DE29713666U1 - Vorrichtung zur Erfassung des Schlackezustandes und der Lichtbogenstabilität in Lichtbogenöfen - Google Patents
Vorrichtung zur Erfassung des Schlackezustandes und der Lichtbogenstabilität in LichtbogenöfenInfo
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Description
VORRICHTUNG ZUR ERFASSUNG
DES SCHLACKEZUSTANDES UND DER LICHTBOGENSTABILITÄT
IN LICHTBOGENÖFEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Zustandes der Schlacke und der Stabilität des Lichtbogens in
Lichtbogenöfen, in denen eine Flüssigmetallaufbereitung
durchgeführt wird, insbesondere zur Stahlerzeugung aus Schrott, festem Roheisen oder Eisenschwamm.
In Lichtbogenöfen sind Elektroden auf Graphitbasis korrespondierend
zu einem metallischen Ofeneinsatz angeordnet; Aufbau, Funktion und Betrieb solcher Lichtbogenöfen sind dem
Fachmann geläufig.
Die Regelung und Optimierung von Lichtbogenöfen stellt, obgleich
im Stand der Technik bereits zahlreiche Lösungsvorschläge angegeben wurden, noch immer ein großes Problem
dar, insbesondere in wirtschaftlicher Hinsicht wegen nicht optimaler Energieausnutzung und in ökologischer Hinsicht, da
183-X 2783-AS/SF/Kf/mx
bei nicht optimaler Prozeßführung des Schmelzvorgangs bei
lokaler Überhitzung fluorhaltige Dämpfe aus Flußmitteln in die Umwelt gelangen können.
Der Schlacke kommt bei Lichtbogenofen die wichtige Funktion
zu, die vom Lichtbogen abgestrahlte Energie möglichst weitgehend in das Metallbad zu lenken und Abstrahlungsverluste
so weit wie möglich zurückzudrängen.
Es ist Stand der Technik, der Schlacke durch Gasentwicklung eine schaumige Struktur zu verleihen ("Schaumschlacke"), von
der die Lichtbogen weitgehend abgeschirmt werden. Zur Bildung von Schaumschlacke wird beispielsweise Sauerstoff über
Lanzen in den flüssigen Stahl eingeblasen. Hierbei verbrennt im flüssigen Stahl vorliegender Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid,
durch das die Schlacke aufgeschäumt wird. Es ist auch möglich, Kohlenstoff über Lanzen in die bereits gebildete
Schaumschlacke einzublasen, wodurch in der Schlacke vorhandenes Eisenoxid in Eisen und Kohlenmonoxid umgewandelt wird,
durch das die Schlacke weiter aufgeschäumt wird.
Unter dem Schlackezustand wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Schaumschlackezustand verstanden, bei dem die
Schaumschlacke die Lichtbögen mindestens teilweise und vorzugsweise
vollständig einhüllt.
Durch die Schaumschlacke werden die Feuerfestausmauerung und
die Wasserkühlsysteme des Ofens vor der starken Strahlungsbelastung
abgeschirmt. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Energieübertragung von der Elektrode auf des Metallbad verbessert
werden. Für die Wirtschaftlichkeit des Lichtbogenofenbetriebs ist es daher von wesentlicher Bedeutung, die
Lichtbogenabdeckung durch die Schaumschlacke kontinuierlich zu beobachten und diese erforderlichenfalls durch entsprechend
induzierte Gasentwicklung aufzuschäumen.
Eine einheitliche Erfassung und Interpretation aller physikalischen
Lichtbogeneigenschaften ist allerdings aufgrund der erheblichen Komplexität der physikalischen und chemischen
Vorgänge praktisch ausgeschlossen.
Man hat daher auf sehr verschiedene Weisen versucht, mit indirekten
Meßverfahren geeignete Signale zu erhalten, mit denen sich der Schmelzzustand im Lichtbogenofen erkennen und
steuern bzw. regeln läßt.
Aus der Zeitschrift "Elektrowärme International" 45 (1987), Seiten B29 - B3 6, ist ein Verfahren bekannt, in dem mit Hilfe
spezieller Kennzahlen, wie beispielsweise Klirrfaktor und Schwingungsgehalt, die aus Lichtbogenspannung und Lichtbogenstrom
ermittelt werden, die harmonischen Komponenten im Leistungsdichtespektrum elektrischer Lichtbogengrößen geeignet
bewertet werden, so daß bei Abweichung der Kennzahlen von bestimmten vorgegebenen Werten entsprechend Maßnahmen
zur Schaumschlackenbildung getroffen werden können.
Aufgrund der Zusammenhänge zwischen den elektrischen und akustischen Lichtbogeneigenschaften kann auch die akustische
Emission der Lichtbogen unmittelbar für eine Zustandsbeobachtung, insbesondere für den Schlackenaufbau, herangezogen
werden.
Aus der Zeitschrift "Elektrowärme International" 42 (1994),
B220 - B227, sind Schalldruckmessungen während des Schmelzbetriebes
von Lichtbogenofen zur Bestimmung der Abhängigkeit der Geräuschentwicklung von den elektrischen Lichtbogengrößen
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
-A-
Schalldruck, wobei diese Veränderung quantitativ durch eine Rauschzahl erfaßt wird, welche zur Prozeßsteuerung herangezogen
werden kann.
Aus DD 295 248 ist ein Verfahren zur Messung der Instabilität eines Lichtbogens in einem Elektroofen bekannt, bei
dem eine Wechselbeziehung zwischen der Änderung der Stromstärke 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 Filterung
durch ein Hochfrequenz-Breitbandfilter und ein schmalbandiges
Tiefbandfilter unterzogen, worauf ein Teilermodul das Verhältnis der von den Filtern stammenden Signaleffektivwerte
erzeugt, das als Indikator für die Schlackenaufblähung dient und bei maximaler Schlackenaufblähung einen Minimalwert
annimmt. Das dieses Verhältnis kennzeichnende Signal wird entweder einer Anzeige zugeführt oder kann zur Regelung
bestimmter Betriebsparameter des Lichtbogenofens herangezogen werden, beispielsweise zur Bestimmung der Beendigung des
Schmelzprozesses.
Aus DE 4425089 ist ferner bekannt, zur Steuerung der Durchsatzrate
an eingeblasenem Kohlenstoff im Drehstromlichtbogenofen 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 Unterschreiten
vermindert. Das Frequenzspektrum wird im Bereich
von 100 Hz ausgewertet, da dieser Bereich die Schallemission der Lichtbogen besonders signifikant wiedergibt und Störgeräusche
relativ gleich verteilt über das Frequenzspektrum vorliegen. Gemäß Fig. 1 dieser Druckschrift wertet eine
Steuereinheit das Signal eines Mikrophons aus, das im Bereich des Elektrolichtbogenofens angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung, Steuerung bzw. Regelung und Optimierung
des Schlackezustandes und der Stabilität des Lichtbogens in Lichtbogenöfen anzugeben, mit dem der elektrothermische
Wirkungsgrad der Lichtbogenöfen verbessert und der Verbrauch an elektrischer Energie abgesenkt werden kann.
Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindungskonzeption.
Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß der Effektivwert [dni/dtn]eff der &eegr;-ten Ableitung dni/dtn der Stromstärke
i(t) bzw. eines ihr proportionalen Signals in enger Korrelation mit dem Schlackezustand in einem Lichtbogenofen
steht. Da der Schlackezustand einen Prozeßparameter darstellt, der im Hinblick auf optimale Energieausnutzung und
optimale Temperaturführung wesentlich ist, eröffnet die vorliegende Erfindung die Möglichkeit der direkten Steuerung
oder auch Regelung des Schlackezustandes. Liegt der Effektivwert [dni/dtn]eff nicht mehr im Bereich zwischen vorgegebenen
Grenzwerten, der im folgenden als Schlackefenster bezeichnet wird und innerhalb dessen der Schlackezustand und
die Schlackemenge bzw. der Einhüllungsgrad der Elektrode optimal 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 gestoppt
werden.
Diese Konzeption ermöglicht es außerdem, bei Erfassung eines Effektivwertes außerhalb des Schlackefensters, unabhängig
von anderen Maßnahmen, die Elektrodenposition durch geeignete Nachführung zu ändern.
Der Effektivwert von Ableitungen der Stromstärke i{t) bzw. eines ihr proportionalen Signals stellt einen sensiblen Indikator
für die Tendenz zur Änderung des Signals dar und erlaubt so eine Steuerung wie auch Regelung des Schlackezustands
und auch der Stabilität des Lichtbogens mit außerordentlich hoher Zugriffsgeschwindigkeit und entsprechend hoher
Genauigkeit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung des Schlackezustandes
in Lichtbogenöfen, in denen ein flüssiges Metallbad, insbesondere ein Stahlbad, herstellbar ist das mit einer
Schlackeschicht bedeckt ist, die den zwischen Metallbad und Elektrode brennenden Lichtbogen zumindest teilweise einhüllt,
weist auf:
- eine Stromerfassungseinrichtung, welche die Stromstärke i(t) des über die Elektrode fließenden Stroms erfaßt,
- eine Differenziereinrichtung, die eine Ableitung der
Stromstärke i(t) erzeugt,
- eine Kontrolleinrichtung, die aus der Ableitung der Stromstärke 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 &eegr;-ten Ableitung entsprechendes Signal zu vorgegebenen Zeitpunkten
oder kontinuierlich erzeugt, wobei &eegr; gleich 2, 3 oder 4 ist,
eine der Differenziereinrichtung nachgeschaltete Effektivwerteinrichtung
vorgesehen ist, die den Effektivwert
[dni/dtn]eff der &eegr;-ten Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t)
bzw. des ihr proportionalen Signals in Form des quadratischen
Mittelwerts nach der Formel I bildet,
Mittelwerts nach der Formel I bildet,
T '
[dni/dtn]eff = V l/T J (dni/dtn)2 dt (I),
worin bedeuten:
i die Stromstärke des über die Elektrode fließenden Stroms, t die Zeit,
&eegr; 2, 3 oder 4
&eegr; 2, 3 oder 4
und
T die Integrationsdauer,
T die Integrationsdauer,
- die Kontrolleinrichtung der Effektivwerteinrichtung nachgeschaltet
ist und den Effektivwert [dni/dtn] eff mit vorgegebenen
Grenzwerten vergleicht, innerhalb deren der Schlackezustand und die Schlackemenge bzw. der Einhüllungsgrad der
Elektrode optimal sind (Schlackefenster), und bei Erfassung eines außerhalb des Schlackefensters liegenden Effektivwertes
[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 schlackebildenden Stoffen ansteuert und/oder die Elektrode geeignet positioniert.
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 schlackebildenden Stoffen ansteuert und/oder die Elektrode geeignet positioniert.
Das Erfindungskonzept eignet sich gleich gut für Gleichstrom-
und Drehstromlichtbogenöfen.
und Drehstromlichtbogenöfen.
Es kann die zweite, dritte oder vierte Ableitung der Stromstärke i(t) gebildet werden. Vorzugsweise wird zur Bildung
des Effektivwertes die zweite Ableitung (n = 2) der Stromstärke
i(t) herangezogen.
Es ist auch möglich, die Bildung der &eegr;-ten Ableitung dni/dtn
aus Inkrementen nullter bis n-ter Ordnung entsprechend der
Formel II
dni/dtn = k0 + ki-di/dt + k2-d2i/dt2 + k3-d3i/dt3 + k4-d4i/dt4
(II)
vorzunehmen, in der k0, kx, k2, k3 und k4 vorgegebene und
insbesondere durch Eichung oder empirisch bestimmte Konstante darstellen, wobei die Bedingungen k0, kx >
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 unabhängigen
Verfahren, eine quantitative Bestimmung der differentiellen Stromstärke.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist nach der Differenziereinrichtung eine Filtereinrichtung vorgesehen, in der das der &eegr;-ten Ableitung
der Stromstärke i(t) entsprechende Signal vor der Bildung des Effektivwertes zur Abtrennung unerwünschter Frequenzen
gefiltert wird. Bei Drehstromöfen werden insbesondere die Netzfrequenz oder unerwünschte Hochfrequenzen abgetrennt;
vorteilhaft ist die Filtereinrichtung so ausgelegt, daß Frequenzen außerhalb des Frequenzbereichs von 800 Hz bis 100
kHz abgetrennt werden. Besonders im Falle von Gleichstromofen ist es günstig, Frequenzen außerhalb des Frequenzbereichs
von 2 0 Hz bis 1 kHz auszufiltern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in der Einschmelzphase
eingesetzt werden, in der der Lichtbogen zumin-
dest 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 Schmelzzeiten und damit die geringsten Energieverluste vorliegen,
wobei zugleich überhöhte Temperaturen und damit verbundene Abstrahlungsverluste vermieden werden.
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
nach dem Aufschmelzen der gesamten Charge eingesetzt werden. In dieser Betriebsphase ist es notwendig, die feuerfeste
Ausmauerung und die wassergekühlten Wand- und Deckelemente des Oberofens gegen die unmittelbare Lichtbogenstrahlung zu
schützen. Aus diesem Grund soll der Lichtbogen ganz von der Schlacke eingeschlossen werden. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 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 Schlackenbildnern
aufrechterhalten werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Steuerung oder zur
Regelung unter Erfassung des Schlackezustandes ausgelegt sein und umfaßt, wie oben erläutert, eine Stromerfassungseinrichtung,
eine Differenziereinrichtung, eine Effektivwerteinrichtung zur Bildung des Effektivwertes und eine Kontrolleinrichtung,
die den Effektivwert mit den vorgegebenen Grenzwerten vergleicht und ggf. Steuersignale für Stellglieder
erzeugt. Die Kontrolleinrichtung kann also auch als Regeleinrichtung 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 ansteuern und den Schlackezustand über den Effektivwert der n-
ten Ableitung des Stroms so regeln, daß der Effektivwert im Schlackefenster gehalten wird.
Durch die Stromerfassungseinrichtung wird die Stromstärke i(t) des Stroms erfaßt, der im Elektrodenkreis fließt.
Es ist vorteilhaft, den Strom beispielsweise dadurch zu erfassen, daß in einer Elektrodenzuführungsleitung an zwei
voneinander beabstandeten Punkten ein Meßwiderstand parallelgeschaltet und der an diesem Meßwiderstand auftretende
Spannungsabfall, der dem in der Leitung fließenden Strom
entspricht, gemessen bzw. erfaßt wird.
Die Bildung der &eegr;-ten Ableitung erfolgt durch die Differenziereinrichtung.
Hierfür können dem Fachmann geläufige Differenzierglieder oder Differenzierschaltungen, die auch mit
entsprechenden Filtern kombiniert sein können, Verwendung finden.
Als Stromerfassungseinrichtungen sind Meßtransformatoren günstig geeignet. Je nach der Art des Meßtransformators
(z.B. Stromwandlertyp oder Rogowski-Typ) resultiert ein Ausgangssignal, das dem Strom i{t) oder der 1. Ableitung davon,
di/dt, entspricht.
Ferner können auch Hall-Generatoren als Stromerfassungseinrichtungen
herangezogen werden. In derartigen Fällen, in den als Ausgangssignal der Stromerfassungseinrichtung bereits
ein Ableitungssignal resultiert, ist die Differenziereinrichtung 4 so ausgelegt, daß sie aus dem als Eingangssignal
erhaltenem Ableitungssignal durch entsprechendes Nachdifferenzieren ein der gewünschten Ableitung (2., 3. oder 4. Grades)
entsprechendes Ausgangssignal liefert.
-11-
Die Stromerfassungseinrichtung und die Differenziereinrichtung
müssen im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt getrennte, diskrete Einrichtungen darstellen. Die
Stromerfassungseinrichtung und die Differenziereinrichtung
können funktionell und gegebenenfalls auch strukturell oder schaltungsmäßig eine Einheit bilden bzw. miteinander integriert
sein.
Die vorteilhaft als Stromerfassungseinrichtung verwendeten zwei- oder dreidimensionalen Spulen weisen mindestens zwei
bzw. mindestens drei Wicklungen auf, deren Achsen in aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen orientiert sind.
Hierdurch ist es möglich, das Stromsignal (in Form der 1. Ableitung) weitgehend richtungsunabhängig zu erfassen. Diese
Ausführungsform ist besonders günstig für Gleichstromofen
verwendbar.
Derartige dreidimensionale Meßtransformatoren können in besonders 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 ermöglichen es, das Stromsignal bzw. dessen 1. Ableitung praktisch
richtungsunabhängig zu erfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine von der
Kontrolleinrichtung gesteuerte Signaleinrichtung aufweisen, die ein akustisches und/oder optisches und/oder elektrisches
, etwa zu Steuer- oder Regelzwecken verwendbares Signal abgibt, wenn der Effektivwert der &eegr;-ten Ableitung innerhalb
oder außerhalb des Schlackefensters liegt.
Die Kontrolleinrichtung ist ferner vorteilhaft so ausgebildet, daß auf einem Display angezeigt wird oder das abgegebe-
ne Signal auch die Information beinhaltet, ob der Effektivwert oberhalb oder unterhalb des Schlackefensters liegt.
Wenn die Kontrolleinrichtung als Regler ausgelegt und in einem geschlossenen Regelkreis integriert ist, weist sie vorteilhaft
ein PD-, PI-, PID- oder PDPI-artiges Regelverhalten auf. Wenn sie einen digitalen Regler mit frei wählbarer bzw.
programmierbarer Charakteristik oder ein adaptives, lernendes System darstellt, können hierbei analoge Kennlinien realisiert
sein. Durch ein derartiges Regelverhalten, das vorzugsweise ofenspezifisch empirisch optimiert wird, läßt sich
eine gegenüber P-artigen Reglern praktisch totzeitfreie Regelung mit hoher Ansprech- und Ausregelgeschwindigkeit realisieren,
wobei die Regelabweichung minimiert werden kann.
Die Effektivwerteinrichtung zur Bildung des Effektivwertes
der &eegr;-ten Ableitung [dni/dtn] eff ist vorteilhaft ein Meßgleichrichter,
dem ggf. ein Integrator nachgeschaltet ist.
Die Kontrolleinrichtung ist vorzugsweise ein digitales Mikroprozessorsystem,
worin die dem Schlackefenster zugeordneten Grenzwerte gespeichert oder speicherbar sind und das die
Steuerung der Stellglieder übernimmt und ggf. den Effektivwert auf einem Display anzeigt.
Die Kontrolleinrichtung ist vorteilhaft als adaptiver Regler ausgelegt. Durch Implementierung von Fuzzy-Logik kann die
Steuer- bzw. Reglerfunktion weiter optimiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner auch Filter
aufweisen, um unerwünschte Frequenzen, wie etwa die Netzfrequenz und unerwünschte hochfrequente Anteile, zu eliminieren
und so-die Selektivität der Signalerfassung zu erhöhen. Besonders
geeignet sind digitale Filter, da sie es erlauben, beliebige Durchlaßkennlinien zu realisieren.
-13-
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es
zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung und
gegebenenfalls Regelung des Schlackezustandes in einem Lichtbogenofen;
Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung
und gegebenenfalls Regelung des Schlackezustandes in einem Lichtbogenofen;
Fig. 3 eine Registrierkurve, die den Effektivwert der zweiten 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.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist eine erfindungsgemäße
Vorrichtung, mit welcher der Schlackezustand nicht nur quantitativ erfaßt und gesteuert, sondern auch, durch
die Einwirkung auf entsprechende Stellglieder in einem geschlossenen Regelkreis, geregelt werden kann.
Die Vorrichtung von Fig. 1 umfaßt eine Rogowski-Spule als Meßtransformator, der die Stromerfassungseinrichtung {3)
darstellt, an deren Ausgang die erste Ableitung des Stromsignals 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 nachgeschalteten
Meßgleichrichter als Effektivwerteinrichtung 5, die den Effektivwert [dni/dtn] efE bildet, eine anschließend
vorgesehene Integriereinrichtung 6 und eine Kontrolleinrichtung I1 die mit dem Ausgang der Integriereinrichtung 6 verbunden
ist. Die Kontrolleinrichtung 7 stellt eine Steuerlogik dar, die aufgrund einer vorgegebenen oder wählbaren Re-
-14-
gelcharakteristik und auf der Basis vorgebbarer Sollwerte für dem Schlackefenster entsprechende Effektivwerte entsprechende
Ausgangesignale 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.
Es können selbstverständlich mehrere Lanzen zum Einblasen von Kohlenstoff bzw. Kohle in die Schlacke oder zum Einblasen
von Sauerstoff in das Stahlbad gleichzeitig angesteuert werden; es kann ferner auch eine Eintrageinrichtung zum Eintragen
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 Ableitung
dni/dtn der vom Meßtransformator erfaßten Stromstärke
i(t) gebildet. Der Meßtransformator besteht beispielsweise 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 Effektivwertes
[dni/dtn] eff zu dem Meßgleichrichter 5 und wird
im Integrator 6 integriert.
Das Signal wird dann der Kontrolleinrichtung 7 zugeführt, die den Effektivwert [dni/dtn] eff mit vorgegebenen Grenzwerten
vergleicht.
Liegt das erfaßte Signal außerhalb des vorgegebenen Wertebereichs (des Schlackefensters), wird ein entsprechendes
Stellsignal an das Stellglied 8 abgegeben, um über die Lanze 9 Sauerstoff in das Stahlbad einzublasen.
Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung
stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der Regeleinrichtung
• &idigr; &igr; » ♦ · *
-15-
von Fig. 1 dar und eignet sich insbesondere für Gleichstromlichtbogenöfen
.
Die Vorrichtung von Fig. 2 unterscheidet sich von der Vorrichtung der Fig. 1 dadurch, daß dem Meßgleichrichter der
die Effektivwerteinrichtung 5 darstellt, ein Tiefpaßfilter 10 vorgeschaltet ist, das vor der Bildung des Effektivwertes
unerwünschte Frequenzen außerhalb des Frequenzbereiches von 20 Hz bis 1 kHz abtrennt.
Ferner ist nach der Kontrolleinheit 7 eine weitere Kontrolleinheit
11 vorgesehen, die nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik arbeitet.
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 Kontrolleinheit 7 in Abhängigkeit vom Schlackezustand geregelt werden
kann.
Figur 3 zeigt den Schlackezustand in einem Drehstromlichtbogenofen
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 fließenden Stroms in Form eines ihm proportionalen Spannungssignals
(V). Nach der Einschmelzphase lag der Effektivwert zuverlässig im Bereich des Schlackefensters, das durch die
parallelen Linien mit dazwischenliegender Schraffierung angedeutet
ist.
Durch die Anwendung des Erfindungskonzepts konnten in Drehstromlichtbogenöfen
Energieeinsparungen von 5-30 kWh pro Tonne eingesetzten Schrotts erzielt werden. Bei Gleichstrom-
-16-
lichtbogenöfen lag diese Energieersparnis sogar noch etwas
höher.
Ferner konnte der Verbrauch an Feuerfestmaterialien um etwa 0,5 kg/t verringert werden.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die vorliegende Erfindung eine schnelle und zuverlässige Erfassung des Schlakkezustandes
in Lichtbogenofen ermöglicht, wodurch die Wirtschaftlichkeit
des Lichtbogenofenbetriebes verbessert werden kann.
Claims (24)
- -17-AnsprücheVorrichtung zur Erfassung des Schlackezustandes in Lichtbogenofen (1) , in denen ein flüssiges Metallbad, insbesondere ein Stahlbad, herstellbar ist, das mit einer Schlackeschicht bedeckt ist, die den zwischen Metallbad und Elektrode (2) brennenden Lichtbogen zumindest teilweise einhüllt, die aufweist- eine Stromerfassungseinrichtung (3), welche die Stromstärke i{t) des über die Elektrode (2) fließenden Stroms erfaßt,- eine Differenziereinrichtung (4), die eine Ableitung der Stromstärke i(t) erzeugt,- eine Kontrolleinrichtung (7), die aus der Ableitung der Stromstärke i{t) ein dem Schlackezustand entsprechendes Signal erzeugt,dadurch gekennzeichnet, daßdie Differenziereinrichtung (4) die n-te Ableitung dni/dtn der von der Zeit t abhängigen Stromstärke i(t), bzw. ein der &eegr;-ten Ableitung entsprechendes Signal zu vorgegebenen Zeitpunkten oder kontinuierlich erzeugt, wobei &eegr; gleich 2, 3 oder 4 ist,eine der Differenziereinrichtung (4) nachgeschaltete Effektivwerteinrichtung (5) vorgesehen ist, die den Effektivwert [dni/dtn]eff der &eegr;-ten Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t) bzw. des ihr proportionalen Signals in Form des quadratischen Mittelwerts nach der Formel I bildet,T '[dni/,dtn]eff = V i/t J(dni/dtn)2 dt (I),-18-worin bedeuten:i die Stromstärke des über die Elektrode (2) fließendenStroms,
t die Zeit,
&eegr; 2, 3 oder 4undT die Integrationsdauer,
unddie 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 Einhüllungsgrad der Elektrode (2) optimal sind (Schlackefenster), und bei Erfassung eines außerhalb des Schlackefensters liegenden Effektivwertes [dni/dtn]eff ein entsprechendes 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 schlackebildenden Stoffen ansteuert und/oder die Elektrode (2) geeignet positioniert. - 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) ein an zwei voneinander beabstandeten Punkten des Elektrodenkreises parallelgeschalteter Meßwiderstand ist, wobei der daran auftretende Spannungsabfall, der dem Strom i(t) entspricht, als Eingangssignal zur Differenziereinrichtung (4) gelangt, die daraus die n-te Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t) erzeugt.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) ein Meßtransformator ist, der ein Ausgangssignal abgibt, das der ersten Ab--19-leitung di/dt der Stromstärke i(t) entspricht, und die Differenziereinrichtung (4) so ausgebildet ist, daß sie aus dem Ausgangssignal des Meßtransformators durch Nachdifferenzieren ein der &eegr;-ten Ableitung dni/dtn der Stromstärke i(t) entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Spule ist.
- 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) eine Rogowski-Spule ist.
- 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenziereinrichtung (4) mit der Stromerfassungseinrichtung (3) eine funktioneile Einheit bildet bzw. mit der Stromerfassungseinrichtung (3) integriert ist.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder S1 dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung (3) ein Hall-Generator ist.
- 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, daß die Effektivwerteinrichtung (5) zur Bildung des Effektivwertes der &eegr;-ten Ableitung ein Meßgleichrichter ist, dem gegebenenfalls eine Integriereinrichtung (6) nachgeschaltet ist.
- 9. Vorrichtung nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) ein Rechner bzw. ein Mikrocomputer ist, in dem die dem Schlackefenster zugeordneten Grenzwerte gespeichert oder speicherbar sind.-20-
- 10. Vorrichtung nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) ein Display aufweist, auf dem anzeigbar ist, ob der Effektivwert der &eegr;-ten Ableitung innerhalb oder außerhalb des Schlackefensters liegt.
- 11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) eine Signaleinrichtung aufweist, die ein akustisches und/oder optisches und/oder elektrisches Signal abgibt, wenn der Effektivwert der &eegr;-ten Ableitung innerhalb oder außerhalb des Schlackefensters liegt.
- 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) so ausgebildet ist, daß auf dem Display auch angezeigt wird, ob der Effektivwert oberhalb oder unterhalb des Schlackefensters liegt.
- 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) so ausgebildet ist, daß das abgegebene Signal auch die Information beinhaltet, ob der Effektivwert oberhalb oder unterhalb des Schlakkefensters liegt.
- 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung {7) als Steuereinrichtung mit offenem Wirkungsablauf ausgelegt ist.
- 15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) als Regeleinrichtung mit geschlossenem Regelkreis ausgelegt ist und als Stellglieder eine oder meh--21-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]eEf der &eegr;-ten Ableitung des Stroms i(t) so regelt, daß der Effektivwert im Schlackefenster gehalten wird.
- 16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenziereinrichtung (4) so ausgebildet ist, daß sie die 2. Ableitung d2i/dt2 des Stroms i(t) bildet.
- 17. Vorrichtung nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenziereinrichtung (4) so ausgebildet ist, daß sie als n-te Ableitung dni/dtn ein aus Inkrementen nullter bis n-ter Ordnung bestehendes Signal erzeugt, das der Formel II entspricht,dni/dtn = k0 + k^di/dt + k2-d2i/dt2 + k3-d3i/dt3 + k4-d4i/dt4 (II) ,in der k0, klf k2, k3 und k4 vorgegebene und insbesondere durch Eichung oder empirisch bestimmte Konstante darstellen, für welche die Bedingungenk0, k-L >: 0 sowie k2 und/oder k3 und/oder k4 > 0 gelten.
- 18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine der Differenziereinrichtung (4) nachgeschaltete Filtereinrichtung (10) aufweist, die unerwünschte Signalkomponenten ausfiltert.
- 19. Vorrichtung nach. Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (10) so ausgebildet ist, daß sie Signalkomponenten ausfiltert, die außerhalb des Bereichs von 800 Hz bis 100 kHz liegen.
- 20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (10) so ausgebildet ist, daß sie Signalkomponenten ausfiltert, die außerhalb des Bereichs von 2 0 Hz bis 1 kHz liegen.
- 21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis20, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontrolleinrichtung (7) eine weitere Kontrolleinrichtung (11) nachgeschaltet oder zugeordnet ist.
- 22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung (7) und/oder die ihr nachgeschaltete oder zugeordnete weitere Kontrolleinrichtung (11) ein auf Fuzzy-Logik beruhender Fuzzy-Controller ist.
- 23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis22, dadurch gekennzeichnet, daß die Effektivwerteinrichtung (5) und die Kontrolleinrichtung(en) {7, 11) funktionell miteinander integriert sind und vorzugsweise einen Mikrocomputer darstellen.
- 24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung {7, 11) so ausgelegt ist, daß sie als adaptiver Regler arbeitet.
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DE29713666U1 true DE29713666U1 (de) | 1997-09-25 |
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DE (1) | DE29713666U1 (de) |
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Effective date: 20051012 |
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R071 | Expiry of right |