DE1540879C - Verfahren zur Messung und Steuerung der Elektrodenstellung in elektrischen Re duktionsofen - Google Patents

Description

Bei elektrischen Reduktionsofen fließt elektrischer Strom von einer Elektrode durch die Charge in die Schmelze, wobei zwischen der Spitze der Elektrode und der Schmelze eine Reaktionszone gebildet wird, deren Form zwar nicht genau bekannt, aber annähernd kegelförmig zu denken ist. Im Betrieb ändert sich der spezifische Widerstand in der Reaktionszone und außerdem die Lage der Elektrodenspitze -in der Charge, da sie einem Abbrand unterliegt.

Nun ist es bekannt, daß die Wirtschaftlichkeit des elektrothermischen Prozesses und die Zusammensetzung sowie die Eigenschaften der entstehenden Schmelze in einem sehr hohen Maße davon abhängen, daß die innerhalb jedes Volumenelementes der Reaktionszone in Wärme umgesetzte elektrische Leistung einen bestimmten Mimmalwert überschreitet und im wesentlichen konstant gehalten wird. Wenn die Reaktion beginnt, findet ein fortschreitendes Schmelzen der Charge statt, was bedeutet, daß der Pegel der darunterliegenden Schmelze allmählich ansteigt. Dieser _t Pegel setzt seinen Anstieg fort, bis die Schmelze abgelassen wird, wonach der gleiche Vorgang sich zyklisch wiederholt. Es ergibt sich also, daß sich die Abstände zwischen der Deckfläche und der Schmelze und zwischen diesen und dem untersten Punkt der Elektrode beträchtlich ändern. Weil aber die Reaktionszone zwischen der Elektrodenspitze und der Schmelze liegt, rufen derartige Änderungen entsprechende Änderungen der Höhe der Reaktionszone hervor, wobei eine bestimmte Höhenänderung eine verhältnismäßig viel größere Änderung des Volumens der Reaktionszone bedingt. Es ist also wichtig, den Abstand der Elektrodenspitze von der Schmelzoberfläche möglichst genau zu bestimmen.

Bei bekannten Verfahren zur Elektrodenregelung in Reduktionsofen werden elektrische Betriebsgrößen, beispielsweise der Widerstand, die Energie, die Stromstärke oder die Phasennacheilung, gemessen. Die gemessenen Werte werden dann in Impulse umgesetzt, welche die Höhenlage der Elektrode nach oben oder nach unten regulieren. Es liegt jedoch keine eindeutige Beziehung zwischen irgendeiner der elektrischen Betriebsgrößen und der Elektrodenlage vor.

Bei einer bekannten Vorrichtung (deutsche Auslegeschrift 1 049 000) wird der Wirkungswiderstand in elektrischen Elektrodenschmelzöfen während des Betriebes mit Hufe eines elektrodynamischen Quotientenmessers mit einer Feldspule und zwei Kreuzspulen derart gemessen, daß die Feldspule und die eine Kreuzspule direkt oder indirekt mit einer der Elektroden des Ofens in Reihe geschaltet sind, während die andere Kreuzspule direkt oder indirekt an die Spannung der gleichen Ofenelektrode angeschaltet ist. Auch bei diesem Verfahren wird nicht etwa die Elektrodenstellung, sondern der Wirkwiderstand der Beschickung gemessen, und es wird dort ausdrücklich auf den veränderlichen spezifischen Widerstand der Beschickung hingewiesen. :

Nach einem nicht veröffentlichten Vorschlag (deutsche Patentschrift 1 188 227) wird zur Bestimmung des Abstandes der Elektrode von der Schmelzoberfläche der Blindwiderstand des im Ofen verlaufenden Teils der Elektrodenstrombahn ermittelt, der in erster Näherung vom spezifischen Widerstand der Beschickung unabhängig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch welches der Abstand der Spitze der Elektrode von der Schmelzoberfläche in elektrischen Reduktionsöfen bestimmt werden kann. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, die Lage der Elektrodenspitze durch Messung der Änderung des elektrischen Wirkwider-Standes zu bestimmen, die bei einer Änderung der vertikalen Lage der Elektrodenspitze gegenüber dem Pegel der Schmelze eintritt, und daß hierbei die Größe des spezifischen Widerstandes in erster Näherung eliminiert werden kann. Es läßt sich nämlich zeigen, daß die Höhe H der Elektrodenspitze über dem Schmelzpegel sich ausdrücken läßt durch die Beziehung R -jjr- -, wenn dR die Änderung des elektrischen Wirkwiderstandes R bezeichnet, die bei einer geringen Änderung dH der vertikalen Lage der Elektrode im Ofen auftritt.

Nimmt man zunächst an, daß der spezifische Widerstand ρ der Beschickung räumlich konstant ist, so ist der Wirkwiderstand der Beschickung gleich dem Produkt aus dem spezifischen Widerstand und einem Ausdruck, der allein von den räumlichen Verhältnissen und Abmessungen im Ofen, unter anderem von der Höhe H der Elektrodenspitze über der Schmelzoberfläche abhängt und daher als Funktion /(H) dargestellt werden kann. Es ist:

R	= Q-RH)
dR	„ . f(fj\
dH	. Q J (H)
dH	1
dR	Q-T(H)
dH	J(H)

dR

= F[H)

Im Ausdruck F(H) in Gleichung (2) ist somit der spezifische Widerstand eliminiert. .

. Tatsächlich ist der spezifische Widerstand wegen der unterschiedlichen Temperaturen in verschiedenen Bereichen der Beschickung räumlich nicht konstant. Der spezifische Widerstand an irgendeinem Punkt der Beschickung läßt sich dann als Produkt aus dem mittleren spezifischen Widerstand ρο und einem Koeffizienten darstellen, der die Ortsabhängigkeit berücksichtigt. Bei verschiedenen Temperaturen bzw. Zusammensetzungen der Beschickung wird zwar der mittlere spezifische Widerstand erheblich schwanken; die räumliche Verteilung der Koeffizienten für die Ortsabhängigkeit wird aber — wenigstens bei den üblichen Betriebszuständen — als weder von der Temperatur noch von der Möllerzusammensetzung, sondern allein von den geometrischen Verhältnissen des Ofens (unter anderem von H) abhängig abgenommen werden können. Diese Koeffizienten führen daher in Gleichung (1) lediglich zu einer gewissen Modifizierung der Funktion /(H), die danach g(H) genannt werden soll, ohne daß sie hierdurch — bei im übrigen fest vorgegebener Ofengeometrie — von anderen Größen als allein von H abhängig wird. Die Gleichungen (1) und (2) sind daher wie folgt abzuwandeln :

R = V₀-B(H) (la)

dH dR

g(H)
g'(H)

(2 a)

Auch im Ausdruck G(H) in Gleichung (2 a) ist somit der spezifische Widerstand eliminiert.

Entsprechend dem dargelegten Zusammenhang wird zur Lösung der obengenannten Aufgabe gemäß der Erfindung die Elektrode um ein geringes Stück in den Ofen hinein verschoben, und es werden der elektrische Wirkwiderstand der Beschickung unmittelbar vor und nach der Elektrodenverstellung sowie die Größe der Elektrodenverstellung gemessen. Gemäß einer vorteilhaften Anwendung der Erfindung zur automatischen Elektrodenregelung wird der gemessene erste Widerstandswert R, die Differenz dR der gemessenen Widerstandswerte und die Größe dH der Elektrodenverschiebung automatisch einer Regelvorrichtung zugeführt, in welcher die Abweichung des ermittelten

Wertes R —nr von einem vorgegebenen Betrag zur

üK

selbsttätigen Einstellung der Lage der Elektrodenspitze dient.

Es ist zwar bereits in der Literatur allgemein angegeben, bei einem Optimalwertregler den Differentialquotienten -p- zweier Meßgrößen, z. B. der Temperatur χ und der Stellgröße y, zu verwenden und ihn gleich Null zu setzen, indem man eine dauernde Änderung der Stellgröße vornimmt und feststellt, ob sich die Temperatur mitändert oder nicht. Einen Hinweis auf die besondere, der Erfindung zugrunde . liegende Aufgabe der Ermittlung der Elektrodenlage in Elektrodenschmelzöfen sowie auf die Lösung dieser speziellen Aufgabe durch Messung der Differenz des ohmschen Widerstandes bei Änderung der Lage der Elektrodenspitze ist jedoch der betreffenden Literaturstelle nicht zu entnehmen. ■ .

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaubild zur Darstellung des Einflusses einer veränderten Zusammensetzung oder Temperatur der Charge auf den Wirkwiderstand der Charge innerhalb eines Reduktionsofens,

F i g. 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des Regel Verfahrens nach der Erfindung in Blockschaltbilddarstellung.

Die Kurven I und II von F i g. 1 zeigen einen Wirkwiderstand R als Funktion des Abstandes H zwischen der Elektrodenspitze und der Oberfläche der Schmelze, wobei die Kurve I einem höheren spezifischen Widerstand als die Kurve II entspricht. Der schraffierte Bereich entspricht einem Betriebsbereich mit Volumen- und Temperaturänderungen der Reaktionszone, welche in der Praxis noch tolerierbar sind. Es ist ersichtlich, daß bei der Durchführung einer Leistungssteuerung des Ofens in der Weise, daß der Wirkwiderstand konstant gehalten wird oder lediglich eine Änderung zwischen bestimmten Grenzen zugelassen wird, es wegen der Änderungen des ,. spezifischen Widerstands möglich ist, den Wirkwiderstand für sehr stark unterschiedliche Werte von H, d. h. für unterschiedliche Größen des Reaktionszonenvolumens, auf einem bestimmten Wert zu halten. Vorstehend wurde jedoch aufgezeigt, daß derartige Volumenänderungen sehr nachteilig sind.

In F i g. 2 ist ein Ofen mit einer Abdeckung 2 dargestellt, die von drei Elektroden 3 durchsetzt ist, welche teilweise in die Charge 4 eintauchen. Unter der Charge befindet sich die Schmelze 5. H gibt den Abstand zwischen der unteren Elektrodenspitze und der Oberfläche der Schmelze. Wie vorangehend erwähnt, wird bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Höhe H der Elektrodenspitze geändert und diese Änderung dH bestimmt. Eine entsprechende Vorschubeinrichtung ist lediglich für eine Elektrode dargestellt, jedoch sind bei der praktischen Ausführung alle Elektroden mit ähnlichen Steuereinrichtungen versehen. Jede Steuereinrichtung besteht aus einem Elektromotor 6, welcher über eine Welle 7 ein Rad oder eine Winde 8 antreibt, an der eine die Elektrode 3 tragende Stange oder ein Draht 9 hängt. Für die Erläuterung der Meßmethode werden nachstehend folgende Bezeichnungen verwendet:

R = Ohmscher Widerstand zwischen Elektrode und Bad,

H = Abstand der Elektrodenspitze von der Badoberfläche,

A = Abstand von Beschickungsoberfläche bis Badoberfläche,

k = eine Konstante (abhängig vom spezifischen Beschickungswiderstand),

η = eine Konstante (angenähert).

Der Widerstand R stellt sich Sann angenähert dar zu

R =

(A-H)" ■

Da der Abstand H der Elektrodenspitze von der Badoberfläche direkt schwer meßbar ist, verwendet nun das vorliegende Verfahren zur Messung dieses

Abstandes einen Wert-j^-, der durch Ausführung und Messung einer geringen Verschiebung dH der Elektrode in der Beschickung und gleichzeitige Messung der dabei auftretenden Änderung dR des Widerstandes R gewonnen wird.
Es ist nämlich nach (I):

dR dH

dH dR

nk

nk

Daraus ergibt sich aus (I) und (II):

dH A-H dR ~ η

H = A-nR

dH dR

(ΠΙ)

In dieser Gleichung (III) ist die Größe k eliminiert, die vom spezifischen Widerstand der Beschickung und damit von der Temperatur abhängig ist.

Da in einem gegebenen Ofen die Größen A und η praktisch als Konstante angesehen werden können,

ist der Ausdruck R -jw- ein Parameter für H, d. h.

für den Abstand der Elektrodenspitze von der Oberfläche des Bades.

Der gemessene Wert dH wird in eine Baueinheit 10 eingegeben, welche auch mit einer Information betreffend die Spannung V und die Stromstärke I an der gesteuerten Elektrode versorgt wird. Da die ent sprechende elektrische Schaltung in verschiedene:

Weise ausgeführt werden kann und einige geeignete Ausführungsformen bekannt sind, ist die folgende Beschreibung nicht auf deren genaue Erläuterung' gerichtet. Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist lediglich wichtig, daß auf der Basis der Werte, welche der Baueinheit 10 zugeführt werden, die Möglichkeit zur Bestimmung des' Wirkwiderstandes R und dessen Ableitung gegenüber der Höhe H besteht. Ein diese Ableitung -tu- darstellendes elektrisches Signal wird dann einer Baueinheit 11 zugeführt. Außerdem wird der Baueinheit 11 auch eine Information betreffend den absoluten Widerstandswert R zugeführt. Eine derartige Zufuhr findet dann statt, wenn ein elektrischer Schalter 14 sich in seiner Schließstellung befindet. Durch die Baueinheit 11 wird einer Baueinheit 12 ein Impuls zugeführt, welcher

das Produkt R -^- darstellt. Der Baueinheit 12 wird

IO

20

auch Strom für den Motor 6 durch eine geeignete Stromquelle 13 zugeführt. Die Baueinheit 12 enthält demgemäß Mittel, beispielsweise einen Schalter, welche in Abhängigkeit von der Art seitens der Baueinheit 11 gelieferten Steuerimpulses eine Drehung des Motors 6 in der einen oder anderen Richtung veranlassen, wobei die Elektrode angehoben oder abgesenkt wird. Die Anordnung kann mit Hilfe von empirisch ermittelten Kurven oder Tabellen geeicht werden. Die Anordnung kann auch vollautomatisch oder halbautomatisch arbeiten. Es ist auch möglich, Instrumente zur Anzeige und/oder Aufzeichnung der Elektrodenstellung anzubringen. In bestimmten Fällen ist es vorzuziehen, für jede Elektrode zwei Motoren 6 zu verwenden, deren einer die Auslenkung ergibt, auf welcher die Messung begründet ist, während der andere den Steuervorgang auf der Basis des Ergebnisses dieser Messungen ausführt. Wahlweise kann lediglich ein Motor verwendet werden, welcher bei unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten kann oder' Mittel zur Änderung seines Übersetzungsverhältnisses umfaßt, so daß die Meßbewegung in einem geringeren Ausmaß als die Steuejrbewegung erfolgt. Das Bewegungsintervall dH kann entweder konstant sein oder einer vorgegebenen, konstanten Änderung des elektrischen Wirkwiderstandes entsprechen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen des Abstandes der Elektrodenspitze von der Schmelzoberfläche in elektrischen Reduktionsofen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode um ein geringes Stück in den Ofen hinein verschoben wird und der elektrische Wirkwiderstand der Beschickung unmittelbar vor und nach der Elektrodenverstellung sowie die Größe der Elektrodenverstellung gemessen werden.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur automatischen Regelung der Elektrodenverstellung, dadurch gekennzeichnet, daß der, gemessene erste Widerstandswert J?, die Differenz dR der gemessenen -Widerstandswerte und die Größe dH der Elektrodenverschiebung automatisch einer Regelvorrichtung zugeführt werden, in welcher die Abweichung des gemessenen Wertes R —jjr- von einem vorgegebenen Betrag zur selbsttätigen Einstellung der Lage der Elektrodenspitze dient.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen