JURACK, Mario (Feldstrasse 8, Kleve, 47533, DE)
A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, bei dem durch einen von einem Drehstrommotor angetriebenen Ventilator ein Kühlgasstrom in einem Vakuumofen zum Abschrecken der Werkstücke erzeugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Drehstrommotor für eine geringere Versorgungsspannung ausgelegte erste Drehstromwicklungen und wenigstens zweite für eine höhere Versorgungsspannung ausgelegte Drehstromwicklungen aufweist, wobei der Drehstrommotor bis zum Erreichen eines hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks im Vakuumofen unter Nutzung der ersten Drehstromwicklungen und bei Erreichen oder überschreiten des hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks in dem Vakuumofen unter Nutzung der wenigstens zweiten Drehstromwicklungen betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen oder überschreiten des hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks in dem Vakuumofen die zweiten Drehstromwicklungen zu den ersten Drehstromwicklungen dazu geschaltet werden, vorzugsweise durch Parallelschaltung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Drehstrommotor die höhere Versorgungsspannung angelegt wird und die ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors durch einen Transformator von der höheren Versorgungsspannung auf die geringere Versorgungsspannung herabgesetzt betrieben werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Drehstromwicklungen für einen Betrieb mit einer Versorgungsspannung von etwa 230 V und die zweiten Drehstromwicklungen für einen Betrieb mit einer Versorgungsspannung von etwa 400 V ausgelegt sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors zu den ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors in Abhängigkeit von dem in dem Vakuumofen herrschenden Druck dazugeschaltet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Mindestdruck im Vakuumofen in einem Bereich von etwa 500 mbar bis 1200 mbar, vorzugsweise von etwa 750 mbar.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors für Motorleistungen von etwa 25 kW bis etwa 40 kW bei Versorgungsspannungen von etwa 230 V ausgebildet sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors für Motorleistungen von etwa 120 kW bis etwa 140 kW bei Versorgungsspannungen von etwa 400 V ausgebildet sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor mit Wasser gekühlt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Ventilators oberhalb des Mindestdrucks im Vakuumofen in Abhängigkeit von der gewünschten Kühlgasgeschwindigkeit variiert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator bei Drücken in dem Vakuumofen von bis zu 40 bar betrieben wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschritte zum Abschrecken der Werkstücke.
a) Einleiten der Gasabschreckung durch Anlaufen des Drehstrommotors des Ventilators bei einem Druck im Vakuumofen unterhalb von 750 mbar mit ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors,
b) Hochlaufen des Ventilators auf Nenndrehzahl, c) Fluten des Vakuumofens mit dem Abschreckgas und Einstellen des Abschreckdrucks in der Abschreckkammer auf einen Wert zwischen 1 bar und 40 bar,
d) im wesentlichen gleichzeitiges Zuschalten der zweiten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors zu den ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors bei Erreichen oder überschreiten eines Drucks im Vakuumofen von etwa 750 mbar, sowie
e) nach Beendigung der Gasabschreckung Lüften der Abschreckkammer auf Atmosphärendruck und Entnehmen der Werkstücke.
13. Drehstrommotor mit für eine geringere Versorgungsspannung ausgelegten ersten Drehstromwicklungen und wenigstens zweiten für höhere Versorgungsspannungen ausgelegten Drehstromwicklungen, wobei der Drehstrommotor bis zum Erreichen eines hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks im Vakuumofen unter Nutzung der ersten Drehstromwicklungen und bei Erreichen oder überschreiten des hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks in dem Vakuumofen unter Nutzung der wenigstens zweiten Drehstromwicklungen betreibbar ist.
14. Drehstrommotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrommotor zwei identisch ausgebildete Drehstromwicklungen aufweist. |
Wärmebehandlung metallischer Werkstücke
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, bei dem durch einen von einem Drehstrommotor angetriebenen Ventilator ein Kühlgasstrom in einem Vakuumofen zum Abschrecken der Werkstücke erzeugt wird.
Bei der Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, wie etwa Härten, Anlassen oder Glühen, finden Vakuumöfen Anwendung, in denen die Werkstücke nach erfolgter Erwärmung durch ein gasförmiges Medium, beispielsweise Stickstoff, abgekühlt werden. Im Vergleich zu einer konventionellen öl- oder Salzbadabschreckung hat eine derartige Gasabschreckung den Vorteil, daß keine Verunreinigung der Werkstücke gegeben ist und somit ansonsten erforderliche kostenintensive Reinigungsmaßnahmen entfallen können. Um bei einer Gasabschreckung ähnliche Kühleffekte wie bei einer öl- oder Salzbadabschreckung zu erreichen, sind hohe Kühlgasdrücke gebräuchlich, die aufgrund der damit verbundenen erhöhten Gasdichte die gewünschte Wärmeübertragung sicherstellen. Nachteilig hierbei ist allerdings, daß hohe Kühlgasdrücke aufwendige Sicherheitsmaßnahmen erfordern und zudem einen verhältnismäßig hohen Zeitbedarf zum Fluten beziehungsweise Evakuieren des Vakuumofens mit sich bringen.
Ein weiterer bei der Hochdruckgasabschreckung gegebener Nachteil ist, daß es für einen den Kühlgasstrom im Vakuumofen erzeugenden Ventilator einer vergleichsweise großen Wellenleistung bedarf, um die erforderliche
Kühlgasgeschwindigkeit bei den bei hohen Drücken gegebenen Lastmomenten bereit zu stellen. Eine große Welienleistung des Ventilators macht im gleichen Maße eine große Motorleistung eines den Ventilator antreibenden Elektromotors erforderlich, welcher in der Regel als Drehstrommotor ausgebildet ist. üblich sind Drehstrommotoren mit Motorbemessungsleistungen von beispielsweise 220 kW. Eine Motorbemessungsleistung von 220 kW ergibt bei einer üblichen Versorgungsspannung im Dreiphasennetz von etwa 400 V einen Motorbemessungsstrom von etwa 400 A. Beim Anlaufen des Ventilators entsteht aufgrund der dabei auftretenden Stromstöße, die bei Normalzustand des Kühlgases gewöhnlich bis zum neunfachen des Motorbemessungsstroms betragen, ein Anlaufstrom von etwa 3600 A.
Derart hohe Ströme führen regelmäßig zu Netzstörungen und verursachen einen hohen Verschleiß, vor allem an den Anschlußstellen des Drehstrommotors. Um dies zu vermeiden werden in der Regel Anlaufgeräte eingesetzt, die einen sogenannten Softstart des Drehstrommotors bewirken, indem der Anlaufstrom beschränkt wird, beispielsweise auf das fünf- oder sechsfache des Motorbemessungsstroms. Das Vorsehen von Anlaufgeräten, sogenannten LCPs (LOW CURRENT POWER) bedingt die Verwendung von relativ großen Schaltschränken und deren Zubehör, Spartransformatoren, Schützen, Trennern und dergleichen, die arbeits- und kostenintensiv und daher in wirtschaftlicher Hinsicht unbefriedigend sind.
Obwohl es bei einem so genannten Softstart des den Ventilator antreibenden Elektromotors möglich ist, die zu behandelnden Werkstücke schon bei niedrigen Ofendrücken, das heißt noch während des Flutens des Vakuumofens mit Kühlgas, abzuschrecken, ist dem Beginn des Abschreckvorgangs in zeitlicher Hinsicht eine Untergrenze gesetzt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Vakuumofen vor dem Start des Ventilators auf einen hinsichtlich der Motorversorgungsspannung des Drehstrommotors bestimmten Mindestdruck geflutet werden muß, um das Auftreten von beispielsweise Isolationsschäden hervorrufenden überschlägen bei der Versorgungsspannung zu vermeiden. Der anhand sogenannter Paschen-Kurven ermittelbare Mindestdruck beträgt bei Drehstrommotoren mit einer Motorversorgungsspannung von etwa 400 V in der Regel etwa 750 mbar.
Da der Ventilator erst bei Erreichen des Mindestdrucks beim Fluten des
Vakuumofens mit Kühlgas gestartet werden kann, wird darüber hinaus aufgrund der weitestgehend unvermeidlichen Anlaufzeit des Ventilators die Abschreckzeit und damit der erreichbare Abschreckeffekt in nachteiliger Weise beeinträchtigt.
In Anbetracht dieses Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die A u f g ä b e zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke derart weiterzubilden, daß sich auf einfache und kostengünstige Weise eine verbesserte Abschreckung erzielen läßt. Dabei soll insbesondere der mit ansonsten üblichen Anlaufgeräten verbundene Material- und Arbeitsaufwand reduziert werden.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch g e l ö s t , daß der Drehstrommotor für eine geringere Versorgungsspannung ausgelegte erste Drehstromwicklungen und wenigstens für eine höhere Versorgungsspannung ausgelegte Drehstromwicklungen aufweist, wobei der Drehstrommotor bis zum Erreichen eines hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks in dem Vakuumofen unter Nutzung der ersten Drehstromwicklungen und bei Erreichen oder überschreiten des hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks in dem Vakuumofen unter Nutzung der wenigstens zweiten Drehstromwicklungen betrieben wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine verbesserte Abschreckung durch einen geringeren Anlaufstrom erzielbar ist. Durch für eine geringere Versorgungsspannung ausgelegte erste Drehstromwicklungen läuft erfindungsgemäß zunächst ein Drehstrommotor mit geringerer Bemessungsleistung und dementsprechend reduziertem Anlaufstrom an, so daß ein einen sogenannten Softstart bewirkendes aufwendiges Anlaufgerät entbehrlich wird. Die geringere Motorleistung in dieser Phase ist jedoch aufgrund des noch geringen Druckes im Vakuumofen und der damit ein hergehenden geringeren Dichte des Kühlgases ausreichend, um den von dem Drehstrommotor angetriebenen Ventilator anlaufen zu lassen. Bei Erreichen des Mindestdrucks im Vakuumofen wird der Drehstrommotor entsprechend den für eine höhere Versorgungsspannung ausgelegten zweiten Drehstromwicklungen mit einer höheren Motorbemessungsleistung betrieben. Neben den ersten und zweiten Drehstromwicklungen kann der Drehstrommotor weitere Drehstromwicklungen aufweisen, die für wiederum höhere Versorgungsspannungen ausgelegt sind. Bei Erreichen entsprechender Druckkennwerte im Vakuumofen wird
der Drehstrommotor entsprechend diesen weiteren Wicklungen mit höherer Motorleistung betrieben. Die folgende Beschreibung erfolgt mit Bezug auf einen Drehstrommotor mit ersten und zweiten Drehstromwicklungen, ist allerdings nicht auf diese Anzahl von Wicklungen beschränkt. Da der Drehstrommotor und dementsprechend der Ventilator zu diesem Zeitpunkt bereits mit seiner Nenndrehzahl betrieben wird, steht bei diesem erfindungsgemäßen Um- beziehungsweise Zuschalten auf eine höhere Motorbemessungsleistung unverzüglich die zum Abschrecken erforderliche Wellenleistung zur Verfügung, ohne daß eine ansonsten gegebene Beeinträchtigung des Abschreckeffektes infolge eines durch das Anlaufen bedingten Zeitverlustes auftritt. Hierbei kommt in besonderem Maße zum Tragen, daß infolge des sich bereits mit Nenndrehzahl drehenden Ventilators bereits vor Erreichen des Mindestdrucks im Vakuumofen kinetische Energie im Ventilator gespeichert ist, die sich bei Nutzung der zweiten Drehstromwicklungen, entsprechend der höheren Motorbemessungsleistung, als Schwungradeffekt bemerkbar macht.
Die erfindungsgemäße Verfahrensführung trägt darüber hinaus aufgrund der geringeren Anlaufströme bei Nutzung der ersten Drehstromwicklungen, entsprechend einer geringeren Motorbemessungsleistung, zu einem in wirtschaftlicher Hinsicht günstigeren Stromverbrauch bei. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von ersten und zweiten Drehstromwicklungen seitens des Drehstrommotors ist neben einer mindestens etwa um den Faktor 2 gegebenen Reduzierung des Anlaufstroms bei Nutzung der ersten Drehstromwicklungen darüber hinaus eine Reduzierung der baulichen Abmessungen von Schaltschränken gegeben, die bei erfindungsgemäß entbehrlichen aufwendigen Anlaufgeräten, insbesondere sogenannten LCPs und deren Zubehör, gegeben wären.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden bei Erreichen oder überschreiten des hinsichtlich seiner Motorleistung bestimmten Mindestdrucks in dem Vakuumofen die zweiten Drehstromwicklungen zu den ersten Drehstromwicklungen dazugeschaltet. Vorteilhafterweise erfolgt die Zuschaltung der zweiten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors zu den ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors durch Parallelschalten der beiden Drehstromwicklungen, wobei vorteilhafterweise eine Koordinierung der beiden
Drehstromwicklungen bezüglich Phasengleichheit, Drehzahl und dergleichen erfolgt. Zur Koordinierung wird vorteilhafterweise eine Synchronisierungseinrichtung verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird am Drehstrommotor die Netzspannung angelegt und diese für die ersten Drehstromwicklungen durch einen Transformator von der höheren Versorgungsspannung auf die niedrigere Versorgungsspannung herabgesetzt. Damit ist eine vergleichsweise kostengünstige Spannungstransformation gegeben. Vorteilhafterweise sind die für eine geringere Versorgungsspannung ausgelegten ersten Drehstromwicklungen von etwa 25 kW bis etwa 40 kW, bei einer Versorgungsspannung von 230 V ausgelegte Drehstromwicklungen, welche mit einem vorgeschalteten Transformator, vorzugsweise einem sogenannten Spartransformator, für eine Drehstromnetzversorgungsspannung von etwa 400 V, entsprechend der höheren Versorgungsspannung, betrieben werden. Vorteilhafterweise sind die zweiten Drehstromwicklungen für Motorbemessungsleistungen von etwa 120 kW bis etwa 140 kW bei Drehstromnetzversorgungsspannungen von etwa 400 V ausgelegte und betriebene Drehstromwicklungen.
In einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung weist der Drehstrommotor zwei identisch ausgebildete Drehstromwicklungen von jeweils 25 kW bei einer Versorgungsspannung von 230 V und 80 kW bei einer Versorgungsspannung von 400 V auf, welche die ersten und die zweiten Drehstromwicklungen bilden. Bei erfindungsgemäßen Anlauf bis zum Erreichen eines bestimmten Mindestdrucks in dem Vakuumofen, dem so genannten Anlauf im Vakuum, halbiert sich bei erfindungsgemäßen Anschluß dieser der für eine geringere Versorgungsspannung, vorliegend etwa 230 V, ausgelegten ersten Drehstromwicklungen der Anlaufstrom. Für den Betrieb im gefluteten Vakuumofen werden erfindungsgemäß dann die ersten und die zweiten Drehstromwicklungen parallel mit 50 kW bei 230 V und 160 kW bei 400 V betrieben, beim Betrieb mit 230 V unter Nutzung eines Transformators am 400 V-Netz. In dieser konkreten Ausgestaltung der Erfindung weist der Drehstrommotor insgesamt zwölf Anschlußklemmen für die zwei voneinander getrennten ersten und zweiten Drehstromwicklungen auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden die zweiten
Drehstromwicklungen zu den ersten Drehstromwicklungen in Abhängigkeit von dem im Vakuumofen herrschenden Druck umgeschaltet, um eine möglichst einfache und automatisierbare Verfahrensführung sicherzustellen. In Weiterbildung der Erfindung wird zudem ein Mindestdruck in einem Bereich von etwa 500 mbar bis etwa 1200 mbar, vorzugsweise von etwa 750 mbar, vorgeschlagen, so daß der Motorleistung der gängigsten Drehstrommotoren für in Vakuumöfen eingesetzte Ventilatoren Rechnung getragen wird.
Um leistungsstarke Drehstrommotoren verwenden zu können, wird gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Drehstrommotor mit Wasser gekühlt. Eine einfache Regelung des Kühlgasstroms läßt sich dadurch erreichen, daß in vorteilhafterweise die Drehzahl des Ventilators oberhalb des Mindestdrucks in Abhängigkeit von der gewünschten Kühlgasgeschwindigkeit variiert wird. Schließlich wird vorgeschlagen, daß der Ventilator bei Drücken im Vakuumofen von bis zu 40 bar betrieben wird, um bei hinreichender Abschreckleistung den jeweiligen Anforderungen entsprechende Kühlgasdrücke zu gewährleisten.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist vorteilhafterweise ferner ein Drehstrommotor, welcher für eine geringere Versorgungsspannung ausgelegte erste Drehstromwicklungen und für eine höhere Versorgungsspannung ausgelegte zweite Drehstromwicklungen aufweist, wobei der Drehstrommotor in Abhängigkeit von charakteristischen Betriebsparametern von diesem angetriebene Einrichtungen unter Nutzung der ersten Drehstromwicklungen und bei Erreichen oder überschreiten der charakteristischen Betriebsparameter der vom Drehstrommotor angetriebenen Einrichtungen unter Nutzung der zweiten Drehstromwicklungen betreibbar ist. Dabei sind die zweiten Drehstromwicklungen bei Erreichen oder überschreiten der charakteristischen Betriebsparameter der von dem Drehstrommotor mittelbar und/oder unmittelbar angetriebenen Einrichtungen parallel schaltbar. Vorzugsweise sind die ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors über einen Transformator mit 1 einer geringeren Versorgungsspannung an der höheren Versorgungsspannung betreibbar, wobei der Transformator die höhere Versorgungsspannung auf die geringere Versorgungsspannung herunter transformiert.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, beispielhaften Beschreibung des Einsatzhärtens von metallischen Werkstücken.
Das Einsatzhärten dient dazu, der Randschicht metallischer Werkstücke eine wesentlich höhere Härte und somit dem Werkstück insgesamt bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Zu diesem Zweck wird die Randschicht zunächst je nach den geforderten Gebrauchseigenschaften mit Kohlenstoff und/oder Stickstoff angereichert und anschließend von einer zweckentsprechenden Härtetemperatur auf Raumtemperatur oder darunter abgeschreckt. Ein in verfahrenstechnischer Hinsicht und praxisgerechtes Einsatzhärten läßt sich dann erreichen, wenn sowohl das Aufkohlen beziehungsweise Carbonitrieren als auch das anschließende Härten in einem Vakuumofen durchgeführt wird, der einen einfachen Austausch gasförmiger Wärmebehandlungsmedien gestattet.
Nachdem die zu behandelnden Werkstücke in dem Vakuumofen beispielsweise aufgekohlt wurden, läßt sich durch Evakuieren des gasförmigen Aufkohlungsmediums und anschließendem Fluten des Vakuumofens mit einem inerten Kühlgas der Härteprozess unmittelbar anschließend, ohne daß es erforderlich ist, die Werkstücke in eine andere Ofenkammer zu transportieren, vornehmen. Zum Härten der Werkstücke ist in dem Vakuumofen ein elektrisch angetriebener Ventilator vorgesehen, der einen Kühlgasstrom mit einer den jeweiligen Erfordernissen entsprechenden Kühlgeschwindigkeit erzeugt. Der Kühlgasstrom schreckt die zu behandelnden Werkstücke von der Härtetemperatur auf Raumtemperatur oder darunter ab.
Zum Antrieb des Ventilators ist ein Drehstrommotor mit zwei voneinander getrennten Drehstromwicklungen vorgesehen. Die ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors weisen eine Nennleistung von etwa 40 kW auf, die bei einem Druck im Vakuumofen von weniger als 750 mbar mit einer Versorgungsspannung von 230 V betrieben werden. Die zweiten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors weisen eine Nennleistung von etwa 120 kW auf und werden bei einem Druck im Vakuumofen von mehr als 750 mbar mit einer Versorgungsspannung von etwa 400 V betrieben. Durch einen am 400 V-Netz angeschlossenen Transformator wird die Versorgungsspannung der ersten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors auf 230 V reduziert. Bei Erreichen eines
Drucks im Vakuumofen während des Flutens mit Kühlgas von etwa 750 mbar werden zu der über den Transformator mit einer Versorgungsspannung von etwa 230 V betriebenen ersten Drehstromwicklungen die zweiten mit einer Versorgungsspannung von etwa 400 V betriebenen Drehstromwicklungen parallel dazugeschaltet. Bis zum Erreichen des Drucks von 750 mbar beträgt die Motorleistung dementsprechend lediglich etwa 1/3 der mit Erreichen beziehungsweise überschreiten des Drucks im Vakuumofen von etwa 750 mbar zur Verfügung stehenden Motorleistung, entsprechend dem Verhältnis der Motorbemessungsleistung der ersten Drehstromwicklungen zu der Motorleistung der zweiten Drehstromwicklungen des Drehstrommotors. Dies hat zur Folge, daß der Anlaufstrom des Drehstrommotors bis zum Erreichen des Drucks im Vakuumofen von etwa 750 mbar gegenüber ansonstigen Anlaufströmen halbiert ist. Beim Start des Ventilators ergeben sich folglich im gleichen Maße reduzierte Anlaufströme, die auf diese Weise zu keiner Beeinträchtigungen des Stromnetzes vermeiden.