DE3718270C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhitzen von Füllgut in einem Indu­ strieheizofen, bei dem die Temperatur T _R des Raummediums das das Füllgut in Industrieheizofen umgibt, während einer Anlaufphase auf eine Aufheiztemperatur T _A erwärmt wird, die über der für die Wärmebehandlung vorgesehenen Solltemperatur t _S liegt, während einer Haltezeit auf der Aufheiztemperatur gehalten wird sowie auf die Solltemperatur abgesenkt wird, kurz bevor das Füllgut die Solltemperatur erreicht und bei dem die Heizleistung des Industrieheizofens durch einen Temperaturregler gesteuert wird, der die Temperatur des Raummediums mißt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Es ergibt sich häufig die Notwendigkeit, Stoffe oder Gegenstän­ de in einem Industrieheizofen einer thermischen Nachbehandlung zu unterziehen. Dabei kommt es darauf an, dieses Füllgut nicht zu überhitzen. Andererseits soll die Dauer der thermischen Behandlung aus werkstoffimmanenten und wirtschaftlichen Gründen auf ein notwendiges Minimum begrenzt werden.

Aus diesem Grunde ist es üblich, daß das Füllgut umgebende Raummedium, z. B. Luft oder Gas, insbesondere Schutzgas, während einer Anlaufphase auf eine Aufheiztemperatur zu bringen, die höher liegt, als die Solltemperatur, die das Füllgut erreichen soll. Kurz bevor das Füllgut die Solltemperatur erreicht hat, wird die überhöhte Aufheiztemperatur auf die Solltemperatur gesenkt und eine vorbestimmte Zeit beibehalten, vgl. Industrial Heating März 1983 Vol 50(3), S. 34-36 "Determining Heat Cycles for Coiled Aluminium Strip" v. C.E. Peck.

Ein wesentliches Problem bildet bei diesen Verfahren die rechtzeitige Rücknahme der Aufheiztemperatur, damit eine Überhitzung des Füllgutes vermieden wird.

Bei bekannten Heizofenanordnungen werden die Temperaturen des zu beheizenden Füllgutes durch an diesen unmittelbar angebrach­ ten Temperaturfühlern ermittelt, die dann auf die Regelungsein­ richtung des Heizofens einwirken. Derartige Anordnungen sind aber sehr kostspielig und bieten erhebliche technische Schwie­ rigkeiten.

So muß die Anbringung der Temperaturfühler sehr sorgfältig geschehen, was in der Regel nur durch geschultes Personal durchgeführt werden kann. Dabei müssen ggf. auch unvermeidliche Schädigungen des Füllgutes in Kauf genommen werden.

Auch ist es kaum möglich, den Augenblick für die Rücknahme der Aufheiztemperatur rechnerisch zu bestimmen. Hierfür müßten die jeweiligen Werkstoffeigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit, Form, Abmessung, Gewicht und Anordnung des Füllgutes im Heizofen einerseits und Ofenparameter, wie Ofenleistung, temperaturabhängige Verlustleistung, Leckageverluste und inne­ re Konvektion andererseits berücksichtigt werden, was schon deshalb schwierig ist, als die meisten dieser Parameter empirische Werte sind.

Ein weiteres Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der AT-PS 2 60 975 bekannt.

Bei diesem wird nach dem Einbringen des Glühgutes in den bereits auf die gewünschte Endtemperatur erhitzten Ofen die innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne eintretende Absenkung der Ofentemperatur ermittelt, worauf dann die Sollwerte der Ofentemperatur und der Wärmezufuhr um vom Ausmaß der Absenkung abhängige Zusatzbeträge erhöht werden und nach (wohl erneutem) Erreichen der Solltemperatur des Ofens der Zusatzbetrag, um den der Temperatursollwert erhöht ist, abhängig von der Wärmezufuhr gemacht und automatisch laufend auf die wirkliche, gewünschte Solltemperatur abgesenkt wird.

Nach dieser Ermittlung der Temperaturquotienten erfolgt dann die Annahme, das die Solltemperatur des Glühgutes gleich der Solltemperatur der Luft ist. Jedenfalls ist die dem bekannten Verfahren zugrundeliegende Annahme, daß die Solltemperaturen des Glühgutes und der Luft gleich sind, in aller Regel nicht der Fall, so daß die Absenkung somit zu früh beginnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Erhitzen des Füllgutes sowohl in einem kalten als auch in einem bereits erhitzten Industrieheizofen auf einfachere und kostengünstigere Weise zu erreichen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe führte zu einem Verfahren, das ausgehend von den eingangs genannten Maschinen sich durch die kennzeichnenden Maschinen des Anspruches 1 auszeichnet, und zu einer Vorrichtung, die ausgehend von den eingangs genannten Merkmalen sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 auszeichnet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis und Überlegung, daß während der Aufheizphase eines Heizofens bis zum Einmünden in die Phase der Haltezeit, bei der das Füllgut seine Solltempe­ ratur erreicht hat, die Leistungsaufnahme zunächst, und zwar mit der größtmöglichen Heizleistung des Systems im wesentlichen konstant verläuft. Wegen der geringen Wärmekapazität des Raummediums und der meist großen Konvektion im Innern des Heizofens erreicht das das Füllgut umgebende Raummedium, z. B. Luft oder Gas, insbesondere ein Schutzgas zwar relativ schnell die Aufheiztemperatur, doch ist weiterhin eine hohe Leistungs­ aufnahme erforderlich, um auch den Ofenwerkstoff und das Füllgut auf die Solltemperatur zu bringen. Nähern sich die Temperaturen des Ofenwerkstoffes und des Füllgutes der vorge­ wählten Solltemperatur, so drosselt der Temperaturregler über sein Stellglied die Leistungsaufnahme.

Schon zu einem relativ frühen Zeitpunkt ist zur Aufrechterhal­ tung der Temperatur des Raummediums eine zunehmend geringere Leistungsaufnahme nötig. Vom Temperaturregler wird somit, wenn das Füllgut seine Solltemperatur erreicht hat, nur noch soviel Leistungsaufnahme angefordert, als nötig ist um die - für eine Temperatur im wesentlichen konstanten - Leistungsverluste (Isolationsverluste, Leckageverluste) auszugleichen.

Es wurde festgestellt, daß sich der zeitliche Differentialquo­ tient der Leistungsaufnahme als Steuerkurve für die Steuerung des Heizvorganges eignet, wenn diese der Solltemperaturvorgabe überlagert wird.

Eine über die gesamte Heizdauer verlaufende Kurve der Lei­ stungsaufnahme zeigt einen zunächst konstanten Verlauf bei maximaler Leistungsaufnahme in der Anheizphase. Sehr bald erfolgt dann ein betragsmäßig steiler Abfall der Energiewerte auf einen Minimalwert, der zur Aufrechterhaltung der Solltempe­ ratur erforderlich ist.

Aus dieser Erkenntnis ergibt sich die erfindungsgemäße Lösung, zusätzlich zur Beeinflussung des Temperaturreglers mit Werten aus der Messung lediglich der Temperatur des Raummediums die Leistungsaufnahme zum Heizofen zu bestimmen und deren zeitliche Änderung als weitere Regelgröße dem Temperaturregler zu überlagern. Damit erübrigt sich die Bestimmung des Zeitpunktes, bei dem die Aufheiztemperatur zurückgenommen werden muß, da sich dies automatisch aus der Leistungsaufnahme ergibt.

Je nach der Ofenbauart und der Art des Füllgutes und des Heizmittels sind während der Inbetriebnahme einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung, die sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 2 auszeich­ net, verschiedene Parameter zu bestimmen.

Hierzu gehören die erforderliche Aufheiztemperatur sowie ein dem System angepaßter Proportionalitätsfaktor für den zu überlagernden Differentialquotienten der Leistungsaufnahme. Diese Ermittlungen können von einem Fachmann ohne erfinderi­ sches Zutun ausgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Ausführung haben den wesentlichen Vorteil, daß sie einerseits zu den erwünschten optimalen Anheizzeiten führen, die Absenkung der Aufheiztemperatur auf einfache Weise automatisch erfolgt und die sonst üblichen Maßelemente am und im Füllgut vermieden werden. Das System kommt mit einer einfachen Ermittlung der Temperatur des Raummediums und der aufgenommenen Energie aus.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispiels­ weise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaubild des Temperaturverlaufes und

Fig. 3 ein Schaubild der Leistungsaufnahme.

Fig. 1 zeigt links einen mit Füllgut 3 beladenen Industrieheizo­ fen 1 mit einer Heizungseinrichtung 2. Diese kann mit Gas, elektrischem Strom oder einem anderen Heizmittel betrieben sein.

Mittels Temperaturfühlern 4 wird einem Temperaturmeßgerät 5 die Temperatur T _R des Raummediums im Industrieheizofen 1 vermit­ telt. Das Raummedium kann Luft oder Gas, insbesondere ein Schutzgas sein.

Die Temperaturinformation wird über die Strecke 6 einem Temperaturregler 7 eingegeben, dessen Stellglied 8 über die Strecke 9 auf die Energiezufuhr der Heizungseinrichtung 2 einwirkt.

Diesem einfachen Regelkreis ist eine zusätzliche Informations­ strecke überlagert.

Mittels eines Leistungsmeßgerätes 10 wird kontinuierlich die für den Betrieb der Heizungseinrichtung erforderliche Lei­ stungsaufnahme gemessen und diese Information in einen nachge­ ordneten Differentiator 11 eingegeben. Dieser ermittelt den zeitlichen Differentialquotienten der eingegangenen Leistungs­ daten und gibt diese Information an einen Meßwertwandler 12, der den Temperaturregler 7 über die Strecke 13 mit diesen Korrekturwerten überlagert.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Ablauf des Heizverfahrens nach der Erfindung.

Über die Zeitdauer einer Verfahrenscharge, bestehend aus der Aufheizphase t ₁, einer Haltezeit t ₂ und einer Abkühlphase t ₃ sind die Temperaturen T _R des Raummediums und des Füllgutes (T _F ) aufgetragen. Mit T _A ist die Aufheiztemperatur des Raummediums bezeichnet. T _S bezeichnet die für die Wärmebehandlung vorgese­ hene Solltemperatur.

Fig. 3 zeigt die Kurve für die dem Heizofen zugeführte Leistung L mit den Betriebspunkten L _max in der Aufheizphase und L _min während der Haltezeit t ₂.

Dem auf die Solltemperatur T _S eingestellten Temperaturregler 7 wird über die Informationsstrecke 10-13 ein Sollwert überla­ gert, der zu Beginn des Vorganges die Aufheiztemperatur T _A ermöglicht, wenn der Heizofen mit seiner maximalen Leistung betrieben wird. Nach der Anlaufzeit t _A beginnt ein Abfall der Leistungsaufnahme, die rasch von L _max auf L _min abfällt. Die ebenfalls dargestellte 1. Ableitung dieser Kurve geht als Überlagerungsinformation in den Temperaturregler 7 ein, der durch Drosselung der Leistungsaufnahme der Heizeinrichtung 2 ein Konstanthalten der Solltemperatur bewirkt, bis nach einer vorbestimmten Zeitdauer die Abkühlungsphase t ₃ beginnt.

Claims (2)

1. Verfahren zum Erhitzen von Füllgut in einem Industrieheizofen, bei dem die Temperatur T _R des Raummediums, das das Füllgut im Industrieofen umgibt, während einer Aufheizphase auf eine Aufheiztemperatur T _A erwärmt wird, die über der für die Wärmebehandlung vorgesehenen Solltemperatur T _S liegt, während einer Haltezeit auf der Aufheiztemperatur gehalten wird sowie auf die Solltemperatur abgesenkt wird, kurz bevor das Füllgut die Solltemperatur erreicht, und bei dem die Heizleistung des Industrieheizofens durch einen Temperaturregler gesteuert wird, der die Temperatur des Raummediums mißt, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler (7), wenn das Raummedium die Aufheiztemperatur T _A erreicht hat, solange zusätzlich mit Signalen, die proportional zum Differentialquotienten (dL/dT) der gemessenen Leistungsaufnahme des Industrieofens sind, beaufschlagt wird, bis das Raummedium die Solltemperatur T _S erreicht hat.

2. Vorrichtung zum Erhitzen von Füllgut in einem Industrieheizofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Temperaturregler (7), der eingangsseitig mit einem Temperaturfühler (4) zur Messung der Temperatur T _R des Raummediums im Industrieheizofen (1) und ausgangsseitig mit einem die Leistungsaufnahme des Industrieheizofens (1) beeinflussenden Stellglied (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler (7) eingangsseitig zusätzlich mit einer Signalstrecke (10-13) verbunden ist, die aus einem Leistungsmeßgerät (10) zur Bestimmung der Leistungsaufnahme des Industrieheizofens, einem nachgeordneten Differentiator (11) und einem Meßwertwandler (12) besteht.