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Verfahren zum Betrieb von industriellen Erwärmungsanlagen, vorzugsweise
von Schmelzöfen, und Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens Beim Betrieb von
industriellen Erwärmungsanlagen, insbesondere Schmelzanlagen für metallische oder
auch nichtmetallische Stoffe, wie Glas, ist es in vielen Fällen nicht möglich, laufend
die Temperatur des zu erwärmenden Werkstückes oder des zu erwärmenden Materials
oder des zu verflüssigenden Tiegeleinsatzes zu verfolgen. Insbesondere bei Schmelzöfen
ist eine laufende Überwachung der Vergießtemperatur im praktischen Betrieb nicht
möglich, da keine Geräte zur Verfügung stehen, die man laufend in der schmelzflüssigen
Charge belassen kann. Eine optische Temperaturmessung, beispielsweise mittels der
bekannten Pyrometer, wäre zwar von Seiten des Instrumentes her denkbar, jedoch ist
auch der Einsatz eines solchen Verfahrens dadurch beschränkt, daß sich über der
Schmelze ständig eine Schlackenschicht befindet, die die Rotstrahlung der Schmelze
abschirmt. Daher ist auch bei diesen optischen Verfahren nur eine gelegentliche
Überwachung möglich, bei der im allgemeinen die Wärmeenergie, beispielsweise der
Strom für den Ofen, abgeschaltet und auf dem Badspiegel der Schmelze die Schlackenschicht
auseinandergezogen werden muß.
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Gerade bei den genannten Schmelzofenanlagen, aber auch in anderen
Anwendungen, beispielsweise der Schmiedeerhitzung, spielt die Einhaltung einer bestimmten
Endtemperatur eine ausschlaggebende Rolle. Bekanntlich liegen in Schmelzofenanlagen
die Vergießtemperaturen stets höher als die Schmelztemperaturen, weil die Schmelze
eine bestimmte zusätzliche Wärmekapazität braucht, um auch nach Beendigung der Wärmezufuhr
zum Schmelztiegel vergießbereit flüssig zu bleiben. Die Vergießtemperaturen während
dieser Überhitzungsphase dürfen aber nicht beliebig überschritten werden, da sonst
aus technologischen Gründen die Qualität des erzeugten Gußproduktes stark vermindert
wird.
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Um bei Schmelzofenanlagen eine bestimmte Überhitzungstemperatur zu
erreichen, aber nicht zu überschreiten, ist man so vorgegangen, daß das Überhitzen
nach einem gewissen Zeitraum, dessen Bemessung in der Erfahrung des Personals lag,
beendet wurde. Dieses Verfahren einfachster Art wurde insoweit verbessert, als auch
eine einmalige Temperaturmessung in der Schmelze erfolgte, woraufhin gegebenenfalls
eine weitere Beheizung des Tiegels, wiederum nach der Erfahrung des Schmelzpersonals
ermittelt, durchgeführt wurde. Wurde dieses Näherungsverfahren des öfteren wiederholt,
so bestand die Möglichkeit, die gewünschte Vergießtemperatur ungefähr zu erreichen.
Andererseits entsprach ein solches Verfahren nicht den Anforderungen der Praxis,
da es zeitraubend ist, weil während des Messens die Beheizung abgeschaltet und die
Schlackenschicht weggezogen werden muß. Daraus ergab sich, daß im allgemeinen die
gewünschten Vergießtemperaturen entweder nicht erreicht werden oder aber daß sich
durch Überschreiten derselben eine Verschlechterung der technologischen Eigenschaften
des Gußstückes ergab.
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Ferner ist es bekannt, zum Feststellen der gleichmäßigen Durchwärmung
des Werkstückes bei intermittierender Wärmezufuhr die Tatsache zu benutzen, daß
am Ende des Vorganges ein Ausgleichszustand vorhanden ist. Die Wärmeaufnahme des
Ofens bleibt konstant und dient nur zum Decken der Eigenverluste (z. B. durch Abstrahlung).
Die periodischen Aufheizzeiten oder auch die Pausenzeiten werden damit untereinander
gleich. Diese Gleichheit der gemessenen Zeiten wird als Kriterium für das Ende der
Wärmebehandlung herangezogen. Es ist dabei ohne Belang, daß nach der Aufheizzeit
unter Umständen nur noch ein Teil der dem Ofen vorher zugeführten Energie geregelt
wird.
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Die vorliegende Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren
und Vorrichtungen anzugeben, die die geschilderten Nachteile vermeiden sollen und
eine Automatisierung des Arbeitsprozesses, insbesondere in größeren Anlagen, gestatten.
Das Verfahren und entsprechende Vorrichtungen sind vorzugsweise in Schmelzofenanlagen
anzuwenden; jedoch ist die Anwendung ebenfalls in Anlagen denkbar, in denen eine
Verflüssigung
des eingesetzten Materials nicht eintritt, beispielsweise Schmiedeerwärmungsanlagen,
Tiefofenanlagen und anderen Erwärmungs- und Ofenanlagen in der Hüttenindustrie,
bei denen es auf die Erreichung bestimmter Endtemperaturen ankommt. Gegenstand der
Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb von industriellen Erwärmungsanlagen, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß zur selbsttätigen Beendigung eines Betriebsvorganges
der Erwärmungsanlage durch Abschalten oder Regeln der speisenden Energiequelle im
Verlauf dieses Betriebsvorganges der Differentialquotient der Temperatur des Ofeninhalts
über der verbrauchten Wärmeenergie
bestimmt wird und daraus die zur Erreichung der gewünschten Endtemperatur dieses
Betriebsvorganges noch notwendige Energiemenge extrapoliert und der speisenden Energiequelle
derart vorgegeben wird, daß nach Verbrauch dieser vorgegebenen Menge die speisende
Energiequelle abgeschaltet oder geregelt wird.
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Wenn man das Verfahren also beispielsweise in einer Schmelzofenanlage
anwendet, um die Endtemperatur der Überhitzungsphase zu überwachen, so ergibt sich
also der folgende Vorgang: Nach Erreichen oder Überschreiten des Schmelzpunktes
der Charge, also in der Überhitzungsphase, wird beispielsweise zweimal die Temperatur
der Schmelze gemessen, was in an sich bekannter Weise entweder durch ein eingetauchtes
Thermoelement oder durch ein optisches Element nach Entfernung der Schlackenschicht
durchgeführt wird. Im Augenblick der Ermittlung der Temperaturwerte wird ebenfalls
der Energieverbrauch, bei elektrischen Öfen also in Kilowattstunden, abgelesen.
Wird hieraus nun in bekannter Weise der Temperaturverlauf über dem Energieverbrauch
der Anlage aufgetragen, so ergibt sich der Anstieg der Temperaturkurve, bezogen
auf den Energieverbrauch an elektrischem Strom, Öl oder Gas des Schmelzgefäßes.
Wird nun diese Kurve nach der Richtung höherer Temperatur zu extrapoliert, so ergibt
sich eine noch aufzuwendende Energiemenge, , um die Temperatur bis zu der gewünschten
Endtemperatur zu steigern. Diese Energiemenge in Kubikmetern oder Kilowattstunden
kann nun entweder abgelesen werden oder aber auf dem Wege über ein entsprechendes
Zählgerät, Volumenmesser oder einen elektrischen Kilowattstundenzähler, eingestellt
werden, so daß nach Verbrauch dieser vorgegebenen Energiemenge die Wärmezufuhr zum
Ofen abgeschaltet oder gegebenenfalls auch gedrosselt wird, um eine gewünschte Endtemperatur
konstant zu halten.
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Hiermit ist das Grundprinzip des Verfahrens beschrieben, zu dem verschiedene
Abweichungen möglich sind. Es kann beispielsweise bereits mit einer einzigen Messung
im Überhitzungsbereich ausgekommen werden, wenn man von der Anfangstemperatur des
Schmelzvorganges ausgeht und diesen ersten Punkt, Raumtemperatur einerseits und
verbrauchte Energiemenge zu »Null« andererseits, annimmt. Allerdings setzt das voraus,
daß das Gewicht des Einsatzes bekannt ist, damit für den Bereich des Schmelzens
die gewichtsabhängige Schmelzwärme abgezogen werden kann. Es ist natürlich auch
nicht notwendig, ein entsprechendes Diagramm zu zeichnen, sondern es kann natürlich
die Verarbeitung der ermittelten Meßwerte und die Extrapolation auf die Endtemperatur
in beliebiger graphischer, mechanischer oder elektrischer Weise geschehen. Bei der
Verarbeitung dieser Meßwerte und der Extrapolation ist dabei zu berücksichtigen,
daß mit steigender Temperatur die Abstrahlungsverluste zunehmen und daß auch Wärmeverluste
durch den Tiegel erfolgen, insbesondere bei Induktionsöfen zur wassergekühlten Induktionsspule.
Derartige und gegebenenfalls auch weitere Einwirkungen sind dem Fachmann auf dem
Gebiet der Schmelzofenanlagen bekannt; sie können rechnerisch ermittelt werden oder
aber, was der Praxis mehr entgegenkommt, auf Grund der bisherigen Erfahrungswerte
eingesetzt werden.
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Wird die Extrapolation der Temperaturkurve mechanisch oder elektrisch
durchgeführt, ergibt sich auch der Vorteil, daß beispielsweise störungsbedingte
Stillstandszeiten oder Zeiten, die sich durch das Abschalten der Beheizung bei Analysenentnahme
oder Chargenkorrekturen ergeben, eliminiert werden können. Die Wärmeverluste während
derartiger Stillstandszeiten können dann elektrisch oder mechanisch in analog oder
digital arbeitenden Rechenwerken laufend erfaßt werden, so daß im Augenblick der
Fortführung der Beheizung die Extrapolation der Temperaturkurve von der jeweils
tatsächlichen Temperatur aus erfolgt und ebenfalls damit die noch vorzugebende Energiemenge
korrigiert wird.