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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Induktionsofens
gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und auf einen Induktionsofen
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 4.
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Bei
solchen Induktionsöfen,
die für
die Metallschmelze eingesetzt werden, besteht die Induktionsspule
aus einem Hohlprofil aus Kupfer, welches zwecks Kühlung von
Wasser durchflossen ist, um der hohen thermischen Belastung der
Induktionsspule zu entsprechen. Die Spulenspannung beträgt bei heutigen
Induktionsöfen
bis zu 3000 V, was einer Windungsspannung von etwa 125 V entspricht.
Die Frequenz der Speisespannung variiert je nach Einsatzzweck und
Ofengröße, sie
beträgt
für Anwendungen zum
Erschmelzen von Eisengußerwerkstoffen
bei Ofengrößen im Bereich
von 10 t etwa 200 Hz. So wird bei den Hochleistungsöfen eine
Leistungsdichte von 1 MW/t installiert, demgemäß wird bei einem 10 t-Ofen
eine Leistung von 10 MW vorgesehen.
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Für den sicheren
und störungsfreien
Betrieb eines solchen Induktionsofens muß die elektrische Isolation
der Induktionsspule entsprechend ausgelegt werden. Zum einen müssen die
Spulenwindungen gegeneinander und zum anderen muß die Spule gegenüber dem
Erdpotential, welches bei den bekannten Ausführungen am Ofengestell und
den Jochen anliegt, ausreichend isoliert sein. Hierbei treten Probleme
aufgrund des elektromagnetischen Wirkprinzips der Induktionsöfen mit
den oben geschilderten Parametern auf, denn es kommt zu extremen
Belastungen der elektrischen Isolation zwischen Spule und den Rückschlußjochen
durch Vibrationen. Diese Isolation besteht aus der Spulenisolation,
mittels der die Spulenwindungen gegeneinander isoliert sind, und
aus einem mehrschichtigen Isolationsaufbau zwischen der Induktionsspule
und jedem Joch.
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Auch
führen
die betriebsmäßigen thermischen
Belastungen sowie die mechanischen Belastungen infolge thermischer
Dehnung des Tiegelmaterials zum einen und durch Ausbrechen bzw.
Zustellen des Tiegels zum anderen zu weiteren Beanspruchungen der
Spulen-Joch-Isolation.
Weiter begünstigt
anwesende Feuchtigkeit eine schnellere Alterung der Spulen-Joch-Isolation,
die vor allem bei Neuzustellungen des Ofens in die Isolation eindringt.
Letztlich kommt es zu einem elektrischen Durchschlag der Spulen-Joch-Isolation,
hierdurch entsteht ein Erdschluß der
Spule, der von der standardmäßig vorhandenen
Erdschlußüberwachung
bei den bekannten Induktionsöfen
erkannt wird.
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Die
Erdschlußüberwachung
gibt jedoch nicht zu erkennen, über
welchen Pfad und an welcher Stelle die Induktionsspule geerdet ist.
Zum einen kann der Erdschluß über die
Schmelze, welche die Spule erreicht, initiiert werden. Zum anderen
kann der Erdschluß über die
verschlissenen Isolationslagen zu einem der geerdeten Joche hin
vorliegen. Es stellt einen erheblichen Aufwand dar, bei solchen
Induktionsöfen
den Weg und die Stelle des Erdschlusses ausfindig zu machen. Daneben
steht noch der durch den Produktionsausfall des Induktionsofens
bedingte Verlust. Selbst wenn der Erdschluß als Schluß der Spule über die
defekte Spulen-Joch-Isolation
zu den Jochen hin identifiziert ist, ist nicht klar, über welches der
Joche die Induktionsspule geerdet ist. Ein gängiger Induktionsofen mit einem
10 t-Tiegel weist etwa 10 bis 12 Joche auf, die nach und nach von
der Induktionsspule abgerückt
werden müssen,
bis man zu dem Joch gelangt, nach dessen Distanzierung von der Spule
der Erdschluß unterbrochen
und damit die Stelle des Erdschlusses ermittelt ist. Das Lösen der Verschraubungen
der gegen die Induktionsspule verspannten Joche ist allein schon
eine zeitaufwendige Angelegenheit.
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Das
Dokument
US 4,525,665 beschreibt
einen Induktionsofen mit einer Erdschlußanzeige, der ebenfalls ein äußeres Ofengestell
mit in Spulenumfangsrichtung voneinander beabstandeten Jochen aufweist.
Zum einen wird die Spannung der Spule, nämlich die Spannung zwischen
den beiden Spulenenden, und zum anderen die Spannung zwischen einem
Spulenende und dem Erdpotential gemessen. Das Verhältnis der
beiden gemessenen Spannungen bietet eine ungefähre Angabe der Position des
Erdschlusses, wobei bei Auswertung mittels eines Computers noch
Korrekturfaktoren für
das Verhältnis
der beiden gemessenen Spannungen berücksichtigt werden können. Auf
diese Weise kann ermittelt werden, bei welcher Windungszahl der
Spule der Erdschluß aufgetreten
ist. So erhält
man zwar eine Information darüber,
in welcher Höhenposition
der Spule der Erdschluß zu
suchen ist, nicht jedoch darüber,
wo in Umfangsrichtung der Spule der Erdschluß vorliegt.
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Aus
dem Dokument
DE 1 199
930 A geht eine Vorrichtung zur Signalisierung entstehender Schmelztiegeldurchbrüche hervor,
die eine Vielzahl von Elektroden aufweist, die in die Wandung des
Tiegels eingebettet sind. Die Elektroden sind voneinander durch
eine Schicht getrennt, die aus einem mit steigender Temperatur zunehmend
elektrisch leitenden Isoliermaterial besteht. Zwischen den einander benachbarten,
entlang einer Zylindermantelfläche nach
Art eines Korrdinatennetzes angeordneten Elektroden wird eine Spannung
angelegt, deren Veränderung
in Meldegeräten
angezeigt wird. Eine solche Spannungsveränderung tritt an denjenigen
Stellen ein, an denen infolge einer höherwerdenden Temperatur die
Leitfähigkeit
des Isoliermaterials zunimmt. So kann über das Koordinatennetz ein
drohender Schmelzendurchbruch lokalisiert werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungssystem für einen
Induktionsofen der eingangs genannten Art zu schaffen, um in der Umfangsrichtung
des Ofens einen Fehler in der Spulen-Joch-Isolation an dem betreffenden
Joch einfach und schnell orten zu können.
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Diese
Aufgabe wird mit den Verfahrensmerkmalen des Patentanspruchs 1 und
mit den gegenständlichen
Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
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Für die Erfindung
ist wesentlich, daß man sich
hinsichtlich der Fehlererfassung an den einzelnen, voneinander beabstandeten
Jochen des Induktionsofens orientiert. Die Fehlerermittlung kann
auf zweierlei Weise vorgenommen werden.
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Zum
einen läßt man die
Jochkonstruktion bestehen, hierbei blei ben die Joche geerdet. Dies
bringt den Vorteil mit sich, daß die
meistens zugänglich
angeordneten, nicht berührungsgeschützten Joche
ein gefährliches
elektrisches Potential nicht führen
können.
So sind konstruktive Änderungen
am Induktionsofen nicht erforderlich. In die Spulen-Joch-Isolation,
nämlich
in den Isolationsaufbau benachbart jedem der Joche wird ein Indikator
in Gestalt einer Drahtelektrode eingelegt, die als kammförmige Elektrode
oder als mäanderförmige Elektrode
ausgeführt sein
kann. Bei mehrschichtigem Aufbau des Isolationsaufbaus zwischen
der Spulenisolation und jedem Joch kann die Drahtelektrode zwischen
zwei Schichten, wie zwischen zwei Lagen einer Glimmerisolation,
positioniert werden. Die Drahtstärke
des Indikators ist so gering, daß das elektromagnetische Feld den
Sensordraht nicht aufheizen kann. Durch die flächenmäßige Anordnung des Indikator-Drahtes wird der
gesamte Bereich eines Joches überwacht,
auch können
Teilbereiche eines Joches überwacht
werden, indem mehrere solcher Indikatoren räumlich voneinander getrennt
vorgesehen werden.
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Die
Detektierung eines Isolationsdefektes zwischen der Induktionsspule
und jedem einzelnen Joch erfolgt durch Messung des Isolationswiderstandes,
also des elektrischen Widerstandes zwischen der Spule und dem Indikator
und/oder dem Indikator und dem Joch. Da diese Messungen an jedem
einzelnen Joch vorgenommen werden, kann ein Defekt der Spulen-Joch-Isolation
lokalisiert werden und zwar kann er auf das betreffende Joch oder
auf einen Teilbereich dieses Joches eingegrenzt werden. Aufgrund
der exponierten Anordnung des Indikators ist nicht nur eine frühzeitige
Fehlererkennung sondern auch die rechtzeitige Wahrnehmung eines
sich anbahnenden Fehlers möglich.
So kann die Induktionsspule mit dem Indikator bereits in Kontakt
stehen, bevor es zum Erd schluß infolge
vollkommener Zerstörung
der Spulen-Joch-Isolation kommt. Anstelle der Widerstandsmessung
zur Erkennung des Isolationsdefektes kann eine Spannungsmessung
zwischen dem Indikator und der Spule oder dem geerdeten Joch erfolgen,
es kann auch ein Stromfluß von
der Spule zum Indikator und/oder ein Stromfluß zwischen dem Indikator und
dem Joch erfaßt
und ausgewertet werden. Die Meßmethodik
erlaubt des weiteren durch Vergleich der einzelnen Werte und durch Auswertung
der Höhe
der absoluten Meßwerte
eine Aussage darüber,
ob ein Erdschluß durch
Feuchtigkeit oder ein satter Erdschluß vorliegt. Durch Variation
der Frequenz der Meßspannung
gelingt es sicher, einen Feuchtigkeitsschluß von einem metallischen Kurzschluß zu unterscheiden.
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Zum
anderen kann gemäß der Erfindung
vorgesehen werden, die übliche
Erdung der Joche aufzuheben. Dies geschieht beispielsweise durch
den Einbau einer Jochisolation zwischen jedem Joch und dem Ofengestell
vornehmlich im Bereich der Spannvorrichtungen. Die Erdung jedes
einzelnen Joches erfolgt in diesem Fall über eine einzelne Erdungsleitung
zu dem geerdeten Ofengestell hin. Ein etwaiger Stromfluß, also
ein Ableitstrom, durch diese Erdungsleitung hindurch wird für jedes
Joch einzeln überwacht.
Besonders bietet sich hierzu eine Meßmethode über Shunts oder den Einsatz
von Stromzangen an. Wird durch die standardmäßig vorhandene Erdschlußüberwachung
ein Erdschluß angezeigt, kann
nun durch Auswertung des Ableitstromes an jedem einzelnen Joch zur
Erde hin die Schadstelle eingegrenzt werden, die im Bereich des
betreffenden Joches liegt. Diese Auswertung der Ableitströme wird aufgezeichnet,
und durch Vergleich der einzelnen Ableitströme der Joche und durch die
Auswertung der Höhe
des Ableitstromes kann des weiteren identifiziert werden, ob es
sich um Ableitströme
infolge von Feuchtigkeit, wie sie bei der Neu zustellung nicht zu
vermeiden sind, oder infolge eines massiven Erdschlusses handelt.
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Die
Erfindung ermöglicht
es, infolge der Lokalisierung des Durchschlags der Spulen-Joch-Isolation
Reparaturen gezielt durchführen
zu können, nämlich an
der eingegrenzten Schadstelle. Hierdurch ergeben sich Einsparungen
nicht nur aufgrund eines verringerten Reparaturaufwandes, sondern
auch durch eine geringere Reparaturzeit, was den Produktionsausfall
verkürzt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen
noch näher
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Induktionsofen-Anlage mit einem im Vertikalschnitt dargestellten
Induktionsofen,
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2 in
vergrößerter Darstellung
einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt des Randbereichs des
Induktionsofens nach 1 in vergrößerter Wiedergabe,
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3 einen
Vertikalschnitt durch den äußeren Randbereich
des Induktionsofens einschließlich einem
Teil des Ofengestells in erster Ausführung,
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4 eine
stark vergrößerte Einzelheit
des Grenzbereichs zwischen einer der Windungen der Induktionsspule
und einem der Joche des Induktionsofens in der 3 entsprechenden
Ausführung,
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5 eine
schematische Draufsicht auf den Induktionsofen in der den 3 und 4 entsprechenden
Ausführung,
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6 eine
Ansicht eines der Indikatoren, die gemäß 4 in die
Spulen-Joch-Isolation eingesetzt sind,
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7 eine
Ansicht eines solchen Indikators in zweiter Ausführung,
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8 einen
Vertikalschnitt durch den äußeren Randbereich
des Induktionsofens gemäß 1 in
zweiter Ausführung
und
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9 eine
schematische Draufsicht auf den Induktionsofen in der Ausführung gemäß 8.
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Der
Induktionsofen gemäß 1 weist
zur Aufnahme einer Metallschmelze 1 einen Tiegel 2 auf, der
aus einem feuerfesten Material besteht. Außenseitig umgibt den Tiegel 2 ein
sogenannter Spulenschutz 3, an dem außenseitig koaxial zum Tiegel 2 eine
Induktionsspule 4 angeordnet ist.
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Einzelheiten
der Induktionsspule 4 zeigt 2, in welcher
man in voller Querschnitts-Darstellung eine der Spulenwindungen 4.1 erkennt.
Die Spulenwindungen 4.1 bestehen aus einem Kupferhohlprofil,
so daß im
Innern jeder Spulenwindung 4.1 ein Kühlkanal 4.2 gebildet
ist, durch den Kühlwasser
hindurchgeschickt wird.
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Aus 1 geht
weiter hervor, daß außenseitig
an der Induktionsspule 4 Joche 5 angeordnet sind, die
achsparallel zur Induktionsspule 4 ausgerichtet sind und
die – wie
die 5 und 9 zeigen – in Umfangsrichtung um die
Induktionsspule 4 herum nahezu gleichmäßig verteilt sind. Die einzelnen
Joche 5 haben Abstände
voneinander und sind so gebogen, daß sie sich in Umfangsrichtung
an die Induktionsspule 4 anschmiegen.
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Die
Joche 5 sind gegen die Induktionsspule 4 verspannt,
dies zeigen vor allem die 3 und 8.
Dazu dienen Spannvorrichtungen 6 mit Spannschrauben 6.1,
die nach außen
hin am äußeren stählernen
Ofengestell 6.2 abgestützt
sind. Die Spannschrauben 6.1 beaufschlagen das zugehörige Joch 5 in
radialer Richtung der Induktionsspule 4. Bei der Ausführung des
Induktionsofens gemäß 3 besteht über die
Spannschrauben 6.1 eine metallische Verbindung zwischen
jedem Joch 5 und dem Ofengestell 6.2, welches
in der üblichen
Weise geerdet ist.
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Letztlich
entnimmt man 1 noch die elektrische Versorgungseinrichtung 7 zum
Betrieb der Induktionsspule 4, an der des weiteren ein
Erdschlußwächter 8 angeschlossen
ist, der im Falle eines Erdschlusses der Spule 4 anspricht.
Unabhängig
von diesem Erdschlußwächter 8 ist
der Induktionsofen gemäß der Erfindung
mit einem Überwachungssystem
ausgestattet, welches nachstehend näher erörtert wird.
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2 und 4 in
weiter vergrößerter Darstellung
veranschaulichen den Aufbau der elektrischen Isolierung zwischen
der Induktionsspule 4 und jedem der Joche 5. Dazu
ist eine Spulen-Joch-Isolation 9 vorgesehen,
welche eine Spulenisolation 9.1, mittels der die Spulenwindungen 4.1 gegeneinander isoliert
sind, einschließt.
Zwischen der Induktionsspule 4 und jedem geerdeten Joch 5 liegt
im Betriebsfall eine Spannung in der Größenordnung von 3.000 Volt.
Darauf ist ein Isolationsaufbau 9.2 ausgelegt, der aus
mehreren Schichten, insbesondere aus Glimmerlagen besteht.
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Mit
zunehmendem Verschleiß verringert
sich der elektrische Widerstand der gesamten Spulen-Joch-Isolation,
der, wie es 4 und 5 zeigen,
mittels einer Sensoreinrichtung 10 überwacht wird, um die Widerstandsänderung
zu erfassen. Zwischen zwei der Schichten des Isolationsaufbaus 9.2 ist
zumindest ein Indikator 11 eingebracht, der aus einem elektrischen
Leiter besteht. 6 zeigt einen solchen Indikator
in der Gestalt eines mäanderförmigen Leiters 11.1 und 7 in
Form eines kammförmigen
Leiters 11.2. Die mäanderförmige Leiter 11.1 als
Indikator erlaubt eine Eigendiagnose im Hinblick auf eine Unterbrechung.
Wegen der vorhandenen beiden Enden, an die angeschlossen werden
kann, ist eine elektrische Durchgangsprüfung möglich.
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Wie 4 weiter
veranschaulicht, wird zwischen jedem Indikator 11 und dem
Joch 5 einerseits sowie einer der Spulenwindungen 4.1 andererseits eine
Spannung, ein Strom oder ein Widerstand gemessen, dafür sind entsprechende
Anzeigegeräte 10.1 vorgesehen.
Die Indikatoren 11 und die Anzeigegeräte 10.1 sind Teil
je einer Sensoreinrichtung 10, und je eine dieser Sensoreinrichtungen 10 ist
jedem der Joche 5 zugeordnet, wie 5 zeigt.
Bahnt sich ein Erdschluß der
Induktionsspule 4 an oder liegt ein solcher Erdschluß bereits
vor, wird dies durch die betreffende Sensoreinrichtung 10 signalisiert,
und man erlangt damit den sofortigen Hinweis, im Bereich welchen
Joches 5 ein Durchschlag der Spulen-Joch-Isolation 9 droht
und kann an der betreffenden Stelle die notwendigen Gegenmaßnahmen
ergreifen.
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Die
Lokalisierung einer Schadstelle kann man dadurch noch weiter eingrenzen,
daß man
im Bereich eines der Joche 5 zwei oder mehrere der Indikatoren 11 vorsieht
und die Sensoreinrichtung 10 so ausgestattet ist, daß jeder
der Indikatoren 11 erfaßt ist.
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8 und 9 zeigen
eine Anordnung, mit der in anderer Weise der gleiche Zweck erfüllt wird. Hierbei
sind die Joche 5 gegenüber
dem Erdpotential führenden
Ofengestell 6.2 derart elektrisch isoliert, daß ein Erdschluß nicht über die
Spannschrauben 6.1 der Spannvorrichtung 6 erfolgen
kann. Deshalb ist zwischen jedem der Joche 5 und dem Ofengestell 6.2 eine
elektrische Isolation 12 in Gestalt druck- und hitzefester
Isolierstücke
vorgesehen, die zwischen den Spannschrauben 6.1 und dem
zugehörigen
Joch 5 angeordnet sind. Jedes Joch 5 ist mit dem
Ofengestell 6.2 mittels einer eigenen Erdleitung 13 verbunden,
und jede dieser Erdleitungen 13 ist in diesem Fall Teil
der Sensoreinrichtung 10, mittels der ein Erdschluß an dem
jeweiligen Joch 5 erfaßt
werden kann. Dazu weist die Sensorvorrichtung 10 einen
Strommesser A auf, der entweder in die Erdleitung 13 jedes Jochs 5 eingefügt oder
zumindest daran anschließbar
ist. Dies hängt
davon ab, ob man entweder entsprechend 9 an jeder
der Erdleitungen 13 permanent eine Sensorvorrichtung 10 vorsieht
oder im Falle eines vom Erdschlußwächter 8 (1)
angezeigten Erdschlusses nacheinander die einzelnen Erdleitungen 13 auf
einen darüber
fließenden
Ableitstrom nacheinander überprüft. Hierfür eignen
sich Stromzangen, und je nach Art der Ausbildung der Sensoreinrichtung 10 kann
es erforderlich sein, in jede der Erdleitungen 13 einen
Shunt einzufügen.