DE19636279A1 - Measuring arc furnace electrode vibrations - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen periodischer Bewegungen einer Elektro de eines Lichtbogenofens. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie ein Verfahren zur aktiven Stabilisation einer Elek trode eines Lichtbogenofens.The invention relates to a method for measuring periodic movements of an electrical system de an arc furnace. The invention further relates to a device for Implementation of this method and a method for active stabilization of an elec trode of an arc furnace.
In Lichtbogenöfen verwendete Elektroden bestehen in der Regel aus Kohle oder Graphit. Es handelt sich um ein verhältnismäßig sprödes Material, das zu Brüchen neigt. Beson ders bei modernen Öfen mit großen freien eingespannten Elektrodenlängen kann es da her während des Betriebs zu Elektrodenbrüchen kommen.Electrodes used in arc furnaces are usually made of carbon or graphite. It is a relatively brittle material that tends to break. Especially it can be the case with modern furnaces with large free clamped electrode lengths lead to electrode breaks during operation.
Häufig sind Resonanzschwingungen, die mechanisch (einstürzender Schrott oder ähnli ches) oder elektrisch (Lichtbogenplasmafluktuationen) angeregt werden, Ursache für Elektrodenbrüche. Aus offenkundiger Vorbenutzung ist es bekannt, Bewegungssensoren am Hubmast und/oder Tragarm der Elektrode anzubringen, um solche Resonanzschwin gungen zu erfassen. Mit diesen Sensoren lassen sich jedoch Schwingungen des freien eingespannten Elektrodenabschnitts (d. h. näherungsweise betrachtet Bewegungen der Elektrodenspitze gegenüber dem Tragarm) nicht oder nur ungenau erfassen.Frequently there are resonance vibrations that are mechanical (collapsing scrap or similar ches) or electrically (arc plasma fluctuations), cause for Electrode breaks. From known prior use, it is known to use motion sensors to attach to the mast and / or support arm of the electrode in order to achieve such a resonance oscillation conditions. With these sensors, however, vibrations of the free clamped electrode portion (i.e., approximately considered movements of the Do not grasp the electrode tip in relation to the support arm) or only inaccurately.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, daß zuverlässigere Aussagen über periodische Bewegungen einer Elektrode erlaubt, und mit dem es insbesondere möglich ist, kritische, möglicherweise zu einem Elektrodenbruch führende Resonanzschwingungen zu erkennen.The invention has for its object to a method of the type mentioned create more reliable statements about periodic movements of an electrode allowed, and with which it is possible, in particular, critical, possibly to one Detect leading resonance vibrations.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß wenigstens einer der folgenden Meßwerte erfaßt wird:The invention solves this problem in that at least one of the following measured values is recorded:
- - periodische Änderungen des Elektrodenstroms im Frequenzbereich 0,1-20 Hz;- periodic changes in the electrode current in the frequency range 0.1-20 Hz;
- - periodische Änderungen einer ein- oder mehrfachen Ableitung des Elektrodenstroms nach der Zeit im Frequenzbereich 0,1-20 Hz;- Periodic changes in a single or multiple derivation of the electrode current according to time in the frequency range 0.1-20 Hz;
- - periodische Änderungen einer zu einer der vorgenannten Größen im wesentlichen proportional elektrischen Größe im Frequenzbereich 0,1-20 Hz.- Periodic changes of one of the above sizes essentially proportional electrical quantity in the frequency range 0.1-20 Hz.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Bewegungen der Elektrodenspitze während des Ofenbetriebs die Lichtbogenlänge ändern, wodurch wiederum die Dichte des Licht bogenplasmas und damit auch dessen elektrischer Widerstand variiert wird. Die periodi schen Bewegungen der Elektrode rufen daher Schwankungen des Elektrodenstroms her vor, deren Frequenz der Frequenz dieser periodischen Bewegung entspricht. Um diese Stromschwankungen meßtechnisch erfassen bzw. sichtbar machen zu können, müssen sie von auf anderen Ursachen beruhenden Stromschwankungen (beispielsweise Plas marauschen) getrennt werden. Erfindungsgemäß ist zu diesem Zweck vorgesehen, daß die periodischen Änderungen des Elektrodenstroms bzw. entsprechender Größen nur in einem zwischen 0,1 und 20 Hz liegenden Frequenzbereich erfaßt werden. In diesem Fre quenzbereich liegen in der Regel zu Elektrodenbrüchen führende Resonanzschwingun gen, die daher erfaßt werden können. Die Beschränkung der Messung auf diesen Fre quenzbereich bewirkt, daß weder hochfrequentes Plasmarauschen noch die Netzfre quenz (in der Regel 50 oder 60 Hz) die Messung störend beeinflussen.The invention is based on the knowledge that movements of the electrode tip during furnace operation change the arc length, which in turn changes the density of the light arc plasma and thus its electrical resistance is varied. The periodi The movements of the electrode cause fluctuations in the electrode current whose frequency corresponds to the frequency of this periodic movement. Around To be able to record current fluctuations by measurement or to make them visible current fluctuations due to other causes (e.g. Plas murmur) can be separated. According to the invention it is provided for this purpose that the periodic changes in the electrode current or corresponding quantities only in a frequency range between 0.1 and 20 Hz can be detected. In this Friday frequency range are usually resonance vibrations leading to electrode breaks conditions that can therefore be detected. The limitation of the measurement to this Fre quenzbereich causes that neither high-frequency plasma noise nor the Netzfre frequency (usually 50 or 60 Hz) can interfere with the measurement.
Im Rahmen der Erfindung kann sowohl der Elektrodenstrom selbst (bzw. dessen Schwankungen im relevanten Frequenzbereich) als auch eine ein- oder mehrfache Ab leitung des Stroms nach der Zeit gemessen werden. Häufig wird man den Strom bzw. dessen Ableitung nicht direkt messen, sondern eine dazu im wesentlichen proportionale elektrische Größe (beispielsweise die über einem Widerstand abfallende Spannung bzw. die in einer Spule induzierte Spannung).In the context of the invention, both the electrode current itself (or its Fluctuations in the relevant frequency range) as well as a single or multiple Ab line of the current can be measured over time. Often you will do not measure its derivative directly, but an essentially proportional one electrical quantity (for example the voltage drop across a resistor or the voltage induced in a coil).
Die Messung einer Ableitung des Elektrodenstroms bzw. einer entsprechenden Größe kann sinnvoll sein, da bekanntlich die Ableitung einer periodischen Funktion nach der Zeit eine größere Flankensteilheit aufweisen kann als die Funktion selber. Dies kann die Er kennbarkeit und damit meßtechnische Erfaßbarkeit einer solchen periodischen Funktion erleichtern. Eine Ableitung des Elektrodenstroms kann entweder unmittelbar meßtech nisch erfaßt werden, beispielsweise durch eine im Feld des Hochstromleiters angeord nete Spule. Diese liefert bekanntlich ein Spannungssignal, das der Änderung des StromsThe measurement of a derivative of the electrode current or a corresponding quantity can be useful since, as is well known, the derivation of a periodic function over time can have a greater slope than the function itself. He can do this recognizability and thus metrological comprehensibility of such a periodic function facilitate. A derivation of the electrode current can either be measured directly niche are detected, for example, by a in the field of high-current conductor nete coil. As is known, this provides a voltage signal that indicates the change in current
proportional ist. Alternativ oder zusätzlich können dem Fachmann geläufige und daher hier nicht näher erläuterte Differenzierglieder vorgesehen sein, die die Meß werte ein- oder mehrfach nach der Zeit ableiten.is proportional. Alternatively or additionally, those skilled in the art can and therefore differentiators, not explained in more detail here, are provided which measure derive values one or more times.
Im Rahmen der Erfindung kann man sich auf eine qualitative Auswertung der erfaßten Meßwerte beschränken. Ein kritischer Meßwert, bei dessen Überschreiten die Elektro denschwingung so groß wird, daß ein Bruch droht, kann empirisch durch Versuche er mittelt werden. Sofern die Elektrodenschwingungen, insbesondere deren Amplitude, quantitativ erfaßt werden sollen, kann dies durch Eichmessungen, auf Modellannahmen beruhenden Berechnungen (Betrachtung des Lichtbogenplasmas als sog. nicht-lineare Plasmafeder) oder eine Kombination dieser Maßnahmen erfolgen.In the context of the invention, one can rely on a qualitative evaluation of the detected Limit measured values. A critical measured value, when exceeded, the electrical vibration can become so great that there is a risk of breakage, it can be tested empirically be averaged. If the electrode vibrations, in particular their amplitude, To be quantified, this can be done through calibration measurements based on model assumptions based calculations (consideration of the arc plasma as a so-called non-linear Plasma spring) or a combination of these measures.
Bevorzugte Frequenzbereiche für die Messung sind 0,1 bis 10 Hz, weiter vorzugsweise 1 bis 5 Hz bzw. 2 bis 4 Hz. In diesen Frequenzbereichen sind besonders häufig Resonanz schwingungen anzutreffen, die zu Elektrodenbrüchen führen können. Die genaue Aus wahl des zu erfassenden Frequenzbereichs wird der Fachmann anhand der ihm bekann ten Daten über Elektrodenmaterial, -durchmesser und die freie eingespannte Elektroden länge treffen, da unter anderem diese Parameter mögliche Resonanzfrequenzen beein flussen.Preferred frequency ranges for the measurement are 0.1 to 10 Hz, more preferably 1 up to 5 Hz or 2 to 4 Hz. Resonance is particularly common in these frequency ranges vibrations that can lead to electrode breaks. The exact out The person skilled in the art will be familiar with the choice of the frequency range to be recorded on the basis of this Data on electrode material, diameter and the free clamped electrodes length, because among other things these parameters influence possible resonance frequencies rivers.
Zur Meßwerterfassung kann ein einer Strecke des Hochstromleiters der Elektrode parallel geschalteter Widerstand vorgesehen sein. Die über diesem Widerstand abfallende Span nung wird gemessen und ist proportional dem durch den Hochstromleiter fließenden Strom.For the acquisition of measured values, a section of the high-current conductor of the electrode can be connected in parallel switched resistor may be provided. The chip falling over this resistance voltage is measured and is proportional to that flowing through the high-current conductor Electricity.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Meßwerterfassung ist die Verwendung eines Sensors, der das elektromagnetische Feld des Hochstromleiters erfaßt. Änderungen des Stromflusses rufen bekanntlich eine Änderung des den Hochstromleiter umgebenden elektromagneti schen Feldes hervor, diese Feldänderung ist proportional . Der Sensor ist vorteilhafter weise als Spule zur Detektion dieses elektromagnetischen Feldes ausgebildet. Gut ge eignet zur Messung der sehr hohen Elektrodenströme sind beispielsweise Rogowski- Spulen (Brown Boveri Mitt. 10/11-81, Seite 387). Ebenfalls verwendbar sind dem Fach mann geläufige sog. 3D-Spulen, die elektromagnetische Feldkomponenten in allen Raumrichtungen erfassen können und deren genaue Anordnung im Feld des Hoch stromleiters daher verhältnismäßig unkritisch ist.A preferred method for data acquisition is the use of a sensor that the electromagnetic field of the high-current conductor is detected. Changes in current flow are known to call for a change in the electromagnetic field surrounding the high-current conductor field, this field change is proportional. The sensor is more advantageous as a coil for the detection of this electromagnetic field. Well done Rogowski-, for example, are suitable for measuring the very high electrode currents. Coils (Brown Boveri Mitt. 10 / 11-81, page 387). The subject can also be used so-called 3D coils, the electromagnetic field components in all Can capture spatial directions and their exact arrangement in the field of high current conductor is therefore relatively uncritical.
Die genannten Sensoren zur Meßwerterfassung messen Stromschwankungen auch au ßerhalb des gewünschten Frequenzbereichs. Das Abtrennen des gewünschten Fre quenzbereichs, d. h. das Erfassen der periodischen Meßwertschwankungen nur im ge wünschten Frequenzbereich, kann beispielsweise mittels eines analogen oder digitalen Bandpaßfilters geschehen. Mit Hilfe dieser Filter kann der Meßwert im gewünschten Fre quenzbereich von den übrigen Signalanteilen abgetrennt und anschließend der weiteren Signalverarbeitung zugeführt werden.The sensors mentioned for measuring value measurement also measure current fluctuations outside the desired frequency range. The separation of the desired Fre frequency range, d. H. the detection of periodic measured value fluctuations only in ge Desired frequency range, for example by means of an analog or digital Bandpass filters happen. With the help of these filters, the measured value in the desired Fre frequency range separated from the remaining signal components and then the further Signal processing are supplied.
Ein anderes Verfahren zum Abtrennen des gewünschten Frequenzbereichs ist die Fast Fourier Transformation (FFT). Bei diesem dem Fachmann geläufigen Verfahren wird das Meßsignal von der Zeit- in die Frequenzdomäne transformiert. Im Frequenzspektrum kann man harmonische periodische Schwankungen im entsprechenden Frequenzbereich erkennen.Another method of separating the desired frequency range is the fast Fourier transformation (FFT). In this process familiar to the person skilled in the art, Measuring signal transformed from the time domain to the frequency domain. In the frequency spectrum you can see harmonic periodic fluctuations in the corresponding frequency range detect.
Das Meßsignal kann weiteren Verarbeitungsschritten unterworfen werden. Es kann ana log erfaßt werden (beispielsweise auf einem Oszilloskop) oder aber digitalisiert und zur Weiterverarbeitung und/oder Auswertung gespeichert werden. Es kann sinnvoll sein, das Meßsignal einer sog. RMS-Wandlung (root mean square-Wandlung) zu unterwerfen. Der RMS-Wert ist dem Energieinhalt der Schwingung proportional, so daß sich diese Wert besonders gut zur Ermittlung eines kritischen Grenzwerts der Schwingung, oberhalb des sen es zum Elektrodenbruch kommen kann, eignet. Die Umrechnung eines Meßwerts in den sog. RMS-Wert und dessen Auswertung sind dem Fachmann geläufig (vgl. bei spielsweise Jens Trampe Broch, Mechanical Vibration and shock measurements, Hrsg. Brüel & Kjaer GmbH, 1984, Seite 22).The measurement signal can be subjected to further processing steps. It can be ana log can be recorded (for example on an oscilloscope) or digitized and used Further processing and / or evaluation can be saved. It may make sense to do that Submit measurement signal to a so-called RMS conversion (root mean square conversion). Of the RMS value is proportional to the energy content of the vibration, so this value particularly good for determining a critical limit value of the vibration, above the electrode breakage is suitable. The conversion of a measured value into the so-called RMS value and its evaluation are familiar to the person skilled in the art (cf. for example Jens Trampe Broch, Mechanical Vibration and shock measurements, ed. Brüel & Kjaer GmbH, 1984, page 22).
Der erfindungsgemäß erhaltene Meßwert kann lediglich ausgewertet werden, es ist je doch auch möglich, diesen Meßwert als Regelsignal für eine Einrichtung zur Verhinde rung bzw. Minimierung von Elektrodenvibrationen zu verwenden. Ein solcher Regelkreis kann einen einfachen Grenzwertgeber beinhalten, der beim Überschreiten eines vorge gebenen Grenzwerts für die periodische Elektrodenbewegung den Elektrodenstrom redu ziert oder abschaltet.The measured value obtained according to the invention can only be evaluated; but it is also possible to use this measured value as a control signal for a device tion or minimization of electrode vibrations. Such a control loop can contain a simple limit transmitter which, when a pre-defined limit is exceeded given limit for the periodic electrode movement the electrode current redu adorns or switches off.
Das erfindungsgemäß erfaßte Meßsignal kann auch als Regelsignal in einem Regelkreis zur aktiven Stabilisation einer Elektrode verwendet werden. Aktive Stabilisation bedeutet in diesem Zusammenhang, daß entweder Maßnahmen getroffen werden, um auf die Elektrode wirkende Kräfte, die Resonanzschwingungen hervorrufen, zu vermindern oder aber Schritte unternommen werden, um die Eigenschwingfrequenzen des Elektro den/Tragarmsystems zu verändern, so daß die einwirkenden Kräfte nicht mehr zu sich aufschaukelnden Resonanzschwingungen führen.The measurement signal recorded according to the invention can also be used as a control signal in a control loop can be used to actively stabilize an electrode. Active stabilization means in this context that either measures are taken to address the Electrode forces that reduce or cause resonance vibrations but steps are being taken to reduce the natural vibration frequencies of the electro to change the / support arm system so that the acting forces no longer to themselves lead to resonating vibrations.
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere ein Verfahren zur aktiven Stabilisation einer Elektrode eines Lichtbogenofens, das die folgenden Schritte aufweist:The invention relates in particular to a method for the active stabilization of a Electrode of an arc furnace, comprising the following steps:
- - Messen der periodischen Bewegungen mittels eines Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 10,- Measuring the periodic movements using a method according to one of the An sayings 1 to 10,
- - axiales Verschieben der Elektrode in eine Stellung, in der die periodischen Bewe gungen minimiert werden, wobei der im ersten Schritt erfaßte Meßwert als Regelsig nal dient.- Axial displacement of the electrode in a position in which the periodic movement conditions are minimized, the measured value recorded in the first step being a control signal nal serves.
Das erfindungsgemäß vorgesehene axiale Verschieben der Elektrode verändert die Ei gen- bzw. Resonanzfrequenzen des Systems Elektrode/Tragarm. Man kann so erreichen, daß auf das System einwirkende Kräfte einer bestimmten Frequenz zu Resonanzschwin gungen führen, die die Elektrode zerstören können. Selbstverständlich darf ein axiales Verschieben der Elektrode nur in einem solchen Umfang erfolgen, daß der für den ge wünschten Ofenbetrieb erforderliche Abstand zwischen Elektrodenspitze und Schmelze allenfalls unwesentlich verändert wird. Die erfindungsgemäße Regelung zur aktiven Sta bilisierung wird daher einer aus dem Stand der Technik bekannten Regelung, die die axiale Stellung der Elektrode anhand von Regelgrößen wie dem Absolutwert des Elektro denstroms oder dergleichen einstellt, überlagert sein und die axiale Stellung der Elektrode lediglich ganz geringfügig verändern. Solche ganz geringfügige Änderungen verändern die Lichtbogenlänge und damit den Absolutwert des Elektrodenstroms nur unwesentlich, reichen aber aus, um periodische auf die Elektrode einwirkende Kräfte außer Phase mit einer Eigenfrequenz der Elektrode zu bringen, daß ein Aufschaukeln einer Resonanz vermieden wird.The axial displacement of the electrode provided according to the invention changes the egg frequency or resonance frequencies of the electrode / support arm system. You can achieve that forces acting on the system of a certain frequency to resonance oscillation conditions that can destroy the electrode. Of course, an axial Move the electrode only to such an extent that the ge desired furnace operation required distance between the electrode tip and the melt is changed insignificantly at most. The active sta bilization is therefore a known from the prior art regulation that axial position of the electrode based on controlled variables such as the absolute value of the electrical denstroms or the like, superimposed and the axial position of the electrode change only slightly. Change such minor changes the arc length and thus the absolute value of the electrode current is only insignificant, but are sufficient to take periodic forces out of phase with the electrode to bring a natural frequency of the electrode that a rocking resonance is avoided.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10. Die Vorrichtung weist folgende Bestandteile auf:The invention also relates to a device for carrying out the method according to one of claims 1 to 10. The device has the following components:
- - wenigstens einen Meßsensor zur Messung eines der in Anspruch 1 genannten Grö ßen,- At least one measuring sensor for measuring one of the sizes mentioned in claim 1 eat,
- - eine Einrichtung zum Abtrennen der Meßsignale im Frequenzbereich 0,1 bis 20 Hz von etwaigen übrigen Signalen,- A device for separating the measurement signals in the frequency range 0.1 to 20 Hz of any other signals,
- - eine Ausgabeeinrichtung für die Meßsignale.- An output device for the measurement signals.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 13 bis 18 geschildert, deren Merkmale oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren bereits erläutert worden sind.Advantageous embodiments of this device are in subclaims 13 to 18 described, the characteristics of which above in connection with the Ver drive have already been explained.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert. Darin zei gen:The invention is explained below by way of example with reference to the drawing. In it gene:
Fig. 1 schematisch eine Elektrode mit Trageinrichtung und den zwischen Elektro de und Stahlschmelze brennenden Lichtbogen; Fig. 1 shows schematically an electrode with a supporting device and the arc burning between electro de and molten steel;
Fig. 2 bis 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Fig. 2 to 4 an apparatus according to the invention.
Die in Fig. 1 dargestellte Elektrode 1 ist an einem Tragarm 2 angeordnet und wird von einem Spannkopf 3 gehalten, über den auch die Stromzufuhr erfolgt. Zwischen der Spitze der Elektrode 1 und dem Stahlbad brennt ein Lichtbogen, dessen Plasma bei 4 ange deutet ist. Periodische Bewegungen der Elektrode 1 (und damit der Elektrodenspitze ge genüber dem Stahlbad) führen zu einer "Auslenkung" und damit einhergehend zu Schwankungen des Elektrodenstroms.The electrode 1 shown in Fig. 1 is arranged on a support arm 2 and is held by a clamping head 3, via which also the power supply. An arc burns between the tip of the electrode 1 and the steel bath, the plasma of which is indicated at 4 . Periodic movements of the electrode 1 (and thus the electrode tip compared to the steel bath) lead to a "deflection" and thus to fluctuations in the electrode current.
In erster Näherung kann man Schwingungen der Elektrode 1 und ihrer Trageinrichtung
als eindimensionale harmonische Schwingungen beschreiben. Es gilt dann die folgende
Differentialgleichung:
mΣ + d + cx = FΣ (1)In a first approximation, vibrations of the electrode 1 and its support device can be described as one-dimensional harmonic vibrations. The following differential equation then applies:
m Σ + d + cx = F Σ (1)
mit
x: Schwingungsauslenkung (Amplitude)
mΣ: Gesamtmasse der an der Vibrationsbewegung teilnehmenden Teile
d: Dämpfungskonstante des Systems
c: Federkonstante des Systems
fΣ: Summe der die Schwingung anregenden Kräfte.With
x: vibration deflection (amplitude)
m Σ : total mass of the parts participating in the vibration movement
d: damping constant of the system
c: system spring constant
f Σ : Sum of the forces that excite the vibration.
Für den Fall einer gedämpften harmonischen Schwingung ohne äußere Anregung (FΣ = 0) gilt:In the case of a damped harmonic oscillation without external excitation (F Σ = 0) the following applies:
mΣ + d + cx = 0 (2)m Σ + d + cx = 0 (2)
In diesem Modell wird angenommen, daß die Vibrationsamplitude proportional der durch diese Vibration hervorgerufene Änderung des Elektrodenstroms ist. Der Elektrodenstrom als Funktion der Zeit läßt sich wie folgt ausdrücken:In this model, it is assumed that the vibration amplitude is proportional to that by this vibration is the change in electrode current. The electrode current as a function of time can be expressed as follows:
Iges(t) = I(t)·IRest(t) (3)I tot (t) = I (t) I rest (t) (3)
Iges(t): Der gesamte Elektrodenstrom in Abhängigkeit von der Zeit
I(t): eine Funktion, die Änderungen des Stroms im Frequenzbereich 0,1 bis 20 Hz
(oder einem Teilbereich davon) beschreibt, die auf die Elektrodenvibration zurück
zuführen sind
IRest(t): eine Funktion, die sämtliche übrigen Einflüsse auf den Elektrodenstrom beschreibt
(beispielsweise Plasmarauschen etc.).I tot (t): The total electrode current as a function of time
I (t): a function that describes changes in current in the frequency range 0.1 to 20 Hz (or a subrange thereof) that are due to the electrode vibration
I Rest (t): a function that describes all other influences on the electrode current (e.g. plasma noise etc.).
Im Rahmen der Erfindung wird die Funktion I(t) aus Iges(t) beispielsweise durch Bandpaß filter oder eine FFT abgetrennt.In the context of the invention, the function I (t) is separated from I ges (t), for example by a bandpass filter or an FFT.
Unter der Annahme, daß I(t) proportional x ist, läßt sich Gleichung (2) wie folgt umformen:Assuming that I (t) is proportional to x, equation (2) can be transformed as follows:
k₁mΣÏ + k₂d + k₃cl = 0 (4)k₁m Σ Ï + k₂d + k₃cl = 0 (4)
k₁, k₂ und k₃ sind die Proportionalitätskonstanten. Sofern diese Konstanten bekannt (beispielsweise empirisch ermittelt) sind, kann man aus den gemessenen Funktionen Ï, und I (jeweils als Funktion der Zeit) die Vibrationsbeschleunigung, -amplitude und -auslenkung berechnen.k₁, k₂ and k₃ are the proportionality constants. Provided these constants are known (determined empirically, for example), the measured functions Ï, and I (each as a function of time) the vibration acceleration, amplitude and - calculate deflection.
Gleichung (2) kann bei Bedarf verfeinert werden, um das Modell besser an die Realität anzupassen. Beispielsweise können die Koeffizienten mΣ, d und c wie folgt aufgespalten werden:Equation (2) can be refined if necessary to better adapt the model to reality. For example, the coefficients m Σ , d and c can be split as follows:
(mE + mT + mL + mS + mP - n₁) x + (dn + dp - n₂) x + (cm + cp) x = 0 (5)(m E + m T + m L + m S + m P - n₁) x + (d n + d p - n₂) x + (c m + c p ) x = 0 (5)
mit
mE: Elektrodenmasse
mT: Tragarmmasse
mL: Masse des Hochstromleiters
mS: Masse der Tragsäule (Halterung)
mT: Masse des Lichtbogenplasmas
n₁: empirischer Plasmaparameter zur Anpassung des Modells an die Realität
dn: Dämpfungskonstante der schwingenden Einheit aus Elektrode, Tragarm, Strom
leiter und Säule
dp: Dämpfungskonstante des Plasmas
n₂: empirischer Plasmaparameter zur Anpassung an die Realität
cm: Federkonstante der Einheit aus Elektrode, Tragarm, Stromleiter und Säule
cp: Federkonstante des Plasmas.With
m E : electrode mass
m T : support arm mass
m L : mass of the high-current conductor
m S : mass of the support column (bracket)
m T : mass of the arc plasma
n₁: empirical plasma parameters for adapting the model to reality
d n : damping constant of the vibrating unit consisting of electrode, support arm, conductor and column
d p : damping constant of the plasma
n₂: empirical plasma parameters for adaptation to reality
c m : spring constant of the unit consisting of electrode, support arm, conductor and column
c p : spring constant of the plasma.
In diesem Modell wird das Lichtbogenplasma als Feder betrachtet. Tatsächlich läßt sich ein Plasma näherungsweise als nichtlineare Feder beschreiben, deren Federkonstante mit zunehmender Auslenkung abnimmt.In this model, the arc plasma is considered a spring. You can actually describe a plasma approximately as a nonlinear spring, whose spring constant decreases with increasing deflection.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild schematisch eine Anordnung zur Messung von (I(t)). Ein Meßwiderstand R ist an zwei voneinander beabstandeten Punkten mit dem Hochstromleiter 5 verbunden durch den der Elektrodenstrom zugeführt wird. Durch den Meßwiderstand R fließt ein Teilstrom, der dem Elektrodenstrom proportional ist. Die über diesem Meßwiderstand R abfallende Spannung ist somit ebenfalls proportional dem Elektrodenstrom. Das dem Gesamtstrom Iges proportionale Spannungssignal wird im Ver stärker 6 verstärkt. Im Bandpaßfilter 7 wird der nicht interessierende Anteil Irest(t) ausge filtert, am Ausgang des Bandpaßfilters erhält man das Signal I(t) im relevanten Frequenz bereich (im vorliegenden Beispiel 1 bis 10 Hz). Bei dem Bandpaßfilter 7 kann es sich bei spielsweise um einen analogen Bandpaßfilter handeln, in bekannter Weise aus einem Hoch- und Tiefpaßfilter zusammengesetzt ist. Andere Ausführungsformen sind ebenfalls denkbar. Das am Ausgang des Bandpaßfilters 7 erhaltene Signal I(t) wird bei 8 in den bereits oben beschriebenen RMS-Wert umgewandelt, der sich besser zur Beschreibung des Energieinhalts einer Schwingung eignet. Anhand des RMS-Signals läßt sich leichter abschätzen, ab wann eine etwaige Schwingung einen Energieinhalt hat, der zum Elektro denbruch führen könnte. Fig. 2 is a block diagram schematically showing an arrangement for the measurement of (I (t)). A measuring resistor R is connected at two spaced apart points to the high-current conductor 5 through which the electrode current is supplied. A partial current that is proportional to the electrode current flows through the measuring resistor R. The voltage drop across this measuring resistor R is thus also proportional to the electrode current. The voltage signal, which is proportional to the total current I total, is amplified in the amplifier 6 . In the bandpass filter 7 , the portion I rest (t) of no interest is filtered out, at the output of the bandpass filter, the signal I (t) is obtained in the relevant frequency range (in the present example 1 to 10 Hz). The bandpass filter 7 can be an analog bandpass filter, for example, is composed in a known manner of a high and low pass filter. Other embodiments are also conceivable. The signal I (t) obtained at the output of the bandpass filter 7 is converted at 8 into the RMS value already described above, which is more suitable for describing the energy content of an oscillation. The RMS signal makes it easier to estimate the point at which a possible vibration has an energy content that could lead to a break in the electrode.
Das Ausgangssignal der schematisch in Fig. 2 dargestellten Meßschaltung kann auf ver schiedene Weise als Regelsignal zum Verhindern eines Elektrodenbruchs oder zur akti ven Elektrodenstabilisierung herangezogen werden. Es kann beispielsweise ein Grenz wertschalter vorgesehen sein, der beim Überschreiten eines vorgegebenen Signalpegels den Elektrodenstrom reduziert oder ggf. abschaltet. Aktive Elektrodenstabilisation kann betrieben werden, indem ein Überschreiten eines bestimmten Signalgrenzwerts zu einer geringfügigen axialen Verschiebung der Elektrode führt, um eine Resonanz und ein da durch bedingtes Aufschaukeln einer Schwingung zu vermeiden. Eine im Stand der Tech nik für sich genommen bekannte Fuzzy-Logic-Schaltung kann vorgesehen sein, um aus dem RMS-Meßwert die jeweils vorzunehmende Elektrodenverstellung abzuleiten. Ferner kann der Elektrode zwecks Stabilisierung ein Strom beaufschlagt werden, der gegenpha sig zu dem gemessenen Signal I bzw. RMS ist. Diese gegenphasige Strombeaufschla gung kann insbesondere strominduzierte Elektrodenschwingungen verringern helfen.The output signal of the measuring circuit shown schematically in Fig. 2 can be used in various ways as a control signal for preventing an electrode breakage or for active electrode stabilization. For example, a limit switch can be provided, which reduces the electrode current or switches it off if a predetermined signal level is exceeded. Active electrode stabilization can be operated in that an exceeding of a certain signal limit value leads to a slight axial displacement of the electrode in order to avoid resonance and the oscillation caused by it from being caused to oscillate. A fuzzy logic circuit known per se in the prior art can be provided in order to derive the respective electrode adjustment from the RMS measured value. Furthermore, a current can be applied to the electrode for the purpose of stabilization, which is antiphase to the measured signal I or RMS. This phase opposition to current can particularly help to reduce current-induced electrode vibrations.
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Meßschaltung, bei der der Hochstromleiter 5 von einer Rogowski Spule 9 umfaßt wird. Das in der Spule 9 induzierte Spannungssignal ist proportional Iges. Der Bandpaßfilter 7 filtert aus diesem Signal den unerwünschten Anteil IRest heraus. Die Weiterverarbeitung und Auswertung des Signals geschieht in der oben im Zusammenhang mit Fig. 2 geschilderten Weise. Fig. 3 shows the block diagram of a measuring circuit in which the high current conductor 5 is surrounded by a Rogowski coil 9 . The voltage signal induced in the coil 9 is proportional to I tot . The bandpass filter 7 filters the undesired component I rest out of this signal. The signal is further processed and evaluated in the manner described above in connection with FIG. 2.
Die in Fig. 4 schematisch dargestellte Schaltung wendet eine 3D-Spule 10 zur Detektion des den Hochstromleiter umgebenden elektromagnetischen Feldes an. Das Spannungs signal der 3D-Spule 10 ist proportional Iges. Es wird in der oben geschilderten Weise wei terverarbeitet. In Fig. 4 ist zusätzlich ein Differenzierglied 11 vorgesehen, daß das aus dem Bandpaßfilter 7 austretende Signal noch einmal ableitet und so Ï bildet. Nochma lige Ableitung des Signals kann die Detektion von Stromänderungen kleiner Amplitude erleichtern. Bei Bedarf können ein oder auch mehrere solche Differenzierglieder 11 auch bei den Schaltungen der Fig. 2 und 3 vorgesehen sein.The circuit shown schematically in FIG. 4 uses a 3D coil 10 to detect the electromagnetic field surrounding the high-current conductor. The voltage signal of the 3D coil 10 is proportional to I tot . It is further processed in the manner described above. In Fig. 4, a differentiator 11 is additionally provided that the signal emerging from the bandpass filter 7 is derived again and thus forms Ï. Another derivation of the signal can facilitate the detection of current changes of small amplitude. If necessary, one or more such differentiators 11 can also be provided in the circuits of FIGS. 2 and 3.
Claims (18)
- - periodische Änderungen des Elektrodenstroms im Frequenzbereich 0,1-20 Hz;
- - periodische Änderungen einer ein- oder mehrfachen Ableitung des Elektroden stroms nach der Zeit im Frequenzbereich 0,1-20 Hz;
- - periodische Änderungen einer zu einer der vorgenannten Größen im wesentli chen proportionalen elektrischen Größe im Frequenzbereich 0,1-20 Hz.
- - periodic changes in the electrode current in the frequency range 0.1-20 Hz;
- - Periodic changes of a single or multiple derivation of the electrode current over time in the frequency range 0.1-20 Hz;
- - Periodic changes in one of the above-mentioned quantities essentially proportional to the electrical quantity in the frequency range 0.1-20 Hz.
- - Messen der periodischen Bewegungen mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
- - axiales Verschieben der Elektrode (1) in eine Stellung, in der die periodischen Bewegungen minimiert werden, wobei der im ersten Schritt erfaßte Meßwert als Regelsignal dient.
- Measuring the periodic movements by means of a method according to one of claims 1 to 10,
- - Axial displacement of the electrode ( 1 ) in a position in which the periodic movements are minimized, the measured value recorded in the first step serving as a control signal.
- - wenigstens einen Meßsensor zur Messung eines der in Anspruch 1 genannten Größen,
- - eine Einrichtung zum Abtrennen der Meßsignale im Frequenzbereich 0,1-20 Hz von etwaigen übrigen Signalen,
- - eine Ausgabeeinrichtung für die Meßsignale.
- at least one measuring sensor for measuring one of the quantities mentioned in claim 1,
- a device for separating the measurement signals in the frequency range 0.1-20 Hz from any other signals,
- - An output device for the measurement signals.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1996136279 DE19636279A1 (en) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | Measuring arc furnace electrode vibrations |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE1996136279 DE19636279A1 (en) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | Measuring arc furnace electrode vibrations |
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| DE19636279A1 true DE19636279A1 (en) | 1998-03-12 |
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ID=7804870
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE1996136279 Withdrawn DE19636279A1 (en) | 1996-09-06 | 1996-09-06 | Measuring arc furnace electrode vibrations |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19636279A1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008034556A1 (en) * | 2006-09-18 | 2008-03-27 | Sms Demag Ag | Method for operating a melt-metallurgic furnace, and furnace |
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| WO2014044662A2 (en) | 2012-09-24 | 2014-03-27 | Sms Siemag Ag | Method for operating an arc furnace |
| EP4357712A1 (en) * | 2022-10-18 | 2024-04-24 | AMI INTERNATIONAL SAPI de C.V. | Electrode vibration detection module and methods thereof |
-
1996
- 1996-09-06 DE DE1996136279 patent/DE19636279A1/en not_active Withdrawn
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