DE102006006524A1 - Verfahren zur Überwachung eines Induktionsofens und Induktionsofen - Google Patents
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Abstract
Ein Induktionsofen weist eine Induktionsspule auf, an deren Außenseite in Spulenumfangsrichtung voneinander beabstandete Joche anliegen. Die Joche sind gegen die Spule verspannt, und es befindet sich zwischen jedem Joch und der Spule eine elektrische Spulen-Joch-Isolation. Um einen Fehler in der Spulen-Joch-Isolation einfacher und schneller orten zu können, wird an jedem einzelnen Joch unabhängig von den anderen Jochen eine Änderung seines elektrischen Isolationszustandes in Relation zu der Induktionsspule und/oder dem Erdpotential erfaßt. Danach wird die Lokalisierung einer sich anbahnenden oder vorliegenden Schadstelle in der Spulen-Joch-Isolation vorgenommen.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Induktionsofens gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und auf einen Induktionsofen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 4.
- Bei solchen Induktionsöfen, die für die Metallschmelze eingesetzt werden, besteht die Induktionsspule aus einem Hohlprofil aus Kupfer, welches zwecks Kühlung von Wasser durchflossen ist, um der hohen thermischen Belastung der Induktionsspule zu entsprechen. Die Spulenspannung beträgt bei heutigen Induktionsöfen bis zu 3000 V, was einer Windungsspannung von etwa 125 V entspricht. Die Frequenz der Speisespannung variiert je nach Einsatzzweck und Ofengröße, sie beträgt für Anwendungen zum Erschmelzen von Eisengußerwerkstoffen bei Ofengrößen im Bereich von 10 t etwa 200 Hz. So wird bei den Hochleistungsöfen eine Leistungsdichte von 1 MW/t installiert, demgemäß wird bei einem 10 t-Ofen eine Leistung von 10 MW vorgesehen.
- Für den sicheren und störungsfreien Betrieb eines solchen Induktionsofens muß die elektrische Isolation der Induktionsspule entsprechend ausgelegt werden. Zum einen müssen die Spulenwindungen gegeneinander und zum anderen muß die Spule gegenüber dem Erdpotential, welches bei den bekannten Ausführungen am Ofengestell und den Jochen anliegt, ausreichend isoliert sein. Hierbei treten Probleme aufgrund des elektromagnetischen Wirkprinzips der Induktionsöfen mit den oben geschilderten Parametern auf, denn es kommt zu extremen Belastungen der elektrischen Isolation zwischen Spule und den Rückschlußjochen durch Vibrationen. Diese Isolation besteht aus der Spulenisolation, mittels der die Spulenwindungen gegeneinander isoliert sind, und aus einem mehrschichtigen Isolationsaufbau zwischen der Induktionsspule und jedem Joch.
- Auch führen die betriebsmäßigen thermischen Belastungen sowie die mechanischen Belastungen infolge thermischer Dehnung des Tiegelmaterials zum einen und durch Ausbrechen bzw. Zustellen des Tiegels zum anderen zu weiteren Beanspruchungen der Spulen-Joch-Isolation. Weiter begünstigt anwesende Feuchtigkeit eine schnellere Alterung der Spulen-Joch-Isolation, die vor allem bei Neuzustellungen des Ofens in die Isolation eindringt. Letztlich kommt es zu einem elektrischen Durchschlag der Spulen-Joch-Isolation, hierdurch entsteht ein Erdschluß der Spule, der von der standardmäßig vorhandenen Erdschlußüberwachung bei den bekannten Induktionsöfen erkannt wird.
- Die Erdschlußüberwachung gibt jedoch nicht zu erkennen, über welchen Pfad und an welcher Stelle die Induktionsspule geerdet ist. Zum einen kann der Erdschluß über die Schmelze, welche die Spule erreicht, initiiert werden. Zum anderen kann der Erdschluß über die verschlissenen Isolationslagen zum geerdeten Joch hin vorliegen.
- Es stellt einen erheblichen Aufwand dar, bei solchen Induktionsöfen den Weg und die Stelle des Erdschlusses ausfindig zu machen. Daneben steht noch der durch den Produktionsausfall des Induktionsofens bedingte Verlust. Selbst wenn der Erdschluß als Schluß der Spule über die defekte Spulen-Joch-Isolation zu den Jochen hin identifiziert ist, ist nicht klar, über welches der Joche die Induktionsspule geerdet ist. Ein gängiger Induktionsofen mit einem 10 t-Tiegel weist etwa 10 bis 12 Joche auf, die nach und nach von der Induktionsspule abgerückt werden müssen, bis man zu dem Joch gelangt, nach dessen Distanzierung von der Spule der Erdschluß unterbrochen und damit die Stelle des Erdschlusses ermittelt ist. Das Lösen der Verschraubungen der gegen die Induktionsspule verspannten Joche ist allein schon eine zeitaufwendige Angelegenheit.
- Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungssystem für einen Induktionsofen der in Rede stehenden Art zu schaffen, um einen Fehler in der Spulen-Joch-Isolation einfacher und schneller orten zu können. Diese Aufgabe wird mit den Verfahrensmerkmalen des Patentanspruchs 1 und mit den gegenständlichen Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
- Für die Erfindung ist wesentlich, daß man sich hinsichtlich der Fehlererfassung an den einzelnen, voneinander beabstandeten Jochen des Induktionsofens orientiert. Die Fehlerermittlung kann auf zweierlei Weise vorgenommen werden.
- Zum einen läßt man die Jochkonstruktion bestehen, hierbei blei ben die Joche geerdet. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß die meistens zugänglich angeordneten, nicht berührungsgeschützten Joche ein gefährliches elektrisches Potential nicht führen können. So sind konstruktive Änderungen am Induktionsofen nicht erforderlich. In die Spulen-Joch-Isolation, nämlich in den Isolationsaufbau benachbart jedem der Joche wird ein Indikator in Gestalt einer Drahtelektrode eingelegt, die als kammförmige Elektrode oder als mäanderförmige Elektrode ausgeführt sein kann. Bei mehrschichtigem Aufbau des Isolationsaufbaus zwischen der Spulenisolation und jedem Joch kann die Drahtelektrode zwischen zwei Schichten, wie zwischen zwei Lagen einer Glimmerisolation, positioniert werden. Die Drahtstärke des Indikators ist so gering, daß das elektromagnetische Feld den Sensordraht nicht aufheizen kann. Durch die flächenmäßige Anordnung des Indikator-Drahtes wird der gesamte Bereich eines Joches überwacht, auch können Teilbereiche eines Joches überwacht werden, indem mehrere solcher Indikatoren räumlich voneinander getrennt vorgesehen werden.
- Die Detektierung eines Isolationsdefektes zwischen der Induktionsspule und jedem einzelnen Joch erfolgt durch Messung des Isolationswiderstandes, also des elektrischen Widerstandes zwischen der Spule und dem Indikator und/oder dem Indikator und dem Joch. Da diese Messungen an jedem einzelnen Joch vorgenommen werden, kann ein Defekt der Spulen-Joch-Isolation lokalisiert werden und zwar kann er auf das betreffende Joch oder auf einen Teilbereich dieses Joches eingegrenzt werden. Aufgrund der exponierten Anordnung des Indikators ist nicht nur eine frühzeitige Fehlererkennung sondern auch die rechtzeitige Wahrnehmung eines sich anbahnenden Fehlers möglich. So kann die Induktionsspule mit dem Indikator bereits in Kontakt stehen, bevor es zum Erd schluß infolge vollkommener Zerstörung der Spulen-Joch-Isolation kommt. Anstelle der Widerstandsmessung zur Erkennung des Isolationsdefektes kann eine Spannungsmessung zwischen dem Indikator und der Spule oder dem geerdeten Joch erfolgen, es kann auch ein Stromfluß von der Spule zum Indikator und/oder ein Stromfluß zwischen dem Indikator und dem Joch erfaßt und ausgewertet werden. Die Meßmethodik erlaubt des weiteren durch Vergleich der einzelnen Werte und durch Auswertung der Höhe der absoluten Meßwerte eine Aussage darüber, ob ein Erdschluß durch Feuchtigkeit oder ein satter Erdschluß vorliegt. Durch Variation der Frequenz der Meßspannung gelingt es sicher, einen Feuchtigkeitsschluß von einem metallischen Kurzschluß zu unterscheiden.
- Zum anderen kann gemäß der Erfindung vorgesehen werden, die übliche Erdung der Joche aufzuheben. Dies geschieht beispielsweise durch den Einbau einer Jochisolation zwischen jedem Joch und dem Ofengestell vornehmlich im Bereich der Spannvorrichtungen. Die Erdung jedes einzelnen Joches erfolgt in diesem Fall über eine einzelne Erdungsleitung zu dem geerdeten Ofengestell hin. Ein etwaiger Stromfluß, also ein Ableitstrom, durch diese Erdungsleitung hindurch wird für jedes Joch einzeln überwacht. Besonders bietet sich hierzu eine Meßmethode über Shunts oder den Einsatz von Stromzangen an. Wird durch die standardmäßig vorhandene Erdschlußüberwachung ein Erdschluß angezeigt, kann nun durch Auswertung des Ableitstromes an jedem einzelnen Joch zur Erde hin die Schadstelle eingegrenzt werden, die im Bereich des betreffenden Joches liegt. Diese Auswertung der Ableitströme wird aufgezeichnet, und durch Vergleich der einzelnen Ableitströme der Joche und durch die Auswertung der Höhe des Ableitstromes kann des weiteren identifiziert werden, ob es sich um Ableitströme infolge von Feuchtigkeit, wie sie bei der Neu zustellung nicht zu vermeiden sind, oder infolge eines massiven Erdschlusses handelt.
- Die Erfindung ermöglicht es, infolge der Lokalisierung des Durchschlags der Spulen-Joch-Isolation Reparaturen gezielt durchführen zu können, nämlich an der eingegrenzten Schadstelle. Hierdurch ergeben sich Einsparungen nicht nur aufgrund eines verringerten Reparaturaufwandes, sondern auch durch eine geringere Reparaturzeit, was den Produktionsausfall verkürzt.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Induktionsofen-Anlage mit einem im Vertikalschnitt dargestellten Induktionsofen, -
2 in vergrößerter Darstellung einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des Randbereichs des Induktionsofens nach1 in vergrößerter Wiedergabe, -
3 einen Vertikalschnitt durch den äußeren Randbereich des Induktionsofens einschließlich einem Teil des Ofengestells in erster Ausführung, -
4 eine stark vergrößerte Einzelheit des Grenzbereichs zwischen einer der Windungen der Induktionsspule und einem der Joche des Induktionsofens in der3 entsprechenden Ausführung, -
5 eine schematische Draufsicht auf den Induktionsofen in der den3 und4 entsprechenden Ausführung, -
6 eine Ansicht eines der Indikatoren, die gemäß4 in die Spulen-Joch-Isolation eingesetzt sind, -
7 eine Ansicht eines solchen Indikators in zweiter Ausführung, -
8 einen Vertikalschnitt durch den äußeren Randbereich des Induktionsofens gemäß1 in zweiter Ausführung und -
9 eine schematische Draufsicht auf den Induktionsofen in der Ausführung gemäß8 . - Der Induktionsofen gemäß
1 weist zur Aufnahme einer Metallschmelze1 einen Tiegel2 auf, der aus einem feuerfesten Material besteht. Außenseitig umgibt den Tiegel2 ein sogenannter Spulenschutz3 , an dem außenseitig koaxial zum Tiegel2 eine Induktionsspule4 angeordnet ist. - Einzelheiten der Induktionsspule
4 zeigt2 , in welcher man in voller Querschnitts-Darstellung eine der Spulenwindungen4.1 erkennt. Die Spulenwindungen4.1 bestehen aus einem Kupferhohlprofil, so daß im Innern jeder Spulenwindung4.1 ein Kühlkanal4.2 gebildet ist, durch den Kühlwasser hindurchgeschickt wird. - Aus
1 geht weiter hervor, daß außenseitig an der Induktionsspule4 Joche5 angeordnet sind, die achsparallel zur Induktionsspule4 ausgerichtet sind und die – wie die5 und9 zeigen – in Umfangsrichtung um die Induktionsspule4 herum nahezu gleichmäßig verteilt sind. Die einzelnen Joche5 haben Abstände voneinander und sind so gebogen, daß sie sich in Umfangsrichtung an die Induktionsspule4 anschmiegen. - Die Joche
5 sind gegen die Induktionsspule4 verspannt, dies zeigen vor allem die3 und8 . Dazu dienen Spannvorrichtungen6 mit Spannschrauben6.1 , die nach außen hin am äußeren stählernen Ofengestell6.2 abgestützt sind. Die Spannschrauben6.1 beaufschlagen das zugehörige Joch5 in radialer Richtung der Induktionsspule4 . Bei der Ausführung des Induktionsofens gemäß3 besteht über die Spannschrauben6.1 eine metallische Verbindung zwischen jedem Joch5 und dem Ofengestell6.2 , welches in der üblichen Weise geerdet ist. - Letztlich entnimmt man
1 noch die elektrische Versorgungseinrichtung7 zum Betrieb der Induktionsspule4 , an der des weiteren ein Erdschlußwächter8 angeschlossen ist, der im Falle eines Erdschlusses der Spule4 anspricht. Unabhängig von diesem Erdschlußwächter8 ist der Induktionsofen gemäß der Erfindung mit einem Überwachungssystem ausgestattet, welches nachstehend näher erörtert wird. -
2 und4 in weiter vergrößerter Darstellung veranschaulichen den Aufbau der elektrischen Isolierung zwischen der Induktionsspule4 und jedem der Joche5 . Dazu ist eine Spulen-Joch-Isolation9 vorgesehen, welche eine Spulenisolation9.1 , mittels der die Spulenwindungen4.1 gegeneinander isoliert sind, einschließt. Zwischen der Induktionsspule4 und jedem geerdeten Joch5 liegt im Betriebsfall eine Spannung in der Größenordnung von 3.000 Volt. Darauf ist ein Isolationsaufbau9.2 ausgelegt, der aus mehreren Schichten, insbesondere aus Glimmerlagen besteht. - Mit zunehmendem Verschleiß verringert sich der elektrische Widerstand der gesamten Spulen-Joch-Isolation, der, wie es
4 und5 zeigen, mittels einer Sensoreinrichtung10 überwacht wird, um die Widerstandsänderung zu erfassen. Zwischen zwei der Schichten des Isolationsaufbaus9.2 ist zumindest ein Indikator11 eingebracht, der aus einem elektrischen Leiter besteht.6 zeigt einen solchen Indikator in der Gestalt eines mäanderförmigen Leiters11.1 und7 in Form eines kammförmigen Leiters11.2 . Die mäanderförmige Leiter11.1 als Indikator erlaubt eine Eigendiagnose im Hinblick auf eine Unterbrechung. Wegen der vorhandenen beiden Enden, an die angeschlossen werden kann, ist eine elektrische Durchgangsprüfung möglich. - Wie
4 weiter veranschaulicht, wird zwischen jedem Indikator11 und dem Joch5 einerseits sowie einer der Spulenwindungen4.1 andererseits eine Spannung, ein Strom oder ein Widerstand gemessen, dafür sind entsprechende Anzeigegeräte10.1 vorgesehen. Die Indikatoren11 und die Anzeigegeräte10.1 sind Teil je einer Sensoreinrichtung10 , und je eine dieser Sensoreinrichtungen10 ist jedem der Joche5 zugeordnet, wie5 zeigt. Bahnt sich ein Erdschluß der Induktionsspule4 an oder liegt ein solcher Erdschluß bereits vor, wird dies durch die betreffende Sensoreinrichtung10 signalisiert, und man erlangt damit den sofortigen Hinweis, im Bereich welchen Joches5 ein Durchschlag der Spulen-Joch-Isolation9 droht und kann an der betreffenden Stelle die notwendigen Gegenmaßnahmen ergreifen. - Die Lokalisierung einer Schadstelle kann man dadurch noch weiter eingrenzen, daß man im Bereich eines der Joche
5 zwei oder mehrere der Indikatoren11 vorsieht und die Sensoreinrichtung10 so ausgestattet ist, daß jeder der Indikatoren11 erfaßt ist. -
8 und9 zeigen eine Anordnung, mit der in anderer Weise der gleiche Zweck erfüllt wird. Hierbei sind die Joche5 gegenüber dem Erdpotential führenden Ofengestell6.2 derart elektrisch isoliert, daß ein Erdschluß nicht über die Spannschrauben6.1 der Spannvorrichtung6 erfolgen kann. Deshalb ist zwischen jedem der Joche5 und dem Ofengestell6.2 eine elektrische Isolation12 in Gestalt druck- und hitzefester Isolierstücke vorgesehen, die zwischen den Spannschrauben6.1 und dem zugehörigen Joch5 angeordnet sind. Jedes Joch5 ist mit dem Ofengestell6.2 mittels einer eigenen Erdleitung13 verbunden, und jede dieser Erdleitungen13 ist in diesem Fall Teil der Sensoreinrichtung10 , mittels der ein Erdschluß an dem jeweiligen Joch5 erfaßt werden kann. Dazu weist die Sensorvorrichtung10 einen Strommesser A auf, der entweder in die Erdleitung13 jedes Jochs5 eingefügt oder zumindest daran anschließbar ist. Dies hängt davon ab, ob man entweder entsprechend9 an jeder der Erdleitungen13 permanent eine Sensorvorrichtung10 vorsieht oder im Falle eines vom Erdschlußwächter8 (1 ) angezeigten Erdschlusses nacheinander die einzelnen Erdleitungen13 auf einen darüber fließenden Ableitstrom nacheinander überprüft. Hierfür eignen sich Stromzangen, und je nach Art der Ausbildung der Sensoreinrichtung10 kann es erforderlich sein, in jede der Erdleitungen13 einen Shunt einzufügen.
Claims (7)
- Verfahren zur Überwachung eines Induktionsofens, der eine Induktionsspule aufweist, an deren Außenseite in Spulenumfangsrichtung voneinander beabstandete Joche anliegen, die mittels am äußeren Ofengestell abgestützter Spannvorrichtungen gegen die Spule angedrückt sind, wobei sich zwischen jedem Joch und der Spule eine elektrische Spulen-Joch-Isolation befindet, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem einzelnen Joch unabhängig von den anderen Jochen eine Änderung seines elektrischen Isolationszustandes in Relation zu der Induktionsspule und/oder dem Erdpotential erfaßt und danach die Lokalisierung einer sich anbahnenden oder vorliegenden Schadstelle in der Spulen-Joch-Isolation vorgenommen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Joch und der Induktionsspule und/oder dem Erdpotential eine Widerstands-, Spannungs- und/oder Strommessung vorgenommen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Joch und dem Erdpotential das Fließen eines Ableitstroms überwacht wird, wozu zwischen jedem Joch und dem Ofengestell eine elektrische Isolation vorgesehen wird.
- Induktionsofen mit einer Induktionsspule (
4 ), an deren Außenseite in Spulenumfangsrichtung voneinander beabstandete Joche (5 ) anliegen, die mittels am äußeren Ofengestell (6.2 ) abgestützter Spannvorrichtungen (6 ) gegen die Spule (4 ) angedrückt sind, wobei sich zwischen jedem Joch (5 ) und der Spule (4 ) eine elektrische Spulen-Joch-Isolation (9 ) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der einzelnen Joche (5 ) eine Sensoreinrichtung (10 ) zugeordnet ist, mit der entweder eine Widerstandsänderung der Spulen-Joch-Isolation (9 ) im Bereich jedes einzelnen Joches (5 ) und/oder das Fließen eines Ableitstromes zwischen jedem einzelnen Joch (5 ) und dem Erdpotential erfaßt wird. - Induktionsofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (
10 ) einen Indikator (11 ) aufweist, der aus einem in die Spulen-Joch-Isolation (9 ) eingebrachten elektrischen Leiter besteht, mittels dem ein Widerstands-, spannungs- und/oder stromabhängiges Signal dedektiert wird, welches in der Sensoreinrichtung (10 ) ausgewertet wird. - Induktionsofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der als Indikator (
11 ) in die Spulen-Joch-Isolation (9 ) eingebrachte Leiter als mäanderförmiger Leiter (11.1 ) oder als kammförmiger Leiter (11.2 ) ausgebildet ist. - Induktionsofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofengestell (
6.2 ) geerdet und zwischen jedem Joch (5 ) und dem Ofengestell (6.2 ) eine elektrische Isolation (12 ) vorgesehen ist, wobei jedes Joch (5 ) einzeln mittels einer Erdleitung (13 ) mit dem Erdpotential verbunden und zumindest ein Strommesser (A) vorgesehen ist, der an diese Erdleitung (13 ) anschließbar oder darin eingefügt ist.
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