Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln der Tem.
peratur in einem Ofen, insbesondere einem Warmhalteofen für magnesiumbehandelte Gusseisen-Schmelzen, mit einer An- zahl in der Ofen wand verteilt angeordneter elektrischer Heiz elemente.
In Giessereibetrieben werden Temperaturregelungen beim Betrieb von Schmelz-, Warmhalte- und Wärmebehandlungsöfen angewandt.
Zum Regeln der Temperatur sind z. B. Fallbügelregler bekannt. Sobald die eingestellte Solltemperatur erreicht ist, unterbricht ein Schalter den elektrischen Betrieb der Ofenheizung: umgekehrt schaltet der Regler die Heizung wieder ein, sobald die Temperatur um einen geringen Betrag unter der Solltemperatur gefallen ist.
Solche Verfahren zum Regeln der Temperatur haben den Nachteil, dass der Strom nicht im Nulldurchgang vom Wechselstromnetz geschaltet werden kann. Ausserdem sind Fallbügelregler empfindlich gegen Erschütterungen und für hohe Schaltleistungen teuer. Im weiteren sind nur wenige Schaltungen pro Zeiteinheit möglich.
Ein anderes bekanntes Verfahren zum Regeln der Temperatur in Widerstandsöfen beruht auf der Spannungsänderung von Heizspiralen oder Heizstäben. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass zum Ändern der Spannung grosse und teuere Regeltransformatoren benötigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf wirtschaftliche Weise die Temperatur in einem Ofen bei möglichst gleichförmiger Temperatur Verteilung einstellbar ist, konstant gehalten und geregelt erhöht und gesenkt werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente mittels einer elektrischen Steuerung innerhalb aufeinanderfolgender Zeitintervalle jeweils zyklisch umgeschaltet werden, wobei in Abhängigkeit von einem Temperaturregelkreis diese zyklische Umschaltung derart erfolgt, dass, bei gleichbleibender Speisespannung, gleichzeitig jeweils nur ein Heizelement oder eine Gruppe von mehreren örtlich gleichmässig verteilten Heizele.
menten eingeschaltet wird.
Durch die jeweils kurze Einschaltdauer jedes Heizelementes wird deren Temperaturdifferenz minimal gehalten, was einer Erhöhung der Lebensdauer der Elemente entspricht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Temperatur-Regelsystem für einen Ofen mit schmelzflüssigem Metall,
Fig. 2 den Spannungsverlauf, wie er aufgrund des Temperatur-Soll-Ist-Vergleichs von einem Integrator im Regelkreis abgegeben wird,
Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch den in Fig. 1 gezeigten Ofen mit einer Heizstabanordnung für gleichmässige Temperatureinleitung,
Fig. 4 die Einschaltreihenfolge der Heizelemente in der ersten Heizstufe,
Fig. 5 die Einschaltreihenfolge der Heizelemente in der zweiten Heizstufe,
Fig. 6 die Einschaltreihenfolge der Heizelemente in der dritten Heizstufe.
Anhand der schematischen Darstellung nach Fig. 1 wird das erfindungsgemässe Verfahren zum Regeln der Temperatur in einem Warmhalteofen 1 mit schmelzflüssigem Metall 2 beschrieben.
Mit einem im Ofenraum über dem Schmelzspiegel angeordneten Thermoelement 3 wird die Temperatur der Schmelze 2 messtechnisch erfasst und mit dem in einem Gerät 4 eingestellten Endwert verglichen. Ist dieser Endwert kleiner, so gibt das Vergleichsgerät 4 ein Signal zum Abstellen der Heizung, ist er grösser, so wird ein programmierbarer, nicht näher dargestellter Sollwert-Generator 5 angesprochen. Mit mindestens einem Thermoelement 7 wird die Ist Temperatur von in der Ofenwand verteilt angeordneten Heiz elementen 8 gemessen und mit dem momentan eingestellten Sollwert in einem Komparator 6 verglichen. Wird der Sollwert nicht erreicht (-), so aktiviert der Sollwert-Generator 5 (+) einen Integrator 9, welcher anschliessend am Ausgang eine zeitlich zunehmende Spannung Y liefert. Beim Durchlaufen eines vorbestimmten festen Niveaus wird eine erste Heizstufe aktiviert.
Dies geschieht durch Anlaufen eines dem Integrator 8 angeschlossenen Zählers 10 am Eingang einer Logik 13, welche Zündimpulse für die Stellglieder 14 der Heizelemente 8 erzeugt. Die Stellglieder 14 enthalten vorzugsweise an sich bekannte Halbleiter-Bauelemente, wie beispielsweise Triacs und Thyristoren, die im Wechselstrom-Nulldurchgang geschaltet werden. Die Logik 13 schaltet abwechslungsweise nach einem vorbestimmten Zeitintervall in einer Ofenumfangsrichtung ein oder mehrere Heizelemente 8 ein, wie anhand der Fig. 4 bis 6 noch näher erläutert wird. Dadurch wird eine kontrollierte Aufheizung bei möglichst gleichmässiger Temperaturverteilung im Ofen erreicht. Die erste Heizstufe ist beispielsweise für eine Heizleistung von 10 kW ausgelegt.
Durch die Zufuhr von elektrischer Energie wird im Ofen 1 die Ist-Temperatur erhöht. Erreicht sie den Sollwert, so wird über den Komparator 6 der Heizvorgang gestoppt.
Der Integrator 9 gibt eine abnehmende Spannung ab, welche beim Durchlaufen des vorgenannten Schaltniveaus der ersten Heizstufe diese wieder ausschaltet und nach einer weiteren Zeit den Nullpunkt erreicht. Fällt die Ist-Temperatur im Ofen 1 unter einem vom Sollwert-Generator 5 bestimmten Grenzwert, so wird der Integrator 9 erneut aktiviert und der Heizprozess beginnt von neuem.
Kann mit der ersten Heizstufe die Soll-Temperatur nicht bzw. nicht rechtzeitig erreicht werden, so steigt die Ausgangs-Spannung des Integrators 9 weiter an, bis auf einem neuen vorbestimmten Spannungsniveau, anstelle der ersten Heizstufe die nächsthöhere gewählt wird. Dabei schaltet der Integrator 9 vom Zähler 10 auf den Zähler 11 um, welcher über die Logik 13 und die Stellglieder 14 abwechslungsweise nach einem vorbestimmten Zeitintervall, in einer Ofenumfangsrichtung jeweils gleichzeitig z. B. drei gleichmässig verteilte Heizelemente 8 speist.
Genügt auch die zweite Heizstufe zur Erreichung der SollTemperatur nicht, so wird auf einem höheren von der Integrator-Ausgangsspannung erreichten Spannungsniveau eine dritte Heizstufe eingeschaltet. Dies erfolgt mit der Umschaltung von Zähler 11 auf den Zähler 12, welcher wiederum über die Logik 13 und die Stellglieder 14 abwechslungsweise nach einem vorbestimmten Zeitintervall, in einer Ofenumfangsrichtung jeweils gleichzeitig z. B. sechs gleichmässig verteilte Heizelemente 8 speist.
Die in den einzelnen Heizstufen vorbestimmten Zeitintervalle können gleich oder unterschiedlich sein. Die zweite Heizstufe ist beispielsweise für eine Leistung von 30 kW und die dritte für 60 kW ausgelegt. Dementsprechend sind in der ersten Stufe jeweils nur ein Heizelement, in der zweiten Stufe deren drei und in der dritten Stufe deren sechs gleichzeitig eingeschaltet. Während dem Heizvorgang wird die Ist Temperatur der Schmelze mit einem im Gerät 4 eingestellten Endwert verglichen. Wird diese Temperatur erreicht, so sinkt die Temperatur der Heizelemente 8 solange, bis diese Endtemperatur im Ofen 2 konstant bleibt. Ein Sicherheitskreis 16 kontrolliert verschiedene Funktionen der Heizung, beispielsweise die Differenz zwischen Soll- und Isttemperatur und die Einschaltdauer der Heizelemente.
Die Heizung wird über ein Hauptschütz 15 abgestellt, sollte eine Bedin gung für normales Funktionieren nicht erfüllt sein. Ein Notausschalter 17 gestattet, die Heizung jederzeit willkürlich zu unterbrechen.
Fig. 2 zeigt den vom Integrator 9 abgegebenen linearen Spannungsverlauf, bestehend aus einem ansteigenden Teil 18 (Heizen) und einem abfallenden Teil 26 (Abkühlen) mit gleicher oder unterschiedlicher Steigung, nach denen die Heizstufen ein- und ausgeschaltet werden. In der Darstellung stellt die Abszisse t die Zeit und die Ordinate Y die vom Inte- grator 9 abgegebene Spannung dar. Nach dem Einschalten des Integrators 9 wird von diesem eine nach der Linie 18 zeitlich linear zunehmende Spannung abgegeben. Erreicht die Spannung das erste vorbestimmte Niveau 19, so wird die erste Heizstufe über den Zähler 10 aktiviert. Nach einem wei teren Spannungsanstieg wird beim Niveau 21 die zweite Heizstufe über den Zähler 11 und gegebenenfalls beim dritten Niveau 23 die dritte Heizstufe über den Zähler 12 eingeschaltet. Wird bei steigender Integratorspannung z.
B. im Zeitpunkt t3 schliesslich die gewünschte Soll-Temperatur 25 erreicht, so wird anschliessend entsprechend der Linie 26 die Integratorspannung linear verringert. Beim Durchlaufen der jeweiligen Niveaus 23, 21 und 19 werden die entsprechen den Heizstufen wieder ausgeschaltet. Durch die verzögerte Verminderung der Heizleistung nach Erreichen der Soll-Temperatur wird diese möglichst konstant gehalten. Der beschriebene Vorgang, bei welchem die höchste Heizleistung (dritte Stufe) wirksam wird, kommt vor allem bei schneller Aufheizung vor, und wenn die Temperatur des Ofen-Inhaltes stark abgesunken ist. Beim normalen Ofenbetrieb wird indessen die Soll-Temperatur in der Regel bereits zu einem früheren Zeitpunkt tl oder t2 erreicht und dementsprechend nur die erste oder zweite Heizstufe wirksam.
Die Integrator-Spannung sinkt dann nach Erreichen der Soll-Temperatur gemäss den Linien 26' bzw. 26" linear ab.
Fig. 3 zeigt einen Horizontalschnitt durch einen Ofen gemäss Fig. 1 mit beispielsweise dreissig gleichen in senkrechter Lage um Umfang einer zylindrisch ausgebildeten Stampfmasse 27 verteilt angeordneten Heizelementen 8, wobei die Stampfmasse 27 an der äusseren Mantelfläche von einer Isolationsschicht 29 umgeben ist. Im weiteren enthält der Ofen eine Ausgussöffnung 30. Die Heizelemente sind von el...e30 numeriert.
Fig. 4 zeigt grafisch, wie die dreissig Heizelemente el...e30 des in Fig. 3 dargestellten Ofens in der ersten Heizstufe mit dem Zähler 10, der Logik 13 und den Stellgliedern 14 abwechslungsweise und zyklisch in einer Ofenumfangsrich tung, eingeschaltet werden. Die in horizontaler Achse dargestellte Zeit t gibt an, während welchem gewählten Zeitintervall die einzelnen Heizelemente beheizt werden. Entsprechend der ersten Heizstufe ist jeweils nur ein Heizelement zur gleichen Zeit eingeschaltet.
Fig. 5 veranschaulicht, wie die Heizelemente des Ofens in der zweiten Heizstufe mit dem Zähler 11, der Logik 13 und den Stellgliedern 14 abwechslungsweise und zyklisch in einer Umfangsrichtung, eingeschaltet werden. Die grafische Darstellung in Funktion der Zeit gibt an, wie entsprechend der zweiten Heizstufe jeweils gleichzeitig drei am Umfang gleichmässig verteilte Heizelemente, also z. B. el, ell, e21, dann e2, e12, e22, usw. beheizt werden.
Fig. 6 zeigt analog den entsprechenden Schaltzyklus der dreissig Heizelemente des Ofens in der dritten Heizstufe mit dem Zähler 12, der Logik 13 und den Stellgliedern 14. Gemäss der Heizleistung der dritten Stufe sind jeweils gleichzeitig sechs gleichmässig am Umfang verteilte Heizelemente eingeschaltet, z. B. el, e6, zell, e16, e21, e26 anschliessend e2, e7, e12, e17, e22, e27 usw. Wiederum werden die Heizelemente in Umfangsrichtung des Ofens zyklisch weitergeschaltet.
Das beschriebene Verfahren zum Regeln der Temperatur in einem Ofen, insbesondere einem Warmhalteofen für magnesiumbehandelte Gusseisenschmelzen weist die folgenden Vorteile auf: - möglichst gleichmässige Temperaturverteilung im Ofen, - Möglichkeit einer kontrollierten Aufheizung und Abkühlung, - nur kleinste Schwankungen beim Konstanthalten der Ofentemperatur, - minimaler, möglichst konstanter Energiebedarf, - symmetrische Belastung des Netzes, - Verlängerung der Lebensdauer des empfindlichen keramischen Materials bei gleichmässig verteilt angeordneten Heizstäben, - Wegfall von teueren Zusatzgeräten mit hoher elektrischer Leistung, wie Regeltransformatoren, - im Mittel gleichmässige Belastung und damit längere Lebensdauer der Heizelemente, - bessere Steuerungs- und Überwachungsmöglichkeiten des Ofens, - minimale Reparatur- und Wartungskosten.
The invention relates to a method for regulating the Tem.
temperature in a furnace, in particular a holding furnace for magnesium-treated cast iron melts, with a number of electrical heating elements distributed in the furnace wall.
In foundries, temperature controls are used in the operation of melting, holding and heat treatment furnaces.
To regulate the temperature z. B. hanger regulator known. As soon as the set target temperature is reached, a switch interrupts the electrical operation of the furnace heating: conversely, the controller switches the heating on again as soon as the temperature has fallen a small amount below the target temperature.
Such methods for regulating the temperature have the disadvantage that the current cannot be switched from the alternating current network at the zero crossing. In addition, drop bow regulators are sensitive to vibrations and expensive for high switching capacities. In addition, only a few switchings per time unit are possible.
Another known method for regulating the temperature in resistance furnaces is based on the voltage change of heating coils or heating rods. This method has the disadvantage that large and expensive regulating transformers are required to change the voltage.
The invention is based on the object of creating a method with which the temperature in a furnace can be set in an economical manner with a temperature distribution that is as uniform as possible, kept constant and increased and decreased in a controlled manner.
The method according to the invention is characterized in that the heating elements are switched cyclically by means of an electrical control system within successive time intervals, with this cyclical switching taking place depending on a temperature control circuit in such a way that, with the supply voltage remaining the same, only one heating element or a group of several at a time locally evenly distributed heating elements.
is switched on.
Due to the short switch-on time of each heating element, the temperature difference is kept to a minimum, which corresponds to an increase in the service life of the elements.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Show it:
1 shows a temperature control system for a furnace with molten metal;
2 shows the voltage curve as it is output by an integrator in the control loop on the basis of the temperature-target-actual comparison,
3 shows a horizontal section through the furnace shown in FIG. 1 with a heating rod arrangement for uniform temperature introduction,
4 shows the switch-on sequence of the heating elements in the first heating stage,
5 shows the switch-on sequence of the heating elements in the second heating stage,
6 shows the switch-on sequence of the heating elements in the third heating stage.
The method according to the invention for regulating the temperature in a holding furnace 1 with molten metal 2 is described with the aid of the schematic representation according to FIG.
With a thermocouple 3 arranged in the furnace space above the melting level, the temperature of the melt 2 is measured and compared with the final value set in a device 4. If this end value is smaller, the comparison device 4 emits a signal to switch off the heating; if it is larger, a programmable setpoint generator 5, not shown in detail, is addressed. With at least one thermocouple 7, the actual temperature of heating elements 8 distributed in the furnace wall is measured and compared with the currently set setpoint in a comparator 6. If the target value is not reached (-), the target value generator 5 (+) activates an integrator 9, which then supplies a voltage Y increasing over time at the output. When a predetermined fixed level is passed through, a first heating stage is activated.
This is done by starting a counter 10 connected to the integrator 8 at the input of a logic 13 which generates ignition pulses for the actuators 14 of the heating elements 8. The actuators 14 preferably contain semiconductor components known per se, such as for example triacs and thyristors, which are switched at the alternating current zero crossing. The logic 13 switches on one or more heating elements 8 alternately after a predetermined time interval in a circumferential direction of the furnace, as will be explained in more detail with reference to FIGS. 4 to 6. In this way, controlled heating is achieved with as even a temperature distribution as possible in the furnace. The first heating stage is designed for a heating output of 10 kW, for example.
The actual temperature in the furnace 1 is increased by the supply of electrical energy. If it reaches the setpoint, the heating process is stopped via the comparator 6.
The integrator 9 emits a decreasing voltage which, when passing through the aforementioned switching level of the first heating stage, switches it off again and, after a further time, reaches the zero point. If the actual temperature in the furnace 1 falls below a limit value determined by the setpoint generator 5, the integrator 9 is activated again and the heating process begins again.
If the target temperature cannot be reached with the first heating stage or cannot be reached in time, the output voltage of the integrator 9 continues to rise until the next higher level is selected instead of the first heating stage at a new predetermined voltage level. The integrator 9 switches from the counter 10 to the counter 11, which via the logic 13 and the actuators 14 alternately after a predetermined time interval, in a circumferential direction of the furnace, for example. B. three evenly distributed heating elements 8 feeds.
If the second heating stage is also not sufficient to achieve the target temperature, a third heating stage is switched on at a higher voltage level reached by the integrator output voltage. This takes place with the switch from counter 11 to counter 12, which in turn via the logic 13 and the actuators 14 alternately after a predetermined time interval, in a circumferential direction of the furnace, for example. B. six evenly distributed heating elements 8 feeds.
The time intervals predetermined in the individual heating stages can be the same or different. The second heating level is designed, for example, for an output of 30 kW and the third for 60 kW. Accordingly, only one heating element is switched on in the first stage, three in the second stage and six in the third stage. During the heating process, the actual temperature of the melt is compared with a final value set in the device 4. If this temperature is reached, the temperature of the heating elements 8 drops until this final temperature in the furnace 2 remains constant. A safety circuit 16 controls various functions of the heating, for example the difference between the target and actual temperature and the switch-on duration of the heating elements.
The heating is switched off via a main contactor 15 if a condition for normal functioning is not met. An emergency stop switch 17 allows the heating to be arbitrarily interrupted at any time.
2 shows the linear voltage curve output by the integrator 9, consisting of a rising part 18 (heating) and a falling part 26 (cooling) with the same or different slope, according to which the heating stages are switched on and off. In the illustration, the abscissa t represents the time and the ordinate Y the voltage output by the integrator 9. After the integrator 9 has been switched on, it outputs a voltage that increases linearly over time along the line 18. If the voltage reaches the first predetermined level 19, the first heating stage is activated via the counter 10. After a white direct voltage increase, the second heating stage via the counter 11 and possibly at the third level 23, the third heating stage via the counter 12 is switched on at level 21. If the integrator voltage increases z.
If, for example, the desired setpoint temperature 25 is finally reached at time t3, the integrator voltage is then linearly reduced in accordance with line 26. When passing through the respective levels 23, 21 and 19, the corresponding heating levels are switched off again. The delayed reduction in heating output after the target temperature has been reached is kept as constant as possible. The process described, in which the highest heating output (third stage) becomes effective, occurs especially when the oven is heated up quickly and when the temperature of the oven contents has dropped significantly. In normal furnace operation, however, the setpoint temperature is usually reached at an earlier point in time t1 or t2 and, accordingly, only the first or second heating stage is effective.
The integrator voltage then falls linearly after reaching the target temperature according to the lines 26 'and 26 ".
3 shows a horizontal section through a furnace according to FIG. 1 with, for example, thirty identical heating elements 8 distributed in a vertical position around the circumference of a cylindrically shaped ramming mass 27, the ramming mass 27 being surrounded by an insulation layer 29 on the outer jacket surface. The furnace also includes a pouring opening 30. The heating elements are numbered from el ... e30.
Fig. 4 shows graphically how the thirty heating elements el ... e30 of the furnace shown in Fig. 3 in the first heating stage with the counter 10, the logic 13 and the actuators 14 alternately and cyclically in a furnace circumferential direction are switched on. The time t shown on the horizontal axis indicates during which selected time interval the individual heating elements are heated. Corresponding to the first heating stage, only one heating element is switched on at a time.
5 illustrates how the heating elements of the furnace are switched on in the second heating stage with the counter 11, the logic 13 and the actuators 14 alternately and cyclically in a circumferential direction. The graph as a function of time shows how, according to the second heating level, three heating elements evenly distributed around the circumference, i.e. z. B. el, ell, e21, then e2, e12, e22, etc. can be heated.
6 shows the corresponding switching cycle of the thirty heating elements of the oven in the third heating stage with the counter 12, the logic 13 and the actuators 14. According to the heating output of the third stage, six heating elements evenly distributed around the circumference are switched on at the same time, e.g. B. el, e6, zell, e16, e21, e26 then e2, e7, e12, e17, e22, e27 etc. Again, the heating elements are cyclically switched on in the circumferential direction of the furnace.
The method described for regulating the temperature in a furnace, in particular a holding furnace for magnesium-treated cast iron melts, has the following advantages: - the most uniform possible temperature distribution in the furnace, - possibility of controlled heating and cooling, - only the smallest fluctuations when keeping the furnace temperature constant, - minimal, The most constant energy requirement possible, - symmetrical load on the network, - extension of the service life of the sensitive ceramic material with evenly distributed heating rods, - elimination of expensive additional devices with high electrical power, such as regulating transformers, - on average uniform load and thus longer service life of the heating elements, - better control and monitoring options for the furnace, - minimal repair and maintenance costs.