DE10124784C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Betriebsparametern von Lichtbogenöfen zur Herstellung von Stahl - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung von Betriebsparametern von Lichtbogenöfen zur Herstellung von Stahl als Grundlage für die Optimierung metallurgischer Eigenschaften des Stahls sowie der Energiebilanz beim Herstellungsprozess ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Belastungsänderungen in Form von elastischen Verformungen am das Gewicht des Gefäßes aufnehmenden Unterbau gemessen werden, die gemessenen Ist-Werte mit Soll-Werten verglichen werden und die ermittelten Abweichungen den/die Betriebsparameter kennzeichnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Be­ triebsparametern von Lichtbogenöfen zur Herstellung von Stahl als Grundlage für die Optimierung metallurgischer Eigenschaften des Stahls sowie der Energiebilanz beim Herstellungsprozess. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Kenntnis bestimmter Betriebsparameter bzw. Kenntnisse über den Zustand im Gefäß zur Stahlherstellung ist im Hinblick auf die gewünschten metallurgischen Eigenschaften des herzustellen­ den Stahls als auch aus energetischen Gründen beim Stahlher­ stellungsprozess von großer Bedeutung. Einige dieser Parameter werden bislang lediglich visuell abgeschätzt, was große Erfah­ rung beim Bedienpersonal voraussetzt und somit große Fehler­ quellen in sich birgt.

Bei der Elektrostahlherstellung werden Lichtbogenöfen, in einer Sumpffahrweise betrieben. Das bedeutet, dass bei einem Abstich das Gefäß nicht vollständig entleert wird, sondern eine Rest­ menge flüssigen Rohstahls im Ofen verbleibt. Diese Sumpfmenge wird auch "hot heel" genannt. Bei Gleichstromöfen ist diese Be­ triebsweise notwendig, um einen guten elektrischen Kontakt zwi­ schen dem Schrotteinsatz für die nächste Charge und der Boden­ elektrode herzustellen. Weitere Vorteile einer Sumpffahrweise ergeben sich bezüglich des Zurückhaltens der Ofenschlacke wäh­ rend des Abstichvorganges und für die Betriebssicherheit zu Beginn der Einschmelzphase. Deshalb werden auch eine Reihe von Drehstromöfen mit "hot heel" betrieben.

Über die Menge des "hot heels" war bisher durch visuelle Ab­ schätzung nur eine sehr ungenaue Aussage möglich.

Eine weitere wichtige Aussage über den Stahlherstellungsprozess ist aus dem Brennverhalten des Lichtbogens zu ersehen.

Während des Einschmelzens von Schrott sind die Gefäßwände eines Lichtbogenofens durch das davor liegende Einsatzgut vor der Strahlung des Lichtbogens geschützt (Einschmelzphase). Ist je­ doch der Großteil des Schrotts eingeschmolzen und wird das Flüssigmetall über die Schmelztemperatur hinaus weiter erwärmt (Überhitzungsphase), so sind die Wände der Lichtbogenstrahlung schutzlos ausgesetzt. Auftreffende Strahlungswärme wird durch die Wasserkühlung der Wände abgeführt und ist damit für den Prozess verloren. Auch der Wandverschleiß steigt bei einer der­ artigen Betriebsweise an.

In den meisten Lichtbogenöfen wird deshalb während der Überhit­ zungsphase die auf dem Stahlbad schwimmende Schlacke durch ge­ zieltes Erzeugen von Gas aufgeschäumt, um den Lichtbogen einzu­ hüllen. Dies reduziert die Energie, die vom Lichtbogen auf die Ofenwände abgestrahlt wird. Zudem brennt der eingehüllte Licht­ bogen ruhiger als der frei brennende. Die Gaserzeugung erfolgt durch das gemeinsame Einblasen von Kohlenstoffträgern und Sau­ erstoff und wird von Hand durch das Betriebspersonal nach des­ sen subjektivem Empfinden der Schaumschlackengüte geregelt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu führen, daß auf messtechnische Art und Weise objektive Aussagen über die oben angesprochenen Betriebsparameter und auch noch andere gemacht werden können, um die Prozesssteuerung zu verbessern und die Erstellung einer aussagekräftigen Energiebilanz zu ermöglichen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch, dass Belastungsänderungen in Form von elastischen Verformungen am das Gewicht des Gefäßes aufnehmen­ den Unterbau gemessen werden, die gemessenen Ist-Werte mit Soll-Werten verglichen werden und die ermittelten Abweichungen den/die Betriebsparameter kennzeichnen.

Die Anordnung der Messvorrichtungen für die Belastungsänderun­ gen am Unterbau, d. h. unterhalb der Ofenbühne, bietet einen gu­ ten Schutz für die Messeinrichtungen vor den rauhen Umgebungs­ bedingungen in einem Stahlwerk. Die Messaufnehmer sind relativ gleichmäßigen Temperaturen von etwa 70°C ausgesetzt und brau­ chen daher nicht aufwendig wassergekühlt zu werden. Die Gefahr, durch Schlacken- und Metallspritzer oder durch mechanische Ein­ wirkung die Messaufnehmer zu beschädigen, ist unter dem Ofen sehr viel geringer, was sich in einer höheren Zuverlässigkeit des Verfahrens ausdrückt.

Bei Gewichtsänderungen des Ofengefässes und seines Inhalts än­ dern sich die elastischen Verformungen des Ofenunterbaus. Wer­ den die Verformungen und damit die Gewichtsänderungen laufend gemessen, kann beispielsweise das Fortschreiten der Entkohlung oder anderer Reaktionen beim Schmelzvorgang beobachtet werden. Auch die zugabe von HBI oder DRI, die im folgenden beschrieben wird, kann überwacht werden:
Bereits heute werden rund 30% der Weltstahlerzeugung mittels des Lichtbogenofens erzeugt, mit zunehmender Tendenz. Weil die Elektroöfen Stahlschrott als Einsatzstoff verwenden, schnellt durch die Nachfrage nach Schrott der Schrottpreis gelegentlich derart an, dass Elektrostahlwerke aufgrund des Schrottpreises als maßgeblichem Faktor in den Stahlerzeugungskosten sehr leicht in die Verlustzone geraten können. Deshalb werden neuer­ dings zunehmend Schrottersatzstoffe wie DRI (Direct Reduced I­ ron) oder HBI (Hot Briquetted Iron) verwendet, um Schrottpreis­ schwankungen abzufedern. HBI und DRI werden nicht satzweise im Schrottkorb, sondern fortlaufend während des Chargenablaufs in den Elektroofen zugegeben, da sie im erstgenannten Fall zu Schollenbildung neigen und Störungen verursachen würden. Die kontinuierliche Messung des Chargengewichts ist daher äußerst wichtig. Da Zugaben von DRI und HBI oft 30-50%, vereinzelt so­ gar bis zu 100% des Chargengewichts ausmachen, ist die Genauig­ keit des erfindungsgemäßen Verfahrens mehr als ausreichend.

Zur Erlangung möglichst genauer Aussagen über die Sumpfmenge (hot heel) schlägt der Anspruch 2 vor, die Belastungsänderungen bei einem Gefäß ohne Charge, fortlaufend mit eingeschmolzener Charge und/oder fortlaufend beim Abstich als Gewichtsänderungen zu messen. Auf diese Weise ergibt sich eine für einen Schmelz­ vorgang typische Gewichtskurve, die beispielsweise mit der Ge­ wichtskurve verglichen werden kann, die bei der vorhergehenden Charge ermittelt worden ist. Dabei kann es sich um Werte rela­ tiver Messungen handeln, oder - nach vorheriger Eichung - auch um absolute Messungen.

Werden in einem Ofen unterschiedliche Stahlqualitäten erschmol­ zen, so kann hierdurch eine Aussage darüber getroffen werden, ob sich zwei unterschiedliche Werkstoffe unter Beibehaltung der gegenwärtigen Sumpfmenge direkt nacheinander erzeugen lassen, ein weiterer Vorteil und Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zur Einstellung der optimalen Schaumschlackenausprägung beim Schmelzvorgang ist gemäß Anspruch 5 vorgesehen, dass Unter­ schiede in der Schaumschlackenausprägung durch Unterschiede in der Frequenz und Amplitude von als Belastungsänderungen gemes­ senen Vibrationen am Ofen repräsentiert werden und ein Abgleich von gemessenem Ist-Wert und zu erreichendem Soll-Wert durch ge­ zieltes Einbringen von Sauerstoff und Kohlenstoffträgern in die Schlacke erfolgt.

Die Schwankungsbreite des Signals, das durch die Messelemente zur Messung der elastischen Verformungen am das Gewicht des Be­ hälters aufnehmenden Unterbau geliefert wird, wird zunehmen, je schlechter die Schaumschlacke ausgeprägt ist, da der Lichtbogen unruhiger brennt. Wird dies festgestellt, so kann die Schlacke durch verstärkte Zugabe von Kohlenstoffträgern und Sauerstoff höher aufgeschäumt werden, wodurch der Lichtbogen eingehüllt wird und die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.

Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung vorge­ schlagen, die durch die Anordnung von Elementen zur Messung e­ lastischer Verformungen am das Gewicht des Behälters aufnehmen­ den Unterbau gekennzeichnet ist, wobei die Elemente mit einer Auswerteinheit und/oder Anzeige für die ermittelten Daten ver­ bunden sind.

Die Lichtbogenöfen sind in der Regel kippbar ausgeführt. Die kippbare Ofenbühne, die das Ofengefäß trägt, ruht auf vier Punkten, nämlich auf den beiden Wiegen, auf denen sie beim Kip­ pen abrollt und auf zwei Hydraulikzylindern, durch die die Kippbewegung eingeleitet wird. Das neue Verfahren bzw. die neue Vorrichtung besteht nun darin, die auftretenden Kräfte bzw. die Veränderungen dieser Kräfte in den beiden Wiegen mit den oben genannten Elementen zur Messung elastischer Verformungen zu messen. Gleichzeitig kann die Kraft, die durch die beiden Zy­ linder getragen wird, entweder über den Hydraulikdruck im Inne­ ren der Zylinder oder ebenfalls über die eben angesprochenen Elemente zur Messung elastischer Verformungen erfasst werden. Damit sind die Lasten an allen vier Auflagerpunkten des Ofens bekannt.

Der Unterbau der Wiege besteht auf beiden Seiten aus einer Laufbahn, auf der die Wiege abrollt. Werden nun als Elemente zur Messung der elastischen Verformungen Dehnungsmessstreifen gewählt, wie es der Anspruch 7 vorschlägt, werden diese Deh­ nungsmessstreifen auf einer oder beiden Seitenflächen der Lauf­ bahnen und/oder der Wiege appliziert. Nach der Hertz'schen The­ orie bildet sich bei Kontakt eines zylindrischen Wälzkörpers mit einer ebenen Unterlage eine rechteckige, abgeplattete Kon­ taktfläche aus. Innerhalb dieser Kontaktfläche tritt eine el­ liptische Lastverteilung auf. Durch die Anordnung eines oder mehrerer Dehnungsmessstreifen entlang der Laufbahn, wie in den Ansprüchen 9 und 10 vorgeschlagen, kann das sich ausbildende Belastungsprofil erfasst und ausgewertet werden. Das Verfahren ist empfindlich genug, um Änderungen des Ofengewichts in der Größenordnung von einer Tonne anzuzeigen. Dies ist eine gute Genauigkeit, wenn man bedenkt, dass das Gesamtgewicht des Ofens mit Inhalt über 600 t beträgt.

Gegen die vorherrschenden starken elektromagnetischen Felder wird erfindungsgemäß ein Trägerfrequenzverfahren eingesetzt. Zusätzlich werden die Dehnungsmessstreifen durch Lackierung, sonstige Abdeckungen und Kapselung geschützt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen darge­ stellt und näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1a Lichtbogenofen in Seitenansicht,

Fig. 1b Lichtbogenofen gemäß Fig. 1a in Draufsicht,

Fig. 2 Ofenunterbau mit Dehnungsmessstreifen,

In der Fig. 1 ist schematisch die Konstruktion eines Lichtbo­ genofens dargestellt.

In der Fig. 1a lässt die Seitenansicht das eigentliche Ofenge­ fäß 1 erkennen, das auf der Ofenbühne 2 angeordnet ist, unter­ halb derer die Wiege 3 angeordnet ist, die auf einer Laufbahn 4 aufsitzt und abrollt. Durch die Abrollbewegung wird das Gefäß 1 gekippt. Zum Antrieb dieser Kippbewegung dienen die Hydraulik­ zylinder 14. Ebenfalls rein schematisch dargestellt ist die E­ lektrode 5 zur Erzeugung des Lichtbogens.

Mit 6 ist das Schwenkwerk des Deckels 7 und der Elektrodenarm bezeichnet.

Darüber hinaus ist mit dem Bezugszeichen 8 die Mittellinie der Wiege und mit dem Bezugszeichen 9 die Mittellinie des Ofengefä­ ßes 1 bezeichnet.

In der Fig. 2 sind Dehnungsmessstreifen 10 am Unterbau des Ge­ fäßes 1, welches lediglich abgebrochen dargestellt ist, appli­ ziert. Dargestellt sind zwei alternative Applikationsstellen, nämlich auf verschiedenen Radien der Wiege 3, bzw. parallel zu­ einander auf der Laufbahn 4 der Wiege 3.

Dehnungsmessstreifen 10 können auch an den in diesen Figuren nicht dargestellten Hydraulikzylindern 4 angeordnet sein.

Mit Hilfe dieser Dehnungsmessstreifen 10 kann das Gewicht des leeren Gefäßes 1, fortlaufend das Gewicht beim Einschmelzvor­ gang einer eingefüllten Charge und auch fortlaufend beim Ab­ stichvorgang, bei dem das Gefäß in Richtung des Pfeiles a ge­ kippt wird, ermittelt werden. Hierdurch kann das sich ausbil­ dende Belastungsprofil erfasst und ausgewertet werden.

Die Messstellen 10 können auch zur Detektion der durch das Brennen des Lichtbogens verursachten Vibrationen am Gefäß ver­ wendet werden, wodurch Aussagen über die Gleichmäßigkeit des Lichtbogens bzw. der Schaumschlackenausprägung im Gefäß 1 ge­ macht werden können.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung von Betriebsparametern von Lichtbogenöfen zur Herstellung von Stahl als Grundlage für die Optimierung metallurgischer Eigenschaften des Stahls sowie der Energiebilanz beim Herstellungsprozess, dadurch gekennzeichnet, dass Belastungsänderungen in Form von elastischen Verformungen am das Gewicht des Gefäßes (1) aufnehmenden Unterbau (3, 4) gemessen werden, die ge­ messenen Ist-Werte mit Soll-Werten verglichen werden und die ermittelten Abweichungen den/die Betriebsparameter kennzeichnen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der zu ermittelnden Betriebsparameter die Gewichts­ veränderung der einzuschmelzenden Charge durch die Zufüh­ rung von Schrottersatzstoffen (beispielsweise HBI oder DRI) ist, wobei die durch die Gewichtsveränderung er­ folgenden Belastungsänderungen gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der zu ermittelnden Betriebsparameter die nach dem Abstich im Gefäß (1) verbliebene Sumpfmenge ist, wobei die Belastungsänderungen (a) ohne Charge, (b) fortlaufend mit eingeschmolzener Charge und/oder (c) fortlaufend beim Ab­ stich als Gewichtsänderungen gemessen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Soll-Werte die Ist-Werte des dem aktuellen Stahlerzeu­ gungsprozess (Charge) vorhergehenden Prozesses dienen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der zu ermittelnden Betriebsparameter der beim Schmelzvorgang mittels Lichtbogen notwendige Grad der Schaumschlackenbildung ist, wobei Unterschiede in der Schaumschlackenausprägung durch Unterschiede in der Fre­ quenz und Amplitude von als Belastungsänderungen gemesse­ nen Vibrationen am Gefäß (1) repräsentiert werden und ein Abgleich von gemessenem Ist-Wert und zu erreichendem Soll- Wert durch gezieltes Einbringen von Sauerstoff und Kohlen­ stoffträgern in die Schlacke erfolgt.

6. Vorrichtung zur Ermittlung von Betriebsparametern von Lichtbogenöfen zur Herstellung von Stahl als Grundlage für die Optimierung metallurgischer Eigenschaften des Stahls sowie der Energiebilanz beim Herstellungsprozeß, gekenn­ zeichnet durch die Anordnung von einem oder mehreren Ele­ menten (10) zur Messung elastischer Verformungen am das Gewicht des Lichtbogenofengefäßes (1) aufnehmenden Unter­ bau (3, 4), wobei die Elemente (10) mit einer Auswerteein­ heit und/oder Anzeige für die ermittelten Daten verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente zur Messung elastischer Verformungen Deh­ nungsmessstreifen (10) sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dehnungsmessstreifen (10) an der unterhalb der das Gefäß (1) kippbar ausgestaltenden Wiege (3) angeordneten Abrollbahnen (4) in Kipprichtung parallel zueinander ange­ bracht sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dehnungsmessstreifen (10) an zumindest einer Seite der das Gefäß (1) kippbar ausgestaltenden Wiege (3) auf verschiedenen Radien angebracht sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Elemente (10) zur Messung elas­ tischer Verformungen an den die Kippbewegung des Ge­ fäßes (1) verursachenden Druckmittelzylindern (14) angebracht sind.