DE19836844C2 - Verfahren zum Bestimmen der Höhe des Badspiegels eines Elektrolichtbogenofens - Google Patents
Verfahren zum Bestimmen der Höhe des Badspiegels eines ElektrolichtbogenofensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Höhe des Badspiegels
eines Elektrolichtbogenofens, der ein Ofengefäß mit einer Schlackentür und einen
höhenverstellbaren Elektrodentragarm für mindestens eine Graphitelektrode auf
weist.
Im Elektrolichtbogenofen ist die Schmelze mit einer oxidischen Schlacke bedeckt.
Für den Reinheitsgrad des Stahls und für die Gussqualität ist es wichtig, dass
beim Abstich in die Gießpfanne möglichst wenig Schlacke mitläuft. Die Schlacke
enthält Sauerstoff, zu dessen Beseitigung Aluminiumzusätze benötigt werden. Das
Aluminium wird zu Tonerde oxidiert, die die Gießeigenschaften verschlechtert und
das Verstopfen des Tauchausgusses, das sogenannte "clogging" fördert. Außer
dem erschwert der Sauerstoff aus dem Eisenoxid in der Schlacke die Entschwefe
lung und Entgasung des Stahls bei der sekundärmetallurgischen Behandlung.
Mitgelaufene Schlacke ist visuell schlecht auszumachen. Manche Betreiber benut
zen deshalb ein elektromagnetisches Verfahren zur Schlackenerkennung. So wird
in der JP 1-302094 A, Abstract veröffentlicht in Patent Abstracts of Japan vom
21.02.1990, ein Verfahren beschrieben, das zur Kontrolle des Abstichvorgangs den
bestehenden Unterschied der magnetischen Permeabilität zwischen der Stahl
schmelze und der Schlacke heranzieht. Durch eine neben der Abstichöffnung an
geordnete Spule wird während des Abstichs kontinuierlich die magnetische Per
meabilität gemessen. Bei einer gegen Ende des Abstichvorgangs eintretenden Än
derung der Messwerte - verursacht durch ein Mitlaufen von Schlacke - löst diese
Messwertänderung das Wiederaufrichten des gekippten Ofens aus, wodurch ein
weiteres Herauslaufen von Schlacke vermieden wird. Dessen Warnsignal erfolgt
jedoch erst dann, wenn die Schlacke schon durch das Abstichloch in die Gieß
pfanne läuft. Erst an den negativen Gießeigenschaften
erkennt man, dass der Abstich nicht schlackenarm genug war.
Es ist bekannt, dass durch den "Badewanneneffekt" - einer
Wirbelbildung über dem Abstichloch - der Schlackenmitlauf
schon beginnt, bevor die Schlackenschicht das Abstichloch
erreicht. Es ist deshalb wichtig, dass der Badspiegel über dem
Abstichloch am Ende des Abstichs eine gewisse Mindesthöhe
aufweist.
Diese Mindesthöhe des Badspiegels kann nicht gemessen werden,
da das Ofengefäß beim Abstich gekippt wird. Das zulässige
Abstichgewicht, das zum Erreichen des Mindestbadspiegels
führt, hängt von der Höhe des Badspiegels vor dem Abstich ab.
Zwischen dieser Höhe und dem zulässigen Abstichgewicht besteht
ein Zusammenhang, für den es Erfahrungswerte gibt, so dass bei
bekannter Badspiegelhöhe das zulässige Abstichgewicht
ebenfalls bekannt ist.
Das Abstichgewicht wird mittels Wiegezellen unter der
Gießpfanne im Stahlentnahmewagen gemessen, wobei der Abstich
so lange erfolgt, bis das zulässige Abstichgewicht erreicht
ist. Dabei ist der entscheidende Punkt die Kenntnis der
Ausgangshöhe des Badspiegels.
Bei einem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Ausgangshöhe
des Badspiegels wird diese aus dem Badgewicht abgeleitet, das
durch Messdosen unter dem Ofengefäß gemessen wird. Das
Badgewicht setzt sich zusammen aus dem Abstichgewicht und dem
nach dem Abstich im Ofengefäß verbleibenden Reststahlgewicht.
Letzteres vergrößert sich jedoch im Laufe der Zeit, da die
feuerfeste Auskleidung des Ofengefäßes vor allem im Bereich
des Bodenprofils und an der Wandung im Badspiegelbereich
verschleißt als Folge der hohen Temperaturen, Temperaturwechsel- und Druck
wechselbeanspruchungen. Daher ist das Badgewicht kein zuverlässiger Indikator
für die Höhe des Badspiegels.
Beim heutigen Stand der Technik wird die Höhe des Badspiegels gemessen, um
ein gezieltes Absenken der Sauerstofflanze in den Konverter bzw. in das Ofenge
fäß zu erreichen. Dazu wird eine wassergekühlte Messsonde mit zwei Kontaktstif
ten am Messkopf verwendet. Nach Durchtritt durch die Schlackenschicht ändert
sich beim Eintauchen der Messsonde in das Stahlbad der elektrische Widerstand
zwischen den Kontaktstiften und signalisiert so die Lage des Badspiegels. Dieses
Verfahren ist jedoch aufwendig, zumal wenn man die zusätzliche Messung vor
dem Abstich in Betracht zieht.
Eine weitere Methode zur Messung der Badspiegelhöhe in einem Elektrolichtbo
genofen ist aus der JP 063 00 450 A, Abstract veröffentlicht in Patent Abstracts of
Japan vom 28.10.1994, bekannt. Hierbei wird zur Messung die Graphitelektrode,
die über einen außerhalb des Ofens angeordneten Tragarm in den Ofenraum ein
geführt ist, unter Lichtbogenkontrolle bis auf den Badspiegel geführt. Die Messung
selbst erfolgt dann - ohne Lichtbogen - durch eine direkte Längenmessung der
Graphitelektrode über die Höhenlage des Tragarms.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das zum ex
akten und kostengünstigen Bestimmen der Höhe des Badspiegels eines Elektro
lichtbogenofens kurz vor dessen Abstich führt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Höhe des Badspiegels durch rechneri
sche Verknüpfung von Längenabmessungen bestimmt wird, die zum Teil direkt,
und zum Teil indirekt außerhalb des Hochtemperaturberei
ches des Elektrolichtbogenofens gemessen werden. Das genaue Messen von
Längen ist in normal temperierter Umgebung vergleichsweise einfach und unaufwendig.
Dadurch kann das Messverfahren genau und kostengünstig sein.
In Weiterbildung der Erfindung wird die Höhe des Badspiegels aus der Differenz
des Positionswertes des in Arbeitsstellung
befindlichen Elektrodentragarms und der Länge der
Graphitelektrode sowie der korrigierten Länge von deren
Lichtbogen bestimmt. Dabei werden die Positionswerte des
Elektrodentragarmes und die Länge der Graphitelektrode direkt
gemessen, die Länge des Lichtbogens indirekt.
Die Länge des Lichtbogens wird vorteilhafterweise mit Hilfe
elektrischer Parameter wie Spannung, Leistungsfaktor, (Cosinus
ϕ) Widerstand, Reaktanz und anderer Messgrößen während des
Betriebs bestimmt. Diese elektrischen Messwerte fallen ohne -
dies im Betrieb an und erfordern keinen zusätzlichen
Apparate- , Zeit- und Bedienungsaufwand.
Es ist von Vorteil, dass bei der Bestimmung der
Lichtbogenlänge ein empirisch ermitteltes Korrekturglied für
die Unebenheit des Badspiegels berücksichtigt wird. Dadurch
steigt die Genauigkeit der Bestimmung des Badspiegels.
Vorteilhaft ist auch, dass die Länge der Graphitelektrode
bestimmt wird als Differenz des Positionswertes des
angehobenen Elektrodentragarms und des Positionswertes eines
optischen Positionsmessgerätes, mit dessen Hilfe die Spitze
der angehobenen Graphitelektrode durch die geöffnete
Schlackentür geortet wird. Die Positionswerte von
Elektrodentragarm und optischem Messgerät werden in einfacher
Weise und außerhalb der Hochtemperaturzone gemessen. Der
Kontakt zur Spitze der Graphitelektrode ist ein rein
optischer.
Da die optische Positionsmessung der Spitze der
Graphitelektrode nach deren Anhebung im Anschluss an die
Überhitzungsphase erfolgt, wird die Längenmessung kurz vor dem
Abstich vorgenommen. Dadurch wird die genaue Länge der
Graphitelektrode unter Berücksichtigung von deren aktuellem
Verschleißzustand für die Bestimmung der Badspiegelhöhe
herangezogen.
Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, dass der
Elektrodenverbrauch aus dem beim Schmelzprozess gemessenen
Verbrauch von elektrischer und chemischer Energie bestimmt
wird. Dieses empirische Verfahren bietet eine indirekte Angabe
der aktuellen Elektrodenlänge vor dem Abstich.
Es ist deshalb von Vorteil, dass der Badspiegel mit einer
rechnerischen Verknüpfung der Längenabmessungen bestimmt und
mit dem aus der beim Schmelzen eingesetzten elektrischen und
chemischen Energie errechneten Elektrodenverbrauch
kontrolliert wird. Auf diese Weise wird die Sicherheit der
Badspiegelmessung weiter erhöht.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus
der folgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen, in
denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt ist.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Elektrolichtbogenofen
mit Stahlentnahmewagen,
Fig. 2 einen Teil des geschnittenen Elektrolichtbogen
ofens mit offener Schlackentür und optischem
Messgerät.
Im Elektrolichtbogenofen (1) der Fig. 1 wird Elektrostahl aus
Schrott und ggf. aus Eisenschwamm und Roheisen erschmolzen.
Ein Ofengefäß (2) ist als feuerfest ausgekleidetes kippbares
Stahlgefäß ausgebildet, das einen schwenkbaren Ofendeckel (3)
aufweist. Auf diese Weise kann der Schrott in Körben von oben
in den Ofen eingebracht werden.
Die Zufuhr der elektrischen Energie für die Beheizung des
Elektrolichtbogenofens (1) erfolgt bei Gleichstrombetrieb über
eine Graphitelektrode (4). Diese ist an einem
Elektrodentragarm (5) befestigt, der mittels einer nicht
dargestellten Hubeinrichtung durch eine Öffnung im Ofendeckel
(3) in den Ofenraum abgesenkt werden kann, wobei seine
Position durch einen nicht dargestellten Positionsgeber
angezeigt wird. Ein Lichtbogen (6) überträgt die Energie auf
die Einsatzstoffe.
Die Schmelze (7) weist einen Badspiegel (8) auf, der in der
rechten Hälfte von Fig. 1 das Niveau vor und in der linken
Hälfte während des Abstichs hat. Auf dem Badspiegel (8)
schwimmt eine Schlackenschicht (9). Der flüssige Stahl ergießt
sich in eine Gießpfanne (10), die auf einem Stahlentnahmewagen
(11) steht, mit dem die Gießpfanne (10) zu den
Gießeinrichtungen oder anderen Weiterbehandlungsanlagen
transportiert wird. Unter der Gießpfanne (10) sind Wiegezellen
(12) angeordnet, um das abgestochene Stahlgewicht messen zu
können.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt von Fig. 1 mit einer
hochgezogenen Schlackentür (13), die die Sicht auf die Spitze
der ebenfalls hochgezogenen Graphitelektrode (4) für ein
optisches Positionsmessgerät (14) freigibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert folgendermaßen:
Nach dem Einschmelzen wird der flüssige Stahl (7) des
Elektrolichtbogenofens (1) überhitzt, um eine optimale
Abstichtemperatur zu erzielen. Gegen Ende der Überhitzung
nimmt der Elektrodentragarm (5) die Position Harm,1 ein. Zu
diesem Zeitpunkt ist der Badspiegel (8) glatt und der
Lichtbogen (6) brennt ruhig unter der Schlacke (9). Die
Lichtbogenlänge Larc kann über die vorliegenden elektrischen
Messwerte des Elektrolichtbogenofens (1) bestimmt werden.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann die Höhe des Badspiegels (8)
wie folgt ermittelt werden:
Hbad = Harm,1 - Lgr - (Larc - c)
Dabei sind:
Harm,1 = Position des Elektrodentragarms (5) gegen Ende der Überhitzung,
Lgr = die Länge der Graphitelektrode (4) unter dem Elektrodentragarm (5),
Larc = die Länge des Lichtbogens (6),
c = ein Korrekturglied zur Berücksichtigung der Unebenheit der Badoberfläche.
Harm,1 = Position des Elektrodentragarms (5) gegen Ende der Überhitzung,
Lgr = die Länge der Graphitelektrode (4) unter dem Elektrodentragarm (5),
Larc = die Länge des Lichtbogens (6),
c = ein Korrekturglied zur Berücksichtigung der Unebenheit der Badoberfläche.
In Fig. 2 ist die Ermittlung der Elektrodenlänge Lgr
schematisch dargestellt.
Lgr = Harm,2 - Hgr
Lgr = Harm,2 - Hgr
Dabei sind:
Harm,2 = die Position des Elektrodentragarms (5) nach Anheben der Graphitelektrode (4),
Hgr = Position der Elektrodenspitze (mittels optischem Positionsmessgerät (14) durch die offene Schlackentür (13) geortet).
Harm,2 = die Position des Elektrodentragarms (5) nach Anheben der Graphitelektrode (4),
Hgr = Position der Elektrodenspitze (mittels optischem Positionsmessgerät (14) durch die offene Schlackentür (13) geortet).
Der Messwert Lgr wird mit dem auf dem Elektrodenverbrauch ΔLgr
berechneten verglichen. Der Elektrodenverbrauch ΔLgr kann über
die beim Schmelzvorgang verbrauchte elektrische und chemische
Energie sowie über elektrische Parameter empirisch ermittelt
werden.
Bei der Auswertung der oben angeführten Daten fällt die
Differenz ΔHbad zwischen der Höhe des Ist-Badspiegels Hbad,ist
und des Soll-Badspiegels Hbad,soll an. ΔHbad = Hbad,ist -
Hbad,soll. Daraus lässt sich die Gewichtsdifferenz ΔGbad =
ΔHbad . A ableiten, wobei A die Badoberfläche ist.
Im Falle eines Gewichtsdefizits können - falls verfügbar -
zusätzlich Eisenträger wie direkt reduziertes Eisen bzw.
Eisenschwamm (DRI) und/oder heiß brikettiertes Eisen bzw.
Eisenschwammbriketts (HBI) kontinuierlich über ein
Bunkersystem in den Elektrolichtbogenofen(1) chargiert werden
oder die Charge wird mit weniger Gewicht abgestochen, um ein
zu starkes Absenken des Badspiegels (8) und somit den
Schlackenmitlauf zu verhindern. Für die nächste oder
übernächste Charge wird entsprechend mehr Schrott in den
Schrottkorb geladen und chargiert. Im Fall eines
Gewichtsüberschusses wird für die nächste oder übernächste
Charge entsprechend weniger Schrott in den Schrottkorb geladen
und chargiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch folgende
Vorteile aus:
Im Vergleich zur Messung mit Druck-Messdosen unter dem
Ofengefäß (2) ist das erfindungsgemäße Verfahren genauer, denn
die Badhöhe ist für schlackenfreien Abstich entscheidender als
das Badgewicht, das bei gleicher Badhöhe je nach
Verschleißzustand des Ofengefäßes (2) variiert.
Das bekannte Verfahren der Badspiegelmessung im Ofengefäß (2)
über Sauerstofflanze und Sonde ist kostenaufwendiger als das
erfindungsgemäße Messverfahren. Dieses benutzt die bereits
vorhandenen Daten und benötigt nur ein zusätzliches,
konventionelles optisches Messgerät (14).
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit einer
schnellen Messung des Badspiegels (8) bereits vor dem Abstich
und gibt Informationen über die zulässige Abstichmenge für
einen schlackenfreien Abstich, der für die Einstellung des
gewünschten Reinheitsgrades entscheidend ist. Außerdem bietet
es Entscheidungshilfe für das Schrottladen und Nachchargieren
zur rechtzeitigen Korrektur der Badmenge.
Da die Messungen während der üblichen Betriebsprozessschritte
durchgeführt werden, sind keine zusätzlichen Nebenzeiten
erforderlich, die zu Produktionsverlust führen.
Claims (8)
1. Verfahren zum Bestimmen der Höhe des Badspiegels eines
Elektrolichtbogenofens (1), der ein Ofengefäß (2) mit einer
Schlackentür (13) und einen höhenverstellbaren Elektrodentragarm (5)
für mindestens eine Graphitelektrode (4) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Höhe des Badspiegels (8) durch rechnerische
Verknüpfung von Längenabmessungen bestimmt wird, die zum Teil direkt
und zum Teil indirekt außerhalb des Hochtemperaturbereiches des
Elektrolichtbogenofens (1) gemessen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Höhe (Hbad) des Badspiegels (8) aus der Differenz des
Positionswertes (Harm,1) des in Arbeitsstellung befindlichen
Elektrodentragarms (5) und der Länge (Lgr) der
Graphitelektrode (4) sowie der korrigierten Länge (Larc - c)
von deren Lichtbogen (6) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Länge (Larc) des Lichtbogens (6) mit Hilfe
elektrischer Parameter wie Spannung, Leistungsfaktor (cosϕ),
Widerstand, Reaktanz und anderer Messgrößen während des
Betriebs bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der
Lichtbogenlänge (Larc) ein empirisch ermitteltes
Korrekturglied (c) für die Unebenheit des Badspiegels (8) und
der Elektrodenspitze berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (Lgr) der
Graphitelektrode (4) bestimmt wird als Differenz der
Positionswerte (Harm,2) des angehobenen Elektrodentragarms (5)
und des Positionswertes (Hgr) eines optischen
Positionsmessgerätes (14), mit dessen Hilfe die Spitze der
angehobenen Graphitelektrode (4) durch die geöffnete
Schlackentür (13) geortet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
optische Positionsmessung (14) der Spitze der Graphitelektrode
(4) nach deren Anhebung im Anschluss an die Überhitzungsphase
erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenverbrauch (ΔLgr)
aus dem beim Schmelzprozess gemessenen Verbrauch von
elektrischer und chemischer Energie bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Badspiegel (8) aus einer
rechnerischen Verknüpfung der Längenabmessungen (Harm,1,
Harm,2, Hgr, Larc - c) bestimmt und mit dem aus der beim
Schmelzen eingesetzten elektrischen und chemischen Energie
errechneten Elektrodenverbrauch kontrolliert wird.
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