DE19648056C2 - Temperatursteuerverfahren und -vorrichtung für einen elektrischen Tiegelofen - Google Patents
Temperatursteuerverfahren und -vorrichtung für einen elektrischen TiegelofenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Temperatursteuerverfahren und eine Temperatursteuervorrichtung
für einen elektrischen Tiegelofen.
In einem elektrischen Tiegelofen ist die Steuerung der
Temperatur eines geschmolzenen Metalles wichtig, um ein
qualitativ gutes Produkt zu gewährleisten.
Jedoch ist es schwierig, die Temperatur des geschmolzenen
Metalles in Echtzeit kontinuierlich zu messen. Daher wird, wie
in der Japanischen Patentveröffentlichung JP 04-179090
gezeigt, herkömmlicherweise ein Temperatursteuerverfahren
angewendet, um die Temperatur eines geschmolzenen Metalles
zunächst nur zu einem Zeitpunkt zu messen, wobei nach der
Messung eine Änderung der Temperatur des geschmolzenen Metalles
unter Anwendung eines Wärmegleichgewichtsmodelles geschätzt
wird, um dadurch die Temperatur des geschmolzenen Metalles zu
steuern.
In diesem herkömmlichen Schätzverfahren für die Temperatur des
geschmolzenen Metalles, das ein Wärmegleichgewichtsmodell
verwendet, wird jedoch die von dem Heizschlangenkühlwasser
abgezogene Wärme nicht in das Wärmegleichgewicht miteinbezogen.
Da die von dem Heizschlangenkühlwasser abgezogene Wärme nicht
berücksichtigt wird, ergibt sich daraus ein Fehler, wodurch die
Genauigkeit der Temperaturschätzung abnimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Temperatursteuerverfahren und eine Temperatursteuervorrichtung
für einen elektrischen Tiegelofen zu schaffen, wobei ein
Wärmegleichgewichtsmodell verwendet wird, in welchem die
Genauigkeit der Temperaturschätzung erhöht ist und die
Temperatur des geschmolzenen Metalles mit großer Genauigkeit
gesteuert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die vorbeschriebene Aufgabe durch das im
Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren und die im Anspruch 3
gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.
- (1) Ein Temperatursteuerverfahren ist für einen elektrischen Tiegelofen vorgesehen worden, wobei dieser eine Heizvorrichtung aufweist, die eine darin ausgebildete Kühlwasserleitung hat, durch die Kühlwasser strömen kann, um zu verhindern, daß die Heizvorrichtung schmilzt. Das Verfahren hat die folgenden Schritte: Bestimmen eines aufgrund des durch die Wasserleitung strömenden Kühlwassers auftretenden Wärmeverlustes; Schätzen einer Temperatur von geschmolzenem Metall in dem Tiegelofen durch Miteinbeziehen des bestimmten Wärmeverlustes in einem Schätzmodell für die Temperatur des geschmolzenen Metalles; und Steuern der Temperatur des geschmolzenen Metalles basierend auf dem Schätzmodell.
- (2) Ein Verfahren gemäß (1) hat ferner einen zwischen dem Wärmeverlust-Bestimmungsschritt und dem Schätzschritt für die Temperatur des geschmolzenen Metalles befindlichen Schritt für das Steuern einer Durchflußmenge oder einer Temperatur des Kühlwassers, so daß sich ein im Wärmeverlust-Bestimmungsschritt bestimmter Wärmeverlust in einem optimalen Wärmeverlustbereich befindet, wobei der Bereich für verschiedene Betriebszustände des Tiegelofens vorbestimmt ist.
- (3) Eine Temperatursteuervorrichtung für einen elektrischen Tiegelofen hat eine Heizvorrichtung, die eine darin ausgebildete Kühlwasserleitung einschließt, die konstruiert und eingerichtet ist, damit Kühlwasser hindurch strömen kann, um zu verhindern, daß die Heizvorrichtung schmilzt. Die Vorrichtung hat folgende Bauteile: eine Erfassungsvorrichtung für das Erfassen von Daten, die für das Bestimmen eines Wärmeverlustes notwendig sind, der aufgrund des durch die Wasserleitung strömenden Kühlwassers auftritt; eine Schätzvorrichtung für die Temperatur des geschmolzenen Metalles, wobei die Schätzvorrichtung ein Schätzmodell für die Temperatur des geschmolzenen Metalles hat, in dem ein Wärmeverlust miteinbezogen wird, der unter Verwendung der von der Erfassungseinrichtung erfaßten Daten bestimmt wird; und eine Steuervorrichtung für die Temperatur des geschmolzenen Metalles, um die zu der Heizvorrichtung geführte elektrische Energie derart zu steuern, daß eine von der Schätzvorrichtung für die Temperatur des geschmolzenen Metalles geschätzte Temperatur auf eine vorbestimmte Temperatur gesteuert wird.
- (4) Eine Vorrichtung gemäß (3) hat ferner: eine Einstellvorrichtung für das Einstellen einer Durchflußmenge oder einer Temperatur des Kühlwassers; und eine Steuervorrichtung, um die Einstellvorrichtung zu steuern, so daß sich ein aufgrund des Kühlwassers auftretender Wärmeverlust, der basierend auf durch die Erfassungsvorrichtung erfaßten Daten ermittelt wird, in einem optimalen Wärmeverlustbereich befindet, der für verschiedene Betriebszustände des Tiegelofens vorbestimmt ist.
In dem Verfahren gemäß (1) und der Vorrichtung gemäß (3) ist die
Schätzgenauigkeit erhöht, da die Temperatur des geschmolzenen
Metalles unter Einbeziehung der durch das Kühlwasser abgezogenen
Wärmemenge in das Modell geschätzt wird. Dadurch ist eine
Steuerung der Temperatur des geschmolzenen Metalles mit großer
Genauigkeit möglich.
Da in dem Verfahren gemäß (2) und der Vorrichtung gemäß (4) die
Durchflußmenge oder die Temperatur des Kühlwassers eingestellt
wird, kann die durch das Kühlwasser abgezogene Wärme gesteuert
werden, um in dem vorbestimmten Wärmeverlustbereich zu bleiben,
so daß der Wärmeverlust durch das Kühlwasser während des
Betriebs des Tiegelofens minimiert ist.
Die oben genannte und weitere Aufgaben und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden
ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen offensichtlicher und leichter verständlich. Es
zeigen:
Fig. 1 ein Systemdiagramm einer Temperatursteuervorrichtung
eines elektrischen Tiegelofens gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Fließbild eines Temperatursteuerverfahrens für
einen elektrischen Tiegelofen gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 einen Graphen, der einen Steuerzustand des
Wärmeverlustes durch Kühlwasser veranschaulicht;
Fig. 4 einen Graphen, der einen Steuerzustand einer
Temperatur des geschmolzenen Metalles veranschaulicht; und
Fig. 5 einen Graphen, der einen Steuerzustand der Temperatur
des geschmolzenen Metalles veranschaulicht, und zwar im Falle
eines 20-Tonnen-Induktionstiegelofens.
In Fig. 1 ist eine Temperatursteuervorrichtung 100 für einen
elektrischen Tiegelofen gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei Fig. 2 deren
Temperatursteuerverfahren veranschaulicht.
Zunächst wird die Vorrichtung anhand der Fig. 1 erläutert. Die
Temperatursteuervorrichtung 100 für einen generell mit 10
bezeichneten elektrischen Tiegelofen hat einen elektrischen
Tiegelofen (beispielsweise einen Induktionstiegelofen), der eine
Heizvorrichtung 14 und einen Schmelztiegel 12 für das Halten
eines geschmolzenen Metalles 11, eine elektrische Energiequelle
20 für das Zuführen einer elektrischen Energie für das Beheizen
des Tiegelofens zu der Heizvorrichtung und eine Lastzelle 30 für
das Messen eines Gewichtes des geschmolzenen Metalles 11 hat.
Die Heizvorrichtung 14 hat eine Heizschlange (eine
Induktionsschlange) 40 oder eine Heizelektrode und eine darin
ausgebildete Kühlwasserleitung 41, durch die das Kühlwasser für
das Kühlen der Heizvorrichtung 14 strömen kann, wodurch die
Heizvorrichtung vor einem Schmelzen bewahrt wird.
Die Temperatursteuervorrichtung 100 für einen elektrischen
Tiegelofen hat ferner eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen
von Daten, die notwendig sind, um einen Wärmeverlust durch
Kühlwasser (die von dem Kühlwasser abgezogene Wärmemenge) zu
ermitteln, und eine Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung 50 für
das Bestimmen eines Wärmeverlustes durch das Kühlwasser (d. h.
die durch das Kühlwasser abgezogene Wärmemenge), und zwar
basierend auf den von der Erfassungsvorrichtung ermittelten
Daten. Die Erfassungsvorrichtung hat einen
Einlaßkühlwassertemperatur-Erfassungssensor 42, der in der
Kühlwasserleitung 41 an einer Einlaßseite der Heizvorrichtung 14
angeordnet ist, einen Auslaßkühlwassertemperatur-
Erfassungssensor 43, der in der Kühlwasserleitung 41 an einer
Auslaßseite der Heizvorrichtung 14 angeordnet ist, und einen
Durchflußmesser 44, der in der Kühlwasserleitung 41 für das
Messen der in der Kühlwasserleitung 41 strömenden
Kühlwassermenge angeordnet ist. Die
Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung 50 ist mit den Sensoren 42
und 43 und dem Durchflußmesser 44 verbunden und berechnet einen
Wärmeverlust, der aufgrund des Kühlwassers auftritt (d. h. die
durch das Kühlwasser abgezogene Wärmemenge), und zwar basierend
auf den durch die Sensoren 42 und 43 gemessenen Temperaturen und
der durch den Durchflußmesser 44 gemessenen Strömungsmenge.
Die Temperatursteuervorrichtung 100 für einen elektrischen
Tiegelofen hat ferner eine Einstellvorrichtung für das
Einstellen einer Strömungsmenge oder einer Temperatur des
Kühlwassers und eine Steuervorrichtung zum Steuern der
Einstellvorrichtung, so daß ein aufgrund des Kühlwassers
auftretender Wärmeverlust, der mittels der
Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung 50 bestimmt wurde, sich in
einem optimalen Wärmeverlustbereich befindet, der für
verschiedene Betriebszustände des Tiegelofens vorbestimmt wurde.
Die Einstellvorrichtung hat beispielsweise ein in der
Kühlwasserleitung 41 angeordnetes Durchflußsteuerventil 45. Die
Steuervorrichtung hat beispielsweise eine
Durchflußsteuervorrichtung 60, die basierend auf dem bestimmten
Wärmeverlust eine Steueranweisung zu der Einstellvorrichtung 45
ausgibt.
Eine Einstellung der Durchflußmenge basierend auf dem
Wärmeverlust durch das Kühlwasser kann ersetzt werden durch eine
Einstellung der Kühlwassereinlaßtemperatur durch beispielsweise
einen Wärmetauscher.
Die Temperatursteuervorrichtung 100 für einen elektrischen
Tiegelofen hat ferner (a) einen Sensor 13 für die Temperatur des
geschmolzenen Metalles für das Messen einer Temperatur des
geschmolzenen Metalles in dem Schmelztiegel 12, der das
geschmolzene Metall berühren kann oder nicht berühren kann, (b)
eine Schätzvorrichtung 70 der Temperatur des geschmolzenen
Metalles für das Schätzen einer Temperatur des geschmolzenen
Metalles und ihrer Änderung unter Verwendung eines
Schätzmodelles für die Temperatur des geschmolzenen Metalles,
das auf der durch den Sensor 13 für die Temperatur des
geschmolzenen Metalles gemessenen Temperatur des geschmolzenen
Metalles, dem durch die Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung 50
bestimmten Wärmeverlust durch das Kühlwasser, und der zu der
Heizvorrichtung zugeführten elektrischen Energie basiert, und
(c) eine Steuervorrichtung 80 für die Temperatur des
geschmolzenen Metalles für das Steuern der zu der
Heizvorrichtung zugeführten elektrischen Energie, so daß die
Temperatur des geschmolzenen Metalles, die durch die
Schätzvorrichtung 70 der Temperatur des geschmolzenen Metalles
geschätzt wurde, auf eine vorbestimmte Temperatur gesteuert
wird.
Nachstehend ist ein Temperatursteuerverfahren für einen
elektrischen Tiegelofen gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, das unter Verwendung der
vorbeschriebenen Vorrichtung durchgeführt wird, erklärt.
Das Temperatursteuerverfahren für einen elektrischen Tiegelofen
hat die Schritte: Bestimmen eines Wärmeverlustes, der aufgrund
des Kühlwassers auftritt (Schritte 101 bis 104 in Fig. 2) und
Schätzen einer Temperatur des geschmolzenen Metalles unter
Verwendung eines Wärmegleichgewichtsmodelles und Miteinbeziehung
des bei dem Wärmeverlustbestimmungsschritt in dem Modell
bestimmten Wärmeverlustes und dadurch Steuern der Temperatur des
geschmolzenen Metalles (Schritte 201 bis 206 in Fig. 2).
Das Temperatursteuerverfahren ins einen elektrischen Tiegelofen
hat ferner einen Schritt zum derartigen Steuern einer
Durchflußmenge oder einer Temperatur des Kühlwassers, daß der in
den Wärmeverlustbestimmungsschritten bestimmte Wärmeverlust sich
in einem optimalen Wärmeverlustbereich befindet, der für
verschiedene Betriebszustände des elektrischen Tiegelofens
vorbestimmt ist (Schritte 105 und 106 in Fig. 2).
Genauer ausgedrückt wird die Routine der Fig. 2 nach jedem
Intervall einer Zeitdauer ΔT begonnen, das bei Schritt 101
gezählt wird, und zwar nach dem Betriebsstart des Tiegelofens.
In Schritt 102 werden eine Einlaßkühlwassertemperatur und eine
Auslaßkühlwassertemperatur jeweils durch den
Einlaßwassertemperatursensor 42 und den
Auslaßwassertemperatursensor 43 erfaßt, wobei deren Ausgaben zu
der Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung gespeist werden. In
Schritt 103 wird eine Durchflußmenge des Kühlwassers erfaßt und
deren Ausgabe zu der Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung 50
gespeist. Schritte 102 und 103 können in beliebiger Reihenfolge
durchgeführt werden.
Dann wird in Schritt 104 ein aufgrund des Kühlwassers
auftretender Wärmeverlust (die von dem Kühlwasser abgezogene
Wärmemenge) in jedem Intervall der Zeitdauer ΔT bestimmt (oder
berechnet), und zwar unter Verwendung der unten gezeigten
Gleichung (1), die in der Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung 50
gespeichert ist.
DQW(t) = CW . GW . FW(t) . (T0W(t) - TiW(t) [W] ...(1)
wobei gilt:
CW: eine spezifische Wärme des in der Vorrichtung
vorgespeicherten Kühlwassers [W . hr/kg . °C]
GW:: ein spezifisches Gewicht des in der Vorrichtung vorgespeicherten Kühlwassers [kg/m3]
FW(t): eine Durchflußmenge des durch den Durchflußmesser 44 gemessenen Kühlwasser [m3/hr]
TiW(t): eine durch den Sensor 42 gemessene Kühlwassertemperatur [°C]
T0W(t): eine durch den Sensor 43 gemessene Kühlwassertemperatur [°C]
GW:: ein spezifisches Gewicht des in der Vorrichtung vorgespeicherten Kühlwassers [kg/m3]
FW(t): eine Durchflußmenge des durch den Durchflußmesser 44 gemessenen Kühlwasser [m3/hr]
TiW(t): eine durch den Sensor 42 gemessene Kühlwassertemperatur [°C]
T0W(t): eine durch den Sensor 43 gemessene Kühlwassertemperatur [°C]
Der Wärmeverlust durch das Kühlwasser dQW(t) wird in jedem
Intervall der Zeitdauer ΔT überwacht, wobei die Durchflußmenge
des Kühlwassers durch die Strömungssteuervorrichtung 60 und das
Strömungssteuerventil 45 derart gesteuert wird, daß der
Wärmeverlust durch das Kühlwasser dQW(t) gesteuert wird, so daß
er gemäß den Betriebszuständen des Tiegelofens in einem
vorbestimmten optimalen Wärmeverlustbereich liegt (in Schritt
106).
Diesbezüglich ist mit "optimaler Wärmeverlustbereich (AR)" ein
Bereich gemeint, in dem die Heizschlange 40 gekühlt wird, so daß
deren Temperatur nicht ungewöhnlich ansteigt. Der Bereich (AR)
hat eine obere Grenze (UL) und eine untere Grenze (LL). Wenn,
wie in Fig. 3 veranschaulicht, der Wert dQW(t) die obere Grenze
UL überschreitet, ist ein Überkühlungszustand vorhanden, in dem
der Öffnungsgrad des Durchflußsteuerventiles 45 gesenkt werden
sollte, so daß ein nicht notwendiger Anstieg der Kühlwassermenge
verhindert werden kann. Wenn sich andererseits der Wert dQW(t)
ändert, so daß er geringer als die untere Grenze LL ist, so ist
ein unzureichender Kühlzustand vorhanden, in dem der
Öffnungsgrad des Durchflußsteuerventiles 45 erhöht werden
sollte, so daß ein Überhitzen der Schlange verhindert werden
kann.
Vorzugsweise kann eine Abnahme oder Zunahme des
Öffnungsgradbetrages des Durchflußsteuerventiles 45 proportional
zu einer Abweichung des augenblicklichen Öffnungsgrades von der
oberen oder unteren Grenze des optimalen Wärmeverlustbereiches
sein, so daß eine proportionale Rückführsteuerung durchgeführt
wird.
Andererseits wird die Temperatur T0 des geschmolzenen Metalles
nur zu einem Zeitpunkt gemessen, und zwar unter Verwendung des
Temperatursensors 13 für geschmolzenes Metall in Schritt 201.
Die Temperatur T0 wird dem Wärmegleichgewichtsmodell mit einer in
der Schätzvorrichtung 70 für die Temperatur des geschmolzenen
Metalles gespeicherten Gleichung (2) als eine Initialtemperatur
der Temperatur des geschmolzenen Metalles eingegeben. Dann wird
zu jedem Intervall einer Zeitdauer von ΔT, das in Schritt 202
gezählt wird, eine Temperatur für das geschmolzene Metall
eingegeben und deren Änderung in Schritt 204 geschätzt, und zwar
mit Einbeziehung des Wärmeverlustes durch das eingespeiste
Kühlwasser, wobei dessen Daten bei Schritt 203 von Schritt 104
eingespeist werden.
Cm . Wm(t) . (dTm(t)/dt) = P(t) - dQW(t) - dQm(t) [W] ...(2)
wobei gilt;
wobei gilt;
Cm: eine spezifische Wärme des geschmolzenen Metalles
[W . hr/kg . °C]
Wm(t): ein durch die Lastzelle 30 gemessenes Gewicht des geschmolzenen Metalles [kg]
dTm(t): eine geschätzte Temperatur des geschmolzenen Metalles, deren Initialwert bei t = 0 T0 beträgt [°C]
P(t): eine von der elektrischen Energiequelle 20 zu der Schlange 40 geführte elektrische Energie [W]
dQW(t): die in Gleichung (1) bestimmte Wärmeverlustmenge [W]
dQm(t): eine aus der folgenden Gleichung (3) bestimmte Wärmedissipationsmenge [W]
Wm(t): ein durch die Lastzelle 30 gemessenes Gewicht des geschmolzenen Metalles [kg]
dTm(t): eine geschätzte Temperatur des geschmolzenen Metalles, deren Initialwert bei t = 0 T0 beträgt [°C]
P(t): eine von der elektrischen Energiequelle 20 zu der Schlange 40 geführte elektrische Energie [W]
dQW(t): die in Gleichung (1) bestimmte Wärmeverlustmenge [W]
dQm(t): eine aus der folgenden Gleichung (3) bestimmte Wärmedissipationsmenge [W]
dQm(t) = K(Tm(t) - Ta(t)) ... (3),
wobei gilt:
K: ein durch Versuch vorbestimmter Gesamtwärmeübergangskoeffizient [W/°C]
Ta(t): eine atmosphärische Temperatur [°C]
K: ein durch Versuch vorbestimmter Gesamtwärmeübergangskoeffizient [W/°C]
Ta(t): eine atmosphärische Temperatur [°C]
Anschließend wird die Temperatur des geschmolzenen Metalles auf
eine vorbestimmte Temperatur gesteuert, und zwar durch Erzeugen
eines Befehlsignales in der Steuervorrichtung 80 des
geschmolzenen Metalles unter Verwendung eines PDI (Proportional-
, Differential-, Integral-) Logarithmus basierend auf einem
Differential zwischen der vorbestimmten Solltemperatur und der
geschätzten Temperatur Tm(t), wobei anschließend das Befehlsignal
zu einer elektrischen Energiequelle 20 geführt wird (Schritte
205 und 206).
Diesbezüglich wird für die vorbestimmte Solltemperatur des
geschmolzenen Metalles beispielsweise eine Temperatur des
geschmolzenen Metalles zu dem Zeitpunkt der Herausnahme des
geschmolzenen Metalles aus dem Tiegelofen genommen. Ein zu der
elektrischen Energiequelle gerichtetes Rückführsteuersignal ist
ein Signal einer Änderungsmenge der elektrischen Energie ΔW(t),
die durch die folgende Gleichung (4) bestimmt wird.
ΔW(t) = KP . (Tm(t - 1) - Tm(t)) + KI . ΔT(t)
+ KD . (2 . Tm(t - 1) - Tm(t - 2) - Tm(t)) ..... (4)
wobei Tm(t - 1) und Tm(t - 2) jeweils Temperaturen zu einer
Zeitdauer ΔT und einer Zeitdauer 2ΔT sind. Fig. 4 zeigt ein
Beispiel eines Ergebnisses zwischen der Temperatur des
geschmolzenen Metalles zu dem Zeitpunkt der Herausnahme des
geschmolzenen Metalles aus dem Tiegelofen und der elektrischen
Energie für das Betweizen, und zwar gesteuert gemäß dieser Art
von Temperatursteuerung.
Fig. 5 zeigt eine Beziehung zwischen der Temperatur des
geschmolzenen Metalles und der Kühlwassertemperatur und der
zugeführten Energie, wobei deren Steuerung unter Verwendung des
Temperatursteuerverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
durchgeführt wurde. Gemäß Fig. 5 stimmen die mit durchgezogener
Linie gezeigte geschätzte Temperatur des geschmolzenen Metalles
und die mit einer mit schwarzen Punkten versehenen Linie
gezeigte tatsächlich gemessene Temperatur des geschmolzenen
Metalles mit großer Genauigkeit überein. Dies bedeutet, daß die
erfindungsgemäße Temperatursteuerung des geschmolzenen Metalles
eine große Genauigkeit hat.
Da ferner die Kühlwassermenge eingestellt wird, so daß der
Wärmeverlust durch das Kühlwasser in dem optimalen
Wärmeverlustbereich liegt, der für verschiedene Betriebszustände
des elektrischen Tiegelofens vorbestimmt ist, ist der
Wärmeverlust durch das Kühlwasser während des Betriebs des
Tiegelofens minimiert. Als Ergebnis wird ein nicht notwendiger
Anstieg des Wärmeverlustes des Tiegelofens verhindert.
Erfindungsgemäß werden die folgenden technischen Vorteile
erzielt.
Da in dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung der
Wärmeverlust durch das Kühlwasser in der Schätzung der
Temperatur des geschmolzenen Metalles miteinbezogen ist, wird
die Schätzgenauigkeit erhöht. Als Ergebnis sind eine Steuerung
der Temperatur des geschmolzenen Metalles mit großer
Genauigkeit, eine Abnahme der Zeitdauer, die zum Beheizen und
Schmelzen des Metalles nötig ist, und die Verhinderung einer
Überhitzung des Tiegelofens möglich.
Da ferner die Menge und/oder die Temperatur des Kühlwassers
eingestellt wird, so daß sich der Wärmeverlust durch das
Kühlwasser in dem optimalen Wärmeverlust befindet, ist der
Wärmeverlust des Tiegelofens minimiert.
In dem elektrischen Tiegelofen 10 mit der Heizvorrichtung 14,
die die Kühlwasserleitung 41 für das Kühlen der Heizvorrichtung
aufweist, um ein Schmelzen der Heizvorrichtung 14 zu verhindern,
wird die Schätzung der Temperatur für das geschmolzene Metall in
dem elektrischen Tiegelofen 10 unter Verwendung eines
Wärmegleichgewichtsmodells unter Einbeziehung des Wärmeverlustes
durch das Kühlwasser, d. h. die durch das Kühlwasser abgezogene
Wärmemenge, durchgeführt. Ferner wird die durch die
Heizvorrichtung 14 strömende Kühlwassermenge derart eingestellt,
daß sich der Wärmeverlust durch das Kühlwasser in einem
vorbestimmten optimalen Wärmeverlustbereich befindet.
Claims (9)
1. Verfahren für die Steuerung der Temperatur in einem
elektrischen Tiegelofen (10), der eine Heizvorrichtung (14) mit
einer darin ausgebildeten Kühlwasserleitung (41) aufweist, durch
die Kühlwasser strömen kann, um zu verhindern, daß die
Heizvorrichtung (14) schmilzt,
gekennzeichnet durch die Schritte:
- a) Leiten von Kühlwasser durch die Kühlwasserleitung;
- b) Bestimmen eines aufgrund des Kühlwassers auftretenden Wärmeverlustes;
- c) Schätzen der Temperatur des geschmolzenen Metalls in dem Tiegelofen durch Miteinbeziehen des festgestellten Wärmeverlustes in einem Schätzmodell für die Temperatur des geschmolzenen Metalles; und
- d) Steuern der Temperatur des geschmolzenen Metalles basierend auf dem Schätzmodell.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Wärmeverlust-Bestimmungsschritt b) und dem
Temperatur-Schätzschritt c) ein Schritt für das Steuern der
Durchflußmenge oder der Temperatur des Kühlwassers durchgeführt
wird, so daß sich der im Wärmeverlust-Bestimmungsschritt b)
bestimmte Wärmeverlust in einem optimalen Wärmeverlustbereich
befindet, wobei der Bereich für verschiedene Betriebszustände
des Tiegelofens vorbestimmt ist.
3. Temperatursteuervorrichtung (100) für einen elektrischen
Tiegelofen (10), der eine Heizvorrichtung (14) hat, die eine
darin ausgebildete Kühlwasserleitung (41) einschließt, durch die
Kühlwasser strömen kann, um zu verhindern, daß die
Heizvorrichtung (14) schmilzt, gekennzeichnet durch:
eine mit der Kühlwasserleitung betrieblich verknüpfte Erfassungsvorrichtung (42, 43, 44) für das Erfassen von Daten, die für das Bestimmen eines Wärmeverlustes notwendig sind, der aufgrund des durch die Kühlwasserleitung strömenden Kühlwassers auftritt;
eine Schätzvorrichtung (70) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles, die konstruiert und eingerichtet ist, um die Temperatur des geschmolzenen Metalles in dem Tiegelofen zu schätzen, wobei die Schätzvorrichtung (70) ein Schätzmodell für die Temperatur des geschmolzenen Metalles hat und mit der Erfassungsvorrichtung derart betrieblich verknüpft ist, daß ein aus den mittels der Erfassungsvorrichtung (42, 43, 44) erfaßten Daten bestimmter Wärmeverlust in das Modell miteinbezogen wird; und
eine Steuervorrichtung (80) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles, die konstruiert und eingerichtet ist, um die zu der Heizvorrichtung (14) geführte elektrische Energie derart zu steuern, daß eine von der Schätzvorrichtung (70) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles geschätzte Temperatur auf eine vorbestimmte Temperatur gesteuert wird.
eine mit der Kühlwasserleitung betrieblich verknüpfte Erfassungsvorrichtung (42, 43, 44) für das Erfassen von Daten, die für das Bestimmen eines Wärmeverlustes notwendig sind, der aufgrund des durch die Kühlwasserleitung strömenden Kühlwassers auftritt;
eine Schätzvorrichtung (70) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles, die konstruiert und eingerichtet ist, um die Temperatur des geschmolzenen Metalles in dem Tiegelofen zu schätzen, wobei die Schätzvorrichtung (70) ein Schätzmodell für die Temperatur des geschmolzenen Metalles hat und mit der Erfassungsvorrichtung derart betrieblich verknüpft ist, daß ein aus den mittels der Erfassungsvorrichtung (42, 43, 44) erfaßten Daten bestimmter Wärmeverlust in das Modell miteinbezogen wird; und
eine Steuervorrichtung (80) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles, die konstruiert und eingerichtet ist, um die zu der Heizvorrichtung (14) geführte elektrische Energie derart zu steuern, daß eine von der Schätzvorrichtung (70) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles geschätzte Temperatur auf eine vorbestimmte Temperatur gesteuert wird.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (14) eine Heizschlange
(40) oder eine Heizelektrode ist.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung (42, 43, 44)
aufweist:
einen Einlaßkühlwassertemperatur-Erfassungssensor (42), der in der Kühlwasserleitung (41) an einer Einlaßseite der Heizvorrichtung (14) angeordnet ist;
einen Auslaßkühlwassertemperatur-Erfassungssensor (43), der in der Kühlwasserleitung (41) an einer Auslaßseite der Heizvorrichtung (14) angeordnet ist; und
einen Durchflußmesser (44), der in der Kühlwasserleitung (41) für die Messung einer Kühlwasserdurchflußmenge angeordnet ist.
einen Einlaßkühlwassertemperatur-Erfassungssensor (42), der in der Kühlwasserleitung (41) an einer Einlaßseite der Heizvorrichtung (14) angeordnet ist;
einen Auslaßkühlwassertemperatur-Erfassungssensor (43), der in der Kühlwasserleitung (41) an einer Auslaßseite der Heizvorrichtung (14) angeordnet ist; und
einen Durchflußmesser (44), der in der Kühlwasserleitung (41) für die Messung einer Kühlwasserdurchflußmenge angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, gekennzeichnet durch
eine Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung (50), die mit der Erfassungsvorrichtung betrieblich verknüpft ist sowie konstruiert und eingerichtet ist, um basierend auf von der Erfassungsvorrichtung (42, 43, 44) ermittelten Daten eine durch das Kühlwasser abgezogene Wärmemenge zu bestimmen, und
einen Meßsensor (13) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles, der konstruiert und eingerichtet ist, um die Temperatur des geschmolzenen Metalles (11) in dem Tiegelofen zu messen, wobei die Schätzvorrichtung (70) der Temperatur des geschmolzenen Metalles mit dem Meßsensor (13) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles betrieblich verknüpft ist und die Temperatur des geschmolzenen Metalles schätzt, und zwar basierend auf (a) einer durch den Meßsensor (13) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles gemessenen Temperatur, (b) einer Wärmemenge, die durch das Kühlwasser abgezogen wird und von der Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung (50) bestimmt wird, und (c) der elektrischen Energie, die der Heizvorrichtung (14) zugeführt wird.
eine Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung (50), die mit der Erfassungsvorrichtung betrieblich verknüpft ist sowie konstruiert und eingerichtet ist, um basierend auf von der Erfassungsvorrichtung (42, 43, 44) ermittelten Daten eine durch das Kühlwasser abgezogene Wärmemenge zu bestimmen, und
einen Meßsensor (13) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles, der konstruiert und eingerichtet ist, um die Temperatur des geschmolzenen Metalles (11) in dem Tiegelofen zu messen, wobei die Schätzvorrichtung (70) der Temperatur des geschmolzenen Metalles mit dem Meßsensor (13) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles betrieblich verknüpft ist und die Temperatur des geschmolzenen Metalles schätzt, und zwar basierend auf (a) einer durch den Meßsensor (13) für die Temperatur des geschmolzenen Metalles gemessenen Temperatur, (b) einer Wärmemenge, die durch das Kühlwasser abgezogen wird und von der Wärmeverlustbestimmungsvorrichtung (50) bestimmt wird, und (c) der elektrischen Energie, die der Heizvorrichtung (14) zugeführt wird.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 6, gekennzeichnet durch
eine Einstellvorrichtung (45) für das Einstellen einer
Durchflußmenge oder einer Temperatur des Kühlwassers; und
eine Steuervorrichtung (60), die mit der Einstellvorrichtung
(45) betrieblich verknüpft ist sowie konstruiert und
eingerichtet ist, um die Einstellvorrichtung (45) zu steuern, so
daß sich ein aufgrund des Kühlwassers auftretender Wärmeverlust,
der basierend auf durch die Erfassungsvorrichtung (42, 43, 44)
erfaßten Daten ermittelt wird, in einem optimalen
Wärmeverlustbereich befindet, der für verschiedene
Betriebszustände des Tiegelofens vorbestimmt ist.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (45) ein in der
Kühlwasserleitung (41) angeordnetes Durchflußsteuerventil
aufweist.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (60) eine
Durchflußsteuervorrichtung aufweist, die basierend auf dem
festgestellten Wärmeverlust ein Steuersignal zu der
Einstellvorrichtung (45) ausgibt.
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