DE19733130A1 - Method and device for detecting the state of slag and the stability of the arc in arc furnaces - Google Patents

Method and device for detecting the state of slag and the stability of the arc in arc furnaces

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DE19733130A1
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Abstract

The method for determining the slag state in electric arc furnaces involves using a signal derived from the current i(t) flowing through the electrode (2). An n-th derivative of i(t) with respect to time is determined at given instants or continuously, where n may be equal to 2, 3 or 4. The effective value of this derivative is expressed as a mean square value over a specified integration period T. This value is compared with given limiting values to establish as to whether the slag state and the electrode cover are optimal. Also claimed is an apparatus which includes a current measurement unit (3), a differentiating unit (4), a checking unit (7) which produces a signal corresponding to the slag state. One or more lances (9) serve for introduction of carbonaceous material or oxygen into the furnace.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Zustandes der Schlacke und der Stabilität des Lichtbogens in Lichtbogenöfen, in denen eine Flüssigme­ tallaufbereitung durchgeführt wird, insbesondere zur Stahl­ erzeugung aus Schrott, festem Roheisen oder Eisenschwamm.The invention relates to a method and a device for recording the condition of the slag and the stability of the arc in arc furnaces in which a liquid me metal processing is carried out, especially for steel production from scrap, solid pig iron or sponge iron.

In Lichtbogenöfen sind Elektroden auf Graphitbasis korre­ spondierend zu einem metallischen Ofeneinsatz angeordnet; Aufbau, Funktion und Betrieb solcher Lichtbogenöfen sind dem Fachmann geläufig.Electrodes based on graphite are correct in arc furnaces arranged in relation to a metallic furnace insert; The structure, function and operation of such arc furnaces are the same Expert familiar.

Die Regelung und Optimierung von Lichtbogenöfen stellt, ob­ gleich im Stand der Technik bereits zahlreiche Lösungs­ vorschläge angegeben wurden, noch immer ein großes Problem dar, insbesondere in wirtschaftlicher Hinsicht wegen nicht optimaler Energieausnutzung und in ökologischer Hinsicht, da bei nicht optimaler Prozeßführung des Schmelzvorgangs bei lokaler Überhitzung fluorhaltige Dämpfe aus Flußmitteln in die Umwelt gelangen können.The control and optimization of arc furnaces determines whether numerous solutions already in the state of the art suggestions were still a big problem not, especially in economic terms optimal use of energy and in ecological terms, because  when the process of the melting process is not optimal local overheating fluorine vapors from fluxes in can get into the environment.

Der Schlacke kommt bei Lichtbogenöfen die wichtige Funktion zu, die vom Lichtbogen abgestrahlte Energie möglichst weit­ gehend in das Metallbad zu lenken und Abstrahlungsverluste so weit wie möglich zurückzudrängen.The slag has an important function in arc furnaces the energy emitted by the arc as far as possible going to steer into the metal bath and radiation losses push back as far as possible.

Es ist Stand der Technik, der Schlacke durch Gasentwicklung eine schaumige Struktur zu verleihen ("Schaumschlacke"), von der die Lichtbögen weitgehend abgeschirmt werden. Zur Bil­ dung von Schaumschlacke wird beispielsweise Sauerstoff über Lanzen in den flüssigen Stahl eingeblasen. Hierbei verbrennt im flüssigen Stahl vorliegender Kohlenstoff zu Kohlenmon­ oxid, durch das die Schlacke aufgeschäumt wird. Es ist auch möglich, Kohlenstoff über Lanzen in die bereits gebildete Schaumschlacke einzublasen, wodurch in der Schlacke vorhan­ denes Eisenoxid in Eisen und Kohlenmonoxid umgewandelt wird, durch das die Schlacke weiter aufgeschäumt wird.It is state of the art, the slag through gas evolution to give a foamy structure ("foam slag") from the arcs are largely shielded. To Bil Formation of foam slag is, for example, oxygen Lances blown into the liquid steel. Here burns Carbon present in the liquid steel to carbon mon oxide through which the slag is foamed. It is also possible to lance carbon into the already formed Blow in foam slag, which is present in the slag whose iron oxide is converted into iron and carbon monoxide, through which the slag is further foamed.

Unter dem Schlackezustand wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Schaumschlackezustand verstanden, bei dem die Schaumschlacke die Lichtbögen mindestens teilweise und vor­ zugsweise vollständig einhüllt.Under the slag state within the scope of the present Invention of the foam slag understood in which the Foam slag at least partially and before the arcs preferably completely enveloped.

Durch die Schaumschlacke werden die Feuerfestausmauerung und die Wasserkühlsysteme des Ofens vor der starken Strahlungs­ belastung abgeschirmt. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Energieübertragung von der Elektrode auf des Metallbad ver­ bessert werden. Für die Wirtschaftlichkeit des Lichtbogen­ ofenbetriebs ist es daher von wesentlicher Bedeutung, die Lichtbogenabdeckung durch die Schaumschlacke kontinuierlich zu beobachten und diese erforderlichenfalls durch entspre­ chend induzierte Gasentwicklung aufzuschäumen. The refractory lining and the water cooling systems of the furnace before the strong radiation shielded load. As a result, the efficiency of the Energy transfer from the electrode to the metal bath be improved. For the economy of the arc furnace operation, it is therefore essential that Arc coverage through the foam slag continuously to observe and if necessary by corresponding foaming induced gas evolution.  

Eine einheitliche Erfassung und Interpretation aller physi­ kalischen Lichtbogeneigenschaften ist allerdings aufgrund der erheblichen Komplexität der physikalischen und chemi­ schen Vorgänge praktisch ausgeschlossen.A uniform recording and interpretation of all physi calic arc properties is due to the considerable complexity of the physical and chemi processes practically excluded.

Man hat daher auf sehr verschiedene Weisen versucht, mit in­ direkten Meßverfahren geeignete Signale zu erhalten, mit de­ nen sich der Schmelzzustand im Lichtbogenofen erkennen und steuern bzw. regeln läßt.One has therefore tried in very different ways with in direct measurement methods to obtain suitable signals with de the melting state in the arc furnace can be recognized and control or regulate.

Aus der Zeitschrift "Elektrowärme International" 45 (1987), Seiten B29-B36, ist ein Verfahren bekannt, in dem mit Hil­ fe spezieller Kennzahlen, wie beispielsweise Klirrfaktor und Schwingungsgehalt, die aus Lichtbogenspannung und Lichtbo­ genstrom ermittelt werden, die harmonischen Komponenten im Leistungsdichtespektrum elektrischer Lichtbogengrößen geeig­ net bewertet werden, so daß bei Abweichung der Kennzahlen von bestimmten vorgegebenen Werten entsprechend Maßnahmen zur Schaumschlackenbildung getroffen werden können.From the magazine "Elektrowärme International" 45 (1987), Pages B29-B36, a method is known in which with Hil special key figures such as distortion and Vibration content resulting from arc voltage and arc genstrom are determined, the harmonic components in the Power density spectrum of electric arc sizes suitable be evaluated net, so that if the key figures differ of certain predetermined values according to measures can be taken to form foam slag.

Aufgrund der Zusammenhänge zwischen den elektrischen und akustischen Lichtbogeneigenschaften kann auch die akustische Emission der Lichtbögen unmittelbar für eine Zustandsbeob­ achtung, insbesondere für den Schlackenaufbau, herangezogen werden.Because of the relationships between the electrical and Acoustic arcing properties can also be acoustic Emission of the arcs immediately for a status check attention, especially for slag build-up become.

Aus der Zeitschrift "Elektrowärme International" 42 (1994), B220-B227, sind Schalldruckmessungen während des Schmelz­ betriebes von Lichtbogenöfen zur Bestimmung der Abhängigkeit der Geräuschentwicklung von den elektrischen Lichtbogengrö­ ßen bekannt. Das Schallsignal besteht im wesentlichen aus einem breitbandigen Rauschen, aus dem sich charakteristisch ein 100 Hz-Ton mit einer Reihe von harmonischen Vielfachen abhebt. Mit dem Schmelzfortschritt im Ofen ändert sich der Schalldruck, wobei diese Veränderung quantitativ durch eine Rauschzahl erfaßt wird, welche zur Prozeßsteuerung herange­ zogen werden kann.From the magazine "Elektrowärme International" 42 (1994), B220-B227, are sound pressure measurements during melting Operation of arc furnaces to determine the dependency the development of noise from the electric arc size known. The sound signal consists essentially of a broadband noise that is characteristic a 100 Hz tone with a series of harmonic multiples takes off. As the melting progress in the furnace, the changes  Sound pressure, this change quantitatively by a Noise figure is detected, which is used for process control can be pulled.

Aus DD 295 248 ist ein Verfahren zur Messung der Instabi­ lität eines Lichtbogens in einem Elektroofen bekannt, bei dem eine Wechselbeziehung zwischen der Änderung der Strom­ stärke im Lichtbogen und der Schlackenaufblähung ausgenützt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Signal erzeugt, das dem Differentialquotienten (di/dt) der Stromstärke i des durch den Lichtbogen fließenden Stroms entspricht, insbesondere durch eine Rogowski-Spule. Dieses Signal wird einer Filte­ rung durch ein Hochfrequenz-Breitbandfilter und ein schmal­ bandiges Tiefbandfilter unterzogen, worauf ein Teilermodul das Verhältnis der von den Filtern stammenden Signaleffek­ tivwerte erzeugt, das als Indikator für die Schlackenaufblä­ hung dient und bei maximaler Schlackenaufblähung einen Mini­ malwert annimmt. Das dieses Verhältnis kennzeichnende Signal wird entweder einer Anzeige zugeführt oder kann zur Regelung bestimmter Betriebsparameter des Lichtbogenofens herangezo­ gen werden, beispielsweise zur Bestimmung der Beendigung des Schmelzprozesses.DD 295 248 describes a method for measuring the instabi lity of an arc in an electric furnace known which is a correlation between the change in current strength in the arc and the bloating of the slag becomes. In this method, a signal is generated that the Differential quotient (di / dt) of the current i through corresponds to the arc flowing current, in particular through a Rogowski coil. This signal becomes a filter tion by a high-frequency broadband filter and a narrow subjected to banded low-band filter, whereupon a divider module the ratio of the signal effects coming from the filters tiv values generated as an indicator of the slag inflation serves a mini and with maximum slag inflation assumes painting value. The signal characterizing this relationship is either sent to a display or can be used for regulation certain operating parameters of the arc furnace gene, for example to determine the termination of the Melting process.

Aus DE 44 25 089 ist ferner bekannt, zur Steuerung der Durch­ satzrate an eingeblasenem Kohlenstoff im Drehstromlichtbo­ genofen die Schallemission des Lichtbogenofens automatisch zu erfassen, wobei eine Auswertung der Amplitude des Schalls frequenzselektiv durchgeführt wird. Bei Überschreiten eines durch eine Steuereinheit vorgebbaren Schallpegels wird die Durchsatzrate des Kohlenstoffs erhöht und bei einem Unter­ schreiten vermindert. Das Frequenzspektrum wird im Bereich von 100 Mz ausgewertet, da dieser Bereich die Schallemission der Lichtbögen besonders signifikant wiedergibt und Störge­ räusche relativ gleich verteilt über das Frequenzspektrum vorliegen. Gemäß Fig. 1 dieser Druckschrift wertet eine Steuereinheit das Signal eines Mikrophons aus, das im Be­ reich des Elektrolichtbogenofens angeordnet ist.From DE 44 25 089 it is also known to automatically detect the sound emission of the electric arc furnace to control the throughput rate of blown carbon in the three-phase electric arc furnace, an evaluation of the amplitude of the sound being carried out frequency-selectively. When a predeterminable sound level is exceeded by a control unit, the throughput rate of the carbon is increased and when it is undershot it is reduced. The frequency spectrum is evaluated in the range of 100 Mz, since this range reproduces the sound emission of the arcs particularly significantly and interference noise is relatively evenly distributed over the frequency spectrum. According to Fig. 1 of this document, a control unit evaluates the signal of a microphone of the electric arc furnace is disposed in the loading area.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung, Steuerung bzw. Regelung und Optimierung des Schlackezustandes und der Sta­ bilität des Lichtbogens in Lichtbogenöfen anzugeben, mit de­ nen der elektrothermische Wirkungsgrad der Lichtbogenöfen verbessert und der Verbrauch an elektrischer Energie abge­ senkt werden kann.The invention has for its object a method and a device for quantitative detection, control or Regulation and optimization of the slag state and the sta to indicate the electric arc in arc furnaces, with de the electrothermal efficiency of the arc furnaces improved and the consumption of electrical energy abge can be lowered.

Die Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.The task is solved according to the independent claims.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungs­ formen der Erfindungskonzeption.The dependent claims relate to advantageous execution form the concept of the invention.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß der Effek­ tivwert [dni/dtn]eff der n-ten Ableitung dni/dtn der Strom­ stärke i(t) bzw. eines ihr proportionalen Signals in enger Korrelation mit dem Schlackezustand in einem Lichtbogenofen steht. Da der Schlackezustand einen Prozeßparameter dar­ stellt, der im Hinblick auf optimale Energieausnutzung und optimale Temperaturführung wesentlich ist, eröffnet die vor­ liegende Erfindung die Möglichkeit der direkten Steuerung oder auch Regelung des Schlackezustandes. Liegt der Effek­ tivwert [dni/dtn]eff nicht mehr im Bereich zwischen vorgege­ benen Grenzwerten, der im folgenden als Schlackefenster be­ zeichnet wird und innerhalb dessen der Schlackezustand und die Schlackemenge bzw. der Einhüllungsgrad der Elektrode op­ timal sind, kann der Schlackezustand sofort nachoptimiert werden, indem Kohlenstoff bzw. Kohle in die Schlacke oder Sauerstoff in das Metallbad eingeblasen wird und/oder schlackenbildende Stoffe in den Lichtbogenofen eingebracht werden und/oder entsprechende Zugaben gedrosselt oder ge­ stoppt werden. The invention is based on the finding that the effective value [d n i / dt n ] eff of the nth derivative d n i / dt n of the current strength i (t) or of a signal proportional to it in close correlation with the slag state in an electric arc furnace. Since the slag state represents a process parameter that is essential with regard to optimal energy utilization and optimal temperature control, the present invention opens up the possibility of direct control or regulation of the slag state. If the effective value [d n i / dt n ] eff is no longer in the range between the specified limit values, which is referred to below as the slag window and within which the slag state and the amount of slag or the degree of encapsulation of the electrode are optimal, the Slag condition can be optimized immediately by blowing carbon or coal into the slag or oxygen in the metal bath and / or introducing slag-forming substances into the electric arc furnace and / or throttling or stopping appropriate additions.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird bei Erfassung eines Effektivwertes außerhalb des Schlackefensters, unab­ hängig von anderen Maßnahmen, die Elektrodenposition durch geeignete Nachführung geändert.According to an advantageous further development, when recording an effective value outside the slag window, independent depending on other measures, the electrode position through appropriate tracking changed.

Der Effektivwert von Ableitungen der Stromstärke i(t) bzw. eines ihr proportionalen Signals stellt einen sensiblen In­ dikator für die Tendenz zur Änderung des Signals dar und er­ laubt so eine Steuerung wie auch Regelung des Schlackezu­ stands und auch der Stabilität des Lichtbogens mit außeror­ dentlich hoher Zugriffsgeschwindigkeit und entsprechend ho­ her Genauigkeit.The effective value of derivatives of the current i (t) or of a signal proportional to it represents a sensitive In indicator for the tendency to change the signal and he allows such a control as well as regulation of the slag and the stability of the arc with extraordinary ddly high access speed and accordingly ho forth accuracy.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Schlacke­ zustandes in Lichtbogenöfen, in denen ein flüssiges Metall­ bad, insbesondere ein Stahlbad, mit einer Schlackeschicht bedeckt ist, die den zwischen Metallbad und Elektrode bren­ nenden Lichtbogen zumindest teilweise einhüllt, beruht auf der Erzeugung eines aus der Stromstärke i(t) des über die Elektrode fließenden Stroms abgeleiteten Signals, das mit der Schallemission des Plasmas des Lichtbogens korreliert ist, und der Ermittlung des Schlackezustandes aus diesem Si­ gnal; es ist gekennzeichnet durch
The method according to the invention for detecting the slag state in arc furnaces in which a liquid metal bath, in particular a steel bath, is covered with a slag layer which at least partially envelops the arc burning between the metal bath and the electrode is based on the generation of a current i (t) the signal derived from the current flowing through the electrode, which is correlated with the acoustic emission of the plasma of the arc, and the determination of the slag state from this signal; it is characterized by

  • - Bildung der n-ten Ableitung dni/dtn der von der Zeit t ab­ hängigen Stromstärke i(t) bzw. eines ihr proportionalen Signals zu vorgegebenen Zeitpunkten oder kontinuierlich,Formation of the n-th derivative d n i / dt n of the current intensity i (t) dependent on the time t or of a signal proportional to it at predetermined times or continuously,
  • - Bildung des Effektivwertes [dni/dtn]eff der n-ten Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t) bzw. des ihr proportionalen Signals in Form des quadratischen Mittelwerts nach der Formel I
    worin bedeuten:
    i die Stromstärke des über die Elektrode fließenden Stroms,
    n 2, 3 oder 4 und
    T die Integrationsdauer,
    und    - Formation of the effective value [d n i / dt n ] eff of the nth derivative d n i / dt n of the current intensity i (t) or the signal proportional to it in the form of the root mean square according to formula I.
    in which mean:
    i the current strength of the current flowing through the electrode,
    n 2, 3 or 4 and
    T the integration period,
    and
  • - Ermittlung, ob der Effektivwert [dni/dtn]eff innerhalb vor­ gegebener Grenzwerte (Schlackefenster) liegt, innerhalb deren der Schlackezustand und die Schlackemenge bzw. der Einhüllungsgrad der Elektrode optimal sind.- Determine whether the effective value [d n i / dt n ] eff is within the given limit values (slag window), within which the slag condition and the amount of slag or the degree of encapsulation of the electrode are optimal.

Das Erfindungskonzept eignet sich gleich gut für Gleich­ strom- und Drehstromlichtbogenöfen.The concept of the invention is equally suitable for equals electric and three-phase arc furnaces.

Es kann die zweite, dritte oder vierte Ableitung der Strom­ stärke i(t) gebildet werden. Vorzugsweise wird zur Bildung des Effektivwertes die zweite Ableitung (n = 2) der Strom­ stärke i(t) herangezogen.It can be the second, third or fourth derivative of the current strength i (t) are formed. Preferably to education of the rms value the second derivative (n = 2) of the current strength i (t) used.

Es ist auch möglich, die Bildung der n-ten Ableitung dni/dtn aus Inkrementen nullter bis n-ter Ordnung entsprechend der Formel II
It is also possible to form the nth derivative d n i / dt n from zero to nth order increments according to formula II

dni/dtn = k0 + k1.di/dt + k2.d2i/dt2 + k3.d3i/dt3 + k4.d4i/dt4 (II)
d n i / dt n = k 0 + k 1 .di / dt + k 2 .d 2 i / dt 2 + k 3 .d 3 i / dt 3 + k 4 .d 4 i / dt 4 (II)

vorzunehmen, in der k0, k1, k2, k3 und k4 vorgegebene und insbesondere durch Eichung oder empirisch bestimmte Konstan­ te darstellen, wobei die Bedingungen k0, k1 ≧ 0 sowie k2 und/oder k3 und/oder k4 < 0 gelten. Die Polynomentwicklung, die der Beziehung zugrundeliegt, ist außerordentlich genau an die jeweils herrschenden Verhältnisse anpaßbar und erlaubt so, besonders nach einer vorherigen Eichung nach einem unab­ hängigen Verfahren, eine quantitative Bestimmung der diffe­ rentiellen Stromstärke. in which k 0 , k 1 , k 2 , k 3 and k 4 represent predetermined constants and are determined in particular by calibration or empirically, the conditions k 0 , k 1 ≧ 0 and k 2 and / or k 3 and / or k 4 <0 apply. The polynomial development on which the relationship is based can be adapted extremely precisely to the prevailing conditions and thus, particularly after prior calibration using an independent method, allows a quantitative determination of the differential current strength.

Das der n-ten Ableitung der Stromstärke i(t) entsprechende Signal wird vor der Bildung des Effektivwertes zur Abtren­ nung unerwünschter Frequenzen vorzugsweise gefiltert. Bei Drehstromöfen werden insbesondere die Netzfrequenz oder un­ erwünschte Hochfrequenzen abgetrennt; vorteilhaft werden Frequenzen außerhalb des Frequenzbereichs von 800 Hz bis 100 kHz abgetrennt. Besonders im Falle von Gleichstromöfen ist es günstig, Frequenzen außerhalb des Frequenzbereichs von 20 Hz bis 1 kHz auszufiltern.That corresponding to the nth derivative of the current i (t) The signal becomes a deductor before the effective value is formed Unwanted frequencies preferably filtered. At Three-phase furnaces are especially the mains frequency or un desired high frequencies separated; become advantageous Frequencies outside the frequency range from 800 Hz to 100 kHz separated. Especially in the case of direct current furnaces it is convenient to frequencies outside the frequency range of 20 Hz to Filter out 1 kHz.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in der Einschmelz­ phase angewandt werden, in der der Lichtbogen zumindest teilweise von der Schlacke eingehüllt wird. Damit ist es möglich, die Schmelzzeiten zu verringern, wodurch sich eine entsprechende Verringerung des Energiebedarfs ergibt, da bei maximierten Schmelzgeschwindigkeit die kürzesten Schmelzzei­ ten und damit die geringsten Energieverluste vorliegen, wo­ bei zugleich überhöhte Temperaturen und damit verbundene Ab­ strahlungsverluste vermieden werden.The method according to the invention can also be used in the smelting phase are used in which the arc at least is partially enveloped by the slag. So that's it possible to reduce the melting times, resulting in a corresponding reduction in energy consumption results because at maximized melting speed the shortest melting time and thus the lowest energy losses are where with at the same time excessive temperatures and associated ab radiation losses can be avoided.

Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Aufschmelzen der gesamten Charge herangezogen wer­ den. In dieser Betriebsphase ist es notwendig, die feuerfe­ ste Ausmauerung und die wassergekühlten Wand- und Deckele­ mente des Oberofens gegen die unmittelbare Lichtbogenstrah­ lung zu schützen. Aus diesem Grund soll der Lichtbogen ganz von der Schlacke eingeschlossen werden. Beim erfindungsge­ mäßen Verfahren kann der angestrebte Schlackezustand über den Effektivwert [dni/dtn]eff der Ableitungen der Stromstärke feinfühlig erfaßt und durch entsprechendes Einblasen von Kohlenstoff oder Sauerstoff bzw. Zusatz von Schlackenbild­ nern aufrechterhalten werden. The process according to the invention can be used particularly advantageously after the entire batch has been melted. In this operating phase, it is necessary to protect the fire-resistant brick lining and the water-cooled wall and cover elements of the upper furnace against the direct arc radiation. For this reason, the arc should be completely enclosed by the slag. In the method according to the invention, the desired slag state can be sensed deliberately via the effective value [d n i / dt n ] eff of the derivatives of the current intensity and maintained by blowing in carbon or oxygen or adding slag formers.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung des Schlacke­ zustandes in Lichtbogenöfen, in denen ein flüssiges Metall­ bad, insbesondere ein Stahlbad, hergestellt wird, das mit einer Schlackeschicht bedeckt ist, die den zwischen Metall­ bad und Elektrode brennenden Lichtbogen zumindest teilweise einhüllt, die insbesondere zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens geeignet ist, weist auf:
The device according to the invention for detecting the slag state in arc furnaces in which a liquid metal bath, in particular a steel bath, is produced, which is covered with a slag layer which at least partially envelops the arc burning between the metal bath and the electrode, in particular for carrying out the Suitable method according to the invention has:

  • - eine Stromerfassungseinrichtung, welche die Stromstärke i(t) des über die Elektrode fließenden Stroms erfaßt,- A current detection device that the current strength i (t) of the current flowing through the electrode,
  • - eine Differenziereinrichtung, die eine Ableitung der Stromstärke i(t) erzeugt, und- A differentiating device that derives the Current i (t) generated, and
  • - eine Kontrolleinrichtung, die aus der Ableitung der Strom­ stärke i(t) ein dem Schlackezustand entsprechendes Signal erzeugt;
    sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Differenziereinrichtung die n-te Ableitung dni/dtn der von der Zeit t abhängigen Stromstärke i(t), bzw. ein der n-ten Ableitung entsprechendes Signal zu vorgegebenen Zeit­ punkten oder kontinuierlich erzeugt, wobei n gleich 2, 3 oder 4 ist,
    eine der Differenziereinrichtung nachgeschaltete Effektiv­ werteinrichtung vorgesehen ist, die den Effektivwert [dni/dtn]eff der n-ten Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t) bzw. des ihr proportionalen Signals in Form des quadrati­ schen Mittelwerts nach der Formel I bildet,
    worin bedeuten:
    i die Stromstärke des über die Elektrode fließenden Stroms,
    t die Zeit,
    n 2, 3 oder 4
    und
    T die Integrationsdauer,
    und
    die Kontrolleinrichtung der Effektivwerteinrichtung nachge­ schaltet ist und den Effektivwert [dni/dtn]eff mit vorgegebe­ nen Grenzwerten vergleicht, innerhalb deren der Schlackezu­ stand und die Schlackemenge bzw. der Einhüllungsgrad der Elektrode optimal sind (Schlackefenster), und bei Erfassung eines außerhalb des Schlackefensters liegenden Effektivwer­ tes [dni/dtn]eff ein entsprechendes Signal abgibt und/oder eine oder mehrere Lanzen zum Einblasen von Kohlenstoff bzw. Kohle in die Schlacke oder von Sauerstoff in das Metallbad und/oder eine Eintrageinrichtung zum Eintragen von schlacke­ bildenden Stoffen ansteuert und/oder die Elektrode geeignet positioniert.    - A control device that generates a signal corresponding to the slag state from the derivation of the current strength i (t);
    it is characterized in that the differentiating device scores or continuously generates the n-th derivative d n i / dt n of the current intensity i (t) dependent on the time t or a signal corresponding to the n-th derivative at a predetermined time, whereby n is 2, 3 or 4,
    an effective value device downstream of the differentiating device is provided, which has the effective value [d n i / dt n ] eff of the nth derivative d n i / dt n of the current intensity i (t) or of the signal proportional to it in the form of the root mean square according to formula I,
    in which mean:
    i the current strength of the current flowing through the electrode,
    t the time
    n 2, 3 or 4
    and
    T the integration period,
    and
    the control device is connected downstream of the effective value device and compares the effective value [d n i / dt n ] eff with specified limit values, within which the slag level and the amount of slag or the degree of encapsulation of the electrode are optimal (slag window), and when an outside value is detected of the slag window lying effective value [d n i / dt n ] eff emits a corresponding signal and / or one or more lances for blowing carbon or coal into the slag or oxygen into the metal bath and / or an insertion device for inserting slag controlling forming substances and / or the electrode suitably positioned.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Steuerung oder zur Regelung unter Erfassung des Schlackezustandes ausgelegt sein und umfaßt, wie oben erläutert, eine Stromerfassungs­ einrichtung, eine Differenziereinrichtung, eine Effektiv­ werteinrichtung zur Bildung des Effektivwertes und eine Kon­ trolleinrichtung, die den Effektivwert mit den vorgegebenen Grenzwerten vergleicht und ggf. Steuersignale für Stellglie­ der erzeugt. Die Kontrolleinrichtung kann also auch als Re­ geleinrichtung mit geschlossenem Regelkreis ausgelegt sein und eine oder mehrere Lanzen zum Einblasen von Kohlenstoff bzw. Kohle in die Schlacke und/oder von Sauerstoff in das Metallbad oder auch die Elektrodenpositioniereinrichtung an­ steuern und den Schlackezustand über den Effektivwert der n-ten Ableitung des Stroms so regeln, daß der Effektivwert im Schlackefenster gehalten wird.The device according to the invention can be used for control or Control designed with detection of the slag condition and, as discussed above, includes current sensing device, a differentiator, an effective value facility for the formation of the effective value and a con trolling device, the effective value with the specified Compares limit values and, if necessary, control signals for actuators that creates. The control device can also be used as a re Gel device can be designed with a closed control loop and one or more carbon lances or coal in the slag and / or oxygen in the Metal bath or the electrode positioning device control and the slag state over the effective value of the nth Regulate the discharge of the current so that the effective value in Slag window is held.

Durch die Stromerfassungseinrichtung wird die Stromstärke i(t) des Stroms erfaßt, der im Elektrodenkreis fließt. The current intensity is determined by the current detection device i (t) of the current that flows in the electrode circuit.  

Es ist vorteilhaft, den Strom beispielsweise dadurch zu er­ fassen, daß in einer Elektrodenzuführungsleitung an zwei voneinander beabstandeten Punkten ein Meßwiderstand paral­ lelgeschaltet und der an diesem Meßwiderstand auftretende Spannungsabfall, der dem in der Leitung fließenden Strom entspricht, gemessen bzw. erfaßt wird.It is advantageous, for example, to thereby generate the current grasp that in an electrode feed line at two a measuring resistor parallel to each other switched on and the occurring at this measuring resistor Voltage drop of the current flowing in the line corresponds, is measured or recorded.

Die Bildung der n-ten Ableitung erfolgt durch die Differen­ ziereinrichtung. Hierfür können dem Fachmann geläufige Dif­ ferenzierglieder oder Differenzierschaltungen, die auch mit entsprechenden Filtern kombiniert sein können, Verwendung finden.The nth derivative is formed by the differences decorative device. Dif ferenzierglieder or differentiating circuits, also with corresponding filters can be combined, use Find.

Als Stromerfassungseinrichtungen sind Meßtransformatoren günstig geeignet. Je nach der Art des Meßtransformators (z. B. Stromwandlertyp oder Rogowski-Typ) resultiert ein Aus­ gangssignal, das dem Strom i(t) oder der 1. Ableitung davon, di/dt, entspricht.Measuring transformers are used as current detection devices conveniently suited. Depending on the type of measuring transformer (e.g. current transformer type or Rogowski type) results in an off output signal that corresponds to the current i (t) or the 1st derivative thereof, di / dt, corresponds.

Ferner können auch Hall-Generatoren als Stromerfassungsein­ richtungen herangezogen werden. In derartigen Fällen, in den als Ausgangssignal der Stromerfassungseinrichtung bereits ein Ableitungssignal resultiert, ist die Differenzierein­ richtung 4 so ausgelegt, daß sie aus dem als Eingangssignal erhaltenem Ableitungssignal durch entsprechendes Nachdiffe­ renzieren ein der gewünschten Ableitung (2., 3. oder 4. Gra­ des) entsprechendes Ausgangssignal liefert.Hall generators can also be used as current detection devices. In such cases, in which a derivative signal already results as the output signal of the current detection device, the differentiating device 4 is designed in such a way that it differentiates one of the desired derivative (2nd, 3rd or 4th gra from the derivative signal received as an input signal by appropriate redifferentiation ) provides the corresponding output signal.

Die Stromerfassungseinrichtung und die Differenziereinrich­ tung müssen im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unbe­ dingt getrennte, diskrete Einrichtungen darstellen. Die Stromerfassungseinrichtung und die Differenziereinrichtung können funktionell und gegebenenfalls auch strukturell oder schaltungsmäßig eine Einheit bilden bzw. miteinander inte­ griert sein.The current detection device and the differentiating device device need not be unintended within the scope of the present invention necessarily separate, discrete facilities. The Current detection device and the differentiating device can functionally and optionally also structurally or  form a unit in terms of circuitry or inte be grated.

Die vorteilhaft als Stromerfassungseinrichtung verwendeten zwei- oder dreidimensionalen Spulen weisen mindestens zwei bzw. mindestens drei Wicklungen auf, deren Achsen in aufein­ ander senkrecht stehenden Raumrichtungen orientiert sind.The advantageously used as a current detection device two- or three-dimensional coils have at least two or at least three windings with their axes aligned are oriented to other vertical directions.

Hierdurch ist es möglich, das Stromsignal (in Form der 1. Ableitung) weitgehend richtungsunabhängig zu erfassen. Diese Ausführungsform ist besonders günstig für Gleichstromöfen verwendbar.This enables the current signal (in the form of the first Derivation) largely independent of direction. This The embodiment is particularly favorable for direct current furnaces usable.

Derartige dreidimensionale Meßtransformatoren können in be­ sonders vorteilhafter Weise aus Windungen oder Wicklungen aufgebaut sein, deren Achsenrichtungen mehr oder weniger gleichmäßig über alle Raumrichtungen verteilt ausgerichtet sind. Solche einem Wollknäuel ähnelnde Anordnungen ermögli­ chen es, das Stromsignal bzw. dessen 1. Ableitung praktisch richtungsunabhängig zu erfassen.Such three-dimensional measuring transformers can be in particularly advantageously from windings or windings be built, the axes of which are more or less aligned evenly across all spatial directions are. Arrangements similar to a ball of wool are possible Chen it, the current signal or its 1st derivative practical to capture regardless of direction.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine von der Kontrolleinrichtung gesteuerte Signaleinrichtung aufweisen, die ein akustisches und/oder optisches und/oder elektri­ sches, etwa zu Steuer- oder Regelzwecken verwendbares Signal abgibt, wenn der Effektivwert der n-ten Ableitung innerhalb oder außerhalb des Schlackefensters liegt.The device according to the invention can also be one of the Control device have controlled signal device, which is an acoustic and / or optical and / or electrical signal that can be used for control purposes returns if the rms value of the nth derivative is within or is outside the slag window.

Die Kontrolleinrichtung ist ferner vorteilhaft so ausgebil­ det, daß auf einem Display angezeigt wird oder das abgegebe­ ne Signal auch die Information beinhaltet, ob der Effektiv­ wert oberhalb oder unterhalb des Schlackefensters liegt.The control device is also advantageously designed in this way det that is shown on a display or the given ne signal also contains the information whether the effective value is above or below the slag window.

Wenn die Kontrolleinrichtung als Regler ausgelegt und in ei­ nem geschlossenen Regelkreis integriert ist, weist sie vor­ teilhaft ein PD-, PI-, PID- oder PDPI-artiges Regelverhalten auf. Wenn sie einen digitalen Regler mit frei wählbarer bzw. programmierbarer Charakteristik oder ein adaptives, lernen­ des System darstellt, können hierbei analoge Kennlinien rea­ lisiert sein. Durch ein derartiges Regelverhalten, das vor­ zugsweise ofenspezifisch empirisch optimiert wird, läßt sich eine gegenüber P-artigen Reglern praktisch totzeitfreie Re­ gelung mit hoher Ansprech- und Ausregelgeschwindigkeit rea­ lisieren, wobei die Regelabweichung minimiert werden kann.If the control device is designed as a controller and in egg It is integrated in a closed control loop  partly a PD, PI, PID or PDPI-like control behavior on. If you have a digital controller with freely selectable or programmable characteristic or an adaptive, learn of the system, analog characteristics can be rea be localized. By such a control behavior that before can be empirically optimized in a furnace-specific manner a virtually dead time-free Re compared to P-type controllers with high response and control speed rea lize, whereby the control deviation can be minimized.

Die Effektivwerteinrichtung zur Bildung des Effektivwertes der n-ten Ableitung [dni/dtn]eff ist vorteilhaft ein Meß­ gleichrichter, dem ggf. ein Integrator nachgeschaltet ist.The effective value device for forming the effective value of the nth derivative [d n i / dt n ] eff is advantageously a measurement rectifier, which may be followed by an integrator.

Die Kontrolleinrichtung ist vorzugsweise ein digitales Mi­ kroprozessorsystem, worin die dem Schlackefenster zugeordne­ ten Grenzwerte gespeichert oder speicherbar sind und das die Steuerung der Stellglieder übernimmt und ggf. den Effektiv­ wert auf einem Display anzeigt.The control device is preferably a digital Mi. croprocessor system, in which the assigned to the slag window th limit values are stored or can be saved and that the Control of the actuators and, if necessary, the effective value on a display.

Die Kontrolleinrichtung ist vorteilhaft als adaptiver Regler ausgelegt. Durch Implementierung von Fuzzy-Logik kann die Steuer- bzw. Reglerfunktion weiter optimiert werden.The control device is advantageous as an adaptive controller designed. By implementing fuzzy logic, the Control or regulator function can be further optimized.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner auch Filter aufweisen, um unerwünschte Frequenzen, wie etwa die Netzfre­ quenz und unerwünschte hochfrequente Anteile, zu eliminieren und so die Selektivität der Signalerfassung zu erhöhen. Be­ sonders geeignet sind digitale Filter, da sie es erlauben, beliebige Durchlaßkennlinien zu realisieren.The device according to the invention can also filter have to unwanted frequencies, such as the Netzfre quenz and unwanted high-frequency components, to eliminate and so increase the selectivity of the signal acquisition. Be digital filters are particularly suitable because they allow to realize any flow characteristics.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen: The invention is described below with reference to exemplary embodiments play explained with reference to the drawings; it demonstrate:  

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung und gegebenenfalls Regelung des Schlackezustandes in ei­ nem Lichtbogenofen; Figure 1 shows a device according to the invention for detecting and optionally controlling the slag state in egg nem arc furnace.

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfas­ sung und gegebenenfalls Regelung des Schlackezustan­ des in einem Lichtbogenofen; Fig. 2 shows another device according to the invention for capturing and optionally regulating the slag state in an arc furnace;

Fig. 3 eine Registrierkurve, die den Effektivwert der zwei­ ten Ableitung der Stromstärke in Abhängigkeit von der Zeit zeigt, wobei der Schlackezustand sowohl in der Einschmelzphase als auch für den geschmolzenen Zustand des Metallbads dargestellt ist. Fig. 3 is a registration curve which shows the effective value of the two-th derivative of the current intensity as a function of time, the slag state being shown both in the melting phase and for the molten state of the metal bath.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung, mit welcher der Schlackezustand nicht nur quantitativ erfaßt und gesteuert, sondern auch, durch die Einwirkung auf entsprechende Stellglieder in einem ge­ schlossenen Regelkreis, geregelt werden kann.The device shown in Fig. 1 is a device according to the Invention, with which the slag state is not only detected and controlled quantitatively, but also can be regulated by the action on corresponding actuators in a closed control circuit.

Die Vorrichtung von Fig. 1 umfaßt eine Rogowski-Spule als Meßtransformator, der die Stromerfassungseinrichtung (3) darstellt, an deren Ausgang die erste Ableitung des Stromsi­ gnals i(t) des durch die Elektrode 2 fließenden Stroms vor­ liegt, eine Differenziereinrichtung 4, welche daraus die zweite Ableitung der Stromstärke i(t) bildet, einen nachge­ schalteten Meßgleichrichter als Effektivwerteinrichtung 5, die den Effektivwert [dni/dtn]eff bildet, eine anschließend vorgesehene Integriereinrichtung 6 und eine Kontrolleinrich­ tung 7, die mit dem Ausgang der Integriereinrichtung 6 ver­ bunden ist. Die Kontrolleinrichtung 7 stellt eine Steuerlo­ gik dar, die aufgrund einer vorgegebenen oder wählbaren Re­ gelcharakteristik und auf der Basis vorgebbarer Sollwerte für dem Schlackefenster entsprechende Effektivwerte entspre­ chende Ausgangssignale an ein Stellglied 8 abgibt und eine Lanze 9 zum Einblasen von Sauerstoff ansteuert. Auch die (nicht dargestellte) Elektrodenpositioniereinrichtung kann ein solches Stellglied 8 sein.The device of Fig. 1 comprises a Rogowski coil as a measuring transformer, which represents the current detection device ( 3 ), at the output of which the first derivative of the current signal i (t) of the current flowing through the electrode 2 is present, a differentiating device 4 , which it forms the second derivative of the current strength i (t), a downstream measuring rectifier as the rms value device 5 , which forms the rms value [d n i / dt n ] eff , a subsequently provided integrating device 6 and a control device 7 which are connected to the output of the Integrator 6 is connected. The control device 7 represents a Steuerlo logic, which outputs corresponding output signals to an actuator 8 on the basis of a predetermined or selectable control characteristic and on the basis of predeterminable target values for the slag window, and outputs a lance 9 for blowing in oxygen. Such an actuator 8 can also be the electrode positioning device (not shown).

Es können selbstverständlich mehrere Lanzen zum Einblasen von Kohlenstoff bzw. Kohle in die Schlacke oder zum Einbla­ sen von Sauerstoff in das Stahlbad gleichzeitig angesteuert werden; es kann ferner auch eine Eintrageinrichtung zum Ein­ tragen von schlackenbildenden Stoffen angesteuert werden. Der die Stromerfassungseinrichtung 3 für den Elektrodenstrom darstellende Meßtransformator erfaßt die Stromstärke i(t) des Stroms, der über die Elektrode 2 des Lichtbogens fließt. In der Differenziereinrichtung 4 wird daraufhin die n-te Ab­ leitung dni/dtn der vom Meßtransformator erfaßten Stromstär­ ke i(t) gebildet. Der Meßtransformator besteht beispielswei­ se aus einer Rogowski-Spule, die als Ausgangssignal bereits die 1. Ableitung di/dt der Stromstärke i(t) liefert. Nach Differenzierung gelangt das Stromsignal zur Bildung des Ef­ fektivwertes [dni/dtn]eff zu dem Meßgleichrichter 5 und wird im Integrator 6 integriert.Of course, several lances for blowing carbon or coal into the slag or blowing oxygen into the steel bath can be controlled simultaneously; it can also be controlled an entry device for carrying slag-forming substances. The measuring transformer representing the current detection device 3 for the electrode current detects the current intensity i (t) of the current which flows over the electrode 2 of the arc. In the differentiating means 4 then the n-th line from d n i / dt n of the detected from the measuring transformer Stromstär ke i (t) is formed. The measuring transformer consists, for example, of a Rogowski coil, which already provides the first derivative di / dt of the current intensity i (t) as the output signal. After differentiation, the current signal arrives at the measurement rectifier 5 to form the effective value [d n i / dt n ] eff and is integrated in the integrator 6 .

Das Signal wird dann der Kontrolleinrichtung 7 zugeführt, die den Effektivwert [dni/dtn]eff mit vorgegebenen Grenzwer­ ten vergleicht.The signal is then fed to the control device 7 , which compares the effective value [d n i / dt n ] eff with predetermined limit values.

Liegt das erfaßte Signal außerhalb des vorgegebenen Wertebe­ reichs (des Schlackefensters), wird ein entsprechendes Stellsignal an das Stellglied 8 abgegeben, um über die Lanze 9 Sauerstoff in das Stahlbad einzublasen.If the detected signal lies outside the predetermined range of values (the slag window), a corresponding actuating signal is emitted to the actuator 8 in order to blow oxygen into the steel bath via the lance 9 .

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der Regeleinrichtung von Fig. 1 dar und eignet sich insbesondere für Gleichstrom­ lichtbogenöfen. The device according to the invention shown in FIG. 2 represents an advantageous development of the control device of FIG. 1 and is particularly suitable for direct current arc furnaces.

Die Vorrichtung von Fig. 2 unterscheidet sich von der Vor­ richtung der Fig. 1 dadurch, daß dem Meßgleichrichter der die Effektivwerteinrichtung 5 darstellt, ein Tiefpaßfilter TO vorgeschaltet ist, das vor der Bildung des Effektivwertes unerwünschte Frequenzen außerhalb des Frequenzbereiches von 20 Hz bis 1 kHz abtrennt.1, the apparatus of Fig. 2 differs from the pre direction of FIG. Characterized in that the Meßgleichrichter represents the effective value device 5, a low pass filter TO is connected upstream of the undesirable prior to the formation of the effective value frequencies outside the frequency range of 20 Hz to 1 kHz separates.

Ferner ist nach der Kontrolleinheit 7 eine weitere Kontroll­ einheit 11 vorgesehen, die nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik arbeitet.Furthermore, after the control unit 7, a further control unit 11 is provided which operates on the principle of fuzzy logic.

Die gestrichelte Linie zwischen der Kontrolleinheit 7 und der Elektrode 2 soll andeuten, daß erfindungsgemäß auch die Auf- und Abbewegung der Elektrode 2 durch die Kontrollein­ heit 7 in Abhängigkeit vom Schlackezustand geregelt werden kann.The dashed line between the control unit 7 and the electrode 2 is intended to indicate that, according to the invention, the up and down movement of the electrode 2 can be regulated by the control unit 7 as a function of the slag state.

Fig. 3 zeigt den Schlackezustand in einem Drehstromlichtbo­ genofen in der Einschmelz- sowie in der Schmelzphase. Bei diesem Versuch wurden 80 t Schrott eingeschmolzen. Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Effektivwertes der zweiten Ableitung der Stromstärke i(t) des über die Elektrode flie­ ßenden Stroms in Form eines ihm proportionalen Spannungs­ signals (V). Nach der Einschmelzphase lag der Effektivwert zuverlässig im Bereich des Schlackefensters, das durch die parallelen Linien mit dazwischenliegender Schraffierung an­ gedeutet ist. Fig. 3 shows the slag condition in a three-phase Lichtbo genofen in the melting and in the melting phase. In this test, 80 tons of scrap were melted down. Fig. 3 shows the time course of the effective value of the second derivative of the current strength i (t) of the current flowing through the electrode in the form of a voltage signal (V) proportional to it. After the melting phase, the effective value was reliably in the area of the slag window, which is indicated by the parallel lines with shading in between.

Durch die Anwendung des Erfindungskonzepts konnten in Dreh­ stromlichtbogenöfen Energieeinsparungen von 5-30 kWh pro Tonne eingesetzten Schrotts erzielt werden. Bei Gleichstrom­ lichtbogenöfen lag diese Energieersparnis sogar noch etwas höher. By applying the concept of the invention, electric arc furnaces energy savings of 5-30 kWh per Ton of scrap used. With direct current arc furnaces, this energy saving was even somewhat higher.  

Ferner konnte der Verbrauch an Feuerfestmaterialien um etwa 0,5 kg/t verringert werden.Furthermore, the consumption of refractory materials increased by about 0.5 kg / t can be reduced.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die vorliegende Er­ findung eine schnelle und zuverlässige Erfassung des Schlacke­ zustandes in Lichtbogenöfen ermöglicht, wodurch die Wirt­ schaftlichkeit des Lichtbogenofenbetriebes verbessert werden kann.In summary, it can be stated that the present Er a quick and reliable detection of the slag condition in arc furnaces, which allows the host economy of the arc furnace operation can be improved can.

Claims (33)

1. Verfahren zur Erfassung des Schlackezustandes in Licht­ bogenöfen, in denen ein flüssiges Metallbad, insbeson­ dere ein Stahlbad, mit einer Schlackeschicht bedeckt ist, die den zwischen Metallbad und Elektrode brennenden Lichtbogen zumindest teilweise einhüllt, durch Erzeugung eines aus der Stromstärke i(t) des über die Elektrode fließenden Stroms abgeleiteten Signals und Ermittlung des Schlackezustandes aus diesem Signal, gekennzeichnet durch
  • - Bildung der n-ten Ableitung dni/dtn der von der Zeit t abhängigen Stromstärke i(t) bzw. eines ihr proportio­ nalen Signals zu vorgegebenen Zeitpunkten oder konti­ nuierlich, wobei n gleich 2, 3 oder 4 ist,
  • - Bildung des Effektivwertes [dni/dtn]eff der n-ten Ablei­ tung dni/dtn der Stromstärke i(t) bzw. des ihr propor­ tionalen Signals in Form des quadratischen Mittelwerts nach der Formel I,
    worin bedeuten:
    i die Stromstärke des über die Elektrode fließenden Stroms,
    n 2, 3 oder 4
    und
    T die Integrationsdauer,
    und
  • - Ermittlung, ob der Effektivwert [dni/dtn]eff innerhalb vorgegebener Grenzwerte (Schlackefenster) liegt, in­ nerhalb deren der Schlackezustand und die Schlacke­ menge bzw. der Einhüllungsgrad der Elektrode optimal sind.
1. Method for detecting the state of slag in electric arc furnaces in which a liquid metal bath, in particular a steel bath, is covered with a layer of slag which at least partially envelops the arc burning between the metal bath and the electrode by generating a current i (t) of the signal derived via the current flowing and determination of the slag state from this signal, characterized by
  • Formation of the n-th derivative d n i / dt n of the current intensity i (t) dependent on the time t or of a signal proportional to it at predetermined times or continuously, where n is 2, 3 or 4,
  • Formation of the effective value [d n i / dt n ] eff of the nth derivative d n i / dt n of the current intensity i (t) or of the signal proportional to it in the form of the root mean square according to the formula I,
    in which mean:
    i the current strength of the current flowing through the electrode,
    n 2, 3 or 4
    and
    T the integration period,
    and
  • - Determining whether the effective value [d n i / dt n ] eff lies within predetermined limit values (slag window), within which the slag condition and the amount of slag or the degree of encapsulation of the electrode are optimal.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 2. Ableitung (n = 2) der Stromstärke i(t) zur Bil­ dung des Effektivwertes herangezogen wird ([d2i/dt2]eff).2. The method according to claim 1, characterized in that the second derivative (n = 2) of the current intensity i (t) is used to form the effective value ([d 2 i / dt 2 ] eff ). 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die n-te Ableitung dni/dtn aus Inkrementen nullter bis n-ter Ordnung nach der Formel II
dni/dtn = k0 + k1.di/dt + k2.d2i/dt2 + k3.d3i/dt3 + k4.d4i/dt4 (II)
erzeugt wird, in der k0, k1, k2, k3 und k4 vorgegebene und insbesondere durch Eichung oder empirisch bestimmte Konstante darstellen, wobei die Bedingungen
k0, k1 ≧ 0 sowie k2 und/oder k3 und/oder k4 < 0
gelten.3. The method according to claim 1, characterized in that the nth derivative d n i / dt n from zero to nth order increments according to formula II
d n i / dt n = k 0 + k 1 .di / dt + k 2 .d 2 i / dt 2 + k 3 .d 3 i / dt 3 + k 4 .d 4 i / dt 4 (II)
is generated, in which k 0 , k 1 , k 2 , k 3 and k 4 are given and in particular by calibration or empirically determined constant, the conditions
k 0 , k 1 ≧ 0 and k 2 and / or k 3 and / or k 4 <0
be valid. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 zur Steuerung oder Regelung des Schlackezustandes, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Erfassung eines außerhalb des Schlackefensters liegenden Effektivwertes Kohlen­ stoff bzw. Kohle in die Schlacke oder Sauerstoff in das Metallbad eingeblasen wird bzw. das Einblasen dieser Stoffe reduziert und/oder gestoppt wird. 4. The method according to one or more of claims 1 to 3 to control or regulate the slag state, because characterized in that when detecting an outside of the slag window effective value of coal substance or coal in the slag or oxygen in the Metal bath is blown in or the blowing in of these Substances is reduced and / or stopped.   5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 zur Steuerung oder Regelung des Schlackezustandes, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Erfassung eines außerhalb des Schlackefensters liegenden Effektivwertes schlacken­ bildende Stoffe in den Lichtbogenofen eingebracht werden bzw. die Zufuhr dieser Stoffe reduziert und/oder ge­ stoppt wird.5. The method according to one or more of claims 1 to 4 to control or regulate the slag state, because characterized in that when detecting an outside the effective value of the slag window forming substances are introduced into the arc furnace or the supply of these substances is reduced and / or ge stops. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erfassung eines au­ ßerhalb des Schlackefensters liegenden Effektivwertes die Elektrodenposition entsprechend geändert wird.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that upon detection of an au effective value lying outside the slag window the electrode position is changed accordingly. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das der n-ten Ableitung der Stromstärke i(t) entsprechende Signal dni/dtn vor der Bildung des Effektivwertes gefiltert wird.7. The method according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the n-th derivative of the current intensity i (t) corresponding signal d n i / dt n is filtered before the effective value is formed. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß so gefiltert wird, daß Signalkomponenten des Signals dni/dtn außerhalb des Frequenzbereichs von 800 Hz bis 100 kHz abgetrennt werden.8. The method according to claim 7, characterized in that the filtering is carried out in such a way that signal components of the signal d n i / dt n are separated outside the frequency range from 800 Hz to 100 kHz. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Signalkomponenten außerhalb des Frequenzbereichs von 20 Hz bis 1 kHz abgetrennt werden.9. The method according to claim 7, characterized in that Signal components outside the frequency range of 20 Hz to 1 kHz can be separated. 10. Vorrichtung zur Erfassung des Schlackezustandes in Lichtbogenöfen (1), in denen ein flüssiges Metallbad, insbesondere ein Stahlbad, herstellbar ist, das mit ei­ ner Schlackeschicht bedeckt ist, die den zwischen Me­ tallbad und Elektrode (2) brennenden Lichtbogen zumin­ dest teilweise einhüllt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, die aufweist
  • - eine Stromerfassungseinrichtung (3), welche die Strom­ stärke i(t) des über die Elektrode (2) fließenden Stroms erfaßt,
  • - eine Differenziereinrichtung (4), die eine Ableitung der Stromstärke i(t) erzeugt, und
  • - eine Kontrolleinrichtung (7), die aus der Ableitung der Stromstärke i(t) ein dem Schlackezustand entspre­ chendes Signal erzeugt,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Differenziereinrichtung (4) die n-te Ableitung dni/dtn der von der Zeit t abhängigen Stromstärke i(t), bzw. ein der n-ten Ableitung entsprechendes Signal zu vorgegebenen Zeitpunkten oder kontinuierlich erzeugt, wobei n gleich 2, 3 oder 4 ist,
    eine der Differenziereinrichtung (4) nachgeschaltete Ef­ fektivwerteinrichtung (5) vorgesehen ist, die den Effek­ tivwert [dni/dtn]eff der n-ten Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t) bzw. des ihr proportionalen Signals in Form des quadratischen Mittelwerts nach der Formel I bildet,
    worin bedeuten:
    i die Stromstärke des über die Elektrode (2) fließenden Stroms,
    t die Zeit,
    n 2, 3 oder 4
    und
    T die Integrationsdauer,
    und
    die Kontrolleinrichtung (7) der Effektivwerteinrichtung (5) nachgeschaltet ist und den Effektivwert [dni/dtn]eff mit vorgegebenen Grenzwerten vergleicht, innerhalb deren der Schlackezustand und die Schlackemenge bzw. der Ein­ hüllungsgrad der Elektrode (2) optimal sind (Schlacke­ fenster), und bei Erfassung eines außerhalb des Schlacke­ fensters liegenden Effektivwertes [dni/dtn]eff ein ent­ sprechendes Signal abgibt und/oder eine oder mehrere Lanzen (9) zum Einblasen von Kohlenstoff bzw. Kohle in die Schlacke oder von Sauerstoff in das Metallbad und/oder eine Eintrageinrichtung zum Eintragen von schlacke­ bildenden Stoffen ansteuert und/oder die Elektrode (2) geeignet positioniert.
10. Device for detecting the slag state in arc furnaces ( 1 ) in which a liquid metal bath, in particular a steel bath, can be produced, which is covered with a slag layer which at least partially envelops the arc burning between metal bath and electrode ( 2 ) , in particular for performing the method according to claims 1 to 9, which comprises
  • - A current detection device ( 3 ) which detects the current strength i (t) of the current flowing through the electrode ( 2 ),
  • - A differentiating device ( 4 ) which generates a derivative of the current intensity i (t), and
  • a control device ( 7 ) which generates a signal corresponding to the slag state from the derivation of the current intensity i (t),
    characterized in that
    the differentiating device ( 4 ) generates the n-th derivative d n i / dt n of the current intensity i (t) dependent on the time t, or a signal corresponding to the n-th derivative at predetermined times or continuously, where n is 2, Is 3 or 4,
    one of the differentiating devices ( 4 ) downstream of the effective value device ( 5 ) is provided, which has the effective value [d n i / dt n ] eff of the nth derivative d n i / dt n of the current strength i (t) or its proportional value Signal in the form of the root mean square according to formula I,
    in which mean:
    i the current intensity of the current flowing through the electrode ( 2 ),
    t the time
    n 2, 3 or 4
    and
    T the integration period,
    and
    the control device ( 7 ) is connected downstream of the effective value device ( 5 ) and compares the effective value [d n i / dt n ] eff with predetermined limit values within which the slag state and the amount of slag or the degree of encapsulation of the electrode ( 2 ) are optimal (slag window), and upon detection of an effective value [d n i / dt n ] eff lying outside the slag window, emits a corresponding signal and / or one or more lances ( 9 ) for blowing carbon or coal into the slag or of oxygen controlled in the metal bath and / or an insertion device for the introduction of slag-forming substances and / or the electrode ( 2 ) suitably positioned.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) ein an zwei von­ einander beabstandeten Punkten des Elektrodenkreises parallelgeschalteter Meßwiderstand ist, wobei der daran auftretende Spannungsabfall, der dem Strom i(t) ent­ spricht, als Eingangssignal zur Differenziereinrichtung (4) gelangt, die daraus die n-te Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t) erzeugt.11. The device according to claim 10, characterized in that the current detection device ( 3 ) is a measuring resistor connected in parallel at two spaced apart points of the electrode circuit, the voltage drop occurring there, which speaks the current i (t), as an input signal to the differentiating device ( 4 ), which generates the nth derivative d n i / dt n of the current strength i (t). 12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) ein Meßtransfor­ mator ist, der ein Ausgangssignal abgibt, das der ersten Ableitung di/dt der Stromstärke i(t) entspricht, und die Differenziereinrichtung (4) so ausgebildet ist, daß sie aus dem Ausgangssignal des Meßtransformators durch Nach­ differenzieren ein der n-ten Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t) entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.12. The apparatus according to claim 10, characterized in that the current detection device ( 3 ) is a Meßtransfor mator, which outputs an output signal corresponding to the first derivative di / dt of the current intensity i (t), and the differentiating device ( 4 ) is designed that it generates an output signal corresponding to the n-th derivative d n i / dt n of the current intensity i (t) from the output signal of the measuring transformer. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Spule ist.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the current detection device ( 3 ) is a one-, two- or three-dimensional coil. 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfas­ sungseinrichtung (3) eine Rogowski-Spule ist.14. The device according to one or more of claims 10, 12 and 13, characterized in that the Stromerfas solution device ( 3 ) is a Rogowski coil. 15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierein­ richtung (4) mit der Stromerfassungseinrichtung (3) eine funktionelle Einheit bildet bzw. mit der Stromerfas­ sungseinrichtung (3) integriert ist.15. The device according to one or more of claims 10 to 14, characterized in that the differentiating device ( 4 ) with the current detection device ( 3 ) forms a functional unit or is integrated with the current detection device ( 3 ). 16. Vorrichtung nach Anspruch 10 und/oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) ein Hall-Generator ist.16. The apparatus according to claim 10 and / or 15, characterized in that the current detection device ( 3 ) is a Hall generator. 17. Vorrichtung nach einem der mehreren der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Effektivwerteinrich­ tung (5) zur Bildung des Effektivwertes der n-ten Ablei­ tung ein Meßgleichrichter ist, dem gegebenenfalls eine Integriereinrichtung (6) nachgeschaltet ist.17. The device according to one of several of claims 10 to 16, characterized in that the RMS device ( 5 ) for forming the RMS value of the n-th device is a measuring rectifier, which is optionally followed by an integrating device ( 6 ). 18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrich­ tung (7) ein Rechner bzw. ein Mikrocomputer ist, in dem die dem Schlackefenster zugeordneten Grenzwerte gespei­ chert oder speicherbar sind.18. The device according to one or more of claims 10 to 17, characterized in that the control device ( 7 ) is a computer or a microcomputer in which the limit values assigned to the slag window are stored or can be stored. 19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrich­ tung (7) ein Display aufweist, auf dem anzeigbar ist, ob der Effektivwert der n-ten Ableitung innerhalb oder au­ ßerhalb des Schlackefensters liegt.19. The device according to one or more of claims 10 to 18, characterized in that the control device ( 7 ) has a display on which it can be shown whether the effective value of the nth derivative is inside or outside the slag window. 20. Vorrichtung nach einem der mehreren der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) eine Signaleinrichtung aufweist, die ein akustisches und/oder optisches und/oder elektrisches Signal abgibt, wenn der Effektivwert der n-ten Ableitung innerhalb oder außerhalb des Schlackefensters liegt.20. Device according to one of the several of claims 10 to 19, characterized in that the control device ( 7 ) has a signal device which emits an acoustic and / or optical and / or electrical signal if the effective value of the nth derivative is within or is outside the slag window. 21. Vorrichtung nach Anspruch 19 und/oder 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) so ausge­ bildet ist, daß auf dem Display auch angezeigt wird, ob der Effektivwert oberhalb oder unterhalb des Schlacke­ fensters liegt.21. The apparatus of claim 19 and / or 20, characterized in that the control device ( 7 ) is so formed that it is also shown on the display whether the effective value is above or below the slag window. 22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) so ausgebildet ist, daß das abgegebene Signal auch die Information beinhaltet, ob der Effektivwert oberhalb oder unterhalb des Schlacke­ fensters liegt.22. The apparatus according to claim 20, characterized in that the control device ( 7 ) is designed such that the signal emitted also contains the information as to whether the effective value is above or below the slag window. 23. Vorrichtung nach einem der mehreren der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) als Steuereinrichtung mit offenem Wirkungsablauf ausgelegt ist.23. Device according to one of the several of claims 10 to 22, characterized in that the control device ( 7 ) is designed as a control device with an open action sequence. 24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrich­ tung (7) als Regeleinrichtung mit geschlossenem Regel­ kreis ausgelegt ist und als Stellglieder eine oder meh­ rere Lanzen zum Einblasen von Kohlenstoff bzw. Kohle in die Schlacke und/oder von Sauerstoff in das Metallbad und/oder die Elektrodenpositioniereinrichtung ansteuert und den Schlackezustand über den Effektivwert [dni/dtn]eff der n-ten Ableitung des Stroms i(t) so re­ gelt, daß der Effektivwert im Schlackefenster gehalten wird.24. The device according to one or more of claims 10 to 22, characterized in that the control device ( 7 ) is designed as a control device with a closed control circuit and as actuators one or more lances for blowing carbon or coal into the slag and / or drives oxygen into the metal bath and / or the electrode positioning device and regulates the slag state via the effective value [d n i / dt n ] eff of the nth derivative of the current i (t) so that the effective value is kept in the slag window . 25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierein­ richtung (4) so ausgebildet ist, daß sie die 2. Ablei­ tung d2i/dt2 des Stroms i(t) bildet.25. The device according to one or more of claims 10 to 24, characterized in that the differentiating device ( 4 ) is designed such that it forms the second derivative d 2 i / dt 2 of the current i (t). 26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierein­ richtung (4) so ausgebildet ist, daß sie als n-te Ablei­ tung dni/dtn ein aus Inkrementen nullter bis n-ter Ord­ nung bestehendes Signal erzeugt, das der Formel II ent­ spricht,
dni/dtn = k0 + k1.di/dt + k2.d2i/dt2 + k3.d3i/dt3 + k4.d4i/dt4 (II),
in der k0, k1, k2, k3 und k4 vorgegebene und insbesondere durch Eichung oder empirisch bestimmte Konstante dar­ stellen, für welche die Bedingungen
k0, k1 ≧ 0 sowie k2 und/oder k3 und/oder d4 < 0
gelten.26. The device according to one or more of claims 10 to 24, characterized in that the differentiating device ( 4 ) is designed such that it as n-th derivative d n i / dt n a from increments zero to nth order generated existing signal that corresponds to the formula II,
d n i / dt n = k 0 + k 1 .di / dt + k 2 .d 2 i / dt 2 + k 3 .d 3 i / dt 3 + k 4 .d 4 i / dt 4 (II),
in which k 0 , k 1 , k 2 , k 3 and k 4 are given and in particular by calibration or empirically determined constant, for which the conditions
k 0 , k 1 ≧ 0 and k 2 and / or k 3 and / or d 4 <0
be valid. 27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine der Diffe­ renziereinrichtung (4) nachgeschaltete Filtereinrichtung (10) aufweist, die unerwünschte Signalkomponenten aus­ filtert.27. The device according to one or more of claims 10 to 26, characterized in that it has a differentiating device ( 4 ) downstream filter device ( 10 ) which filters out unwanted signal components. 28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (10) so ausgebildet ist, daß sie Signalkomponenten ausfiltert, die außerhalb des Be­ reichs von 800 Hz bis 100 kHz liegen.28. The apparatus according to claim 27, characterized in that the filter device ( 10 ) is designed such that it filters out signal components which are outside the range from 800 Hz to 100 kHz. 29. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (10) so ausgebildet ist, daß sie Signalkomponenten ausfiltert, die außerhalb des Be­ reichs von 20 Hz bis 1 kHz liegen.29. The device according to claim 18, characterized in that the filter device ( 10 ) is designed such that it filters out signal components which lie outside the range from 20 Hz to 1 kHz. 30. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontrollein­ richtung (7) eine weitere Kontrolleinrichtung (11) nach­ geschaltet oder zugeordnet ist.30. The device according to one or more of claims 10 to 29, characterized in that the control device ( 7 ) is connected or assigned a further control device ( 11 ). 31. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrich­ tung (7) und/oder die ihr nachgeschaltete oder zugeord­ nete weitere Kontrolleinrichtung (11) ein auf Fuzzy-Logik beruhender Fuzzy-Controller ist.31. The device according to one or more of claims 10 to 30, characterized in that the control device ( 7 ) and / or its downstream or assigned further control device ( 11 ) is a fuzzy logic-based fuzzy controller. 32. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Effektivwertein­ richtung (5) und die Kontrolleinrichtung(en) (7, 11) funktionell miteinander integriert sind und vorzugsweise einen Mikrocomputer darstellen.32. Device according to one or more of claims 10 to 31, characterized in that the RMS device ( 5 ) and the control device (s) ( 7 , 11 ) are functionally integrated with one another and preferably represent a microcomputer. 33. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollein­ richtung (7, 11) so ausgelegt ist, daß sie als adaptiver Regler arbeitet.33. Device according to one or more of claims 24 to 32, characterized in that the control device ( 7 , 11 ) is designed so that it works as an adaptive controller.
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