DE19711453A1

DE19711453A1 - Verfahren zur Regelung bzw. Steuerung eines Schmelzprozesses in einem Drehstrom-Lichtbogenofen

Info

Publication number: DE19711453A1
Application number: DE19711453A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Poppe; Albrecht Sieber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2017-03-20
Also published as: CN1244333A; CN1132508C; DE19711453C2; DE19880328D2; WO1998042164A1; US6104744A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur Regelung bzw. Steuerung des Schmelzprozesses in einem Drehstrom-Lichtbogenofen mit zumindest drei einzeln und un abhängig voneinander in ihrer Höhe verstellbaren Elektroden.

In Drehstrom-Lichtbogenöfen wird Metallschrott mittels elek trischer Energie eingeschmolzen, wobei in den drei Licht bögen, die zwischen den Elektrodenspitzen und dem Schmelzgut brennen, die für den Schmelzprozeß erforderliche Umwandlung der elektrischen Energie in thermische Energie stattfindet. Zur Prozeßsteuerung kann der Arbeitspunkt des Lichtbogen ofens durch stufenweise Verstellung der dem Lichtbogenofen über einen Ofentransformator zugeführten Spannung sowie durch stufenlose getrennte Einstellung der Abstände zwischen den Elektrodenspitzen und dem Schmelzgut verändert werden. Durch Regelung der Elektrodenabstände zu dem Schmelzgut wird der gewählte Arbeitspunkt gehalten. Dies geschieht zumeist durch eine Impedanzregelung, indem für jede Elektrode aus laufend gemessenen elektrischen Größen, wie der Strangspan nung und dem Strangstrom, ein Impedanz-Istwert gebildet wird, aus dessen Abweichung von einem vorgegebenen Impedanz-Soll wert eine Stellgröße zur Höhenverstellung der jeweiligen Elektrode bestimmt wird.

Um den Arbeitspunkt des Lichtbogenofens den veränderlichen Anforderungen des Ofenbetriebs während des Schmelzprozesses anzupassen, werden bei einem aus der EP-A-0 036 122 bekann ten Verfahren die jeweils einer Spannungsstufe des Ofen transformators zugeordneten Arbeitspunkte von vorbestimmten Kennlinien des Ofenbetriebs als Impedanz-Sollwerte in einem Digitalspeicher abgelegt. Aus diesem Digitalspeicher werden dann von Hand durch das Ofenbedienpersonal während des Schmelzprozesses geeignete Arbeitspunkte ausgewählt.

Die Vorgabe der Arbeitspunkte bzw. Impedanz-Sollwerte zur Höheneinstellung der Elektroden erfolgt bisher in Abhängig keit von zuvor definierten Prozeßphasen (erster Korb, zwei ter Korb, Frischen) und Abschnitten innerhalb dieser Prozeß phasen (Aufsetzen der Elektroden auf kaltem Schrott, Nie derschmelzen, Fertigschmelzen auf flachem Schmelzbad), wobei die Impedanz-Sollwerte während dieser Abschnitte jeweils fest vorgegeben sind. Diese bisherige Vorgehensweise basiert auf der Annahme, daß sich innerhalb eines Abschnittes genü gend gleichbleibende, von Charge zu Charge reproduzierbare Verhältnisse finden. Nach ähnlichen Grundsätzen geschieht auch eine statische Symmetrierung des Drehstrom-Lichtbogen ofens.

Auf der Basis von näheren Kenntnissen über das Verhalten von Wechselstrom-Lichtbögen in Drehstrom-Lichtbogenöfen kann man jedoch davon ausgehen, daß die Voraussetzungen für eine sta tische Einstellung des Lichtbogenofens nicht zutreffen. Vielmehr ist davon auszugehen, daß sich die Verhältnisse in den einzelnen Lichtbögen auch während der Abschnitte der Prozeßphasen ändern, wobei insbesondere unsymmetrische Be triebsverhältnisse in dem Drehstrom-Lichtbogenofen in bezug auf die Anordnung der Elektroden auftreten können. Werden dann die Impedanz-Sollwerte unter der Annahme symmetrischer Bedingungen im Lichtbogenofen symmetrisch und stationär ein gestellt, so führt dies bei tatsächlich unsymmetrischen Ofenverhältnissen zu unterschiedlichen Stellgrößen, die dann über die Höhenverstellung der Elektroden unterschiedlich lange Lichtbögen einstellen. Dabei ist eine optimale Aus nutzung der dem Lichtbogenofen zugeführten Leistung nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lei stungsabgabe der Elektroden zu erhöhen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. Einrichtung gemäß Anspruch 12 gelöst. Dabei wird bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Dreh strom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Leistungsabgabe dieser Elektrode derart verringert, daß eine Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird und die Leistungsabgabe der anderen Elektroden oder eines Teils der Elektroden derart erhöht, daß die Gesamtleistungs abgabe der Elektroden bei vorgegebener Spannung maximal ist. Dabei werden vorteilhafterweise die Impedanzen in den Strompfaden der Elektroden im Sinne einer Maximierung der Gesamtleistungsabgabe der Elektroden optimiert, wobei bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Licht bogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Lei stungsabgabe dieser Elektrode auf einen Maximalwert begrenzt wird und wobei dieser Maximalwert im Sinne einer Nebenbedin gung bei der Optimierung, wie sie z. B. die DE 44 15 727 of fenbart, berücksichtigt wird. Wird dabei die Versorgungs spannung der Elektroden nicht reduziert, solange eine zweite kritische Temperaturgrenze überschritten wird, wird eine Er höhung der Produktionsleistung um ca. 7 bis 12% erreicht.

Dieser Optimierungsprozeß erfolgt in besonders vorteilhafter Weise on-line.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt bei ei ner Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode oberhalb einer ersten kritischen Temperatur grenze und unterhalb einer zweiten kritischen Temperatur grenze eine Umverteilung der Leistungsabgabe der einzelnen Elektroden, wobei die Versorgungsspannung der Elektroden konstant gehalten wird. Bei einer Temperatur des Drehstrom-Licht bogenofens in der Umgebung einer Elektrode oberhalb der zweiten kritischen Temperaturgrenze erfolgt vorteilhafter weise eine Umverteilung der Leistungsabgabe der einzelnen Elektroden, wobei die Versorgungsspannung der Elektroden verringert wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung ei ner Elektrode oberhalb einer dritten kritischen Temperatur grenze, die oberhalb der zweiten kritischen Temperaturgrenze liegt, die Versorgungsspannung der Elektroden stark verrin gert. Diese Ausführung verdeutlicht Fig. 5.

Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert besonders zuver lässig, wenn anstelle der gemessenen oder geschätzten Werte für die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens vorausge schätzte Temperaturwerte verwendet werden. Diese Voraus schätzung erfolgt vorteilhafterweise mit einem Gradienten verfahren oder einem Temperaturmodell, wobei das Temperatur modell ein analytisches Modell oder ein neuronales Netz sein kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Tempe ratur des Drehstrom-Lichtbogenofens derart geregelt, daß die Wirkleistungsabgabe einer Elektrode verringert wird, wenn die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens eine Solltempe ratur überschreitet und die Wirkleistungsabgabe vergrößert wird, wenn die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens eine Solltemperatur unterschreitet. Dabei entspricht die Solltem peratur vorteilhafterweise einer kritischen Temperaturgren ze, die im Bereich einer gerade noch zulässigen Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens liegt.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispie len, anhand der Zeichnungen und in Verbindung mit den Un teransprüchen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Drehstrom-Licht bogenofens mit einem vorgeschalteten Ofentransforma tor und einer erfindungsgemäßen Regelanordnung,

Fig. 2 ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild des Drehstrom-Lichtbogenofens,

Fig. 3 eine Leistungsregelung,

Fig. 4 eine Leistungsregelung in alternativer Ausgestaltung und

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Impedanzregelung.

Fig. 1 zeigt einen Drehstrom-Lichtbogenofen, bei dem drei Graphitelektroden 1, 2 und 3 durch Öffnungen in einem Ofen deckel 4 hindurch in ein Ofengefäß 5 ragen, in das als Schmelzgut Metallschrott 6 eingebracht ist. Die Elektroden 1, 2 und 3 sind über einen stufenweise verstellbaren Ofen transformator 7 an ein Drehstromnetz 8 angeschlossen. Zwi schen den Spitzen der Elektroden 1, 2 und 3 und dem Schmelz gut 6 bilden sich Lichtbögen 9 aus, in denen die dem Licht bogenofen zugeführte elektrische Energie in thermische Ener gie zum Schmelzen des Schmelzgutes 6 umgewandelt wird.

Jede Elektrode 1, 2 und 3 ist mit einer Regelanordnung aus gestattet. Da die Regelanordnungen einander im Aufbau genau entsprechen, ist nur die Regelanordnung für die Elektrode 1 näher dargestellt. Die Elektrode 1 ist, wie auch die jeweils anderen Elektroden 2 und 3, an einem Tragarm 17 befestigt, der über eine hydraulische Anstellvorrichtung 10 mit einem elektrohydraulischen Stellglied 11 höhenverstellbar ist, wo durch eine Einstellung der Lichtbogenlänge möglich ist. Das Stellglied 11 ist an dem Ausgang eines Impedanzreglers 12 angeschlossen. Über einen Stromwandler 13 und einen Span nungswandler 14 werden der durch die Elektrode 1 fließende Strangstrom i₁ und die Strangspannung u_1M zwischen der zuge hörigen Sekundärklemme des Ofentransformators 7 und dem durch das Ofengefäß 5 mit dem Schmelzgut 6 gebildeten Stern punkt erfaßt und in einer Meßeinrichtung 15 in einen Im pedanz-Istwert Z₁ des betreffenden Ofenstrangs umgerechnet. Dieser Impedanz-Istwert Z₁ wird in einem Summierpunkt 16 mit einem vorgegebenen Impedanz-Sollwert Z₁* für den betref fenden Strang verglichen. Die so erhaltene Regelabweichung ΔZ₁ wird als Eingangsgröße dem Impedanzregler 12 zugeführt, welcher in Abhängigkeit von der Regelabweichung ΔZ₁ ein Stellsignal S₁ zur Höhenverstellung der Elektrode 1 erzeugte.

Die Impedanz-Sollwerte Z₁*, Z₂* und Z₃* werden mittels eines erfindungsgemäßen Impedanzoptimierers 30 ermittelt. Der Im pedanzoptimierer 30 errechnet die Impedanz-Sollwerte Z₁*, Z₂* und Z₃* derart, daß die Leistungsabgabe der Elektrode 1, 2, 3 maximal ist. Mittels einer Temperaturmeßeinrichtung 31 wird die Temperatur T des Drehstrom-Lichtbogenofens über wacht. Überschreitet die Temperatur T des Drehstrom-Licht bogenofens eine erste kritische Temperaturgrenze in der Nähe einer Elektrode 1, so wird die Wirkleistungsabgabe der Elektrode 1 dadurch begrenzt, daß die Wirkleistungsabgabe zumindest einer der anderen Elektroden erhöht wird, wobei die Sekundärspannung des Transformators 7 nicht verändert wird. Die Impedanz-Soll-Werte Z₁*, Z₂* und Z₃* werden dabei derartig berechnet, daß die Gesamtleistungsabgabe maximal ist, ohne daß die maximal zulässige Wirkleistungsabgabe für Elektrode 1 überschritten wird. Wird die erste kritische Temperaturgrenze in der Nähe aller Elektroden 1, 2 und 3 überschritten, so wird die Sekundärspannung des Transforma tors 7 verringert. Die Sekundärspannung des Transformators 7 wird außerdem dann verringert, wenn eine zweite kritische Temperaturgrenze in der Nähe einer Elektrode 1 überschritten wird.

Der Impedanzoptimierer 30 und der Impedanzregler sind vor teilhafterweise auf einer Steuerungs- bzw. Regelungseinrich tung 32 implementiert.

Wie das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild eines Drehstrom-Lichtbogenofens in Fig. 2 zeigt, stellt der Dreh strom-Lichtbogenofen einen im Stern geschalteten unsymmetri schen und zeitvarianten ohmsch-induktiven Verbraucher dar, dessen freier Sternpunkt M von dem Schmelzgut 6 gebildet wird. Die den einzelnen Strängen zugeordneten elektrischen Größen sind entsprechend den zugehörigen Elektroden in Fig. 1 mit den Indizes k = 1, 2, 3 versehen. Mit u₁₂, u₂₃ und u₁₃ sind die verketteten Spannungen zwischen den Ofensträngen und mit i₁, i₂ und i₃ die einzelnen Strangströme bezeichnet. Die von den Elektroden 1, 2 und 3 und deren Zuleitungen ge bildeten Leitungsresistanzen R_L1, R_L2 und R_L3 und Lei tungsreaktanzen X_L1, X_L2 und X_L3 können im Kurzschluß versuch, also beim Aufsetzen der Elektroden 1, 2 und 3 auf dem Metallschrott 6 meßtechnisch bestimmt werden.

Das elektrische Verhalten eines Lichtbogens 9 wird durch ei ne nichtlineare und unstetige Strom-Spannungs-Kennlinie be schrieben, deren Verlauf von dem Abstand der Elektroden spitze zur Schmelze abhängig ist. In dem dargestellten Er satzschaltbild wird jeder Lichtbogen 9 jeweils durch eine Lichtbogenresistanz R_b1, R_b2, R_b3 und eine Lichtbogenreak tanz X_b1, X_b2, X_b3 ersetzt. Die Lichtbogenresistanz und -reaktanz jedes einzelnen Lichtbogens 9 ist nicht nur von der Länge des betreffenden Lichtbogens 9, sondern auch von den Lichtbogenlängen der jeweils anderen Lichtbögen abhän gig. Wird also z. B. der Abstand der Elektrode 1 zu der Schmelze 6 verändert, so ändern sich neben der Lichtbogenre sistanz R_b1 und der Lichtbogenreaktanz X_b1 auch die Lichtbo genresistanzen R_b2 und R_b3 und die Lichtbogenreaktanzen X_b2 und X_b3.

Die Wirkleistung, die in den einzelnen Lichtbögen umgesetzt wird, läßt sich mit Hilfe der komplexen Wechselstromrechnung für das linearisierte Ersatzschaltbild nach Fig. 2 berechnen. Werden dabei in jedem Strang die Reaktanzen X_Lk und X_bk zu einer Betriebsreaktanz X_k und die Resistanzen R_Lk und R_bk unter Vernachlässigung der Leitungsverlustwiderstände R_Lk zu einer Betriebsresistanz R_k mit k = 1, 2, 3 zusammengefaßt, so ergibt sich für die Wirkleistungen P_k in den einzelnen Lichtbögen 9:
P₁ = P₁(U₀, R₁, R₂, R₃, X₁, X₂, X₃)
P₂ = P₂(U₀, R₁, R₂, R₃, X₁, X₂, X₃)
P₃ = P₃(U₀, R₁, R₂, R₃, X₁, X₂, X₃).

Dabei bezeichnet U₀ den über den Ofentransformator 7 ein gestellten Effektivwert der verketteten Spannung des als symmetrisch angenommenen Dreiphasensystems. Für die in den Lichtbögen 9 umgesetzte Gesamtwirkleistung gilt
P = Σ P_k(U₀, R₁, R₂, R₃, X₁, X₂, X₃) mit k 1, 2, 3.

Wie bereits erwähnt, verändern sich die Resistanzen R_k und Reaktanzen X_k in jedem Ofenstrang mit der Lichtbogenlänge, wobei es jedoch einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen den Resistanzen R_k und den Reaktanzen X_k gibt. Wenn dieser Zusammenhang bekannt ist, reduziert sich die Anzahl der un bekannten Größen, von denen die Gesamtwirkleistung in den Lichtbögen abhängig ist, auf vier. Zur Maximierung der Ge samtwirkleistung P können diese vier Größen mit Hilfe der vier zur Verfügung stehenden Stellgrößen, nämlich der Trans formatorspannung U₀ und den drei Stellgrößen S₁, S₂ und S₃ zur Höhenverstellung der einzelnen Elektroden 1, 2 und 3 eingeregelt werden. Mit anderen Worten: Wenn die nicht linearen Zusammenhänge zwischen den Resistanzen R_k und Reak tanzen X_k durch eine nichtlineare Funktion X_k = NN_k(R₁, R₂, R₃) beschrieben werden können, ergibt sich am Maximum der Gesamtwirkleistung P ein optimales Widerstandstripel R_1opt, R_2opt, R_3opt, woraus sich wiederum mit den Funktionen NN_k die optimalen Soll-Impedanzen Z₁*, Z₂* und Z₃* für die Impe danzregelung und damit die Höhenverstellung der Elektroden 1, 2, 3 berechnen lassen.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Regelung des Schmelzprozes ses in dem Drehstrom-Lichtbogenofen anhand eines Block schaltbildes. Der Lichtbogenofen 18 wird aus dem Ofentrans formator 7 mit den verketteten Spannungen u₁₂, u₂₃ und u₁₃ gespeist. Die Abstände der Elektroden 1, 2 und 3 zu dem Schmelzgut 6 werden in Abhängigkeit von Stellsignalen S₁, S₂, S₃ eingestellt, die von den Elektroden 1, 2 und 3 ein zeln zugeordneten und hier in einer Impedanzregelanordnung 19 zusammengefaßten Impedanzreglern 12 bereitgestellt wer den. Die Impedanzregelanordnung 19 erzeugt dabei die Stell signale S₁, S₂, S₃ in Abhängigkeit von den Regelabweichungen zwischen vorgegebenen Impedanz-Sollwerten Z₁*, Z₂*, Z₃* und gemessenen Impedanz-Istwerten Z₁, Z₂, Z₃ des Lichtbogenofens 18. In einer Meßeinrichtung 20 werden die Strangspannungen u_1M, u_2M, u_3M und Strangströme i₁, i₂, i₃ mit hoher Ab tastrate kontinuierlich abgetastet und im Takt der Grund schwingungsperiode aufbereitet. Dabei werden aus den gemes senen Größen u_kM und i_kM mit k = 1, 2, 3 die Effektivwerte der Strangspannungen U₁, U₂, U₃, die Effektivwerte der Strangströme I₁, I₂, I₃, die Strangwirkleistungen P₁, P₂, P₃ und die Ofenimpedanzen, also die Impedanz-Istwerte Z₁, Z₂, Z₃ mit Zkt = U_k/I_k berechnet. Zusammen mit den Impedanz-Ist werten werden auch die zugehörigen Resistanz-Istwerte R₁, R₂, R₃ mit R_k = P_k/I_k ² und die Reaktanz-Istwerte X₁, X₂, X₃ mit X_k = (Z_k ² - R_k ²)^1/2 berechnet. Schließlich werden auch noch die thermischen Wandbelastungen V₁, V₂, V₃ des Lichtbo genofens 18 durch die Lichtbögen 9 mit z. B. V_k = P_k ²/I_k ² bestimmt.

Die laufend ermittelten Resistanz-Istwerte R₁, R₂, R₃ werden einem neuronalen Netzwerk 21 zugeführt, das dazu dient, die Zusammenhänge zwischen den gemessenen Resistanz-Istwerten R₁, R₂, R₃ und den Reaktanz-Istwerten X₁, X₂, X₃ lernend zu bestimmen. Dazu erzeugt das neuronale Netzwerk 21 ausgangs seitig drei Netzwerkantworten X_NN1, X_NN2, X_NN3, die in einer Vergleichseinrichtung 22 mit den zugeordneten Reaktanz-Ist werten X₁, X₂, X₃ verglichen werden. In Abhängigkeit von den Vergleichsergebnissen werden in einem Lernalgorithmus 23 die Netzwerkparameter α_NN1, α_NN2, α_NN3 des neuronalen Netz werkes 21 im Sinne einer Verringerung der Abweichungen zwi schen den Netzwerkantworten X_NNk und den Reaktanz-Istwerten X_k verändert. Auf diese Weise werden die Zusammenhänge zwi schen den Resistanzen R_k und den Reaktanzen X_k gelernt, wo bei das so erhaltene Wissen ständig in Abhängigkeit von dem laufenden Prozeßgeschehen aktualisiert wird. Anstelle eines einzigen neuronalen Netzwerkes können auch drei verschiedene neuronale Netzwerke vorgesehen werden, denen eingangsseitig jeweils alle Resistanz-Istwerte R₁, R₂, R₃ zugeführt werden und von denen jedes neuronale Netzwerk jeweils eine Netz werkantwort X_NNk liefert.

Der gelernte Zusammenhang X_k = N_Nk(R₁, R₂, R₃) wird in eine Recheneinrichtung 24 übertragen, in der auf der Grundlage des in Fig. 2 gezeigten Ersatzschaltbildes die Gesamtwirk leistung P der Lichtbögen 9 als Funktion des Effektivwertes der verketteten Spannung U₀, der Resistanzen R₁, R₂, R₃ und der Reaktanzen x₁, x₂, x₃ dargestellt wird. Bei einer vor gegebenen Spannungsstufe U₀ ergibt sich die maximale Wirk leistung P_max aufgrund der Bedingung ∂P/∂R₁ = 0, ∂P/R₂ = 0 und ∂P/∂R₃ = 0. Durch Lösung dieser Gleichungen erhält man am Maximum der Wirkleistung P_max die Resistanzwerte R_1opt, R_2opt, R_3opt mit R_kopt = R_kopt(X₁, X₂, X₃). Aufgrund des ge lernten Zusammenhangs X_k = NN_k(R₁, R₂, R₃) erhält man in ei nem nächsten Schritt die zu den Resistanzen R_1opt, R_2opt, R_3opt zugehörigen Reaktanzen X_1opt, X_2opt, X_3opt und damit schließlich die Impedanz-Sollwerte Z₁*, Z₂*, Z₃* mit Z_k* = (R_kopt ² + X_kopt ²)^1/2.

Die oben angegebene Bedingung, daß die Ableitung der Gesamt wirkleistung P am Optimum nach den Resistanzen R_k null wird, ist nur zulässig, wenn keine Randbedingungen vorliegen und das globale Optimum erreicht werden kann. Da jedoch in der Regel Randbedingungen für die Strangströme i_k, die ther mische Wandbelastung V_k und die Resistanzen R_k existieren, besteht die Optimierungsaufgabe in einer Maximierung der Ge samtwirkleistung P unter Einhaltung der Randbedingungen. Die Randbedingungen können beliebige nichtlineare Funktionen der Größen U₀, R₁, R₂, R₃, X₁, X₂, X₃ sein, wobei jedoch die Zu sammenhänge zwischen den Größen R_k und X_k aus dem in dem neuronalen Netzwerk 21 enthaltenen Wissen bekannt sind. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Blockschaltbild werden in einer Re cheneinheit 25 aus den ermittelten thermischen Wandbela stungen V₁, V₂, V₃ die Nebenbedingungen für die Maximierung der Gesamtwirkleistung P ermittelt und der Recheneinrichtung 24 übergeben.

Eine alternative Ausführungsform zeigt Fig. 4. Dabei werden anstelle der thermischen Wandbelastungen Temperaturmeßwerte T, die mit einer Meßeinrichtung 26 ermittelt werden, verwen det. Überschreiten die Temperaturmeßwerte oder die ermittel ten Wandbelastungen bestimmte kritische Werte, so wird in besonders vorteilhafter Ausgestaltung die Spannungsstufe U₀, mit der der Ofentransformator 7 eingestellt wird, nicht ver ringert. Eine Verringerung der Spannungsstufe U₀ erfolgt erst nach Überschreiten einer zweiten kritischen Temperatur grenze, die oberhalb der ersten kritischen Temperaturgrenze liegt.

In weiterhin alternativer Ausgestaltungsform werden sowohl die thermischen Wandbelastungen V₁, V₂, V₃ ermittelt sowie Temperaturmeßwerte T mit einer Meßeinrichtung 26 ermittelt.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Impedanzregelung. Dreh strom-Lichtbogenöfen besitzen in der Regel am oberen Teil der Wand sogenannte Kühlkästen, die die Aufgabe besitzen, den Teil der Strahlungsenergie, der nicht ins Stahlbad, son dern an die Wand strahlt, abzuführen. Diese Kühlkästen ar beiten typischerweise mit Verdampfungskühlung oder mit Was serkühlung. Wenn die Strahlungsenergie, die direkt an die Kühlkästen strahlt, zu groß wird bzw. über einen gewissen Zeitraum zu groß ist, dann können die Kühlkästen die Energie nicht mehr vollständig abführen. Dies wird im Fall der Ver dampfungskühlung durch einen Rückgang der Durchflußmenge an gezeigt und im Fall der Wasserkühlung durch einen Anstieg der Wasserrücklauftemperatur.

Eine Überlastung der Kühlkästen ist zu vermeiden, da einer seits die Kühlkästen beschädigt werden und andererseits eine Überlastung auch als Maß für den Feuerfest-Verschleiß am un teren Teil der Wand des Lichtbogenofens angesehen werden kann. Deswegen muß eine Regelung auf eine Wärmebeaufschla gung auf die Kühlkästen reagieren. Bisher geschah dies in der Regel dadurch, daß die Sekundärspannung heruntergestuft wurde und damit auch die Gesamtwirkleistung merklich redu ziert wurde.

Es hat sich gezeigt, daß normalerweise nicht an allen Kühl kästen gleichzeitig eine Wärmebeaufschlagung auftritt, son dern meist nur an einem Kühlkasten bzw. an Kühlkästen, die im Bereich einer der drei Elektroden plaziert sind. (Jeder Kühlkasten wird derjenigen Elektrode zugeordnet, zu der der Abstand am kleinsten ist). Die erfindungsgemäße Regelung reagiert auf eine Wärmebeaufschlagung, die nur im Bereich einer Elektrode stattfindet, dadurch, daß bei gleichbleiben der Sekundärspannung die Strahlungsleistung der betroffenen Elektrode reduziert wird und zumindest ein Teil dieser Lei stung an die beiden anderen Elektroden abgegeben wird. Dies wird durch eine gezielte Änderung der drei Strangimpedanzen, d. h. den Impedanzen in den Strompfaden der Elektroden, er reicht. Die drei Strangimpedanzen werden werden mittels ei nes Optimierungsverfahrens eingestellt. Dabei wird die Ge samtwirkleistung maximiert mit der Rand- bzw. Nebenbedin gung, daß die Leistung der betroffenen Elektrode um einen bestimmten Reduktionsfaktor F reduziert wird gegenüber der Leistung zu der Zeit, in der die Wärmebeaufschlagung statt fand.

Die Regelung unterscheidet dabei, wie in Fig. 5 gezeigt, vier unterschiedliche Fälle:

1. Liegt die Wärmebeaufschlagung unter einer Konstante DQ_K1, die einer ersten kritischen Temperaturgrenze entspricht, dann erfolgt kein Eingriff und die Regelung stellt die Strangimpdanzen so ein, daß die Gesamtwirkleistung aller drei Elektroden maximiert wird.
2. Liegt die Wärmebeaufschlagung zwischen den Konstanten DQ_K1 und DQ_K2, die einer zweiten kritischen Temperatur grenze entspricht, dann erfolgt eine Umverteilung der Lei stung von der betroffenen Elektrode auf die beiden anderen Elektroden, ohne daß die Sekundärspannung heruntergestuft wird. Die Leistung der betroffenen Elektrode wird um einen Reduktionsfaktor reduziert, der davon abhängt, wie stark die Wärmebeaufschlagung ist. Der Reduktionsfaktor F wird vorteilhafterweise z. B. mit
berechnet, wobei mit W die Wärmebeaufschlagung bezeichnet wird.
3. Liegt die Wärmebeaufschlagung zwischen DQ_K2 und DQ_K3, die einer dritten kritischen Temperaturgrenze entspricht, dann erfolgt wegen der sehr großen Wärmebeaufschlagung so wohl ein Herunterstufen der Sekundärspannung als auch eine Umverteilung der Leistung der betroffenen Elektrode auf die anderen Elektroden. Z.B. könnte der Reduktionsfaktor
F = 0.9
betragen.
4. Liegt die Wärmebeaufschlagung über DQ_K3, dann wird die Sekundärspannung als eine Art Notaus auf eine sehr niedri ge Trafostufe heruntergestuft.

Der Wert des Reduktionsfaktors F und die Konstanten DQ_K1, DQ_K2 und DQ_K3 werden an die Art der Kühlkästen und die Verhältnisse des Lichtbogenofens angepaßt. So können z. B. im Falle einer Verdampfungskühlung die Konstanten so gewählt werden, daß sie bei 10, 20 und 50 Prozent Durchflußrückgang liegen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Im Falle einer Wasser kühlung könnten sie z. B. vorteilhafterweise so gewählt wer den, daß sie bei 80, 90 und 105 Grad Celsius der Rücklauf temperatur liegen.

Die Reduktion der Leistung der betroffenen Elektrode um den Faktor F wird solange aufrechterhalten, bis die Wärmebeauf schlagung abgebaut ist.

Die kritischen Temperaturgrenzen können also Temperaturen im eigentlichen Sinne, wie z. B. Kühlmitteltemperaturen oder äquivalente Größen, wie z. B. der Durchflußrückgang bei Ver dampfungskühlung, sein.

Die Vorteile der Erfindung liegen zum einen in der Steige rung der Produktionsgeschwindigkeit als auch in der Verrin gerung der Schaltstufen des Versorgungstransformators. Neben der erheblichen Kostenreduktion durch die Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit hat auch die Verringerung der Schaltvorgänge im Versorgungstrafo einen hohen wirtschaftli chen Vorteil. Die Schaltvorgänge beim Versorgungstrafo sind die wesentlichen, die Lebensdauer des Trafos verringernden und die Wartungshäufigkeit erhöhenden Einflußgrößen. Somit verringert die Erfindung die Häufigkeit der Wartungsarbeiten am Versorgungstrafo. Dies wiederum führt zu deutlichen Ko steneinsparungen und erhöht die Verfügbarkeit des Drehstrom-Licht bogenofens.

Claims

1. Verfahren zur Regelung bzw. Steuerung des Schmelzprozesses in einem Drehstrom-Lichtbogenofen mit zumindest drei, einzeln und unabhängig von einander in ihrer Höhe verstellbaren Elek troden, wobei jeder Phase des den Drehstrom-Lichtbogenofen speisenden Drehstroms zumindest eine Elektrode zugeordnet ist, und wobei die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens, insbesondere an überhitzungsgefährdeten Stellen, wie etwa den Wänden des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Nähe der Elektro den, überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Licht bogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Lei stungsabgabe dieser Elektrode derart verringert wird, daß ei ne Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird, und daß die Leistungsabgabe der anderen Elektroden oder eines Teils der anderen Elektroden derart erhöht wird, daß die Ge samtleistungsabgabe der Elektroden bei vorgegebener Spannung maximal ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Licht bogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Impedanz im Strompfad dieser Elektrode derart erhöht wird, daß eine Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird, wobei die Impedanzen in den Strompfaden der anderen Elektro den oder eines Teils der anderen Elektroden derart verringert werden, daß die Gesamtleistungsabgabe der Elektroden maximal ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Licht bogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Impedanz im Strompfad dieser Elektrode durch Höhenverstellung dieser Elektrode derart verringert wird, daß eine Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird, wobei die Impedan zen in den Strompfaden der anderen Elektroden oder eines Teils der anderen Elektroden durch Höhenverstellung derart verringert werden, daß die Gesamtleistungsabgabe der Elektro den maximal ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen in den Strompfaden der Elektroden im Sinne einer Maximierung der Gesamtleistungsabgabe der Elektroden optimiert werden, wobei bei Erreichen einer kritischen Tempe ratur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Leistungsabgabe dieser Elektrode auf einen Ma ximalwert begrenzt wird und wobei dieser Maximalwert im Sinne einer Nebenbedingung bei der Optimierung berücksichtigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme durch die Elektroden auf einen Maximalwert be grenzt werden, wobei diese Maximalwerte im Sinne einer Neben bedingung bei der Optimierung berücksichtigt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung on-line erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode oberhalb einer ersten kritischen Temperaturgrenze und unterhalb einer zweiten kritischen Tem peraturgrenze eine Umverteilung der Leistungsabgabe der ein zelnen Elektroden erfolgt, wobei die Versorgungsspannung der Elektroden konstant gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode oberhalb der zweiten kritischen Tem peraturgrenze eine Umverteilung der Leistungsabgabe der ein zelnen Elektroden erfolgt, wobei die Versorgungsspannung der Elektroden verringert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode oberhalb einer dritten kritischen Temperaturgrenze, die oberhalb der zweiten kritischen Tempe raturgrenze liegt, die Versorgungsspannung der Elektroden stark verringert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens, insbesonde re mittels eines Gradientenverfahrens oder eines Temperatur modells, vorausgeschätzt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabgabe einer Elektrode, deren Wirkleistungs abgabe aufgrund einer zu hohen Temperatur des Drehstrom-Licht bogenofens in der Umgebung dieser Elektrode begrenzt ist, im Sinne einer Temperaturregelung vergrößert wird, wenn die Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens sinkt und ver ringert wird, wenn sich die Temperatur des Drehstrom-Licht bogenofens erhöht, wobei dieser Temperaturregelung vor teilhafterweise eine kritische Ofentemperatur als Solltempe ratur vorgegeben wird.

12. Drehstrom-Lichtbogenofen mit zumindest drei, einzeln und unabhängig von einander in ihrer Höhe verstellbaren Elektro den und einer Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung, insbe sondere zur Steuerung bzw. Regelung des Drehstrom-Lichtbogen ofens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Phase des den Drehstrom-Lichtbogenofen speisenden Drehstroms zumindest eine Elektrode zugeordnet ist, und wobei die Tempe ratur des Drehstrom-Lichtbogenofens, insbesondere an überhit zungsgefährdeten Stellen, wie etwa den Wänden des Drehstrom-Licht bogenofens in der Nähe der Elektroden, überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung derart ausge bildet ist, die sie bei Erreichen einer kritischen Temperatur des Drehstrom-Lichtbogenofens in der Umgebung einer Elektrode die Leistungsabgabe dieser Elektrode derart verringert, daß eine Überhitzung des Drehstrom-Lichtbogenofens verhindert wird, und daß sie die Leistungsabgabe der anderen Elektroden oder eines Teils der anderen Elektroden derart erhöht, daß die Gesamtleistungsabgabe der Elektroden konstant oder annä hernd konstant bleibt.