DE3242934C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung eines Lichtbogenofens durch Höhenverstellung der Elek­ trode mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmalen.

Bei der Elektrodenregelung nach dem Stand der Technik wird der Lichtbogenstrom, der entsprechend den jeweiligen Betriebsanforderungen manuell oder von einer Automatik eingestellt wird, möglichst genau eingehalten. Die in einer Vergleichsstufe aus dem Sollwert und Istwert des Lichtbogenstroms ermittelte Regelgröße steuert ein Servo­ ventil an, das den Druckraum des hydraulischen Zylinders mit einer Druckmittelquelle bzw. dem Tank verbindet, wodurch die Elektrode gehoben und gesenkt wird, um den Licht­ bogenstrom konstant zu halten.

Der Lichtbogen kann erst gezündet werden, wenn die Elektrode auf leitendes, zu schmelzendes Material auf­ setzt. Da zum Absenken der Elektrode der Druckraum des Zylinders mit dem Tank verbunden ist, strömt auch beim Auf­ setzen der Elektrode Hydraulikflüssigkeit aus dem Druck­ raum über das Ventil in den Tank ab. Dann ist die Elek­ trode nicht mehr hydraulisch abgestützt. Dies ist ein erheblicher Nachteil, weil die Elektrode nachsinken kann, also eine unkontrollierte Bewegung ausführt. Die Folge davon ist die Gefahr von Überstrom, Kurzschluß oder Bruch der Elektrode.

Bei der bekannten Einrichtung, von der die Erfindung aus­ geht (GB-PS 7 29 234) erfolgt die Höhenverstellung der Elektrode durch ein Hub- und Senkventil, das stromab­ hängig gegensinnig zur Kraft einer Feder einstellbar ist, wobei die Federkraft so eingestellt wird, daß sie einem bestimmten Druck im Druckraum entspricht, der während des Regelvorgangs nicht mehr veränderbar ist. Es handelt sich somit um eine Kombination aus Druck- und Geschwin­ digkeitsregelung der Elektrode, die ein langsames An­ sprechverhalten aufweist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die Genauigkeit der Elektrodenregelung zu verbessern, indem das Absenken der Elektrode vor dem Zünden des Lichtbogens mit einer bestimmten Geschwindigkeit erfolgt, bei der die Bruchgefahr der Elektrode beim Aufsetzen auf das Schmelzgut wesentlich verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merk­ male gelöst.

Der Regelvorgang ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht mehr allein stromabhängig, sondern zusätzlich abhängig vom hydrauli­ schen Druck in dem Zylinder. Abhängig von dem im Druck­ raum des Zylinders gemessenen Druck ist also bereits eine Regelung der Elektrodenverstellung möglich, bevor der Lichtbogen überhaupt gezündet hat. Ferner ist gewährlei­ stet, daß die Elektrode stets hydraulisch abgestützt ist, da über die druckabhängige Rückführgröße eine völlige Druckent­ lastung im Druckraum vermieden wird, wenn beispielsweise die Elektrode auf das Schmelzgut aufsetzt. Infolge der hydraulischen Abstützung, die unter allen Betriebsbe­ dingungen aufrechterhalten wird, kann die Elektrode auch nicht nachsacken, und damit ist ein zu hoher Lichtbogenstrom vermieden, der zum Unterbrechen des Lichtbogens oder Ab­ schalten der Anlage führen kann.

Hierzu wird von der Regeleinrichtung ein vom jeweiligen, z. B. durch den Abbrand bedingten Gewicht der Elektrode abhängi­ ger Grundwert gebildet. Dabei wird vor Einsetzen des Regel­ vorgangs der statische Druck im Druckraum des Zylinders gemessen, der erforderlich ist, um die Elektrode in einer vorgegebenen Höhe zu halten. Die dem statischen Druck entsprechende Meßspannung wird um einen bestimmten Kon­ stantbetrag entsprechend einer bestimmten Senkgeschwin­ digkeit vermindert. Das sich ergebende Signal ist der Grundwert, der dem Regelkreis aufgeschaltet wird und eine Senkbewegung der Elektrode mit einer bestimmten Ge­ schwindigkeit hervorruft. Dieser konstante Grundwert, der in einem Eichvorgang vor Einsetzen des Regelns ermittelt wird, bleibt während des Regelvorgangs dem Regelkreis aufgeschaltet. Während des Regelvorgangs ist der Schalt­ kreis für die Ermittlung des Grundwertes abgeschaltet, da der Grundwert nur den zum Festhalten der Elektrode erforderlichen statischen Druck berücksichtigen soll. Durch diese Maßnahme wird der Vorteil erzielt, daß vor dem Zünden des Lichtbogens das Absenken der Elektrode mit einer automatisch einstellbaren und auf das Elektro­ dengewicht abgestimmten Geschwindigkeit erfolgt. Damit wird die Bruchgefahr der Elektrode beim Absenken und Aufsetzen auf das Schmelzgut wesentlich verringert. Außerdem wird durch den der stromabhängigen Regelgröße überlagerten Grundwert die Konstantstromregelung für den Lichtbogen wesentlich verfeinert.

Durch die Weiterbildung der Erfindung gemäß den Ansprüchen 4 und 5 wird im Kurzschlußfall der vorgehend geschilderte Druckregelkreis unterlaufen und die Elektrode so­ fort mit maximaler Geschwindigkeit hochgefahren, bis die Störung beseitigt ist und der Regelvorgang wie­ der einsetzen kann.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen genannt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, in der der prinzipielle Aufbau der Elektrodenregelung dargestellt ist.

Die Elektrode 10 mit Stromzuführung 11 taucht in einen Lichtbogenofen 12, in dem das zu schmelzende Material mit 13 bezeichnet ist. Die Höhenverstellung der Elektrode 10 erfolgt über einen hydraulischen Zylinder 14, dessen Kolben 15 fest angeordnet ist, wie dies bei 16 angedeu­ tet ist. Der Zylinder 14 ist mit der Elektrode 10 ver­ bunden. Der Druckraum des Zylinders ist mit 16 bezeichnet.

Der Druckraum 16 ist über eine Verbindungsleitung 17 mit einem Druckservoventil 18 verbunden. In der Mittellage des Servoventils sind die Anschlüsse A und B geschlossen. Beim Auslenken in die eine oder andere Richtung wird der Anschluß A entweder mit der Druckmittelquelle P oder mit Tank T verbunden, wobei der Anschluß B durch einen Schieber 19 abgesperrt bleibt. Durch Ansteuern des Druck­ servoventils 18 wird somit die Hub- bzw. Senkgeschwindig­ keit der Elektrode 10 verändert. Die maximale Senkge­ schwindigkeit wird durch ein fest eingestelltes Mengen­ ventil 20 begrenzt. In der Verbindungsleitung 17 ist noch ein hydraulisch entsperrbares Rückschlagventil 24 vorgesehen.

Der Regelkreis besteht aus einer Treiberstufe 25 für das als Druckservoventil wirkende Dreiwegeservoventil 18, einem Summierer 26, einem Druck­ regler 27, der als Proportional-Integralregler ausgeführt ist und einem weiteren Summierer 28, der mit zwei Ein­ gangsleitungen 29 und 30 verbunden ist.

Der der Elektrode 10 über die Leitung 11 zugeführte Strom wird in einem Stromwandler 31 gemessen und in 32 in ein Spannungssignal umgesetzt. Über den Verstärker 33 ge­ langt das Spannungssignal in einen Regler 34, in dem es mit einem anhand des Potentiometers 35 vorgegebenen Sollwert des Lichtbogenstroms verglichen wird. Das Aus­ gangssignal des Reglers 34 ist also eine Größe, die der Regelabweichung (Differenz zwischen Ist- und Sollwert) entspricht und über die Leitung 29 an den Summierer 28 geführt wird.

An der zweiten Eingangsleitung 30 des Summierers 28 steht ein Grundwertsignal als Konstantwert an, dessen Größe vor Beginn des Regelvorgangs bei statischem Druck im Druckraum, also abhängig vom Elektrodengewicht er­ mittelt wird. Dabei ist das Rückschlagventil 24 ge­ schlossen und die Elektrode im hochgefahrenen Zustand. Der Druck im Druckraum 16 wird von einer Druckmeßdose 38 gemessen und über einen Anpaßverstärker 39 einem Positions­ regler 40 zugeführt. Das Ausgangssignal des Positionsreg­ lers 40 gelangt über einen Schalter 41 und einen Umsetzer 42 an einen Motor 43, der über ein Getriebe 44 ein Potentiometer 45 verstellt. Die am Potentiometer 45 ein­ gestellte Spannung gelangt über eine Leitung 46 an den zweiten Eingang des Positionsreglers, der einen Ver­ gleich der an der Druckmeßdose 38 gemessenen Spannung mit der auf der Leitung 46 anstehenden Spannung durch­ führt, wobei die Potentiometerspannung auf der Leitung 46 so eingestellt wird, daß das Ausgangssignal des Positionsreglers 40 Null wird. Die Leitung 46 ist an einen Summierer 50 angeschlossen, in dem ein am Potentiometer 51 eingestellter Korrekturwert abgezogen wird. Die Spannung auf der Leitung 46 entspricht somit dem im Druckraum herrschenden statischen Druck, der er­ forderlich ist, um die Elektrode zu halten. Der Korrektur­ wert, der am Potentiometer 51 eingestellt wird, ist so groß, daß nach Öffnen des Rückschlagventils 24 eine vor­ bestimmte Senkbewegung der Elektrode 10 stattfindet, wenn das Servoventil 18 die Leitung 17 mit Tank T ver­ bindet. Auf der Leitung 30 steht somit ein Grundwertsig­ nal an, das abhängig vom Elektrodengewicht eine vorbestimmte Senkbewegung bewirkt. Die maximale Absenkgeschwindigkeit der Elektrode wird im übrigen durch das fest eingestellte Mengenventil 20 begrenzt.

Soll der Regelvorgang der Elektrode beginnen, so wird der Schalter 41 geöffnet, so daß eine weitere Verstellung des Potentiometers 45 nicht mehr stattfindet und der ein­ mal ermittelte Grundwert dauernd an dem Summierer 28 an­ steht. Das Rückschlagventil 24 wird geöffnet. Im Summierer 28 wird nun der stromabhängigen Regelgröße aus dem Regler 34 der eine vorgegebene Senkgeschwindigkeit abbildende Grundwert überlagert. Das Ausgangssignal des Summierers 28 gelangt in den Druckregler 27, dem über die Leitung 52 eine druckabhängige Rückführgröße zugeführt wird. Hierzu wird der Druck in einer Druckmeßdose 53 gemessen, die an die Leitung 17 angeschlossen ist. Bei geöffnetem Rück­ schlagventil 24, also während des Regelvorgangs der Elektrode wird so der Druck im Druckraum 16 bzw. der Lei­ tung 17 gemessen und über einen Anpaßverstärker 54 dem Druckregler 27 zugeführt. Das Ausgangssignal des Druck­ reglers 27 gelangt über einen Summierer 26 zur Treiber­ stufe 25 des Druckservoventils 18, das somit abhängig vom Lichtbogenstrom, vom Grundwert und vom jeweiligen Druck im Druckraum 16 des Zylinders verstellt wird.

Durch diesen Regelkreis wird vermieden, daß die Elektrode zu rasch abesenkt wird, wodurch beim Aufsetzen auf das zu schmelzende Material die Gefahr eines Elektrodenbruchs besteht. Ferner wird vermieden, daß beim Herunterfahren und Aufsetzen der Elektrode der Druck im Druckraum 16 durch Abströmen des Druckmittels über das Ventil 18 zum Tank entlastet wird, so daß die Abstützung der Elektrode nicht mehr durch den hydraulischen Druck im Zylinder er­ folgt; dabei besteht die Gefahr, daß die Elektrode plötzlich nachsacken kann und dann der Lichtbogenstrom zu hoch wird. Es ergibt sich schließlich noch der Vorteil, daß abhängig vom Gewicht der Elektrode die Stromregelung in feineren Grenzen erfolgt, da die Konstantstromregelung am Summierer 28 von dem Grundwert überlagert ist.

Parallel zur Stromregelung des Reglers 34 wird am Ver­ stärker 60 der Istwert des Stroms mit einem am Potentio­ meter 61 einstellbaren Schwellwert verglichen. Bei Über­ schreiten des eingestellten Schwellwertes gelangt das Ausgangssignal des Verstärkers 60 an einen Verstärker 72 mit differenzierendem Verhalten, wobei die Abkling­ zeit des vom Verstärker 72 gelieferten Signals an einem Potentiometer 63 einstellbar ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 72 gelangt an den Summierer 26. Im Kurz­ schlußfall wird somit der stromabhängige und druckab­ hängige Regelkreis 27 unterlaufen und über den Summierer 26 die Treiberstufe 25 direkt so angesteuert, daß die Elektrode mit maximaler Geschwindigkeit hochgefahren wird. Ist der Kurzschluß unterbrochen, so klingt das vom Ver­ stärker 72 gelieferte Signal allmählich ab, bis die strom- und druckabhängige Regelung über den Summierer 28 und den Verstärker 27 wieder einsetzt.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Regelung eines Lichtbogenofens durch Höhenverstellung der Elektrode mit einem zur Ver­ stellung der Elektrode dienenden hydraulischen Zylinder, einem den Druckraum des Zylinders mit einer Druckmittel­ quelle bzw. Tank verbindenden Ventil, einem elektroni­ schen Regelkreis zur Ansteuerung des Ventils mit einer Regelgröße, die durch einen Sollwert-Istwertvergleich des Lichtbogenstroms gebildet wird, und mit einer Ein­ richtung, mit der abhängig vom Druck im Druckraum des hydraulischen Zylinders zusätzlich zur stromabhängigen Regelgröße das Ventil angesteuert wird, ge­ kennzeichnet durch

• - eine vor Beginn der Regelung einschaltbare und während der Regelung abgeschaltete Einrichtung (40 bis 45) zur Einstel­ lung einer dem Druck im Druckraum (16) und damit dem Gewicht der Elektrode proportionalen Größe (46),
• - eine Einrichtung (50) zur Bildung eines konstanten Grundwerts (30) aus der eingestellten Größe (46) durch Subtraktion eines Korrekturwerts (51),
• - einen Summierer (28), dem die Regelabweichung (29) des Stromes (11) und der Grundwert (30) zugeführt werden,
• - und einen Druckregler (27), dem das Ausgangssignal des Summierers (28) und der Istwert (52) des Drucks im Druck­ raum (16) zugeführt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Ermittlung des gewichtsabhängigen Grundwertes die Anschlußleitung (17) des hydraulischen Zylinders an die Druckmittelquelle absperrbar ist und eine Druckmeßdose (38) zwischen Druckraum (16) und Absperrorgan (24) angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckmeßdose (38) mit einer Vergleichsstufe (40) verbunden ist, deren Ausgangssignal über einen Ausschalter (41) dem Antrieb (43) eines Potentiometers (45) zugeführt wird, wobei die Potentiometerspannung dem zweiten Eingang der Vergleichsstufe (40) und einem Summierer (50) zugeführt wird, in dessen zweiten Eingang der Korrekturwert eingegeben wird und dessen Ausgangs­ signal den Grundwert bildet.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckregler (27) und der Treiberstufe (25) für das Ventil (18) ein weiterer Summierer (26) vorgesehen ist, dessen zweiter Eingang mit einem Überstromschaltkreis (60, 72) verbunden ist, der beim Auftreten eines Licht­ bogenüberstroms ein Signal erzeugt, das ein Hochfahren der Elektrode mit größtmöglicher Geschwindigkeit bewirkt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Überstromschaltkreis aus einer Vergleichsstufe (60) und einem differenzierenden Verstärker (72) besteht, wobei der Vergleichsstufe der Istwert des Lichtbogenstroms und ein Bezugswert zuge­ führt sind und wobei die Abklingzeit des von dem diffe­ renzierenden Verstärker erzeugten Ausgangssignals ein­ stellbar ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (18) ein als Druckservoventil wirkendes Dreiwegeservoventil ist und daß in der Ver­ bindungsleitung (17) zwischen dem Ventil (18) und dem Druckraum (16) des Zylinders ein hydraulisch entsperrbares Rückschlag­ ventil (24) angeordnet ist.