DE2107442C - Anordnung fur die Kaltstartregelung bei Elektroschlacke Umschmelzofen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für die Kaltstartregelung bei Elektroschlacke-Umschmelzofen unter Heranziehung des Elektrodenantriebs, wobei die Regelung des Umschmelzprozesses nach Beendigung der Startphase durch getrennte Erfassung der der Grundspannung und/oder dem Grundstrom überlagerten impulsförmigen Schwankungen erfolgt, aus welchen eine Stellgröße zur Beeinflussung der Eintauchtiefe der Abschmelzelektrode gebildet wird, nach Patent 1 960 936.

in dem genannten Patent werden ein Regelverfahren und eine Anordnung zur Durchführung dieses Regelverfahren empfohlen, welche sich im praktischen Betrieb durchaus bewährt haben. Die Anwendung der Lehre dieser Patentanmeldung ist aber im wesentlichen auf die stationäre Betriebsphase eines Elektroschiacke-Umschmelzofens beschränkt, d. h. auf den eigentlichen Abschmelzprozeß nach Beendigung der sogenannten Startphase.

Unter den verschiedenen Möglichkeiten, einen Elektroschlacke-Umschmelzofen in Betrieb zu setzen,

ίο befindet sich auch das sogenannte »Kaltstartverfahren«. Hierunter werden, solche Slartverfahren verstrnden, bei denen die für den Umschmelzprozeß benötigte Schlacke ganz oder teilweise zunächst in fester, d. h. körniger oder pulvriger Form in die Kokil-Ie eingebracht wird, in der nachfolgend der Umschmelzprozeß stattfinden soll. Es ist dabei zunächst erforderlich, die gesamte Schlacke aufzuschmelzen, bevor der eigentliche Umschmelzprozeß beginnt. Das Aufschmelzen der Schlacke kann dabei durch

so einen Anfangslichtbogen oder auch durch Widerstandserwärmung bewirkt werden. Hilfsmittel hierfür sind Stahlwolle und Stahlspäne, auch im Gemisch mit Schlacke, thermitartige Gemische, d. h. solche, bei denen nach Zündung zusätzliche Energie durch eine chemische Umsetzung gewonnen wird, und massive, metallische Stege am unteren Elektrodenende, die sich beim Stroindurchgang aufheizen.

Beim Kallsiarlverfahren wird zunächst eine kleine Menge der Schlacke aufgeschmolzen, wodurch bereils ein erster Strompfad gebildet wird. Der Umschmelzvorgang sollte eigentlich erst beginnen, wenn die gesamte Schlackenmenge aufgeschmolzen ist. Der Übergang zwischen dem Aufschmelzen der Schlacke und dem Beginn des Umschmdzvorgangs ist jedoch fließend. Der Idealfall, daß nü.n'ich die gesamte Schlackenmenge vor Einsetzen des Umschmelzvorgangs restlos aufgeschmolzen ist, war in der Praxis bisher außerordentlich schwer zu erreichen, da es an einer geeigneten Regelung hierfür it.ilte, insbesondere an einer solchen, die imstande war, den Übergang von der Start- auf die Umschmelzphase zu bewerkstelligen.

Zum Verständnis dieses Vorgangs sei ausgeführt, daß man die Regelung während der Umschmelzphase vorzugsweise unter Verwendung integrierter Impulssignale durchführt, wie dies in der eingangs gena.inten Patentschrift 1960 936 beschrieben ist. Der Integriervorgang bedingt aber unvermeidlich eine gewisse Zeitverzögerung zwischen dem Auftreten der ersten Störgrößen und der Erzeugung der entsprechenden Stellgröße. Dies wird bewußt so gehandhabt, um Instabilitäten des Regelvorgangs möglichst zu unterdrücken. Eine solche Eigentümlichkeit einer Regelung ist im allgemeinen für den Anfahr-Vorgang des Ofens unbrauchbar, da sich das Bctriebsverhaltcn in diesem Zeitabschnitt rasch und sprunghaft ändern kann.

Es hai sich nämlich gezeigt, daß es in der Startphase unmöglich ist, die jeweils optimale Eintauchtiefe der Elektrode dadurch einzustellen, daß dem Spannungs- oder Stromsignal ein Sollwert vorgegeben wird, auf den die Eintauchtiefe entsprechend einzuregeln ist. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die den Spannungsabfall in der Schlacke bewirkenden Größen, wie Grad der Aufschmelzung, Schlackentemperatur, spez.u'icher Widerstand, in ihrem zeitlichen Ablauf nicht vorhersehbar sind. Diese Größen können beim gleichen Ofen und gleichen

Einsatzmaterialien bei zwei aufeinanderfolgenden Starts erheblich voneinander differieren, so daß eine programmierte Sollwertvorgabe ebenfalls nicht möglich ist. Infolgedessen können nun folgende Fehler auftreten:

a) Die Elektrode taucht zu tief in die Schlackenmasse ein, wodurch die Strompfade überwiegend von der Elektrode unmittelbar zum Kokillenboden verlaufen und den Aufschmelzvorgang auf diese Zone konzentrieren. Die Elektrode beginnt vorzeitig abzuschmelzen, während sich am Rande der Kokille noch feste Schlacke befindet. Das abgeschmolzene Metall füllt nun die Schlakkenzwischenräume aus und schließt die Schlacke damit ein. Die Folge ist ein unbrauchbarer Blockfuß.

b) Die Elektrode taucht nicht tief genug ein, so daß Lichtbogen entstehen. Lichtbogen können aber bekanntlich zu erheblichen Beschädigungen von Kokille und Bodenplatte führen.

In der Praxis wurde daher so verfahren, daß der Umschmelzofen in der Startphase auf manuellem Wege geregelt wurde, worunter die Beobachtung von Spannungssignalen und die Übertragung der Beobachtung auf den Elektrodenantrieb zur Veränderung der Elektrodenposition verstanden werden soll. Dennoch ist es hierbei wegen der außerordentlich flink ablaufenden Vorgänge praktisch nicht möglich, eine optimale Verfahrensführung zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bisher bestehende Notwendigkeit eines Ofenstarts durch manuelle Regelung zu beseitigen, den Vorgang zu automatisieren, ohne dabei ein für den nachfolgenden Uiuschmelzprozeß bewährtem Regelsystem zu verändern, und gleichzeitig ein möglichst restloses Aufschmelzen der in fester Form in die Kokille eingebrachten Schlacke zu gewährleisten. Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Aufgabe zugrunde, die in dem Patent 1960 9?6 beschriebene Regel anordnung so zu verbessern, daß mit ihr auch das Anfahren eines Ofens, d. h. die Startphase, sicher beherrscht wird. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß eine vollautomatische Regelung eines Elektroschlacke-Umschmelzofen!, entgegen der bisherigen Auffassung auch in der Startphase möglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Anordnung dadurch, daß das an Abschmelzelektrode und Kokille abgreifbare Spannungs- oder Stromsignal nach Vergleich mit dem Ausgang eines Sollwertgebers einem Stellglied für die Veränderung der Elektrodenlage verzögerungsfrei aufgeschaltet ist, das aus den impulsförmigen Schwankungen gebildete Impulssignal aber über ein Gleichrichtcrsystem und ein Integrierglied, dessen Ausgang mit dem Eingang des Sollwertgebers in der Weise verbunden ist, daß an dem Sollwertgeber die Differenz aus integriertem Impulssignal und einer festen, aber einstellbaren Bezugsspannung anliegt. Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, daß durch die Rückführung eines bestimmten Teils des Spannungs- und Slromsignals, nämlich des Impulsanteils nach erfolgter Integration zum Eingang des Sollwertgebers automatisch ein »gleitender Sollwert« entsteht, der den jeweils herrschenden Betriebsbedingungen entspricht.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind folgende Vorteile verbunden: durch die verzögerungsfreie Aufschaltung des zwischen Abschmelzelektrode und Kokille anstehenden Spannungs- oder Stromsignals auf den Elektrodenantrieb wird erreicht, daß jede Veränderung der elektrischen Verhältnisse innerhalb der Schlacke bzw. der Schlackenmasse sofort durch eine Veränderung der Elektrodenlage ausgeglichen wird. Während dieser Betriebsphase ist der Sollwert

ίο zunächst so hoch eingestellt, daß die Elektrode — bezogen auf den späteren Umschmelzprozeß — zu wenig in die Schlacke eintauchen würde. Die im Verlaufe des Schlackenaufschmelzens stärker werdenden Impulse haben einen solchen Einfluß auf den SoIl-

wertgeber, daß dessen Ausgangssignal abnimmt. Die Folge ist eine automatische Einregulierung der Abschmelzelektrode in Richtung auf größere Eintauchtiefe. Bei Ausbleiben dei impulse, z. B. wegen zu großer Eintauchtiefe »gleitet» der Sollwert wieder

ϊο nach oben und paßt die Regeleinrichtung wieder den gegebenen Betriebsbedingungen an. Die erfindungspemäße Regelanordnung bewirkt somit, daß die Elektrode jeweils die optimale räumliche Lage zur gerade aufgeschmolzenen Schlackenmenge einnimmt.

Dadurch wird eine optimale Energiezufuhr während dieser Betriebsphase gewährleistet; das Aufschmelzen der Schlacke erfolgt automatisch und in kürzestmöglicher Zeit.

Bei Kaltstartverfahren ist es üblich, den Ofen nicht mit der vollen Leistung anzufahren. Üblicherweise wird mit einer Stromstärke begonnen, die zwischen 20% und 40 ⁰Zo der mittleren Stromstärke beträgt, die während der Umschmelzphase zur Anwendung kommt. Mit zunehmendem Aufschmelzen der

Schlacke einschließlich gegebenenfalls zusätzlicher Schlackenmengen, die während des Aufschmelzens zugegeben werden, «vird die Ofenleistung kontinuierlich oder stufenweise bis auf den für das Umschmelzen benötigten Wert erhöht. Das Schlackeaufschmelzen kann kurzfristig a ich mit überhöhter Leistung erfolgen. Derartige Vorgänge werden beispielsweise durch eine Programmsteuerung bewirkt. Der Gegenstand der Erfindung verträgt sich nun ausgezeichnet mit einer solchen programmierten Stromerhöhung,

wobei anstandslos auch nachträglich eingebrachte Schlackenwagen verkraftet werden. Die erfindungsgemäße Anordnung paßt Jen Regelvorgang automatisch sofort den geänderten Betriebsbedindungen an. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung

sind jedoch Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß das Spannungs- oder Stromsignal dem Eingang eines

Analogverstärkers aufgeschaltet ist, dessen Ausgang sowohl mit dem Stellglied für die Veränderung der Elektrodenlage verbunden ist, als auch mit einem Filter und einem Integrierglied für die Abtrennung und nachfolgende Integration der impulsförmigen

Schwankungen, daß das hierdurch gebildete Impulssignal zusammen mit einer Bezugsspannung einem Sollwertgeber aufgeschaltet ist und daß das hieraus resultierende Differenzsi_unal mit umgekehrter Polarität wie das Spanuungs- oder Stromsignal dem Ein-

gang des Analogverstärker aufgeschaltet ist. Um dem Integrierglied sowohl die positiven als auch die negativen ausgesiebten Impulse zuführen zu können, wird gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen,

daß zwischen Filter und Integrierglied zwei weitere Analogverstärker angeordnet sind, von denen der eine das Ausgangssignal des anderen um 180° dreht, und daß beide Ausgangssignale über je einen Gleichrichter in bezug auf den Eingang des Inlegriergliedes zusammengeschaltet sind.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung einschließlich eines damit geregelten Eleklroschlacke-Umschmclzofens sowie deren Wirkungsweise seien an Hand der zugehörigen Figur nachfolgend näher beschrieben:

In der Figur ist mit 1 eine Abschmelzelektrode aus einem beliebigen Metall oder einer Legierung bezeichnet, die mittels einer Zugslange 2 an einem Ausleger 3 einer Elcktrodcnhallevorrichtung befestigt ist. Der Ausleger 3 ist längsvcrschieblich an einer senkrechten Führungssäule 4 befestigt und mittels einer Gewindespindel 5 in vertikaler Richtung bewegbar. Zu diesem 'Zwecke befindet sich im Ausleger 3 eine Spindclmutler 6. Die Gewindespindel S wird an ihrem oberen Ende von einem Lager 7 aufgenommen, das mittels einer Traverse 8 an der Führungssäule 4 befestigt ist. Das unlere Lager 9 der Gewindespindel befindet sich in einem Getriebekasten 10, in dem die Drehzahl des Antriebsmotors 11 auf einen geeigneten Wert untersetzt wird. Die Teile 2 bis 11 stellen die sogenannte Elektrodenvorbschubeinrichtung dar.

Die Abschmelzelektrode 1 befindet sich zumindest mit einem Teil ihrer Länge innerhalb einer Kokille 12, die aus einer Kokillenwand in Form eines zylindrischen Hohlmanlels mit Anschlußslulzen 14 für Ein- und Austritt der Kühlflüssigkeit IS besieht. In der Kokille 12 befindet sich zu Beginn der Slarlphasc. in der die Vorrichtung dargestellt ist. eine Startpille 16, die von der Abschmelzelektrode 1 berührt wird. Die Slarlpille besteht aus Schlackcnpulver und ■ Stahlspäncn. die mittels einer Aluminiumfolie zu einem »Paket« vereint sind, und ist von einer losen Schüttung aus körniger Schlacke 18 umgeben. Die Kokille ist unten abgeschlossen durch einen wassergekühlten Kokillcnboden 19, der zusammen mit den übrigen Teilen der Anlage auf einer Basisplattc 20 ruht

Die Stromzufuhr erfolgt einerseits mittels einer flexiblen Leitung 22 und einer Anschlußklemme 23 zur Zugstange 2 und von hier aus zur Elektrode 1. andererseits über eine Leitung 21 zum Kokillcnboden 19. Häufig ist der Kokillenboden 19 von der Kokille 12 elektrisch isoliert (nicht in der Zeichnung dargestellt).

Durch Abgriff an der Leitung 22 mittels der Anschlußleilung 25 wird der Spannungsgradient zwischen Elektrode und Kokillenboden einschließlich der ihm überlagerten impulsförmigen Schwankungen erfaßt. Der Gegenpol ist an die Masse 24 gelegt. Es ist natürlich ebensogut möglich, an Stelle der Spannungswcrle den Slromfluß innerhalb der Schlackeschicht zu erfassen, dem ebenfalls impulsförmige Schwankungen überlagert sind, die jedoch auf Grund der bekannten Zusammenhänge über die Impedanz der Schlackcschicht mit entgegengesetztem Vorzeichen auftreten. Die Erfassung der Stromwerte erfolgt vorteilhaft über einen Stromwandler 26. der als Allcrnativlösung gedacht und gestrichelt dargestellt ist. In ähnlicher Weise kann die Erfassung von Strom- bzw. Spannun.üswcrlcn auch über Spannungswandler «ml Shunts in den Slromvcrsorgungslcitun- !•cn 2t «ml 22 crfolucn. Oh es vorteilhafter ist. den Spannungswert oder den Stromwert zu erfassen, hängt wesentlich von der Beschaffenheit und Charakteristik der Stromquelle ab. Bei Stromquellen mit geringer Eigenimpedanz bevorzugt man die Stromwerte, bei solchen mit hoher hingegen die Spannungswcrtc.

Die Meßwerte werden nachfolgend einer Schaltung zugeführt, an deren Eingang der Widersland 27 liegt. Da die Umschmelzanlage im vorliegenden Falle mil

ίο Gleichstrom versorgt wird, ist eine Gleichrichtung der Signalspannung überflüssig. Von dem Widerstand 27 führt eine Leitung zum Eingang eines Analogverstärkers 28, dessen Verstärkung durch den Gegcnkopplungswiderstand 29 festgelegt ist. An dem zweiten Eingangswidcrsland 30 des Anabgverstärkers 28 ist ein Sollwert angelegt, auf dessen Entstehung und Bedeutung weiter unten noch näher eingegangen wird.

Am Ausgang des Analogverstärkers 28 erscheint somit ein Signal, das in Richtung und Größe dei Differenz vom Sollwert und Istwert proportional ist. Das Proportionalsignal wird über die Leitung 31 dem StcuerhSck 32 zugeführt, in dem das Rcgclsignal in solche elektrischen Werte umgesetzt wird, durch die Drehzahl und Drchrichtung des Eleklrodcn-Anlricbmotors 11 im gewünschten Sinne beeinflußt werden. Der Stcuerhlock 32 bildet zusammen mit dem Antriebsmotor 11 das sogenannte Stellglied fur die Elcktrodcnposition.

Das Ausgangssignal des Analogverstärker 28 wird außerdem einem Filter 33 zugeführt, welcher aus dem Kondensator 34 und dem Widerstand 35 besteht. Durch diesen Filier werden die impulsförmigen Signalanleilc von dem mehr oder weniger konstanten Grundspannungsanteil getrennt. An dem Widerstand 35 entsteht durch die Wirkung des Kondensators nur dann eine Spannung, wenn das Ausgangssignal des Analogverstärker 28 Änderungen bzw. Schwankungen unterworfen ist. Dieses Impuls- oder Schwankungssignal wird über einen Eingangswiderstand 36 einem weiteren Analogverstärker 37 zugeführt, in dem das Signal entsprechend der Auslegung des Gcgcnkopplungswiderstandcs 38 verstärkt wird. Ein weiterer Analogverstärker 39 mil einem Gcgcnkopp-

lungswidcrsland 40 und einem Eingangswidcrsland 41 nimmt das Ausgangssignal des Analogverstärkers 37 auf. Der Analogverstärker 39 ist dabei als Um· kchrvcrstärker im Verhältnis 1 : 1 zum Analogverstärker 37 ausgelegt, so daß das Ausgangssignal de«

Verstärkers 39 um 180° gedreht wi^Dic Ausgänge

der Analogverstärker 37 und 39 sind über Dioden 42 und 43 derart zusammengeführt, daß eine Vollweg

gleich richtung des Impulssignals erreicht wird.

Das gleichgerichtete Impulssignal wird nachfol gcnd einem Intcgricrglied 44 zugeführt, welches au: einem Widerstand 45 und einem an Masse gelegter Kondensator 46 besteht. Der Kondensator besitz eine solche Auslegung, daß die Zeilkonstante des In lcgricrglicdes mehrere Sekunden beträgt. Das Zeitin tcgral des Impulssignals wird einem Eingangswidcr stand 47 eines Sollwertgebers 48 zugeführt. An de Klemme 49 liegt eine feste Spannung an, von de mittels des Potentiometers 50 ein veränderbarer An teil entnommen wcrJcn kann. Die abgegriffene Span mi ng ist die sogenannte BcZUusspanniing. mit der rii Ansprcdicrcn/o des Sollwertgebers 48 bccinflun worden kann. Von Hv.leuluni! ist. daß der mittels de Potentiometers eingestcllle Sollwert am Anuang de

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wertbaren Impulse auf. Da; über_ die Leitung<n ao gegriffene: Spannungssignal wird über den An^ogver Sollwert eingestellt, der hoher hegt, als d,e höchste _{von Erfahrungswer}ten zu erwartende _Spannung, _die dieser Phase entspricht. Infolge des _F^_hlens *_{ines lmp}ulssignals beeinflußt nun die Einstellung des Potentiometers 50 ausschließlich die y Elektrode zur Schlacke: die Elektrode wird auf Grund des an ihr abgegriffenen Spannungsgraüber die Leitung 31 und den Steuerblock 32 mit dem Elektrodenantrieb 2 bis 11 spontan angehoben, und zwar so lange, bis wied'er Impulse⁸ auftreten die anzeiger, daß sich die Elektrode nahe der Oberfläche der bereits geschmol- *» zenen Schlacke befindet. Das hierbei gebildete Impulssignat reduziert nun die Ausgangsgröße des SoIl-

wertge'bers so weit, daß kein weiteres Anheben der b ^₄ ^^ _ejne ^.^ _Sch]acken.

_aufgesch ^ö _molzen _isl und dadurch die Elektrode ,5 tiefe? in dl Schlacke eintaucht, wiederholt sich das

_Slartpi.,e

w.ra ^DCim. .^^'T'"'"""^::» ~_d7r^rSpannungsgrabogen geb. del, durch *gchen d«· bpannu g _g

dient erhöht wird. J^'lJ'/SJ _{31: die} flussung des Steuerblocks; 32 über du ^L«J"g _h Elektrode 1 w.rd abgesenkt Je ^ntewiungsu des Lichtbogens besetUgt Au.cj^ ^Α^£^_dn

5SiSjSoS ^VU emsprSender Verzögebeobachten, daß die Elektrode während des Aufschmelzen der Schlacke fortlaufend angeho- ^ ^ Beendigung des Anhebens der Elektrode und der übergang zu einem mehr oder weniger kontinuierlichen Absenken ist ein Zeichen dafür, daß Slartvorgang beendet, die gesamte Schlacken_menge aufgeschmolzen und auf die erforderliche Betriebstemperatur gebracht worden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209643/452

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung für die Kaltslartrcgelung bei Elektroschlacke-Umschmelzofen unter Heranziehung des Elektrodenantriebs, wobei die Regelung des Umschmelzprozesses nach Beendigung der Startphase durch getrennte Erfassung der der Grundspannung und/oder dem Grundstrom überlagerten impulsförniigen Schwankungen erfolgt, aus welchen eine Stellgröße zur Beeinflussung der Eintauchtiefe der Abschmelzelektrode gebildet wird, nach Patent 1 960 936, dadurch gekennzeichnet, daß das an Abschmelzelektrode (1) und Kokille (12) abgreifbare Spannungs- oder Stromsignal nach Vergleich mit d;m Ausgang eines Sollwertgebers (48) einem Stellglied (11, 32) für die Veränderung der Elektrodenlage verzögerungsfrei aufgeschaltet ist, das aus den impulsförmigen Schwankungen gebildete Impulssignal aber über ein Gleichrichtsystem (36 bis 43) und ein Integrierglied (44), dessen Ausgang mit dem Eingang des Sollwertgebers (48) in der Weise verbunden ist, daß an dem Sollwertgeber die Differenz aus integriertem Impubsignal und einer festen, aber ein '.ellbaren Bezugsspannung anliegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannung- oder Stromsignal dem Eingang eines Analogverstärkers (28) aufgeschaltet ist, dessen Ausgang sowohl mit dem Stellglied (11, jl) für die Veränderung der Elektrodenlage verbunden ist, als auch mit einem Filter (33) und einem Iniegrierglied (44) für die Abtrennung und nachfolgende Integration der impulsförmigen Schwankungen, daß das hierdurch gebildete Impulssignal zusammen mit einer Bezugsspannung einem Sollwertgeber (48) aufgeschaltet ist und daß das hieraus resultierende Differenzsignal mit umgekehrter Polarität wie das Spannungs- oder Stromsignal an dem Eingang des Analogverstärkers (28) anliegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Filter (33) und Integrierglied (44) zwei weitere Analogverstärker (37, 39) angeordnet sind, von denen der eine das Ausgangssignal des anderen um 180° dreht, und daß beide Ausgangssignale über je einen Gleichrichter (42, 43) zusammengeschaltel sind.