DE2704451A1 - Verfahren zur kontinuierlichen induktiven erhitzung von langgestreckten metallwerkstuecken - Google Patents

Description

Patentanwälte Lüdenscheid, 2. Februar 1977 -8

Dr. W. Haßler

DipL-Cliom. P. Schrumpf A 77 7

Pos.fach 17 04

5833 Lüclsnscheid

Anmelderin: Firma Nippon Steel Corporation

6-3, Otemachi 2-chome, Chiyoda-ku, Tokio, Japan

Verfahren zur kontinuierlichen induktiven Erhitzung von langgestreckten Metallwerketücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen induktiven Erhitzung von langgestreckten Metallwerkstücken, wonach das Werkstück in seiner Längsrichtung durch eine Induktionsheizspule hindurchbewegt wird, damit das Werkstück auf eine Solltemperatur aufgeheizt wird.

Zielsetzung der Erfindung ist die Verbesserung des Erhitzungswirkungsgrades und der Gleichmäßigkeit der Verteilung der Erhitzung gegenüber einem herkömmlichen induktiven Erhitzungsverfahren. Beim herkömmlichen kontinuierlichen induktiven Erhitzungsverfahren, das im wesentlichen mit Hilfe von Erfahrungswerten nach Auswahl der Spannung der Stromquelle und der Bewegungsgeschwindigkeit entsprechend von Arbeitsgrößen arbeitet, hängt die Regelung der Erhitzungstemperatur zur Erzielung der genannten Solltemperatur des Werkstücks ausschließlich von der Geschicklichkeit der Bedienungsperson ab. Wie groß auch diese Erfahrung ist, läßt sich damit doch nur unter Schwierigkeiten eine Regelung der Erhitzungstemperatur innerhalb der schmalen Spanne erzielen, in der die Isttemperatur des Werkstücke liegen soll, jeweils in Abhängigkeit von Abweichungen in der Zusammensetzung, Größe und anderen Kennwerten des Werkstücks und in Abhängigkeit von Schwankungen der Erhitzungewirkung aufgrund

L

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einer Änderung des Wärmeanstiegs; dies gilt umso mehr, weil die Induktionserhitzung immer größere Verbreiterung findet. Deshalb erfolgt die Wärmebehandlung von Stahlwerkstücken großer Abmessung im allgemeinen in einem Verbrennungsofen unter Regelung der Temperatur der Ofenatmosphäre.

Im Hinblick auf die Forderungen einer Energieeinsparung und im Hinblick auf die Maßnahmen zur Verhütung von Luftverschmutzung, die bei Verwendung solcher Öfen gegeben ist, wird d Entwicklung eines elektrischen Erhitzungsverfahrene, das keine Umweltverschmutzung bewirkt, gegenwärtig immer wichtiger und dient zur Lösung der Energieprobleme. Diese Erwartung wird durch die Anwendung der induktiven Erhitzung auf Wärmebehandlungsöfen mit großen Abmessungen gestützt. Jedoch die Induktionserhitzung leidet unter dem Nachteil, daß die Erhitzungszeit zu kurz ist, daß die Wärmeverteilung durch Wärmelei-tung nicht wirksam möglich ist, so daß in manchen Fällen zu große Temperaturunterschiede innerhalb d,es erhitzten Werkstücks in Längsrichtung und in Umfangsrichtung im Vergleich zu einer Erhitzung in einem Verbrennungsofen vorhanden sind.

Bei der induktiven Erhitzung von Werkstücken großer Länge wie nahtlosen Stahlrohren kann diese Temperaturdifferenz nicht durch Maßnahmen wie die Regelung des in die Induktionsspule eingespeisten Stromes behoben werden, wobei nur die Temperatur des Werkstücks auf der Austrittsseite der Induktionsspule gemessen und mit einer Solltemperatur verglichen wird, weil innerhalb der Regelung eine Zeitverzögerung auftritt. Infolgedessen läßt sich bei induktiver Erhitzung keine gleichförmige Erhitzung auf die gewünschte Temperatur erwarten.

Im Rahmen der Erfindung sind Werkstücke mit nahezu gleichem Querschnitt wie Stahlrohre angesprochen.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrene

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zur induktiven Erhitzung von Werkstücken, das gegenüber dem herkömmlichen induktiven Erhitzungsverfahren verbessert ist und die genannten Schwierigkeiten löst, damit eine wirkungsvolle und gleichförmige Erhitzung der Werkstücke auf die gewünscht e Temperatur möglich ist.

In weiterer Zielsetzung erstrebt die Erfindung die Bereitstellung eines Verfahrens, das die Ungleichförmigkeit der Temperatur des erhitzten Werkstücks auf einen Minimalwert herab setzt, unabhängig von Schwankungen der Wanddicke des Werkstücks.

Eine weitere Zielsetzung der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, bei dem die Temperaturverteilung in den Endteilen der Werkstücke gleichförmig ist, damit eine Werkstoffeinsparung beim Schöpfen aufgrund Unregelmäßigkeiten der Form, der Größe oder der Qualität möglich ist, wodurch die Ausbringung erhöht wird.

Diese Aufgaben werden nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Induktionsheizspule in Längsrichtung in mehrere Einzelspulen unterteilt wird, daß die Temperatur des Metallwerkstücks an der jeweiligen Einzelspule aufgrund der am Eintritt in die Spule gemessenen Temperatur berechnet wird, daß diese berechnete Temperatur mit der Solltemperatur des Werkstücks am Austritt aus der Spule verglichen wird und daß die Stromeinspeisung in die Spule in Abhängigkeit von dem Vergleich derart geregelt wird, daß die Temperaturdifferenz des Metallwerkstücks am Austritt aus der Spule einen Minimalwert erreicht.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, in denen darstellen:

Fig. 1 ein Schaubild der Beziehung zwischen Wanddicke des Werkstücks und Aufheiztemperatur für vorge-

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-,-ι , ²⁷⁰"⁵¹

gebene Werte der Frequenz des Heizstroms, der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks, der Temperatur auf der Eintrittsseite der Heizspule des in die Spule eingespeisten Stroms und anderer Elemente der Spule,

Fig. 2 ein Schaubild zur Erläuterung des Temperaturanstiegs eines Stahlrohrs, wenn dasselbe durch die Induktionsheizspule mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird, sowie eine Kurve für die Eindringtiefe des Induktionsstromes, Fig. 3 einen Querschnitt durch Metallrohre mit abgestufter Wandung,
Fig. U- ein Blockschaltbild eines Rechners für die Aufheizbedingungen,

Fig. 5 Erläuterungen für die Unterteilung der Induktionsheizspule in Teilspulen mit Schaubildern der erzielbaren Temperaturverteilung, Fig. 6 eine Temperaturkennlinie der magnetischen

Permeabilität,
Fig. 7 eine Temperaturkennlinie des spezifischen

Widerstandes R,
Fig. 8 eine Temperaturkennlinie der spezifischen Wärme

C des Werkstücks,
Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Ausführung der Temperaturregelung,

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen elektrischen Regelkreises,
Fig. 11 und 12 Ausführungsformen der elektrischen Regelung

nach der Erfindung,
Fig. 13 ein Schaubild der Beziehung zwischen der Lage

des Werkstücks und dem Spulenstrom, Fig. 14 ein Schaltbild eines äquivalenten Stromkreises

für das induktive Heizsystem, Fig. 15 ein Schaubild zur Darstellung der Änderung der

Belastung des induktiven Heizsystems, Fig. 16 ein Schaubild zur Darstellung der Änderung des

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Stromes der Heizspule beim Durchgang des Werkstücks durch dieselbe,

Fig. 17 ein Schaubild der Änderung der Temperatur auf der Austrittsseite der Heizspule,

Fig. 18 ein Schaubild für die Temperaturänderung auf der Austrittsseite der Heizspule,

Fig. 19 ein Blockschaltbild einer programmgesteuerten induktiven Heizeinrichtung und

Fig. 20 ein Schaubild für die Stromkennlinie bei Anwendung des programmgesteuerten induktiven Heizverfahrens nach der Erfindung.

Nach der Erfindung wird eine Heizspule zunächst einmal in eine Anzahl Einzelspulen unterteilt, die Temperatur des jeweiligen Werkstückes an der jeweils vorgegebenen Stelle wird gemessen oder berechnet, wenn diese Stelle in die Spule einläuft, die Temperatur für diese Stelle wird für den Eintritt in eine bestimmte Einzelspule aus der genannten Eintrittstemperatur berechnet und auch für eine Temperatur, auf die das Werkstück aufgeheizt werden soll, während es sich vom Eintritt der Spule zu der genannten Einzelspule bewegt; diese Temperatur des Werkstücks an der genannten Stelle beim Eintritt in den Spulenabschnitt, die in der genannten Weise erhalten ist, und eine für den Spulenausgang vorgegebene Temperatur werden in den fiechengang für die Korrektur des Speisestromes der Spule eingegeben, wodurch der Heizvorgang derart korrigiert wird, daß die Temperatur des Werkstücks am Austritt aus der Spule mit der vorgegebenen Solltemperatur übereinstimmt.

Diese Verfahrensweise zur Korrektur des Heizvorgangs kann mit Zielrichtung auf eine Stelle oder auf mehrere Stellen des Werkstücks durchgeführt werden. In dem letzteren Fall wird der Heizvorgang so korrigiert, daß die Abweichung, z. B, die mittlere quadratische Abweichung, auf einen Minimalwert herabgesetzt wird.

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270U5 1 - Z

Im Hinblick auf die Unterteilung der Heizspule in Einzelspulen sollen die Einzelspulen ebensolang oder ein ganzzahliges Vielfaches länger als die zur Messung oder Abfrage sich bewegende Stelle des Werkstücks sein. Die vorgegebene Einzelspule soll eine Lage haben, deren Abstand vom Austritt aus der Spule groß genug ist, um die Erhitzung des Werkstücks auf die Solltemperatur am Austritt aus der Spule zu korrigieren.

Zur Regelung der induktiven Erhitzung steht neben dem Spulenstrom die Frequenz desselben zur Verfügung. Die Frequenz hat einen großen Einfluß auf den Heizwirkungsgrad und die Temperaturdifferenz, die, ob sie nun zu groß oder zu klein ist, den Heizwirkungsgrad herabsetzt; der Erhitzungswirkungsgrad erreicht nur dann seinen Größtwert, wenn die Frequenz unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des Werkstücks und anderer Verfahrensgrößen eingestellt ist.

Eine Änderung der Wandstärke des Werkstücks beeinflußt den Temperaturanstieg des Werkstücks, wenn der Spulenstrom und die Frequenz konstant bleiben, wobei mit größer werdender Wandstärke der Temperaturanstieg kleiner wird; wenn die Wandstärke zu klein ist, wird der Temperaturanstieg ebenfalls kleiner. Im Rahmen der Erfindung konnte gezeigt werden, daß der Temperaturanstieg dann einen Maximalwert hat, wenn die mittlere Eindringtiefe des Stromes ^= ( tT. + 6^) /2 ungefähr 1A c bis I/, der Wandstärke (t) des Werkstücks ausmacht, mit O. als Eindringtiefe des Stromes am Eintritt in die Heizspule und Oq als Eindringtiefe am Austritt aus der Heizspule. Die Eindringtiefe 0 (cm) des Stromes wird durch folgende Gleichung dargestellt:

(T= 5,03

mit Q als spezifischer Widerstand ( ,u 52* cm) f als Frequenz
/U als magnetische Permeabilität

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27 0 44 5 i - r- 9

Wenn also die Wandstärke des Werkstücks sich ändert, ändert sich auch der Temperaturanstieg.

Auch in diesen Fällen kann jedoch nach der Erhitzung eine Temperaturdifferenz in Umfangsrichtung bei nahtlosen Stahlrohre] ι auftreten, weil eine Änderung der Wandstärke in Umfangsrichtung unvermeidbar vorliegt. Wenn jedoch die Frequenz der Heizspule so eingestellt ist, daß sich in der angegebenen Weise ein maximaler Temperaturanstieg ergibt, ist die vor und hinter der Spitze der Temperaturkurve auftretende Änderung mäßig, so daß eine Änderung der Wandstärke keinen so großen Abfall des Temperaturanstiegs bewirkt. Damit ist es möglich, die Temperaturdifferenz in Umfangsrichtung des Werkstücks kleiner zu halten.

Im allgemeinen Sprachgebrauch ist ein Unterschied zwischen der Frequenz zur Erzielung eines maximalen Erhitzungswirkungsgrades und der Frequenz zur Sicherung einer gleichmäßigen Erhitzung unabhängig von der Änderung der Wandstärke; die zuletzt genannte Frequenz ist beträchtlich größer als die zuerst genannte. Infolgedessen ist der Heizofen mit einer Mehrzahl von Heizspulen ausgestattet, durch die sich das Werkstück nacheinander bewegt. Wenn dann die erste Gruppe der Spulen mit einem Strom einer Frequenz zur Sicherstellung eines maximalen Erhitzungswirkungsgrades erregt wird und unter der genannten Temperaturregelung arbeitet und wenn die zweite Spulengruppe mit einem Strom einer Frequenz zur Sicherstellung einer gleichförmigen Erhitzung unabhängig von der Änderung der Wandstärke erregt wird und erforderlichenfalls für eine Temperaturregelung ausgelegt sind, kann man das Werkstück sehr genau auf eine Solltemperatur in seiner Längsrichtung und in Umfangsrichtung erhitzen und erhält damit eine sehr wirksame Erhitzung.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in Einzelheiten erläutert.

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- 40

2 V t j 4 4 b I

Wenn die Frequenz des Spulenstromes, die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks, die Temperatur des Werkstücks am Eintritt in die Spule, der Spulenstrom selbst und andere Verfahrensgrößen der Heizspule konstant eingestellt werden, dann gilt:

1) die Temperaturkennlinie zur Darstellung der Temperatur θ des Werkstücks in Abhängigkeit von der Wandstärke t eines Metallrohrs hat ein Maximum, wonach gemäß Fig. 1 die Temperatur θ des Rohres einen Maximalwert für die Wandstärke tg erreicht.

2) Fig. 2 zeigt eine Kurve a für den Temperaturanstieg des Stahlrohrs M beim Durchgang durch die Induktionsspule 1 mit konstanter Geschwindigkeit und bei entsprechender induktiver Erhitzung. Eine weitere Kurve b gibt die Eindringtiefe des Stromes in Verbindung mit dem genannten Temperaturanstieg an. Die Punkte c und d geben jeweils die minimale und maximale Eindringtiefe an. Aus dieser Zeichnung wird deutlich, daß die Temperaturänderungsgröße £ Θ/Θ in der Nähe von t^ einen Minimalwert erreicht, wenn die mittlere Eindringtiefe f aus dem Minimalwert c von ν in der Nähe des Eintritts und dem Maximalwert d von cT in der Nähe des Austritts aus der Heizspule nahezu gleich der Wandstärke t_Q wird, bei der θ nach der Kennlinie der Fig. 1 einen Maximalwert erreicht.

3) t₀ hängt von der Änderung einer oder mehrerer Kenngrößen des Heizverfahrens ab.

Unter Berücksichtigung all dieser Erkenntnisse ermöglicht die Erfindung eine solche Auswahl der Erhitzungsbedingungen, einschließlich der Frequenz für eine gleichförmige Erhitzung, daß t_Q gleich der mittleren Wandstärke ϊ bei der Erhitzung von Stahlrohren wird, welche eine gleichförmige Wandstärke als Handelsprodukte haben sollen, die jedoch unvermeidbar Ungleichmäßigkeiten in der Wandstärke aufweisen. Damit stellt die Erfindung sicher, daß keine Temperaturdifferenz von erhitzten Stahlrohren unabhängig von Änderungen der Wandstärke auftritt; dieses kann leicht und gleichbleibend im Gegensatz zu herkömmlichen Erhitzungsverfahren gewährleistet werden.

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Zwar kann man t_Q direkt bestimmen; doch erhält man diese Größe leicht dadurch, daß die Erhitzungsbedingungen einschließlich der Frequenz für eine gleichförmige Erhitzung so ausgewählt werden, daß Έ mittelbar nahezu gleich T gemacht wird, indem man die Beziehung ^q-J" benutzt.

Auch bei Verarbeitung von Stahlrohren M^, Mp und M, nach Fig. 3 mit sich stufenweise ändernder Wandstärke werden die Temperaturen der erhitzten Bereiche größter Dicke und kleinster Dicke nahezu gleich, wenn die Erhitzungsbedingungen so eingestellt werden, daß die mittlere Wandstärke aus der größten und der kleinsten Wandstärke =t₀ oder £T gemacht wird.

In Fig. 3 ist ein Stahlrohr M^ mit über die gesamte Länge gleichbleibendem Innendurchmesser und mit einer Abstufung des Außenmantels dargestellt. Das Stahlrohr Mo hat über die gesamte Länge einen gleichbleibenden Außendurchmesser und eine Abstufung der Innenfläche, das Stahlrohr M, schließlich hat jeweils in der Innenfläche und der Außenfläche Abstufungen. Alle diese Stahlrohre weisen stufenweise Änderungen der Wandstärke in einem bestimmten Bereich auf. Die Anwendung des Erhitzungsverfahren nach der Erfindung ist nicht auf solche Änderungen der Wandstärke von Stahlrohren beschränkt, sondern zweifellos auch bei Stahlrohren mit beliebigem Verlauf der Änderung der Wandstärke in beliebigen Bereichen anwendbar.

Unter allen Einflußgrößen zur Erzielung einer brauchbaren Eindringtiefe kann jeder veränderbare Faktor herausgegriffen werden^ doch im Hinblick auf die Gröke und Güte der Werkstücke liegen die Einflußgrößen für die Heizspulen und die Temperaturbedingungen in groben Zügen fest, so daß die Frequenz und die Größe des Heizstromes als verstellbare Größen für die gewünschte Beeinflussung verbleiben. Erforderlichenfalls können jedoch auch andere Kenngrößen für eine Einstellung herangezogen werden. Im Normalfall werden einstellbare Kenngrößen unter Verwendung einer Regelvorrichtung für eine optimale

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Auswahlbedingung eingestellt, die nach Fig. 4 aufgebaut ist und einen Betriebsrechner 5 zur Berechnung einer oder mehrerer einstellbarer Kenngrößen, etwa Frequenz und Stromstärke, ein Eingabegerät zur Eingabe der Kennwerte und ein Ausgabegerät 6 zur Ausgabe der berechneten Größen umfaßt.

Wenn die Frequenz zur Sicherstellung eines maximalen Erhitzungs Wirkungsgrades nahezu mit der Frequenz zur Herabsetzung der Temperaturdifferenz auf einen Minimalwert übereinstimmt, ist die Anwendung dieser Frequenz für den erstrebten Zweck ausreichend. Doch normalerweise ist die Frequenz für die Verringerung der Temperaturdifferenz auf einem Minimalwert sowohl klein als auch derjenigen Frequenz nahe, die wirtschaftlich verfügbar ist; unter Berücksichtigung des Erhitzungswirkungsgrades ist es jedoch nicht zweckmäßig, eine solche niedere Frequenz für alle Einzelspulen anzuwenden.

Deshalb hat die Heizspule nach der Erfindung die Frequenz und die Speiseleistung so verteilt, daß die erste Gruppe von Einzelspulen im Sinne der Gewährleistung eines maximalen Erhitzungswirkungsgrades und die zweite Gruppe von Einzelspulen im Sinne der Herabsetzung der Temperaturdifferenz auf einen Maximalwert vorgesehen ist. Zusätzlich wird ein solches Temperaturregelungsverfahren benutzt, wie es oben genannt ist und das die Temperaturdifferenz noch kleiner macht. Besondere Einzelheiten des Temperaturregelverfahrens liegen darin, daß eirß Solltemperatur für das Werkstück vorgegeben wird und dann der zunächst einzustellende Strom im Hinblick auf die Solltemperatur, die für die Erhitzungsregelung vorgegeben ist, berechnet wird. Die Differenz zwischen der Solltemperatur und der vorhandenen Temperatur wird so verteilt oder ausgelegt, daß die Induktionsheizspule in ihrer Längsrichtung in eine entsprechende Anzahl von Abschnitten oder Einzelspulen unterteilt wird. Die Temperatur des Werkstücks an den jeweiligen Einzelspulen wird aufgrund der vorhandenen Temperatur des Werkstücke, die auf der Eintrittsseite der Induktionsheizspule gemessen

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wird, für die Einzelspulen vorherbestimmt. Der Temperaturanstieg des Werkstücks, um den dasselbe auf der Austrittsseite der Induktionsspule erhitzt wird, wird aufgrund der in der beschriebenen Weise erhaltenen Daten zum Vergleich mit der Solltemperatur berechnet. Aufgrund dieses Vergleichs wird der Strom für die Induktionsheizspule so eingestellt, daß die Temperaturdifferenz kleiner wird. Außerdem wird die Temperatur des Werkstücks nacheinander am Austritt aus der Induktionsheizspule gemessen, um dadurch die Korrelation zwischen dem Meßwert und dem Strom der Induktionsheizspule zu erhalten. Das Ergebnis dieser Bestimmung wird auf den ersten Einstellwert des Stroms, den vorausberechneten Temperaturanstieg des Werkstücks am Ausgang der Induktionsheizspule und den durch diese Vorausberechnung geregelten Strom zurückgekoppelt.

Im Normalfall wird die Wärmeabgabe der Induktionsheizeinrichtung durch die Auslegung der Energiequelle, die Frequenz und den Strom zur ausreichenden Herabsetzung der Temperaturdifferen: und die Erhitzung bestimmt, die zur metallurgischen Behandlung des Werkstücks erforderlich ist. Der Temperaturanstieg des Werkstücks in einem bestimmten Ofen und die Transportgeschwindigkeit des Werkstücks sind gegeben.

Die in dem Werkstück freiwerdende Energie hängt von dem Magnetfeld ab, das in der Induktionsspule erzeugt wird. Dieser Zusammenhang wird durch die folgende Formel dargestellt:

Pw = k fH² (1)

mit Pw : die von dem Werkstück pro Volumeneinheit aufgenommene Energie,

H : Magnetfeld innerhalb der Erhitzungsspule f : Frequenz
k : Proportionalitätskonstante

Da das Magnetfeld von dem Strom in umkehrbar eindeutiger Beziehung abhängt, kann die Gleichung (1) umgeformt werden:

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Pw = K fl² (2)

mit I : als Spulenstrom.

Die Proportionalitätskonstante K setzt sich aus zwei Gruppen von Faktoren zusammen, deren erste Gruppe physikalische Kenngrößen wie Temperatur und Größe des Werkstücks sowie Frequenz der Leistungsquelle und deren andere Gruppe Faktoren umfaßt,
die durch Störungen und Änderungen des Wirkungsgrades aufgrund des Erhitzungsanstiegs und andere Gründe abhängen.

Nach P.G. Simpson wird der Faktor k folgendermaßen eingeführt: Eine vereinfachte Gleichung gilt für den Fall eines Stahlrohrs als Werkstück

fener gilt Pw = K'5.O_/Uf (gg^)² I²

Q
mit dw als Durchmesser des Stahlrohrs,

t als Wandstärke des Stahlrohrs,

R als Widerstand des Stahlrohrs,

/U als Permeabilität,

Nc als Windungszahl der Spule,

^c als Länge der Spule.

Somit kann der Faktor K der Gleichung (2) folgendermaßen darge stellt werden:

K.K-5.O/«

Damit ist K' ein Korrekturkoeffizient gegenüber Störungen. Der Proportionalitätsfaktor K kann weiterhin experimentell erhalten werden, indem man Meßwerte hinsichtlich des Temperaturanstiegs unter Bedingungen mit festgehaltendem Störanteil sammelt,
wobei diese Bedingungen durch Konstanthaltung der Bestimmungsgrößen mit Ausnahme des Korrekturkoeffizienten K', z.B. des
Erhitzungsanstiegs erhalten werden.

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Die Korrelation zwischen dem Temperaturanstieg AT und der in dem Werkstück freigesetzten Energie Pw wird folgendermaßen dargestellt:

4.18C β Τ

*· - —xf- ⁽»

mit Cp als spezifischer Wärme
als Dichte

als Zeit für den Durchgang des Werkstücks durch die Induktionsheizspule.

Aus den Gleichungen (4) und (5) erhält man

λ φ ν- 5.0/Uf At , Nc _N2 jr _T2 Δ¹ ■ *· —* ν. So Ae ' — 2" ¹

P ) ν

wenn Q = ( )^d

kann die Gleichung (6) umgeformt werden:

Damit kann man eine empirische Formel bezüglich Q erhalten, indem man die Störungen konstant hält und indem man auch solche Größen wie den Erhitzungsanstieg konstant hält und ferner die Daten für eine Korrelation zwischen dem Temperaturanstieg des Werkstücks T und dem Strom I sammelt. Dann erhält man und ordnet man den Wert für Q nach Gleichung (8). Wenn so Q bestimmt ist und wenn der Temperaturanstieg ÄT auch gegeben ist kann man umgekehrt den Regelstrom I folgendermaßen berechnen:

So ist eine Regelung des Stromes I für die Induktionsspule gegeben. Wenn der Regelstrom I einmal bestimmt ist, wird die Spannung für die Energiequelle aufgrund des Widerstandes Z.

der Heizspule folgendermaßen eingestellt:

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mit V„ als Spannung der Energiequelle I als Strom für die Spule.

1 wird nach Gleichung (10) aus V und I berechnet, die durch

C CC

kontinuierliche Messungen unter Verwendung eines Meßgerätes für die Betriebsbedingungen der Energiequelle bestimmt werden.

Da die Spannung V der Energiequelle durch die Gleichung

V = Z₀I (11)

gegeben ist, kann V aus dieser Gleichung (11) unter Benutzung des Wertes Z„ bestimmt werden, der durch kontinuierliche Berechnung des Widerstandes der Heizspule nach Formel (10) bestimmt ist. Im Hinblick auf den Korrekturkoeffizienten K' kann man denselben aufgrund der Korrelation zwischen dem Temperaturanstieg und dem aufgrund der Regelung nach Gleichung (8) bestimmten Strom erhalten; damit kann man den Koeffizienten K' als einen praktisch verwertbaren Faktor erhalten, auch wenn K¹ nicht von Anfang an vorgegeben werden kann.

Selbst wenn dort eine konstante Stromregelung benutzt wird, wie sie oben in Verbindung mit den Verfahren zur Bestimmung der Spannung für die Energiequelle erwähnt ist, hat die Temperatur des Werkstücks die in der Temperaturmeßvorrichtung erfaßt ist, eine Differenz ^T_ßr gegenüber der Solltemperatur des Werkstücks, die unvermeidbar durch Schwankungen der Zusammensetzung und Größe des Werkstücks bedingt ist. Nach der Erfindung kann die Temperaturdifferenz ΔΤ^ automatisch geregelt werden, so daß sie innerhalb einer zulässigen Schranke bleibt. Dieses Verfahren der automatischen Temperaturregelung für das Werkstuch erfolgt in einer Regelstrecke. Aus Gleichung (8) erhält man durch Differentiation:

2K'fI

dl

q&t (12)

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Damit ist der Korrekturstrom Δΐ__ für die Korrektur der Tem

6 Γ

peraturdifferenz ΔΤ folgendermaßen gegeben:

4.18C Q

^Aler ^s λ ^ATer

^er 2K'fQ4tI ^er

Der Regelstrom I_FBC einschließlich des Korrekturanteils ist

¹FBC = * ^{+ Al}er <¹*>

Dieser Wert I_FBC des Regelstromes wird für die Rückkoppelung benutzt. Eine solche rückgekoppelte Regelung ist ausreichend, wenn die Induktionsheizspule aus einer Einzelspule besteht, die kürzer als das Werkstück ist und sich das Werkstück langsam bewegt. Wenn sich jedoch das Werkstück schnell bewegt und die Induktionsheizspule aus einer Mehrzahl von Einzelspulen besteht kann man umso größere Einflüsse erhalten, indem man den Korrekturkoeffizienten K¹ bestimmt und eine Vorwärtsregelung einführt, Unter Bezugnahme auf Fig. 5 (a) ist die Induktionsspule 1 in gleichartige Abschnitte einer Anzahl N von Einzelspulen unterteilt. Die Temperaturverteilung auf der Eintrittsseite der Induktionsheizspule innerhalb der jeweiligen Abschnitte ist durch eine Kurve nach Fig. 5 (b) dargestellt. In diesem Fall führt die Anwendung einer einfachen rückgekoppelten Regelung zur Umlenkung der Temperaturverteilung auf der Austrittsseite ohne Bearbeitung, da die Stromänderung der Heizspule das Werkstück beeinflußt, welches gerade in der Induktionsspule enthalten ist. So ist jede Regelung bedeutungslos, wenn nicht die Temperatur der betreffenden Abschnitte des Werkstücke, die in der Induktionsspule enthalten sind, vorausbestimmt wird, wie dies in Fig. 5 (c) dargestellt ist, und wenn nicht das in der Induktionsspule enthaltene Werkstück gleichförmig und unter einer solchen Regelung erhitzt wird, daß die Temperaturdifferena verringert wird. Das folgende dient zur Erläuterung des Falls, in dem eine Heizspule mit dem Verfahren der Vorwärtsregelung zur Anwendung kommt; dieses Verfahren ist auch für eine Regelung mit einer Mehrzahl von Heizspulen anwendbar. Zunächst wird der

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- ys - ti

Korrekturkoeffizient K¹ folgendermaßen bestimmt. Wenn die Heizspule gleichförmig in eine Anzahl N von Einzelspulen unterteilt ist und das Werkstück durch jeden Abschnitt mit einer Durchgangszeit -At (N At = At) durchläuft und von einem Regelstrom I^ (i : 1, 2 bis N) beaufschlagt wird, wird der vorgegebene Temperaturanstieg At„ folgendermaßen berechnet: N 2

Σ k'fQI. Δΐρ
i=l ^λ
τ = (15)

* ⁸

Da der Verlauf des Temperaturanstiegs innerhalb der Spule kontinuierlich ist, kann der erhaltene Temperaturanstieg AT_R durch Synchronisierung der in dem Temperaturfühler in einem Punkt des Werkstücks gemessenen Temperatur und durch Eingabe in den Speicher des Betriebsrechners bestimmt werden. Aus kann man den Faktor K'_D bestimmen:

Xl

4.18C ς ΔΤ_ρ
Κ E2ä

Σ W? At

i=l ^{x p}

In Bezug auf dem resultierenden Temperaturanstieg A(P_R wird die Temperatur des Werkstücks auf der Eintrittsseite der In-

/die
duktionsheizspule 1, die⁷atmosphärische Temperatur bei der Messung im ersten Abschnitt oder in der ersten Einzelspule ist und die für jede folgende Einzelspule durch einen Temperaturfühler auf der Austrittsseite der vorhergehenden. Einzelspule erhalten wird, mit der jeweiligen Stelle des Werkstücks synchronisiert; dann wird K'_R aus der Gleichung (16) aufgrund der gemessenen Temperatur At_r innerhalb einer Periode At und auch aus dem Regelstrom I^ am Ausgang der Energiequelle bestimmt. Man ermittelt dann K¹ aus K'_R durch exponentielle Glättung oder durch Mittelwertbildung, wodurch möglich ist, den Wert K' für den gegenwärtigen Status des Induktionsheizverfahrens vorzuhalten.

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27QU51

Es muß allerdings im Auge behalten werden, daß das Ergebnis der Regelung das in der Spule befindliche Werkstück beeinflußt. Ebenso wie dies für eine Induktionsheizspule aus einer Einzelspule gilt, ist die Temperatur des Werkstücks auf der Eintritts seite der Induktionsheizspule zwischen den einzelnen Stücken zumeist unterschiedlich, weil Unterschiede in der Größe des Querschnitts in Längsrichtung vorhanden sind, gilt dies auch für eine Induktionsheizspule aus einer Mehrzahl von Einzelspulen.

Nach der Erfindung erfolgt die Vorwärtsregelung mit veränderlichen Größen auf der Eintrittsseite des Induktionsheizofens, die berücksichtigt werden. Diese Arbeitsweise verläuft folgendermaßen:

Die Vorwärtsregelung mit Vorgabe in der j-ten Einzelspule der N-Einzelspulen, in die die Induktionsheizspule gleichmäßig unterteilt ist, wird nunmehr betrachtet. Die Temperatur des Bereichs des Werkstücks, der gerade diese Einzelspule erreicht, wenn dieser Bereich durch die Eintrittsseite der Induktionsheizspule gelangt, ist T ,, der Strom durch die jeweiligen Einzelspulen ist I^ (i : 1, 2 ... j-1) und wird zur weiteren Steuerung mit dem Strom I zusammengeführt, die vorberechnete Temperatur T . in diesem Punkt beim Erreichen der Austrittsseite der Induktionsheizspule wird folgendermaßen dargestellt: J-I 2 N 2

*T KTQI₀At

—^ + o?< (17)

Wenn die Sollheiztemperatur der Induktionsheizspule andererseits T^ beträgt, macht die vorausberechnete Temperaturdiffe renz AT_cej folgenden Betrag aus:

K' f Qlf At_p+ T K · ^

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^27ÜU51

Wenn man setzt Ä-j = + T.j und

4.18C D

'P
4.18C.

erhält man aus Gleichung (18) die folgende Gleichung:

^Tcej ⁼*J ⁺ ^¹C - ^Tt

So erhält man die zu einer betreffenden Zeit vorberechnete Temperaturdifferenz für das Werkstück in den jeweiligen Einzelspulen der Induktionsheizspule. Infolgedessen ergibt sich der quadratische Wert der gesamten vorausberechneten Temperaturdifferenz für den Zeitpunkt, in dem der zu dem jeweiligen Zeitpunkt in der Spule enthaltene Teil des Werkstücks durch die Spule hindurchgelangt ist:

WW '

Z )² = Z (Og₊BjI^-T)² (19)

^{c r}

Wenn man das Verfahren der mittleren quadratischen Abweichung anwendet, stellt I , das den Wert auf der rechten Seite der Gleichung (19) zu einem Minimum macht, den Stromjfür die Vorwärtsregelung oder Vorgaberegelung dar, der die gesamte gewünschte Temperaturdifferenz des Werkstücks, das im jeweiligen Zeitpunkt in der Induktionsheizspule enthalten ist, zu einem Minimum macht. Das bedeutet, der Strom für die Vorgaberegelung zur gewünschten Minimierung der Temperaturdifferenz des Werkstücks wird durch die folgende aus Gleichung (19) abgeleitete Gleichung dargestellt:

¹FPO- / *? ⁽²⁰⁾

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^27OU5\

Wenn dieser Strom mit dem Rückkoppelungsstrom gemäß Gleichung kombiniert wird, erhält man

¹C " ^qIFFC ^{+ (1} mit 0 * q sf 1.

I stellt den Strom zur Steuerung der Spule mit einem zusatzliehen Anteil der Rückkoppelungssteuerung und der Vorgabesteuerung dar. Die magnetische Permeabilität ,u, der spezifisch Widerstand R und die spezifische Wäre C des Werkstücks haben jeweils eine Temperaturkennlinie gemäß Fig. 6, 7 bzw. Θ. Die für eine mittlere Temperatur angegebenei Kenngrößen können für diese weiteren Faktoren vorgesehen werden.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform zur Verwirklichung des Verfahrens nach der Erfindung. Über Induktionsheizspulen 1 wird jeweils ein Strom mit einer Normfrequenz im Hinblick auf den Erhitzungswirkungsgrad und die Ungleichförmigkeit der Wärmeverteilung eingespeist. Für die Erhitzung von Stahlrohren mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Wandstärke von 10 mm auf eine Temperatur zwischen Zimmertemperatur und 600° C muß eine Frequenz von 300 Hz im Hinblick auf den Erhitzungswirkungsgrad angewandt werden, so daß auf der Eintrittsseite der Heizspule die Eindringtiefe 4,1 mm und auf der Austritteseite 8,2 mm beträgt. Infolgedessen ist t/ J = 1,63, was für diesen Fall ausreichend gut ist. Das Werkstück U bewegt sich au! einem Rollgang 17 und Transportrollen 16 durch die Induktionsheizspule 1. Zur Speisung der Induktionsheizspule dient eine Energiequelle 12, die eine kontinuierliche Regelung von Spannung und Stromstärke ermöglicht. Spannung, Strom und Leistung für die Induktionsheizspulen sowie die Einspeisungsfrequenz, wenn die Energiequelle eine einstellbare Frequenz hat, in die die Betriebsbedingungen der Energiequelle rückwirken, werden in einem Meßgerät 13 erfaßt. Dabei wird die Spannung durch einen Meßtransformator, der Strom durch einen

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^27OU51

Stromtransformutor nachgewiesen. Die Multiplikation von Spannun und Strom liefert ein Leistungssignal. Die Frequenz wird mit einem Zähler oder einer ähnlichen Einrichtung erfaßt. Außerdem ist eine Meßrolle 18 vorhanden, an die ein Geschwindigkeitsmesser 19 zur Drehzahlmessung der Meßrolle 18 angeschlossen ist, z.B. ein Tachogenerator. Auf der Austrittsseite der Induktionsheizspulen erfolgt die Temperaturmessung mit berührungsfreien Fühlern 14, z.B. mit Strahlungsthermometern. Temperaturwandler 15 wandeln die Signale der Temperaturfühler 14- in Temperatursignale um, z.B. wird das Signal bei der Umwandlung linearisiert. Ein Rechner mit Speicher 21 dient zur Berechnung des Stromes zur Regelung der Spule nach dem angegebenen Verfahren aufgrund der Temperatursignale der Temperaturwandler 15» aufgrund der Signale der Spannungsmesser, Strommesser und anderer Betriebsbedingungen, die aus der Meßvorrichtung für die Energiequelle herkommen, sowie aufgrund der Signale des Geschwindigkeitsmessers 19» entsprechend dem Rechenergebnis gibt der Rechner Betriebsbefehle an die Energiequelle 12.

Außerdem ist in der Endstufe eine Spule 22 vorgesehen, deren Erregungsfrequenz so ausgewählt ist, daß eine minimale Temperaturdifferenz hinsichtlich einer Ungleichmäßigkeit der Wandstärke gewährleistet ist. Für den Fall der Erhitzung von Stahlrohren mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einer Wandstärke von 10 mm muß die Frequenz 90 Hz betragen, wenn die Stahlrohre auf eine Temperatur zwischen 550° C und 600° C aufgeheizt werden sollen. Für die Spule 22 in der Endstufe ist eine besondere Energiequelle 23 vorgesehen.

Nach der Erfindung erfolgt die Erhitzung des Werkstücks unter einer solchen Regelung der Erhitzung, daß eine gleichförmige Temperaturverteilung in Längsrichtung des Werkstücks mit geringen Schwankungen erzielt wird. Diese Regelung ist weit wirkungsvoller für die Temperaturverteilung des Werkstücke, wenn man einen Rechner mit Speicher zur Korrektur der Vorgabewerte einsetzt, als bei einem Vorgabebetrieb herkömmlicher Art.

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Dadurch kann man eine gleichförmige Heizwirkung erzielen, auch wenn Temperaturdifferenzen infolge einer ungleichmäßigen Wandstärke des Werkstücks auftreten.

Die frühere Erläuterung bezieht sich auf den Fall, wo der Strom als Kegelgröße ausgewählt ist. Wenn jedoch die Temperatur des Werkstücks der Austrittsseite durch Einstellung der Einspeiseleistung eingestellt wird, die einen direkten Bezug zu dem Temperaturanstieg des Werkstücks hat, wird eine Regelung mit höherer Genauigkeit möglich.

Die herkömmliche Regelung der Energiezufuhr zu einem Induktionsheizofen erstreckt sich nicht über die Leistungsregelung in der Induktionsheizspule in einem großen Anteil auf einen bestimmten Wert hinaus. In diesem Fall schließt jedoch der Leistungsverbrauch die Kupferverluste ein, und es ist nicht so leicht möglich, die von dem Werkstück aufgenommene Energie auf einem gewünschten konstanten Niveau zu regeln. Für diese Technik ist

' GH

daher eine Regelung der Energiezufuhr in Werkstück mit unterschiedlicher Dicke und infolgedessen voneinander verschiedenem Gewicht und Volumen und sich daraus ergebender Unterschiede nicht möglich.

Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Regelung für die Leistungseinspeisung in die Induktionsheizspule. Das Werkstück M bewegt sich durch die Induktionsheizspule 1 und wird dabei aufgeheizt. Eine Wechselspannungsquelle 29 versorgt die Induktionsheizspule 1, deren Leistungsaufnahme durch einen Leistungsmesser 30 überwacht wird. Die Überwachung erfolgt mithilf e eines Stromtransformators 33· An den Eingängen eines Vergleicherkreises 34 liegt ein Leistungssollsignal P₁ und ein Leistungsistsignal P₂ an. Der Vergleicherkreis 34 gibt ein Differenzsignal P^ zur Regelung der Wechselspannungsquelle 29 ab Nach dieser Darstellung beeinflußt die herkömmliche Leistungsregelung nur den Gesamtanteil der in die Induktionsheizspule eingespeisten Leistung. Infolgedessen schließt die geregelte

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27QU51!

-32-- IH j

■ · ■■·-■■ ■-■■■■. . ·.. :;<-;- i

Leistung die Kupferverluste der Spule; in der Größe R_CI

_CI_C

I als Spulenstrom ein. Man kann außerdem auch nicht flußänderungen des Werkstücks aufgrund einer veränderlichen

/zwischen ι,ααιυ.₀««χ_Λ^ «u_Si ^~^+*._± »»*„„.* „^.«,,»», einzelnen Werkstücken

beherrschen. - . ...-

Nach der Erfindung wird die durch eine oder mehrere Induktionsheizspulen in das Werkstück z.B. ,ein Stahlstück eingespeiste Leistung in der Energiedichte so gesteuert, daß Einflüsse der Kupferverluste innerhalb der Spule und Einflüsse von Änderungen der Wandstärke ausgeschaltet werden. Die in dem zu erhitzenden Werkstück erzeugte Energiedichte P durch den Strom der Induktionsheizspule steht mit dem Strom I der Induktionsheizspule

und der Frequenz f der Energiequelle in folgender Beziehung:

P_w - fI_c ²Q (22)

Q als Energieabsorptionsgröße.

Diese Energieabsorptionsgröße Q wird durch die Temperatur des zu erhitzenden Werkstücks und die Eindringtiefe des Magnetfeldes bestimmt, diese Größe ist jedoch entsprechend den jeweiligen Heizbedingungen nahezu konstant.

Wenn also das Produkt der Frequenz f mit dem Quadrat der Stromstärke I konstant gehalten wird, kann man die in das Werkstück eingespeiste Energie konstant halten. Wenn also die Energiedichte pro Einheitsvolumen des Werkstücks geregelt wird, wird die Aufheizwirkung durch Änderungen der Wandstärke des Werkstücks nicht beeinträchtigt. Dieses ist der Grundgedanke der Erfindung.

Als Energiequellen zum Betrieb der Induktionsheizspule sind zwei Arten verfügbar, nämlich eine Energiequelle zur Abgabe einer festen Frequenz z.B. ein Hochfrequenzgenerator oder ein gesteuerter Thyristorwandler, bei dem die Steuerelektrode periodisch geöffnet und geschlossen wird, sowie eine Energie-

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- 79 - IS

quelle mit Selbstregelung, bei der die Schwingungsfrequenz durch eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises bestimmt wird, dessen Kondensator parallel zur Induktionsheizspule liegt.

Bei der zuerst genannten Energiequelle mit fester Frequenz reicht die Regelung des Stromes I aus, um das Produkt fl konstant zu halten. Doch bei der zuletzt genannten Art einer Energiequelle, bei der sich die Frequenz mit der Änderung der Belastung ändert, ist eine weitere Regelung erforderlich, ua

ρ
das Produkt fl_c konstant zu halten. Die Fig. 11 und 12 zeigen jeweils eine Ausführungsform der grundsätzlichen Regelung für eine Energiequelle mit fester Frequenz einerseits und andererseits eine Energiequelle mit veränderlicher Frequenz. In den Zeichnungen sind für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern wie in Fig. 10 eingetragen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 hat die Energiequelle 31 eine feste Ausgangsfrequenz. Ein Strommesser 35 ist an einen Stromtransformator 33 angeschlossen 36 ist ein Haltestromkreis, 38 ein Integrator, 40 ein Temperaturmesser, der mit einem Temperaturfühler 39 verbunden ist, 41 ist ein Vergleicherkreis, 42 ist eine Stromregelzeitschaltung, 44 ist ein Differenzwandler, der eine ausgedehnte Integrationsarbeit überbrückt. In Fig. 12 ist 32 eine Energiequelle mit veränderlicher Frequenz, 37 ist ein Haltekreis, 43 eine Regelzeitschaltung, 45 eine Quadraturschaltung, 46 eine Produktschaltung und 47 ein Frequenzmesser.

Bei jeder dieser Energiequellen dient ein Temperaturfühler 39 auf der Austrittsseite der Induktionsheizspule 1 zur Erfassung der Temperatur Tp. Wenn diese Temperatur To im Rahmen einer Fehlerschranke mit dem Temperatursollwert T^. übereinstimmt, wird der "a"-Kontakt der Regelzeitschaltung 42 bzw.43 geschlossen und der Betriebsstrom I₂ wird durch die Meßgeräte 33 und 35 erfaßt, um den Strom I„ für die Induktionsheizepule zu messen. Der gemessene Strom I₂ wird in den Haltestromkreis 36 eingespeist, und zwar bei der Ausführungsform nach Fig. 11 unverändert, dagegen bei der Ausführungsform nach Fig. 12 nach

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- a-r- U

Quadrierung in der Quadraturschaltung 45 und nach Multiplikation in der Produktschaltung 46 mit der gleichzeitig in dem Fühler 47 erfaßten Betriebsfrequenz, so daß man den Produkt-

P
wert S- für fl„ erhalt. Damit wird der Haltewert 1_Λ für den

I C I

Steuerstrom in die Energiequelle mit fester Frequenz nach Fig. 11 eingegeben; andererseits wird ein Steuerwert Sp in die Energiequelle mit veränderlicher Frequenz nach Fig. 12 eingegeben. Dann schließt der "b"-Kontakt der Zeitschaltung 42 bzw. 43, so daß eine Regelung der Energiequelle 31 oder 32 über den Integrator 38 möglich ist, um den Führungswert zu erhalten. Dadurch kann man die Energiedichte P für das Werkstück konstan halten.

Die Temperaturdifferenz, die nach Durchführung der genannten Arbeitsschritte auftritt, kann vollständig selbstregelnd behandelt werden, indem eine überwachung mit dem Wandler 44 erfolgt, der langdauernde Integrationszeiten überdeckt, wie dies mit der strichpunktierten Linie angedeutet ist. Die Zeit-

2 steuerung für die Einstellung der Größen I„ und fl jeweils

C C

im Falle der Fig. 11 bzw. 12 kann dadurch erfolgen, daß eine Bedienungsperson einen Druckschalter eindrückt, der auf dem Uberwachungstisch angeordnet ist und dadurch eine Synchronisierung mit dem Betrieb des "a"-Kontakts sicherstellt.

Die Stromregelung allein reicht zwar zur Konstanthaltung des Produkts fl aus, nachdem die Arbeitsfrequenz für die Induktionsheizspule vorgegeben ist, wenn man eine Energiequelle mit fester Frequenz benutzt, die selbstgeregelte Energiequelle erfordert dagegen auch eine Frequenzmessung an der Induktionsheizspule, um die Betriebsfrequenz zu berücksichtigen und au-

ßerdem eine Schaltung zur Berechnung des Produkte fl„. Die

Notwendigkeit dieser Schaltkreise wird durch die Produktechaltung 46 befriedigt, die zur Multiplikation der Ausgangespannung der Quadraturschaltung 45 mit der gemessenen Frequenz nach Fig. 12 dient.

^lc^^H'^xS- _H _ _V(. _ 2704Λ51

Bei der Induktionserhitzung eines Werkstucks 'bestellt;" die Möglichkeit einer übermäßig großen Temperaturdifferenz zwischen dem Stirnende und dem Hinterende des Werkstücks. Zum Ausgleich' dieser Differenz wird ein bekanntes Verfahren unter Anwendung von Temperaturkompensationsspulen an beiden Enden benutzt. Es ist jedoch eine große Belastung für diese Spulen notwendig, um dadurch allein diese Differenz auszugleichen. Die Notwendigkeit dieser Spulen bringt außerdem ein Ungleichgewicht in die Anordnung. Deshalb ist ein Verfahren der Gruppierung von Induktionsheizspulen so ausgelegt, daß sie für die jeweils zugeordnete Aufgabe im Rahmen des gemeinsamen Endzwecks des Ausgleichs der Temperaturdifferenz betrieben werden.

Die Korrelation des Temperaturanstiegs ΔT und des Energiebetrags P_w entsprechen diesem Temperaturanstieg wird durch die folgende Gleichung dargestellt:

4.18CL £> ν AT
Pw - ψ- (23)

mit C als spezifische Wäre des Werkstücks

■ σ als Dichte des Werkstücks

ν als Transportgeschwindigkeit des Werkstücks durch

die Induktionsheizspule.

Aus den Gleichung(4) und (23) erhält man die folgende Beziehung:

Ν_Λ

)2 —£ I² (24)

£v 80

5.0/U Ϋ N„ Wenn man Q = ^L-JL ( ?__)2 (25)

setzt, kann man die Gleichung (6) folgendermaßen ausdrücken: 4 T « . Q (26)

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Da außerdem der Strom I der Spule und die Spannung V an der Spule über den Widerstand Z der Spule zusammenhängen nach folgender Gleichung:

¹C - V^Zc W

kann man die folgende Gleichung ableiten:

K'fvJ P

4T = Q (28)

8 ^

Die Gleichung (28) zeigt, daß eine anormale Temperaturverteilung in einem der Spulenlänge entsprechenden Bereich in der Nähe der Stirnenden des aufzuheizenden Werkstücks auftritt. Mit anderen Worten ändert sich der Widerstand Z„ der Spule gemäß Gleichung (28) sehr stark zwischen dem Fall (a) nach Fig. 13, wo sich kein Werkstück innerhalb der Induktionsheizspule befindet und dem Fall (c) nach Fig. 13, wo das Werkstück vollständig innerhalb der Spule ist. Die Lage (a) geht allmählich in die Lage (c) über, was durch die übergangslage (b) nach Fig. 13 angedeutet ist. Diese Änderung führt zu einer Änderung des Spulenstromes gemäß Fig. 13, worauf die Änderung des Temperaturanstiegs ZlT beruht.

Um diese anormale Wärmeverteilung auszugleichen, damit das zu erhitzende Werkstück vom Vorderende bis zum Hinterende gleichförmig erwärmt wird, sieht die Erfindung vor, daß die Änderung von Z nach der Gleichung (28) durch Änderung der Spannung V

C C

der Energiequelle oder durch Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit ν des Werkstücks oder durch Änderung beider Einflußgrößen abgeglichen wird. Dadurch erhält man einen gleichen Temperaturanstieg AT über beide Endbereiche und dem Mittelabschnitt des zu erhitzenden Werkstücks.

Mit anderen Worten bietet die Erfindung ein Verfahren zur gleichförmigen induktiven Erhitzung über beide Endbereiche von

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Werkstücken, wonach die Spannung V und der Strom I der In-

C C

duktionsheizspule und die Bewegungsgeschwindigkeit ν dea zu erhitzenden Werkstücks durch die Zeit vom Eintritt bis zum Austritt des Werkstücks gemessen werden, wonach mit dem Wider-

2 2 stand Z„ der Induktionsheizspule die Größe V„/(vZ_) berechnet

C C* C ρ Q

wird, der berechnete Wert mit einem Vergleichswert V /(vZ„),

c c

der für eine gewünschte Temperatur vorgegeben ist, verglichen wird und wonach die Spannung für die Induktionsheizspule geregelt wird, die das Werkstück innerhalb der induktiven Heizzone enthält, und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks geregelt wird, um dadurch die Differenz zwischen dem berechneten Wert und dem Vergleichswert so klein wie möglich zu machen. Die Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist mit hauptsächlichen Baugruppen einer elektrischen Datenmeßvorrichtung für die Meßung der Spannung V und für den Strom I„ der Induktionsheizspule,mit einer Meßeinrichtung für die

Bewegungsgeschwindigkeit ν des Werkstücks, mit einem Rechner

2 2
zur Berechnung der Größe V„/(vZ„) aus» dem Widerstand Z_n der

CC· C

Heizspule aufgrund von Meßdaten, mit einem Vergleichswertein-

2 2 stellgerät zur Einstellung eines Wertes V/(vZ„) für eine ge-

C C

wünschte Bearbeitungstemperatur, mit einem Vergleicher zum

2 2 Vergleich zwischen dem Einstellwert V„/(vZ„) und dem berechne-

2 2 cc

ten Wert V /(vZ^) und mit einem Spannungseinstellgerät zur

C C

Einstellung der Spannung für die Heizspule und/oder mit einem Geschwindigkeitseinstellgerät zur Voreinstellung der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks ausgestattet, wobei diese Einstellgeräte dazu dienen, die Differenz zwischen dem Vergleichswert V?/(v
c

zu machen.

2 2 2 2

wert V_/(vZ„) und dem berechneten Wert V„/(vZ„) möglichst klein

CC CC

Wenn eine große Änderung in dem Grad der Wärmeerzeugung aufgrünt von Wärmeabstrahlung an beiden Stirnenden oder aufgrund von | Störungen des magnetischen Flusses aus anderen Gründen auftritt wird ein Verfahren eines absichtlich in beiden Endbereichen der Erhitzungsspule geänderten Stromes als wirksam empfohlen,

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das folgendermaßen ausgelegt ist: Das Verfahren wird anhand der Beziehung zwischen den elektrischen Kenngrößen des Erhitzungsspulensystems und der Wärmeerzeugung erläutert. Fig. 14 zeigt einen äquivalenten Schaltkreis für das Erhitzungsspulensystem. Der Belastungswiderstand Z des Erhitzungsspulensystems wird durch die nachstehende Formel als die Summe eines äquivalenten Wirkwiderstandes R und eines äquivalenten Blindwiderstandes X dargestellt:

eq

(29) mit j = i7 -1

Die jeweilige Kennlinie des Belastungswiderstandes hängt davon ab, ob das Stahlwerkstück M sich innerhalb der Erhitzungsspule, also od ein Belastungsfall vorliegt, oder ob kein Werkstück innerhalb der Spule ist, ob also die Spule im Leerlaufzustand arbeitet. Außerdem hängt die Kennlinie von Frequenz, Temperatur des Werkstücks und anderen Einflußgrößen ab. Speziell gesprochen wird der Absolutwert von Z im Belastungsfall größer als im Leaiauffall, wenn die Erhitzung mit einer technisch verfügbaren Frequenz auf einen Wert unterhalb des Curiepunktes erfolgt. Fig. 15 zeigt Kurven zur Grobdarstellung der Änderung des Belastungswiderstandes Z, wenn sich die Endteile des Stahlwerkstücks M durch die Erhitzungsspule 49 bewegen, also für die Änderung zwischen dem Leerlaufzustand und dem Belastungszustand beim Durchgang des Vorderendes und für die Änderung aus dem Be1astungszustand in den Leerlaufzustand beim Durchgang des Hinderendes.

Der Betrag Q der in dem Stahlwerkstück M erzeugten Wärme wird nach der folgenden Gleichung als Produkt des äquivalenten Wirkwiderstandes R₀ gemäß Gleichung (29) mit dem Quadrat des

eq

Stromes I der Heizspule dargestellt:

RxI²

Q s [cal/sec] (30)

4.185

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mit Q als Betrag der pro Zeiteinheit erzeugten Wärme (cal/sec) R als äquivalenter Widerstand des zu erhitzenden Werkstücks

^q(5l)

I als Strom der Erhitzungsspule (A)

Der Strom I der Erhitzungsspule ergibt sich nach der folgenden Beziehung aus der Spannung E an beiden Enden der Erhitzunge spule (4-9) und dem Belastungswiderstand Z:

¹C - -f- (A) (3D

Im folgenden wird eine anormale Erhitzungsverteilung in dem Stahlrohr M beschrieben, die dann auftritt, wenn das Werkstück einer induktiven Erhitzung bei konstanter Bewegungsgeschwindigkeit unter Einregelung eines konstanten Spannungswertes E an beiden Stirnenden der Heizspule 49 ausgesetzt ist. Aufgrund der Änderung des Widerstandes nach Fig. 15 und Gleichung (31) ändert sich der Strom I der Heizspule als eine elektrische Kenngröße gemäß Fig. 16 derart, daß beim Durchgang eines Werkstücks M,z.B. eines Stahlrohrs, durch die Heizspule 49 der Strom den gleichbleibenden Belastungswert ausgehend von dem Leerlaufwert erreicht, so daß beim Eintritt des Vorderendes in die Spule 49 der Strom sich ausgehend von dem Leerlaufzustand zu ändern beginnt. Der Strom behält den Belastungswert bei, wenn das Vorderende vollständig durch die Spule gezogen ist. Die umgekehrte Erscheinung zeigt sich im Bereich des Hinterendes des Stahlwerkstücks. Die genannte Änderung des Stromes I der Heizspule steht mit dem Betrag der in dem Stahl- !•ohr M erzeugten Wärme in einer Beziehung nach Gleichung (30), wonach die anormale Wärmeerzeugung in den Endbereichen des Stählrohrs M in einem größeren Ausmaß als im Mittelbereich auftritt, so daß sich eine anormale Wärmeverteilung nach Fig. 17 ergibt.

Fig. 17 zeigt eine anormale Warmeverteilung in dem Stahlrohr M, wenn dasselbe mit konstanter Bewegungsgeschwindigkeit durch

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die Erhitzungsspule 49 bewegt wird, wobei die Spannung auch in beiden Endbereichen auf einen festen Wert geregelt wird. In der Zeichnung hat die schematische Wärmeverteilung in den jeweiligen Endbereichen einen Temperaturanstieg über eine Län-

er ge entsprechend der Länge der Heizspule 49. Ganz am Ende weist sich die Temperatur als viel niedriger; dies beruht auf der stärkeren Wärmeabstrahlung von den Stirnflächen gegenüber anderen Teilen des Stahlrohrs M und auch auf dem Abfall des induzierten Stromes aufgrund von Störungen des Magnetflusses im Endbereich des Stahlrohrs M. Eine maximale Temperatur in den Endbereichen und die Temperaturdifferenz zwischen den Endbereichen und den anderen Teilen ändert sich nach dem Jeweiligen Temperaturbereich, der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks, der Frequenz und anderen Faktoren.

Nach dem herkömmlichen Verfahren zur kontinuierlichen induktiven Erhitzung dient das Regelsystem für die Energiequelle zur Regelung der an der Heizspule,49 anliegenden Spannung und ist dazu bestimmt, vor einem kontinuierlichen Hochtemperatur-Bearbeitungsverfahren eingesetzt zu werden, z.B. vor dem Warmwalzen. In diesem Fall soll die Temperatur des Stahlwerkstücks M auf einem Optimalwert für die Behandlung gehalten werden, und es ist eine gleichförmige Erhitzung erforderlich, da eine ungleichförmige Erhitzung zu einem minderwertigen Enderzeugnis hinsichtlich Qualität und Maßgenauigkeit führt. Eine kontinuierliche induktive Erhitzung wird für Temperung und zum Anlassen von Stahlwerkstücken in einem Heizofen ausgenutzt. Selbstverständlich soll die erhaltene Wärmeverteilung in diesem Fall gleichmäßig sein, insbesondere damit man ein Erzeugnis gleichförmiger Güte erhält. Dies gilt auch für solche Erzeugnisse wie angestauchte Rohre, die eine größere Wandstärke in den Endbereichen als im Mittelbereich haben. Infolgedessen ist das Verfahren nach der Erfindung auch bei einem solchen Rohr anwendbar. Wie bereits erwähnt, wird die Wärmeverteilung in den Endbereichen des Stahlwerkstücks M durch die

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Erfindung gleichförmig gemacht, so daß eine sehr wesentliche Ersparnis für das Enderzeugnis auftritt, weil kein Schöpfen zur Erzielung einer gleichförmigen Abmessung erforderlich ist; außerdem wird die Ausbringung gesteigert.

Eine Temperaturerhöhung in den Endbereichen des Stahlwerkstücks M, die sich im Verlauf der Temperaturverteilung zeigt, wenn die für beide Endbereiche an der Heizspule 4-9 anliegende Spannung E konstant gehalten wird, beruht auf der Änderung des Belastungswiderstandes Z aufgrund der Änderung des Stromes I der Heizspule.

In diesem Zusammenhang gibt Fig. 18 die sich dann ausbildende Wärmeverteilung an, wenn die Erhitzung mit Regelung des Stromes I der Heizspule auf einen konstanten Pegel beim Durchgang

des Stahlrohrs erfolgt. In der Zeichnung erkennt man keine Temperaturerhöhung in den Endbereichen des Stahlrohrs M, woraus sich ergibt, daß die Regelung des Stromes I„ der Heizspule auf einem konstanten Wert wirksam genug ist. Doch dort ist ein ausgedehnter Temperaturabfall in beiden Endbereichen gegenüber dem Verfahren der konstanten Spannung erkennbar, was auf der Wärmeabstrahlung in den .Jtirnf lachen und auf Störungen des Magnetflusses beruht.

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Erzielung einer gleichförmigen Wärmeverteilung in einem ausgedehnten Bereich des Stahlwerkstücks durch Kompensation der anormalen Erscheinungen vor, die insbesondere in beiden Endbereichen des zu erhitzenden Werkstücks auftreten. Ein besonderes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Stromkennlinie I der Heizspule durch die Lagebeziehung zwischen der Heizspule 49 und der Stirnfläche des Stahlwerkstücks M bestimmt wird. Es erfolgt also eine Programmsteuerung des Stromverlaufs für die Heizspule, wenn die Endbereiche, also das Vorderende und das Hinterende des Stahlwerkstücks M durch die Heizspule gehen. Fig. 19 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung für die Programmsteuerung

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der induktiven Erhitzung nach der Erfindung. Eine Induktionsheizspule 49 ist zwischen einem Wicklungsende eines Stelltransformators 51 und einem Stellabgriff dieses Stelltransformators angeschlossen, wobei der Stelltransformator 51 an eine Energiequelle 50 angeschlossen ist. Ein Stromwandler 52 dient zur Messung des Stromes I der Heizspule und ist zwischen dem Abgriff des Stelltransformators 51 und der Heizspule 49 angeschlossen. Der Ausgangsstrom des Stromwandlers 52 lädt über eine Gleichrichterdiode 53 und einen Widerstand 5^ einen Kondensator 55 auf. Die Au3gangsspannungV zwischen beiden Belägen des Kondensators 55 liegt mit der angegebenen Polarität an einem Verstärker 57 an, und zwar zusammen mit einem Signal aus einem Funktionsgenerator 56 für die Stromkennlinie. Wenn die Ausgangsspannung V kleiner als die durch das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 56 angegebene Spannung ist, d.h. wenn der Strom I für die Spule schwächer als erforderlich ist, hat das Eingangssignal V_e zu dem Verstärker 57 einen positiven Wert. Entsprechend der Größe dieses Eingangssignals wird ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Gleichstrommotor 58 erregt, so daß dessen Drehung über ein Getriebe 59 in eine Stellkraft für den Schieber des Stelltransformators 5I im Sinne einer Erhöhung des in die Spule eingespeisten Stromes I umgewandelt wird.

-Venn die Ausgangsspannung V größer als die vorgegebene Spannung V ist, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 57 negativ und beaufschlagt entsprechend seiner Größe den Gleichstrommotor 58 in entgegengesetzter Drehrichtung, so daß diese entgegengesetzte Drehung in eine Kraft zur Verstellung des Schiebers des Stelltransformators 51 im Sinne einer Verringerung des Stromes I für die Spule umgewandelt wird. Infolgedessen wird der Strom I für die Spule so gesteuert, daß er auf der vorgesehenen Stromkennlinie bleibt. Fig. 20 zeigt eine Form der Stromkennlinie für die Beaufschlagung der Heizspule mit einer eingestellten Stromkennlinie aus dem Funktionsgenerator 58. In der Zeichnung ist der Fall des Durchgangs des Hinter-

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endes des Stahlrohrs M durch die Spule dargestellt, wo eine Konstantstromregelung mit einem Konstantstrom von 1000 A erfolgt, bis das Hinterende sich über das erste Drittel, nämlich 400 mm in diesem Fall, der Heizspule 49 bewegt hat. Dann erfolgt eine Steuerung im Sinne einer linearen Vergrößerung des Stromes auf etwa das 1,2-fache des Konstantstromes bis zu einem Punkt von etwa zwei Dritteln (200 mm) der Länge der Heizspule 49, wo das Hinterende sich von der Stelle des ersten Drittels zu der Stelle des zweiten Drittels, also von 400 mm auf 200 mm bewegt hat. Bei weiterer Bewegung veranlaßt die Stromkennlinie eine Programmsteuerung durch Signale des Funktionsgenerators 56, so daß der Strom linear auf etwa das 2,8-fache des Konstantstromes am Ende der Heizspule 49 ansteigt, wenn sich das Hinterende des Werkstücks von der Stelle von zwei Dritteln zu der genannten Endfläche bewegt. Diese Stromwerte des 1,2-fachen und des 2,8-fachen des Konstantstromes jeweils in den Punkten von zwei Dritteln der Spulenlänge für das Hinterende zeigen, daß diese Stromwerte von der Frequenz der Energiequelle 50» der Form und der Größe des Werkstücks M und anderen Einflußgrößen abhängen, so daß keine einfache Kennlinie universell anwendbar ist.

Für die Bestimmung der Stromkennlinie der Heizspule für das Vorderende des Stahlwerkstücks M bei seinem Durchgang durch die Heizspule kann man leicht eine Umkehr des genannten Einstellverfahrens für die Stromkennlinie anwenden, indem das Hinterende des Werkstücks als Grundlage benutzt wird. Zu Vergleichszwecken sind in der Zeichnung der Strom der Spule für eine Konstantspannungssteuerung in einer strichpunktierten Linie und der Strom der Spule für eine Konstant-stromsteuerung in einer gestrichelten Linie angegeben.

Auch bei Anwendung von Einzelspulen läßt sich eine Steuerung zur Kompensation der auf der einzelnen Spulen verteilten Ströme anwenden.

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Claims (3)

270U51 Patentansprüche

1. Verfahren zur kontinuierlichen induktiven Erhitzung von langgestreckten Metallwerkstücken, wonach das Werkstück in seiner Längsrichtung durch eine Induktionsheizspule hindurch bewegt wird, damit das Werkstück auf eine Solltemperatur aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsheizspule in Längsrichtung in mehrere Einzelspulen unterteilt wird, daß die Temperatur des Metallwerkstücks an der jeweiligen Einzelspule aufgrund der am Eintritt in die Spule gemessenen Temperatur berechnet wird, daß diese berechnete Temperatur mit der Solltemperatur des Werkstücks am Austritt aus der Spule verglichen wird und daß die Stromeinspeisung in die Spule in Abhängigkeit von dem Vergleich derart geregelt wird, daß die Temperaturdifferenz des Metallwerkstücks am Austritt aus der Spule einen Minimalwert erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einlaufseitige Gruppe von Einzelspulen durch einen Strom einer auf einen maximalen Erhitzungswirkungsgrad abgestellten Frequenz erregt werden, daß eine austrittseitige Gruppe von Einzelspulen durch einen Strom einer solchen Frequenz erregt werden, die eine gleichförmige Verteilung der erzielbaren Heizwirkung unabhängig von einer unterschiedlichen Wanddicke sicherstellt, daß mindestens im letzten Teil der eintrittsseitigen Gruppe nochmals eine Unterteilung in Einzelspulen vorgesehen wird und daß die Stromzufuhr für die Einzelspulen der genannten Gruppe derart erfolgt, daß die Temperaturdifferenz des Werkstücks am Austritt aus der Reihe der Induktionsheizspulen einen Minimalwert hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz für die eintrittsseitige Gruppe der Induktionsheizspulen entsprechend einer mittleren Eindringtiefe des Stromes zwischen 1/1,5 und 1/3 der mittleren Wanddicke des Metallwerkstücks eingestellt wird und daß die Frequenz des Stromes für

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-»-V 270U51

die austrittsseitige Gruppe von Induktionsheizspulen auf eine Eindringtiefe des Stromes entsprechend der mittleren Wanddicke des Metallwerkstücks eingestellt wird.

M-. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Induktionsheizspule eingespeiste Strom und/oder die Frequenz dieses Stromes derart geregelt werden, daß die von der Induktionsheizspule an das Werkstück abgegebene Energiedichte, als das Produkt von der Frequenz f und dem Quadrat des Stromes I konstantgehalten wird.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung V_n und der Strom I der Induktionsheizspule sowie die Bewegungsgeschwindigkeit ν des Werkstücks beim Durchgang durch die Induktionsheizspule gemessen werden,

2 2
daß ein Wert V„/(vZ.) mit Z als Widerstand der Induktions-

CC C

heizspule berechnet wird, daß der berechnete Wert mit einem

2 2
Vergleichswert V /(vZ„) entsprechend der gewünschten Be-

C C '

arbeitungstemperatur verglichen wird und daß die Spannung für die Induktionsheizspule und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks derart geregelt werden, daß die Differenz zwische dem berechneten Wert und dem Vergleichswert so klein wie möglich wird.

. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekenneichnet, daß der in die Induktionsheizspule eingespeiste Strom nach einem Programm gesteuert wird, das die Lage zwischen der Induktionsheizspule und dem Werkstück derart berücksichtig, daß die Temperatur des Werkstücks auf der Austrittsseite der Induktionsheizspule auf einem Vergleichswert gehalten wird.

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