1. No category

Spar energi og
få højere effekt
Modernisering af ældre
induktionssmelteovnsanlæg
Modernisering og udvidelse af eksisterende induktionssmelteovnsanlæg rummer et stort potentiale
for energibesparelse, forbedring af effektivitet og arbejdsforhold, samt reduceret miljøbelastning. Sammenlignet med nyanlæg er omkostningerne væsentligt lavere og montagetiden kortere, så det lønner sig
at undersøge mulighederne grundigt. Ofte kan man
opnå afgørende forbedringer ved blot at ændre enkelte komponenter.
Smeltningen står for mellem 60 og 70% af det samlede energiforbrug i et støberi, og i en tid med stigende energiomkostninger, bør mulighederne for modernisering af bestående anlæg udnyttes med henblik
på at spare energi og øge effektiviteten [1].
Den fleksible og højtydende middelfrekvens-induktionsovn repræsenterer den induktive smeltnings
nuværende tekniske stade, og har på grund af sine
mange fordele i vidt omfang fortrængt netfrekvensanlæggene.
De moderne anlæg bliver forsynet af effektive og
stabile frekvensomformere, som kan producere driftsfrekvenser mellem 60 og 3000 Hz. I begyndelsen blev
der brugt roterende og magnetiske omformere (f.eks.
Quintduktorer), som havde et betragteligt effekttab.
Indenfor det mellemste ydelsesområde er resultatet
af Otto Junker GmbH’s seneste udvikling IGBT-omformerne (Insulated Gate Bipolar Transistor), hvor
moderne transistorer bruges i vekselretteren i stedet
for de velkendte tyristorer.
Forfatter:
Dietmar Trauzeddel
Fotos:
Otto Junker GmbH
Oversat fra tysk af
Tine Demandt
Der opnås således en bedre elektromagnetisk forbindelse ved smeltning af jernskrot o. l.
lOpgradering fra netfrekvensanlæg til middelfrekvensteknik muliggør en højere effekttæthed. Ved
højere effekttæthed forkortes smeltetiden og varmetabet bliver mindre, hvorved der spares energi.
lDe moderne omformeranlæg med digital styring er
kendetegnet ved vidtgående automatisk fordele­
anlæg samt forbedret kontrol og overvågning af alle
processer. Da der ikke anvendes mekaniske kontakter, reduceres behovet for vedligeholdelse væsentligt, og en trinløs effektstyring er mulig.
lBrugen af moderne kontrol- og overvågningssystemer i forbindelse med digital processtyring, montering af en energibesparende spolekonstruktion
og indbygning af moduler af forbedret eller helt ny
konstruktion, er yderligere metoder til at opnå afgørende forbedringer af bestående anlæg.
Som udgangspunkt for overvejelserne bør der altid
være en analyse af det nuværende anlægs tilstand
og svage punkter, og målet for moderniseringen bør
formuleres klart. Det giver ikke meget mening, at installere et nyt omformeranlæg på en teknisk forældet
smelteovn og tage en række ulemper med i købet, hvis
man alligevel skal udskifte ovnen inden for to år.
Alt dette betyder, at de konkrete forhold på det
enkelte anlæg afgør, hvilke tiltag der giver mening.
Ved modernisering og udvidelse af eksisterende induktionssmelteovnsanlæg er der først og fremmest
følgende muligheder:
Omlægning fra netfrekvensanlæg til middelfrekvensteknik.
lUdskiftning af ældre omformeranlæg (f.eks. Quintduktorer) med moderne middelfrekvens-kontaktanlæg.
lÆndring fra monosmelte- til duosmelteanlæg (tilføjelse af en ekstra ovn).
lAnvendelse af et mere effektivt omformeranlæg.
lOmlægning til moderne processtyring på PLC-basis
og brug af en JOKS-smelteprocessor.
lAnvendelse af moderne kontrol- og overvågningssystemer (f.eks. digelovervågning via OCP).
lBrug af energisparespole.
lBrug af moderne udsugningshætter.
l
Grundlæggende overvejelser
Den moderne middelfrekvens-omformerteknik kombineret med nutidens processtyring giver følgende
væsentlige indsatspunkter ved modernisering af ældre anlæg:
Virkningsgraden for moderne omformere ligger
mellem 96 og 97,5%, mens 88% er normalt for ældre omformere (f.eks. Quintduktorer).
lOpgradering fra netfrekvensanlæg til middelfrekvensteknik muliggør smeltning uden sump; der
kan således køres chargedrift med fast materiale.
l
6
STØBERIET nr. 4, 2009
Gennemprøvet i praksis
I det følgende skildres med udgangspunkt i allerede
realiserede moderniserings- og udvidelsesprojekter
hvilke resultater, der kan opnås.
Omlægning fra NF-smelteanlæg til moderne IGBTomformerteknik
Som eksempel skal her kort omtales den vellykkede
modernisering af to netfrekvensdigelovne i ”elektrolysen” hos firmaet Sør-Norge Aluminium AS, Husnes
i Norge.
Målet med moderniseringen af det mere end 20 år
gamle ovnanlæg (ill. 1) med en kapacitet på 2 tons
var at øge driftstiden og øge den gennemsnitlige effekt. For at begrænse omkostningerne og monteringstiden, skulle moderniseringen koncentreres om de
allermest nødvendige dele af anlægget. Der var kun
fem dage til rådighed pr. anlæg, allerede på sjettedagen skulle anlægget sættes i drift igen og testes.
Moderniseringen omfattede i alt væsentligt levering af ”Strømretningstransformatorer” (Strømretter
= omformer, transformator = transformator/omformer), to moderne IGBT-omformere med kondensatormodul, et ekstra køleanlæg til de to omformere, montering af vejeindretninger, installation af smelteprocessoren JOKS samt et sæt nye spoler. En moderne
processtyring model Siemens S 7-300 og en Siemens
PC model 670 til visning af funktioner og processer
satte prikken over i’et. På ill. 2 ses et af de nye IGBTkontaktanlæg, konstrueret til en nominel ydelse på
750 kW og en frekvens på 100 Hz.
Valget af frekvens kom af ønsket om at smelte uden
sump, en klar fordel sammenlignet med de gamle netfrekvens-kontaktanlæg. Omlægning til chargedrift
og den nye omformerteknik medførte en reduktion af
energiforbruget til smeltning på ca. 10%.
Udskiftning af quintduktorer med ny omformerteknik
Det kendte stålstøberi Nippes & Schmidt i Solingen
tog i 1965 et af de første middelfrekvensanlæg med
quintduktor-teknik fra Otto Junker i brug. I 1970 bestilte virksomheden endnu et anlæg af samme type.
Fig. 1. Firma Sør-Norges anlæg før modernisering.
STØBERIET nr. 4, 2009
Fig. 2. Nyt IGBT-omformeranlæg.
Efter 30 års upåklagelig drift blev ovnene i 2001 udstyret med moderne omformerteknik. Det lykkedes
at begrænse omfanget af moderniseringen: Kun omformerne (600 og 500 kW) med tilhørende transformatorer og betjeningsskabe blev nyinstalleret (ill. 3).
Alle de andre dele som ovnaggregat (kapacitet 500
og 1000 kg), kondensatorer og vandkølingen kunne
bevares uden ændringer. Efter kun kort tids monteringsarbejde kunne anlæggene sættes i drift uden
problemer.
Den opnåede energibesparelse og effektivitetsforbedring på ca. 12% hidrører alene fra det lavere energitab i de moderne omformeranlæg, da den tilsluttede
effekt ikke blev forhøjet.
Også jernstøberiet Bruzaholms Bruk i Sverige har
gennemført en vellykket udskiftning af quintduktoranlægget på et ældre smelteanlæg til en moderne
tyristor-frekvensomformer. Anlægget bestod af to 1,5
tons ovne med en nominel effekt på 1.200 kW.
Her kunne det komplette anlæg med spole, ophæng
og hydraulik samt hele køleanlægget bevares. Kun
det elektriske kontaktanlæg blev fornyet: Quintduktoren blev erstattet af en tyristor-frekvensomformer
7
I dette tilfælde opnåede man med uændret nominel
effekt på 1200 kW en nedsættelse af energiforbruget
fra 630 til 535 kWh/t – svarende til en besparelse
på 15%. Smeltes der 4.000 tons stål om året, giver
dette en energibesparelse på 380.000 kWh. Smelteydelsen øgedes fra 1,3 t/h til 1,85 t/h, altså med mere
end 40%. Denne effektivitetsforbedring blev muliggjort af det lavere energiforbrug i kombination med
den bedre udnyttelse af den tilsluttede effekt, som
duosmelteteknikken giver. Omformeranlægget blev
dimensioneret med en effektreserve på 300 kW, så
en yderligere øgning af produktionen kan ske ved at
tage nye, større ovne i brug.
Fig. 3. Ovnplatform hos Nippes & Schmidt med nyt
betjeningsskab.
og der blev leveret en ny strømretningstransformator. Det nye omformeranlæg (ill. 4) blev udført med
duosmelteteknik, så effekten kunne fordeles glidende
mellem de to ovne. Et nyt køleanlæg til omformerens
kølekreds blev leveret samtidig. Investeringsomkostningerne var ca. en fjerdedel af en nyinvestering.
Driftsstoppet i forbindelse med ombygningen var
kortvarigt.
Fig. 4. Omformerstyring på det nye anlæg hos fa.
Bruza­holm.
8
Udskiftning af et ældre Siemens-omformeranlæg
Stålstøberiet Schmolz+Bickenbach Guss GmbH & Co
KG’s fabrik i Krefeld havde på en 10 tons istøber og
et Siemens-omformeranlæg, der var kommet lidt op i
årene. Det stigende antal tekniske udfald, det store
reparationsbehov og manglen på reservedele, talte
alle for at tage et nyt, moderne kontaktanlæg i brug.
Udfordringen bestod både i at foretage tilslutningen til det fremmede ovnaggregat og den i mellemtiden moderniserede styrings- og betjeningsteknik og
at genanvende den eksisterende strømretningstransformator.
Der blev brugt en tyristor-frekvensomformer med
en nominel effekt på 1.200 kW med digital styring og
tilhørende kondensatormodul. Omformerens analoge
værdier blev leveret til grænsefladen mellem de eksisterende, moderniserede styrings- og betjeningsområder og fejlmeddelelserne blev vist på et separat display i omformerskabet og efterfølgende videregivet til
styrings- og betjeningsområderne.
Denne modernisering er ganske vist lidt usædvanlig, men den vellykkede integration af det nye omformeranlæg med det eksisterende anlæg viser, at det
kan lade sig gøre, at skræddersy helt individuelle løsninger.
Anvendelse af moderne anlægsstyring
For det tyrkiske datterselskab af E.G.O. ElektroGerätebau bestod udfordringen i at gøre det eksisterende smelteværk mere pålideligt og sænke energiforbruget indenfor en begrænset budgetramme.
Støberiets smelteværk i nærheden af Istanbul består af seks netfrekvensdigelovne med en kapacitet
på hver 3 tons, som fødes skiftevis af fem kontaktanlæg med en effekt på 800 kW.
Den nye installation omfatter en moderne styring
og betjening af anlægget på basis af en PLC S7-300
fra Siemens og et nyt betjeningspanel med tekstmonitor. Den nye styring muliggør en høj grad af automatisk drift, så nu reguleres kompensationen automatisk, og smeltning og varmholdning kontrolleres i
forhold til det fastsatte energiforbrug.
Faktisk kunne der påvises en energibesparelse og
en stigning i smelteeffekten, ligesom anlæggets pålidelighed blev afgørende forbedret. Ill. 5 og 6 viser
styringen før og efter den vellykkede modernisering.
STØBERIET nr. 4, 2009
Fig. 5. Før: Eksisterende.
Ombygning af et monosmelteanlæg til et
duosmelteanlæg
Et finsk jernstøberi drev med en omformer med 3.800
kW nominel effekt et monosmelteanlæg med en ovn
med en kapacitet på 8 tons. I forbindelse med kapacitetsudvidelsen installerede støberiet yderligere en
ovn og iværksatte en computerstyret effektomkobling
mellem de to ovne.
Til grund herfor lå en analyse af monosmelte-anlæggets stoptid, der udgjorde mindst 10 minutter pr.
charge. I dette tidsrum kan den forhåndenværende
omformereffekt ikke bruges til smeltning, da der jo
kun er én ovn.
Før anskaffelsen af ovn nr. to blev der opstillet en
beregning under den forudsætning, at den anden ovn
i de 10 minutter ville kunne udnytte over 95% af omformerens effekt til smeltning. Endvidere kunne ovn
nummer to drives med fuld effekt under de vedligeholdelsesarbejder, der finder sted hver tredje uge. Totalt set gav dette en forøgelse af den praktiske smelteydelse med 30%, konkret fra 4,7 til 6,1 t/h.
Den beregnede effektforøgelse som resultat af installering af en ekstra ovn og den deraf følgende mu-
Fig. 6. Efter: Ny anlægsstyring hos fa. E.G.O.
STØBERIET nr. 4, 2009
Fig. 7. Placering af OCP sensorkabel i ovn.
lighed for omstilling til tandemdrift lod sig reelt påvise efter idriftsættelsen.
Ombygning til digelovervågningssystem OCP
OCP-systemet er et temperaturmålings- og overvågningssystem af nyeste generation og anvender sensorer af optiske fibre, som er særligt velegnede til overvågning i induktionssmelteovne og muliggør en direkte og uafhængig temperaturområdebestemmelse.
Det er ikke nødvendigt at ændre noget ved ovnen
for at tage et digelovervågningssystem i brug. OCPsensorkablet kan anbringes direkte i bestående foring
(ill. 7). Der skal blot laves en ca. 15 mm stor åbning
til kabelforbindelsen til analyseenheden. Bortset fra
sensorkablet består systemet af en måler og et display til at vise de målte temperaturområder (ill. 8).
Systemet er kendetegnet ved:
Fig. 8. Temperaturvisning.
9
Maksimal beskyttelse mod driftsafbrydelser og skader på anlæg eller personer.
lTidligt varsel om at en kritisk temperatur er nået.
lMeget høj opløsningsevne og temperaturmåling
med opløsning på under 1 K.
lRegistrering og visning af temperaturudviklingen
gennem hele forløbet.
lDirekte optisk temperaturmålemetode, ingen elektrisk målemetode.
l
I mere end 100 installationer over hele verden har
systemet bevist sin pålidelighed og lønsomhed.
Montering af energisparespole
Energisparespolen er resultat af et årelangt udviklingsarbejde og er intensivt testet for pålidelighed og
praktisk anvendelighed. Montering af energisparespole giver en mærkbar reduktion af det elektriske
tab i spolen og dermed en nedsættelse af energiforbruget.
Det ohmske energitab i spolen afhænger af spolens strømførende flade og dermed af strømtætheden.
Desværre bevirker de elektromagnetiske kræfter en
koncentration af strømmen på et lille område af hele
spolens tværsnit, hvilket medfører en høj strømtæthed. Ved hjælp af en særlig spolekonstruktion er det
lykkedes at øge den effektive strømførende flade og
dermed nedsætte strømtabet [4].
I midten af 2007 besluttede virksomheden Schwermetall Halbzeugwerk i Stolberg at udstyre en af de
eksisterende Otto Junker induktions-digeldovne med
denne nye energisparespole. I november blev spolen
monteret i en 24 tons digelovn (ill. 9).
Adskillige målinger bekræftede den forventede
energibesparelse på over 9%. Schwermetall Halb­
zeug­werks egne fagfolk bekræftede ligeledes, den
opnåede besparelse efter evaluering af et halvt års
drift. Den ændrede ovn bruger 40 kWh/t mindre
energi til at smelte materialet. I midten af 2008 besluttede Schwermetall Halbzeugwerk at udstyre alle
seks smelteovne med energisparespolen, hvilket siger
noget om denne nye tekniks succes.
Nye udsugningshætter
Samtidig med bestillingen af to nye, effektive 12-tons
middelfrekvens-digelovne til Intermet Ueckermünde
fik Otto Junker til opgave at udstyre de mere end
30 år gamle LEW-ovne med nye udsugningshætter.
Valget faldt på de nyudviklede hætter af typen Robin
Hood, som er hydraulisk tipbare i to retninger og tillader en fuldstændig opfangning af ovngasser i alle
positioner, samtidig med at de er enkle at håndtere.
Otto Junkers nyudviklede, dobbelt drejelige udsugning (ill. 10) opfylder i høj grad disse krav og har følgende fordele:
Høj virkningsgrad på grund af lav luftmodstand og
gode udsugningsforhold.
lDen flade form og det beskedne pladsbehov hindrer
ikke kranens bevægelser ved påfyldning af ske.
lReduktion af strålingsbelastningen i arbejdsområdet ved at dækslet drejes væk.
lAt hætten kan åbnes helt, letter rengøring og øger
sikkerheden for operatøren.
lGod udsugningseffekt og let håndtering af ske ved
påfyldning.
lHætten kan aktiveres i begge retninger ved alle
ovnstillinger uden risiko for kollision.
l
Ved idriftsættelsen kunne de nye hætters udmærkede
funktion dokumenteres.
Fig. 9. Digelovn med indbygget energisparespole.
10
Fig. 10. Digelovn med ny udsugningshætte.
STØBERIET nr. 4, 2009
Afgørende forbedringer
Ved at modernisere eksisterende, ældre induktionsovnsanlæg kan der opnås markante energibesparelser og effektivitetsforbedringer. Samtidig kan stoppetiderne samt tiden til reparation og vedligeholdelse
reduceres og arbejdsforholdene forbedres.
Yderligere fordele er, at investeringsbehovet alt efter moderniseringens omfang maximalt ligger på en
fjerdedel til en tredjedel af et nyt anlæg, og at monteringstiden i stedet for fire til seks uger ofte ikke er
mere end en enkelt uge.
De gennemførte moderniseringsprojekter har vist
at:
Ændring af netfrekvensanlæg til middelfrekvensteknik giver en energibesparelse på 8%, ved realisering af en højere effekttæthed kan der spares
yderligere op til 10%.
lUdskiftning af ældre omformeranlæg (f.eks. quintduktorer) med moderne middelfrekvens-kontaktanlæg sænker strømforbruget med 12-20%.
lOmlægning af monosmeltanlæg til tandemanlæg
(udvidelse med en ovn nummer to) giver en produktionsforøgelse på 30%.
lOmlægning til moderne PLC-baseret anlægsstyring
og brug af JOKS-smelteprocessor nedsætter stoppetiden og reducerer energiforbruget.
l
STØBERIET nr. 4, 2009
Brug af digelovervågningssystemet OCP øger anlægs- og driftssikkerheden og reducerer stoppetiden.
lVed anvendelse af energisparespole kan energiforbruget til smeltning, alt efter metallets art, reduceres med mellem 5 og 9%.
lModerne udsugningshætter forbedrer arbejdsforholdene og sænker støvemission.
l
Dr. Dietmar Trauzeddel,
freelance medarbejder, Otto Junker GmbH,
Simmerath-Lammersdorf
Yderligere inf: www.otto-junker.de
Litteraturhenvisninger:
[1] Schmitz, W.; Trauzeddel, D.: Giesserei 95 (2008)
Nr. 6, S. 24-31.
[2] Peters, K.; Frey, Th.; Trauzeddel, D.: elektrowärme international 02 (2005), S. 69-73.
[3] Donsbach, F.; Schmitz, W.; Hoff, H.: Giesserei 90
(2004) Nr. 8 ,S. 52-54.
[4] Schmitz, W.; Trauzeddel, D.: elektrowärme international 01 (2008), S. 19-23.
[5] Donsbach, F.; Schmitz, W.; Trauzeddel, D.: Sicheres und energiesparendes Schmelzen im Mittelfrequenztiegelofen. Otto Junker GmbH (Hrsg.),
2005.
11