[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorwarneinrichtung für Durchbrüche von Metallschmelzen
an keramischen Ofenfuttern von Schmelzöfen, insbesondere von Induktionsschmelzöfen
mit am jeweiligen Ofenfutter, wie insbesondere an dessen Außenseite, anzuordnenden
Elektroden oder Elektrodennetzwerk, wobei die Elektroden in zwei Gruppen unterschiedlicher
Polarität unterteilt, in Abständen voneinander angeordnet und zur Ermittlung des elektrischen,
temperaturabhängigen Widerstandes des Ofenfutters zwischen den beiden Elektrodengruppen
mit einer Auswerteinheit verbindbar sind.
[0002] Bei Schmelzöfen der erwähnten Art unterliegen die keramischen Ofenfutter im Betrieb
sehr harten thermischen, chemischen und mechanischen Beanspruchungen. Es bilden sich
dadurch Auswaschungen und eventuell Risse, die bei einem Induktionsschmelzofen bis
zum Induktor vordringen können. Wird ein Durchdringen der flüssigen Metallschmelze
zum Induktor hin nicht rechtzeitig erkannt, kann es zu erheblichen Beschädigungen
des Induktionsschmelzofens und im Extremfall sogar zur explosionsartigen Entleerung
des Schmelzaggregates kommen.
[0003] Um solche Defekte bei Induktionsschmelzöfen frühzeitig erkennen zu können, sind Vorwarneinrichtungen
der gattungsgemäßen Art bekannt, die das Prinzip der Widerstandsmessung nutzen. Dies
beruht auf der Erkenntnis, daß der elektrische Widerstand zwischen zwei beliebigen
Kontaktpunkten des keramischen Ofenfutters beispielsweise an der Außenseite 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 Durchbruchstelle an, findet eine örtliche Temperaturerhöhung statt,
die man bei geeigneter Verteilung der Elektroden am Ofenfutter wie an seiner Außenwand
über die Widerstandsmessung feststellen kann. Das Problem liegt darin, das Elektrodennetzwerk
ausreichend engmaschig an der Außenseite des keramischen Ofenfutters anordnen zu können,
um eine sichere Frühwarnung des sich anbahnenden Schmelzendurchbruchs erzielen zu
können.
[0004] Bei einer bekannten, gattungsgemäßen Vorwarneinrichtung für einen Induktionsschmelzofen
ist das Elektrodennetzwerk in Nuten auf der Außenseite eines sogenannten Fertigtiegels
angeordnet, der in einen Induktionsofen als vorgefertigtes Teil eingesetzt und dort
mit einer keramischen Hinterstampfmasse umgeben wird, um den notwendigen Ringspalt
zur Induktorwandung hin auszufüllen. Hierbei liegt zwar das Elektrodennetzwerk in
ausreichendem Abstand vor der Induktorwandung, um eine sich anbahnende Durchbruchsstelle
rechtzeitig signalisieren 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.
[0005] Bei diesem Zustellungsverfahren bestehen erhebliche Schwierigkeiten, das Elektrodennetzwerk
zur Signalisation von Durchbruchstellen mit einem vertretbaren Aufwand 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 vertikaler Ausrichtung zwischen einer Wärmedämmschicht und dem Tiegelmaterial
entlang dem Umfang des Tiegels angeordnet wurden, vergleiche DE-27 18 016-A1. Auch
hier wird die Verringerung des elektrischen Widerstandes des zumindest teilweise ausgesinterten,
keramischen Tiegelmaterials zwischen den benachbarten Elektroden infolge Temperaturerhöhung
ausgewertet. Der Nachteil dieses bekannten Systems liegt in der Gefahr eines Kurzschlusses
der Induktorspannung sowie einer Beeinflussung der Meßspannung über die vertikalen
Elektroden bei feuchter Wärmedämmschicht, zum anderen ist die Installation und der
Anschluß der Elektroden aufwendig. Bezüglich der Anzeigesicherheit zeigt das bekannte
System ebenfalls Mängel, da die vordringende Metallschmelze relativ spät erkannt wird.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorwarneinrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, welche eine einfache Anbringung der Elektroden in der Außenseite
des Ofenfutters ermöglicht und eine hohe Anzeigesicherheit des gesamten Systems gewährleistet.
[0007] Diese Aufgabe wird bei einer Vorwarneinrichtung der gattungsgemäßen Art nach der
Erfindung dadurch gelöst, daß zumindest eine der Elektroden als Elektrodennetzwerk
einseitig auf einer keramischen Folie angeordnet ist. Diese keramische Folie wird
entweder mit der mit dem Elektrodennetzwerk versehenden Seite oder mit der diesem
abgewandten Seite am Ofenfutter angeordnet. Im ersteren Falle hat die Folie eine niedrigere
Wärmeleitfähigkeit sowie eine geringere elektrische Leitfähigkeit und im zweiten Fall
eine etwa gleiche oder höhere Wärmeleitfähigkeit sowie eine etwa gleiche oder höhere
elektrische Leitfähigkeit gegenüber dem keramischen Material des Ofenfutters. Grundsätzlich
spielt es hierbei keine Rolle, ob nur eine der Elektroden der beiden Elektrodengruppen
oder die Elektroden beider Gruppen durch das Elektrodennetzwerk gebildet werden. Entscheidend
kommt es auf die Anordnung des Elektrodennetzwerkes auf der keramischen Folie an.
[0008] Wesentlich für eine erfindungsgemäße Vorwarneinrichtung ist, 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 zusätzlich 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 steifen
Papier- oder Kartonbahn vergleichbar ist.
[0009] Nach der Erfindung wird nicht mehr im keramischen Tiegelmaterial 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 keramischen Ofenfutters der keramische Folienwerkstoff ein Verhalten hat, welches
dem des Ofenfutters ähnlich ist. Wird hingegen zum anderen das Elektrodennetzwerk
zwischen dem keramischen Folienmaterial und dem keramischen Ofenfutter angeordnet,
muß der Wärmewiderstand und der elektrische Widerstand des Folienwerkstoffes höher,
zweckmäßig sehr viel höher als der des Ofenfutters sein. Daraus ergibt sich, daß eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin liegt, das Elektrodennetzwerk
zwischen zwei solcher keramischen Folien anzuordnen, von denen die benachbart der
Außenseite des Ofenfutters anzuordnende Folie eine etwa gleiche oder höhere Wärmeleitfähigkeit
sowie einen niedrigeren spezifischen Widerstand und die auf der vom Ofenfutter abgewandten
Seite anzuordnende Folie eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit sowie einen höheren spezifischen
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 Induktorwandung und dem keramischen
Ofenfutter üblicherweise vorgesehen wird.
[0010] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
noch näher erläutert. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- einen schematischen Längsschnitt durch einen Induktionsschmelzofen,
- Fig. 2
- in vergrößerter Darstellung das Schnittbild der Ofenwandung gemäß dem Ausschnitt in
Fig. 1,
- Fig. 3
- die perspektivische Ansicht einer vorgefertigten, keramischen Matte als Element einer
Vorwarneinrichtung für Durchbrüche von Metallschmelzen bei einem Induktionsschmelzofen
nach den Figuren 1 und 2 und
- Fig. 4
- die Abwicklung einer Auskleidung eines Induktionsschmelzofens mit mehreren Matten
gemäß Fig. 3 einschließlich einer Darstellung der Verbindung mit der zugehörigen elektrischen
Auswerteinheit.
[0011] 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 erkennen läßt, schließt radial nach außen an das Ofenfutter 2 eine Zwischenlage
3 an, in die ein Elektrodennetzwerk 7 eingebettet ist, worauf nachstehend noch näher
eingegangen werden wird. Die Zwischenlage wird weiter nach außen hin von einer Spulenausgleichsmasse
4 umgeben, hinter der weiter radial nach außen hin eine Induktionsspule 5 und ein
Magnetleiter 6 in Gestalt eines Joches liegen.
[0012] Die Besonderheit eines solchen Induktionsschmelzofens liegt in der Ausbildung der
Zwischenlage 3 zwischen dem keramischen Ofenfutter 2 und der Spu lenausgleichsmasse
4, weil diese Zwischenlage 3 sowohl eine Dämmfunktion übernimmt als auch das erwähnte
Elektrodennetzwerk 7 aufweist, welches zu einem elektrischen Überwachungssystem zur
rechtzeitigen Signalisierung von Durchbrüchen von Metallschmelzen durch das keramische
Ofenfutter 2 hindurch gehört. Dieses Elektrodennetzwerk 7 erstreckt sich über den
gesamten Umfang entlang der Außenseite 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.
[0013] Entlang dem Umfang des Ofenfutters 2 setzt sich die Zwischenlage 3 aus einer Mehrzahl
von vorgefertigten, keramischen Matten 8 zusammen, die jeweils über die Höhe 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 jeweiligen 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 Biegefähigkeit 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 abgelängt werden können.
[0014] Das elektrische Überwachungssystem beruht auf dem Prinzip der Widerstandsmessung
des keramischen Ofenfutters 2 zwischen zwei Elektroden 11, die in einer Mehr- oder
Vielzahl in einer besonderen Konfiguration das Elektrodennetzwerk 7 bilden, welches
zwischen den beiden keramischen Folien 9 und 10 angeordnet ist. Es muß also von der
in Einbaulage außenseitig an dem Ofenfutter 2 anliegenden Matte 8 in das keramische
Material des Ofenfutters 2 hineingemessen werden. Deshalb hat die unmittelbar an dem
Ofenfutter 2 anliegende Folie 9 elektrische Leiteigenschaften und Wärmeleiteigenschaften,
die denjenigen des Ofenfutters 2 entsprechen oder wenigstens ähnlich sind. Die in
Einbaulage vom Ofenfutter 2 abliegende, äußere Folie 10 hat dagegen Dämmeigenschaften,
sie weist also eine sehr viel geringere elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit
als die innere Folie 9 auf. Die jeweils erforderlichen spezifischen Widerstände der
Folien 9 und 10 in Relation zu dem keramischen Material des Ofenfutters 2 können durch
geeignete Zuschläge eingestellt werden, die dem keramischen Werkstoff der Folien 9
und 10 beigegeben werden.
[0015] Die Elektroden 11 des Elektrodennetzwerkes 7 bestehen aus einem Material, das eine
hohe Temperaturwechselbeständigkeit, eine hohe Warmfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit
hat; hierfür kommen austenitische Elektrodendrähte in Betracht. Die Elektroden 11
sind einer ersten Gruppe 12 und einer zweiten Gruppe 13 zugeordnet, wobei die Elektroden
11, die einander benachbart liegen, zu den verschiedenen Gruppen 12 und 13 gehören
und relativ zueinander äquidistant angeordnet sind. Deshalb bilden die Elektroden
11 der beiden Gruppen 12 und 13 einander gegenständige kammartige Gebilde, die in
Richtung der Kammzähne ineinandergreifen, so daß jeweils eine Elektrode 11 der einen
Gruppe 12 Elektroden 11 der anderen Gruppe 13 benachbart ist. Dieses gesamte Elektrodennetzwerk
7 befindet sich zwischen den beiden Folien 9 und 10, die in geeigneter Weise miteinander
verbunden sind, wodurch zugleich das Elektrodennetzwerk 7 fixiert ist. Auf der Matte
8 sind an geeigneter Stelle Zuleitungen 14 und 15 herausgeführt, die mit je einer
der Elektrodengruppen 12 und 13 verbunden sind, die im Betrieb mit voneinander verschiedenen
Polaritäten beaufschlagt werden.
[0016] Wie Fig. 4 veranschaulicht, werden in Umfangsrichtung um das Ofenfutter 2 herum mehrere
der keramischen Matten 8, beispielsweise 5, angeordnet. In der Praxis werden die Matten
8 entlang der durch die keramische Ausstreichmasse 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 überwachende, von den Matten 8 also zu überdeckende Höhe des Ofenfutters
mit dem Pfeil A und der entsprechende Umfang mit dem Pfeil B gekennzeichnet. Damit
für jede der Matten 8 partiell eine Durchbruchüberwachung möglich ist, ist die jeweilige
eine Zuleitung einer hatte 8 mit einem separaten Eingang einer Auswerteinheit 16 elektrisch
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 anbahnender Schmelzendurchbruch zonen- oder segmentbezogen
von der Auswerteinheit 16 angezeigt werden kann. Damit ist eine Lokalisierung des
sich anbahnenden Fehlerfalles möglich. Anders als beim dargestellten Ausführungsbeispiel
können die Matten 8 auch in Höhenrichtung gegeneinander abgeteilt sein, wenn eine
Lokalisierung der sich anbahnenden Fehlerstelle in Höhenrichtung des Ofenfutters gewünscht
wird.
[0017] Über die Auswerteinheit 16 werden die beiden Gruppen 12, 13 des Elektrodennetzwerks
7 (Fig. 3) mit einer sinusförmigen Wechselspannung beaufschlagt, deren Frequenz zwischen
20 und 30 Hz liegt. Dieser Frequenzbereich hat sich mit Rücksicht auf die übliche
Netzfrequenz von 50 Hz und die Frequenzen, mit denen der Induktor eines Induktionsschmelzofens
betrieben wird, als diejenige erwiesen, bei der die geringsten Störungen infolge von
Oberwellen-, Streueffekten und Schaltüberspannungen auftreten. Das hängt zusätzlich
mit der Komplexität der elektrischen Widerstände zusammen, die zwischen den Elektroden
11 der beiden Gruppen 12 und 13 des Elektrodennetzwerks 7 liegen und die eine kapazitive
Komponente haben, welche mit durch die jeweilige Matte 8 bedingt ist, in die das betreffende
Elektrodennetzwerk 7 eingebettet ist. Durch eine Meßgleichspannung hervorgerufene
Fehlanzeigen, die durch Polarisationserscheinungen im Material des Ofenfutters bedingt
sind, werden durch die genannte Meßwechselspannung vermieden.
1. Vorwarneinrichtung für Durchbrüche von Metallschmelzen an keramischen Ofenfuttern
von Schmelzöfen, insbesondere von Induktionsschmelzöfen am jeweiligen Ofenfutter (2)anzuordnenden
Elektroden (11), die in zwei Gruppen (12, 13) unterschiedlicher Polarität unterteilt
sind, welche in Abständen voneinander angeordnet sind und die zur Ermittlung des elektrischen,
temperaturabhängigen Widerstandes des Ofenfutters (2) zwischen den beiden Elektrodengruppen
(12, 13) mit einer Auswerteinheit (16) verbindbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine der Elektroden als Elektrodennetzwerk (7) einseitig auf einer keramischen
Folie (9) oder (10) angeordnet ist, die entweder mit der mit dem Elektrodennetzwerk
(7) versehenen Seite oder mit der diesem abgewandten Seite am Ofenfutter (2) anzuordnen
ist, wobei die Folie (9) oder (10) im ersten Fall eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit
sowie eine geringere elektrische Leitfähigkeit und im zweiten Fall eine etwa gleiche
oder höhere Wärmeleitfähigkeit sowie eine etwa gleiche oder höhere elektrische Leitfähigkeit
gegenüber dem keramischen Material des Ofenfut ters (2) hat.
2. Vorwarneinrichtung für Durchbrüche von Metallschmelzen an keramischen Ofenfuttern
von Schmelzöfen, insbesondere von Induktionsschmelzöfen mit einem auf die Außenseite
des jeweiligen Ofenfutters anzuordnenden Netzwerk von Elektroden, die in zwei Gruppen
unterschiedlicher Polarität unterteilt sind, welche in Abständen voneinander angeordnet
sind undie zur Ermittlung des elektrischen, temperaturabhängigen Widerstandes des
Ofenfutters zwischen den beiden Elektrodengruppen mit einer Auswerteinheit verbindbar
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) versehenen 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 geringere elektrische Leitfähigkeit und im zweiten Fall eine etwa gleiche
oder höhere Wärmeleitfähigkeit sowie eine etwa gleiche oder höhere elektrische Leitfähigkeit
gegenüber dem keramischen Material des Ofenfutters hat.
3. Vorwarneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die keramische Folie (9) oder (10) bei Anordnung mit dem Elektrodennetzwerk (7)
benachbart der Außenseite des Ofenfutters (2) einen niedrigeren spezifischen 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.
4. Vorwarneinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Elektrodennetzwerk (7) zwischen zwei keramischen Folien (9 und 10) angeordnet
ist, von denen die benachbart der Außenseite des Ofenfutters (2) anzuordnende Folie
(9) eine etwa gleiche oder höhere Wärmeleitfähigkeit sowie einen niedrigeren spezifischen
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.
5. Vorwarneinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden keramischen Folien (9 und 10) mit dem dazwischen angeordneten Elektrodennetzwerk
(7) zu einer vorgefertigten, keramischen Matte (8) mit herausgeführten Anschlußleitungen
(14, 15) einbaufertig zusammengefügt sind.
6. Vorwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere keramische Folien (9 oder 10) oder keramische Matten (8) in Umfangs- und/oder
in Höhenrichtung des betreffenden Ofenfutters (2) vorgesehen werden, die je für sich
mit der Auswerteinheit (16) zwecks getrennter Überwachung verbindbar sind.
7. Vorwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Gruppen (12, 13) der Elektroden- bzw. der Elektrodennetzwerke (7) Wechselspannung
beaufschlagt werden.
8. Vorwarneinrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Gruppe (12, 13) der Elektrodennetzwerke (7) einer Folie (9 oder 10)
oder Matte (8) mit einer sinusförmigen Wechselspannung beaufschlagt werden, deren
Frequenz zwischen 20 und 30 Hz liegt.
9. Vorwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8,
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 äquidistant ineinandergreifend angeordnet sind.
10. Vorwarneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die eine der Elektroden durch das Elektrodennetzwerk (7) und die andere Elektrode
durch die Schmelze gebildet wird.