VORRICHTUNG ZUR ERWÄRMUNG VON STRANGGEGOSSENEN UND STRANGGEPRESSTEN RUNDSTANGEN UND RUNDBOLZEN

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von stranggegossenen und stranggepressten Rundstangen und Rundbolzen, insbesondere eine Vorrichtung zur laserbasierten Erwärmung solcher Elemente mittels Absorption optischer Strahlung über ein Mittel zur Wärmeübertragung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung (100) zur Erwärmung von stranggegossenen und stranggepressten Rundstangen und Rundbolzen (S), umfasst eine Stangenführung (10) zum Transport einer Stange (S) durch die Vorrichtung (100); eine Lasereinrichtung (20) zur Erwärmung der Stange (S) mittels Absorption optischer Strahlung; und ein Mittel zur Wärmeübertragung (30), dazu eingerichtet, eine von der Lasereinrichtung (20) emittierte optische Strahlung zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, wobei das Mittel zur Wärmeübertragung (30) zur Wärmeübertragung in Kontakt mit der Stange (S) steht.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von stranggegossenen und stranggepressten Rundstangen und Rundbolzen, insbesondere eine Vorrichtung zur laserbasierten Erwärmung solcher Elemente mittels Absorption optischer Strahlung über ein Mittel zur Wärmeübertragung.

Stand der Technik

[0002] Einige industrielle Herstellungsverfahren verwenden als Vormaterial für ihre jeweiligen Erzeugnisse stranggegossene oder stranggepresste metallische Rundstangen und Rundbolzen, wobei es sich bei Rundbolzen im Wesentlichen um kürzere Rundstangenabschnitte handelt. Ein typisches Material für diese Halbzeuge ist Aluminium, es können jedoch auch andere Metalle bzw. Kunststoffe hierfür verwendet werden. Die Aluminiumstangen werden üblicherweise im sogenannten Stranggussverfahren hergestellt, wobei zwischen vertikalem und horizontalem Stranggießen unterschieden werden kann. Ein anderes Herstellungsverfahren für Rundstangen ist das Strangpressen. Insbesondere beim Stranggießen von Metallen ist die Oberfläche der erzeugten Stangen dabei typischerweise relativ rau.

[0003] Zur weiteren Verarbeitung der Rundstangen und Rundbolzen durch Umformung, beispielsweise in Strangpressanlagen und Strangpresslinien, müssen die Stangen typischerweise auf eine materialspezifische Umformtemperatur erwärmt werden. Im Stand der Technik werden dazu zumeist gasbetriebene Heizöfen verwendet. Aufgrund der zu erwartenden stetig steigenden Gaspreise und der nachteiligen Abhängigkeit von einem einzelnen fossilen Brennstoff werden jedoch für die Zukunft alternative Heizkonzepte zur Erwärmung benötigt. Dabei steht neben der Bereitstellung der erforderlichen Temperaturen und einer für übliche industrielle Anlagen ausreichenden Heizleistung zur Erwärmung großer Materialvolumina zukünftig insbesondere die Energieeffizienz und die Klimaneutralität solcher Anlagen im Vordergrund.

[0004] Neben einer Umstellung des zum Erwärmen genutzten Verbrennungsgases auf ressourcenschonendere Alternativen (z. B. Wasserstoff, Biogas) ist hierfür insbesondere die Verwendung von elektrischen Heizelementen in Industrieöfen bereits bekannt. Die elektrische Erwärmung eines mit herkömmlichen Gasöfen vergleichbaren Ofenvolumens auf die für die Umformprozesse erforderlichen Temperaturen ist jedoch aufgrund der höheren Kosten pro kW Heizleistung in der Regel keine vollwertige Alternative zur Verwendung von fossilem Gas. Es müssen daher neue Wege zur effizienteren Erwärmung der Materialen gefunden werden. Insbesondere lokalisiert und direkt wirkende Heizungskonzepte bieten dabei ein hohes Einspar- und Optimierungspotenzial, wobei diese jedoch für den industriellen Einsatz möglichst einfach handhabbar sein sollen und sich durch eine hohe Lebensdauer sowie geringe Betriebs- und Wartungskosten auszeichnen müssen.

Offenbarung der Erfindung

[0005] Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erwärmung von stranggegossenen und stranggepressten Rundstangen und Rundbolzen (im Folgenden abkürzend als Stangen bezeichnet) zur Verfügung zu stellen, welche in der Lage dazu ist, auch mehrere Meter lange zylindrische Stangen eines entsprechenden Materials für eine nachfolgende Weiterverarbeitung (z. B. Schmieden, Strangpressen) auf eine materialspezifische Prozesstemperatur (z. B. zur Umformung) zu erwärmt, welche im Prinzip klimaneutral und möglichst energieeffizient betrieben werden kann, im Vergleich zu herkömmlichen Gasheizöfen geringere oder potentiell zumindest vergleichbare Betriebs- und Wartungskosten aufweist und sich für einen industriellen Einsatz eignet. Auf potentiell verschleißbehaftete bewegliche Komponenten soll dabei weitestgehend verzichtet werden. Zudem wird für viele Anwendungen eine hochpräzise und/oder positionsgenaue Regelbarkeit der Temperatur benötigt.

[0006] Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren vielfältig ergänzbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.

[0007] Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von stranggegossenen und stranggepressten Rundstangen und Rundbolzen, umfassend eine Stangenführung zum Transport einer Stange durch die Vorrichtung; eine Lasereinrichtung zur Erwärmung der Stange mittels Absorption optischer Strahlung; und ein Mittel zur Wärmeübertragung, dazu eingerichtet, eine von der Lasereinrichtung emittierte optische Strahlung zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, wobei das Mittel zur Wärmeübertragung zur Wärmeübertragung in Kontakt mit der Stange steht.

[0008] Vor der Erwärmung müssen die Stangen zunächst in die Vorrichtung eingebracht werden. Dies kann mit einer im Stand der Technik üblichen Stangenführung erfolgen. Die Stangenführung kann dabei für einen Transport durch die Vorrichtung von einer eingangsseitigen zu einer ausgangsseitigen Öffnung ausgebildet sein. Die Stangenführung kann jedoch auch zu einem Einbringen und Entfernen der Stangen über eine einzige Öffnung der Vorrichtung durch Umkehr der entsprechenden Transportrichtung ausgebildet sein. Geeignete Stangenführungen zum gerichteten Transport von zylindrischen Rundstangen und Rundbolzen durch Heizöfen (z. B. Gasöfen) sind im Stand der Technik hinreichend bekannt und können entsprechend auch in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden.

[0009] Ein Erwärmen der Stangen erfolgt mittels Absorption optischer Strahlung aus einer Lasereinrichtung. Ein solches Heizverfahren hat den Vorteil, dass die Wärme sehr lokalisiert und direkt in die Stangen eingebracht werden kann, ohne dass eine Erwärmung des gesamten Ofenvolumens auf die erforderlichen Prozesstemperaturen erfolgen muss. Zwar wird auch der Ofen indirekt durch eine Wärmeabstrahlung der aufgeheizten Stangen mit erwärmt, der erforderliche Energiebedarf ist dennoch geringer als bei einer vollständigen Aufheizung des Ofenraums auf die Prozesstemperatur. Lasereinrichtungen sind mittlerweile kostengünstig und langlebig auch für den Hochleistungsbereich verfügbar und weisen zudem eine sehr hohe Konversionseffizienz für die Umwandlung von elektrischer Energie in Strahlungsenergie auf. Wird die erzeugte optische Strahlung anschließend möglichst vollständig durch das Mittel zur Wärmeübertragung absorbiert, kommt es zu einem optimalen Wärmeeintrag in das Mittel zur Wärmeübertragung und darüber auch in die damit in Kontakt stehende Stange.

[0010] Allerdings sind die typischerweise verfügbaren Stangen nicht für eine direkte Erwärmung mittels Absorption optischer Strahlung geeignet. Insbesondere die unbehandelte Oberfläche von Metallstangen ist im Allgemeinen mehr oder weniger stark reflektierend ausgebildet, sodass aufgrund von Oberflächenreflexionen nur ein Bruchteil der eingestrahlten optischen Leistung durch das Material absorbiert werden kann. Des Weiteren ist herstellungsbedingt die Oberfläche der Stangen zumeist nicht glatt, sondern weist typischerweise eine relativ hohe Rauheit auf. Diese Oberflächenrauheit bildet Streustellen an der Oberfläche des Materials aus, wodurch die in das Material eintragbare Energiemenge ebenfalls stark reduziert werden kann. In beiden Fällen kommt es zu einer Verringerung der Absorption an der Oberfläche des Materials, welche unerwünscht ist.

[0011] Erfindungsgemäß erfolgt daher eine Absorption optischer Strahlung nicht unmittelbar über die Oberfläche der Stangen selbst, sondern es wird ein zusätzliches Mittel zur Wärmeübertragung genutzt, welches dazu eingerichtet ist, eine von der Lasereinrichtung emittierte optische Strahlung zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, wobei das Mittel zur Wärmeübertragung zur Wärmeübertragung in Kontakt mit der Stange steht. Bei dem Mittel zur Wärmeübertragung kann es sich beispielsweise um eine auf die Oberfläche der Stange aufgebrachte Lack- oder Farbschicht als Absorberschicht handeln. Das Mittel zur Wärmeübertragung kann spezifisch auf die Wellenlänge der zur Absorption vorgesehenen optischen Strahlung angepasst sein. Insbesondere kann das Mittel zur Wärmeübertragung hierzu spezifische Absorberpartikel, photonische Nanoelemente oder entsprechend funktionalisierte Polymere (Antennenmoleküle) enthalten. Ein Kontakt mit der Stange ist erforderlich um die durch die Absorption erzeugte Wärme per Wärmeleitung effektiv in das Stangenmaterial leiten zu können.

[0012] Vorzugsweise kann das Mittel zur Wärmeübertragung als eine die Stange umgebende Wärmeübertragungshülse oder -manschette ausgebildet sein. Solche Elemente können dazu vorgesehen sein, die Stangen möglichst formschlüssig zu umgeben und somit einen weitgehend direkten, vollflächigen Kontakt mit der Stange zu ermöglichen. Die Elemente können dabei aus einem die auftreffende optische Strahlung im entsprechenden Wellenlängenbereich stark absorbierenden Material mit hoher Temperaturstabilität gefertigt sein. Alternativ kann zur Absorption auch eine auf die Oberfläche der besagten Mittel zur Wärmeübertragung aufgebrachte Lack- oder Farbschicht entsprechend dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel für eine Absorption der von Lasereinrichtung emittierten optische Strahlung vorgesehen sein. Die Wärmeübertragungshülse oder -manschette muss in diesem Fall lediglich aus einem geeigneten temperaturstabilen Material bestehen und braucht selbst kein effektiver Strahlungsabsorber zu sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um ein zur Einfallrichtung der optischen Strahlung (Außenseite) geschwärztes Metall- bzw. Stahlblech handeln.

[0013] Bevorzugt ist die Außenseite des Mittels zur Wärmeübertragung zur Vermeidung von Streuzentren glatt ausgebildet. Das Mittel zur Wärmeübertragung kann sich entlang des gesamten zu erwärmenden Bereiches der Stange erstrecken oder es werden eine Vielzahl (mindestens zwei) von nebeneinander angeordneten Mitteln zur Wärmeübertragung für die Stangenerwärmung eingesetzt. Die Verwendung einer Kombination relativ kurzer Mittel zur Wärmeübertragung bieten den Vorteil einer einfacheren maschinellen Umsetzung und erlauben zudem eine einfache Anpassung auf unterschiedliche Stangenlängen.

[0014] Eine Wärmeübertragungshülse kann beispielsweise weitgehend passend zum Durchmesser der zu erwärmenden Stange als zylinderförmiges Hohlelement ausgebildet sein und vorab oder während des Transports der Stange mit dieser in Kontakt gebracht werden. Um im Falle von möglichen Schwankungen beim Durchmesser der Stangen sicherzustellen, dass die Wärmeübertragungshülse zur Wärmeübertragung in vollflächigen Kontakt mit der Stange steht, kann das Mittel zur Wärmeübertragung weiterhin ein Kontaktmedium zur verbesserten Wärmeleitung (z. B. ein Wärmeleitgel oder eine Wärmeleitpaste) umfassen. Dieses füllt bevorzugt einen Zwischenraum zwischen der Oberfläche der Stange und einer Innenseite der Wärmeübertragungshülse vollständig aus. Ein Kontaktmedium ist jedoch nicht auf eine Verwendung bei Wärmeübertragungshülsen beschränkt und kann auch in Zusammenhang mit anderen Mitteln zur Wärmeübertragung genutzt werden.

[0015] Eine Wärmeübertragungsmanschette kann im Prinzip ähnlich der obenstehend beschriebenen Wärmeübertragungshülse ausgebildet sein und entsprechend genutzt werden. Im Unterschied dazu kann diese jedoch im Durchmesser verstellbar ausgebildet sein, sodass auch Stangen unterschiedlichen Durchmessers oder uneinheitlichem Durchmesser verwendet werden können. Eine solche Manschette kann beispielsweise mit einem variabel verstellbaren Öffnungsmechanismus zur Anpassung des Durchmessers der Öffnung ausgestattet sein. Eine Möglichkeit hierfür ist beispielsweise die Ausbildung der Manschette mit zinken- oder bandförmig um einen Auflagebereich ausgebildeten Zugelementen, wobei die Manschette durch Spannen der Zugelemente nach dem Einführen der Stange in die Manschette um die Stange herum festgezogen werden kann. Eine weitere Möglichkeit ist die Ausbildung einer entsprechenden Manschette als spiralförmige Anordnung, beispielsweise indem mehrere Wicklungen eines als Mittel zur Wärmeübertragung wirkenden Bleches entlang der Stangenrichtung versetzt zueinander angeordnet werden und wie im Beispiel der oben genannten Manschette mit den zinken- oder bandförmig ausgebildeten Zugelementen ebenfalls durch ein Festziehen von entsprechend am Blech angeordneten Zugelementen der Durchmessers der Öffnung der spiralförmigen Anordnung durch Spannen der Zugelemente derart reduzierbar ist, dass die Manschette um die Stange herum spiralförmig festgezogen werden kann. Ebenfalls möglich ist auch eine mittels eines Rotationsantriebes im Durchmesser anpassbare Manschette ähnlich dem Prinzip einer in der Größe der Öffnung verstellbaren Schlauchschelle.

[0016] Vorzugsweise umfasst die Lasereinrichtung eine Vielzahl von ringförmig um die Stange herum angeordnete Laserdiodenbarrenstapel, vorzugsweise mit einer Emissionswellenlänge zwischen 900 nm und 1 µm. Laserdiodenbarren können sehr hohe optische Ausgangsleistungen bereitstellen und weisen eine hohe elektrische Konversionseffizienz auf. Um die abgegebenen Leistung weiter zu erhöhen, können die einzelnen Laserdiodenbarren zu Stapeln (engl. "stacks") angeordnet werden. Insbesondere Emissionswellenlängen in dem genannten Bereich, beispielsweise bei 940 nm, sind für eine erfindungsgemäße Strahlungsheizung optimal geeignet und von einer Vielzahl von Anbietern kostengünstig und in breiter Auswahl verfügbar. Beispielsweise sind pro Laserbarren aktuell optische Leistungen von typischerweise etwa 100 W bis 150 W bei Konversionseffizienzen von 60-70 % erhältlich, welche bei einem Laserstapel mit ca. 8 bis 12 Laserbarren optische Ausgangsleistungen im kW-Bereich bereitstellen können. Die von den Laserdiodenbarren nicht in optische Strahlung konvertierte elektrische Energie führt zu einer Erwärmung der Laserdiodenbarrenstapel, wobei die entstehende Verlustwärme durch entsprechende Kühlvorrichtungen effektiv abgeführt werden muss. Bevorzugt ist dabei eine aktive Flüssigkeitskühlung der Laserdiodenbarrenstapel, wobei die Betriebstemperatur im Allgemeinen auf etwa 20 °C - 30 °C stabilisiert werden sollte.

[0017] Eine grobe Abschätzung einer benötigten Systemleistung kann über einen Vergleich mit derzeitigen industriellen Anlagen erfolgen. Beispielsweise wäre bei Aluminiumstangen mit einem Durchmesser von 8 Zoll und einer Länge von ca. 1 m für einem in industriellen Anlagen typischerweise zu erreichenden Durchsatz von etwa 4 t Aluminium pro Stunde zur Aufheizung von der mittleren Umgebungstemperatur auf eine übliche Prozesstemperatur von ca. 520 °C eine optische Leistung von mehreren 100 kW erforderlich. Die Bereitstellung solch hoher Leistungen auf rein optischem Wege ist zwar prinzipiell möglich, stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an den verwendeten Systemaufbau. Daher ist aus praktischen Gründen ein hybrider Ansatz sinnvoll, bei dem die Stangen nicht rein strahlungsbasiert von Umgebungstemperatur auf eine benötigte Prozesstemperatur erwärmt werden, sondern die Stangen vor dem erfindungsgemäßen Erwärmen bereits anderweitig vorgeheizt worden sind. Für Aluminiumstangen ist dabei beispielsweise eine Vorheiztemperatur von etwa 400 °C ein sinnvoller Ansatzpunkt. Unter diesen Annahmen reduziert sich die benötigte optische Systemleistung auf nur noch einige wenige 100 kW.

[0018] Auf Basis dieser groben Abschätzung kann daher davon ausgegangen werden, dass ein Ring der besagten ringförmigen Anordnung bevorzugt etwa 5 bis 10 Laserdiodenbarrenstapel (z. B. 6 Laserdiodenbarrenstapel) umfasst, der Abstand zwischen einzelnen Ringen bevorzugt etwa 5 cm - 15 cm (z. B. 8 - 10 cm) beträgt und die Laserdiodenbarren bevorzugt etwa 50 mm bis 100 mm (z. B. 60 mm - 80 mm) von der Oberfläche der Stange entfernt angeordnet sind (bei einem angenommen typischen Öffnungswinkel von 10 ° in der langsamen Achse und 50 ° - 70 ° in der schnellen Achse).

[0019] Vorzugsweise werden die Stange und das Mittel zur Wärmeübertragung durch eine Einhausung von der Umgebung isoliert und die optische Strahlung der Lasereinrichtung wird durch Eintrittsfenster in der Einhausung von außerhalb ins Innere der Einhausung transmittiert. Die Einhausung kann beispielweise durch einen offenen oder verschließbaren Stahlzylinder zur Ausbildung eines weitgehend abgeschlossenen Ofenvolumens ausgebildet werden. Vorzugsweise weist die Einhausung an seiner Innenseite eine diffus streuende Oberfläche oder Beschichtung auf. Dadurch kann im Falle einer von der Stange oder dem Mittel zur Wärmeübertragung reflektierten optischen Strahlung diese entsprechend diffus rückgestreut werden, sodass es insbesondere nicht zur Ausbildung von Hotspots an der Innenseite der Einhausung (z. B. an der Innenseite des besagten Stahlzylinders) kommen kann und die auftreffende optische Strahlung in das Innere der Einhausung rückgestreut werden kann. Die Eintrittsfenstern können insbesondere aus einem temperaturbeständigen, für die eingekoppelte optische Strahlung transparenten Material (z. B. Duran) gefertigt sein. Die Lasereinrichtung ist vorzugsweise außerhalb der Einhausung angeordnet, wodurch die Lasereinrichtung vom beheizten Bereich getrennt ist und eine effektive Kühlung ermöglicht wird.

[0020] Vorzugsweise weist die Einhausung an seiner Außenseite eine thermische Isolationsschicht auf. Die thermische Isolationsschicht hat die Aufgabe, einen Wärmetransport aus dem Inneren des Mantelelements zu verhindern. Bei der thermischen Isolationsschicht kann es sich beispielsweise um ein temperaturbeständiges Dämmmaterial handeln. Die Einhausung soll neben einer Wärmeübertragung (Wärmeverlust) durch Konvektion insbesondere auch eine indirekte Strahlungserwärmung des Außenbereichs durch die Abstrahlung von Infrarotstrahlung aus dem Inneren der Einhausung verhindern.

[0021] Vorzugsweise wird ein Zwischenraum zwischen der thermischen Isolationsschicht und der Lasereinrichtung mittels Luftstrom gekühlt. Dadurch kann zum einen insbesondere eine über die thermische Isolationsschicht an die Luft im Zwischenraum abgegebene Restwärme abtransportiert und zum anderen eine effektive vorderseitige Kühlung der Lasereinrichtung erreicht werden.

[0022] Vorzugsweise wird eine von der Lasereinrichtung erzeugte Verlustwärme zum Vorheizen der Stangen verwendet. Zur Erhöhung der Effizienz der Vorrichtung soll die von der Lasereinrichtung abgegebene Wärme bevorzugt nicht ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Stattdessen soll die trotz einer sehr hohen Konversionseffizienz der einzelnen Laserdiodenbarren dennoch nicht unerhebliche Energiemenge vorzugsweise in einem Vorwärmprozess für die Stangen sinnvoll weitergenutzt werden. Beispielweise kann ausgehend von einer sich in einer Umgebung der Lasereinrichtung einstellenden Gleichgewichtstemperatur bezüglich der von der Lasereinrichtung abgeführten Verlustwärme als unteres Temperaturniveau über den Einsatz von im Stand der Technik bekannten Industriewärmepumpen ein oberes Temperaturniveau von etwa 150 °C erreicht werden.

[0023] Vorzugsweise werden die Stangen daher zunächst auf eine Temperatur zwischen 120 °C und 180 °C (z. B. ca. 150 °C) vorgewärmt, mit einer Zwischenheizung auf eine Temperatur zwischen 360 °C und 440 °C (z. B. ca. 400 °C) zwischenerwärmt und durch die Lasereinrichtung auf eine Temperatur zwischen 480 °C und 560 °C (z. B. maximal ca. 520 °C bei Aluminiumstangen) enderwärmt. Als Vorheizung kann eine im voranstehenden Ausführungsbeispiel beschriebene Wärmepumpenheizung zur Anwendung kommen. Als Zwischenheizung können beispielsweise herkömmliche industrielle Gas- und/oder Elektroöfen verwendet werden. Dabei können die Stangen entlang einer gemeinsamen Heizlinie zunächst einen Vorwärmbereich passieren, bevor diese in einem Zwischenheizbereich weiter auf die Zwischenerwärmungstemperatur erwärmt werden. Die eigentlichen Erwärmung auf eine erforderliche Zieltemperatur (z. B. Umformungs- oder Prozesstemperatur) kann anschließend in einem von der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellten Hauptheizbereich erfolgen.

[0024] Vorzugsweise kann zur Einstellung eines Temperaturprofils die optische Leistung der Lasereinrichtung positionsabhängig geregelt werden. Dies ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Öfen mit einheitlicher Temperaturverteilung. Die durch die vorliegende Erfindung realisierte direkte und positionsgenaue Erwärmung der Stangen mittels Absorption optischer Strahlung ermöglicht eine gezielte Beeinflussung des Temperaturprofils entlang der Stange. Beispielsweise kann dadurch am Anfang der Stange eine leicht höhere Temperatur als am Ende der Stange eingestellt werden, was für einige Folgeprozesse von Vorteil sein kann. Bei der Realisierung eines bestimmten Temperaturprofils muss jedoch stets die Wärmeleitung im Inneren der Stangen mit berücksichtigt werden. Insbesondere lassen sich starke Temperaturgradienten nur bedingt erzeugen bzw. aufrechterhalten. Die Realisierung einer positionsabhängigen Regelung der Lasereinrichtung kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Laserdiodenbarrenstapel jeweils über eine eigene Leistungselektronik angesteuert werden. Ein Temperaturprofil kann dann über eine einfache Regelschaltung zur Ansteuerung der jeweiligen Leistungselektronik erfolgen. Die Regelschaltung kann bevorzugt über eine entsprechende Regelelektronik oder computerimplementiert erfolgen.

[0025] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den jeweiligen Unteransprüchen genannten Merkmalen.

[0026] Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0027] Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen:

FIG. 1

eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer isometrischen Ansicht;

FIG. 2

eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht;

FIG. 3

eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittdarstellung; und

FIG. 4

eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mittels zur Wärmeübertragung in verschiedenen Ansichten.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0028] Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 in einer isometrischen Ansicht. Die gezeigte Ausführungsform umfasst eine Stangenführung 10 zum Transport einer Stange S durch die Vorrichtung 100; eine Lasereinrichtung 20 zur Erwärmung der Stange S mittels Absorption optischer Strahlung; und ein Mittel zur Wärmeübertragung (nicht explizit gezeigt), dazu eingerichtet, eine von der Lasereinrichtung 20 emittierte optische Strahlung zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, wobei das Mittel zur Wärmeübertragung zur Wärmeübertragung in Kontakt mit der Stange S steht.

[0029] Die gezeigte Lasereinrichtung 20 umfasst eine Vielzahl von ringförmig um die Stange S herum angeordnete Laserdiodenbarrenstapel 22, vorzugsweise mit einer Emissionswellenlänge zwischen 900 nm und 1 µm. Ein Ring umfasst in dieser Ausführungsform rein beispielhaft genau 6 Laserdiodenbarrenstapel 22, wobei der Abstand zwischen einzelnen Ringen etwa 5 cm bis 15 cm betragen kann und die Laserdiodenbarrenstapel 22 etwa 50 mm bis 100 mm von der Oberfläche der Stange S entfernt angeordnet sein sollen. Es sind insgesamt 15 Ringe gezeigt, sodass die Gesamtlänge des erwärmten Bereichs in diesem Beispiel bei etwa 1 m bis 2 m liegt.

[0030] Die Stange S und das Mittel zur Wärmeübertragung 30 sind durch eine Einhausung 40 von der Umgebung isoliert und die optische Strahlung der Lasereinrichtung 20 wird durch Eintrittsfenster (nicht gezeigt) in der Einhausung 40 von außerhalb ins Innere der Einhausung 40 transmittiert. Zur Einstellung eines Temperaturprofils kann die optische Leistung der Lasereinrichtung 20 positionsabhängig geregelt werden.

[0031] Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 in einer Seitenansicht. Die gezeigte Ausführungsform entspricht weitgehend der in FIG. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Die Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend. Im Unterschied zur FIG. 1 ist vor dem Bereich mit der Lasereinrichtung 20 weiterhin mindestens eine Zusatzheizung 60 angeordnet. Die Zusatzheizung 60 kann vorzugsweise einen Vorheizbereich mit einer entsprechenden Vorheizung und einen Zwischenheizbereich mit einer entsprechenden Zwischenheizung umfassen. Die Stangen S können dabei im Vorheizbereich zunächst auf eine Temperatur zwischen 120 °C und 180 °C vorgewärmt werden, im Zwischenheizbereich auf eine Temperatur zwischen 360 °C und 440 °C zwischenerwärmt werden und durch die Lasereinrichtung 20 auf eine Temperatur zwischen 480 °C und 560 °C enderwärmt werden. Vorzugsweise wird eine von der Lasereinrichtung 20 erzeugte Verlustwärme zum Vorheizen der Stangen S verwendet. Als Vorheizung kann dabei eine voranstehend beschriebene Wärmepumpenheizung zur Anwendung kommen. Als Zwischenheizung können beispielsweise herkömmliche industrielle Gas- und/oder Elektroöfen verwendet werden.

[0032] Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 in einer Schnittdarstellung. Insbesondere zeigt die Darstellung einen Querschnitt durch die Lasereinrichtung 20 senkrecht zur Achse der Stange S im Bereich der ringförmig um die Stange herum angeordneten Laserdiodenbarrenstapel 22. Die gezeigte Ausführungsform entspricht weitgehend der in den Figuren 1 und 2 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung 100.

[0033] Die Bezugszeichen und deren jeweilige Zuordnung zu einzelnen Merkmalen gelten daher entsprechend.

[0034] Zusätzlich ist in dieser Darstellung insbesondere das Mittel zur Wärmeübertragung 30 gezeigt. Das Mittel zur Wärmeübertragung 30 ist hierbei beispielhaft als eine die Stange S umgebende Wärmeübertragungshülse eingezeichnet. Die Wärmeübertragungshülse ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, eine von der Lasereinrichtung 20 emittierte optische Strahlung zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, wobei das Mittel zur Wärmeübertragung 30 zur Wärmeübertragung in Kontakt mit der Stange S steht (der eingezeichnete kleine Zwischenraum zwischen der Stange und dem Mittel zur Wärmeübertragung 30 ist aus illustratorischen Gründen eingefügt). Weiterhin zu erkennen ist, dass die Stange S und das Mittel zur Wärmeübertragung 30 durch eine Einhausung 40 von der Umgebung isoliert sind und die optische Strahlung der Lasereinrichtung 20 durch Eintrittsfenster 42 in der Einhausung 40 von außerhalb ins Innere der Einhausung 40 transmittiert wird. Die Einhausung 40 weist zudem an der Außenseite eine thermische Isolationsschicht 44 auf. Der Zwischenraum zwischen der thermischen Isolationsschicht 44 und der Lasereinrichtung 20 kann mittels Luftstrom gekühlt werden.

[0035] Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mittels zur Wärmeübertragung 30 in verschiedenen Ansichten. Insbesondere soll es sich hierbei um eine beispielhafte Ausführungsform einer die Stange S als entsprechendes Mittel zur Wärmeübertragung 30 umgebenden Wärmeübertragungsmanschette handeln. Die gezeigte Manschette umfasst einen Auflagebereich 32 und zinkenförmig ausgebildete Zugelemente 34. Durch Spannen der Zugelemente 34 nach dem Einführen der Stange S in die Manschette kann diese um die Stange S herum festgezogen werden. Der notwendige Kontakt zwischen dem Wärmeübertragungsmittel 30 mit der Stange S zur Wärmeübertragung wird dabei über den durch das Spannen fest an der Stange S anliegenden Auflagebereich 32 hergestellt.

Bezugszeichenliste

[0036] 

10

Stangenführung

20

Lasereinrichtung

22

Laserdiodenbarrenstapel

30

Mittel zur Wärmeübertragung

32

Auflagebereich

34

Zugelemente

40

Einhausung

42

Eintrittsfenster

44

thermische Isolationsschicht

60

Zusatzheizung (z. B. eine Vorheizung und eine Zwischenheizung umfassend)

100

Vorrichtung

S

Stange

Ansprüche

1. Vorrichtung (100) zur Erwärmung von stranggegossenen und stranggepressten Rundstangen und Rundbolzen (S), umfassend:

eine Stangenführung (10) zum Transport einer Stange (S) durch die Vorrichtung (100);

eine Lasereinrichtung (20) zur Erwärmung der Stange (S) mittels Absorption optischer Strahlung; und

ein Mittel zur Wärmeübertragung (30), dazu eingerichtet, eine von der Lasereinrichtung (20) emittierte optische Strahlung zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, wobei das Mittel zur Wärmeübertragung (30) zur Wärmeübertragung in Kontakt mit der Stange (S) steht.

2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Wärmeübertragung (30) als eine die Stange (S) umgebende Wärmeübertragungshülse oder -manschette ausgebildet ist.

3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lasereinrichtung (20) eine Vielzahl von ringförmig um die Stange (S) herum angeordnete Laserdiodenbarrenstapel (22), vorzugsweise mit einer Emissionswellenlänge zwischen 900 nm und 1 µm, umfasst.

4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei ein Ring 5 bis 10 Laserdiodenbarrenstapel (22) umfasst, der Abstand zwischen den einzelnen Ringen etwa 5 cm bis 15 cm beträgt und die Laserdiodenbarrenstapel etwa 50 mm bis 100 mm von der Oberfläche der Stange (S) entfernt angeordnet sind.

5. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stange (S) und das Mittel zur Wärmeübertragung (30) durch eine Einhausung (40) von der Umgebung isoliert sind und die optische Strahlung der Lasereinrichtung (20) durch Eintrittsfenster (42) in der Einhausung (40) von außerhalb ins Innere der Einhausung (40) transmittiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einhausung (40) an der Außenseite eine thermische Isolationsschicht (44) aufweist.

7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei ein Zwischenraum zwischen der thermischen Isolationsschicht (44) und der Lasereinrichtung (20) mittels Luftstrom gekühlt wird.

8. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine von der Lasereinrichtung (20) erzeugte Verlustwärme zum Vorheizen der Stangen (S) verwendet wird.

9. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stangen (S) zunächst auf eine Temperatur zwischen 120 °C und 180 °C vorgewärmt werden, mit einer Zwischenheizung auf eine Temperatur zwischen 360 °C und 440 °C zwischenerwärmt werden und durch die Lasereinrichtung (20) auf eine Temperatur zwischen 480 °C und 560 °C enderwärmt werden.

10. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Einstellung eines Temperaturprofils die optische Leistung der Lasereinrichtung (20) positionsabhängig geregelt werden kann.

Zeichnung