AT392185B - Verfahren zur leistungsregelung eines elektrischen schmelzofens - Google Patents

Description

5 AT 392 185 B 10 15 20

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung eines elektrischen Schmelzofens, bei dem mit verdecktem Lichtbogen ein Schmelzgut eingeschmolzen wird, in das von oben mehrere heb- und senkbare Elektroden eintauchen. Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 2 149 258 bekannt. Grundgedanke des dort beschriebenen Verfahrens ist die Sicherstellung der Qualität eines metallurgischen, in dem Elektroofen hergestellten Erzeugnisses, beispielsweise bei der Herstellung von Calciumcarbid. Die Qualitätssicherung wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß während des Herstellungsprozesses des Calciumcarbids die Qualität laufend überwacht wird und als Regelgröße für den Elektroofen dient. Hierzu wird einerseits durch Zugabe einer Reaktionsmischung, u. a. durch hohle Elektroden, das Mischungsverhältnis der Reaktionsstoffe beeinflußt. Daneben wird der Elektrodenstrom durch Anheben oder Absenken einer Elektrode geregelt, um die Temperatur in der Reaktionszone auf dem gewünschten Wert zu halten. Bei einem derartigen Verfahren läßt sich das Aufwärts- und Abwärtsbewegen der Elektrode bis in den eingeschwungenen Zustand nicht völlig vermeiden. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsregelung für elektrische Öfen der genannten Gattung zu schaffen, bei der die Elektroden nicht mehr zum Zwecke der Regelung, sondern nur um das unumgängliche Maß zum Ausgleich des Abbrands bewegt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, a) daß die Elektrodenspitzen auf eine bestimmte, gleiche Höhe über dem Ofenboden gebracht werden, b) daß die Elektroden mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit abwärts bewegt werden, bei der unter normalen Verhältnissen zu erwarten ist, daß der Elektrodenäbbrand durch den Vorschub gerade ausgeglichen wird, und 25 30 35 40 c) daß bei Abweichungen der aufgenommenen elektrischen Leistung von einem Sollwert ohne Änderung der Vorschubgeschwindigkeit die Sekundärspannung des Ofentransformators so verstellt wird, daß die Leistung wieder den Sollwert annimmt. Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird so vorgegangen, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Elektroden geändert wird, wenn andernfalls Ströme des Ofens oder des Transformators ihre zulässigen Werte überschreiten. Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die Spannung durch Betätigung des Transformator-Stufenschalters verstellt wird. Die Erfindung hat zur Folge, daß zur Regelung der vom Ofen aufgenommenen Leistung keine Elektroden kurzfristig auf- oder abwärts bewegt werden müssen, sondern daß die Elektrodenspitzen vielmehr normalerweise fest an ihrer Stelle bleiben, während die Leistung durch Änderung der zwischen den Elektroden herrschenden elektrischen Spannung geregelt wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren brauchen die Ofenparameter Widerstand R, Induktivität L und Impedanz Z in keiner Phase konstant gehalten zu werden, sondern man läßt sie mit der Prozeßperiode frei variieren. Dabei können die Elektrodenbewegungen auf ein Minimum reduziert werden, so daß sich für die Elektroden ein gleichmäßiger Betrieb ergibt und Elektrodenbrüche infolge mechanischer Bewegung der Elektroden vermieden werden. Außerdem verringert sich der Wartungsaufwand für die mechanischen Elektrodeneinrichtungen, und eine zuverlässige leckfreie Abdichtung zwischen Ofendeckel und Elektroden bleibt gewährleistet Für das erfindungsgemäße Regelverfahren können folgende Ofengrößen gemessen werden: - Phasenströme Ip des Transformator-Primärkreises - Phasenströme Ig des Transformator-Sekundärkreises - Elektrodenströme lg 45 50 - Phasenbezogene Scheinleistung Sp des Transformators - Die dem Ofen zugeführte phasenbezogene Wirkleistung Pg Äußere Beschränkungen bei der erfindungsgemäßen Regelung sind lediglich die maximal zulässigen Ofentransformator-Leistungen und -Ströme sowie die Maximalströme der Elektrodeneinrichtungen und der Stromschienen. Die Regelung geschieht vorzugsweise folgendermaßen: Aufgrund der erwähnten Ofengrößen prüft der Regler zunächst die geltenden äußeren Beschränkungen, die nicht überschritten werden dürfen, und stellt dann die Spannung auf ein Niveau ein, daß keine Überschreitung erfolgt Ist die Bedingung erfüllt, so berechnet der Regler aus den phasenbezogenen Wirkleistungen Ps die in den Ofen gehende Summenwirkleistung ΣΡ§, vergleicht diese an den Sollwerten und führt die erforderliche Spannungserhöhung beziehungsweise -Senkung durch, sofern das erhaltene Meßergebnis ΣΡ8 außerhalb des 55 eingestellten Bereichs liegt. Im folgenden soll eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Regelmethode dargestellt ist, näher beschrieben werden.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Regelmethode bei symmetrischer dreiphasiger Last als Funktion des Phasenwiderstandes R und des Phasenwinkels φ unter (aus Verdeutlichungsgründen erfolgender) Verwendung eines konstanten Reaktanzwertes, der in der Praxis jedoch nicht erreicht wird, und unter der Voraussetzung, daß mit den phasenbezogenen Größen keine äußeren Beschränkungen -2- 60

AT392185 B überschritten werden. (1) bezeichnet den Verlauf der Ofenleistung abhängig vom Widerstand R beim maximalen Ofentransformator-Senkundärstrom, (2) den Verlauf beim maximalen vom Transformator zu den Elektroden fließenden Elektrodenstrom. Die Verläufe für weitere Elektrodenströme sind allgemein mit (3) bezeichnet. Die dünnen Linien (4) und (5) bedeuten die an dem Regler im voraus eingestellte Ober- und Untergrenze der gewünschten Ofenleistung, die vertikale, strichpunktierte Linie (7) die Grenze zwischen dem in der Praxis für die erfindungsgemäße Regelmethode geeigneten Betriebsbereich, der sich rechts von der Linie (7) befindet, und dem nicht zu empfehlenden Betriebsbereich. Der Betriebsbereich gliedert sich in drei Teile: den Bereich (8), wo der maximale Elektrodenstrom (2) die Ofenleistung begrenzt, den Bereich (9), wo der Trafo-Primärstrom (11) die Ofenleistung begrenzt, und den Bereich (10), wo der Regler die Ofenleistung bestimmt Im Bereich (10) liegt die Obergrenze (4) der gewünschten Ofenleistung ständig unter der Maximalbelastbarkeit des Transformators, d. h. unter dem Primärstrom. Die Kurvenschar (12) bezeichnet die Verläufe der Ofenleistung abhängig vom Widerstand R bei verschiedenen Spannungsstufen des Transformators. Die schraffierten Stellen (13) in den Bereichen (8,9) und (10) veranschaulichen verschiedene Regelperioden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens.

Im Bereich (8), wo, bedingt durch den maximalen Elektrodenstrom (2), die eingestellte gewünschte Ofenleistung (6) noch nicht erreicht ist, erhöht der Regler über den Stufenschalter im Laufe der Regelperiode (13) die Spannung auf die nächste Spannungsstufe der Schar (12). Das gleiche geschieht im Bereich (9), an dessen Ende erst, bedingt durch die maximale Belastbarkeit (11) des Transformators, die eingestellte gewünschte Obergrenze (4) der Ofenleistung erreicht wird. Im Bereich (10), während der Regelperiode (13), erhöht oder verringert der Stufenschalter die Spannung auf jene Spannungsstufe (12), mit der die gewünschte Leistung (6) in den eingestellten Grenzen (4) und (5) in den Ofen gebracht werden kann. Dabei kann also die Ofen-Impedanz (und gleichzeitig auch der Widerstand) während des Ofenbetriebs fiei variieren.

Da, bedingt durch die Elektroden-Herstellungsweise, an den Elektroden ungleichmäßige Abnutzung aufiritt und da die im Ofen stattfindenden Veränderungen zu einer Situation führen können, in der die einzelnen Elektroden zu verschiedenen Zeiten variierende Ströme und Leistungen aufzunehmen vermögen, ist es häufig erforderlich, diese Änderungen durch unterschiedliches Vorschieben der einzelnen Elektroden in den Ofen auszugleichen, d. h. auszubalancieren.

Vorteilhafterweise erfolgt das Ausbalancieren der elektrodenbezogenen Leistungen des Elektroofens durch Regulieren des Vorschubs der einzelnen Elektroden. Unter Ausbalancieren ist hierbei zu verstehen, daß die Stellung der Elektrodenspitzen nach einem an sich bekannten Verfahren gemessen wird und die Spitzen einzelelektrodenweise auf das gleiche stationäre Niveau eingestellt werden. Auf diese Weise versetzt man den Ofen in Gleichgewichtszustand, und dieser wird aufrechtzuerhalten versucht Das Wichtigste beim Ausbalancieren ist, daß die Veränderungen in der Bewegung der Elektroden rechtzeitig durchgeführt werden können, bevor die Änderungen bei der Stromverteilung zu einer Änderung der Temperaturverteilung im Ofen geführt haben.

Aus der ungleichmäßigen Abnutzung der Elektroden oder aus Schichtungsänderungen im Ofen können folgende Veränderungen resultieren: - Bei den Elektrodenströmen lg treten Veränderungen ein, - bei den elektrodenbezogenen Wirkleistungen Pg treten Veränderungen ein; - bei den elektrodenbezogenen Blindleistungen Qs treten Veränderungen ein; - bei der zwischen Elektrode und Boden herrschenden elektrischen Spannung Ug treten Veränderungen ein.

Anhand der Änderungen bei den vorgenannten Größen lassen sich die Veränderungen bei der Elektrodenstellung, also die Elektrodenabnutzung, verfolgen. Zum Ausbalancieren der Leistung werden noch die folgenden Ofengrößen bestimmt: - Dem Ofen zugeführte phasenbezogene Blindleistung Qg - Die Spannung Qg zwischen Elektroden und Boden

- Die zwischen den Elektroden herrschenden Spannung U

Damit lassen sich die Leistungen zwischen den Elektroden folgendermaßen ausbalancieren:

Die einzelnen Größen werden in Perioden von 10 Sekunden bis 15 Minuten Dauer als arithmetische Mittelwerte ständig erfaßt. Anhand der gemessenen Größen werden dann sowohl kurzfristige, 0,5 bis 96 Stunden umfassende, als auch langfristige, 2 Stunden bis 60 Tage umfassende, Trends oder Variationsdiagramme ausgearbeitet. Meßperiode und Trenddauem können für jede Größe separat gewählt werden. Die Ausarbeitung der Trends erfolgt nach an sich bekannten mathematischen Verfahren, beispielsweise durch Regressionsanalyse unter Einsatz eines Rechengerätes oder Computers.

Sowohl kurzfristige als auch langfristige Trends werden für folgende Größen erstellt: a meßperiodenweise die Differenz der phasenbezogenen Wirkleistung Pg zum Mittelwert ΣΡ8 n -3-

Claims (3)

1. AT 392 185 B der Wirkleistung, wobei n die Anzahl der Elektroden bedeutet; b die addierte Wirkleistung ΣΡ8; c meßperiodenweise die Differenz der Blindleistung Qs zum Mittelwert 5 IQS n der addierten Blindleistung, wobei n die Anzahl der Elektroden bedeutet; 10 d die addierte Blindleistung XQS; e die Phasenströme Ip und Ig der Primär- und Sekundärkreise der Transformators; f die Elektrodenströme lg; g die Spannung Ug zwischen Elektroden und Boden, subtrahiert von der zwischen den Elektroden herrschenden Spannung U dividiert durch V5, das heißt also 15 U V3 20 Für die erstellten Trends (a-g) werden weiter die linearen Abhängigkeiten berechnet und sodann die Winkelkoeffizienten der erhaltenen linearen Abhängigkeiten betrachtet. Wenn die Winkelkoeffizienten des kurfristigen und des langfristigen Trends der gleichen Größe (a, d und e-g) voneinander abweichen, wird - soweit möglich - elektrodenweise eine Änderung des Vorschubs vorgenommen. Aufgrund der Differenzen zwischen den Winkelkoeffizienten der linearen Abhängigkeiten der kurzfristigen und der langfristigen aufaddierten Trends (b und 25 d) wird die Vorschubregelung der Elektroden in ihrer Gesamtheit vorgenommen, jedoch unter Berücksichtigung der bereits einzelelektrodenweise durchgeführten Einstellungen. Vorteilhafterweise werden bei der Leistungsregelung und -ausbalancierung auch die maximale Dauer der Ströme und Scheinleistung überwacht. Bei Überschreitung der erlaubten Dauer wird, wenn die Stellbereiche der Einrichtungen ausgeschöpft sind, die gegenseitige Stellung der Elektroden so verändert, daß ein neuer 30 Gleichgewichtszustand erreicht wird, wobei die Elektrodenstellung auf eine an sich bekannte Weise bestimmt wird. Kurzfristige und langfristige Trends werden neuberechnet. Ggf. können zur Herstellung des Elektroden-Gleichgewichtszustandes auch eine oder mehrere Elektroden nach oben bewegt werden. Das Vorschieben der Elektroden in den Ofen einschließlich dessen Regelung kann entweder automatisch oder manuell erfolgen. 35 Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens beschränkt sich nicht auf völlig geschlossene Elektroofen, sondern das Verfahren bietet auch in Verbindung mit offenen oder halboffenen Elektroöfen Vorteile. Ganz besondere Vorteile erzielt man bei völlig geschlossenen Öfen mit verdecktem Lichtbogen, aus denen die Schmelze von Zeit zu Zeit zugelassen und deren Abgase für energiewirtschaftliche Zwecke außerhalb des Ofens genutzt werden, wobei dann die aus der erfindungsgemäßen Regel- und Ausbalanciermethode resultierende 40 gleichmäßige Gasbildung ein wichtiger Faktor ist. In derartigen Öfen durchzuführende Prozesse sind u. a. der Ferrochromroheisen- und Ferromanganprozeß. Das Verfahren kann jedoch auch auf Elektroöfen mit kontinuierlicher Schmelzäbführung angewandt werden. Die erfindungsgemäße Leistungsregelung durch Verstellung der Sekundärspannung kann auch zur alleinigen Ofenregelung dienen und erfordert nich unbedingt die Funktion des Ausbalancierens, wenn sich z. B. die aus der 45 Struktur der Elektrode resultierenden Ungleichmäßigkeiten des Elektrodenverbrauchs verhindern lassen. Das Ausbalancieren der Elektrodenleistung über den Transformator-Stufenschalter, kann aber auch in Verbindung mit irgendeinem anderen Verfahren zur Spannungsverstellung angewendet werden, eignet sich zwar am besten in Verbindung mit der Leistungs-Regelung. 50 PATENTANSPRÜCHE 55 1. Verfahren zur Leistungsregelung eines elektrischen Schmelzofens, bei dem mit verdecktem Lichtbogen ein Schmelzgut eingeschmolzen wird, in das von oben mehrere heb- und senkbare Elektroden eintauchen, dadurch 60 gekennzeichnet, -4- AT392 185 B a) daß die Elektrodenspitzen auf eine bestimmte, gleiche Höhe über dem Ofenboden gebracht werden, b) daß die Elektroden mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit abwärts bewegt werden, bei der unter normalen Verhältnissen zu erwarten ist, daß der Elektrodenabbrand durch den Vorschub gerade ausgeglichen wird, und 5 c) daß bei Abweichungen der aufgenommenen elektrischen Leistung von einem Sollwert ohne Änderung der Vorschubgeschwindigkeit die Sekundärspannung des Ofentransformators so verstellt wird, daß die Leistung wieder den Sollwert annimmt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Elektroden 10 geändert wird, wenn andernfalls Ströme des Ofens oder des Transformators ihre zulässigen Werte überschreiten.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung durch Betätigung des Transformator-Stufenschalters verstellt wird. 15 Hiezu 1 Blatt Zeichnung