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Ofenanlage mit mehreren Elektro-Induktionssehmelzöfen Größere Schmelzofenanlagen
zum Schmelzen von Metallen, insbesondere Eisen, mit mehreren Schmelzofeneinheiten
werden im allgemeinen so betrieben, daß dem Gießereibetrieb eine bestimmte Menge
an gießfähiger Schmelze in einer bestimmten Zeiteinheit zur Verfügung steht. Zum
anderen wird von der Seite der Energieversorgung her gewünscht oder zwangläufig
gefordert, daß eine bestimmte Auslastung der Energiequelle oder ein bestimmter,
im allgemeinen möglichst gleichmäßiger Verbrauch des Energieträgers gesichert ist.
Ein stark schwankender oder stoßweiser Verbrauch von Brenngasen, elektrischer Energie
oder flüssigen Brennstoffen ist unerwünscht, weil dadurch die Schmelzofenanlage
unwirtschaftlich arbeitet.
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Nach einem älteren Vorschlag kann dem Gießereibetrieb in einem besonderen
Verfahren des Einsatzes der einzelnen Schmelzöfen fortlaufend eine bestimmte Menge
an gießfähiger Schmelze zur Verfügung gestellt werden. In diesem älteren Verfahren
wird vorgeschlagen, den Ofenbetrieb in drei Arbeitsphasen einzuteilen. Ein Ofen
soll sich jeweils in der Chargierphase, einer in der Gießphase und die restlichen
Öfen sollen sich, zeitlich gestaffelt, in der Schmelzphase befinden.
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Dieses Verfahren hat sich für den Gießereibetrieb sehr bewährt. Von
der Seite der Energieerzeugung her ergaben sich dann noch gewisse Ungleichheiten
in der Ausnutzung des Energieträgers und der dafür vorgesehenen Versorgungseinrichtungen,
wenn zum Einschmelzen besonders leistungsfähige Energieversorgungseinrichtungen
vorgesehen sind, beispielsweise dann, wenn ein schnelles Niederschmelzen verlangt
ist. Es ist im allgemeinen das Bestreben in den Gießereien, die Öfen mit einer so
hohen Leistung zu beaufschlagen, daß der Einschmelzvorgang abgekürzt wird und damit
eine möglicbst große Menge an Schmelze aus dem Ofen pro Schicht herausgebracht wird.
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Je nach Art des zu schmelzenden Werkstoffes erfordert das überhitzen
zwischen 10 und 30% der insgesamt aufzuwendenden Wärmemenge, die für das Einschmelzen
vom kalten Zustand bis zum Erreichen der gewünschten Gießtemperatur erforderlich
ist. Bei Gußeisen, schwarzem oder weißem Temperguß, liegt der Schmelzpunkt etwa
im Bereich von 12501 C,
während je nach Art des Werkstoffes und der
Formgebung des zu erzeugenden Gußstückes das Vergießen bei Temperaturen von 1400
bis 15201 C erfolgen muß. Für das Erreichen der Schmelztemperatur von
12501 C sind bei einer Vergießtemperatur von 1520' C etwa 8019/o der
insgesamt erforderlichen Wärmemenge aufzubringen, da das überhitzen beispielsweise
von 1250 auf 1520' C etwa 20% der insgesamt aufzubringenden Wärrnemenge erfordert.
Wird nun während seiner Schmelz- und überhitzungsphase der Ofen mit gleicher Leistung
beaufschlagt, so ergibt sich, daß etwa 8011/a der Gesamtchargenzeit für das Schmelzen
und etwa 201/o der Gesamtchargenzeit für das überhitzen gebraucht werden. Diese
prozentuale Aufteilung gilt hier für das angezogene Beispiel. Je nach Art des Werkstoffes
und der gewünschten Vergießtemperatur können sich diese Werte ändern. Ist die überhitzungstemperatur
geringer, so können beispielsweise nur 10% der Gesamtchargenzeit überhitzungszeit
sein. Wird nun aber während des überhitzens mit der vollen, während des Schmelzens
an dem Ofen liegenden Leistung gearbeitet, so ergeben sich die nun aufgeführten
Nachteile: 1. Die überhitzungszeit wird so kurz, daß es in den meisten Betrieben
nicht mehr möglich ist, eine einwandfreie Analysenbestimmung und in dieser kurzen
Zeit das gegebenenfalls erforderliche Korrigieren der Charge durchzuführen.
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2. Beim Einsatz elektrischer Induktionsöfen aller Art, gleichgültig,
ob es sich um Netzfrequenztiegelöfen, Mittelfrequenztiegelöfen, Netzfrequenzrinnenöfen
oder um solche Öfen handelt, die von Frequenzvervielfachern gespeist werden, ergibt
sich in der überhitzungsphase eine Badbewegung, die bei hoher überhitzungsleistung
besonders groß ist. Obwohl eine gewisse Badbewegung erwünscht ist, zeigt die Praxis,
daß
bei übergroßer Badbewegung die auf der Schmelze befindliche
Schlackenschicht aufgerissen wird und Bestandteile der Schlacke in die Schmelze
gezogen werden. Da außerdem durch die übergroße Badbewegung ein starker mechanischer
Abrieb am Tiegel durch die bewegte Schmelze eintritt, folgt eine Verringerung der
Tiegelhaltbarkeit. Außerdem gelangen die Abriebpartikel in die Schmelze und verunreinigen
diese. Endlich ergibt sich durch die außerordentlich starke Badbewegung in der überhitzungsphase
und durch das zusätzliche Aufreißen der Schlackenschicht eine besonders große Gasaufnahme
in die Schmelze, die bekanntlich insbesondere durch den Wasserstoffgehalt zu einer
Minderung der physikalischen Eigenschaften des erzeugten Gußstückes führt.
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Die genannten Nachteile konnten bei elektrischen Induktionsofenanlagen
bisher nur vermieden werden, indem während der überhitzungsphase die in der Schmelzphase
zugeführte hohe Leistung herabgesetzt wurde. Dadurch ergibt sich jedoch eine ungenügende
Ausnutzung der Energieerzeugungsanlage, da diese während der überhitzungsphase nur
teilbelastet ist und damit mit schlechtem Wirkungsgrad arbeitet. Da außerdem infolge
der Teilbelastung der Energieerzeugungsanlage während der Überhitzungsphase die
Menge an Schmelze bei der ganzen Anlage, bezogen auf die installierte Heizleistung,
verringert ist, ergab sich bisher die Forderung, eine wesentlich Größere
Leistung der Energieerzeugungsanlage zu installieren, als es in bezug auf die zu
erhaltende Menge an Schmelze erforderlich war.
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Die vorliegende Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, diese Nachteile
bekannter Schmelzofenanlagen und bekannter Verfahren zum Schmelzen metallischer
Werkstoffe zu vermeiden. Sie stellt eine Ofenanlage mit mehreren Elektro-Induktionsschmelzöfen
dar, die mittels Schalteinrichtungen im Wechsel auf Schmelzleistung, überhitzungsleistung
usw. bei weitgehend gleichmäßigem Gesamtenergieverbrauch an Strom quellen anzuschließen
sind, und die Erfindung besteht darin, daß zwei Stromquellen vorgesehen sind, von
denen die leistungsstärkere gleichmäßig die jeweilige gesamte Schmelzleistung und
die leistungsschwächere vorzugsweise ebenfalls gleichmäßig die jeweilige gesamte
überhitzungsleistung liefert.
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Die Ofenanlage gemäß der Erfindung hat gegenüber dem bekannten Stand
der Technik verschiedene Vorteile: Die Energiequelle für das Einschmelzen kann ohne
Berücksichtigung der für das überhitzen erforderlichen Leistung mit sehr hoher Leistung
ausgelegt werden. Hierdurch ist es möglich, die eigentliche Schmelzzeit auf ein
Minimum zu verkürzen. Die Energiequelle für das überhitzen kann dagegen mit Creringerer
Leistung so ausgelegt werden, daß für das überhitzen alle vorher beschriebenen Nachteile
vermieden werden. Insbesondere kann die Leistung so Crewählt werden, daß eine erhöhte
Badbewegung, ein Aufreißen der Schlackenschicht, eine unerwünschte Gasaufnahme der
Schmelze und ein ebenso unerwünschter Abrieb des Tiegels vermieden sind. Die Energiequelle
für das überhitzen wird dabei so bemessen, daß sie während der gesamten überhitzungsphase
praktisch ihre Nennleistung abgibt.
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Die Figuren erläutern den Gegenstand der Erfindung: Werden in der
Schmelzofenanlage beispielsweise drei Öfen verwendet, so ergeben sich optimale Verhältnisse,
wenn für jeden Ofen die Schmelzzeit, die überhitzungszeit und die Summe von Vergießzeit
und Chargierzeit zeitlich gleichgewählt werden.
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F i g. 1 zeigt das Betriebsdiagramm dieser Anlage. Hier ist
die Leistung N der jeweiligen Energieerzeugungsanlage über der Zeit t aufgetragen.
Während Ofen 1 einschmilzt, vergießt und chargiert Ofen 2, und Ofen
3 ist in der überhitzungsphase. Wenn Ofen 1 überhitzt, schmilzt Ofen
2, Ofen 3 vergießt und chargiert sofort anschließend wieder. Wenn Ofen
1 vergießt und chargiert, überhitzt Ofen 2 und Ofen 3 schmilzt. Unter dem
Betriebsdiagramm sind die Leistungsentnahmen N aus den speisenden Energiequellen
aufgetragen. Es ergibt sich eine völlig gleichmäßige Schmelzleistung Ni und eine
völlig gleichmäßige überhitzungsleistung N.., mit der die beiden Energiequellen,
zum Schmelzen und zum Überhitzen, belastet sind. Das Vergießen V erfolgt diskontinuierlich.
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F i g. 2 zeigt in gleicher Weise das Betriebsdiagramm und den
Verlauf der Kurve der Leistungsentnahme aus den speisenden Energiequellen. Die hohe
Schmelzleistung Ni wird dem Netz völlig gleichmäßig entnommen. Die Oberhitzungsleistung
N, belastet das Netz in stets gleichbleibenden rechteckigen Kurvenzügen gleicher
Höhe, wobei als leistungslose Zeit zwischen den Kurvenzügen lediglich die Chargierzeit
auftritt. Da nun die Schmelzleistung ein Mehrfaches der überhitzungsleistung ist,
wirken sich in der Gesamtleistungsentnahme die leistungslosen Chargierzeiten in
der überhitzungsleistung kaum aus. Auch in diesem Fall kann man noch von einer praktisch
gleichmäßigen Leistungsaufnahme der gesamten Schmelzofenanlage aus dem Netz sprechen.
Das Vergießen V erfolgt stetig.
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Bei der Verwendung von vier Öfen wird so verfahren, daß die Zeiten
für das Schmelzen, Oberhitzen, Vergießen und Chargieren eines jeden Ofens unter
sich gleich gewählt werden.
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Die Ofenanlage gemäß der Erfindung ist auch für eine größere Anzahl
zu einer Ofenanlage gehörenden Öfen durchführbar.
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Bei einer Anlage mit fünf Schmelzöfen ergibt sich ein besonders günstiges
Betriebsdiagramm, wenn zwischen die Überhitzungs- und die Vergießphase eine kurze
Pausenzeit eingeschaltet wird. Während dieser erfolgt ein Temperaturausgleich in
der Schmelze. Bei diesem Verfahren bleiben die Energiequellen für die Schmelz- und
die Oberhitzungsleistung über die gesamte Betriebszeit gleich belastet, ebenso ist
aber auch ein kontinuierliches Vergießen gewährleistet. Dieses ausgezeichnete Verfahren
genügt sowohl den Anforderungen der Energieversorgung auf konstante Belastung als
auch denen des Gießereibetri#ebes nach kontinuierlichem Vergießen. Als Merkmal des
Taktablaufes des Verfahrens bezeichnet, ergibt sich: 1 Takt Chargieren, 4
Takte Schmelzen, 2 Takte überhitzen. 1 Takt Haltezeit.
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2 Takte Vergießen.
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Während der Haltezeit kann aus einer besonderen Stromquelle Warmhalteleistung
entnommen werden, die im Vergleich zur Schmelz- oder Überhitzungsleistung
gering
ist. Schmelz-, überhitzungs- und Warmhalteleistung verhalten sich beispielsweise
etwa wie 20: 10: 1.
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Als besonders zweckmäßig erweist sich dabei die Staffelung der Schmelztakte
in der Weise, daß jeweils in zwei Schmelzöfen geschmolzen wird, von denen einer
in dem fortgeschrittenen, leistungsmäßig beruhigten Teil der Schmelzphase liegt,
der andere dagegen sich im ersten Teil der Schmelzphase befindet, in dem die Leistungsaufnahme
infolge der Stückigkeit des Einsatzes und anderer Einwirkungen unruhiger ist.
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In der F i g. 4 ist das Betriebsdiagramm bei Verwendung von
fünf Öfen gezeigt.
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Bei Verwendung von sechs Öfen soll die Schmelzzeit nach dem Betriebsdiagramm
der F i g. 4 gleich der Stimme von Vergieß- und Chargierzeit sein, wobei
wiederum zwei Öfen der Schmelzofenanlage mit der Schmelzleistung und zwei weitere
mit der überhitzungsleistung beaufschlagt sind. Das Vergießen ist um die Zeit des
Chargierens diskontinuierlich.
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Bei Einsatz weiterer Schmelzöfen in der Anlage ergeben sich entsprechende
überlegungen, soweit es sich nicht um ein einfaches Vervielfachen der Anzahl der
Öfen handelt, die sich in einer Phase befindet. Die Ofenanlage gemäß der Erfindung
ist bei allen Ausführungsformen von Schmelzofenanlagen anwendbar. Sie kann für elektrisch
beheizte Widerstandsöfen, für Lichtbogenöfen oder, vorzugsweise, für Induktionsöfen
verwendet werden.
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Bei der Anwendung für Induktionsöfen, gleichgültig ob es sich um Tiegelöfen
oder Rinnenöfen handelt und gleichgültig mit welcher Frequenz die Öfen betrieben
werden, ergeben sich nämlich ganz besondere Vorteile. Diese Öfen haben bekanntlich
einen schlechten Leistungsfaktor (cosT"). Die Größe der zur Kompensation des Leistungsfaktors
erforderlichen Kondensatorenbatterie wächst bei gegebenem cos(p praktisch linear
mit der dem Ofen zugeführten Wirkleistung. Wird nun ein Ofen mit einer Kondensatorenbatterie
versehen, die für die hohe Schmelzleistung ausgelegt ist, so wird in bekannten Schmelzofenanlagen
bei Herabregelung der Schmelzleistung die Kondensatorenbatterie schlecht ausgenutzt.
Bei der Ofenanlage gemäß der Erfindung jedoch wird die Kondensatorenbatterie der
Stromerzeugungsanlage zugeordn#et. Der einzelne Ofen wird jeweils in der Schmelzphase
auf die zur Erzeugung der Schmelzenergie vorgesehene Energiequelle, einschließlich
der für das Schmelzen erforderlichen Kondensatorenbatterie, geschaltet. Bei Umschaltung
auf Überhitzungsleistung in der überhitzungsphase erfolgt eine Umschaltung des Ofens
auf die Energiequelle anderer Spannung und/oder Frequenz und geringerer Leistung,
einschließlich derdiesergeringerenLeistung entsprechenden Kondensatorenbatterie.
Um die unterschiedliche Leistungsaufnahme der Öfen in der Schmelz- und überhitzungsphase
zu erreichen, wird bei Schmelz- und überhitzungsbetrieb mit unterschiedlichen Spannungen
und/oder Frequenzen gearbeitet. Diese unterschiedlichen Spannungen und/ oder Frequenzen
werden so gewählt, daß bei dem gegebenen Anpassungswiderstand der Öfen bei Schmelzbetrieb
die hohe Leistung und bei Überhitzungsbetrieb die geringere Leistung jeweils unter
Nennbelastung der Energiequellen und ihrer ihnen zugeordneten Kondensatorenbatterien
aufgenommen werden. Hierfür soll ein Beispiel gegeben werden: Soll eine Netzfrequenz-Ofenanlage
gemäß der Erfindung ausgelegt werden, so wird für die Schmelzleistung eine Energiequelle,
z. B. ein Transformator mit einer Spannung von 760 V, gewählt. Die Spannung
der Energiequelle für das Überhitzen wird beispielsweise mit 380 V vorgesehen.
Hierbei ergeben sich bei Nennbelastung 2511/o der Leistungsaufnahme für das überhitzen,
bezogen auf die Leistungsaufnahme für das Schmelzen.
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In manchen Fällen ist diese überhitzungsleistung noch zu hoch. In
solchen Fällen wird dann die überhitzungs-Energiequelle mit einer Spannung von 220
V ausgelegt, wobei sich sodann eine Leistungsaufnahme von 80 "/o, beim überhitzen,
bezogen auf die Schmelzleistung, ergibt. Selbstverständlich sind auch alle Zwischenspannungen
ausführbar.
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Gemäß einem weiteren Beispiel kann für das überhitzen bei einer Netzfrequenz-Induktionsofenanlage
als Energiequelle beispielsweise ein statischer Frequenzverdreifacher, der die dem
Ofen zugeführte Leistung mit dreifacher Netzfrequenz liefert, dienen. Auch in diesem
Falle wird gemäß dem Leistungsbedarf beim Überhitzen die Spannung der Energiequelle
so bemessen, daß bei dem bekannten Anpassungswiderstand des Ofens bei Nennbelastung
der Energiequelle gerade die erforderliche überhitzungsleistung abgegeben wird.
Bei Mittelfrequenz-Induktionsofenanlagen wird sinngemäß verfahren. Wenn beispielsweise
Einzelgeneratoren Verwendung finden, so wird Leistung oder Frequenz dieser Generatoren
so aufeinander abgestimmt, daß bei deren Nennbelastung die erforderliche Schmelzleistung
dem einen Generator und die erforderliche überhitzungsleistung dem anderen Generator
entnommen werden kann. Naturgemäß können die Energiequellen auch aus parallelgeschalteten
Gruppen von Generatoren bestehen.
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Bei Verwendung eines Saminelschienensystems wird so vorgegangen, wie
es die F i g. 5 für den Betrieb von fünf Öfen in einer Schmelzofenanlage
zeigt.
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Diese Figur zeigt ganz schematisch die Schaltung der Anlage. Es ist
dabei auf die Kennzeichnung erforderlichenfalls noch einzuschaltender Regel- und
Meßglieder verzichtet. Auf der Seite der Energieerzeugung ist Parallelschaltung
mehrerer Einheiten möglich.
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1 ist ein Generator, der die Schmelzleistung in die Sammelschiene
2 einspeist. Der Generator 3 erzeugt die zum überhitzen benötigte geringere
Leistung und speist damit die Sammelschiene 4. Zur Speisung der Sammelschiene
6 für das Warmhalten ist ein Frequenzvervielfach,er 5 vorgesehen.
Die Kondensatorenbatterie zur Kompensation der Blindleistung der an der Sammelschiene
jeweils vorgegebenen und damit bekannten Leistung erfolgt an der jeweiligen Schiene
bei 7, 8 und 9. Jeder der fünf Schmelzöfen 10, 20.
30, 40 und 50 kann nun über die Umschalter 11, 21.
31, 41 und 51 auf die Sammelschienen 2, 4 und e geschaltet werden.
Das Gleiche gilt für den Reserveofen60 mit dem Umschalter 61, der im Störungsfall
oder bei Ausfall oder Reparatur eines Schmelzofens diesen ersetzen kann.
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Sind nun die fünf Öfen gemäß dem Diagramm der F i g. 3 in Betrieb,
so ergibt sich die in F i g. 5 dargestellte Stellung der Umschalter
11, 21, 31, 41 und 51. Die Öfen 10 und 20 sind in der
Schmelzphase und damit über die Kontakte 12 und 22 mit der
Schmelzsammelschien,e
2 verbunden. Ofen 30 vergießt; der Schalter 31 befindet sich in der
Nullstellung 33. Ofen 40 ist nach überhitzung vergießbereit und kann erforderlichenfalls,
wie es im Beispiel angegeben ist, warmgehalten werden. Hierzu ist der Umschalter
41 auf den Kontakt 46 gelegt. Der Umschalter 51 des Ofens 50 legt
über den Kontakt 54 die Ofenspule an die Sammelschiene 4 zum Überbitzen der Schmelze.
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Bei Wechsel der Arbeitsphase für die Öfen werden die den Öfen zugeordneten
Umschalter 11, 21, 31,
41 und 51 entsprechend der Taktvorschrift
umgeschaltet.
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Die F i g. 6 zeigt eine Schmelzofenanlage gemäß dem Betriebsdiagramm
der F i g. 3 mit fünf Schmelzöfen und einem Reserveofen. Zur besseren Anpassung
des Widerstandes der Schmelzöfen sind hier insbesondere für die Schmelz- und auch
für die überhitzungsphase Regeltransformatoren vorgesehen. Die Bezugszeichen entsprechen
denen der F i g. 5.
Auch hier sind der Einfachheit halber mögliche
oder zweckmäßige Parallelschaltungen der Stromerzeuger nicht gezeichnet.
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Von der Sammelschiene 2, auf die der (die) zur Erzeugung der Schmelzleistung
bestimmte(n) Generator(en) 1 arbeitet (arbeiten), werden über Regeltransformatoren
l' und l" die Sammelschienen 2' und 2" eingespeist. Die Kompensation
der Blindströme erfolgt an diesen Schienen bei 7' und T'. Jeder dieser Schienen
2' und 2" ist je ein Kontakt 12', 22', 32', 42', 52' und 12",
22", 32"5 42", 52" an den Umschaltern 11, 21, 31, 41,
51 zugeordnet. Auch in der F i g. 6 sind die Stellungen der Umschalter
11,
21, 31, 41 und 51 so angegeben, daß die beiden Öfen
10 und 20 sich in Schmelzphase befinden, wobei der Ofen 10 mit der
Sammelschiene 2", der Ofen 20 mit der Schiene V' verbunden ist. Der Ofen
30 ist in der Vergießphase; hierbei wäre an sich betriebsmäßig der Schalter
31 auf der Nullstellung 33. Tritt nun eine Störung beim Vergießen
auf, ist eine zweite Warmhaltestromquelle 5" vorgesehen, so daß jeder Ofen
im Bedarfsfall warmgehalten werden kann. Hier in diesem Beispiel werden gerade die
beiden Öfen 30
und 40 warmgehalten. über den Schalter 73 ist die Sammelschiene
6 getrennt, so daß Ofen 30 über den Kontakt 36 am Umschalter
31 mit der Warmhaltestromquelle 5', Ofen 40 über Kontakt 46 am Umschalter
41 mit der Warmhaltestromquelle 5" verbunden ist. Die Kompensation der Blindströme
erfolgt jeweils bei 9' und 9". Durch diese Schaltung können zeitliche
Ungenauigkeiten des Arbeitstaktes, beispielsweise im Falle einer Störung, ausgeglichen
werden.
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Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, den gesamten tumusgemäßen Zeitablauf
der Schmelzofenanlage so vorzuverlegen, daß immer, auch bei befristeten Störungen
im Gesamtbetrieb, ein vergießfertiger Ofen für das kontinuierliche Vergießen zur
Verfügung steht. Mittels der zweiten Warmhaltestromquelle wäre gegebenenfalls auch
das Fritten eines neu ausgestampften Tiegels möglich, der an Stelle des Reserveofens
60 angeschlossen werden könnte. Dieser Reserveofen 60 ist zusätzlich
vorgesehen und kann über den Schalter 61 mit den Sammelschienen 2', 4 oder
6 verbunden werden, wenn einer der fünf Öfen ausfällt.
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Im dargestellten Beispiel sind die Warmhalteenergiequellen als Frequenzverdreifacher
dargestellt. Sie können jedoch auch gesonderte Generatoren sein oder auch Transformatoren,
die direkt vom Netz oder von der Sammelschiene 2 eingespeist werden.