DE3149175C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art, das zur Durch­ führung einer kontinuierlichen Überwachung des Zustandes der Schmelze in Lichtbogenöfen sowie zur Korrektur des Schmelz­ prozesses gemäß den Meßergebnissen der zu überwachenden Parameter verwendet werden kann.

Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Schmelzkontrol­ le und zur Überwachung des Lichtbogenschmelzens, bei denen ein zu kontrollierender Parameter, der mit der Nichtline­ arität des Lichtbogens verbunden ist, ausgewählt und mit den aus der Analyse der vorangegangenen Schmelzen gewonnenen Bezugswerte verglichen wird.

Bekannt ist beispielsweise ein Verfahren zur Schmelzkontrolle nach den höheren Harmonischen des Licht­ bogenstroms (US-Urheberschein 3 58 796.) Das Wesen dieses Verfahrens zur Überwachung des Lichtbogenschmelzens nach den höheren Harmonischen besteht darin, daß aus einem Signal, das den Augenblickswerten des Lichtbogenstroms proportional ist, harmonische Komponenten getrennt wer­ den, die infolge der Nichtlinearität des Lichtbogens ent­ stehen, wonach, indem man die Verhältnisse der Amplitu­ denwerte der getrennten Komponenten und der Amplitude der ersten Harmonischen (der Grundharmonischen) mit den aus der Analyse der vorangegangenen Schmelzen gewonnenen Bezugswerten vergleicht, der tatsächliche Zustand der Schmelze bestimmt wird.

Diese bekannten vorstehend beschriebenen Verfahren zur Schmelzkontrolle nach den indirekten Parametern ge­ statten es, den Zustand des Lichtbogenschmelzens mit aus­ reichend hoher Genauigkeit nur bei einer recht langen (mehrere Minuten beanspruchenden) Mittelungszeit des Kon­ trollparameters zu überwachen, und sind vorzugsweise im Stadium des Einsatzeinschmelzens anwendbar. Das Verfah­ ren zur Überwachung der Schmelze, das auf der harmoni­ schen Stromanalyse beruht, erlaubt es wegen der Kopplung aller drei Ströme der Lichtbögen eines Lichtbogenofens nicht, Bedingungen, die während des Schmelzvorgangs in der Zone eines konkreten Lichtbogens entstanden sind, zu vereinzeln.

Schließlich ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Spannung eines Lichtbogens bekannt ("Elek­ trowärme", Bd. 20 [1962], Nr. 1, S. 18-26), womit es möglich ist, die Spannung am Wirkwiderstand des Stromkreises durch die Vornahme von Korrekturen der Induktivität der Licht­ bogenstromkreise und ihrer gegenseitigen Induktion mit Hilfe eines linearen analogen Stromkreises mit von Hand eingestellten Korrekturkoeffizienten zu messen. Jedoch ist eine auf diese Weise durchgeführte Messung der Spannung des Lichtbogens nicht genügend präzise, um den vorgeschla­ genen Kontollparameter zu bestimmen, da die durch zufällige Änderungen der Induktionskennwerte der Lichtbogenstrom­ kreise einschließlich gegenseitiger Induktion hervorgerufe­ nen Meßfehler gerade an den Abschnitten, an denen die Licht­ bogen gezündet werden, maximal hoch sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, das es er­ möglicht, den Zustand des Lichtbogenschmelzens in den Zonen eines jeden der Lichtbögen eines Lichtbogenofens genau und operativ zu überwachen, und keine längere Zeit zur Mittelung des Kontrollparameters beansprucht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß der Wirkwiderstand einen Parameter darstellt, der es erlaubt, den Charakter der Nichtlinearität der Span­ nungs-Strom-Charakteristik des Lichtbogens unmittelbar zu bestimmen, und gerade auf diese Nichtlinearität, be­ sonders während des Zeitabschnitts der Lichtbogenzündung, üben die technologischen Parameter des Lichtbogenschmelzens einen entscheidenden Einfluß aus.

Im weiteren wird die Erfindung anhand der Beschrei­ bung eines konkreten Ausführungsbeispiels und der Zeich­ nung näher erläutert; darin zeigt:

Fig. 1a-g typische Diagramme der Abhängig­ keit des Lichtbogenstroms von der Spannung am Lichtbogen und der Ab­ hängigkeit des Lichtbogenwiderstand­ des (Momentanwerte) vom Momen­ tanwert des Lichtbogenstroms, die bei den Untersuchungen gewonnen wor­ den und zur Erläuterung des vorlie­ genden Verfahrens angeführt sind; und

Fig. 2 ein Blockschema einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Messen der Induktivität des Lichtbogenkreises im Dreiphasenstromkreis ohne Nulleiter (im Lichtbogen­ ofen) muß außer der Selbstinduktions-EMK L die EMK berücksichtigt werden, die im Stromkreis des jeweiligen Lichtbogens von sich ändernden Strömen der zwei anderen Lichtbögen induziert wird. In der Nähe des Stromnull­ durchgangs im zu überwachenden Lichtbogen brennen zwei andere Lichtbögen bei stationären hohen Strömen, und das Addieren von geringn Strömen des dritten, auf dem Zündungsabschnitt zu überwachenden Lichtbogens bringt keinerlei merkliche Veränderung sowohl dieser Ströme als auch ihrer Änderungsgeschwindigkeiten. Aufgrund der mathematischen Analyse und der nachfolgenden ex­ perimentellen Prüfung wurde ermittelt, daß die zusätz­ liche EMK, die von sich ändernden Strömen der zwei an­ deren Lichtbögen im Stromkreis des zu überwachenden Lichtbogens erzeugt wird, auf dem Zündungsabschnitt des Lichtbogens praktisch konstant ist. Also kann die Spannung U _R am Lichtbogen auf dem Zündungsabschnitt durch folgende Formel beschrieben werden:

worin bedeuten:

V= Spannung im gesamten Stromkreis mit komplexer Belastung;L= Induktivität des Lichtbogenkreises;i= Strom im Kreis;V₀= EMK, die von den Strömen der anderen Licht­ bögen im zu überwachenden Lichtbogenkreis induziert wird.

Da V ₀ « V ist, kann sie in der ersten Näherung vernachlässigt werden. Die Güte der Schmelzkontrolle wird dadurch praktisch nicht beeinflußt. Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Messen von Momentanwerten der Spannung auf dem Zündungsabschnitt des Lichtbogens ist für einen beliebigen der Lichtbögen anwendbar, wo­ bei bei einem jeden Lichtbogen die gemessenen Werte durch konkrete Bedingungen in der Zone dieses Lichtbo­ gens bestimmt werden.

In Fig. 1 sind für verschiedene Schmelzzustände typische Abhängigkeiten zwischen der Lichtbogenspannung und dem Lichtbogenstrom (Kurven 1, 2, 3 und 4) sowie ihnen entsprechende Abhängigkeiten der Momentanwer­ te des Wirkwiderstandes von den Lichtbogenströmen (Kur­ ven 5, 6, 7) angeführt. Die Kurven 1 und 5 entsprechen dem Brennen des Lichtbogens unter Verwendung eines fe­ sten Einsatzes. Langsam gehen sie in die Kurven 2 und 6 über, die beim Einschmelzen des Einsatzes auftreten. Nach Zugabe von schlackenbildenden Mitteln sind die Kurven 3 und 7 am charakteristischsten, und dem Kurz­ schluß entspricht die Gerade 4. Diese Kurven zeigen anschaulich, daß der Wirkwiderstand des Lichtbogens auf dem Zündungsabschnitt den Schmelzgang im größten Maße wiedergibt, während der Wirkwiderstand bei maxima­ lem Strom mit den Besonderheiten des Schmelzvorgangs praktisch nicht verbunden ist, was seine Ausnutzung zur Aufhebung der Abhängigkeit der Meßergebnisse der Momen­ tanwerte des Widerstandes auf dem Zündungsabschnitt von der Lichtbogenlänge ermöglicht.

Zu einem besseren Verständnis des Verfahrens seien eines der Blockschemata und die Funktionsweise desselben betrachtet. Das in Fig. 2 dargestellte Blockschema einer Einrichtung zum Messen des Momentanwertes des Wirk­ widerstandes des Lichtbogens eines Lichtbogenofens 8 ist zum Messen auf dem Zündungsabschnitt des Lichtbogens von der Phase B und bei maximalem Strom des Lichtbogens die­ ser Phase nach den gleichzeitig gemessenen Momentan­ werten von Strom und Lichtbogenspannung unter Berück­ sichtigung der Korrektur für die Induktivität des Licht­ bogenkreises (gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren) bestimmt. Diese Einrichtung enthält einen Stromgeber 9, beispielsweise einen Verstärker, mit einem Null nahen Eingangswiderstand, der an einen Stromwandler 10 ange­ schlossen ist, einen steuerbaren Verstärker 11, der das Signal der Änderungsgeschwindigkeit des Lichtbogen­ stromes korrigiert, das von einem Induktionsgürtel 12 (Rogowski-Gürtel) abgegriffen wird, und einen Phasen­ spannungsgeber 13, als welcher ein ohmscher Spannungs­ teiler verwendet werden kann. Die Ausgänge der Geber sind an die Eingänge einer Subtraktionseinheit 15 an­ geschlossen, deren Ausgänge an die Eingänge einer Ana­ log-Speichereinheit 16 angeschlossen sind. Der Stromge­ ber 9 ist außerdem an den Eingang der Steuerschaltung für die Analog-Speichereinheit 16 über eine Vorspannungs­ einheit 17 angeschlossen. Die Ausgänge der Analog-Spei­ chereinheiten 14 und 16 sind mit den Eingängen von teilen­ den Wandlern 18 und 19 verbunden. Die Analog-Speicherein­ heit 14 bzw. 16 kann beispielsweise auf der Basis eines Operationsverstärkers mit hohem Eingangswiderstand ausge­ führt sein, an dessen Eingang ein Speicherkondensator an­ geordnet ist, der an die Eingangssignalquelle für die Zeitdauer angeschlossen wird (in diesem Fall beträgt die­ se Zeitspanne 0,5 × 10^-6 s), während der das Eingangs­ signal sich nicht verändern kann. Die Steuerung des An­ schlusses geschieht mittels eines Nullorgans, das einen Impuls mit der vorerwähnten Zeitdauer bei Nulldurchgang des Signals am Steuereingang erzeugt. Die Vorspannungsein­ heit 17 stellt beispielsweise einen Summierverstärker dar, dessen einem Eingang eine regelbare Vorspannung, deren Größe 0,1 bis 5% des maximalen Momentanwertes des von der Analog-Speichereinheit 14 der Analog-Speicher­ einrichtung abgegriffenen Stroms entspricht, und des­ sen anderem Eingang ein Signal vom Stromgeber 9 für Momentanwerte des Stromes zugeführt werden.

Zur Einführung einer Korrektur für die Induktivi­ tätsänderung ist eine Einheit 20 zur Induktivitätskorrek­ tur vorgesehen, deren Eingänge an die jeweiligen Strom- und Phasenspannungsgeber 9 und 13 sowie an den Ausgang des Verstärkers 11 für das Korrektursignal angeschlos­ sen sind.

Die teilenden Wandler 18 und 19 sind beispiels­ weise nach dem Schema "Pulsbreitenmodulator" ausgeführt, und bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz von Elektonenrechnern kann die Teilungs­ operation der Maschine übertragen werden.

Es sei nun die Funktion der Einrichtung erläutert, aus der auch das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens besser verständlich wird. Während des Nulldurch­ gangs des Signals der Stromänderungsgeschwindigkeit (bei maximalem Momentanwert des Stromes) fixiert die Analog- Speichereinheit 14 gleichzeitig sowohl den Momentan­ wert des Stromes als auch die Spannung in diesem Augen­ blick. Die dem Momentanwert des Stromes proportiona­ len Signale gelangen außerdem in die Vorspannungseinheit 17, die die Lage des Meßpunktes des Wirkwiderstandes des Lichtbogens auf dem Zündungsabschnitt vorgibt.

Die Signale der Momentanwerte von Spannung und Stromänderungsgeschwindigkeit gelangen in die Subtrak­ tionseinheit 15, wo durch Subtraktion der einen Selbst­ induktionsgröße von der anderen das Signal der Licht­ bogenspannung erzeugt wird. Dieses Signal wird zusam­ men mit dem Stromsignal der Analog-Speichereinheit 16 zugeleitet, die den Strom- und Spannungswert im Augen­ blick des Stromdurchgangs durch eine in Prozenten vom maximalen Stromwert festgelegte Größe, die von der Vor­ spannungseinheit 17 vorgegeben wird, fixiert. Die Strom- und Spannungssignale in einem Punkt des Zündungsabschnit­ tes werden aus der Analog-Speichereinheit 16 in den tei­ lenden Wandler 19 übertragen, dessen Ausgangssignal dem Momentanwert des Wirkwiderstandes des Lichtbogens im Zündungspunkt proportional ist.

Die Korrektur der Induktivität erfolgt auf folgen­ de Weise. Die Einheit 20 zur Einführung der Korrektur, der steuerbare Verstärker 11 und der Phasenspannungsge­ ber 13 bilden ein geschlossenes Überwachungssystem (für eine Zeitspanne von 10^-6 s), bei dem die Differenz des Phasenspannungssignals und des Ausgangssignals des Ver­ stärkers 11 als Regelabweichungssignal auftritt. Dank einer großen Verstärkung des Überwachungssystems strebt das Abweichungssignal nach Null, und somit wird ein Ver­ stärkungsfaktorwert des Verstärkers 11 automatisch ein­ gestellt, der dem laufenden Induktivitätswert entspricht.

Also besteht der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber anderen bekannten Verfahren darin, daß zur Kontrolle des Schmelzvorgangs die Parameter be­ nutzt werden, die die Nichtlinearität des Lichtbogenwi­ derstandes unmittelbar charakterisieren, und nicht die sekundären Parameter, beispielsweise die Stromharmoni­ schen, die durch diese Nichtlinearität bedingt und so­ gar mitunter nicht eindeutig mit ihr verbunden sind. Die vorliegende Erfindung wird am zweckmäßigsten in den Systemen der automatisierten Kontrolle zwecks Vervoll­ kommnung des Schmelzprozesses und Steuerung dieses Pro­ zesses verwendet.

Die Anwendung der vorliegenden Erfindung gestattet es, einen optimalen Energiezustand unter Berücksichti­ gung konkreter Schmelzbedingungen in der Zone eines je­ den Lichtbogens zu bestimmen und aufrechtzuerhalten, was es ermöglicht, die Schmelzdauer um 10-15% zu ver­ kürzen, den spezifischen Stromverbrauch zu senken, den Verschleiß des Ofenfutters zu vermindern sowie die Zu­ sammensetzung und die Einführungszeit von schlackenbil­ denden Mitteln zu optimieren und schließlich Schadens­ fälle zu vermeiden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Überwachung des Zustandes des Lichtbogenschmelzens in einem mit Wechselstrom gespeisten Ofen, bei dem Kontrollparameter bestimmt werden, die von der Nichtlinearität des Lichtbogens abhängen und für verschiedenartige Zustände der Lichtbogenschmelze unterschiedlich sind, und bei dem diese Parameter mit Basiswerten, die aufgrund von Analysen vorhergehender Schmelzen erhalten wurden, verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Kontrollparameter nur Momentanwerte des Wirkwider­ standes des Lichtbogens selbst genutzt werden, daß diese Werte mindestens für zwei Zeitpunkte einer Periode des Wechselstroms bestimmt werden, von denen der erste Zeitpunkt im Zeitabschnitt der Lichtbogenzündung liegt und der zweite Zeitpunkt dem maximalen Momentanwert des Stromes entspricht, und daß die beiden erhaltenen Werte miteinander zu einem Kontrollparameter verknüpft werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestimmungszeitpunkt des Momentanwertes des Wirkwiderstandes während des Zeitabschnitts der Lichtbogenzündung im Bereich von 0,1-5% des maximalen Momentanwertes des Stromes gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Momentanwert des Lichtbogenwirkwiderstandes durch gleichzeitiges Messen der Momentanstrom- und -spannungswerte bestimmt wird, zusätzlich die Induktivität des Lichtbogenkreises am Anfang einer jeden Strom­ periode beim Durchgang durch Null gemessen wird und unter Berücksichtigung dieses Wertes die Höhe der gemessenen Licht­ bogenspannung im Zündungszeitabschnitt im Augenblick nach dem Messungszeitpunkt der Induktivität korrigiert wird, wobei die Induktivität des Lichtbogenkreises aus der Division des beim Stromnulldurchgang gemessenen Momentanwertes der Spannung im Licht­ bogenkreis durch die Stromänderungsgeschwindigkeit in diesem Kreis bestimmt wird.