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Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut in einem Lichtbogen-
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ofen und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
betrifft das Gebiet der Elektrometallurgie und bezieht sich insbesondere auf Schmelzverfahren
für ein Beschickungsgut in Lichtbogenöfen und auf Einrichtungen für eine Realisierung
dieses Verfahrens.
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Die Erfindung kann in der Eisenhütten- und der Buntmetallindustrie,
in der chemischen Industrie und bei der Produktion von Feuerfeststoffen angewendet
werden.
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Es ist ein Schmelzverfahren (F.P. Edneral "Elektrometallurgie von
Stahl und Ferrolegierungen", Verlag "Metallurgija", Moskau, 1977, S. 103 bis 157,
378 bis 454) in einem Erzreduktions- oder Lichtbogen-Stahlschmelzofen bei dessen
Speisung durch einen Wechselstrom der Netzfrequenz (f = 50 Hz) bekannt, das Beschickung
von einem Beschickungsgut, dessen Erschmelzung, Durchführung von Redoxreaktionen
und Abstich einer fertigen Schmelze einschließt. Es ist auch eine Lichtbogenofenanlage
zur Verwirklichung dieses Verfahrens (L.E. Nikolskij et al. Industrie anlagen Lür
eine Lichtbogenheizung und deren Parameter, Verlag "Energija", Mosk, 1971, S. 16
bis 26, 94 bis 109) bekannt, die einen über eine Stromzuführung mit in einem Bad
eines
Lichtbogenofens angeordneten Elektroden verbundenen Transformator, Vorrichtungen
für eine Elektrodenbewegung und -verstellung, Systeme für eine automatische Zuteilung
von Beschickungsgut und eine automatische Regelung der elektrischen Leistung enthält.
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Das geschilderte Verfahren wird aber durch große Energieverluste gekennzeichnet,
was durch die Unmöglichkeit einer stufenlosen Spannungsregelung und der Aufrechterhaltung
einer stabilen Elektrodenstellung bedingt ist. Die Einrichtung weist einen niedrigen
Leistungsfaktor auf, der auf große Blindleistungsverluste zurückzuführen ist, wenn
die Blindleistung 50 bis 60% der Gesamtleistung ausmacht. Mit der Leistungssteigerung
des Lichtbogenofens nehmen die Energieverluste zu. Zur Blindleistungskompensation
bedarf es einer Hilfsausrüstung. Darüber hinaus ist die Einrichtung mit großen Wirkenergieverlusten
in der Stromzuführung wegen der Wirkung eines Oberflächen- und eines Naheffektes
behaftet, womit ein erhöhter Kupferaufwand für die Stromzuführung zusammenhängt.
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Im Schmelzverlauf ist es notwendig, die Elektroden des Lichtbogenofens
zu seiner Leistungsregelung zu bewegen, was eine Verschiebung eines thermischen
Gleichgewichts im Bad des Lichtbogenofens bewirkt.
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Außerdem wird die beschriebene Einrichtung durch große elektromagnetische
Verluste in Stahlkonstruktionen gekennzeichnet, wobei die Beständigkeit von aus
Magnetwerkstoffen hergestellten Konstruktionselementen infolge ihrer Überhitzung
abfällt.
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Zwischen den Phasen erfolgt eine Leistungsübertragung, die
eine
Ungleichmäßigkeit der Energieverteilung im Lichtbogenofen und folglich eine Leistungsminderung
sowie eine Festigkeitsverminderung der feuerfesten Ofenauskleidung hervorruft.
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Der Querschnitt der Stromzuführung wird wegen des Oberflächeneffektes
nicht vollständig ausgenutzt, was zu einer Erhöhung der Maße und Abmessungen der
Stromzuführung zwingt.
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Es ist noch ein Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut in einem
Lichtbogenofen mit einer Leistung von 21000 kVA Nach schlagebuch für elektrothermische
Ausrüstung", Moskau, Verlag "Energija", 1971, Kapitel IX) bekannt.
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Dieses Verfahren besteht in einem kontinuierlichen Einsetzen von Beschickungsgut
(Koks, Quarzit und Eisenspäne) in das Bad des durch einen Wechselstrom der Netzfrequenz
gepeisten Lichtbogenofens Im Bad des Lichtbogenofens entwickelt sich eine Wärmemenge
durch Joulesche Wärme eines über das Beschickungsgut fließenden elektrischen Stroms
und eine Ausstrahlung seitens eines an den Stirnflächen der Elektroden brennenden
verdeckten Lichtbogens. Die sich ständig entwickelnde Wärmeenergie bewirkt eine
Erhitzung des Beschickungsgutes und dessen Erschmelzung in den niedrigeren Schichten
des Bades. Gleichzeitig mit dem Schmelzvorgang laufen endotherme Reaktionen einer
Reduktion von Eisen- und Siliziumoxid durch den Kohlenstoff des Kokses ab, der infolge
der Oxidation in einen gasförmigen Zustand übergeht und aus dem Lichtbogenofen in
Form von Kohlenoxid und -dioxid entfernt wird.
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Das reduzierte Silizium löst sich in der Schmelze des reduzierten
Eisens auf, und die fertige Schmelze fließt in den
unteren Teil
des Bades ab, aus dem sie periodisch in eine Pfanne in Form einer Legierung von
Ferrosilizium und einer kleinen Menge von Schlacke abgelassen wird.
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Die dieses geschilderte Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut in
einem Lichtbogenofen ("Nachschlagebuch für elektrothermische Ausrüstung", 1971,
Kap. IX) realisierende Einrichtung enthält einen Transformator, dessen Sekundärwicklung
über eine Stromzuführung mit im Bad des Lichtbogenofens angeordneten Elektroden
gekoppelt ist. An die Stromzuführung ist eine Leistungsregeleinheit des Lichtbogenofens
angeschlossen, die eine Leistungsregelung durch Elektrodenbewegung mittels einer
an den Ausgang der Leistungsregeleinheit angeschlossenen Bewegungsvorrichtung übernimmt.
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Die beschriebene Einrichtung ist mit erhöhten Wärmeverlusten wegen
einer Wasserkühlung der Hohlräume der aus Magnetwerkstoffen hergestellten Konstruktionselemente
sowie wegen eines großen, den durch den Ofen eingenommenen Raum durchsetzenden Stromflusses
behaftet. Diese Verluste betragen 6 bis 7% der Wirkleistung des Ofens. Wegen einer
großen Stromstärke an den Elektroden gegenüber der Spannung und einer beträchtlichen
Reaktanz des Stromkreises des Ofens ist es unmöglich, einen Monatsdurchschnitts-Leistungsfaktor
über 0,8 bis 0,82 zu erhalten, wobei ein großer spezifischer Stromverbrauch zu verzeichnen
ist.
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Die Stromzuführung aus Kupfer hat einen großen Querschnitt 2 von 21600
mm aufgrund dessen unzureichender Ausnutzung.
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Im Schmelzverlauf für das Beschickungsgut gemäß dem geschilderten
Verfahren ist es unmöglich, eine Änderung der Betriebsspannung bei der bestehenden
Charakteristik des Transformators und im elektrischen Betriebszustand der Einrichtung
stufenlos zu regeln, und es ist notwendig, die Elektroden um einen Wert bis zu 1000
mm wegen der Schwankungen des elektrischen Widerstandes des Bades und großer Spannungs
sprünge zwischen den Spannungsstufen des Transformators zu verschieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Schmelzverfahren
für ein Beschickungsgut in einem Lichtbogenofen und eine solche dieses Verfahren
realisierende Einrichtung zu schaffen, die einen erhöhten elektrischen Wirkungsgrad
des Lichtbogenofens gewährleisten, es gestatten, die elektromagnetischen Verluste
geringer zu halten und den Leistungsfaktor durch Absenkung der Arbeitsfrequenz unter
die Netzfrequenz, durch Frequenzregelung des Stroms und durch stufenlose Spannungsregelung
im Schmelzverlauf mittels Einschaltung eines speziellen Frequenzwandlers in die
Schaltung der Einrichtung zu erhöhen.
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Die Erfindung besteht darin, daß in dem Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut
in einem durch einen elektrischen Wechselstrom gespeisten Lichtbogenofen, das einen
Einsatz von Beschickungsgut, dessen Erschmelzung, begleitet von Redoxreaktionen,
und einen Abstich einer fertiger Schmelze und einer Schlacke einschließt, gemäß
der Erfindung der Speisestrom in
einen Strom der Frequenz 0,05
bis 30 Hz umgeformt und den Elektroden des Bades des Lichtbogenofens zugeführt wird.
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Zweckmäßigerweise enthält die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
die einen Transformator, dessen Sekundärwicklungen über eine Stromzuführung an im
Bad des Lichtbogenofens angeordnete Elektroden angeschlossen sind, und eine an die
Stromzuführung angeschlossene und mit den Elektroden des Lichtbogenofens über eine
Elektrodenbewegungsvorrichtung verbundene Leistungsregeleinheit des Lichtbogenofens
einschließt, gemäß der Erfindung einen zwischen der Sekundärwicklung des Transformators
und den Elektroden des Lichtbogenofens an eine Schnittstelle der Stromzuführung
geschalteten Frequenzwandler und eine an den letzteren und an die Stromzuführung
seitens der Elektroden über einen elektrischen Geber angeschlossene Steuereinheit
für den Frequenzwandler.
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Zur Verringerung der Blindleistungsverluste im Frequenzwandler und
in der Stromzuführung der Einrichtung ist es vorteilhaft, daß gemäß der Erfindung
der Frequenzwandler als Schaltung einer direkten Frequenzwandlung aus Paaren gleichtypiger
Ventilgruppen ausgeführt istr deren jede je drei Zweige antiparallel geschalteter
Ventile aufweist, in jeder Ventilgruppe die Primäranschlüsse der Ventilzweige mit
einer der Phasen der Stromzuführung seitens des Transformators verbunden, die Sekundäranschlüsse
der Ventilzweige einer Gruppe an eine Anschluß schiene angeschaltet, die Anschluß
schienen der zu einem
gehörenden Ventilgruppen gegeneinander isoliert
und an eine der Elektroden des Lichtbogenofens angeschlossen, ein Abschnitt der
Stromzuführung seitens der Elektroden aus bifilar angeordneten Schienen ausgeführt
und die Ausgänge der Steuereinrichtung für den Frequenzwandler an die Ventile des
letzteren zur wechselweisen Öffnung und Sperrung der Ventile direkter und umgekehrter
Richtung mit einer regelbaren Pause zwischen der Sperrung und Öffnung angeschlossen
sind.
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Sinnvoll wird in der erfindungsgemäßen Einrichtung der Frequenzwandler
als Schaltung einer direkten Frequenzwandlung aus Paaren gleichtypiger Ventilgruppen
ausgeführt, wobei in jedem Paar die Ventilgruppen miteinander und mit entsprechenden
Elektroden des Lichtbogenofens elektrisch gekoppelt sind, die Anschluß schienen
der Ventilgruppen parallel zueinander und die Sekundäranschlüsse der Zweige der
ersten, zweiten und dritten Phase einer Ventilgruppe gleichachsig mit den Sekundäranschlüssen
der Zweige der jeweiligen dritten, zweiten und ersten Phase der anderen Ventilgruppe
des gleichen Paares angeordnet sind.
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Diese und andere Ziele und die Vorteile der Erfindung werden aus der
nachstehenden eingehenden Beschreibung ihres Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf beiliegende Zeichnungen ersichtlich. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild
der das Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut in einem Lichtbogenofen realisierenden
Einrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Prinzipschaltung der das Schmelzverfahren
für ein Beschickungsgut in einem Lichtbogenofen realisierenden Einrichtung gemäß
der Erfindung, Fig. 3 eine Prinzipschaltung einer der Ausführungsformen eines Frequenzwandlers
der Einrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 4 eine konstruktive Ausführung eines Paares
von Ventilgruppen des Frequenzwandlers gemäß der Erfindung, Fig. 5 Verläufe der
Momentanwerte der Ströme in Verschiedenen Ventilzweigen und zu verschiedenen Zeitpunkten
gemäß der Erfindung.
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Das Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut in einem Lichtbogenofen
soll durch Beschreibung einer dieses Verfahren realisierenden Einrichtung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht werden.
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In Fig. 1 ist eine Blockschaltung einer Einrichtung dargestellt, die
das genannte Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut realisiert und einen zur Umformung
von Netzspannung und -strom vorgesehenen Transformator 1 enthält. Die (in Fig. 1
nicht gezeigte) Sekundärwicklung des Transformators 1 ist über eine Stromzuführung
2 an in einem Bad 4 eines Lichtbogenofens 5
angeordnete Elektroden
3 angeschlossen. In die Stromzuführung 2 ist ein Frequenzwandler 6 angeschlossen.
Am mit der Elektrode verbundenen Teil der Stromzuführung 2 ist ein elektrischer
Geber 7 angeordnet.
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Die Stromzuführung 2 stellt in der Regel ein Konstruktionselement
der Einrichtung dar, das sich aus Rohren, Bändern, flexiblen Kabeln, Leitern und
Kontaktverbindungen zusammensetzt, die einen Stromdurchgang vom Transformator 1
zum Frequenzwandler 6 und vom Ausgang des letzteren zu den Elektroden 3 gewährleisten.
Der Frequenzwandler 6 ist zur Umwandlung eines Stroms der Netz frequenz in einen
Strom mit einer Frequenz von 0,05 bis 30 Hz für die Zuführung zu den Elektroden
3 vorgesehen. Das Bad 4 ist zum Einsatz eines Beschickungsgutes 8, zu dessen Erschmelzen
bei einer Erhitzung durch Joulesche Wärme und eine Ausstrahlung eines elektrischen
Lichtbogens 9 und zur Durchführung von Redoxreaktionen unter Ausbildung einer aus
dem Bad 4 über ein Abstichloch 11 zu entfernenden Schmelze 10 vorgesehen.
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Die Regelung der elektrischen Leistung der Einrichtung erfolgt mit
Hilfe einer Leistungsregeleinheit 12 des Lichtbogenofens und einer Bewegungsvorrichtung
13 für die Elektroden 3. Ein Teil der Eingänge der Leistungsregeleinheit 12 ist
an die Stromzuführung 2 seitens des Ausganges des Wandlers 6 zur Abnahme der Spannungswerte
und der andere Teil der Eingänge der Einheit 12 an den in der Stromzuführung 2 in
Reihe mit den Elektroden 3 zur Abnahme der Effektivwerte der Ströme
liegenden
elektrischen Geber 7 angeschaltet. Die Ausgänge der Einheit 12 sind an (in Fig.
1 nicht angedeutete) Erregerwicklungen eines Elektroantriebs der mit den Elektroden
3 kraftschlüssig verbundenen Bewegungsvorrichtung 13 angeschlossen. Die Schaltungen
der Leistungsregeleinheit 12 der Bewegungsvorrichtung 13 und des elektrischen Gebers
7 sind entsprechend den bekannten technischen Lösungen ausgeführt, die beispielsweise
im Buch "Industrieanlagen für eine Lichtbogenerhitzung und deren Parameter", redigiert
von L.E. Nikolskij (Verlag "Energija", Moskau, 1971, S. 100 bis 109) beschrieben
sind.
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Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung schließt auch eine Steuereinheit
14 für den Wandler 6 ein, dessen Eingänge an die Stromzuführung 2 über den elektrischen
Geber 7 angeschlossen sind. Die Ausgänge der Einheit 1-4 sind an die Steuereingänge
des Frequenzwandlers 6 zur Steuerung der Frequenz und Richtung des Ausgangsstroms
des Wandlers 6 angeschlossen. Die Schaltung der Steuereinheit 14 des Wandlers 6
ist nach einer bekannten technischen Lösung ausgeführt, die beispielsweise im Buch
von I.J. Bernstein "Thyristor-Frequenzwandler ohne Gleichstromglied" (Verlag "Energija",
Moskau 1968, S 75) beschrieben ist In Fig. 2 ist eine Prinzipschaltung einer ein
Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut realisierenden Einrichtung dargestellt.
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Hier ist gezeigt, daß der Transformator 1 eine Primärwicklung 15,
die sich im betreffenden Fall aus drei mit ihren
Anschlüssen an
ein (in Fig. 2 nicht gezeigtes) Hochspannundrehstromnetz geleyten Einheiten zusammensetzt,
und eine an den Frequenzwandler 6 angeschlossene Sekundärwicklung 16 einschließt.
Die Phasenzahl des Transformators 1 und die der Stromzuführung 2 sind gleich drei.
Hierbei sind die erste, zweite und dritte Phase der Stromzuführung 2 jeweils mit
Positionen 2',2" und 2"' bezeichnet. Der Wandler 6 schließt (im gegebenen Fall drei)
Paare gleichtypiger Ventilgruppen 17', 17" und 17"' ein. Jede Ventilgruppe 17',
17" und 17"' schließt je drei Zweige antiparallel geschalteter Ventile 18 und 19
ein. Hier und ferner im Text sei ein Zweig mit den Ventilen 18, 19 ein Element jeder
Ventilgruppe 17', 17" und 17"' genannt, wobei das Ventil 18 eine erste Durchlaßrichtung
und das Ventil 19 eine zweite Durchlaßrichtung aufweist, die Ventilgruppen sind
an eine der Phasen 2', 2" oder 2"' der Stromzuführung 2, d.h. an eine der Sekundärwicklungen
16 des Transformators 1 angeschlossen. Von einer Seite sind die Elemente 18, 19
jeder der Ventilgruppen 17', 17" und 17"' mit ihren Primäranschlüssen jeweils an
die erste 2', zweite 2" und dritte 2"' Phase der Stromzuführung 2 vom Transformator
1 gelegt.
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Die Sekundäranschlüsse 20 der Elemente 18,19 sind in jeder Gruppe
17',17" und 17"' an Anschlußschienen 21 angeschlossen.
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Die Anschlußschienen 21 der zu einem Paar gehörenden Ventil gruppen
17', 17" und 17"' sind gegeneinander isoliert und an die gleiche entsprechende Elektrode
3 über den beispielsweise in Form von Nebenschlußwiderständen 22 ausgeführten elektrischen
Geber 7 angeschlossen. Ein Teil der Stromzuführung
2 ist seitens
der Elektroden 3 aus parallel geschalteen, beispielsweise geschichteten, und an
die Anschlußschienen 21 der benachbarten, zu verschiedenen Paaren gehörenden Ventilgruppen
17' und 17", 17" und 17"', 17"' und 17' gelegten (bifilaren) Leitern ausgeführt.
Eine derartige Anordnung der Leiter der Stromzuführung 2 sichert eine Kompensation
des Magnetfeldes auf diesem Abschnitt der Stromzuführung, wodurch eine Verringerung
der Blindleistung im Sekundär- und Primärnetz des Wandlers 6 und folglich eine Vergrößerung
des Leistungsfaktors hervorgerufen werden.
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Die Steuereinrichtung 14 ist für eine wechselweise Öffnung und Sperrung
der Ventile 18 und 19 mit einer regelbaren Pause zwischen der Sperrung und Öffnung
vorgesehen. Die nach Fig. 2 ausgeführte Einrichtung gestattet die Erzeugung eines
Drehstroms einer erniedrigten Frequenz von 0,05 bis 30 Hz mit einer rechteckigen
Form der Ausgangsspannung, was keine Vererrungen in der Netzspannung zur Folge hat.
Die in Fig. 2 widergegebene Einrichtung hat einen erhöhten Leistungsfaktor (cos
) gegenüber einem durch einen Strom mit Netzfrequenz gespeisten Lichtbogenofen.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltung des Wandlers
6. Hier ist der Wandler 6 wie auch in Fig. 2 als Schaltung zur unmittelbaren Frequenzwandlung
ausgeführt und schließt Paare gleichtypiger Ventilgruppen 17', 17", 17"' ein, deren
jede je drei Zweige antiparallel geschalteter
Ventile 18 und 19
enthält. In jeder der Ventilgruppen 17', 17", 17"' ist jeder der Zweige der Ventile
18, 19 mit seinem Primäranschluß an eine der Phasen 2', 2", 2"' der Stromzuführung
2 seitens des Transformators 1 geschaltet. Die Sekundäranschlüsse 20 sämtlicher
zu einer Gruppe 17' oder 17" oder 17"' gehörender Zweige sind an eine entsprechende
Anschlußschiene 21 geschaltet. In jedem Paar sind die Ventilgruppen 17', 17", 17"'
elektrisch miteinander und mit der entsprechenden Elektrode 3 verbunden.
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In Fig. 4 ist eine konstruktive Ausführung eines Paares der Ventilgruppen,
beispielsweise der Ventilgruppen 17' des ersten Paares, dargestellt. Es ist ersichtlich,
daß die Zweige der Ventile 18,19 jeder Ventilgruppe 17' mit ihren Sekundäranschlüssen
20 an die Anschlußschiene 21 angelegt sind. Die Anschlußschienen 21 der zu einem
Paar gehörenden Ventilgruppen 17' liegen einander gegenüber und parallel zueinander
zur Sicherung einer Bifilarität. Die mit ihren Primäranschlüssen an die erste 2'
(Fig. 3), zweite 2" und dritte Phase 2"' der Stromzuführung 2 geschalteten Zweige
der Ventilgruppe 17' seien hier und im folgenden jeweils ein Zweig der ersten, zweiten
und dritten Phase genannt. Indem dann auf Fig. 4 Bezug genommen wird, wird näher
auf die gegenseitige Anordnung der zu einer Phase gehörenden Zweige der Ventilgruppen
17' eingegangen. Der Zweig der ersten Phase der einen Ventilgruppe 17' ist gleichachsig
mit dem Zweig der dritten Phase der anderen Ventilgruppen 17' angeordnet. Genauso
ist der Zweig der
dritten Phase 2" der einen Ventilgruppe 17 gleichachsig
mit dem Zweig der ersten Phase 2' der anderen Ventilgruppe 17' und die Zweige der
zweiten Phase 2" der beiden Ventilgruppen 17' sind gleichachsig zueinander angeordnet.
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In ähnlicher Weise sind auch die Ventile 18, 19 und die Anschlußschienen
21 in den restlichen Paaren der Ventilgruppen 17" und 17"' (Fig. 3) angeordnet.
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In Fig. 5 sind Verläufe der Momentanwerte der Ströme i (Fig. 5a, 5b,
5c,5d,5e, 5f) in den Ventilgruppen 17', 17", 17"', der Ströme i (Fig. 5g, 5h und
5j) über die Elektroden 3 und des Netzstroms i (Fig. 5k) für eine Periode T der
Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt.
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Das Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut geht in einem Lichtbogenelektroofen
wie folgt vor sich.
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In das Bad 4 des Lichtbogenofens 5 der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung
wird unablässig ein Beschickungsgut 8 eingesetzt, das sich aus Oxiden von Metallen
und Nichtmetallen (Erzen), einem Reduktionsmittel und Flußmitteln zusammensetzt.
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Über den Transformator 1 und die Stromzuführung 2 wird in den Eingang
des Wandlers 6 ein Strom mit Netzfrequenz geleitet.
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Vom Ausgang des Wandlers 6 wird den Elektroden 3 ein umgerichteter
Strom niedrigerer Frequenz zugeführt, deren Wert aus einem Bereich von 0,05 bis
30 Hz gewählaist. Dieser umgerichtete Strom fließt über das Beschickungsgut 8 und
den brennenden verdeckten wärmeisolierten Lichtbogen 9. Die Steuerung des
Frequenzwandlers
6 übernimmt die Steuereinheit 14 (worauf im folgenden näher eingegangen werden soll).
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Die Erzeugung einer Stromwärme im Beschickungsgut 8 und die Ausstrahlung
der Lichtbögen 9 bewirken eine Erhitzung des Beschickungsgutes 8 und die Bildung
von Zonen mit hoher TeXmperatur von 2000 bis 4000C in der Lichtbogenzone. Bei diesen
Temperaturen verdampfen die Erzoxide und laufen die Reduktionsreaktionen für die
Oxide im gasförmigen Zustand ab. Die sich im Ergebnis der Durchführung der Redoxreaktionen
entwickelnden, in den meisten Fällen hauptsächlich aus Kohlenoxid zusammensetzenden
Ofengase passieren die höher liegenden Schichten des Beschickungsgutes 8 und erhitzen
sie gleichfalls.
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Hierbei wird das Beschickungsgut 8 in dem Maße, wie es nach unten
kommt, allmählich erhitzt, erweicht und geht in einen flüssigen Zustand über, d.h.
es schmilzt auf. Die wichtigsten Reduktionsreaktionen verlaufen in der Flüssigkeitsphase
und die reduzierte Metall- und Nichtmetallschmelze 10 fließt in die Schmelzzone
10 ab.
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In dem Maße der Ansammlung der Schmelze 10 wird sie aus dem Schmelzbad
4 über das Abstichloch 11 entfernt.
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Im Bad 4 des Lichtbogenofens 5 ändert sich der elektrische Wirkwiderstand
in der Zone jeder Elektrode 3 unablässig wegen eines kontinuierlichen Charakters
des Vorganges, wobei sich die Stromstärke an den Elektroden 3 gegenüber den Vorgabewerten
ändert, was durch den elektrischen Geber 7 registriert wird. Die Signale vom Ausgang
des elektrischen Gebers 7 gelangen in die Einheit 14, die den Zündwinkel der Ventile
18, 19
des Wandlers 6 ändert. Die Änderung des Zündwinkels der
Ventile 18 und 19 veranlaßt eine Änderung der Spannung und des den Elektroden 3
zugeführten Stroms, wodurch eine Leistungsregelung der Einrichtung erreicht wird.
Hierbei bedarf es keiner Verstellung der Elektroden 3, was eine stabilere Verteilung
der Wärmeenergie über das Bad 4 (Fig. 1) des Lichtbogenelektroofens 5 und eine stabilere
Lage von Reaktionszonen zur Folge hat, wodurch eine schnellere und vollständigere
Reduktion der Erzelemente erreicht und der gesamte Wirkungsgrad des Lichtbogenofens
5 erhöht wird.
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Falls die Abweichung des Stroms 10% übersteigt, gibt die Leistungsregeleinheit
12 (Fig. 1) ein Ausgangssignal an die Bewegungsvorrichtung 13 für die Elektroden
3 ab, wodurch eine Niveauregelung der Elektroden 6 zur Wiederherstellung des Vorgabewertes
des Stroms wie auch in den bekannten Einrichtungen bewirkt wird. Falls die Verstellung
der Elektroden 3 es nicht gestattet, einen vorgegebenen Leistungswert zu erzielen,
wird eine Änderung des Wertes der den Elektroden 3 zugeführten Spannung durch Umschaltung
der Spannungsstufen des Transformators 1 vorgenommen.
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Die Frequenzänderung der Spannung und des Stroms, die den Elektroden
6 zugeführt werden, erfolgt entweder diskret im Verlauf des Prozesses, oder es wird
bei einer für den gegebenen Prozeß optimalen, aus einem Bereich von 0,05 bis 30
Hz gewählten Frequenz gearbeitet. Die Frequenzänderung des Stroms bewirkt eine Umverteilung
der im Bad 4 infolge einer Änderung
der Wirk- und Blindwiderstände
der Stromkreise im Bad 4 umgesetzten Leistung, wobei der Anteil der im Lichtbogen
9 entwickelten Wärme mit der Frequenzerniedrigung des Stroms zunimmt. Die Frequenzerniedrigung
des Stroms führt auch zur Vergrößerung des Leistungsfaktors (cos)f') des Lichtbogenelektroofens
5 und des elektrischen Wirkungsgrades der Einrichtung, was seinerseits zur Erhöhung
des Wertes der Spannung am Lichtbogen 9 führt.
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Zur Erzielung einer Frequenzänderung des Stroms mit hohen technischen
Parametern (Leistungsfaktor, Leistungsausnutzungsfaktor, kleiner Anteil von Unterschwingungen
u.a.) im Schmelzverlauf wird die Frequenzänderung des Stroms im Bereich von 0,05
bis 30 Hz mit Hilfe eines Frequenzwandlers 6 vorgenommen, der durch die Steuereinheit
14 gesteuert wird, welche eine Öffnung und Sperrung der Ventile 18 und 19 (Fig.
2) mit einer regelbaren Pause zwischen der Sperrung und der Öffnung bewirkt. Bei
der Ausnutzung des in Fig. 2 dargestellten Wandlers 6 schaltet beispielsweise das
vom Ausgang der Einheit 14 eintreffende Signal zuerst die Ventile 18 in einer ersten
Richtung für eine bestimmte Zeit durch, dann werden die Ventile 18 nach Abklingen
des Signals gesperrt. Nach einer regelbaren Pause LS. (Fig. 5) öffnen die vom Ausgang
der Einheit 14 (Fig. 2) kommenden Signale die Ventile 19 in der zweiten Richtung.
Hierbei ändert sich selbstverständlich die Richtung des über die Ventilgruppen 17',17",17"'
fließenden Stroms, während die Dauer der tegelbaren Pause A (Fig. 5) zwischen der
Sperrung der Ventile 18 (Fig. 2) und der Öffnung der Ventile 19 1/6 der Periode
T (Fig.5)
der Ausgangsspannung beträgt.
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Es sei die Funktion des Wandlers 6 (Fig. 2) mit Hilfe von in Fig.
5 dargestellten Verläufen geschildert. Zum Zeitpunkt t 0 (Fig. 5a) schalten die
Ventile 18 (Fig. 2) mit der ersten Durchlaßrichtung der Gruppe 17' und die Ventile
19 umgekehrter Durchlaßrichtung der Gruppe 17" (s.d. Verlauf 5b) durch. Nach Ablauf
der Zeit T/3 sperren diese Ventile 18, 19 (Fig. 2) zum Zeitpunkt t1 und verbleiben
in einem solchen Zustand während der 1 T glei-6 sich chen Pause t (Fig. 5). Zum
Zeitpunkt t2 öffnen#die Ventile 19 (Fig. 2) der Ventilgruppe 17' und die Ventile
18 der Ventilgruppe 17" (s. den Verlauf 5a bzw. 5b).
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Zum Zeitpunkt t3 sperren diese Ventile 18, 19 (Fig. 2) nach Ablauf
von 1/3T, wobei sie in einem solchen Zustand während der Pause # verbleiben. Dann
wiederholt sich der Vorgang in diesen Ventilgruppen 17',17". Die Öffnung und Sperrung
der Ventile 18 und 19 in den restlichen Ventilgruppen 17" und 17"' (Verläufe 5c,
5d), 17"' und 17' (Verläufe 5e, 5f) erfolgen mit einer Verschiebung um 1/3 und #
der Periode T in Bezug auf die oben beschriebenen Operationen. Infolgedessen fließen
in den eine bifilare Konstruktion bildenden Leitern der Stromzuführung 2 (Fig. 2)
zu den Elektroden 3 gleiche und entgegengesetzt gerichtete Ströme, was zu einer
Kompensation ihres Magnetfeldes führt. In den Verläufen 5g, 5h, 5j sind über die
Elektroden 3 fl##ßende Ströme ig, ih, ij aufgezeigt, die eine Summe der in den jeweiligen
Verläufen 5a und 5f, 5 b und 5c, 5d und 5e wiedergegebenen Ströme darstellen. Der
in Fig. 5k
dargestellte Netzstrom ik weist keine durch eine stromlose Pause
bedingten niederfrequenten Pulsationen auf, was es gestattet, den Anteil der Unterschwingungen
in der Speisespannung zu reduzieren und den Leistungsfaktor des Wandlers 6 zu erhöhen.
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Es wird nun auf die Arbeit des in Fig. 3,4 dargestellten Wandtiers
6 eingegangen. In Fiq. 3 sind durch Pfeile B1, A1, C1, B1, A1C1 und B2A2, C2B2,
A2C2 Flußrichtungen der Schaltströe bei der Umschaltung der Zweige der ersten, zweiten
und dritten Phase, beispielsweise der Gruppen 17', angedeutet. Es ist ersichtlich,
daß die Flußrichtungen der Schaltströme in der vorliegenden Schaltung entgegengesetzt
sind, was eine Kompensation ihres Magnetfeldes bei einer bifilaren Anordnung der
Anschlußschienen 21 dieser Gruppen 17' sichert. Das Letztere bewirkt eine Verringerung
des Zündwinkels der Ventile 18,19 und eine Vergrößerung des Leistungsfaktors des
Wandlers 6.
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Für jeden der im Lichtbogenelektroofen 5 (Fig. 1) verlaufenden technologischen
Prozesse sind eigene Gesetzmäßigkeiten der Änderung des elektrischen Widerstandes
des Beschickungsgutes 9 und des Stromverbrauches zur Durchführung der Redoxreaktion
kennzeichnend. Im Zusammenhang damit wird es möglich, bei einem Strom mit einer
von 0,05 bis 30 Hz variierenden Frequenz oder auf einer der Frequenzen innerhalb
dieses Bereiches zu arbeiten.
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Beim Erschmelzen eines hochprozentigen Ferrosiliziums werden beispielsweise
die besten Resultate bei der Entwicklung von 60 bis 90% der zum Bad 4 des Lichtbogens
5 in Abhängigkeit vom
Siliziumgehalt in der Legierung zugeführten
Energie im Lichtbogen 9 erzielt. Bei der Erschmelzung eines beispielsweise 75prozentigen
Ferrosiliziums gestattet daher der Übergang zur Arbeit mit einer Frequenz von 5
Hz, den Anteil der im Lichtbogen 9 erzeugten Energie um 15 bis 20% zu erhöhen und
dadurch hohe technisch-ökonomische Kennziffern beim Schmelzen in dem gleichen Bad
4 wie auch bei der Erschmelzung eines 45prozentigen Ferrosiliziums zu gewährleisten.
Bei einem Legierungswechsel bedarf es keiner Anwendung verschiedener Öfen. So ist
bei der Erschmelzung des 45prozentigen Ferrosiliziums die Arbeit bei einem Strom
mit einer Frequenz von 12 bis 45 Hz im gleichen Bad 4 des Lichtbogenelektroofens
5 erforderlich.
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Die Frequenzerniedrigung führt also einerseits zu einer Erhöhung der
Nutzspannung an den Elektroden 3 und fördert andererseits eine Umverteilung der
Leistung im Bad 4 und eine Verringerung des Anteiles des über das Beschickungsgut
8 fließenden Stroms, was es gestattet, bei einer erhöhten Nutz-Phasenspannung zu
arbeiten, ohne den Schmelzverlauf zu stören. Das Letztere führt seinerseits zu einer
Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades des LichLbogenelektroofens 5 und zu einer
Steigerung seiner Leistung.
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So werden bei der Realisierung des angemeldeten Verfahrens und der
angemeldeten Einrichtung zur Erschmelzung eines 75prozentigen Ferrosiliziums in
einem offenen elektrischen Schmelzofen für Ferrolegierungen mit einer Leistung von
16,5 MVA bei einem Strom mit einer Frequenz von 5 Hz eine Erhöhung des
Leistungsfaktors
der Anlage von 0,82 auf 0,92, des elektrischen Wirkungsgrades von 0,897 auf 0,914,
des Durchsatzes um 15% und eine Verringerung des spezifischen Stromverbrauches um
2% erreicht.
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Die vorstehend aufgezählten Umstände erlauben es, die Parameter der
bestehenden Lichtbogenelektroöfen 5 zu verbessern und neue Aggregate großer Einzelleistung
mit hohen technischökonomischen Kennziffern zu schaffen.
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Das vorliegende Schmelzverfahren gestattet es, eine Frequenzänderung
von Strom und Spannung in jeder Stufe des Schmelzverlaufes zu verwirklichen und
dadurch einen Betrieb des Lichtbogenofens 5 bei unbeweglichen (feststehenden) Elektroden
3 zu gewährleisten. Hierbei werden das Wärmefeld des Bades 4 und die Zonenlage des
Beschickungsgutes 8, des Lichtbogens 9 und der Schmelze 10 stabil sein, was es erlaubt,
höhere technischökonomische Kennziffern (spezifischer Stromverbrauch, Leistung u.a.)
des Vorganges durch eine bessere Ausnutzung der Leistung und der Kalenderzeit zu
gewährleisten.
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Darüber hinaus gestattet die Realisierung des oben genannten Verfahrens,
die Energieverluste in den Stahlkonstruktionen des Lichtbogenofens 5 und der Produktionsabteilung
wegen der unter der Wirkung des Elektromagnetfeldes entstehenden Influenzströme
geringer zu halten. Dabei verringert sich die Erhitzung dieser Stahlkonstruktionen,
wodurch deren Festigkeitsverminderung ausgeschlossen und a£so die Verwendung einer
größeren Auswahl
von Magnetwerkstoffen in der Konstruktion des
Lichtbogenschmelzofens 5 und der Produktionsabteilung ermöglicht werden.
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Das Schmelzverfahren auf einer erniedrigten Frequenz gestattes es
auch, die Wirkung des Oberflächen- und Naheffektes zu mindern, weshalb eine geringere
Kupfermenge für die Stromzuführung 2 und für den Transformator 1 gefordert wird,
weil der Kupferquerschnitt zum Stromdurchgang besser ausgenutzt wird.
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Die Ausnutzung des vorliegenden Schmelzverfahrens für ein Beschickungsgut
in einem Lichtbogenofen 5 mit einer Leistung von 24 MVA gestattet es beispielsweise,
bei einer Stromfrequenz von 10 Hz den Leistungsfaktor um 1 bis 1,5% und den Durchsatz
des Lichtbogenofens 5 um 12 bis 14% zu erhöhen.
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Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut in einem Lichtboqenofen und
Binrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft das Gebiet der
Elektrometallurgie und bezieht sich insbesondere auf Schmelzverfahren für ein Beschickungsgut
in einem Lichtbogenofen und auf Einrichtungen für eine Realisierung dieses Verfahrens.
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Die Einrichtung zur Durchführung des vorliegenden Schmelzvcrfahrens
enthält einen Transformator (1), der über eine Stromzuführung (2) an einen Frequenzwandler
(6) angeschlossen ist, der einen Strom mit Netzfrequenz in einen Wechselstrom umrichtet,
dessen Frequenz in einem Bereich von 0,05 bis 30 Hz liegt.
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Der Frequenzwandler (6) ist über die Stromzuführung (2) mit Elektroden
(3) des Lichtbogenofens (5) für die Zuführung des umgerichteten Stroms zu den Elektroden
(3) verbunden. Die Elektroden (3) sind in einem Bad (4) des Lichtbogenelektroofens
(5) angeordnet, in das das Beschickungsgut (8) eingebracht und dort geschmolzen
wird, wobei die Erschmelzung von Redoxreaktionen begleitet wird, worauf eine Schmelze
(10) und aus dem Bad (4) des Lichtbogenschmelzofens (5) über ein Abstichloch (11)
zu entfernende Schlacken erhalten werden. Die Einrichtung schließt auch eine an
die Stromzuführung (2) und an Ventile (18,19) des Wandlers (6) zu einer wechselweisen
öffnung und Sperrung dieser Ventile (18,19) mit einer regelbaren Pause (all) zwischen
der Sperrung und Öffnung angeschlossene Steuereinheit (14) für den Frequenzwandler
(6) ein. Die Einrichtung weist auch eine Leistungsregeleinheit (12) des
Lichtbogenofens
(5) auf, deren Eingänge an die Stromzuführung (2) seitens der Elektroden (3) angeschlossen
sind und die eine Bewegung der Elektroden (3) durch eine Bewequngsvorrichtung (13)
für die Elektroden (3) verwirklicht.
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Die Erfindung kann in der Eisenhütten- und der Buntmetallindustrie,
in der chemischen Industrie und bei der Produktion von Feuerfeststoffen angewendet
werden.
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Fig. 1.
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