DE102013206980A1

DE102013206980A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines metallurgischen Ofens

Info

Publication number: DE102013206980A1
Application number: DE102013206980.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Voj Lukas Peter; Mathias Lüttenberg
Original assignee: SMS Siemag AG
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2014-10-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens mit folgenden Schritten: Erzeugen eines Lichtbogens im Innern des metallurgischen Ofens zum Schmelzen von Schmelzgut durch Einspeisen von elektrischer Energie in Form eines Einspeisestroms in mindestens eine Elektrode des metallurgischen Ofens und Ermitteln des von dem Lichtbogen erzeugten Schalldrucks und Bilden eines den Schalldruck repräsentierenden elektronischen Ist-Schallpegelsignals. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung inklusive des metallurgischen Ofens zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Um den von dem metallurgischen Ofen bzw. von dessen Lichtbogen erzeugten Schalldruck zu reduzieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Ist-Schallpegelsignal auf ein vorgegebenes elektrisches Soll-Schallpegelsignal zu regeln durch Modulation des Einspeisestromes mit einem geeigneten elektronischen Kompensationssignal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens mit folgenden Schritten: Erzeugen eines Lichtbogens im Innern des metallurgischen Ofens zum Schmelzen von Schmelzgut durch Einspeisen von elektrischer Energie in Form eines Einspeisestroms in mindestens eine Elektrode des metallurgischen Ofens, Ermitteln des von dem Lichtbogen erzeugten Schalldrucks und Bilden eines den Schalldruck repräsentierenden elektronischen Ist-Schallpegelsignals. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung inklusive des metallurgischen Ofens zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Stand der Technik ist das Ermitteln des Schalldrucks von Lichtbögen in metallurgischen Öfen sowie das Speichern und Auswerten entsprechender Schallpegelsignale vielfach bekannt. Oftmals erfolgt die Ermittlung und Auswertung dieser Schallpegelsignale, um Rückschlüsse über verschiedene Prozesszustände während des Betriebs des metallurgischen Ofens zu erhalten. So dient der gemessene Körperschall in dem Aufsatz von Björn Dittmer, Identifikation des Prozesszustandes von Drehstromlichtbogenöfen mittels Körperschall, Stahl und Eisen 129 (2009) Nr. 12, Seite 33 ff. z. B. zur Detektion von kaltem Schwerschrott am Lichtbogenfußpunkt, um nach Maßgabe des detektierten kalten Schwerschrotts die Anschaltzeiten des Ofens zu verringern, um eine möglichst höhe Produktivität und einen möglichst geringen Verschleiß zu realisieren.
Gemäß der japanischen Veröffentlichung JP 58120709 A ist es bekannt, verschiedene Schallsignale, welche verschiedene Prozesszustände eines Schmelzprozesses in einem metallurgischen Ofen repräsentieren, als Referenzsignale für diese Prozesszustände zu speichern. Dadurch können zukünftig aufgezeichnete Schallsignale mit den Referenzsignalen verglichen werden, um auf diese Weise später durch einen Vergleich der jeweils aktuell aufgezeichneten Schallsignale mit den hinterlegten Referenzsignalen auf den jeweils aktuellen Prozesszustand rückschließen zu können.
Aus der WO 2007/009924 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Bestimmung von insbesondere der Höhe der Schaumschlacke in einem Elektrolichtbogenofen durch Auswerten der Energiezufuhr in den Lichtbogenofen und von Körperschall in Form von Schwingungen am Elektrolichtbogenofen. Ein Verfahren zur Steuerung der Schaumschlackenbildung im Lichtbogenofen unter Berücksichtigung der Schallemission des Lichtbogenofens ist aus der europäischen Patentschrift EP 0 692 544 B1 bekannt. Ein ähnliches Verfahren ist auch aus der internationalen Anmeldung WO 2011/110392 A1 bekannt. Auch die WO 01/27338 A1 offenbart auch ein Verfahren zur Beeinflussung der Schaumschlacke auf Basis von gemessenen Schallsignalen. Gleiches gilt für den Artikel Tobias Jansen et al., Schallbasierte Schaumschlackendetektion zur Leistungsregelung eines Lichtbogenofens, Stahl und Eisen 130 (2010) Nr. 9 Seite 53 ff. Die internationale Anmeldung WO 2013/010891 A1 nutzt den erfassten Schall des Lichtbogenofens zur Reduzierung von Flickereigenschaften des Lichtbogenofens.
All die genannten Druckschriften aus dem Stand der Technik betreffen zwar die Erfassung und Auswertung von Schalldruck, den ein Lichtbogen in einem metallurgischen Ofen erzeugt; sie enthalten jedoch keine Lehren zur Reduzierung des von dem Lichtbogenofen erzeugten Schalldrucks.
Vorschläge zur Reduzierung des Schallpegels von Lichtbogenöfen werden offenbart in den Druckschriften DE 28 15 917 A1 , DE 29 44 454 A1 sowie dem Aufsatz von Mihai Costescu et al., Noise control in electric steelworks, in Sound and vibration Congresul International de Acustica, Lise, Band/Jahrgang 11, Jahr 2005, Seiten: 14 ff.. Alle drei Druckschriften offenbaren mechanische Einrichtungen und Maßnahmen zur Dämpfung des Schalls bei metallurgischen Lichtbogenöfen. Darüber hinaus offenbart der Aufsatz als weitere Maßnahmen zur Schallreduzierung auch die Reduktion der eingespeisten elektrischen Leistung, beispielsweise auch die Verwendung von Gleichstrom statt von Drehstrom; siehe auch JP 7286218 .
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Ofens mit dem Ziel einer Reduzierung des Schalldruckes in der Umgebung des metallurgischen Ofens bereit zu stellen. Dieselbe Aufgabenstellung gilt auch für eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Verfahrenstechnisch wird die genannte Aufgabe gelöst durch das in Patentanspruch 1 beanspruchte Verfahren. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch: Regeln des Ist-Schallpegelsignals auf ein vorgegebenes elektronisches Soll-Pegelsignal durch Modulation des Einspeisestroms mit einem geeigneten elektronischen Kompensationssignal.
Der Begriff „Einspeisestrom“ ist nicht auf den von einer Konstantstromquelle eingespeisten Strom mit festem Strombetrag beschränkt. Vielmehr meint der Begriff beispielsweise auch den Strom, der sich bei Anlagen einer Spannung an die Elektroden einstellt.
Bei geeignet vorgegebenem Soll-Schallpegelsignal, d. h. vorzugsweise bei einem vorgegebenen nur sehr geringen Soll-Schallpegel, idealerweise sogar einem Soll-Schallpegel von 0 dB, über vorzugsweise das gesamte für das menschliche Ohr hörbare Frequenzspektrum wird vorteilhafterweise erreicht, dass der von dem Lichtbogen in dem metallurgischen Ofen erzeugte Schalldruck signifikant reduziert wird, indem der Einspeisestrom mit einem im Hinblick auf das vorgegebene Soll-Schallpegelsignal geeignet gewählten elektronischen Kompensationssignal moduliert wird. Das Kompensationssignal repräsentiert insofern eine Art Antischallsignal.
Gemäß einem ersten vorteilhaften Ausführungsbeispiel erfolgt die Ermittlung des Schalldrucks entweder durch Messen mit einem Mikrofon oder durch Berechnen mit einer Computersimulation.
Die primär beanspruchte Reduzierung des Schalldrucks durch die besagte Modulation des Einspeisestroms mit dem Kompensationssignal kann zusätzlich weiter verstärkt werden, indem in der Umgebung des metallurgischen Ofens ein Lautsprecher angeordnet wird, der mit dem Kompensationssignal als Antischallsignal beaufschlagt wird zum Abgeben eines akustischen Kompensationsschalls in die Umgebung des metallurgischen Ofens. In der Umgebung des Ofens überlagert sich dann der von dem Lichtbogen erzeugte Schalldruck mit dem Schalldruck des Kompensationsschalls im Sinne von Antischall, so dass es im Idealfall zu einer vollständigen Unterdrückung des Schalls in der Umgebung des Ofens kommt. In der Praxis wird sich der aus der Überlagerung resultierende Gesamtschall vermutlich nicht vollständig auslöschen lassen; zumindest jedoch eine deutliche Reduzierung des Schalldrucks ist machbar.
Aus dem einleitend zitierten Stand der Technik ist es bekannt, dass sich bestimmte Prozesszustände beim Betrieb des metallurgischen Ofens anhand von jeweils charakteristischen Ist-Schallpegelsignalen identifizieren lassen. Um eine solche Erkennung von Prozesszuständen auch noch trotz bzw. bei angestrebter Schalldruckreduzierung zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in dem vorgegebenen elektronischen Soll-Schallpegelsignal für einen vorgegebenen Durchlass-Frequenzbereich (Frequenzfenster), in dem die für bestimmte zu beobachtende Prozesszustände charakteristischen Schallfrequenzen liegen, einen Durchlasspegel vorzugeben, welcher größer ist als ein für andere Frequenzbereiche vorgegebener Dämpfungsfaktor.
Dieses Frequenz-Fenster im Soll-Schallpegelsignal ermöglicht außerhalb des Ofens das Abhören bestimmter gewünschter Prozesszustände, wie z. B. den Grad der Bildung der Schaumschlacke, die Länge des Lichtbogenofens und/oder den aktuellen Energieeintrag in den Ofen.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Die Vorteile dieser Lösung entsprechen den oben mit Bezug auf das beanspruchte Verfahren genannten Vorteilen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen von sowohl dem beanspruchten Verfahren wie auch der beanspruchten Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Beschreibung sind zwei Figuren beigefügt, wobei
1 die erfindungsgemäße Vorrichtung; und
2 ein Beispiel für das Soll-Schalldruckpegelsignal im Frequenzbereich zeigt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 gezeigt. Sie umfasst einen metallurgischen Ofen 110 mit mindestens einer Elektrode 112 zum Erzeugen eines Lichtbogen 114 zum Schmelzen von Schmelzgut 200. Bei dem metallurgischen Ofen kann es sich entweder um einen Gleichstrom-Ofen oder einen Drehstrom-Ofen handeln. Der Ofen kann als Elektrolichtbogenofen, als Pfannenofen oder auch als Reduktionsofen ausgebildet sind. Dementsprechend kann es sich bei dem Schmelzgut um unterschiedliche Materialien handeln; typischerweise sind es bei Elektrolichtbogenöfen und Pannenöfen Metalle, insbesondere Schrott, während es bei Reduktionsöfen oftmals Oxyde sind, die als Schmelzgut eingeschmolzen werden.
Dem Ofen zugeordnet ist eine Versorgungseinrichtung 120 zum Einspeisen von elektrischer Energie in Form eines Einspeisestromes in die mindestens eine Elektrode 112 des metallurgischen Ofens. Zum Ermitteln des von dem Lichtbogen 114 erzeugten Schalldruckes ist eine Schalldruckermittlungseinrichtung beispielsweise in Form eines Mikrofons 130‘ oder in Form eines Computers 130‘‘ mit einem Simulationsprogramm zum Berechnen des von dem metallurgischen Ofen 110 bzw. dessen Lichtbogen 114 erzeugten Schalldrucks. Der gemessene bzw. errechnete Schalldruck wird in ein elektronisches Ist-Schallpegelsignal p_Ist umgewandelt und mit dem vorgegebenen Soll-Schallpegelsignal p_Soll in einem Vergleicher 142 typischerweise durch Differenzbildung verglichen. Die aus dem Vergleich bzw. aus der Differenzbildung resultierende Regelabweichung e wird auf einen Regler 144 gegeben, welcher ausgebildet ist, auf Basis des Regelabweichungssignals e ein Kompensationssignal k als Stellsignal zu generieren. Der Vergleicher 142 sowie der Regler 144 bilden zusammen mit der Schalldruckermittlungseinrichtung 130‘, 130‘‘ und der elektrischen Versorgungseinrichtung 120 und/oder dem Lautsprecher 150 die Regelungseinrichtung 140. Die Versorgungseinrichtung 120 und der Lautsprecher 150 dienen dabei als Stellglieder. Das Kompensationssignal wird erfindungsgemäß dazu verwendet, innerhalb der Versorgungseinrichtung 120 den Einspeisestrom in die mindestens eine Elektrode 112 zu modulieren. Vorteilhafterweise führt dies zu einer deutlichen Reduzierung des von dem metallurgischen Ofen bzw. von dessen Lichtbogen erzeugten Schalldrucks.
Zusätzlich kann in der Umgebung des metallurgischen Ofens 110 mindestens ein Lautsprecher 150 angeordnet sein, welcher ebenfalls mit dem Kompensationssignal k beaufschlagt wird zum Erzeugen eines Antischallsignals. Wenn das Kompensationssignal, wie erfindungsgemäß vorgesehen, geeignet gewählt ist, erzeugt der Lautsprecher einen Antischall, welcher bei Überlagerung mit dem von dem metallurgischen Ofen 110 bzw. von dessen Lichtbogen erzeugten Schalls eine Auslöschung, zumindest jedoch eine deutliche Reduzierung des resultierenden Gesamtschalls bewirkt.
2 zeigt ein Beispiel für ein vorzugebendes Soll-Schallpegelsignal p_Soll mit einem Dämpfungs-Frequenzbereich ∆f₁ und einem vorgegebenen Durchlass-Frequenzbereich ∆f₀. Wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits erwähnt, kann es sinnvoll sein, für den Durchlass-Frequenzbereich einen im Vergleich zu dem Dämpfungs-Frequenzbereich hohen Durchlasspegel U₂ zuzulassen, um in dem durch den Durchlass-Frequenzbereich ∆f₀ definierten Fenster noch Schallsignale empfangen zu können, welche Rückschlüsse auf bestimmte Betriebszustände des metallurgischen Ofens zulassen.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung
110: Ofen
112: Elektrode
114: Lichtbogen
130‘: Mikrofon
130‘‘: Computer
140: Regelungseinrichtung
144: Regler
150: Lautsprecher
200: Schmelzgut
k: Kompensationssignal
p_soll: Soll-Schallpegelsignal
p_ist: Ist-Schallpegelsignal
∆f₁: Dämpfungs-Frequenzbereich
∆f₀: Durchlass-Frequenzbereich
U₁: Dämpfungspegel
U₂: Durchlasspegel
e: Regelabweichungssignal
V: Einheit Volt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 58120709 A [0003]
WO 2007/009924 A1 [0004]
EP 0692544 B1 [0004]
WO 2011/110392 A1 [0004]
WO 01/27338 A1 [0004]
WO 2013/010891 A1 [0004]
DE 2815917 A1 [0006]
DE 2944454 A1 [0006]
JP 7286218 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Björn Dittmer, Identifikation des Prozesszustandes von Drehstromlichtbogenöfen mittels Körperschall, Stahl und Eisen 129 (2009) Nr. 12, Seite 33 ff [0002]
Tobias Jansen et al., Schallbasierte Schaumschlackendetektion zur Leistungsregelung eines Lichtbogenofens, Stahl und Eisen 130 (2010) Nr. 9 Seite 53 ff [0004]
Mihai Costescu et al., Noise control in electric steelworks, in Sound and vibration Congresul International de Acustica, Lise, Band/Jahrgang 11, Jahr 2005, Seiten: 14 ff [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens (110) mit folgenden Schritten: Erzeugen eines Lichtbogens (114) im Innern des metallurgischen Ofens (110) zum Schmelzen von Schmelzgut (200) durch Einspeisen von elektrischer Energie in Form eines Einspeisestromes in mindestens eine Elektrode des metallurgischen Ofens; und Ermitteln des von dem Lichtbogen (114) erzeugten Schalldrucks und Bilden eines den Schalldruck repräsentierenden elektronischen Ist-Schallpegelsignals (p_ist); gekennzeichnet durch Regeln des Ist-Schallpegelsignals auf ein vorgegebenes elektronisches Soll-Schallpegelsignal (psoll) durch Modulation des Einspeisestromes mit einem geeigneten elektronischen Kompensationssignal (k).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldruck entweder durch Messen mit einem Mikrofon (130‘) oder durch Berechnen mit einer Computersimulation ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in der Umgebung des metallurgischen Ofens (110) angeordneter Lautsprecher (150) mit dem Kompensationssignal beaufschlagt wird zum Abgeben eines Kompensationsschalls in die Umgebung des metallurgischen Ofens.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Schallpegelsignal (p_Soll) einen vorgegebenen Dämpfungspegel (U₁) für einen vorgegebenen Dämpfungs-Frequenzbereich (∆f₁) und einen Durchlasspegel (U₂) für einen vorgegebenen Durchlass-Frequenzbereich (∆f₀) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass-Frequenzbereich so gewählt wird, dass er mindestens eine charakteristische Frequenz für mindestens einen bestimmten Betriebsparameter des metallurgischen Ofens umfasst; und dass der Durchlasspegel größer gewählt wird als der Dämpfungspegel.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Betriebsparameter beispielsweise um den Zustand der Schlacke, insbesondere den Grad der Bildung des Schlackenschaumes, um die Länge des Lichtbogenofens und/oder um den Wirkungsgrad des Ofens, beispielsweise die Höhe des aktuellen Eintrags von elektrischer Energie in den Ofen, handelt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung des elektrischen Kompensationssignals (k) folgende Schritte umfasst: Vergleichen des elektrischen Soll-Schallpegelsignals (p_Soll) mit dem elektrischen Ist-Schallpegelsignal (p_Ist); Eingeben des aus dem Vergleich resultierenden elektrischen Regelabweichungssignals (e) in einen Regler (144) zum Erzeugen des elektrischen Kompensationssignals (k) als Stellsignal für eine als Stellglied fungierende Versorgungseinrichtung (120) zum Einspeisen der elektrischen Energie in die mindestens eine Elektrode (112) des metallurgischen Ofens (110).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Ist-Schallpegelsignals (p_Ist) und die Erzeugung des Kompensationssignals (k) in Echtzeit erfolgen.
Vorrichtung (100) aufweisend: einen metallurgischen Ofen (110) mit mindestens einer Elektrode (112) zum Erzeugen eines Lichtbogens (114) zum Schmelzen von Schmelzgut (200); und mit einer Versorgungseinrichtung (120) zum Einspeisen von elektrischer Energie in Form eines Einspeisestromes in die mindestens eine Elektrode (112) des metallurgischen Ofens (110); und eine Schalldruckermittlungseinrichtung (130‘, 130‘‘) zum Ermitteln des von dem Lichtbogen erzeugten Schalldrucks und zum Bilden eines den Schalldruck repräsentierenden Ist-Schallpegelsignals (p_ist); gekennzeichnet durch eine Regelungseinrichtung (140) zum Regeln des Ist-Schallpegelsignals auf ein vorgegebenes Soll-Schallpegelsignal (p_soll) durch Modulation des Einspeisestromes mit einem geeigneten elektronischen Kompensationssignal (k).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalldruckermittlungseinrichtung ausgebildet ist in Form eines Mikrofons (130‘) oder in Form eines Simulationsprogrammmoduls zum Simulieren des von dem Lichtbogen abgegebenen Schalldrucks durch Ablaufen auf einem Computer (130‘‘).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch mindestens einen Lautsprecher (150), welcher mit dem Kompensationssignal (k) beaufschlagbar ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der metallurgische Ofen (110) als Gleichstrom-Ofen oder als Drehstrom-Ofen ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem metallurgischen Ofen (110) um einen Elektrolichtbogenofen, einen Pfannenofen oder einen Reduktionsofen handelt.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.