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Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere von
Rohren, aus magnetisierbaren Werkstoffen mittels eines magnetischen Frequenzstromfeldes
Zur Erhitzung ferromagnetischer Werkstücke hat man schon vorgeschlagen, magnetische
Wechselstromfelder zu benutzen, wobei diese in dem als Magnetsystem dienenden zu
erwärmenden Körper durch elektrischen Erregerfrequenzstrom induziert werden, welcher
den Körper umgebende hohle, von Kühlflüssigkeit durchströmte Erregerwindungen durchfließt.
Der Nachteil dieser bekannten mit Wechselstrom arbeitenden Einrichtung besteht in
der Art und Weise der Kühlung der Erregerwindungen. Obwohl Anfang und Ende der Erregerwindungen
mittels Gummimuffen elektrisch isoliert an die Zu- bzw. Ableitungsrohre für das
Kühlmittel angeschlossen sind, ist stets die Gefahr gegeben, daß infolge der elektrischen
Leitfähigkeit des Kühlmittels, wie beispielsweise Wassers, elektrische Spannungsunterschiede
im außerhalb der Vorrichtung liegenden Kühlmittelleitungssystem entstehen können,
durch welche gegebenenfalls erhebliche Gefahrenquellen bedingt sind.
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Es ist weiterhin bekannt, bei von Kühlwasser durchströmten hohlen
elektrischen; Leitern elektrischer Apparate die Wasseranschlüsse für den Ein-und
Austritt des Kühlwassers unter Zusammenfassung der Wicklungen in Gruppen an solchen
Stellen anzuordnen, die, bezogen auf die beiderseits liegenden Wicklungen, das gleiche
elektrische Potential, und zwar vorzugsweise das Potential
Null
haben. Bei diesen bekannten ..Einrichtungen. bei denen die einzelnen in einer Phase
nebeneinander verlaufenden Wicklungen in der elektrischen Widerstandsmitte angezapft
sind,- haben diese sogenannten Nullpunkte gegenüber der Erde trotzdem noch einen
beträchtlichen Spannungsunterschied, der sich bei elektrischer Unsyminetrie der
nebeneinander verlaufenden Wicklungen noch erlieblich erhöht. Das gleiche gilt für
den bekannten Fall einer Dreiphasendreieckschultung, bei welcher das Kühlwasser
an der Anschlußstelle einer Phase zu- und abgeführt wird.
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Gemäß der Erfindung sollen null bei derartigen elektrischen Einrichtungen
die hohlen Erregerwindungen aus einer Mehrzahl, insbesondere sechs oder einer Vielzahl
davon, in axialer Richtung hintereinanderliegender, von dreiphasigem Frequenzstrom
durchflossener kohrwindungsgruppen bestehen, welche in doppelter Sternschaltung
angeordnet sind, wobei je mindestens zwei Rohrwindungsgruppen an eine Phase parallel
geschaltet angeschlossen sind, derart, d,aß jedes freie Ende beider Rohrwindungsgruppen
einer Phase mit den entsprechenden freien Enden der zu den anderen Phasen gehörenden
Rohrwindungsgruppen zu einem als Zufuhr und Abfuhr für die die- Rohrwindungsgruppen
durchströmende Kühlflüssigkeit dienenden Nullpunkt zusammengefaßt ist, wobei die
jeder Phase parallel geschaltet zugeordneten Rohrwindungsgruppen entweder axial
hintereinander gleichlaufend angeordnet und ihre dem Nullpunkt abgewandten Enden
durch eine für den Anschluß der Phase dienende Rohrbrücke miteinander verbunden
sind oder axial gegeneinander gegenläufig angeordnet und ihre dem Nullpunkt abgewandten
Enden durch einen für den Anschluß der Phase dienenden Windungsumkehrpunkt miteinander
verbunden sind.
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Unter der Voraussetzung, daß die einzelnen Phasen des dreiphasigen
Frequenzstromnetzes gleiche Spannungshöhe besitzen, haben die als Zu-und Ableitung
für das Isühl-#vasser dienenden Sternpunkte keilten Spannungsunterschied zur Erde,
und zwar auch dann nicht, wenn in allen drei Phasen die gleiche elektrische Unsymmetrie
zwischen den zu beiden Seiten jeder Phase geschalteten Wicklungen vorliegen sollte.
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In den Abbildungen ist nun gleichzeitig zur Erläuterung weiterer Merkmale
der Erfindung eine Einrichtung dargestellt, wie sie beispielsweise zum laufenden
Glühen von Eisen- oder Stahlrohren Verwendung finden kann, und zwar zeigt Abb. i
einen Längsschnitt und Abb. 2 einen Querschnitt durch die Einrichtung. Eine der
Hauptbedingungen, denen die Vorrichtung genügen muß, besteht darin, daß im erregten
Zustand der Vorrichtung keine transformatorischen Wirkungen in den einzelnen Teilen
derselben auftreten können. Zu diesem Zweck müssen alle innerhalb und außerhalb
der Erregerwicklung angeordneten zylindrischen Körper in Richtung ihrer Längsachse,
d. h. längs einer Mantellinie, elektrisch isolierend unterbrochen sein. Entsprechend
den jeweiligen Erfordernissen können die Vorrichtungen kurz oder lang sowie ein-
oder mehrteilig ausgebildet und unmittelbar nebeneinander oder mit einem bestimmten
Abstand voneinander angeordnet sein.
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Wie aus den Abbildungen ersichtlich, bestellt die Vorrichtung beispielsweise
aus drei gleichen, hintereinander angeordneten Innenzylindern i, durch welche im
Innern ein Transportband aus den Teilen 15, 16 und 17 mit dem daraufliegenden und
zu behandelnden Rohr i8 auf Fahrschienen ig geführt wird. Zur Vermeidung einer transformatorischen
Wirkung in den Zylindern i sind diese an ihrer oberen Mantellinie in Richtung ihrer
Längsachse durch eine elektrische Isolation d, elektrisch leitend unterbrochen.
Diese elektrische Isolation q. ist im Längsschnitt nicht mit eingezeichnet, dagegen
im Querschnitt ersichtlich. Die äußeren Mantelflächen der Innenzylinder i sind vollständig
mit einer elektrischen Isolation 2 überzogen, über welcher die Erregerwicklungen
7 angeordnet sind. Außerhalb sind die Erregerwicklungen 7 von Ständern 3 umgeben,
deren innere Oberflächen mit einer elektrischen Isolation 5 überzogen sind und in
welchen die Innenzylinder i mit den Erregerwicklungen 7 unbeweglich angeordnet sind.
Um wiederum eine transformatorische Wirkung in den Ständern 3 zu verhüten, sind
diese ebenfalls an ihrer oberen Mantellinie in Richtung ihrer Längsachse elektrisch
leitend unterbrochen und diese Stellen mit einer elektrischen Isolation .6 ausgefüllt.
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Die Erregerwicklung 7 ist über den Innenzylindern i jedesmal in zwei
Gruppen angeordnet, welche durch die Brücken 13 miteinander parallel geschaltet
sind. Um jede ungleichmäßige Belastung der Phasen im Stromnetz zu vermeiden, wird
die Vorrichtung mit einem Dreipflasenfrequenzstrom, also Drehstrom betrieben, der
durch die Anschlußschrauben 8 den Erregerwicklungen 7 zugeführt wird. Durch die
Parallelschaltung der Erregerwicklungen 7 wird es erreicht, daß mehrere dreiphasige
Gruppen auf einen oder mehrere Innenzylinder i im Stern geschaltet werden können.
Zu diesem Zweck werden die anderen Enden der Erregerwicklungen 7 jedesmal zu drei
Enden miteinander verbunden, so daß einmal durch die Teile 9 und io und das andere
Mal durch die Teile ii und i2 drei Hälften der Erregerwicklungen 7 jedesmal in Stern
geschaltet sind. Diese Maßnahme hat den Zweck, daß die Erregerwicklung 7, die vorzugsweise
aus gut elektrisch leitendem Rohr hergestellt ist, mittels Wasser gekühlt werden.
kann, ,welches in der Pfeilrichtung durch die Rohre und Erregerwicklung fließen
kann. Zur Sicherheit gegen Stromübertragung auf die Vorrichtung sind die Verlängerungen
i i durch die Isolierbuchsen 14 von den Ständern 3 elektrisch isoliert. Durch die
doppelte Stern- und Sonderschaltung kann ohne Gefahr die Kühlung der Erregerwicklungen
mit Wasser vorgenommen werden; .da die aufgedrückte Spannung durch die Zu- und Abflußrohre
io und 12 an diesen Stellen gegen Erde auf Null gebracht ist. Die Wasserkühlung
ist von großer Wichtigkeit, da
sonst die Erregerwicklungen 7 und
die Innenzylinder i mit der aufgebrachten Isolation von der vom Rohr 18 abstrahlenden
Wärme zu sehr beeinträchtigt würden.
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,Die Wirkung der Vorrichtung ist abhängig von der Wahl des Werkstoffes,
aus dem sämtliche Teile der Vorrichtung hergestellt werden, und muß als solcher
unmagnetisierbares Material gewählt werden. Der rauhen Beanspruchung wegen wird
unmagnetisierbarer Hartstahl bevorzugt, der außer den erforderlichen Eigenschaften
auch eine hohe mechanische Festigkeit besitzt und daher für den rauhen Betrieb am
besten geeignet ist. Der verlangten guten Leitfähigkeit wegen können die Erregerwicklungen
7 aus Kupferrohr hergestellt sein, da der vom zugeführten Frequenzstrom zu überwindende
Widerstand durch den induktiven Widerstand des zu behandelnden Rohres erheblich
vergrößert wird, dessen Größe von der Größe des Querschnittes des Rohres abhängig
ist. Die Windungen der Erregerwicklung 7 zwischen den Phasen müssen so angeordnet
werden, daß beim Erregen derselben keine gegeneinander arbeitenden Felder entstehen,
die keine Wirkung hervorbringen würden.
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Da Teile aus magnetisierbaren Werkstoffen, die durch die Vorrichtung
geführt werden, zum Erglühen kommen, werden. sämtliche Teile des Transportbandes,
auf welchem die Rohre durch die Vorrichtung geführt werden, ebenfalls aus unmagnetisierbarem
Werkstoff hergestellt, und zwar vorzugsweise auch aus unmagnetisierbarem Hartstahl.
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Die Inbetriebnahme der Vorrichtung gestaltet sich nun folgendermaßen:
Zuerst wird die Wasserkühlung, die an jedem Wasserleitungsnetz angeschlossen werden
kann, auf die Erregerwicklungen gesetzt und darauf der Frequenzstrom auf die Wicklung
geschaltet. Solange kein Eisen- oder Stahlrohr in die Nähe der Vorrichtung kommt,
ist kein Geräusch zu hören. Wird nun ein Eisen- oder Stahlrohr auf das Transportband
gebracht und von diesem dann in Richtung zur Vorrichtung bewegt, dann läßt sich
schon vor Eintritt des Rohres in die Vorrichtung ein transfortnatorisches Geräusch
feststellen, welches um so größer wird, je näher das Rohr an die Vorrichtung herankommt,
und am stärksten ist, wenn das Rohr in seiner ganzen Länge von der Vorrichtung umgeben
ist. Dieses Geräusch verschwindet aber wieder um so mehr, je höher die Temperatur
im Rohr ansteigt.
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Das Transportband kann endlos und unter der Vorrichtung wieder zurückgeführt
sein. Sobald das Rohr in Transportrichtung mit dem vorderen Ende die Vorrichtung
verläßt, kann es von einem nicht eingezeichneten Transportband übernommen und weiterbefördert
werden. Die Aufgabe des Rohres auf das endlose Band kann ebenfalls durch ein nicht
eingezeichnetes Transportband erfolgen, welches vor dem endlosen Band angeordnet
wird.
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Solange Rohre durch die Vorrichtung geführt werden, darf die Wasserkühlung
nicht unterbrochen werden. Ebenso darf die Wasserkühlung nicht unterbrochen werden,
wenn kein Rohr in der Vorrichtung ist, da sonst im ersten Falle die Erreger-, wicklungen
durch zu starke Erwärmung vom glühenden Rohr aus beschädigt würden und im zweiten
Falle in den Erregerwicklungen durch Fortfall des induktiven Eisenwiderstandes vom
Rohr eine zu hohe Stromaufnahme stattfände, die die Wicklung zerstören würde. Die
höchste Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist dann gewährleistet, wenn das magnetische
Frequenzstromfeld innerhalb der Vorrichtung auf die Eisen- bzw. Stahlröhren. wirken
kann. Gegenüber dem Leerlauf beträgt der Stromverbrauch dann nur etwa 2o '/o vom
Leerlaufstrom. Im übrigen ist der Stromverbrauch der Vorrichtung von der Größe des
zu glühenden Eisen- oder Stahlrohrquerschnittes abhängig.
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Um zu erreichen, daß das zu glühende Rohr 18 bei der Durchführung
des Verfahrens vom Transportband magnetisch nicht abgezogen werden kann, sind das
Transportband und die Vorrichtung so durchgebildet, daß die Mittelachse des Rohres
tiefer ,als die Mittelachse der Vorrichtung liegt, wodurch das Rohr 18 durch das
magnetische Frequenzstromfeld fest gegen die Teile 16 des Transportbandes gezogen
und gehalten wird.
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Die Kühlung der Erregerwicklung kann auf zwei Arten durchgeführt werden,
und zwar erstens, indem nur Frischwasser zu- und abläuft, und zweitens, indem das
Wasser von der Erregerwicklung aus durch Rohrschlangen geführt wird, welche von
dem Wasser angewärmt werden, wobei dem Wasser durch die Erregerwicklungen und die
Rohrschlangen ein geschlossener Kreis vorgeschrieben wird, in welchem es fortlaufend
zirkulieren kann. Diese nicht dargestellten Rohrschlangen können in Becken untergebracht
sein, in welchen beispielsweise Schutzmasse zum überziehen der Rohre warmgehalten
werden soll.
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Es liegt zweifellos der Gedanke nahe, daß an der Verbindungsstelle
zwischen Wasserleitung und den Sternpunkten der Erregerwicklungen eine Übertragung
des Frequenzstromes auf das Wasserleitungsnetz erfolgen und schädliche Auswirkungen
im Wasserleitungsnetz nach sich ziehen würde; dies ist aber nicht der Fall, da an
den Sternpunkten der Erregerwicklungen 7 kein Spannungsunterschied mehr besteht
und somit die Spannung gegen Erde gleich Null ist.
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In Abb.3 ist nochmals das reine Schaltschema gemäß Abb. i dargestellt.
Die jeder Phase R, S, T des Drehstromes zugeordneten parallel geschalteten beiden
Rohrwindungsgruppen 7 sind hier axial hintereinanderliegend gleichlaufend angeordnet,
und die Phase ist jeweils bei 8 an die Rohrbrücke 13
angeschlossen. Die Rohrleitungen
io und i2 sind die beiden Sternpunkte des Netzes in denen die Spannung Null herrscht.
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Abb. q. zeigt ein anderes Schaltschema. Hier sind die jeder Phase
zugeordneten parallel geschalteten Rohrwindungsgruppen 7 und 7' gegeneinander gegenläufig
angeordnet, und die Phase ist jeweils bei 8' an den Windungsumkehrpunkt angeschlossen.
In
beiden Fällen werden in den Rohrwindungsgruppen jeweils gleichgerichtete magnetische
Felder erzeugt.