2) zur induktiven Erwärmung, wobei die Induktionsspulen (3) des Induktionsofens (2) mittels einer Kühleinrichtung (5) gekühlt werden, und mit einer Vorwärmeinrichtung (9) zum Vorwärmen der Werkstücke (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) ein flüssiges, in einem Kühlkreislauf geführtes Temperiermedium verwendet und dass die Werkstücke (1) vor dem Eintritt in den Induktionsofen (2) durch das aufgeheizte Temperiermedium in der Vorwärmeinrichtung (9) erwärmt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf einen Wärmetauscher (7) aufweist und dass ein in einem zweiten Kreislauf geführtes Behandlungsmedium indirekt über den Wärmetauscher (7) mit dem Temperiermedium der Kühleinrichtung (5) des Induktionsofens (2) erwärmt wird und für die direkte Erwärmung der der Vorwärmeinrichtung (9) zugeführten Werkstücke (1) eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vorwärmeinrichtung (9) und dem Induktionsofen (2) eine Zwischenerwärmungseinrichtung (13) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmungseinrichtung (9) ein Becken (10) zum Vorwärmung der Bolzen (1) durch das Temperiermedium aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Becken (10) Einrichtungen zur Vermischung des Temperiermediums und/oder zur Erhöhung des Wärmeübergangs angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Vermischung Düsen oder Aggregate zur Umwälzung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorwärmung der Bolzen eine Spritz-/Duschkammer (11) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmeinrichtung Einrichtungen zur Reinigung und/oder Entzunderung der Bolzen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung der Bolzen mechanisch erfolgt und dass dafür angetriebene Bürsten innerhalb der Vorwärmeinrichtung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Vorwärmeinrichtung und dem Induktionsofen Einrichtungen zur Trocknung oder Abblasung des Temperiermediums von den Bolzen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiermedium und/oder das Behandlungsmedium Wasser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser mit chemischen Zusätzen versetzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperiermedium und/oder das Behandlungsmedium Thermoöl ist.
Verfahren zum Erwärmen stangenförmiger metallischer Werkstücke, insbesondere Bolzen aus Aluminium oder Kupfer sowie deren Legierungen mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung ein flüssiges, in einem Kühlkreislauf geführtes Temperiermedium verwendet und dass die Werkstücke vor dem Eintritt in den Induktionsofen durch das aufgeheizte Temperiermedium in der Vorwärmeinrichtung erwärmt werden.
Verfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf der Kühleinrichtung in verschiedene Kreise separiert wird und nur ein Kreis oder mehrere einzelne Kreise für die Vorerwärmung der Bolzen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der induktiven Erwärmung der Bolzen eine brennstoffbeheizte Erwärmung vor- und/oder nachgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die brennstoffbeheizte Erwärmung gasbeheizt ist, insbesondere mittels Wasserstoff oder Erdgas beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die brennstoffbeheizte Erwärmung flüssigbrennstoffbeheizt ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der induktiven Erwärmung der Bolzen eine elektrische widerstandbeheizte Erwärmung vor- und/oder nachgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mittels Konvektion auf die Bolzen übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mittels Strahlung auf die Bolzen übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der induktiven Erwärmung der Bolzen eine abgasbeheizte Erwärmung vor- und/oder nachgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, gekennzeichnet durch eine Regelung der Vorerwärmung der Bolzen mit Hilfe eines mathematischen Modells.