DE19748310C1 - Verfahren und Einrichtung zur Steuerung der Schaumschlackenbildung in einem Lichtbogenofen - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur Steuerung der Schaumschlackenbildung in einem LichtbogenofenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Einrichtung
zur Steuerung der Schaumschlackebildung in einem Lichtbo
genofen, dem Kohlenstoff derart zugeführt wird, daß sowohl
eine mindestens teilweise Einhüllung des Lichtbogens im
Lichtbogenofen erfolgt als auch eine überdosierte Zufuhr von
Kohlenstoff vermieden wird.
Schaumschlacke entsteht durch Aufschäumen der Schlacke in ei
nem Lichtbogenofen mit Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmon
oxid und dient zum Abschirmen der Strahlung des Lichtbogens
auf die Ofenwand. Ein derartiges Vorgehen ist z. B. aus der
DE 44 25 089 C1 oder der EP 0 637 834 A1 bekannt. Gemäß der
DE 44 25 089 C1 wird die Schaumschlacke in Abhängigkeit von
einer gemessenen Schallemission im Bereich der zweifachen
Netz-/Versorgungsfrequenz, des Lichtbogenofens geregelt. Da
bei wird bei einem Überschreiten eines durch eine Steuerein
heit vorgebbaren Schaltpegels die Kohlenstoffzufuhr erhöht
und bei einem Unterschreiten die Kohlenstoffzufuhr vermin
dert. Gemäß der EP 0 637 834 A1 wird die Schaumschlacke in
Abhängigkeit von einer gemessenen Schallemission sowie in Ab
hängigkeit elektrischer Größen geregelt.
Bei dem Verfahren gemäß der DE 44 25 089 C1 bzw. gemäß der
EP 0 637 834 A1 ist nachteilig, daß die gewünschte Schaum
schlacke nur sehr langsam geregelt werden kann, und daß es
für unverhältnismäßig lange Zeitabschnitte zu Zuständen kom
men kann, in denen die Schaumschlacke zu gering ist. In die
sen Fällen ist die Leistung des Lichtbogens zurückzufahren,
was die Dauer des Schmelzprozesses erhöht. Bei einem indu
striellen Großschmelzprozeß, wie er in einem Lichtbogenofen
ab
läuft, ist selbst eine kurzzeitige Verlängerung des Schmelz
prozesses mit hohen Kosten verbunden. Entsprechend ist es
Aufgabe der Erfindung, den Schmelzprozeß in einem Lichtbo
genofen zu verkürzen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß
Anspruch 1 bzw. eine Einrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst. Da
bei wird dem Lichtbogenofen der Kohlenstoff derart zugeführt,
daß sowohl eine mindestens teilweise Einhüllung des Lichtbo
gens durch Schaumschlacke im Lichtbogenofen erfolgt als auch
eine überdosierte Zufuhr von Kohlenstoff vermieden wird. Er
findungsgemäß wird die Menge des Kohlenstoffs, der dem Licht
bogenofen zugeführt wird, mittels eines Schaumschlackenmo
dells in Abhängigkeit der Menge zumindest eines der Beschic
kungsmaterialien Schrott, Stahl, Legierungsmittel oder Zu
satzstoffe ermittelt. Legierungsmittel können z. B. Kohlen
stoff oder Metalle wie Mangan, Nickel usw. sein. Ein Zusatz
stoff ist z. B. Kalk. Das Ermitteln der Menge des Kohlen
stoffs, der dem Lichtbogen zugeführt wird, mittels eines
Schaumschlackenmodells in Abhängigkeit der Menge zumindest
eines der Beschickungsmaterialien Schrott, Stahl, Legierungs
mittel oder Zusatzstoffe erlaubt ein besonders schnelles Auf
bauen eines gewünschten Schaumschlackepegels. Auf diese Weise
kann unter besonders hoher Energiezufuhr geschmolzen werden,
wodurch sich die notwendige Zeit für das Schmelzen des Me
talls im Lichtbogenofen verringert.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird
die Menge des Kohlenstoffs in Abhängigkeit aller wesentlichen
Beschichtungsmaterialien, d. h. Schrott, Stahl, der wesentli
chen Legierungsmittel und der wesentlichen Zusatzstoffe er
mittelt. Außerdem ist es besonders vorteilhaft, die Menge des
Kohlenstoffs, der in den Ofen eingeblasen werden soll, zu
sätzlich in Abhängigkeit der Energiezufuhr in den Lichtbo
genofen zu ermitteln. Die Kombination aus Beschichtungsmate
rialien und Energiezufuhr erlaubt eine besonders präzise Vor
hersage der Schaumschlacke und der notwendigen Kohlenstoffzu
fuhr, wodurch besonders schnell und präzise der gewünschte
Schaumschlackenpegel eingestellt werden kann.
In einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
weist das Schaumschlackenmodell ein neuronales Netz auf. Ein
neuronales Netz ist besonders geeignet, die Bildung von
Schaumschlacke zu modellieren, so daß sich mittels des neuro
nalen Netzes ein besonders präzises Schaumschlackenmodell er
gibt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach
folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen Drehstromlichtbogenofen mit einer Einrichtung
zur Steuerung der Schaumschlackenbildung,
Fig. 2 das funktionale Zusammenwirken von Schaumschlacken
modell und Lichtbogenofen,
Fig. 3 ein neuronales Netz.
Fig. 1 zeigt einen Lichtbogenofen 5, der in der beispielhaften
Ausgestaltung als Drehstromlichtbogenofen ausgebildet ist,
mit einer Einrichtung zur Steuerung der Bildung von Schaum
schlacke 4 im Lichtbogenofen 5. Im Lichtbogenofen 5 wird mit
drei Elektroden 1, 2, 3, die über einen stellbaren Transfor
mator an ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz 8 ange
schlossen sind, Schrott geschmolzen, so daß sich flüssiges
Metall 6 im unteren Teil des Lichtbogenofens 5 ansammelt.
Zwischen den Elektroden 1, 2, 3 und dem Schrott bzw. dem
flüssigen Metall 6 bilden sich Lichtbögen 9 aus. Die Lichtbö
gen werden von Schaumschlacke 4 eingehüllt, um die Wände des
Lichtbogenofens 5 vor der Energieabstrahlung der Lichtbögen 9
zu schützen. Zum Aufbau eines gewünschten Pegels von Schaum
schlacke 4 ist eine Einrichtung zur Steuerung der Schaum
schlacke vorgesehen. Diese weist in beispielhafter Ausgestal
tung eine Einblaslanze 10 sowie eine Recheneinrichtung 11
auf. Mittels der Einblaslanze 10 wird Kohlenstoff, insbeson
dere mit Luft gemischter Kohlenstoff, in den Lichtbogenofen
5, insbesondere in die Schlacke oberhalb des flüssige Metalls
6, geblasen. In der Schlacke wandelt sich der Kohlenstoff in
Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid um, so daß Schaum
schlacke 4 entsteht. Des Menge des einzublasenden Kohlen
stoffs wird durch die Recheneinrichtung 11 in Abhängigkeit
der dem Lichtbogenofen 5 zugeführten elektrischen Energie so
wie in Abhängigkeit der Menge der Beschickungsmaterialien in
den Lichtenbogenofen 5 ermittelt. Beschickungsmaterialien
sind im wesentlichen Schrott, Legierungsmittel und Zusatz
stoffe. Ferner kann es vorgesehen werden, den Lichtbogenofen
5 auch mit Stahl zu beschicken. Ein wichtiger Zusatzstoff ist
z. B. Kalk, der einen wichtigen Bestandteil der Schaumschlacke
4 bildet.
Die Zufuhr elektrischer Energie aus dem Energieversorgungs
netz 8 wird in beispielhafter Ausgestaltung mittels des ein
stellbaren Transformators 7 und/oder durch Verstellung der
Höhe der Elektroden 1, 2, 3 geregelt. Einzelheiten einer vor
teilhaften Regelung der Energiezufuhr im Zusammenhang mit der
Erfindung können der DE 197 11 453, der EP 0 036 122 und der
DE 44 15 727 entnommen werden. Die Energiezufuhr, insbesonde
re die Höhe der Elektroden 1, 2 und 3, wird in Abhängigkeit
der Höhe des Pegels der Schaumschlacke 4 im Lichtbogenofen 5
eingestellt. Dazu ermittelt die Recheneinrichtung 11 in be
sonders vorteilhafter Weise mittels des auf ihr implementier
ten Schaumschlackenmodells neben dem Sollwert für die Zufuhr
von Kohlenstoff die aktuelle Höhe des Pegels der Schaum
schlacke 4 im Lichtbogenofen 5. Die Regelung des Transforma
tors 7 sowie die Regelung der Höhe der Elektroden 1, 2, 3
können in beispielhafter Ausgestaltung auch auf der Rechen
einrichtung 11 implementiert werden.
Fig. 1 zeigt in beispielhafter Ausgestaltung einen als Dreh
stromlichtbogenofen ausgebildeten Lichtbogenofen 5. Die Er
findung ist jedoch auch besonders vorteilhaft für einen
Gleichstromlichtbogenofen einzusetzen. In bezug auf einen
Gleichstromlichtbogenofen ist das erfindungsgemäße Verfahren
den Verfahren gemäß DE 44 25 089 C1 und der EP 0 637 834 A1
besonders überlegen, da die signifikanten Frequenzen in der
Schallemission bzw. in den elektrischen Größen nicht oder nur
schwach vorhanden sind.
Fig. 2 zeigt das Zusammenwirken eines Schaumschlackenmodells
25 mit einem Lichtbogenofen 5. Die wesentlichen Prozesse, die
im Lichtbogenofen 5 ablaufen, sind das Beschicken 22 des
Lichtbogenofens 5, der Schmelzprozeß 23 im Lichtbogenofen 5
sowie der Abstich 24 des Lichtbogenofens 5, bei dem das flüs
sige Metall im Lichtbogenofen 5 abgestochen wird. Beim Be
schicken 22 des Lichtbogenofens 5 wird der Lichtbogenofen 5
mit einer bestimmten Menge von Beschickungsmaterialien 27 wie
Schrott, Stahl, Legierungsmittel und/oder Zusatzstoffe be
schickt. Während des Schmelzprozesses 23 wird dem Lichtbo
genofen 5 Energie 28 zugeführt. Außerdem wird Kohlenstoff 29
in den Lichtbogenofen 5 eingeblasen. Aus der Menge der Be
schickungsmaterialien 27 sowie der Zufuhr von Energie 28 er
mittelt ein Schaumschlackenmodell 25 Sollwerte für die Zufuhr
von Kohlenstoff 29 in den Lichtbogenofen 5.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen werden, das
Schaumschlackenmodell 25 zu optimieren, so daß es besonders
präzise Sollwerte für die Zufuhr von Kohlenstoff 29 in den
Lichtbogenofen 5 liefert. Dazu werden die Eigenschaften 30
von Schaumschlacke, die beim Abstich 24 im Lichtbogenofen 5
vorhanden ist, einem Bewerter 26 zugeführt. Der Bewerter 26
weist einen Lernalgorithmus auf, der neue Parameter 20 für
das Schaumschlackenmodell 25 ermittelt. Die Ermittlung neuer
Parameter 20 erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit der Eigen
schaften 30 der Schaumschlacke sowie der vom Schaumschlacken
modell 25 ermittelten Eigenschaften 19 der Schaumschlacke.
Die Eigenschaften 30 der Schaumschlacke werden z. B. von einem
Bediener bestimmt und über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle
in den Bewerter 26 eingegeben.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein neuronales Netz,
das als einfaches Ausführungsbeispiel für ein Schaumschlac
kenmodell einsetzbar ist. Das neuronale Netz weist drei Ein
gangsknoten 31, 32, 33 auf, wobei dem neuronalen Netz über
den Eingangsknoten 31 Information über die Menge des Schrotts
im Lichtbogenofen, über den Eingangsknoten 32 Information
über die Menge an zugeführter Energie und über den Eingangs
knoten 33 Information über die zugeführte Menge von Kalk zu
geführt werden. Das neuronale Netz weist eine Ebene mit ver
deckten Neuronen 34, 35 und 36 sowie einen Ausgangsknoten 37
auf, über den ein Sollwert für die Kohlenstoffzufuhr ausgege
ben wird.
Claims (9)
1. Verfahren zur Steuerung der Schaumschlackenbildung in ei
nem Lichtbogenofen (5), dem Kohlenstoff derart zugeführt
wird, daß sowohl eine mindestens teilweise Einhüllung des
Lichtbogens im Lichtbogenofen (5) erfolgt als auch eine über
dosierte Zufuhr von Kohlenstoff vermieden wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge des Kohlenstoffs (29), der dem Lichtbogenofen
zugeführt wird, mittels eines Schaumschlackenmodells (25) in
Abhängigkeit der Menge zumindest eines der Beschickungsmate
rialien (27) Schrott, Stahl, Legierungsmittel oder Zusatz
stoffe ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge des Kohlenstoffs (29), der dem Lichtbogenofen
zugeführt wird, mittels des Schaumschlackenmodells (25) in
Abhängigkeit der Menge der Beschickungsmaterialien (27)
Schrott, Stahl, Legierungsmittel und Zusatzstoffe ermittelt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge des Kohlenstoffs (29), der dem Lichtbogenofen
zugeführt wird, mittels des Schaumschlackenmodells (25) zu
sätzlich in Abhängigkeit der Energiezufuhr (28) in den Licht
bogenofen (5) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Menge des Kohlenstoffs (29), der dem Lichtbogenofen
zugeführt wird, mittels eines als neuronales Netz ausgebilde
ten Schaumschlackenmodells (25), ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das neuronale Netz mit einer Analyse der Eigenschaften
der Schaumschlacke beim Abstich des Lichtbogenofens (5) trai
niert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels des Schaumschlackenmodells (25) die chemischen
und/oder physikalischen Eigenschaften (19) der Schaumschlacke
(4) im Lichtbogenofen (5) ermittelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß mittels des Schaumschlackenmodells (25) die Höhe der
Schaumschlacke (4) im Lichtbogenofen (5) ermittelt wird.
8. Einrichtung zur Steuerung der Schaumschlackenbildung in
einem Lichtbogenofen (5) zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur
Steuerung der Schaumschlackenbildung in dem Lichtbogenofen
(5) eine Kohlenstoffzuführeinrichtung (10) aufweist, mittels
der dem Lichtbogenofen (5) Kohlenstoff derart zugeführt wird,
daß sowohl eine mindestens teilweise Einhüllung des Lichtbo
gens im Lichtbogenofen (5) erreicht als auch eine überdosier
te Zufuhr von Kohlenstoff vermieden wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur Steuerung der Schaumschlackenbildung eine
Recheneinrichtung (11) zur Steuerung der Kohlenstoffzuführ
einrichtung (10) aufweist, wobei die Recheneinrichtung (11)
ein Schaumschlackenmodell (25) zur Ermittlung der Menge des
Kohlenstoffs (29), der dem Lichtbogenofen zugeführt wird, in
Abhängigkeit der Menge zumindest eines der Beschickungsmate
rialien (27), Schrott, Stahl, Legierungsmittel oder Zusatz
stoffe, aufweist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schaumschlackenmodell (25) ein neuronales Netz auf
weist.
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