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Verfahren zur Regelung der Elektroden in einem Elektrodenwiderstandsofen
und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Regelung der Lage der Elektroden in einem Elektrodenofen, vorzugsweise einem
Elektrodenwiderstandsofen, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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In Elektrodenwiderstandsöfen, bei denen üblicherweise der wesentlichste
Teil der Schmelzwärme in der Charge um die und unter der Elektrodenspitze erzeugt
wird, ist es aus metallurgischen Gesichtspunkten wichtig, daß die Schmelzzone, in
der der größte Teil der Wärme erzeugt wird, in einer gewissen Höhe über dem Schmelzbade
liegt.
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Bei den Regelsystemen für Elektrodenwiderstandsöfen hat der Regler
die Aufgabe, den Abstand der Elektrode von der Schmelze so einzustellen, daß entweder
der Strom oder die Wirkleistung konstant bleibt. Im ersten Fall versucht also der
Regler den Scheinwiderstand und im zweiten Fall den ohmschen Widerstand konstant
zu halten. Diese beiden bekannten Regelarten führen aber nicht zu einem annähernd
gleichbleibenden Abstand der Schmelzzone über dem Schmelzbad. Das hat seinen Grund
darin, daß der ohmsche Widerstand nicht allein eine Funktion des Abstandes der Elektrode
von der Schmelze ist. Der ohmsche Widerstand ändert sich bei halbkugliger Form der
Elektrodenspitze verhältnismäßig wenig bei Änderung des Abstandes, und zum anderen
kann sich der Chargenwiderstand in Abhängigkeit von verschiedenen Zusammensetzungen
der Charge erheblich ändern, unter Umständen verdoppeln. Bei einer Wirkleistungsregelung
kann somit bei Verdoppelung des Chargenwiderstandes der Abstand der Elektrode vom
Schmelzbad auf die Hälfte zurückgehen bzw. auf das Doppelte steigen, wenn der Chargenwiderstand
entsprechend abnimmt. Eine Möglichkeit, die von der Zusammensetzung der Charge und
die von der Lage der Schmelzzone bedingte Änderung des Widerstandes zu unterscheiden,
besteht nicht.
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Es sind auch Einrichtungen zur Regelung der Elektrodenstellung bei
Lichtbogenöfen bekannt, bei welchen die Regelung auf die Wirkleistung oder verschiedene
andere Betriebsgrößen abgestellt werden kann, wobei die in der Richtung des Elektrodenstromes
liegende Komponente der Elektrodenspannung mit dem Strom der betreffenden Elektrode
in Vergleich gestellt wird. Man kann aber auch mit diesen Einrichtungen die obengenannten
Nachteile nicht vermeiden.
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Im Gegensatz zu den bekannten Methoden ist ein Verfahren nach der
Erfindung auf dem Prinzip aufgebaut, den Blindwiderstand der Strombahn zwischen
Elektrode und Schmelze, und damit die Höhe der Schmelzzone über dem Schmelzbad,
konstant zu halten. Der Blindwiderstand ist praktisch ausschließlich eine Funktion
des Abstandes der Elektrode vom Schmelzbad, d. h. von Änderungen des ohmschen Widerstandes
der Charge unabhängig. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
daß für mindestens eine Elektrode der Blindwiderstand des im Ofen verlaufenden Teils
der Elektrodenstrombahn ermittelt und durch Heben und Senken dieser Elektrode nahezu
konstant gehalten wird.
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Die Erfindung umfaßt auch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Organ zur Ermittlung des Blindwiderstandes
enthält, z. B. ein Reaktanzrelais, und daß das genannte Organ ein für die Elektrodenbewegung
vorgesehenes Betätigungsgerät steuert, z. B. einen elektrischen Motor mit zugehörigen
mechanischen Kraftübertragungsgliedern.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der schematischen Zeichnung
beschrieben, in der F i g. 1 eine der Elektroden eines Elektrodenwiderstandsofens
und die Verteilung des Elektrodenstromes in der Charge und F i g. 2 ein Schema für
eine Anordnung nach der Erfindung zeigt.
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In F i g. 1 bezeichnet 1 eine Elektrode, deren Stromzufuhr über Elektrodenklemmen
2 stattfindet.
Die Elektrode wird in den Ofen durch den Gewölbering
3 eingeführt, der in das Ofengewölbe 4 eingesetzt und mit Kontaktrollen
5 versehen ist, die mit der Elektrode in Kontakt sind. Die Linie A-A gibt die Höhe
der Charge über der Schmelze an. Es geht aus der Figur hervor, daß die Elektrode
1 verhältnismäßig tief in die Charge getaucht ist, was bei Elektrodenwiderstandsöfen
üblich ist. Die Ofenleistung wird in einer Zone entwickelt, die mit der Strombahn
zwischen der Elektrode 1 und der Oberfläche 6 der Schmelze zusammenfällt. Die Strombahn
ist in der Figur mit Stromlinien 7 dargestellt. Wenn man voraussetzt, daß zu jeder
Zeit der Ofen in der Hauptsache gefüllt gehalten wird, muß sich das Stromlinienbild
für die Elektrodenstrombahn zwischen Gewölbering und Schmelze bei veränderlichem
Abstand zwischen Elektrodenspitze und Schmelze ändern, so daß jede Elektrodenlage
einen charakteristischen Wert für den Mittelquerschnitt der genannten Strombahn
ergibt. Wie bekannt, hat eine Strombahn mit kleinem Querschnitt einen größeren Blindwiderstand
als eine gleich lange Strombahn mit großem Querschnitt. Man erhält somit von jeder
Elektrodenlage einen charakteristischen Wert für den sich auf die genannte Strombahn
beziehenden Blindwiderstand.
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Der vom Strom und Widerstand unabhängige Blindwiderstand kann in verschiedener
Weise hergeleitet werden. So können die für die genannte Strombahn geltenden vektoriellen
Strom- und Spannungswerte gemessen und der Blindwiderstand durch ein Zeigerinstrument
oder mit Hilfe eines Nomogramms abgeleitet werden. Eine Zusammenstellung der vektoriellen
Werte für die Anzeige eines konstanten Blindwiderstandes kann auch nach der Erfindung
dadurch erfolgen, daß die genannten Strom-und Spannungsvektoren einem elektrodynamischen
System, z. B. einem Reaktanzrelais, derart zugeführt werden, daß Gleichgewicht zwischen
magnetischen Kräften nur bei einem gewissen Wert des Blindwiderstandes der genannten
Strombahn erhalten wird. Der gewünschte Wert wird mittels veränderlicher Relaiskonstanten
eingestellt.
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Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Ableiten des Blindwiderstandes
an, wobei eine hochfrequente Spannung verwendet wird, die der genannten Strombahn
aufgedrückt wird, während diese an eine hochfrequente Meßausrästung angeschlossen
wird. Die Meßfrequenz wird so hoch gewählt, daß das hochfrequente Meßsystem nicht
von der niederfrequenten Ofenspannung beeinflußt wird. Die hochfrequente Messung
kann in vielen verschiedenen Weisen ausgeführt werden. Die Erfindung zeigt ein Verfahren,
nach welchem ein zu der Meßanordnung gehörender Schwingungskreis auf Resonanz bei
dem gewünschten Wert der genannten Induktanz abgestimmt wird. Man kann auch die
genannte Strombahn in eine konventionelle Meßbrücke für Induktionsmessungen einschalten.
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F i g. 2 zeigt schematisch eine Anordnung zur automatischen Regelung
nach dem Verfahren. In F i g. 1 bezeichnet 1 die Elektrode, die über den
Kontaktring 2 Strom vom Ofentransformator 8 bekommt. Der Strom schließt sich über
das Schmelzbad 6. 16 bezeichnet das elektrodynamische System in einem Reaktanzrelais,
welches System aus zwei festen Spulen und einer beweglichen Spule 13 besteht. Die
eine feste Spule 14 ist an die Sekundär-Seite eines Stromtransformators 9
geschaltet, dessen Primärseite mit der Sekundärseite des Ofentransformators reihengeschaltet
ist. Die andere feste Spule 15 des Systems ist über einen Regelwiderstand
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an einem zu dem kompletten Reaktanzrelais gehörigen Phasendrehorgan
10 angeschlossen, das für eine Phasendrehung der dem Organ zugeführten Spannung
um 90° vorgesehen ist, die im vorliegenden Fall die Spannung zwischen den auf dem
Gewölbering 3 angeordneten Kontakrollen 5 und dem Schmelzbad 6 ist. Die bewegliche
Spule 13 des Relais wird von einem Stromtransformator 11 mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis
und mit in Reihe mit der festen Spule 14 geschalteter Primärseite gespeist. Bei
einem gewissen Wert der Reaktanz der Strombahn zwischen Gewölbering 3 und Schmelze
6 herrscht Gleichgewicht zwischen den Kräften, die auf die bewegliche Spule 13 wirken,
und dieser Wert ist abhängig von den Konstanten des Relais, die mittels der einstellbaren
Elemente 11 und 12 variiert werden können. Ein mit Teilkontakten versehener
Arm 17 ist auf der beweglichen Spule 13 befestigt und derart im Verhältnis zu anderen
Teilkontakten angeordnet, daß Gleichstrom einem für die Elektrodenbewegung vorgesehenen
Motor 18 in der einen oder anderen Richtung zugeführt wird, wenn das Gleichgewicht
zwischen den auf die Spule 13 wirkenden Kräften gestört wird, d. h., wenn
die genannte Reaktanz kleiner bzw. größer als der gewünschte Wert wird.
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Die in der Zeichnung gezeigte Anordnung ist nur einer der vielen im
Rahmen der Erfindung denkbaren Ausführungsformen. So kann der in F i g. 2 gezeigte
Kontaktarm durch einen Geber ersetzt werden, der einem Servosystem eine Größe zuführt,
die im wesentlichen proportional der Abweichung der beweglichen Spule von der Gleichgewichtslage
ist.
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Eine Anordnung nach der Erfindung zur Durchführung des auf der Anwendung
eines hochfrequenten Meßkreises aufgebauten Verfahrens wird dadurch erhalten, daß
eine von der Induktanz der genannten Strombahn abhängige Spannung im Meßkreise,
z. B. die Spannung über dem bei Gleichgewicht stromlosen Zweig in einer Meßbrücke,
einem Verstärker zugeführt wird, der zusammen mit dem Betätigungsgerät der Elektroden
zu einem Servosystem gehört.