DE3235265A1 - Messverfahren fuer anhaftende schlacke in kanal-induktionsoefen - Google Patents

Messverfahren fuer anhaftende schlacke in kanal-induktionsoefen

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DE3235265A1 DE19823235265 DE3235265A DE3235265A1 DE 3235265 A1 DE3235265 A1 DE 3235265A1 DE 19823235265 DE19823235265 DE 19823235265 DE 3235265 A DE3235265 A DE 3235265A DE 3235265 A1 DE3235265 A1 DE 3235265A1
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Description

0OFINl=R & HUI=NAGEL
PATENTANWALTS
LANDWHHRSTR. 37 BOOO MÜNCHEN 2 TEL. O 88 / 69 β? 84
München, den 22. September I982 Anwaltsaktenz.: 194 - Pat. 64
FUJI ELECTRIC COMPANY, Ltd., 1-1 Tanabeshinden, Kawasaki-ku, Kawasaki-shi, Kanagava, Japan
Meßverfahren für anhaftende Schlacke in Kanal-Induktionsöfen
MESSVERFAHREN FÜR ANHAFTENDE SCHLACKE IN KANAL
INDUKTIONSÖFEN
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren für anhaftende Schlacke in Kanal-Induktionsöfen, bei welchen ein mit einer Induktionsheizeinheit versehenes Kanalabteil mit einem Schmelzbadabteil für schmelzflüssiges Metall verbunden ist und das im Kanalabteil befindliche schmelzflüssige Metall durch die Wirkung der Induktionsheizeinheit aufgeheizt und zu einer Konvektionsbewegung veranlasst wird, wodurch das schmelzflüssige Metall im Schmelzbadabteil auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.
Bei dieser Ofenbauart mit einem Kanalabteil setzt sich im Laufe der Betriebszeit Schlacke an einer Ausmündung und verengten Stelle des Kanalabteils an, sodass die Konvektionsbewegung entsprechend behindert wird. Hat sich eine grössere Menge Schlacken angesammelt, so werden die Ausmündung und die verengte Stelle verstopft mit der Folge, dass eine ungenügende Wärmefortleitung zum Schmelzbadabteil erfolgt und gleichzeitig eine anormale Überhitzung des Kanalabteils, wodurch die Auskleidung des Kanalabteils schmelzen und eventuell eine Leckage von schmelzflüssigem Metall entstehen kann. Insbesondere wenn das schmelzflüssige Metall stark schlackebildend ist, was beispielsweise der Fall ist bei im Kupolofen
erschmolzenem Metall, einer zähen Metallschmelze, einem schmelzflüssigen Chromgusseisen, usw , so geht dieses Zusetzen der verengten Stellen schnell vor sich mit der entsprechenden Gefahr von ernsthaften Betriebsstörungen.
Es ist deshalb wünschenswert, die Menge der anhaftenden Schlacke zu kennen und die Schlacke zu entfernen, wenn ihre Menge stark zugenommen hat.
Nach dem Stande der Technik wird am Kanalabteil und an den verengten Stellen anhaftende Schlacke mit verschiedenen Methoden gemessen:
(1) Die Menge der anhaftenden Schlacke wird dadurch geschätzt und bestimmt, indem die Abnutzung der feuerfesten Auskleidung im Kanal durch Messung eines Leistungsfaktors einer Induktionsheizeinheit gemessen wird,
(2) Die Menge der anhaftenden Schlacke wird dadurch geschätzt und bestimmt, indem der innere Zustand des Kanals durch Messung der Kanaloberflächentemperaturen mit einer Thermozelle oder dergleichen untersucht wird,
(3) Die Menge der anhaftenden Schlacke wird dadurch geschätzt, dass die Temperaturen des Kanalabteils mit Hilfe eines Pyrometers gemessen werden.
In keiner dieser genannten Methoden kann jedoch die Menge der anhaftenden Schlacke genügend genau bestimmt werden. Insbesondere eignet die Methode 1 sich nicht zum Erkennen von Schlackenansatz an der verengten Stelle, und die Methoden 2 und 3 geben nur Hinweise darauf, ob das Kanalabteil überhitzt ist oder nicht, und nicht mehr. Desweiteren bedarf es für die Methode 3 einer aufwendigen Ausrüstung.
- ε.
Nach einem anderen Verfahren wird der Ofen entleert um den Ansatz von Schlacken am Kanalabteil durch Augenschein feststellen zu können; diese Schlacke wird dann notwendigenfalls von Hand entfernt, jedoch muss hierfür der Ofen auf eine normale Temperatur abgekühlt sein. Durch den plötzlichen Temperaturwechsel können jedoch im Ofenmaterial Risse entstehen, wodurch die Ofenlebensdauer unnötigerweise verkürzt wird.
Eine verbesserte Methode zum Entfernen von Schlacken wird im Einzelnen in der jap. Anmeldung Nr.136515-1980 (eingereicht am 30.9.19 80) beschrieben; sie ist dadurch gekennzeichnet, dass an einer an einem Kanalabteil vorgesehenen Induktionsheizeinheit abwechselnd eine hohe und eine niedrige Spannung angelegt werden, dass die Tempertur des schmelzflüssigen Metalls im Kanal bei höherer Spannung steigt, wodurch an den Innenseiten des Kanals anhaftende Schlacke weich wird und durch eine durch die hohe Temperatur verursachte starke Konvektion des schmelzflüssigen Metalls aus dem Kanal entfernt wird.
Wird dieses verbesserte Verfahren mit einem, beliebigen der oben angegebenen Messverfahren kombiniert, so kann dennoch die Menge der anhaftenden Schlacke nicht genau erfasst werden, es liegt deshalb nicht fest, zu welchem Zeitpunkt die hohe Spannung angelegt werden soll, oder zu welchem Zeitpunkt die Temperatur des schmelzflüssigen Metalls im Kanal gesteigert werden soll; man kann hierfür nur nach einer Faustregel vorgehen. Einen problematischen Punkt des Ofenbetriebes, darin bestehend dass die Schlacke nicht wirksam genug entfernt wird, oder überhitzt wird und damit ein Abschmelzen des feuerfesten Belages am Kanalabteil beschleunigt wird, mit einem Faustregelverfahren lösen zu wollen, ist jedoch nicht akzeptierbar.
323526
Zur Vermeidung dieser Nachteile und Unzulänglichkeiten des Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einem Kanal-Induktionsofen der eingangs erwähnten Art, ein Messverfahren für am Kanalabteil anhaftende Schlacke vorzuschlagen, mit Hilfe dessen nicht nur die Tatsache festgestellt werden kann, dass sich Schlackenansammlungen an einer Ausmündung und an der verengten Stelle des Kanalabteils gebildet haben, sondern auch die Menge der anhaftenden Schlacken.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Kanal-Induktionsofen der eingangs erwähnten Gattung, durch ein Messverfahren für anhaftende Schlacken gelöst, dessen Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs angeführt sind.
Die Erfindung ist in der Zeichnung (Figur 1) schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Steuersystems, bei welchem das vorgeschlagene Messverfahren angewandt wird. Ein Ofenkörper 1 , bestehend aus einem hitzebeständigen
-n Material, umfasst ein Schmelzbadabteil 3 zur Aufnahme eines schmelzflüssigen Metalls 2 in einem im Ofeninnern dafür vorgesehenen Raum, und ein Kanalabteil 4 . Das Kanalabteil 4 besitzt einen ü-förmigen Kanal 5 , dessen Enden in das Schmelzbadabteil 3 ausmünden.
-c Ein geschlossener Kern 6 kreuzt einen geschlossenen, aus dem schmelzflüssigen Metall 2 im Kanal 5 und demjenigen im Kanalabteil 3 bestehenden Kreis und ist durch ein hierfür vorgesehenes Loch 7 im Kanalabteil 4 hindurchgeführt, während einer Induktionsheizspule
^n 8 zur Bildung einer Heizeinheit um den geschlossenen Kern 6 gewickelt ist.
Ein Transformator 9 hat eine Primärspule 10 , welche über einen Schalter 11 an eine Stromversorgung angeschlossen ist, und eine Sekundärwicklung 12 , deren eines Ende mit einem Ende der Spule 8 verbunden ist, während das andere Ende des Sekundärwicklung 12 und eine Zwischenstelle dieser Sekundärwicklung 12 an Anschlüsse 14 ,bzw 15 eines Umschalters 13 angeschlossen sind. Der Umschalter 13 ist an das andere Ende der Spule 8 angeschlossen und wiederholt einen Vorgang, welcher darin besteht, die Verbindung mit dem Anschluss 14 für hohe Spannung mit der Spule 8 herzustellen, dies für eine bestimmte Zeitdauer entsprechend einer Schliesszeitregelvorrichtung 25 , und sodann die Spule 8 mit dem Anschluss 15 für niedrige Spannung für die verbleibende Zeit zu verbinden.
Wenn eine hohe Spannung an die Spule 8 angelegt wird, so steigt die Temperatur des schmelzflussigen Metalls 2 im Kanal 5 an, wodurch an der Innenwand des Kanals 5 anhaftende Schlacke 19 weich wird und durch die von der hohen Temperatur hervorgerufene starke Konvektion des schmelzflüssigen Metalls 2 aus dem Kanal 5 entfernt wird.
Die Referenzzahl 21 bezeichnet eine mit einem Mikroprozessor ausgestattete Rechen- und Verarbeitungseinheit, welche auf der Basis von verschiedenen Eingabewerten eine Temperaturanstiegsrate errechnet. Für diese Rechen- und Verarbeitungseinheit 21. sind desweiteren vorgesehen ein Lesegerät 22 mit einem A/D-Konverter zum Lesen von für den Ofen notwendigen Daten, ein Anzeigegerät 23 für die Menge der anhaftenden Schlacke zur Anzeige eines Vorgangsresultates und zur Erzeugung eines Steuerausgangssignales, eine Schliesszeitanzeige 24 , die Schliesszeitregelvorrichtung 25 usw....
Desweiteren sind vorgesehen oin Temperaturmesselement (31) für die Messung der Temperatur des schmelzflüssigen Metalls, eine Kraftmesszelle 32 zur Bestimmung des Gewichtes des im Ofen befindlichen schmelzflussigen Metalls und ein Leistungsmessgerät zur Messung der elektrischen Leistung, wodurch die fürdie Messung der Ofentemperaturanstiegsrate notwendigen Ofenbetriebsdaten gesammelt werden. Das Temperaturmesselement 31 kann durch eineEinlassöffnung im Ofenkörper eingeführt und in das schmelzflüssige Metall eingetaucht werden, wenn die Temperaturanstiegsrate gemessen werden soll.
Im folgenden soll das erfindungsgemaesse Verfahren theoretisch beschrieben werden.
Eine Temperaturanstiegsrate S des Ofens beim Erwärmen des schmelzflüssigen Metalls durch Zufuhr eines bestimmten Stromes zur Spule 8 wird allgemein ausgedrückt durch das Verhältnis des Gesamtgewichtes w (t) des schmelzflüssigen Metalls und der Zeit H (h) welche notwendig ist, die Temperatur des schmelzflüssigen Metalls um einen bestimmten Betrag, z. B. 1000C, zu erhöhen. Die Temperaturanstiegsrate S (t/h) = Gesamtgewicht des im Ofen befindlichen schmelz-
flüssigen Metalls (t)
benötigte Zeit (h)
Sodann wird bei der ersten Inbetriebnahme nach dem Anbringen eines feuerfesten Belags am Ofen, wenn sich noch keine Schlacke an einer Ausmündung oder verengten Stelle des Kanals 5 festgesetzt hat, ein Temperaturanstiegstest durchgeführt, wobei das Gewicht des schmelzflüssigen Metalls, die elektrische Leistung P (kW), die WärmespeicherleistungN (kW), die für eine Temperatursteigerung des schmelzflüssigen Metalls um 100° C notwendige Zeit H (h) usw. gemessen werden.
323526S
Die Initialmessdaten sind folgende :
W„ : Gewicht des schmelzflüssigen Metalls (t)
Hn : Benötigte Zeit für eine Temperatursteigerung um 100 Grad (h)
PQ : Elektrische Heizleistung ( kW) NQ : Wärmespeicherleistung (kW)
Eine initiale Temperaturanstiegsrate SQ ergibt sich daraus als
Sn = — (t/h) P0
V
Aus diesen gemessenen Daten kann die benötigte Energie für eine Temperatursteigerung des schmelzflüssigen Metalls inklusiv der Auskleidung bestimmt werden. Die Temperatursteigerungsenergie en (kwh/t für 100 Grad) ergibt sich aus
(po _ V (po
= (kwh/t) (2)
In Gleichung (2) bedeutet "2 den Spulenswirkungsgrad, welcher im allgemeinen etwa 95% beträgt.
Die für eine Temperatursteigerung des schmelzflüssigen Metalls um einen Grad benötigte Temperatursteigerungsenergie ist dann e_/100 (kwh/t).
Ein ähnlicher Temperaturanstiegstest wird nach dem Verstreichen einer bestimmten Zeit durchgeführt, wobei analoge Wertegemessen werden. Die dabei erhaltenen Werte sind dann W1 (t), H1 (h), Ρχ (kW), N1 (kW).
' /0-Eine damit erhaltene Temperaturanstiegsrate ist dann W1
a - (t/h) (3J-
Hl
Wird die initiale Temperaturanstiegsrate Sn mit der nach einer gewissen Zeit gefundenen Temperaturanstxegsrate S, verglichen so muss berücksichtigt werden, dass die für S0 und S geltenden Messbedingungen, wie Gewicht des schmelz flüssigen Metalls, zugeführte Leistung, usw, normalerweise abweichende Werte haben, sodass es notwendig ist, die Temperaturanstiegsrate S, auf einen Wert S,1 zu korrigieren, welchen man erhalten würde, wenn unter denselben Bedingungen wie bei der initialen Messung gemessen werden würde.
Für diese Korrektur kann approximativ geschrieben werden
P — N '
S1 1 =— — χ S1 (t/h) (4)
P - N '
F1 N1
Hierbei ist N' ebenfalls ein durch Korrektur einer Wärmespeicherleistung N, erhaltener Wert, welcher approximativ ausgerückt werden kann zu
N ' = — χ N1 (kw) (5)
1 T1 !
worin TQ eine initial gemessene Temperatur (° C) des schmelzflüssigen Metalls ist und T1 die Temperatur ( C) des schmelzflüssigen Metalls nach einer bestimmten Zeit.
Der Grund dafür, dass eine Abweichung ά S = SQ - S,' beim Vergleich der so erhaltenen korrigierten Temperaturanstiegsrate S,' mit der initialen Tamperaturanstiegsrate S_ ist der, dass die Wärmeübertragung vom Kanalabteil (5) zum Schmelzbadabteil (3) durch Verstopfung der Ausmündung
und der verengten Stelle des Kanalabteils 5 durch anhaftende Schlacke blockiert ist, wodurch die Temperaturanstiegsrate des Ofens abnimmt.
Hat die Temperaturanstiegsrate von S auf S1' abgenommen, so kann ein Temperaturanstiegswert Δ Tx im Kanal (4) approximativ durch die Gleichung :
G wi
ATx= Q/ (-£-1 ) (6)
100
angegeben werden, worin wi das Gewicht (t) der Metallschmelze im Kanalabteil 5 ist, und Q eine zusätzlich im Kanalabteil 5 verbrauchte Energie (kwh) , wenn während einer Zeit χ eine Leistung P, (kw) zugeführt wird.
Es ist also der Temperaturanstiegswert 4Tx im Kanalabteil
5 proportional zu der zusätzlich im Kanalabteil 5 verbrauchten Energie Q .
Dann ist
Q= (S0 - S1') . χ ._^O ±_
loo
worin χ = Leistungszufuhrzeit (h)
für eine Temperatursteigerung der Metallschmelze um 1 Grad benö anstiegsenergie (kwh/t)
schmelze um 1 Grad benötigte Temperaturdie folgende Gleichung erhält man deshalb aus den Gleichungen 6 und 7 :
ι ι λ — Js. \ο. D1 ; χ β · · » \Oj
WH
worin k eine Proportionalitätskonstante ist.
Wie aus Gleichung 8 hervorgeht, ist der Temperaturanstiegswert ATx im Kanalabteil 4 einer Differenz AS = BQ - S, s der Temperaturanstiegsrate des Ofens proportional.
Nach obigem kann deshalb gesagt werden, dass der Temperatureinstieg im Kanalabteil 4 der zusätzlich im Kanalabteil 4 verbrauchten Energie Q proportional ist, und ebenso der Differenz Δ S in der Temperaturanstiegsrate . Es kann füglich angenommen werden, das ein zusätzlicher Verbrauch an Energie Q auf die an den Kanal 5 anhaftende Schlacke zurückzuführen ist, so dass, wenn f (^) die Menge der anhaftende Schlacke darstellt, der Ansatz gemacht werden kann.
Q = K-f (30
worin K1 eine Proportionalitätskonstante ist. Aus ichungen (7) und (9) folgt deshalb
f (jO = κ" χ Cs0 - S1 1)
(worin K" eine Proportionalitätskonstante ist) , woraus sich ergibt, dass die Menge der anhaftenden Schlacke der Differenz der Temperaturanstiegsraten proportional ist. Mann misst deshalb nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne die Temperaturanstiegsrate S, , welche anschliessend, zwecks Anpassung an die initial vorhandenen Bedingungen, auf den Wert S,' korrigiert wird, vergleicht dann den korrigierten Wert S^' mit der initialen Temperaturanstiegsrate Sn und erhält damit die Differenz 4S = S-S' zwischen diesen beiden Temperaturanstiegsraten, wodurch die Menge der anhaftende Schlacke mit einer recht hohen Genauigkeit gemessen werden kann.
Im folgenden wird mit Bezug auf das ebenfalls in Figur 1 dargestellte Steuersystem das erfindungsgemässe Messverfahren, welches auf diesem Prinzip basiert, beschrieben. Bei der ersten Inbetriebnahme nach dem Anbringen einer Auskleidung im Kanalabteil 4 wird ein Temperaturanstiegstest ausgeführt unter den Verhältnissen, wo der Umschalter 13 mit dem Niederspannungsanschluss 15 verbunden ist, und die entsprechenden Initialdaten werden in der Rechen- und Verarbeitungseinheit 21 gespeichert. Sodann wird, nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne, das Temperaturmesselement 31 zwecks Messung der Schmelzbadtemperatur während, einer bestimmten Zeit in die Metallschmelze 2 eingetaucht. Die Recheneinheit 21 liest die Temperatur und das Gewicht der Metallschmelze, die zugeführte Leistung usw., Daten welche vom Temperaturmesselement 31, Kraf tnes£zelle 32 und dem Leistungsmesser 33 durch die Leseeinheit 22 geliefert werden, misst die notwendige Zeit für den Temperaturanstieg und erhält die Temperaturanstiegsrate S1 mit Hilfe der Gleichungen 3,4,5 anhand der gemessenen Daten. Sodann wird diese Temperaturanstiegsrate mit der initialen Temperaturanstiegsrate S , welche vorher gemessen worden war, verglichen, und damit die Menge der anhaftenden Schlacke durch Anwendung der Gleichung 11 festgestellt. Zur Entfernung der Schlacke, deren Menge solcherart gemessen wurde, wird der Umschalter 13 mit dem Hochspannungsanschluss 14 verbunden und die Zeit χ für das Anlegen einer hohen Spannung an der Spule 8 errechnet. Die Menge der anhaftenden Schlacke wird an der Schlackenmengenanzeige 23 angezeigt, die errechnete Zeit χ an der Schliesszeitanzeige 24, und der Umschalter 13 wird mit dem Hochspannungsanschluss 14 während einer Zeitspanne verbunden, welche von der Schliesszeitregelvorrichtung 25 gegeben wird.
Auf diese Weise erhält die Spule 8 eine hohe Spannung und die Temperatur der Metallschmelze im Kanalabteil (4) steigt entsprechend. Die am Kanal (5) anhaftende Schlacke wird weich und durch die verstärkte Konvektion der Metallschmelze im Kanal (5) wird die am Kanal (5) anhaftende Schlacke (19) entfernt und in das Schmelzbadabteil (3) transportiert.
Es muss jedoch verhindert werden, dass die Temperatur innerhalb des Kanals (5) nicht über einen bestimmten Genzwert, z.B. 1.750° C , steigt, entsprechend den Eigenschaften der hitzebeständigen Auskleidung, so dass es notwendig ist, die Wirkungszeit χ der hohen Spannung auf eine Zeitspanne zu begrenzen;wie dies im folgenden beschrieben wird.
Die Erfahrung hat bestätigt, dass die Innentemperatur anal etwa 100°C höher liegt al woraus sich der Ansatz ergibt
im Kanal etwa 100°C höher liegt als die Ofentemperatur
9 = Tn + 100 + ATx ^ 1,750° C (11)
Wenn TQ = 1,500° C, so folgt
1,750 - 100 - 1,500 = 150° C (12)
woraus sich durch Anwendung der Gleichung (8) ergibt :
(O i
T* - χ ^ 150
Oder,
^- wi χ "7 χ 150
1
= Kf (P,\
-= Kf (S0-S1 1) = Kf(S) - S1') λ (13)
Aus der Gleichung (13) ergibt sich, dass die Wirkungszeit χ unter einem Wert gehalten werden muss, welchen man bei einer Eingabeleistung P, während der Zeitmessung erhält.
Wie aus vorstehenden Ausführungen hervorgeht, wird eine initiale Temperaturansteigsrate gemessen, nachdem die feuerfeste Auskleidung neu angebracht oder erneuert worden ist, und diese initiale Temperaturanstiegsrate verglichen mit einer Temperaturanstiegsrate, welche nach einer bestimmten Betriebszeit gemessen wird, wodurch genauer als bisher die Menge der Schlacke festgestellt werden kann, welche im Ofen, insbesondere an Engstellen,, anhaftet; wird durch Zufuhr einer hohen Leistung zwecks Entfernung der Schlacke eine starke Konvektion erzeugt, so kann die Leistungszufuhr wirksam und genau gesteuert werden.
Das erfindungsgemässe Messverfahren ist nicht notwendiger weise auf das Steuersystem nach Fig.(1) beschränkt, welches illustrationshalber gezeigt wurde, sondern kann auch bei anderen Systemen zum Steuern einer Leistungszufuhr zur Heizspule (8) verwendet werden, bei welchen die Spannung verändert wird oder die Einschaltzeit Anlegezeit beim intermetierenden Anlegen einer konstant gehaltenen Spannung.
Desweiteren können ausser dem gezeigten Temperaturmesselement, welches in die Metallschmelze eingetaucht wird, noch andere Bauarten verwendet werden, welche es gestatten diese Temperatur zu messen.
Leerseite

Claims (1)

  1. P-FLJE-6/DT
    MESSVERFAHREN FÜR ANHAFTENDE SCHLACKE IN KANAL
    INDUKTIONSÖFEN
    PATENTANSPRUCH
    Messverfahren für anhaftende Schlacke in Kanal-Induktionsöfen, bei welchen ein mit einer Induktionsheizeinheit versehenes Kanalabteil (4) mit einem Schmelzbadabteil (3) für schmelzflüssiges Metall (2) verbunden ist und das im Kanalabteil (4) befindliche schmelzflüssige Metall durch die Wirkung der Induktionsheizeinheit aufgeheizt und zu einer Konvektionsbewegung veranlasst wird, wodurch das schmelzflüssige Metall (2) im Schmelzbadabteil (3) auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine initiale Temperaturanstiegsrate gemessen wird, welche sich ergibt, wenn die Temperatur des schmelzflüssigen Metalls (2) im Schmelzbadabteil (3) durch eine zeitweilige Leistungssteigerung der Induktionsheizeinheit in einem Ausgangsstadium, in welchem sich noch keine Schlacke (19) an einer Ausmündung oder verengten Stelle des Kanalabteils (4) festgesetzt hat, gesteigert wird, dass die Temperaturanstiegsrate während des Betriebes sporadisch gemessen wird und diese sporadisch gemessenen Temperaturanstiegsraten mit der initialen Temperaturanstiegsrate verglichen und die Differenzen zwischen den beiden festgestellt werden, und dass aus diesen Differenzen die jeweilige Menge der anhaftenden Schlacken (19) bestimmt wird.
DE19823235265 1981-09-29 1982-09-23 Messverfahren fuer anhaftende schlacke in kanal-induktionsoefen Ceased DE3235265A1 (de)

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