DE10236033A1

DE10236033A1 - Verfahren und Anordnung zum Überwachen des Erhaltungszustands der feuerfesten Auskleidung von Schmelzöfen

Info

Publication number: DE10236033A1
Application number: DE10236033A
Authority: DE
Inventors: Henrik Dr.rer.nat. Hoff; Wilfried Dr.-Ing. Schmitz; Stefan Dr.-Ing. Dappen
Original assignee: Otto Junker GmbH; Lios Technology GmbH
Current assignee: Otto Junker GmbH; Luna Innovations Germany GmbH
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-02-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Überwachen des Erhaltungszustands der feuerfesten Auskleidung 30 von Metallschmelzöfen, insbesondere Induktionsschmelzöfen. Die keramischen Auskleidungen unterliegen im Betrieb hohen thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen. Es wird ein Verfahren und eine Anordnung angegeben, mit denen auf direktem Wege die Temperaturverhältnisse in feuerfesten Auskleidungen erfassbar sind. Das Verfahren besteht darin, zwischen Wand 40 und Auskleidung 30 des Ofens mindestens eine Lichtleitfaser 10 anzuordnen und die Temperatur über ein System 14 zur faseroptischen Rückstreumessung zu ermitteln. Ein geeignetes Bahnmaterial W3 zur Aufnahme der Lichtleitfaser 10 wird beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Überwachen des Erhaltungszustands der feuerfesten Auskleidung von Schmelzöfen.
Bei Metallschmelzöfen, insbesondere bei Induktionsschmelzöfen unterliegen die keramischen Auskleidungen (Ofenfutter) im Betrieb sehr harten thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen. Diese führen zur Abrasion der Auskleidung, d.h. zur Abnahme ihrer Wandstärke, so dass nach festen Zeitintervallen (6 bis 8 Wochen) die verbrauchte Auskleidung ausgestemmt und eine neue Auskleidung eingebracht werden muss.
Es sind Messverfahren für die Beschaffenheit oder den Verschleißzustand der Auskleidung bekannt. Bei einem ersten Temperaturmeßsystem wird ein magnetisches Kontaktthermometer auf die äußere Hülle angebracht. Ein anderes Temperaturmessverfahren basiert auf der Pyrometrie. Ein weiteres Messverfahren ist in der EP 519 231 B1 beschrieben. Das Prinzip besteht aus der Ermittlung der Leitfähigkeit der feuerfesten Auskleidung. Hierzu ist in der Auskleidung ein Elektrodennetzwerk eingebracht, mit dem die mit der Abrasion verbundene Veränderung der Leitfähigkeit der Keramik messbar ist. Das Netzwerk liefert ein flächiges Leitfähigkeitsabbild in der Auskleidung, über welches auf die Temperaturverhältnisse rückgeschlossen wird.
Ein elektrisches System hat den Nachteil der elektromagnetischen Störanfälligkeit. Das Leitfähigkeitsmeßsystem ist stark materialabhängig, was aufwendiges Abgleichen des Systems erforderlich macht. Die Pyrometrie hat den Nachteil der punktuellen Temperaturbestimmung nur von außen, und ist nur zur Bestimmung der Oberflächentemperatur der erfassten Bereiche geeignet. Es besteht keine Möglichkeit, Temperaturverhältnisse im Inneren der feuerfesten Auskleidung direkt zu messen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen auf direktem Wege die Temperaturverhältnisse in feuerfesten Auskleidungen erfassbar sind.
Die Lösung der Aufgabe findet sich in den entsprechenden Ansprüchen für Verfahren und Anordnung mit weiterführenden Ausführungen in den zugehörigen Unteransprüchen.
Der Kern des Verfahrens besteht darin, dass zwischen Wand und Auskleidung des Ofens mindestens eine Lichtleitfaser angeordnet und die Temperatur über ein System zur verteilten, faseroptischen Rückstreumessung ermittelt wird. Das Messprinzip ist mit unterschiedlichen Varianten bekannt, beispielsweise OTDR oder OFDR mit Raman-, Rayleigh- oder Brillouin-Spektroskopie.
Die Messung der Temperaturdaten und ihre elektronische Auswertung bieten vielfältige Möglichkeiten zur Behandlung und Steuerung der Schmelzofenprozesse. Die Temperaturdaten können zeitlich und/oder räumlich erfasst, gespeichert, visualisiert und elektronische weiterverarbeitet werden.
Die spezifischen thermischen und materialtechnischen Parameter des Ofens können in die Auswertung eingebracht werden. Hierbei können Temperatur-Schwellenwerte, räumliche oder zeitliche Temperaturgradienten, Extremwerte nach den Gegebenheiten des Ofenaufbaus vorgegeben und berücksichtigt werden. Aus einer örtlichen und/oder zeitlichen Analyse der Daten können Meldeabläufe abgeleitet werden, bis hin zur Abgabe von Warnsignalen und/oder zur Auslösung von Eingreifoperationen (beispielsweise automatische Abschaltung der Ofenheizung). Besonders interessant ist die Möglichkeit der Darstellung eines räumlichen und/oder zeitlichen Temperaturprofils mit einem Mustervergleich zu einem Referenzprofil.
Das wesentliche der Anordnung ist, dass als Temperatursensor mindestens eine Lichtleitfaser in einer eigenen Schicht zwischen Wand und feuerfester Auskleidung des Ofens eingebracht und die mindestens eine Lichtleitfaser an das erwähnte Meßsystem angekoppelt ist.
Eine oder mehrere Lichtleitfasern können in Form eines Netzes in der Schicht verlegt sein. Das Netz kann die Form eines Mäanders oder mehrerer haben. Statt Mäander kann auch das Bild einer oder mehrerer Spiralen aus einer oder mehreren Lichtleitfasern gelegt sein. Mehrere Netze können in gekreuzter Lage liegen.
Die Schicht kann als Bahnmaterial (in Form einer flexiblen Matte) aus temperaturfestem Material ausgebildet sein, wobei das temperaturfeste Material aus Glimmer bestehen kann. Die Matte kann zusätzlich mit Glas- oder Kohlefasern kaschiert und verstärkt sein.
Es wird also vorgeschlagen, ein faseroptisches, verteiltes Temperaturmeßsystem als Überwachungs- und Meßsystem für den Zustand der Ofenauskleidung zu nutzen. Als optisches Rückstreumeß-Verfahren können die schon erwähnten Verfahren eingesetzt werden; beispielsweise bekannt aus der EP 0692705 A1 .
Das Mess-System besteht aus verschiedenen elektronischen und optoelektronische Baugruppen und bildet ein Visualisierungs-, Mess-, Auswerte- und/oder Signalisierungssystem Folgende Vorteile sind mit der Erfindung verbunden:

– höhere Tiegelstandzeiten und damit Ofenbetriebszeiten durch exakte Bestimmung der zulässigen Betriebszeiten,
– höhere Sicherheit durch genaue Lokalisation von Hotspots, Prozessvisualisierung und -kontrolle und Warnfunktion durch die Möglichkeit der Datenverarbeitung,
– schnelle Inbetriebnahme nach Neuauskleidung, da ein aufwendiges Abgleichen des Systems entfällt.

Gemäß Erfindung wird mindestens eine hochtemperaturstabile, optische Faser in Form eines Netzes in eine Matte aus temperaturfestem Material eingebracht. Nach Verbrauch der feuerfesten Auskleidung kann – je nach Zustand der Aufbauschichten des Ofens – die Matte erhalten bleiben oder ebenfalls ausgeräumt werden. Eine Faser (beispielsweise aus Quarz) mit Coating aus Polyimid o.ä. kann für Temperaturen bis zu 380 bis 420 °C verwendet werden. Die Länge der verwendeten Lichtleitfaser richtet sich nach der Flächengröße der Matte und damit nach der Größe des Ofens und der Art der Verlegung. Bei einem 6 t-Schmelzofen wird bei einfacher mäanderförmig Verlegung mit einem Faserabstand von etwa 6 cm ca. 80 m Lichtleitfaser benötigt. Das ferne Ende der Lichtleitfaser kann innerhalb der Matte liegen.
Der Anfang der Lichtleitfaser wird mit einem üblichen optischen Stecker oder einem optischen Pigtail versehen. Das Pigtail bzw. der Stecker wird an einer geeigneten Stelle aus dem Ofen herausgeführt. Über dieses Pigtail bzw. optischen Stecker entsteht dann die Verbindung zur Mess- und Auswerteeinheit.
Wegen der großen Längen-Reichweite (bis zu 4.000 m) handelsüblicher Rückstreu-Meßsysteme ist es durchaus möglich, mehrere Öfen mit einer einzigen Auswerteeinheit zu überwachen, indem mehrere Matten seriell über optische Verbindungskabel hintereinander geschaltet werden. Dazu muss dann das „Ende" der Lichtleitfaser einer ersten Matte ebenfalls mit einem optischen Stecker bzw. optischen Pigtail verbunden werden. Sollte ein Fasersplice innerhalb der Matte liegen, so muss der verwendete Spliceschutz metallfrei sein. Hierbei kommen Kunststoff-Spliceschutze in Frage, die auf einer Schrumpfschlauchtechnik beruhen.
Zum Schutz einer relativ spröden Hochtemperatur-Lichtleitfaser kann die Faser zusätzlich mit einer sekundären Beschichtung (secondary coating) versehen werden. Darin ist eine deutliche Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit der Lichtleitfaser gegeben, die sich vorteilhaft bei der Einbettung in die Glimmermatte und auf ihre Handhabbarkeit auswirkt. Als Material für Beschichtungen sind hochtemperaturfeste Fluorpolymere oder Polyimide bekannt und einsetzbar. Als schützende Umhüllung kann zusätzlich oder auch ohne besondere sekundären Beschichtung eine nichtmetallische Hülle (Captonfolie, Kevlar- bzw. Kohlerfasergeflecht) vorgesehen sein, in die die Lichtleitfaser lose eingezogen ist.
Durch die vorgeschlagene Verlegung der Lichtleitfaser und einer hinreichenden Ortsauflösung der Auswerteeinheit (optimal 50 cm) können im laufenden Betrieb sowohl die schleichende Abrasion der Auskleidung durch die langsame Erhöhung der Basistemperatur als auch lokale Risse und „Metallzungen" durch lokalisierte Temperaturspitzen beobachtet werden. Damit steht eine echte online-Überwachung des Zustandes der feuerfesten Auskleidung zur Verfügung. Es versteht sich, dass moderne elektronische und datenverarbeitende Mittel und Verfahren eingesetzt werden können, mit denen ein räumliches und/oder ein zeitliches Temperaturprofil ermittelt, gespeichert, abgerufen und dargestellt werden kann.
Die elektronischen Auswerteeinheiten können auch als Warn- oder Alarmsysteme verfeinert werden. Bei der Aufheizung des Schmelzgutes nach Neuauskleidung wird ein Basistemperaturprofil als Referenzprofil erfasst und gespeichert. Im laufenden Betrieb wird dann jede Temperatur eines jeden Datenpunkts innerhalb des Auskleidungsbereiches mit der Temperatur des Datenpunkts an derselben Stelle des Referenzprofils verglichen. Überschreitet die Temperaturdifferenz der Datenpunkte einen festgelegten Wert, wird dies als Warnung oder als Alarm angezeigt. Über die Anzahl der so bestimmten „kritischen" Temperaturwerte lässt sich eine Aussage treffen, ob es sich um eine flächige Abrasion, um einzelne Risse oder um „Zungenbildung" handelt.
Die Erfindung wird in zwei Figuren dargestellt. Sie zeigen im Einzelnen
1 den Wandaufbau eines Induktionsschmelzofens und
2 eine flexible Matte mit integrierter Lichtleitfaser und schematisch angedeutet: den Anschluss an ein Rückstreumeß-System.
Die Erfindung soll in l beispielhaft an einem Induktionsschmelzofen dargestellt werden, jedoch ohne Einschränkung auf diese besondere Art von Schmelzöfen. Es geht im wesentlichen um den prinzipiellen Aufbau der Schichten (A0, A1, A2, W1, W2, W3) zwischen feuerfester Ausklei dung 30 und Wandung 40 mit Integration mindestens einer Lichtleitfaser 10 in einer eigenen Schicht 20.
Die Spulen eines Induktionsschmelzofens bestehen in der Regel aus wassergekühlten Kupferrohren 60. Sie bilden zusammen mit einer Spulenausgleichsmasse W 1 die äußere Wand. Zwischen Feuerfestauskleidung 30 und Wand 40 befindet sich die erfindungsgemäße Matte in die eine Lichtleitfaser 10 integriert ist, etwa in der Lage W3. Vorzugsweise ist die Matte (20) als Isolier- und Gleitschicht (W3) aus Glimmer aufgebaut. Schichten A1 und A2 können als besonderer keramischer Innenschutz ausgebildet sein. Die Schicht W2 kann aus weiteren Isolierstreifen bestehen oder als Bestandteil und Bahnmaterial (keramisches Faservlies) der erfindungsgemäßen Matte verstanden werden.
Beim schematischen dargestellten Wandaufbau des Induktionsschmelzofens befindet sich links die Schmelze 80, rechts der Induktoraufliau W 1 mit nur einem im Querschnitt gezeichnetem Kupferrohr 60. Die feuerfeste Auskleidung 30 wird mit bekanntem Sinter-Material in einer oder in mehreren Schichten (A0, A1,..) aufgebaut.
In einer Lage (vorzugsweise als W3) unter der Auskleidung 30 (zur Heißseite der Wandung ) liegt die Schicht 20 mit mindestens einer Lichtleitfaser 10 als Temperatursensor.
In 2 ist eine flexible Matte 20 aus temperaturfestem Material dargestellt, die vor der Neuauskleidung des Ofens vorbereitet und eingelegt wird. Als wesentlicher Bestandteil der Matte kann – auch wegen ihrer guten Gleitfähigkeit bei Thermodehnungen – eine hitzebeständige Glimmersorte (z.B. Phlogopit) vorgesehen werden. Die Matte kann zusätzlich mit Glas- oder Kohlefasern verstärkt sein. Die Matte bedeckt die Wandung des Ofens oder nur temperatur-kritische Teile der Wandung. In der 2 ist angedeutet, dass die Matte aus einer ersten 21 und einer zweiten Hälfte 22 besteht, die (um einen Längsrand oder einen Falz 24) aufeinander geklappt werden. In der Zwischenlage (oder Schichtfuge) 23 befindet sich die Lichtleitfaser. Vor dem Zusammenklappen der beiden Mattenhälften kann die Lichtleitfaser mit geeignetem temperaturfesten Kleber (Silikon) in der Schichtfuge 23 fixiert werden.
Die Lichtleitfaser 10 ist in Form eines Mäander-Netzes 100 in der Matte 20 verlegt. Die Hauptrichtung der Geradenstücke des Mäanders 100 ist in x-Richtung. Quer zur Hauptrichtung x könnte eine zweite Lichtleitfaser wieder in Mäanderform eingelegt sein, so dass deren Geradenstücke in y-Richtung verlaufen. Vorzugsweise wird die Hauptrichtung x parallel zur Ofen- oder Tiegelachse gelegt. Bei spiraliger Verlegung einer oder mehrerer Lichtleitfasern können die Fasern in Spiralen links- und rechtsgedreht deckend übereinander oder teildeckend oder auch nebeneinander gelegt sein.
Mit Bezugszeichen 23 ist angedeutet, dass die Lichtleitfaser 10 mit einer Hülle und/oder einer Ummantelung 12 versehen ist. Die Hülle kann sich über die gesamte Länge der Faser erstrecken. Die Lichtleitfaser 10 ist an ein Meß- und Auswertesystem 14 zur faseroptischen Rückstreumessung über eine optische Verbindung 16 angekoppelt.
Die erfindungsgemäße Matte hat neben der Meßfunktion noch weitere vorteilhafte Funktionen, insbesondere wegen ihrer Lage zwischen Auskleidung und Ofenwand:

– Abpufferung wärmebedingter Ausdehnung der Auskleidung zur Vermeidung von Spulenschäden,
– zusätzliche elektrische Isolationsschicht zwischen Spule und Schmelze und
– Erleichterung des Ausbrechen der Auskleidung nach Abnutzung.

10: Lichtleitfaser
12: Hülle (secondary coating / Schutzmantel)
14: Meßsystem
16: optische Verbindung
20: Bahnmaterial (Matte)
21: erste Mattenhäfte
22: zweite Mattenhäfte
23: Schichtfuge
24: Falz
x: erste Achsrichtung (Hauptrichtung)
y: zweite Achsrichtung
30: Auskleidung
A0, A1, A2: Auskleidungsschichten
40: Wand
W1, W2, W3: Wandschichten
60: wassergekühlte Induktionsschleife
80: Metallschmelze
100: Netz / Mäander

Claims

Verfahren zum Überwachen des Erhaltungszustands der feuerfesten Auskleidung (30) von Schmelzöfen mit im Ofen angeordnetem Temperatursensor (10), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wand (40) und Auskleidung (30) des Ofens mindestens eine Lichtleitfaser (10) angeordnet und die Temperatur über ein System (14) zur verteilten, faseroptischen Rückstreumessung ermittelt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Meßsystem (14) erfassten Temperaturwerte in einem elektronischen Auswertesystem aufbereitet und gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Meßsystem (14) erfassten Daten mit ofenspezifischen Parametern korreliert werden, und dass über die Korrelation eine Ausgabe von Warn- und/oder Schaltoperationen auslösbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ofenspezifische Parameter als Referenzmuster nach jeder Neuauskleidung des Ofens ermittelt und gespeichert werden.
Anordnung zur Überwachung des Erhaltungszustands der feuerfesten Auskleidung (30) von Schmelzöfen mit im Ofen angeordnetem Temperatursensor (10), dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatursensor mindestens eine Lichtleitfaser (10) in einer Schicht (20) zwischen Wand (40) und Auskleidung (30) des Ofens eingebracht und die mindestens eine Lichtleitfaser (10) an ein Meßsystem (14) zur faseroptischen Rückstreumessung angekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lichtleitfaser (10) in Form eines Netzes (100) in der Schicht (20) verlegt ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz als mindestens ein Mäander (100) oder als mindestens eine Spirale von der mindestens einen Lichtleitfaser (10) gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser (10) mit einer Hülle und/oder einer Ummantelung (12) versehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (20) als flexible Matte aus temperaturfestem Material ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Matte (20) aus gleitfähigem Mineral besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Meßsystem (14) das Prinzip der verteilten, faseroptischen Rückstreumessung eingesetzt wird.