DE3313439C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung eines elektrischen Schmelzofens, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 21 49 258 bekannt.

Grundgedanke des dort beschriebenen Verfahrens ist die Sicher­ stellung der Qualität eines metallurgischen, in dem Elektroofen hergestellten Erzeugnisses, beispielsweise bei der Herstellung von Calciumcarbid. Die Qualitätssicherung wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß während des Herstellungsprozesses des Calciumcarbids die Qualität laufend überwacht wird und als Regelgröße für den Elektroofen dient. Hierzu wird einerseits durch Zugabe einer Reaktrionsmischung, u. a. durch hohle Elektroden, das Mischungsverhältnis der Reaktionsstoffe beein­ flußt. Daneben wird der Elektrodenstrom durch Anheben oder Absenken einer Elektrode geregelt, um die Temperatur in der Reaktionszone auf dem gewünschten Wert zu halten.

Bei einem derartigen Verfahren läßt sich das Aufwärts- und Abwärtsbewegen der Elektrode bis in den eingeschwungenen Zustand nicht völlig vermeiden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Leistungsregelung für elektrische Öfen der genannten Gattung zu schaffen, bei der die Elektroden nicht mehr zum Zwecke der Regelung, sondern nur um das unumgängliche Maß zum Ausgleich des Abbrands bewegt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung hat zur Folge, daß zur Regelung der vom Ofen aufgenommenen Leistung keine Elektroden kurzfristig auf- oder abwärts bewegt werden müssen, sondern daß die Elektroden­ spitzen vielmehr normalerweise fest an ihrer Stelle bleiben, während die Leistung durch Änderung der zwischen den Elektroden herrschenden elektrischen Spannung geregelt wird. Beim erfin­ dungsgemäßen Verfahren brauchen die Ofenparameter Widerstand R, Induktivität L und Impedanz Z in keiner Phase konstant ge­ halten zu werden, sondern man läßt sie mit der Prozeßperiode frei variieren. Dabei können die Elektrodenbewegungen auf ein Minimum reduziert werden, so daß sich für die Elektroden ein gleichmäßiger Betrieb ergibt und Elektrodenbrüche infolge mechanischer Bewegung der Elektroden vermieden werden. Außerdem verringert sich der Wartungsaufwand für die mechanischen Elek­ trodeneinrichtungen, und eine zuverlässige, leckfreie Abdich­ tung zwischen Ofendeckel und Elektroden bleibt gewährleistet.

Für das erfindungsgemäße Regelverfahren können folgende Ofen­ größen gemessen werden:

• - Phasenströme (I _p ) des Transformator-Primärkreises
• - Phasenströme (I _s ) des Transformator-Sekundärkreises
• - Elektrodenströme (I _E )
• - Phasenbezogene Scheinleistung (S _p ) des Transformators
• - Die dem Ofen zugeführte phasenbezogene Wirkleistung (P _s )

Äußere Beschränkungen bei der erfindungsgemäßen Regelung sind lediglich die maximal zulässigen Ofentransformator-Leistungen und -Ströme sowie die Maximalströme der Elektrodeneinrichtungen und der Stromschienen. Die Regelung geschieht vorzugsweise folgendermaßen:
Aufgrund der erwähnten Ofengrößen prüft der Regler zunächst die geltenden äußeren Beschränkungen, die nicht überschritten werden dürfen, und stellt dann die Spannung auf ein Niveau ein, daß keine Überschreitung erfolgt. Ist diese Bedingung erfüllt, so berechnet der Regler aus den phasenbezogenen Wirkleistungen P _s die in den Ofen gehende Summenwirkleistung ΣP _s , vergleicht diese an den Sollwerten und führt die erforderliche Spannungs­ erhöhung beziehungsweise -senkung durch, sofern das erhaltene Meßergebnis ΣP _s außerhalb des eingestellten Bereichs liegt.

Im folgenden soll eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfin­ dung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Regelmethode dargestellt ist, näher beschrieben werden.

Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung das Funktions­ prinzip der erfindungsgemäßen Regelmethode bei symmetrischer dreiphasiger Last als Funktion des Phasenwiderstandes R und des Phasenwinkels ϕ unter (aus Verdeutlichungsgründen erfol­ gender) Verwendung eines konstanten Reaktanzwertes, der in der Praxis jedoch nicht erreicht wird, und unter der Voraussetzung, daß mit den phasenbezogenen Größen keine äußeren Beschränkungen überschritten werden. 1 bezeichnet den Verlauf der Ofenleistung abhängig vom Widerstand R beim maximalen Ofentransfor­ mator-Sekundärstrom, 2 den Verlauf beim maximalen vom Transformator zu den Elektroden fließenden Elektrodenstrom. Die Verläufe für weitere Elektrodenströme sind allgemein mit 3 bezeichnet. Die dünnen Linien 4 und 5 bedeuten die an dem Regler im voraus eingestellte Ober- und Untergrenze der gewünschten Ofenleistung, die vertikale, strichpunktierte Linie 7 die Grenze zwischen dem in der Praxis für die erfin­ dungsgemäße Regelmethode geeigneten Betriebsbereich, der sich rechts von der Linie 7 befindet, und dem nicht zu empfehlenden Betriebsbereich. Der Betriebsbereich gliedert sich in drei Teile: den Bereich 8, wo der maximale Elektrodenstrom 2 die Ofenleistung begrenzt, den Bereich 9, wo der Trafo-Primärstrom 11 die Ofenleistung begrenzt, und den Bereich 10, wo der Regler die Ofenleistung bestimmt. Im Bereich 10 leigt die Obergrenze 4 der gewünschten Ofenleistung ständig unter der Maximalbelast­ barkeit des Transformators, d. h. unter dem Primärstrom. Die Kurvenschar 12 bezeichnet die Verläufe der Ofenleistung abhängig vom Widerstand R bei verschiedenen Spannungsstufen des Transformators. Die schraffierten Stellen 13 in den Bereichen 8, 9 und 10 veranschaulichen verschiedene Regelperioden bei Anwendung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens.

Im Bereich 8, wo, bedingt durch den maximalen Elektrodenstrom 2, die eingestellte gewünschte Ofenleistung 6 noch nicht erreicht ist, erhöht der Regler über den Stufenschalter im Laufe der Regelperiode 13 die Spannung auf die nächste Spannungsstufe der Schar 12. Das gleiche geschieht im Bereich 9, an dessen Ende erst, bedingt durch die maximale Belastbarkeit 11 des Transformators, die eingestellte gewünschte Obergrenze 4 der Ofenleistung erreicht wird. Im Bereich 10, während der Regelperiode 13, erhöht oder verringert der Stufenschalter die Spannung auf jene Spannungsstufe 12, mit der die gewünschte Leistung 6 in den eingestellten Grenzen 4 und 5 in den Ofen gebracht werden kann. Dabei kann also die Ofen-Impedanz (und gleichzeitig auch der Widerstand) während des Ofenbetriebs frei variieren.

Da, bedingt durch die Elektroden-Herstellungsweise, an den Elektro­ den ungleichmäßige Abnutzung auftritt und da die im Ofen statt­ findenden Veränderungen zu einer Situation führen können, in der die einzelnen Elektroden zu verschiedenen Zeiten variierende Ströme und Leistungen aufzunehmen vermögen, ist es häufig erforderlich, diese Änderungen durch unterschiedliches Vorschieben der einzelnen Elektroden in den Ofen auszugleichen, d. h. auszubalancieren.

Vorteilhafterweise erfolgt das Ausbalancieren der elektroden­ bezogenen Leistungen des Elektroofens durch Regulieren des Vorschubs der einzelnen Elektroden. Unter Ausbalancieren ist hierbei zu verstehen, daß die Stellung der Elektrodenspitzen nach einem an sich bekannten Verfahren gemessen wird und die Spitzen einzelelektrodenweise auf das gleiche stationäre Niveau eingestellt werden. Auf diese Weise versetzt man den Ofen in Gleichgewichtszustand, und dieser wird aufrechtzuerhalten ver­ sucht. Das Wichtigste beim Ausbalancieren ist, daß die Verände­ rungen in der Bewegung der Elektroden rechtzeitig durchgeführt werden können, bevor die Änderungen bei der Stromverteilung zu einer Änderung der Temperaturverteilung im Ofen geführt haben.

Aus der ungleichmäßigen Abnutzung der Elektroden oder aus Schichtungsänderungen im Ofen können folgende Veränderungen resultieren:

• - Bei den Elektrodenströmen I _E treten Veränderungen ein;
• - bei den elektrodenbezogenen Wirkleistungen P _s treten Veränderungen ein;
• - bei den elektrodenbezogenen Blindleistungen Q _s treten Veränderunen ein;
• - bei der zwischen Elektrode und Boden herrschenden elektrischen Spannung U _E treten Veränderungen ein.

Anhand der Änderungen bei den vorgenannten Größen lassen sich die Veränderungen bei der Elektrodenstellung, also die Elektro­ denabnutzung, verfolgen. Zum Ausbalancieren der Leistung werden noch die folgenden Ofengrößen bestimmt:

• - Dem Ofen zugeführte phasenbezogene Blindleistung Q _s
• - Die Spannung U _E zwischen Elektroden und Boden
• - Die zwischen den Elektroden herrschende Spannung U

Damit lassen sich die Leistungen zwischen den Elektroden folgendermaßen ausbalancieren:

Die einzelnen Größen werden in Perioden von 10 Sekunden bis 15 Minuten Dauer als arithmetische Mittelwerte ständig erfaßt. Anhand der gemessenen Größen werden dann sowohl kurzfristige, 0,5 bis 96 Stunden umfassende, als auch langfristige, 2 Stunden bis 60 Tage umfassende, Trends oder Variationsdiagramme ausge­ arbeitet. Meßperiode und Trenddauern können für jede Größe separat gewählt werden. Die Ausarbeitung der Trends erfolgt nach an sich bekannten mathematischen Verfahren, beispielsweise durch Regressionsanalyse unter Einsatz eines Rechengerätes oder Computers.

Sowohl kurzfristige als auch langfristige Trends werden für folgende Größen erstellt:

ameßperiodenweise die Differenz der phasenbezogenen Wirk- leistung P _s zum Mittelwert der Wirkleistung, wobei n die Anzahl der Elektroden bedeutet; bdie addierte Wirkleistung Σ P _s ; cmeßperiodenweise die Differenz der Blindleistung Q _s zum Mittelwert der addierten Blindleistung, wobei n die Anzahl der Elektroden bedeutet; ddie addierte Blindleistung ΣQ _s ; edie Phasenströme I _p und I _s der Primär- und Sekundärkreise der Transformators; fdie Elektrodenströme I _E ; gdie Spannung U _E zwischen Elektroden und Boden, subtrahiert von der zwischen den Elektroden herrschenden Spannung U dividiert durch , das heißt also

Für die erstellten Trends (a-g) werden weiter die linearen Abhängigkeiten berechnet und sodann die Winkelkoeffizienten der erhaltenen linearen Abhängigkeiten betrachtet. Wenn die Winkel­ koeffizienten des kurzfristigen und des langfristigen Trends der gleichen Größe (a,c und e-g) voneinander abweichen, wird - soweit möglich - elektrodenweise eine Änderung des Vorschubs vorgenommen. Aufgrund der Differenzen zwischen den Winkelkoef­ fizienten der linearen Abhängigkeiten der kurzfristigen und der langfristigen aufaddierten Trends (b und d) wird die Vorschub­ regelung der Elektroden in ihrer Gesamtheit vorgenommen, jedoch unter Berücksichtigung der bereits einzelelektrodenweise durch­ geführten Einstellungen.

Vorteilhafterweise werden bei der Leistungsregelung und -aus­ balancierung auch die maximale Dauer der Ströme und Scheinlei­ stungen überwacht. Bei Überschreitung der erlaubten Dauer wird, wenn die Stellbereiche der Einrichtungen ausgeschöpft sind, die gegenseitige Stellung der Elektroden so verändert, daß ein neuer Gleichgewichtszustand erreicht wird, wobei die Elektro­ denstellung auf eine an sich bekannte Weise bestimmt wird. Kurzfristige und langfristige Trends werden neuberechnet. Ggf. können zur Herstellung des Elektroden-Gleichgewichtszustandes auch eine oder mehrere Elektroden nach oben bewegt werden.

Das Vorschieben der Elektroden in den Ofen einschließlich des­ sen Regelung kann entweder automatisch oder manuell erfolgen.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens beschränkt sich nicht auf völlig geschlossene Elektroöfen, sondern das Verfah­ ren bietet auch in Verbindung mit offenen oder halboffenen Elektroöfen Vorteile. Ganz besondere Vorteile erzielt man bei völlig geschlossenen Öfen mit verdecktem Lichtbogen, aus denen die Schmelze von Zeit zu Zeit ausgelassen und deren Abgase für energiewirtschaftliche Zwecke außerhalb des Ofens genutzt werden, wobei dann die aus der erfindungsgemäßen Regel- und Ausbalanciermethode resultierende gleichmäßige Gasbildung ein wichtiger Faktor ist. In derartigen Öfen durchzuführende Prozesse sind u. a. der Ferrochromroheisen- und Ferromangan­ prozeß. Das Verfahren kann jedoch auch auf Elektroöfen mit kontinuierlicher Schmelzabführung angewandt werden.

Die erfindungsgemäße Leistungsregelung durch Verstellung der Sekundärspannung kann auch zur alleinigen Ofenregelung dienen und erfordert nicht unbedingt die Funktion des Ausbalancierens, wenn sich z. B. die aus der Struktur der Elektrode resultie­ renden Ungleichmäßigkeiten des Elektrodenverbrauchs verhindern lassen. Das Ausbalancieren der Elektrodenleistung über den Transformator-Stufenschalter, kann aber auch in Verbindung mit irgendeinem anderen Verfahren zur Spannungsverstellung angewendet werden, eignet sich zwar am besten in Verbindung mit der Leistungs-Regelung.

Claims (3)

1. Verfahren zur Leistungsregelung eines elektrischen Schmelzofens, bei dem mit verdecktem Lichtbogen ein Schmelzgut eingeschmolzen wird, in das von oben mehrere heb- und senkbare Elektroden eintauchen, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Elektrodenspitzen auf eine bestimmte, gleiche Höhe über dem Ofenboden gebracht werden,
• b) daß die Elektroden mit einer konstanten Vorschubgeschwin­ digkeit abwärts bewegt werden, bei der unter normalen Verhältnissen zu erwarten ist, daß der Elektrodenabbrand durch den Vorschub gerade ausgeglichen wird, und
• c) daß bei Abweichungen der aufgenommenen elektrischen Leistung von einem Sollwert ohne Änderung der Vorschub­ geschwindigkeit die Sekundärspannung des Ofentransforma­ tors so verstellt wird, daß die Leistung wieder den Sollwert annimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit der Elektroden geändert wird, wenn andernfalls Ströme des Ofens oder des Transformators ihre zulässigen Werte überschreiten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung durch Betätigung des Transformator-Stufen­ schalters verstellt wird.