DE3529419C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen legierter Edelstähle mit niedrigsten Kohlenstoffgehalten in mit Elektroden elektrisch beheizten Pfannenöfen, in dem die durch im Pfannenbodenbereich eingeleitete Spülgase umgewälzte Schmelze von oben warmgehalten wird, wobei durch Elektrodenabbrand oder Schmelzbewegungen bedingte Änderungen des Arbeitsabstandes zwischen Elektrode und Schmelzespiegel über ein von einem Impedanzregelkreis angesteuertes Stellglied für die Elektrode ausgeregelt werden.

Vorrichtungen zum Herstellen von legierten Edelstählen mit niedrigsten Kohlenstoffgehalten gehören seit langem zum Stand der Technik (so z. B. GB-Z Steel Times, Februar 1978, Seiten 205 bis 211).

Sie sind aus dem Wunsch heraus entwickelt worden, weitgehend beim Schmelzen von Metallen alle metallurgische Arbeit aus dem eigentlichen Schmelzaggregat in ein nachgeschaltetes Behandlungsverfahren zu verlagern. Im Schmelzaggregat soll nur noch eingeschmolzen werden. Dadurch erzielt man insbesondere bei Elektrostahlwerken zum Schmelzen von Stahl beträchtliche Ofenzeitverkürzungen und damit eine erhöhte Leistung.

Dies führt zu der sogenannten Pfannenmetallurgie, im angelsächsischen Schrifttum als secondary steelmaking bezeichnet, bei der das Metall aus dem Vorschmelzaggregat in eine Pfanne abgestochen und in dieser nachbehandelt wird. Bei der Erzeugung von Stahl sind Hauptaufgaben der Nachbehandlung

- Auflegieren des Stahles
- Einstellung exakter Analysen
- Analysen- und Temperaturhomogenität in der Pfanne.

Um die während der Behandlung unvermeidlichen Temperaturverluste in der Pfanne - insbesondere bedingt durch die Zugabe fester Legierungsmetalle und das Spülen der Stahlschmelze mittels über Bodenblassteine eingeleiteter Inertgase - zu kompensieren, ist die Nachbehandlungspfanne mit einer Pfannenaufheizeinrichtung versehen, meistens in Form einer Lichtbogenheizung. Bei einer derartigen Heizung befindet sich über der Pfanne ein Deckel ähnlich dem eines Lichtbogenofens. Über ein oder mehrere an Tragarmen aufgehängte und in Elektrodenführungen durch den Deckel geführte Elektroden (meist wechselstrombetrieben) kann die Stahlschmelze über den entstehenden elektrischen Lichtbogen aufgeheizt werden.

Die Regelung der Elektroden erfolgt analog der Elektrodenregelung bei Lichtbogenöfen, bei der die Höhenverstellung der Elektroden während des Schmelzvorganges mit Impedanzregelungen, wie z. B. in DE-AS 28 41 857 beschrieben, vorgenommen wird.

Im Stand der Technik wird, wie aus der DE-OS 27 32 309 hervorgeht, das Ziel einer konstanten Lichtbogeneinschmelzleistung dadurch erreicht, daß die Lichtbogenimpedanz auf einen vorgegebenen Wert durch Verstellen der Elektroden eingehalten wird.

Aus "Elektrostahl-Erzeugung" von Plöckinger und Etterich, 3. Auflage, 1979, Seite 176, ist bekannt, daß beim Einschmelzen von Stahl in Elektrolichtbogenöfen der Elektrodenweg, wenn keine Aufkohlung des Stahlbades durch Eintauchen der Elektroden auftreten darf, möglichst gering sein sollte. Auch hier wird eine Steuerung der Elektroden über die Impedanz, nämlich dem Verhältnis von Lichtbogenspannung zum Elektrodenstrom, vorgenommen.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 25 44 452 bekannt.

Bei diesem Verfahren zum Schmelzen und Aufheizen von Stahl mit durch Impedanzregelung gesteuerten Elektrodenabständen über dem Schmelzbad führen Bad- und Schlackenbewegungen zu Regelabweichungen. Aufgrund dieser Abweichungen veranlaßt die Impedanzregelung die Elektroden zum verstärkten Aufschaukeln der Oberflächenwellen. Diese Methode, wie ebenfalls in "Elektrostahl- Erzeugung" vorgeschlagen, aus dem Umsteuerbefehl des Impedanzreglers die untere Position der Elektrode abzuleiten, führt deshalb zur Verstärkung der Wellenbewegung, weil der Umsteuerbefehl für die unterste Position immer im Wellental auftritt. Dadurch kommt es bei so ermittelten Elektrodenpositionen durch nachfolgende Wellenamplituden zu Berührungen zwischen Elektrode und Schmelze. Durch diese Berührungen erfolgt eine unerwünschte Aufkohlung, so daß die Herstellung von legierten Edelstählen mit niedrigsten Kohlenstoffgehalten nicht möglich ist.

Ein weiterer Nachteil einer Impedanz-Elektrodenregelung bei der Herstellung von Stahl in Pfannenöfen ist darin zu sehen, daß die beim Einschmelzen von Stahl in Elektroöfen (großer Bodendurchmesser, geringe Badhöhe) zulässigen längeren Lichtbögen in Pfannenöfen (kleiner Baddurchmesser, große Badhöhe) wegen des geringeren Abstandes der Elektroden zur Pfannenwand die Pfannenauskleidung stark abschmelzen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von legierten Edelstählen mit niedrigsten Kohlenstoffgehalten in elektrisch beheizten Pfannenöfen zu schaffen, bei dem eine Aufkohlung der Schmelze durch die Elektroden sowie Abschmelzen der Pfannenausmauerung vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 niedergelegten Merkmale gelöst.

Dadurch ist ein Verfahren geschaffen, bei dem die Regelung nur bei ungewöhnlichen Abweichungen, die auf Störungen (Kurzschluß, Lichtbogenabriß) hindeuten, anspricht, während die Elektrode im ungestörten Betrieb, wozu auch leichte Schmelzebewegungen durch die Gasspülung zählen, in dem vorgegebenen Arbeitsabstand zur Schmelzeoberfläche bleibt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen schließen vorzugsweise ein, daß die untere Elektrodenposition beim notwendigen Berühren der Schmelze zum erstmaligen Zünden des Lichtbogens in einem Rechner abgespeichert wird. Beim Auftreten von Wellenbewegungen des Stahlbades werden durch Messung des Stromanstieges die Elektroden mit ansteigender Amplitude nach oben bewegt. Beim Erreichen der oberen Elektrodenposition (vorgegebener Arbeitsabstand) wird ein Absenken der Elektrode erst nach Ablauf der vom Pfannendurchmesser abhängigen Schwingungszeit der Oberflächenwellen zugelassen. Dadurch wird ein Verstärken der Wellenbewegung im Schmelzbad verhindert.

Auf diese Weise stellt die erfindungsgemäße Elektrodenregulierung über Lageregelkreise im Pfannenofen immer sicher, daß ein Mindestabstand der Elektroden zur Badoberfläche eingehalten, dieser Abstand aber auch nicht überschritten wird, da sonst durch zu lange Lichtbögen ein zu großer Abbrand der Pfannenausmauerung auftreten würde.

Aus diesem Grunde wurde den an sich bekannten Impedanz­ reglern ein Regelkreis für jede Elektrode nachgeschaltet. Auf diese Weise ist es möglich, mit Hilfe einer Elektrodenpositionsmessung im geregelten Betrieb die Elektrodenstellung über der Schmelze auf 0,5 mm über den gesamten Verfahrensweg genau einzustellen.

Durch Messung der Spannung zwischen den Elektroden und dem Pfannenofen wird die untere Elektrodenposition ermittelt, bei der eine Berührung mit der Schmelze stattfindet. Dies erfolgt automatisch beim Zünden des Lichtbogens. Für den folgenden Aufheizbetrieb sorgt eine Automatik dafür, daß diese untere Position nicht mehr erreicht werden kann, so daß eine Aufkohlung der Schmelze vermieden wird.

Der minimal zulässige Abstand der Elektroden zur Schmelzenoberfläche ist variabel und wird automatisch je nach Kohlenstoffgehalt der Schmelze eingestellt, d. h., bei höheren Kohlenstoffgehalten ist ein kürzerer Abstand zulässig, was zu einem geringeren Pfannenwandverschleiß führt, bei sehr niedrigen Kohlenstoffgehalten wird dagegen der Sicherheitsabstand der Elektrodenspitze zur Schmelze wegen der erhöhten Aufkohlungsgefahr vergrößert.

Eine Korrektur des Elektrodenabbrandes erfolgt auto­ matisch in Abhängigkeit von der über die Elektrode umgesetzten elektrischen Energie, gemessen in kWh.

Damit beim Spülen der Schmelze mit Argon durch die Wellen­ bewegung der Badoberfläche keine Fehlreaktion der Elektrodenregelung ausgelöst wird, ist die Regelung mit einem Unempfindlichkeitsbereich ausgerüstet. Um bei größerer Wellenbildung des Schmelzbades das kurzzeitige Berühren der Badoberfläche mit den Elektroden und die dadurch bedingte Aufkohlung der Schmelze zu vermeiden, wird der Elektrodenabstand durch Überwachung der Stromspitzen sowie deren Häufigkeit in Abhängigkeit der Stromsollwertüberschreitung vergrößert. Bei Wegfall dieser Unregelmäßigkeiten wird automatisch wieder der vorherige Sicherheitsabstand eingeregelt.

Den Regelkreisen aller drei Elektroden ist eine Leistungsregelung vorgeschaltet, die bei Erreichen einer Solltemperatur automatisch von Aufheizleistungs auf Warmhaltebetrieb umschaltet und nur noch die Verlustenergie des Pfannenofens durch Abstrahlung sowie Temperaturverluste durch Wasserkühlung des Deckels oder einer etwaigen Absaugung ausgleicht.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

Nachdem die Schmelze im Elektrolichtbogenofen für die Weiterbehandlung im Pfannenofen eingeschmolzen ist, werden die ermittelten Istwerte der Spannung, gemessen in Volt, vom Wandler 1 und des Stromes, gemessen im Ampere, vom Wandler 2 zur weiteren Aufbereitung in das Rechenwerk 3 eingegeben. Die von dem Sollwertsteuerglied 4 vorgegebenen Kohlenstoffgehalte in %, und die Arbeitstemperatur in °C sowie Strom- und Spannungsistwerte werden dem Rechenwerk 5 zugeführt. Den aus diesen Werten ermittelten Sollwert der Impedanz gibt das Rechenwerk 5 an das Rechenwerk 6 zur Ermittlung der Werte für Strom und Spannung zur weiteren Behandlung der Schmelze weiter. Die Regelung der Elektrodenposition wird von dem Rechenwerk 7 bewirkt. Vom Rechenwerk 8 wird je nach Vorgabe durch eine die Elektrodenposition erfassende digitale Meßeinrichtung 9 der analoge Regelkreis 10 veranlaßt, die Elektrode langsam nach unten oder schnell nach oben zu fahren, um einerseits zu vermeiden, daß die Elektrode zu heftig in die Schmelze eintaucht und um andererseits sicherzustellen, daß die Elektrode schnell nach oben fährt, um eine Berührung mit der Schmelze zu vermeiden und um die errechnete Arbeitsstellung schnell zu erreichen. Die langsame Abwärtsbewegung und das schnelle Hochfahren der Elektrode dient dem Zweck der erstmaligen Zündung des Lichtbogens. Der analoge Regelkreis 10 bestimmt die Geschwindigkeit der Auf- und Abwärtsbewegung der Elektrode und sichert gleichzeitig die genaue Elektrodenposition über der Schmelze, d. h. den Arbeitsabstand, während der Behandlungsdauer. Wenn die von der Meßlanze 11 gemessene Isttemperatur die Arbeitstemperatur erreicht hat, wird von dem Steuerwerk 12 die Transformatorleistung des Trafos 13, der die Gesamtenergie für den Aufheizbetrieb liefert, aus den Meßwerten des Traforückmelders 14, dem Rechenwerk 5, der Meßlanze 11, dem Meßumformer 15 für die Messung der aktuellen Ofenleistung sowie dem Sollwertsteuerglied 4, reguliert, um ein Überhitzen der Schmelze und unnötige Leistungsvergeudung zu vermeiden. Von dem analogen Regelkreis 16 wird der Stellbefehl zur abbrandbedingten Elektrodenkorrektur für die Stellglieder 17, bestehend aus Elektrodentragarm, Hubmechanismus usw., gegeben, der aus den Daten des Wandlers 2, dem Rechenwerk 8, dem Meßumformer 15 sowie dem analogen Regelkreis 10 ermittelt wird.

Zum besseren Verständnis des Verfahrensablaufes ist die Zeichnung in die Teile a, b und c aufgeteilt.

Im Teil a wird der erste Verfahrensschritt durch Messen der Soll- und Istwerte von den Wandlern 1, 2, der digitalen Meßeinrichtung 9, dem Traforückmelder 14, dem Meßumformer 15, der Meßlanze 11 und dem Sollwertsteuerglied 4 wiedergegeben. Diese Maßnahmen werden nach dem Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen vor Beginn der Behandlung im Pfannenofen getroffen.

Die so ermittelten Meßwerte werden im Teil b in den Rechenwerken 3, 5, 6, 7, 8, im Steuerwerk 12 und dem analogen Regelkreis 10 und 16 für die im Teil c beispielsweise wiedergegebenen Stellglieder 17 bestehend aus Elektrodentragarm, Hubmechanismus usw. sowie dem Transformator 13 aufbereitet.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen legierter Edelstähle mit niedrigsten Kohlenstoffgehalten in einem mittels höhenverstellbarer Elektroden lichtbogenbeheizten Pfannenofen, in dem die durch im Pfannenbodenbereich eingeleitete Spülgase umgewälzte Schmelze von oben warmgehalten wird, wobei durch Elektrodenabbrand oder Schmelzbewegungen bedingte Änderungen des Arbeitsabstandes zwischen Elektrode und Schmelzespiegel über ein von einem Impedanzregelkreis angesteuertes Stellglied für die Elektrode ausgeregelt werden, dadurch gekennzeicnet,
daß der Arbeitsabstand durch Absenken der Elektrode bis zum Zünden des Lichtbogens und anschließendes Anheben um einen vorbestimmten Betrag eingestellt wird,
daß die Impedanzregelung einen derart großen Toleranzbereich aufweist, daß sie nur bei solchen Abweichungen vom Impedanz-Sollwert anspricht, die auf Störungen durch Kurzschluß oder Lichtbogenabriß hindeuten, und
daß nach Ausregeln der Störung die Elektrode wieder in den Arbeitsabstand gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsabstand der Elektrode vom Schmelzespiegel gegenläufig zum gewünschten Kohlenstoffgehalt der Schmelze vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ansprechen der Impedanzregelung erst nach Ablauf einer vom Pfannendurchmesser abhängigen Schwingungszeit der Oberflächenwellen der Schmelze zugelassen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltemperatur der Schmelze über Leistungsregler gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Elektrodenabbrand veränderten Elektrodenabstände von der Schmelzeoberfläche in Abhängigkeit von der verbrauchten elektrischen Energie automatisch korrigiert werden.