DE2732873A1

DE2732873A1 - Anordnung zur regelung der eintauchtiefe von abschmelzelektroden in elektroschlacke-umschmelzoefen

Info

Publication number: DE2732873A1
Application number: DE19772732873
Authority: DE
Inventors: Friedrich Werner Dr Ing Thomas
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1977-07-21
Publication date: 1979-02-15
Also published as: ATA488878A; FR2398116B3; US4194078A; DE2732873C2; AT360619B; FR2398116A1

Description

D-6050 Offenbach 4 Postfach 532 Kaiserstraße 9 Dipl.-Ing. Hans Zapfe Telefon 0611/882721

2732673

Offenbach,

den 31. Mai 1977

Zap/Han

Akte: 77504

LEYBOLD-HERAEUS GmbH & Co. KG
Bonner Straße 504

Köln - 51

Anordnung zur Regelung der Eintauchtiefe von
Abschmelzelektroden in Elektroschlacke-Umschmelzofen "

909807/0019

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung der Eintauchtiefe von Abschmelzelektroden in die Schlacke von Elektroschlacke-Umschmelzofen, bestehend aus einer Einrichtung zur Erfassung des Ist-Widerstandes und der Änderung dieses Widerstandes bei räumlicher Verschiebung der Elektrode innerhalb der Schlackeschicht, sowie aus einer Regeleinrichtung für den Elektrodenantrieb, der sowohl ein dem Ist-Widerstand als auch als Korrekturgröße ein der Änderung des Ist-Widerstandes entsprechendes Signal aufgeschaltet sind, wobei Meßleitungen für den Schmelzstrom "i" und die Schmelzspannung "U" mit einem Dividierer verbunden sind, nach Patentanmeldung P 24 56 512.6.

Bei dem Gegenstand der Hauptanmeldung wird im Dividierer der Quotient

WidP^tand R - ^u - Schmelzspannung Widerstand R - j - s_chmelzstrom

gebildet, der dem Ist-Widerstand in der Schlackeschicht entspricht. Dieser Widerstand, in Abhängigkeit von der Eintauchtauchtiefe der Elektrode dargestelIt, führt zu hyperbolischen Kurven, die sich asymptotisch der Abzisse und der Ordinate des Koordinatensystems annähern. In Abhängigkeit von den verschiedenen Anlagen- und Schmelzparametern ergeben sich Kurvenscharen, die einen im wesentlichen ähnlichen Verlauf aufweisen, Diese Kurven werden auch als "Eintauchkurven" bezeichnet. Eintauchkurven, wie sie beim Gegenstand der Hauptanmeldung entstehen, sind auch in der nachfolgenden Figur 1 vergleichsweise dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Ist-Widerstand R des Schlackenbades je nach der Spitzenhöhe h der der Elektrode mehr oder weniger steilfabfällt, wenn die Eintauchtiefe "s" zunimmt, und zwar um so steiler, je flacher die Elektrodenspitze ist. Die Kenntnis dieser Abhängigkeit

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ist für die Auslegung der Stromversorgung und der Elektroden· vorschubregelung sowie für das Betreiben des Elektroschlacke-Umschmelzofens von Bedeutung. Aufgrund des Kurvenverlaufs ergeben sich durch geringe Veränderungen der Eintauchtiefe, insbesondere bei flachen Elektrodenspitzen, Schwankungen des resultierenden Badwiderstandes. Beim Einsatz von stromgeregelten Stromversorgungen für Produktionsanlagen muß dieser Tatsache dadurch Rechnung getragen werden, daß durch entsprechende Spannungsreserven in der Stromversorgung der Eingriff des Stromreglers zu jeder Zeit gewährleistet ist. Außerdem muß der Abgleich für das dynamische Verhalten dieses Stromreglers der sich aus den Änderungen des Badwiderstandes ergebenden Änderung der elektrischen Ofenkreiszeitkonstante angepaßt sein.

Man kann den vorstehenden Sachverhalt so ausdrücken, daß die Regelstrecke aufgrund der "Eintauchkurven" bzw. der Widerstandskennlinien eine erhebliche Verstärkungsänderung besitzt. Der Abgleich der Vorschubregelung geschieht daher aus Gründen der Stabilität für den steilen Teil der Kennlinien. Für diesen Teil ergeben sich hervorragende Regeleigenschaften, d.h. insbesondere bei geringer Eintauchtiefe und flacher Spitzenhöhe h_$ der Elektrode. Dies hat den Nachteil, daß sich für den flach verlaufenden Teil der Kennlinien eine kleinere Regelkreisverstärkung ergibt, was eine ungenaue Regelung für diesen Teil der Kennlinie zur Folge hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Regelkreisverstärkung zu 1iniearisieren und dadurch das Regel-'verhalten über den Gesamtbereich der in Frage kommenden Eintauchtiefen und Spitzenhöhen gegenüber dem Gegenstand

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der Hauptanmeldung zu vergleichmäßigen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß der Dividierer in der Weise geschaltet ist, daß an seinem Ausgang ein dem inversen Wert des Ist-Widerstandes proportionales Signal ansteht. Dies bedeutet, daß in dem Dividierer der Quotient

•4 = g = i = Schmelzstrom

Schmelzspannung

gebildet wird, der dem Leitwert der Schlackenschicht entspricht. Trägt man den Leitwert über der Eintauchtiefe auf, so ergibt sich eine Schar gerader Linien, d.h. der Leitwert ist der Eintauchtiefe bei gegebener Spitzenhöhe proportional, so daß sich eine einheitliche Regelkreisver-Stärkung ergibt. Die Linearität der Abhängigkeit des Leitwerts von der Eintauchtiefe gilt auch für unterschiedliche Spitzenhöhen, wobei sich für jede Spitzenhöhe eine eigene Gerade ergibt, so daß auch hier eine Schar von Geraden erhalten wird.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und

seine Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 sogenannte "Eintauchkurven" in Parameterdarstellung, d.h. die Abhängigkeit des

Badwiderstandes von der Eintauchtiefe bei unterschiedlichen Spitzenhöhe h_$ einerseits und die Abhängigkeit des Leitwerts von der Eintauchtiefe bei unterschiedlichen

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Spitzenhöhen andererseits, und Figur 2 eine Seitenansicht bzw. einen teilweisen

Längsschnitt durch eine herkömmliche Elektroschlacke-Umschmelzanlage mit einer erfindungsgemäßen Regelanordnung.

In Figur 1 ist ein Diagramm dargestellt, auf dessen Abszisse die Eintauchtiefe "s" des Elektrodenendes in Millimetern aufgetragen ist, während auf den Ordinaten links der ohm'sche Widerstand zwischen Elektrodeneinspannung und Tiegelanschluß in Mikroohm und rechts dessen inverser Wert angegeben sind. Diese Werte enthalten nicht nur den ohm'schen Widerstand der Schlackeschicht, sondern unvermeidlich auch die Widerstände in den elektrischen Anschlüssen bzw. Anlageteilen. Der Widerstand wird daher als Systemwiderstand bezeichnet. Die ausgezogen dargestellten Kurven a, b, c zeigen den Verlauf des Systemwiderstandes bei Veränderung der Eintauchtiefe zwischen etwa 10 mm und 200 mm. Dabei gilt die linke Kurve a für eine Spitzenhöhe "h " der Abschmelzelektrode von 50 mm. die mittlere Kurve b für eine Spitzenhöhe von 100 mm und die rechte Kurve c für eine Spitzenhöhe von 200 mm. In allen Fällen betrug die Schlackenbadhöhe 250 mm und der Elektrodenradius 415 mm.

Bei den Eintauchkurven a, b und c sind grundsätzlich zwei Bereiche zu erkennen, nämlich der flach verlaufende Teil nach Eintauchen des. gesamten Elektrodenspitze, und der steil ansteigende Teil nach teilweisem Herausziehen der Elektrodenspitze aus dem Schlackebad.

Bei Vorgabe eines Sollwertes für einen einzuhaltenden Badwiderstand in der Höhe des flach verlaufenden Teils der

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Eintauchkuryen is.t eine eindeutige Zuordnung zu einer bestimmten Größe "h " der Elektrodenspitze kaum möglich. An dieser Stelle der Efntauchkurven ist nämlich die Verstärkung der Regelstrecke recht gering, d.h. für eine geringe Änderung des Badwiderstandes ergibt sich eine sehr große Änderung in der Eintauchtiefe h und umgekehrt. Dies hat zur Folge, daß die eindeutige Ausbildung der Spitzenhöhe "h " der Elektrodenspitze bei Betrieb an diesem flach verlaufenden Teil der Eintauchkurven kaum möglich ist, was auch die Praxis bestätigt hat.

Die gestrichelt dargestellten Linien d, e und f stellen die Abhängigkeit des inversen Wertes des Widerstandes, der elektrischen Leitfähigkeit der Schlacke dar. Bei Verwendung des inversen Werts als Regelsignal hat die Regelstrecke infolgedessen ein reines Proportionalverhalten mit über den gesamten Bereich gleichbleibender Regel verstärkung, so daß bei verringertem Aufwand hinsichtlich der Regelanordnung und der Stromversorgung eine hohe Regelgenauigkeit und damit ein äußerst gleichmäßiger Umschmelzvorgang erreichbar ist. Die Gleichförmigkeit des Umschmelz- bzw. Kristallisationsvorganges ist eine wichtige Voraussetzung für die Erzielung eines homogenen Blocks.

In Figur 2 ist mit 1 eine Abschmelzelektrode aus einem beliebigen Metall oder einer Legierung bezeichnet, die mittels einer Zugstange 2 an einem Ausleger 3 einer Elektrodenhaltevorrichtung befestigt ist. Der Ausleger ist längsverschieblich an einer senkrechten Führungssäule 4 befestigt und mittels einer Gewindespindel 5 in vertikaler Richtung bewegbar. Zu diesem Zweck be-

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findet sich im Ausleger 3 eine Spindelmutter 6. Die Gewindespindel 5 wird an ihrem oberen Ende von einem Lager 7 aufgenommen, das. mittels einer Traverse 8 an der Führungssäule 4 befestigt ist. Das untere Lager 9 der Gewindespindel befindet sich in einem Getriebekasten 10, in dem die Drehzahl öines Antriebsmotors 11 auf einen geeigneten Wert untersetzt wird. Die Teile 2 bis Umstellen die sogenannte Elektrodenvorschubeinrichtung dar.

Die Abschmelzelektrode 1 befindet sich zumindest mit

einem Teil ihrer Länge innerhalb einer Kokille 12, die aus einer Kokillenwand 13 in Form eines zylindrischen Hohlmantels mit Anschlußstutzen 14 für Ein- und Austritt einer Kühlflüssigkeit 15 besteht. Während der Umschmelzphase, in der die Vorrichtung dargestellt ist, taucht die Abschmelzelektrode 1 um ein bestimmtes, geregeltes Maß in eine Schlackeschicht 16 ein, wobei sich am unteren Elektrodenende eine kegelförmige Spitze la mit der Spitzenhöhe "h " ausbildet. Durch tropfenweises Abschmelzen der Elektrode 1 entsteht aus ihr ein Schmelzsee 17, der nach Maßgabe des Umschmelzens zu einem Block 18 erstarrt, Die Kokille ist unten abgeschlossen durch einen wassergekühlten Kokillenboden 19, der zusammen mit den übrigen Teilen der Anlage auf einer Basisplatte 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 Koki llentioden 19. Häufig ist der Kokillenboden 19 von der Kokille 12 elektrisch isoliert (nicht in der Zeichnung dargestellt). Die Leitungen 21 und 22

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Stehen iiher Anschlußklemmer 24 und 25 mit einer nicht dargestel1 ten Energieversorgungseinrichtung in Verbindung. Von der Leitung 21 wird mittels eines Stromwandlers 26 der im System fliessende Schmelzstrom "i" abgegriffen und über eine Leitung 27 einem Dividierer 28 aufgeschaltet. Außerdem wird die Schmelzspannung von der Leitung 22 abgegriffen und gleichfalls dem Dividierer 28 aufgeschaltet, in dem der Quotient aus dem Schmelzstrom und Schmelzspannung "i/U" gebildet wird, der den Leitwert " 6" darstellt. Der Ausgang des Dividierers 28 ist über eine Leitung 30 einem Eingangswiderstand 31 eines Reglers 32 für die Regelung der Eintauchtiefe aufgeschaltet. Mittels eines Potentiometers 36 wird einem weiteren Eingangswiderstand 37 des Reglers 32 ein Sollwert aufgeschaltet, der dem gewählten Leitwert entspricht. Vom Regler 32 führt eine Leitung 33 zu einem Steuerblock 34, der mittels einer Leitung 35 dem Antriebsmotor 11 für den Elektrodenvorschub aufgeschaltet ist. Auf diese Weise erfolgt zunächst eine rein leitwertabhängige Regelung der Eintauchtiefe der Elektrode 1 in die Schlackeschicht 16.

Vom Dividierer 28 führt eine weitere Leitung 38 zu einem Differenzierglied 39 für die Bildung der Ableitung "cP;/dt", dessen Ausgang über eine Leitung 40 einem Dividierer 41 aufgeschaltet ist. Dem Dividierer 41 wird außerdem über eine Leitung 42 eine Spannung zugeführt, die der Bewegungsgeschwindigkeit der Elektrode bzw. dem Differentialquotienten "ds/dt" entspricht. Da diese Größe wiederum der Antriebsdrehzahl des Motors 11 entspricht, ist diesem über eine Welle 43 ein Tachogenerator 44 zugeordnet, der eine drehzahlproportionale Spannung liefert. In dem Dividierer 41 wird aus der Ableitung "dg/dt" und der Ableitung "ds/dt" der Quotient "dG/ds" gebildet, d.h. die Änderung

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des Leitwerts im Verhältnis zur räumlichen Verschiebung der Elektrode. In einem Block 45 wird der Absolutbetrag des Differentialquotienten "dG/ds" gebildet, welcher dem Dividierer 41 über eine Leitung 46 nachgeschaltet ist. Vom Block 45 führt eine Leitung 47 zu einem Block 48, in welchem der Mittelwert des Differentialquotienten gebildet wird. Ober eine Leitung 49 wird dieser Mittelwert einem Eingangswiderstand 50 eines Reglers 51 zugeführt, dessen Ausgang über eine Leitung 52 und einen Schalter 53 einem Eingangswiderstand 54 des Reglers 32 aufgeschaltet ist. Der Schalter 53 wird bei vollautomatischer Betriebsweise des Reglers geschlossen, kann jedich beim Anfahren der Anlage und bei manuellen Eingriffen geöffnet werden. Dem Regler 51 ist über einen Eingangswiderstand 55 ein Sollwert entgegengeschaltet, der dem optimalen Wert des Differentialquotienten "dG/ds" entspricht. Dieser Sollwert wird an einem Potentiometer 56 eingestellt, das mittels eines Motors 57 als Motorpotentiometer ausgebildet ist. Dieses Motorpotentiometer erlaubt ein stoßfreies Zuschalten der Korrekturgröße. Das Zuschalten erfolgt durch Schliessen eines Schalters 58 in einer Leitung 59, die zum Ausgang des Reglers 51 führt.

Der Obergang zur Regelung mit Korrektur erfolgt durch nachfolgendes öffnen des Schalters 58 bei gleichzeitigem Schliessen des Schalters 53. Hierbei erfolgt ein stoßfreier Obergang, da der Sollwert am Ausgang des Potentiometers 56 im Zeitpunkt der Zuschaltung dem Istwert in der Leitung 49 gleich ist.

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Leerseite

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zur Regelung der Eintauchtiefe von Abschmelzelektroden in die Schlacke von Elektroschlacke-Umschmelzofen, bestehend aus einer Einrichtung zur Erfassung des Ist-Widerstandes und der Änderung dieses Widerstandes bei räumlicher Verschiebung der Elektrode innerhalb der Schlackeschicht, sowie aus einer Regeleinrichtung für den Elektrodenantrieb, der sowohl ein dem Ist-Widerstand als auch als Korrekturgröße ein der Änderung des Ist-Widerstandes entsprechendes Signal aufgeschaltet sind, wobei Meßleitungen für den Schmelzstrom "i" und die Schmelzspannung "U" mit einem Dividierer verbunden sind, nach Patentanmeldung P 24 56 512.6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dividierer (28) in der Weise geschaltet ist, daß an seinem Ausgang^eicPem inversen Wert des Ist-Widerstandes proportionales Signal ansteht.

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