EP0005838B1

EP0005838B1 - Induktionstiegelofen

Info

Publication number: EP0005838B1
Application number: EP79101680A
Authority: EP
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. Hegewaldt
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1978-06-05
Filing date: 1979-05-31
Publication date: 1981-07-22
Also published as: EP0005838A1; DE2824590A1; ATE120T1; JPS5528488A

Description

Die Erfindung betrifft einen Induktionstiegelofen mit einem Tiegel aus Feuerfestmaterial, einer am Tiegel außen angebrachten Induktorspule und einer spiralförmig gewickelten, in die Tiegelwand eingesetzten Elektrode zur Überwachung des Tiegels auf Risse durchdringende Schmelze.
Ein derartiger Induktionstiegelofen ist aus der FR-A-675 969 bekannt.
Bei Induktionstiegelöfen sind die Schmelze und die Induktorspule, die das die Schmelze erwärmende Wechselfeld erzeugt, nur durch einen verhältnismäßig dünnwandigen Tiegel aus oxidischem Feuerfestmaterial getrennt. Die Tiegelwandstärke wird so dünn wie möglich ausgeführt, da mit zunehmender Tiegelwanddikke die elektrische Blindleistung des Ofens wesentlich zunimmt, die dann durch größere Kondensatorbatterien kompensiert werden muß.
Bei solch dünnen Tiegelwänden besteht jedoch die Gefahr, daß durch Risse im Tiegel Schmelze bis zur Spule vordringt. So kann dann eine leitende Verbindung zwischen der Schmelze und der Induktorspule, an der Spannungen von mehreren tausend Volt liegen können, entstehen. Dadurch kann das Bedienungspersonal bei Manipulationen in der Schmelze z. B. bei einer Probenentnahme, bei Temperaturmessungen usw., erheblich gefährdet werden.
Zusätzlich kann die durch den Riß ausgetretene Schmelze den isolierenden Zwischenraum zwischen zwei Spulenwindungen überbrücken, wodurch ein Windungsschluß entsteht. Dabei fließen dann größere Ströme von der einen Windung zur anderen, es kommt zur Lichtbogenbildung, zu Anschmelzungen an den Leitern, zu einer örtlichen Zerstörung der Leiter und zum Ausfließen des in der Induktorspule fließenden Kühlwassers: Abgesehen von der Gefahr, daß sich dann flüssiges Metall und Wasser mischen, wird auch die Spule betriebsunfähig.
Man hat deshalb versucht, Einrichtungen zu schaffen, die einerseits eine Gefährdung des Betriebspersonals verhindern und andererseits beim Vordringen von Schmelze rechtzeitig ein Warnsignal geben, bevor größere Schäden an der Induktorspule entstehen.
Eine bekannte Maßnahme besteht darin, daß im Boden des feuerfesten Tiegels Elektroden eingesetzt sind, die eine elektrisch leitende Verbindung von der Schmelze zur Erde herstellen. Die Energieversorgung der Induktorspule ist durch einen Transformator potentialfrei ausgeführt. Mit Hilfe einer Meßeinrichtung, die im wesentlichen eine Gleichstromquelle, ein Gleichstrommeßgerät und eine Drossel, welche als Sperre für die Wechselspannung des Energieversorgungskreises der Induktorspule wirkt, enthält, wird der Isolationswiderstand der Spule gegen Erde und damit gleichzeitig gegenüber der Schmelze überwacht. Falls nun durch einen Riß im Tiegel Schmelze bis zur Spule vordringt, wird der elektrische Widerstand zwischen Schmelze und Spule stark verringert, was im Strommeßgerät erkannt wird und eine Alarmmeldung sowie evtl. auch eine automatische Abschaltung der Anlage zur Vermeidung der oben erwähnten Gefahren auslöst.
Nachteilig bei diesem bekannten System ist die Tatsache, daß die Schmelze bis zur Spule vorgedrungen sein muß, bevor eine Anzeige erfolgt. Eine an und für sich möglich erscheinende Messung der Verringerung des elektrischen Widerstandes zwischen der Spule und der sich ihr in einem Riß nähernden Schmelze ist praktisch nicht durchführbar, weil dieser elektrische Widerstand noch groß ist gegenüber dem durch die Wasserkühlung der Spule bedingten Ableitwiderstand zwischen Spule und Erde. Dazu kommt, daß unter manchen Bedingungen auch die Verbindung von der Schmelze zur Erde, die ja Voraussetzung für diese Art der Überwachung ist, unsicher werden kann.
Es ist auch schon eine Überwachungseinrichtung bekannt, die ein Austreten von Schmelze anzeigt, bevor eine elektrisch leitende Verbindung zur Spule hergestellt ist. Hierzu werden in die Tiegelwand Schirmelektroden eingesetzt, die die ganze Höhe der Induktorspule überdekken und aus elektrisch leitendem Material bestehen. Diese Elektroden sind in axialer Richtung geschlitzt, um Kurzschlußströme zu vermeiden, die durch das von der Induktorspule erzeugte elektromagnetische Feld induziert werden würden. Überwacht man nun in der zuvor beschriebenen Weise den elektrischen Widerstand zwischen Schmelze und dieser Schirmelektrode, so ergibt sich bereits eine Anzeige, wenn die Schmelze erst bis zu dieser Elektrode vorgedrungen ist. So verbleibt mehr Zeit, um Gegenmaßnahmen ergreifen zu können oder um einen Schmelzvorgang noch beenden zu können, bevor der Ofen abgeschaltet werden muß. Wegen der Temperaturverhältnisse in der Tiegelwand müssen diese Elektroden nahe bei der kalten Induktorspule eingebaut werden. Bei Spulen, die so gebaut sind, daß aus der Auskleidung herrührender Wasserdampf durch die Spule hindurch austreten kann, müßte eine Isolation zwischen dieser Elektrode und der Spule ebenfalls wasserdampfdurchlässig sein. In feuchtem Zustand könnte somit ihr Isolationswiderstand nicht hoch sein. Da die Elektrode von ihrer Aufgabenstellung her die ganze Höhe der Spule überdeckt, ist dann die Gefahr groß, daß sie die Spannung zwischen Anfang und Ende der Induktorspule, die mehrere tausend Volt betragen kann, kurzschließt.
Aus der FR-PS 675 969 ist ein Induktionstiegelofen bekannt, in dessen Tiegelwand eine bifilare, spiralförmige Wicklung aus Widerstandsdraht eingewickelt ist. Durch die bifilare Anordnung soll ein induktionsfreier Aufbau erreicht werden. Sobald die vordringende Schmelze die Isolation zwischen den beiden Drähten zerstört oder einen der beiden Drähte unterbricht, wird dies als Widerstandsänderung in einer als Widerstandsbrücke ausgebildeten Auswerteschaltung erkannt und angezeigt. Auch bei dieser Ausführung besteht die Gefahr des elektrischen Kurzschlusses aufgrund der hohen Spannungen zwischen Überwachungselektrode und Induktionsspule.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode zur Überwachung eines Induktionstiegelofens anzugeben, die die gesamte Höhe der Induktorspule überdeckt, jedoch gegenüber der Induktorspule an keiner Stelle eine Potentialdifferenz annimmt, welche mehr als etwa 20% der Spulenspannung beträgt, so daß die Gefahr eines Kurschlusses verringert oder ganz beseitigt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Elektrode mit der gleichen Steigung wie die Windungen der Induktorspule ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Elektrode stellt ein genaues Abbild der Induktorspule dar, wobei lediglich ihr Durchmesser geringfügig vom Durchmesser der Spule abweicht. Aufgrund dieser Ausbildung ist die Elektrode mit praktisch den gleichen magnetischen Wechselfeldern verkettet wie die Induktorspule selbst. In ihr wird somit an jeder Stelle praktisch die gleiche Spannung induziert wie in der Spule. Da im Raum zwischen Spule und Schmelze die magnetische Feldstärke im wesentlichen konstant ist, ist das Verhältnis der Spannung, die in der erfindungsgemäß ausgebildeten Elektrode induziert wird, zu der Spannung in der Induktorspule abhängig vom Abstand der Elektrode zur Induktorspule und zur Schmelze und kann deshalb durch eine geeignete Lage wunschgemäß gesteuert werden.
Vorzugsweise wird die Elektrode möglichst nahe an der Induktorspule angeordnet. Je näher die Elektrode an der Induktorspule liegt, desto kleiner werden die Spannung zwischen Elektrode und Spule sowie die thermische Belastung der Elektrode und desto weniger wird die Isolation zwischen Elektrode und Spule belastet. Der Abstand zwischen Elektrode und Spule wird praktisch nur noch davon bestimmt, wie frühzeitig ein Riß in der Tiegelwand erkannt werden soll.
Vorteilhafterweise sind die Windungen der Elektrode in gleicher Höhe mit den Windungen der Induktorspule angeordnet (15 in Bild 2). Dadurch ergibt sich ein optimaler Schutz gegen eine unbemerkte metallische Verbindung zwischen Schmelze und Induktorspule, durch die das Schmelzbad ein gefährlich hohes Spannungspotential annehmen könnte.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Windungen der Elektrode in Höhe der Isolationszwischenräume zwischen zwei benachbarten Windungen der Induktorspule angeordnet (16 in Bild 2). Dies ergibt einen optimalen Schutz gegen Windungsschlüsse durch austretende Schmelze.
Die Elektrode kann aus einem oder auch aus zwei mit Abstand nebeneinander liegenden Einzeldrähten bestehen. Falls zwei nebeneinander liegende Einzeldrähte verwendet werden, sind diese an ihrem von der elektronischen Überwachungsvorrichtung abgewandten Ende nicht miteinander verbunden; sie bilden somit keine Stromschleife. In diesem Fall kann das Auftreten eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den beiden Einzeldrähten zur Signalisierung des Durchtretens von Schmelze benutzt werden, so daß eine elektrisch leitende Verbindung zur Schmelze, z. B. über eine Bodenelektrode, nicht nötig ist.
Soll eine möglichst frühzeitige Erkennung einer Rißbildung im Tiegel erreicht werden, so muß die Elektrode in einem gewissen Abstand von der Spule angeordnet werden. Da die Temperatur mit dem Abstand von der Spule schnell ansteigt zu Werten, die über etwa 250°C liegen, wird die Elektrode vorzugsweise mit anorganischem Isolationsmaterial umgeben, das seinerseits von einem geschlossenen rohrförmigen Metallmantel umgeben ist. Derartige Elektroden können bei entsprechender Materialauswahl bis zu Temperaturen von etwa 1000°C eingesetzt werden.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Induktionstiegelofen mit einer Einrichtung zur Überwachung des Durchdringens von Schmelze durch einen Riß gemäß dem Stand der Technik. Der Tiegel 1 ist aus einer inneren Schicht 1.1, einer äußeren Schicht 1.3 und einer dazwischenliegenden dünnen Wärmeisolierschicht 1.2 aus Asbest aufgebaut. Im Boden des Tiegels 1 ist eine Elektrode 4 eingesetzt, die eine elektrisch leitende Verbindung von der Schmelze 3 zur Erde herstellt. Außen um den Tiegel 1 ist eine Induktorspule 2 herumgelegt. An den beiden Enden der Induktorspule 2 wird die Versorgungsspannung angelegt, die von einem regelbaren Drehstromtransformator 8 geliefert wird. Der Blindleistungsbedarf des Ofens wird von einer Kondensatorbatterie 5 kompensiert. Die LC-Kombination 6, 7 dient zur Symmetrierung der Einphasenlast der Spule gegenüber dem dreiphasigen Netz.
Zur Überwachung des elektrischen Widerstandes zwischen dem Schmelzbad 3 und der Induktorspule 2 dient eine Überwachungsvorrichtung 10, bestehend aus einer Sperrdrossel 11, einer Gleichspannungsquelle 12 und einem Gleichstromanzeigegerät 13. Sobald durch einen Riß 9 in der Tiegelwand Schmelze 3 auf die Induktorspule 2 trifft, verringert sich der elektrische Widerstand, wodurch das Gleichstrommeßgerät 13 einen merkbaren Ausschlag anzeigt.
Infolge der Tatsache, daß die Induktorspule 2 ständig durch in ihrem Inneren fließendes Wasser gekühlt werden muß, besteht ein ständiger Strompfad von der Induktorspule 2 zur Erde, der durch einen Widerstand 14 dargestellt ist. Aus diesem Grund fließt über die Widerstandsmeßeinrichtung 10 ständig ein geringer Strom. Widerstandsänderungen, die nicht wesentlichgroßer sind als der ständig vorhandene Widerstand 14, können deshalb von der Widerstandsüberwachungseinrichtung 10 nicht sicher erkannt werden.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Tiegelwand, wobei erfindungsgemäße Elektroden vorgesehen sind. Man erkennt wiederum die innere Tiegelschicht 1.1, die Wärmeisolierschicht 1.2 sowie die äußere Tiegelschicht 1.3, die hier, wie üblich, als eine die Spuleninnenseite bedeckende keramische Ausstreichschicht ausgebildet ist. An der Außenseite des Tiegels befindet sich die Induktorspule 2, deren Leiter einen inneren Hohlraum 2.1 besitzen, durch den Kühlwasser fließt. An einer geeigneten Stelle der Wand sind spiralförmig gewickelte Elektroden 15 bzw. 16 angeordnet. Dabei kann wahlweise nur die Elektrode 15 oder die Elektrode 16 oder auch beide eingesetzt werden. Die Steigung dieser Elektroden 15, 16 entspricht der Steigung der Induktorspule 2. Die eine Elektrode 16 liegt genau in der Mitte zwischen zwei benachbarten Windungen der Induktorspule 2; sie eignet sich deshalb besonders zur frühzeitigen Signalisierung von durch einen Riß 9 vordringende Schmelze, die bei ihrem weiteren Vordringen zu einem Windungsschluß führen könnte. Die Windungen der Elektrode 15 liegen genau in Höhe der Windungen der Induktorspule 2; sie eignet sich deshalb besonders zur frühzeitigen Warnung vor einer Verbindung zwischen Schmelzbad und Spule, die bei nicht voll funktionsfähiger Bodenelektrode zu einer gefährlichen Spannung zwischen Schmelze und Erde führen kann.
In Fig.2 ist der Abstand zwischen der Schmelze und der Elektrode mit d_E, der Abstand zwischen der Schmelze und der Induktorspule mit d_s bezeichnet. Da die Feldstärke zwischen Spule und Schmelze im wesentlichen konstant ist, ist das Verhältnis der in der Elektrode 15, 16 induzierten Spannung Uε zu der in der Spule 2 induzierten Spannung Us gleich
Beträgt beispielsweise der Abstand zwischen der Elektrode und der Spule nur 10% der Tiegelwandstärke, so ist die Spannung an der Elektrode auch nur etwa 10% kleiner als die Spannung der Spule. Liegt an der Spule beispielsweise eine Spannung 3000 V, so ergibt sich dann zwischen Spule und Elektrode eine maximale Potentialdifferenz von 300 V. Es ist leicht einzusehen, daß damit die Gefahr eines elektrischen Überschlags zwischen Spule und Elektrode wesentlich geringer ist als bei den bekannten Elektroden, bei denen sich im vorliegenden Beispiel eine Potentialdifferenz von etwa 3000 V zwischen Spule und Elektrode einstellen würde.
Fig. zeigt einen Querschnitt durch eine hochtemperaturfeste Elektrode. Dabei ist die Elektrode mit zwei parallellaufenden Drähten 17 ausgebildet. Die beiden Drähte 17 sind von anoraanischem Isoliermaterial 18 umgeben das seinerseits wieder von einem geschlossenen rohrförmigen Metallmantel 19 umgeben ist. Derartige Elektroden können bei entsprechender Ausführung des Außenmantels bis zu Temperaturbereichen von etwa 1000° C eingesetzt werden, beispielsweise auch noch auf der dem Schmelzbad zugewandten Seite der Wärmeisolationsschicht. Da die Potentialdifferenzen zwischen Elektrode und Induktorspule klein bleiben, muß der durchgehende Metallmantel der Elektrode nicht gesondert gegen die Spule isoliert werden. Die Überwachung auf Widerstandsänderung kann bei dieser Ausgestaltung der Elektrode entweder zwischen Schmelze und Elektrode, oder zwischen den beiden Elektrodendrähten und Elektrodenmantel erfolgen.
Falls die erfindungsgemäße Elektrode von einem wasserdurchlässigen Isoliermantel umhüllt ist, kann sie auch dazu verwendet werden, die beim Anfahren eines neuen Tiegels freiwerdende Feuchtigkeit zu messen. Diese Feuchtigkeit tritt in Form von Wasserdampf zwischen den Spulenwindungen an die Oberfläche. An den wassergekühlten Spulenleitern kondensiert der Dampf zu Wasser. Dieses Wasser vermindert die elektrische Kriechfestigkeit der Spulenisolation, so daß es beim Anlegen der Spulennennspannung zu erheblichen Kriechströmen zwischen den Windungen kommen kann, zu Glimmerscheinungen und zu Überschlägen mit anschließendem Windungsschluß. Der Ofen muß deshalb so lange mit verminderter Spannung betrieben werden, bis die Feuchtigkeit weit genug abgebaut ist. In Ermangelung einer objektiven Meßmethode ist man bisher nur auf Erfahrungswerte angewiesen. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Spiralelektrode kann jedoch aus dem gemessenen Isolationswiderstand zwischen Elektrode und Spule oder zwischen zwei Elektroden auf den Wassergehalt der Tiegelwand geschlossen werden.

Claims

1. Induktionstiegelofen mit einem Tiegel (1) aus Feuerfestmaterial, einer am Tiegel (1) außen angebrachten Induktorspule (2) und einer spiralförmig gewickelten, in die Tiegelwand eingesetzten Elektrode (15, 16) zur Überwachung des Tiegels (1) auf Risse (9) durchdringende Schmelze (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (15, 16) mit der gleichen Steigung wie die Windungen der Induktorspule (2) ausgeführt ist.

2. Induktionstiegelofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (15, 16) möglichst nahe an der Induktorspule (2) angeordnet ist.

3. Induktionstiegelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Elektrode (15) in gleicher Höhe mit den Windungen der Induktionsspule (2) angeordnet sind.

4. Induktionstiegelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Elektrode (16) in Höhe der Isolationszwischenräume zwischen zwei benachbarten Windungen der Induktorspule (2) angeordnet sind.

5. Induktionstiegelofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (15, 16) aus zwei Einzeldrähten besteht, die mit einigem Abstand nebeneinander laufen.

6. Induktionstiegelofen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (15, 16) mit einem anorganischen Isoliermaterial (18) umhüllt und von einem Metallmantel (19) umgeben ist.