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Entmagnetisierungseinrichtung
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Die Herstellung nahtlos gerfertigter, ferromagnetischer Rohre bringt
es mit sich, daß sich die Rohre während des Produktionsablaufes axial aufmagnetisieren.
Dies tritt insbesondere dann auf, wenn die Rohre kalt verformt werden, wie es z.B.
in Kaltpilgerwalzwerken oder auch an Richtmaschinen der Fall ist.
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Allein durch solche Vorgänge werden bei bestimmten Stahlsorten Flußdichten
bis zu 20 Gauß erzeugt. Magnetische Riß - Prüf -verfahren können auch zu solchen
Aufmagnetisierungen beitragen.
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So wurden nach der Rißprüfung an 100 Cr6 - Rohren Restmagnetisierungen
bis zu 250 Gauß gemessen.
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Die Spanabhebende Weiterverarbeitung axial aufmagnetisierter Rohre,
wie z.B. Anwendungen im Kugellagerbereich, bereitet er= hebliche Schwierigkeiten,
wenn aufmagnetisierte Späne zwischen Werkstück und Werkzeug geraten, sich dort ansammeln
oder nicht zuverlässig abfließen können.
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Es besteht daher die dringende Foderung, die Restmagneti -sierungen
der zu verarbeitenden Rohre unterhalb eines kritischen Wertes mit Flußdichten unterhalb
15 Gauß, in einigen An -wendungen auch unterhalb 5 Gauß zu halten. Aus diesen Gründen
durchlaufen ferromagnetische Rohre in der Regel am Ende des Herstellungsprozesses
eine Entmagnetisierungs-Station. In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Entmagnetisierung
aber problematisch ist. Oft werden die geforderten niedrigen Rest -magnetisierungen
nicht erreicht. Dies hängt damit zusammen, daß sehr unterschiedliche Materialien
in einem großen Abmessungsbereich verarbeitet werden müssen. Während z.B. ein ST
35-Rohr mit den Abmessungen 24x4mm nach der Entmagnetisierung sehr gute Werte mit
Flußdichten um 2,5 Gauß aufweisen kann, werden an einem Rohr gleicher Qualität aber
mit den Abmessungen 72x4mm in derselben Anlage Rest-Flußdichten von 30 Gauß gemessen.
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In der Praxis wird daher auf verschiedene Weisen versucht, dieses
Problem zu lösen. An ein Wechselstromnetzangeschlossene Entmagnetisierungsspjilen
haben im Frequenzbereich 2 bis 50 Hz zu keinen befriedigenden Lösungen geführt.
Wegen der ferromagnetischen Rohreigenschaften erhöht sich die Induk -tivität einer
solchen Spule während des Rohrdurchgangs durch die Spule so stark, daß der induktive
Widerstand ein genügend hohes magnetisches Wechselfeld verhindert. Die beschriebene
Induktivitätsänderung wird in einer anderen Technik dazu be -nutzt, um in einer
Serienresonanzkreis-Anordnung den Induktiven Widerstand zu eliminieren. Beim Eintritt
des Rohres in die Spule ergibt sich eine Serienresonanz, so daß der Strom durch
die Spule anwächst. Der Serienresonanzkreis ist an das niederohmige Netz angeschlossen.
Während dieses Verfahren für einige Abmessungen zu guten Resultaten führt, versagt
es insbesondere bei dickwandigen Rohren großen Durchmessers. Auch ergeben sich an
den Kondensatoren und der Induktivität im Resonanzfall erhebliche Überspannungen,
die zu Überschlägen geführt haben. Auch der Versuch, für jeden eingegrenzten Rohr-Abmessungsbereich
eine separate optimierte Entmagnetisierungs spule als Serienresonanzkreis zu entwerfen,
hat sich auch nicht f
Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Entmagnetisierungseinrichtung
zu entwerfen, die möglichst mit einem festen Durchmesser der Entmagnetisierungsspule
auskam und die absolut sicher stellte, daß alle Rohrdimensionen auf annähernd gleiche
kleine Rest-Flußdichten herabmagnetisierbar waren.
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Um einer Lösung der gestellten Aufgabe näher zu kommen, mußte zuerst
aufgezeigt werden, welche Fehleinschätzungen oder Vorurteile zu diesem Technischen
Problem den bekannten Verfahren zugrunde lagen.
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Die Anwendung wechselder Magnetfelder zur Entmagnetisierung beruht
auf der Vorstellung, daß die ??Elementarmagnete11 der ferromagnetischen Rohre-vor
der Entmagnetisieruiig weitgehend oder teilweise ausgerjchtet sind und im magnetischen
Wechselfeld durcheinandergeschüttelt" werden sollen, Dies setzt voraus, daß das
Entmagnetisierungsfeld jeden Elementarmagneten auch wirklich erfassen kann. Bekanntlich
ist die Eindringtiefe des magnetjschen Feldes auch abhängig von der Frequenz. Es
ist aber keinesfalls so, daß alleine die Anwendung einer tiefen Frequenz von z.B.
2Hz in der Lage wäre, in die Tiefe eines ferromagnetischen Werkstoffes einzudringen.
Die Aufmagnetisierung an der Oberfläche verhindert ein Eindringen des Feldes in
die Tiefe. Wegen Mißachtung dieses Abschirmeffektes funktionieren daher solche Entmagnetisierungstechniken
nicht.
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Auch bei der Serienresonanz ist ein DenkSehler eingebaut. Zwar bleibt
im Resonanzfall nur der ohmsche Widerstand der Spule nach, so daß im Prinzip die
hohen erwünschten Spulenströme fließen können, jedoch wird hier nicht berücksichtigt,
daß das durch die Spule hindurchgeführte Rohr eine sekundäre Kurzschlußwicklung
darstellt und damit die im Rohr vermittels des Induktionsstroms erzeugte Energie
sich im Ersatzschaltbild als Serienwiderstand zur Spule transformiert. Dies hat
zur Folge, daß in solchen Fällen trotz verschwindender Blindanteile die Spule beim
Rohrdurchgang statt niederohmig, hochohmig wird. Es tritt keine Stromerhöhung in
der Spule auf.
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Das Entmagnetisierungsfeld ist entsprechend niedrig. Eine Uberwindung
des "Abschirmeffektes" ist daher in solchen Fällen nicht möglich.
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Aufgrund der genannten Uberlegungen kann die gestellteAufgabe dadurch
gelöst werden, daß für eine gegebene Frequenz für jede Rohrdimension ein so starkes
Entmagnetisierungsfeld erzeugt wird, daß der "Abschirmeffekt" überwunden werden
kann. Erst wenn die "Elementarmagnete" an der Rohrinnenwandung durch das magnetische
Wechselfeld erreicht werden können, ist eine vollständige Entmagnetisierung möglich,
d.h. es muß immer möglich sein, die magnetische Sättigung für jedes Rohr zu erreichen.
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Es darf insbesondere bei dickwandigen Rohren nicht passieren, daß
sich das Magnetfeld beim Rohrdurchgang wesentlich ver -mindert.
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Die Lösung dieses Problems geschieht durch die Parallel -schaltung
einer als Entmagnetisierungsspule wirkenden Zylinderspule mit innerer Öffnung für
den Rohrdurchgang, eines Kondensators und einer hochohmigen Stromquelle0 Die Spule
ist niederohmig mit kleiner Induktivität ausgeführt, so daß beim Rohrdurchgang eine
möglichst kleine Induktivitätsänderung eintritt. Die Parallelschaltung von Spule
und Kondensator wirkt kapazitiv, d.ho dieser Parallelkreis wird unterhalb der Resonanz
betrieben. Auch bei dieser Anordnung transformiert sich die in das Rohr übertragene
Energie im Ersatzschaltbild als Serienwiderstand in den Parallelkreis; doch wegen
der angewendeten Stromquelle erhöht sich die Spannung im Parallelkreis, so daß das
Entmagnetisierungsfeld weitgehend konstant bleibt. Eine Regulation der not -wendigen
Spulenstromstärke erfolgt in einfacher Weise durch die Umschaltung bzw. Zuschaltung
von Kapazitäten im Parallelkreis. Die Stromquelle kann praktisch durch einen Transformator
realisiert werden, der eine große Eisenweglänge zwischen Primär- und Sekundärwicklung
besitzt, z.B. in der Weise, daß bei einem Transformatorblech mit UI-Schnitt der
eine lange Schenkel von der Primär-, der andere Schenkel von der Sekundärwicklung
umgeben ist. Fur diese Anwendungen sind auch Transformatoren besonders geeignet,
die bei Belastung ein großes Streufeld erzeugen, bzw. einen Feldkurzschluß auf -weisen.
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Für die vollständige Abmagnetisierung, insbesondere beim Auslauf des
Rohres aus der inneren Öffnung der Entmagnetisierungsspule, ist die Phasenlage des
Spulenstroms von erheblicher BedeutungO Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Rohrende aus
der Spule austritt, insbesondere bei hoher Rohrgeschwindigkeit, darf keine Aufmagnetisierung
erfolgen. Denn es ist durchaus denkbar, daß gerade ein gerichtetes Feldmaximum vorliegt,
wenn das Rohr die Spule verläßt. Um dies zu verhindern, wird der Transformator vermittels
eines Sensor-Schalters von dem Parallelkreis getrennt, wenn das Rohr aus der Spule
austritt. Der Parallelkreis schwingt dann mit der ihm eigenen Frequenz, die in der
Regel höher als die Betriebsfequenz ist, aus. Dies führt zu einem exponentiell abfallenden
magnetischen Wechselfeld während des Austrittsvorganges. Dieser Effekt ist mit einem
Serienresonanzkreis nicht zu erzielen, weil mit der Abschaltung der Stromzufuhr
gleichzeitig der Resonanzkreis unterbrochen wird.
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Bei hoch aufmagnetisierten Rohren sind die aufgezeigten technischen
Lösungen nicht vollständig ausreichend. Weil die Entmagnetisierung nur im Bereich
der Entmagnetisierungsspule stattfindet, wirkt das Restrohr, welches erst noch durch
die Spule hindurchlaufen soll, wie ein langer Stabmagnet, dessen Gleichfeld die
Symmetrie der Entmagnetisierung stört. Dieses Problem betrifft aber nur den Rohranfang.
Deshalb sind auch die Magnetisierungswerte am Rohranfang immer höher als am Rohrende,
Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß zwei gleichartige Entmagnetisierungsspulen
die sich in einem Abstand von ca. Im Entfernung in axialer Richtung zum Rohr befinden,
nacheinander von demselben Rohr durchlaufen werden.
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Der Spulenabstand muß so groß sein, daß der Ubergriff des Restfeldes
auf den letzten Entmagnetisierungsort unterhalb der geforderten iiestmagnetisierungen
des Rohres liegt. in diesem Fall führt daher eine stufenweise Abmagnetisierung zum
Ziel.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung häher beschrieben.
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Der Transformator (i), dessen Kern ein UI-Schnitt ist, ist so gewickelt,
daß die Primärspule den einen, die Skundär -spule den anderen langen Schenkel umfaßt.
Über einen durch Sensoren (6) schaltbaren Schalter (5) wird der Betriebs -strom
auf die Entmagnetisierungsspule (3) und die Kondensatoren (2) geschaltet, die ihrerseits
vermittels einzelner Schalter dazugeschaltet werden können. Dei zylindrische Spulenkörper
(8), der mit einem inneren Durchgang (9) von llo mm Durchmesser für das Rohr (4)
versehen ist, ist aus Aluminium gefertigt und in seiner ganzen Länge geschlitzt
(10). Die Entmagnetisierungsspule ist niederohmig ausge -führt und hat eine Eigeninduktivität
von ca. 12 mH. Der Drahtquerschnitt beträgt 12 qmm. Jeder der zwei Konden -satoren
(2) besitzt eine Kapazität von 200 MF. Die Spule ist in einem Metall-Quadergehäuse
(li) eingebaut, welches durch Luft gekühlt ist. Auch das Quadergehäuse ist stirnseitig
geschlitzt (13) und ist mit einem Rartgewebedeckel (14) abgeschlossen0
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