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Sehmelzofenanlage Grössere Schmelzofenanlagen zum Schmelzen von Metallen, insbesondere Eisen, mit mehreren Schmelz- ofeneinheiten 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 Energia -oder :flüssigen Brennstoffen ist unerwünscht, weil -dadurch die Schmelzofenanlage unwirtschaftlich arbeitet.
Nach einem älteren Vorschlag kann dem Gie- ssereibetrieb 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.
Dieses Verfahren hat sich für den Giessereibetrieb sehr bewährt. Von der Seite der Energioerzeugung 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 Einschmelzvor- gang abgekürzt wird und.damit eine möglichst grosse Menge an .Schmelze aus..dem Ofenpro Schicht herausgebracht wird.
Je -nach Art des -zu schmelzenden Werkstoffes erfordert-das < Überhitzen -zwischen 10 .und -3G0/9 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 1250 .C, während je nach Art des Werkstoffes und der .Formgebung des zu -erzeugenden .Guss- stückes das Vergiessen -bei Temperaturen -von .14.00 bis 15.20 -C erfolgen muss.
-Für das Erreichen der Schmelztemperatur von 1.250 C sind bei,einer Ver- giesstemperatur von 1520 C .etwa 80% der ins- gesamt -erforderlichen Wärmemenge aufzubringen,
da das üherhitzen .beispielsweise von 1250 auf 1520 C etwa .20% .der insgesamt aufzubringenden Wärmemenge erfordert. Wird nun während seiner Schmelz- -und, Überhitzungsphase -der Ofen mit glei- cher.Leistung he-aufschlagt, so ergibt sich, dass .etwa 80% 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.Gesamtzhargenzeit Über- hitzungszeit sein.
Wird nun aber während des :über- hitzens mit -der vollen, während des Schmelzens an dem -Ofen liegenden Leistung gearbeitet, so ergeben sich die nun aufgeführten Nachteile:
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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.
z. Beim Einsatz elektrischer Induktionsöfen aller Art, gleichgültig, ob es sich um Netzfrequenztiegel- öfen, Mittelfrequenztiegelöfen-, Netzfrequenz-Rinnen- öfen 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, d'ass 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 Abriebspartikel in die Schmelze und verunreinigen diese.
Endlich ergibt sich durch die ausserordentlich starke Badbewegung in der über- hitzungsphase 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 Guss- stückes führt.
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 überhitzungs- phase 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 Energieerzeugungs- anlage zu installieren, als es in bezug auf die zu erhaltende Menge an Schmelze erforderlich war.
Die vorliegende Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, diese Nachteile bekannter Schmelzofenan- lagen und bekannter Verfahren zum Schmelzen metallischer Werkstoffe zu vermeiden. Sie stellt eine Schmelzofenanlage für metallische Werkstoffe dar, bei der mehrere, z. B. drei, jedoch gegebenenfalls auch mehr Schmelzöfen gleicher Grösse und elektrischer Auslegung verwendet werden, bei welchen an die Schmelzphase eine Überhitzungsphase anschliesst.
Der Gegenstand der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines möglichst gleichbleibenden Energieverbrauches bei vorgegebener Ausbringung an giessfähiger Schmelze zwei Energieversorgungsquellen vorgesehen sind, von denen die eine leistungsstärkere Energiequelle kontinuierlich jeweils die Schmelzenergie und von denen die andere, leistungsschwächere Energiequelle jeweils die zum Überhitzen notwendige Energie zu liefern bestimmt ist.
Die Ofenanlage gemäss der Erfindung hat gegen- über 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 geringerer Leistung so ausgelegt werden, dass für das Überhitzen alle vorher beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Insbesondere kann die Leistung so gewählt 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.
Anhand der Figuren der Zeichnung werden im folgenden Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung erläutert: Werden in der Schmelzofena.nlage 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 gleich gewählt werden.
Fig. 1 zeigt das Betriebsdiagramm dieser Anlage. Hier ist die Leistung N der jeweiligen Energieerzeu- gungsanlage 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 N2, mit der die beiden Energiequellen, zum Schmelzen und zum Überhitzen, belastet sind. Das Vergiessen V erfolgt diskontinuierlich.
Fig.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 Überhitzungsleistung N2 belastet das Netz in stets gleichbleibenden rechteckigen Kurvenzügen gleicher Höhe, wobei als leistungslose Zeit zwischen den Kurvenzügen lediglich die Char- gierzeit auftritt. Da nun die Schmelzleistung ein Mehrfaches der Überhitzungsleistung ist, wirken sich in der Gesamtleistungsentnahme die leistungslosen Chargierzeiten in der Überhitzungsleistung
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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.
Bei der Verwendung von vier Öfen wird so verfahren, dass die Zeiten für das Schmelzen, Überhitzen, Vergiessen und Chargieren eines jeden Ofens unter sich gleich gewählt werden.
Die Anlage gemäss der Erfindung ist auch für eine grössere Anzahl zu einer Ofenanlage gehörenden Öfen verwendbar.
Bei einer Anlage mit fünf Schmelzöfen gemäss Fig. 3 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. Hierbei bleiben die Energiequellen für die Schmelz- und die überhitzungslei- stung 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 Giessereibetriebes nach kontinuierlichem Vergiessen. Als Merkmal des Taktablaufes des Verfahrens bezeichnet, ergibt sich. - 1 Takt Chargieren 4 Takte Schmelzen 2 Takte überhitzen 1 Takt Haltezeit 2 Takte Vergiessen. Während der Haltezeit kann aus einer besonderen Stromquelle Warmhalteleistung entnommen werden, die im Vergleich zur Schmelz- oder Über- hitzungsleistung gering ist. Schmelz-, überhitzungs- und Warmhalteleistung verhalten sich beispielsweise etwa wie 20: 10: 1.
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.
In der Fig. 4 ist das Betriebsdiagramm der Anlage gemäss der Erfindung mit sechs Öfen gezeigt. Bei Verwendung von sechs Öfen soll die Schmelz zeit nach dem Betriebsdiagramm der Fig.4 gleich der Summe 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.
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 Anlage gemäss der Erfindung ist bei allen Ausführungsformen von elektrischen Schmelzofenanlagen anwendbar. Sie kann für elektrisch beheizte Widerstandsöfen, für Lichtbogenöfen oder, vorzugsweise, für Induktionsöfen verwendet werden.
Bei ihrer Anwendung für Induktionsöfen, gleich- gültig, 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 (cos 9p). Die Grösse der zur Kompensation des Leistungsfaktors erforderlichen Kondensatorenbatterie wächst bei gegebenem cos 99 praktisch linear mit der dem Ofen zugeführten Wirkleistung.
Wird nun ein Ofen mit einer Kon- densatorenbatterie versehen, die für die hohe Schmelz- leistung ausgelegt ist, so wird in bekannten Schmelzofenanlagen bei Herabregelung der Schmelzleistung die Kondensatorenbatterie schlecht ausgenutzt.
Bei der beschriebenen Anlage wird jedoch die Kond'ensa- torenbatterie der Stromerzeugungsanlage zugeordnet. Der einzelne Ofen wird jeweils in der Schmelzphase auf die zur Erzeugung der Schmelzenergie vorge-; sehene 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 der dieser geringeren Leistung entspre- chenden Kondensatorenbatterie. Um die unterschied- liche Leistungsaufnahme der Öfen in der Schmelzund 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 Kon- densatorenbatterien 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 250/G der Leistungsaufnahme für das Überhitzen, bezogen auf die Leistungsaufnahme für das Schmelzen. In manchen Fällen ist diese über- hitzungsleistung noch zu hoch.
In solchen Fällen wird dann die Überhitzungsenergiequelle mit einer Spannung von 220 V ausgelegt, wobei sich sodann eine Leistungsaufnahme von 80% beim überhitzen, bezogen auf die Schmelzleistung ergibt. Selbstver-
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ständlich sind auch alle Zwischenspannungen ausführbar.
Gemäss einem weiteren Beispiel kann für das Überhitzen bei einer Netzfrequenz-Ind\uktionsofen- anlage 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 überhitzungs- leistung abgegeben wird. Bei Mittelfrequenz-Induk- tionsofenanlagen 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 parallel geschalteten Gruppen von Generatoren bestehen.
Bei Verwendung eines Sammelschienensystems wird so vorgegangen, wie es die Fig. 5 für den Betrieb von fünf Öfen in einer Schmelzofenanlage zeigt.
Diese Figur zeigt ganz schematisch die Schaltung der Anlage. Es ist dabei auf die Kennzeichnung erforderlichenfalls noch einzuschaltender Regelund Messglieder verzichtet. Auf der Seite der Encr- gieerzeugang ist ParalIlelschaltung mehrerer Einheiten möglich.
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 Wairm- halten ist ein Frequenzvervielfacher 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 nur über die Umschalter 11, 21, 31, 41 und 51 auf die Sammelschienen 2, 4 und 6 geschaltet werden.
Das gleiche gilt für den Reserveofen 60 mit dem Umschalter 61, der im Störungsfall oder bei Ausfall oder Reparatur eines Schmelzofens diesen ersetzen kann.
Sind nun die fünf Öfen gemäss dem Diagramm der Fig.3 in Betrieb, so ergibt sich die in Fi: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 Schmelzsammelschiene 2 verbunden. Ofen 30 vergiesst; der Schalter 31 befindet sich in der Nullstellung 33. Ofen 40 ist nach Überhitzung ver- giessbereit 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 Überhitzen der Schmelze.
Bei Wechsel der Arbeitsphase für die Öfen werden die den Öfen zugeordneten Umschalter 11, 21, 31, 41 und 51 entsprechend der Taktvorschrift umgeschaltet.
Die Fig.6 zeigt eine Schmelzofenanlage gemäss dem Betriebsdiagramm der Fig. 3 mit fünf Schmelz- öfen 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 Fig.5. Auch hier sind der Einfachheit halber mögliche oder zweckmässige Parallelschaltungen der Stromerzeuger nicht gezeichnet.
Von der Sammelschiene 2, auf die der/die zur Erzeugung der Schmelzleistung bestimmte(n) Generatoren) 1 arbeitet/arbeiten, werden über Regeltransformatoren 1' und 1" die Sammelschienen 2' und 2" .eingespeist. Die Kompensation der Blindströme erfolgt an diesen Schienen bei 7' und 7". Jeder dieser Schienen 2' und 2" ist je ein Kontakt 12', 22', 32', 42', 52' und 12", 22", 32", 42", 52" an den Umschaltern 11, 21, 31, 41, 51 zugeordnet. Auch in der Fig. 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 2" 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.
Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, den gesamten turnusgemässen Zeitablauf der Schmelzofenanlage so vorzuverlegen, dass immer, auch bei befristeten Störungen im Gesamtbetrieb, ein vergiess- fertiger Ofen für das kontinuierliche Vergiessen zur Verfügung steht. Mittels der zweiten Warmhaltestromquelle wäre gegebenenfalls auch das Fritten eines neu ausgestampften Tiegels möglich, der anstelle des Reserveofens 60 angeschlossen werden könnte. Dieser Reserveofen 60 ist zusätzlich vorgesehen und kann über den Schalter 61 mit den
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Sammelschienen 2', 4 oder 6 verbunden werden, wenn einer der fünf Öfen ausfällt.
Im dargestellten Beispiel sind die Warmhalte- energiequellen als Frequenzverdreifacher dargestellt. Sie können jedoch auch gesonderte Generatoren sein oder auch Transformatoren, die direkt vom Netz oder von der Sammelschiene 2 eingespeist werden.