DE4120205A1 - Vorwarneinrichtung fuer induktionsschmelzoefen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorwarneinrichtung für Durchbrüche von Metallschmelzen an keramischen Ofenfuttern von Schmelzöfen der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art. Bei solchen Schmelzöfen unterliegen die keramischen Ofenfutter im Betrieb sehr harten thermischen, chemischen und mecha­ nischen Beanspruchungen. Es bilden sich dadurch Auswa­ schungen und eventuell Risse, die bei einem Induktions­ schmelzofen bis zum Induktor vordringen können. Wird ein Durchdringen der flüssigen Metallschmelze zum In­ duktor hin nicht rechtzeitig erkannt, kann es zu erheb­ lichen Beschädigungen des Induktionsschmelzofens und im Extremfall sogar zur explosionsartigen Entleerung des Schmelzaggregates kommen.

Um solche Defekte bei Induktionsschmelzöfen frühzeitig erkennen zu können, ist eine Vorwarneinrichtung der gattungsgemäßen Art bekannt, die das Prinzip der Wider­ standsmessung nutzt. Dies beruht auf der Erkenntnis, daß der elektrische Widerstand zwischen zwei beliebigen Kontaktpunkten an der Außenseite des keramischen Ofen­ futters von der Temperatur abhängig ist, indem er mit zunehmender Temperatur erheblich sinkt, und zwar um einige Zehnerpotenzen im hochohmigen Bereich. Bahnt sich in der Wandung des Ofenfutters eine Durchbruch­ stelle an, findet außenseitig eine örtliche Tempera­ turerhöhung statt, die man bei geeigneter Verteilung der Elektroden an der Außenwand des Ofenfutters über die Widerstandsmessung feststellen kann. Das Problem liegt darin, das Elektrodennetzwerk ausreichend engma­ schig an der Außenseite des keramischen Ofenfutters an­ ordnen zu können, um eine sichere Frühwarnung des sich anbahnenden Schmelzendurchbruchs erzielen zu können.

Es ist eine gattungsgemäße Vorwarneinrichtung für einen Induktionsschmelzofen bekannt, bei der das Elektroden­ netzwerk in Nuten auf der Außenseite eines sogenannten Fertigtiegels angeordnet ist, der in einen Induktions­ ofen als vorgefertigtes Teil eingesetzt und dort mit einer keramischen Hinterstampfmasse umgeben wird, um den notwendigen Ringspalt zur Induktorwandung hin aus­ zufüllen. Hierbei liegt zwar das Elektrodennetzwerk in ausreichendem Abstand vor der Induktorwandung, um eine sich anbahnende Durchbruchsstelle rechtzeitig signali­ sieren zu können, ohne daß der Induktor Schaden nimmt. In der Praxis ist jedoch der Einsatz von Fertigtiegeln sehr gering, denn überwiegend wird eine konventionelle Ofenzustellung bevorzugt, bei der das Ofenfutter am Einsatzort aus dem keramischen Material aufgebaut wird. Bei diesem Zustellungsverfahren bestehen erhebliche Schwierigkeiten, das Elektrodennetzwerk zur Signalisa­ tion von Durchbruchstellen mit einem vertretbaren Auf­ wand so installieren zu können, daß eine sichere und genaue Früherkennung einer Fehlerstelle möglich ist. Man hat sich bei der konventionellen Zustellung mit der Verwendung von Stabelektroden beholfen, die in verti­ kaler Ausrichtung zwischen einer Wärmedämmschicht und dem Tiegelmaterial entlang dem Umfang des Tiegels angeordnet wurden, vergleiche DE-OS 27 18 016. Auch hier wird die Verringerung des elektrischen Wider­ standes des zumindest teilweise ausgesinterten, kerami­ schen Tiegelmaterials zwischen den benachbarten Elek­ troden infolge Temperaturerhöhung ausgewertet. Der Nachteil dieses bekannten Systems liegt in der Gefahr eines Kurzschlusses der Induktorspannung sowie einer Beeinflussung der Meßspannung über die vertikalen Elek­ troden bei feuchter Wärmedämmschicht, zum anderen ist die Installation und der Anschluß der Elektroden auf­ wendig. Bezüglich der Anzeigesicherheit zeigt das be­ kannte System ebenfalls Mängel, da die vordringende Me­ tallschmelze relativ spät erkannt wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ warneinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Anbringung des Elektrodennetzwerks an der Außenseite des Ofenfutters vereinfacht und eine hohe Anzeigesicherheit des gesamten Systems gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorwarneinrichtung der gattungsgemäßen Art nach der Erfindung durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der besondere Vorteil einer erfindungsgemäßen Vorwarn­ einrichtung liegt darin, daß die keramische Folie mit dem aufgebrachten Elektrodennetzwerk für den jeweiligen Einsatzfall vorgefertigt werden und unabhängig davon verwendet werden kann, ob das keramische Ofenfutter in herkömmlicher Zustellung im Schmelzofen, wie einem Induktionsschmelzofen, aufgebaut oder als Fertigtiegel in den Ofen eingebracht wird. Die keramische Folie mit dem integrierten Elektrodennetzwerk läßt sich leicht in äquidistanter Anordnung zur Induktorwandung bei einem Induktionsschmelzofen anbringen, wobei sie noch zusätz­ lich die Aufgabe als Wärmedämmschicht mit übernehmen kann. Als keramisches Folienmaterial wird vorzugsweise ein feines, filzartiges Faservlies aus keramischem Werkstoff verwendet, wie es an sich bekannt und in etwa in seinen mechanischen Eigenschaften mit einer steifen Papier- oder Kartonbahn vergleichbar ist.

Nach der Erfindung wird nicht mehr im keramischen Tie­ gelmaterial selbst sondern von außen in das keramische Material hineingemessen, deshalb ist es wichtig, daß zum einen bei Anordnung der keramischen Folie zwischen dem Elektrodennetzwerk und der Außenseite des kerami­ schen Ofenfutters der keramische Folienwerkstoff ein Verhalten hat, welches dem des Ofenfutters ähnlich ist. Wird hingegen zum anderen das Elektrodennetzwerk zwi­ schen dem keramischen Folienmaterial und dem kerami­ schen Ofenfutter angeordnet, muß der Wärmewiderstand und der elektrische Widerstand des Folienwerkstoffes höher, zweckmäßig sehr viel höher als der des Ofenfut­ ters sein. Daraus ergibt sich, daß eine besonders vor­ teilhafte Weiterbildung der Erfindung darin liegt, das Elektrodennetzwerk zwischen zwei solcher keramischen Folien anzuordnen, von denen die benachbart der Außen­ seite des Ofenfutters anzuordnende Folie eine etwa gleiche oder höhere Wärmeleitfähigkeit sowie einen nie­ drigeren spezifischen Widerstand und die auf der vom Ofenfutter abgewandten Seite anzuordnende Folie eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit sowie einen höheren spe­ zifischen Widerstand als das keramische Material des Ofenfutters haben. Die thermischen und elektrischen Isolationseigenschaften derjenigen keramischen Folie, welche die höheren Widerstandswerte hat, ermöglichen es sogar, eine separate Dämmschicht einzusparen, die bei einem Induktionsschmelzofen zwischen der Induktorwan­ dung und dem keramischen Ofenfutter üblicherweise vor­ gesehen wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ei­ nen Induktionsschmelzofen,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung das Schnitt­ bild der Ofenwandung gemäß dem Ausschnitt in Fig. 1,

Fig. 3 die perspektivische Ansicht einer vorge­ fertigten, keramischen Matte als Element einer Vorwarneinrichtung für Durchbrüche von Metallschmelzen bei einem Induktions­ schmelzofen nach den Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 die Abwicklung einer Auskleidung eines In­ duktionsschmelzofens mit mehreren Matten gemäß Fig. 3 einschließlich einer Darstel­ lung der Verbindung mit der zugehörigen elektrischen Auswerteinheit.

Im einzelnen erkennt man an dem in Fig. 1 dargestellten Induktionsschmelzofen einen Schmelzraum 1, der bis auf eine obere Öffnung vollständig von einem Ofenfutter 2 umgeben wird, das aus einem sinterfähigen, keramischen Material besteht. Wie in Ergänzung Fig. 2 weiter erken­ nen läßt, schließt radial nach außen an das Ofenfutter 2 eine Zwischenlage 3 an, in die ein Elektrodennetzwerk 7 eingebettet ist, worauf nachstehend noch näher einge­ gangen werden wird. Die Zwischenlage wird weiter nach außen hin von einer Spulenausgleichsmasse 4 umgeben, hinter der weiter radial nach außen hin eine Indukti­ onsspule 5 und ein Magnetleiter 6 in Gestalt eines Jo­ ches liegen.

Die Besonderheit eines solchen Induktionsschmelzofens liegt in der Ausbildung der Zwischenlage 3 zwischen dem keramischen Ofenfutter 2 und der Spulenausgleichsmasse 4, weil diese Zwischenlage 3 sowohl eine Dämmfunktion übernimmt als auch das erwähnte Elektrodennetzwerk 7 aufweist, welches zu einem elektrischen Überwachungs­ system zur rechtzeitigen Signalisierung von Durchbrü­ chen von Metallschmelzen durch das keramische Ofenfut­ ter 2 hindurch gehört. Dieses Elektrodennetzwerk 7 er­ streckt sich über den gesamten Umfang entlang der Au­ ßenseite des keramischen Ofenfutters 2, wie anhand der Abwicklung gemäß Fig. 4 weiter unten noch erläutert werden wird. Die Zwischenlage 3 besteht aus einem oder mehreren vorkonfektionierten Bauteilen, was nachstehend anhand von Fig. 3 beschrieben wird.

Entlang dem Umfang des Ofenfutters 2 setzt sich die Zwischenlage 3 aus einer Mehrzahl von vorgefertigten, keramischen Matten 8 zusammen, die jeweils über die Hö­ he des Ofenfutters 2 reichen. Eine solche keramische Matte 8 ist in Fig. 3 wiedergegeben, es handelt sich um ein solches vorkonfektioniertes Bauteil, das an den je­ weiligen Ofentyp angepaßt ist, für den es verwendet werden soll. Es weist eine innere Folie 9 und eine äußere Folie 10 auf, die beide einen beispielsweise filzartigen Aufbau aus keramischen Fasern haben. Beide Folien 9 und 10 haben etwa die Stärke und die Biegefä­ higkeit von Karton, sie lassen sich deshalb in ihrem Verbund der Innenrundung der Ofenwandung anpassen, die ohne Zustellung durch die Spulenausgleichsmasse 4 (Fig. 1 und 2) gebildet wird. Man kann die Folien 9 und 10 deshalb auch als ein Bahnmaterial bezeichnen, weil sie von längeren Bahnen des keramischen Werkstoffes abge­ längt werden können.

Das elektrische Überwachungssystem beruht auf dem Prin­ zip der Widerstandsmessung des keramischen Ofenfutters 2 zwischen zwei Elektroden 11, die in einer Mehr- oder Vielzahl in einer besonderen Konfiguration das Elektro­ dennetzwerk 7 bilden, welches zwischen den beiden kera­ mischen Folien 9 und 10 angeordnet ist. Es muß also von der in Einbaulage außenseitig an dem Ofenfutter 2 an­ liegenden Matte 8 in das keramische Material des Ofen­ futters 2 hineingemessen werden. Deshalb hat die unmit­ telbar an dem Ofenfutter 2 anliegende Folie 9 elektri­ sche Leiteigenschaften und Wärmeleiteigenschaften, die denjenigen des Ofenfutters 2 entsprechen oder wenig­ stens ähnlich sind. Die in Einbaulage vom Ofenfutter 2 abliegende, äußere Folie 10 hat dagegen Dämmeigenschaf­ ten, sie weist also eine sehr viel geringere elektri­ sche Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit als die inne­ re Folie 9 auf. Die jeweils erforderlichen spezifischen Widerstände der Folien 9 und 10 in Relation zu dem ke­ ramischen Material des Ofenfutters 2 können durch ge­ eignete Zuschläge eingestellt werden, die dem kerami­ schen Werkstoff der Folien 9 und 10 beigegeben werden.

Die Elektroden 11 des Elektrodennetzwerkes 7 bestehen aus einem Material, das eine hohe Temperaturwechselbe­ ständigkeit, eine hohe Warmfestigkeit und gute Korro­ sionsbeständigkeit hat; hierfür kommen austenitische Elektrodendrähte in Betracht. Die Elektroden 11 sind einer ersten Gruppe 12 und einer zweiten Gruppe 13 zu­ geordnet, wobei die Elektroden 11, die einander benach­ bart liegen, zu den verschiedenen Gruppen 12 und 13 ge­ hören und relativ zueinander äquidistant angeordnet sind. Deshalb bilden die Elektroden 11 der beiden Grup­ pen 12 und 13 einander gegenständige kammartige Gebil­ de, die in Richtung der Kammzähne ineinandergreifen, so daß jeweils eine Elektrode 11 der einen Gruppe 12 Elek­ troden 11 der anderen Gruppe 13 benachbart ist. Dieses gesamte Elektrodennetzwerk 7 befindet sich zwischen den beiden Folien 9 und 10, die in geeigneter Weise mitein­ ander verbunden sind, wodurch zugleich das Elektroden­ netzwerk 7 fixiert ist. Auf der Matte 8 sind an geeig­ neter Stelle Zuleitungen 14 und 15 herausgeführt, die mit je einer der Elektrodengruppen 12 und 13 verbunden sind, die im Betrieb mit voneinander verschiedenen Po­ laritäten beaufschlagt werden.

Wie Fig. 4 veranschaulicht, werden in Umfangsrichtung um das Ofenfutter 2 herum mehrere der keramischen Mat­ ten 8, beispielsweise 5, angeordnet. In der Praxis wer­ den die Matten 8 entlang der durch die keramische Aus­ streichmasse 4 gebildete Innenwandung des Induktors als Zwischenlage 3 (Fig. 1 und 2) vor der Zustellung des Ofenfutters 2 verlegt. In Fig. 4 ist die zu überwachen­ de, von den Matten 8 also zu überdeckende Höhe des Ofenfutters mit dem Pfeil A und der entsprechende Um­ fang mit dem Pfeil B gekennzeichnet. Damit für jede der Matten 8 partiell eine Durchbruchüberwachung möglich ist, ist die jeweilige eine Zuleitung einer Matte 8 mit einem separaten Eingang einer Auswerteinheit 16 elek­ trisch verbunden, während die übrigen Zuleitungen der Matten 8 an einem Basispotential liegen. Jede dieser Matten 8 bildet ein Überwachungssegment für sich, so daß entlang dem Umfang des Ofenfutters ein sich anbah­ nender Schmelzendurchbruch zonen- oder segmentbezogen von der Auswerteinheit 16 angezeigt werden kann. Damit ist eine Lokalisierung des sich anbahnenden Fehlerfal­ les möglich. Anders als beim dargestellten Ausführungs­ beispiel können die Matten 8 auch in Höhenrichtung ge­ geneinander abgeteilt sein, wenn eine Lokalisierung der sich anbahnenden Fehlerstelle in Höhenrichtung des Ofenfutters gewünscht wird.

Über die Auswerteinheit 16 werden die beiden Gruppen 12, 13 des Elektrodennetzwerks 7 (Fig. 3) mit einer si­ nusförmigen Wechselspannung beaufschlagt, deren Fre­ quenz zwischen 20 und 30 Hz liegt. Dieser Frequenzbe­ reich hat sich mit Rücksicht auf die übliche Netzfre­ quenz von 50 Hz und die Frequenzen, mit denen der In­ duktor eines Induktionsschmelzofens betrieben wird, als diejenige erwiesen, bei der die geringsten Störungen infolge von Oberwellen-, Streueffekten und Schaltüber­ spannungen auftreten. Das hängt zusätzlich mit der Kom­ plexität der elektrischen Widerstände zusammen, die zwischen den Elektroden 11 der beiden Gruppen 12 und 13 des Elektrodennetzwerks 7 liegen und die eine kapaziti­ ve Komponente haben, welche mit durch die jeweilige Matte 8 bedingt ist, in die das betreffende Elektroden­ netzwerk 7 eingebettet ist. Durch eine Meßgleichspan­ nung hervorgerufene Fehlanzeigen, die durch Polarisa­ tionserscheinungen im Material des Ofenfutters bedingt sind, werden durch die genannte Meßwechselspannung ver­ mieden.

Claims (7)

1. Vorwarneinrichtung für Durchbrüche von Metallschmel­ zen an keramischen Ofenfuttern von Schmelzöfen, ins­ besondere von Induktionsschmelzöfen mit einem auf der Außenseite des jeweiligen Ofenfutters anzuord­ nenden Netzwerk von Elektroden, die in zwei Gruppen unterschiedlicher Polarität unterteilt sind, welche in Abständen voneinander angeordnet sind und die zur Ermittlung des elektrischen, temperaturabhängigen Widerstandes des Ofenfutters zwischen den beiden Elektrodengruppen mit einer Auswerteinheit verbind­ bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodennetzwerk (7) einseitig auf einer keramischen Folie (9) oder (10) angeordnet ist, die entweder mit der mit dem Elektrodennetzwerk (7) ver­ sehenen Seite oder mit der diesem abgewandten Seite an der Außenseite des Ofenfutters (2) anzuordnen ist, wobei die Folie (9) oder (10) im ersten Fall eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit sowie eine gerin­ gere elektrische Leitfähigkeit und im zweiten Fall eine etwa gleiche oder höhere Wärmeleitfähigkeit so­ wie eine etwa gleiche oder höhere elektrische Leit­ fähigkeit gegenüber dem keramischen Material des Ofenfutters (2) hat.

2. Vorwarneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Folie (9) oder (10) bei Anordnung mit dem Elektrodennetzwerk (7) benachbart der Außen­ seite des Ofenfutters (2) einen niedrigeren spezifi­ schen elektrischen Widerstand und bei Anordnung mit dem Elektrodennetzwerk (7) auf der dem Ofenfutter (2) abgewandten Seite einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand als das keramische Material des Ofenfutters (2) hat.

3. Vorwarneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodennetzwerk (7) zwischen zwei kerami­ schen Folien (9 und 10) angeordnet ist, von denen die benachbart der Außenseite des Ofenfutters (2) anzuordnenden Folie (9) eine etwa gleiche oder höhe­ re Wärmeleitfähigkeit sowie einen niedrigeren spezi­ fischen Widerstand und die auf der vom Ofenfutter (2) abgewandten Seite anzuordnende Folie (10) eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit sowie einen höheren spezifischen Widerstand als das keramische Material des Ofenfutters (2) hat.

4. Vorwarneinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden keramischen Folien (9 und 10) mit dem dazwischen angeordneten Elektrodennetzwerk (7) zu einer vorgefertigten, keramischen Matte (8) mit her­ ausgeführten Anschlußleitungen (14, 15) einbaufertig zusammengefügt sind.

5. Vorwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere keramische Folien (9 oder 10) oder kera­ mische Matten (8) in Umfangs- und/oder in Höhenrich­ tung des betreffenden Ofenfutters (2) vorgesehen werden, die je für sich mit der Auswerteinheit (16) zwecks getrennter Überwachung verbindbar sind.

6. Vorwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gruppen (12, 13) des Elektrodennetz­ werks (7) einer Folie (9 oder 10) oder Matte (8) mit einer sinusförmigen Wechselspannung beaufschlagt werden, deren Frequenz zwischen 20 und 30 Hz liegt.

7. Vorwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (11) einer Gruppe (12, 13) eine Kammform haben und beide Elektrodengruppen (12 und 13) mit den in Richtung der Kammzähne angeordneten Elektroden (11) einander abwechselnd sowie äquidi­ stant ineinandergreifend angeordnet sind.