DE3543773A1

DE3543773A1 - Verfahren zum betrieb eines lichtbogenofens

Info

Publication number: DE3543773A1
Application number: DE19853543773
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kagamihara Gifu Hanada; Etsuo Nagoya Aichi Inagaki; Hiroya Chita Aichi Nakata
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1984-12-13
Filing date: 1985-12-11
Publication date: 1986-06-19
Also published as: SE8505839L; IT8523016A0; JPS61140095A; SE461372B; SE8505839D0; US4689800A; ES8700537A1; JPH07118382B2; IT1186114B; ES549775A0

Description

Beschreibung

Die Erfindung-betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogenofens, in dem verschiedene Rohmaterialien g e schmolzen werden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

In einem Lichtbogenofen geht von einer LichtbogeneLektrode, die mit elektrischer Leistung aus einem Ofentransformator gespeist wird, ein elektrischer Lichtbogen aus und metallische Rohmaterialien werden durch die durch den elektrischen Lichtbogen erzeugte Hitze geschmolzen. Bei der Firma, bei der die vorliegenden Erfinder beschäftigt sind oder bei vielen anderen Firmen, die öfen dieser Art betreiben, werden die Schmelzbedingungen gemäß den folgenden Schritten festgelegt und der Schmelzbetrieb gemäß der so bestimmten Bedingungen ausgeführt.

Zunächst wird, wenn das zu schmelzende Rohmaterial festliegt, das Zeitintervall zum Schmelzen des Rohmaterials aufgrund vorhergehender Erfahrungen bestimmt. Sodann wird die elektrische Leistung ermittelt, die dem Lichtbogenofen zugeführt werden muß, um das Rohmaterial in dem ermittelten Zeitintervall zu schmelzen. Es wird ferner der Wert des elektrischen Li. c ht bogen st rom es berechnet, der erforderlich ist, um die betreffende elektrische Leistung zuzuführen. Der Schmelzbetrieb wird mit dem berechneten St romwert durchgeführt. Wenn demzufolge Faktoren wie die Art und Menge des Rohmaterials geändert werden oder das Zeitintervall für den Einschmelzvorgang, werden auch die elektrische Eingangs leistung und demzufolge der Wert des elektrischen Lichtbogenstromes geändert.

Wenn unter diesen Umständen der bezogene elektrische Energieverbrauch, definiert als verbrauchte elektrische 3.5 Energie, bezogen auf die Masse bzw. das Gewicht des zu

schmelzenden Rohmaterials betrachtet wird, sind die Werte letztlich in Verbindung mit der Art des Rohmaterials und der Einschmelzdauer bestimmt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruches genannten Art selbst bei in der Art stark schwankenden Rohmaterialien ein Einschmelzen dieses Materials mit einem minimalen Wert des bezogenen elektrischen Energieverbrauches zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebenen Mer kma Ie gelöst.

Wenn demgemäß ein Ofentransfοrmator,ein Lichtbogenofen und eine diesen mit dem Ofentransformator verbindende elektrische Schaltung ausgewählt werden, werden zunächst Faktoren, die für diese Ausrüstungen charakteristisch sind, ermittelt und dann auf der Basis dieser Faktoren ein elektrischer Lichtbogenstrom errechnet, der den bezogenen elektrischen Energieverbrauch minimiert. Das heißt, es wird der Sekundärstrom I des Transformators zuvor so bestimmt, daß er der Gleichung

d[P_i/(P.-P_L-q_L)]/di=o

genügt, wobei P. die SekundärLei stung des Ofentransformators, P. die gesamten Ohmschen Verluste der Sekundärwicklung des Ofentransformators und der die Lichtbogenelektrode mit der Sekundärwicklung verbindenden Schaltung und q. die Wärmeverluste des Lichtbogenofens bedeuten.

Sodann wird, wenn das Rohmaterial unter Verwendung des Ofentransformators und des Lichtbogenofens eingeschmolzen wird, der zuvor bestimmte Strom I der Lichtbogen-

"J elektrode von der Sekundärseite des Ofentransformators zugeführt, und zwar unabhängig von der Art des Rohmaterials und es wird mit dem von der Lichtbogenelektrode ausgehenden Lichtbogen das Rohmaterial im Lichtbogenofen geschmolzen. Als Folge hiervon kann, welcher Art das Rohmaterial auch immer sein mag, d.h. unabhängig von der Art des Rohmaterials, dieses mit einem Minimalwert des bezogenen elektrischen Energieverbrauchs eingeschmolzen werden und damit mit hohem Wirkungsgrad ein Metallschmelzbad erhalten werden.

Die Erfinder haben also ein Verfahren für den Schmelzvorgang gefunden, durch den der bezogene elektrische Energieverbrauch auf einem Minimalwert gehalten werden kann und damit elektrische Energie eingespart werden kann.

Die Erfindung wird anhand von vier Figuren naher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Lichtbogenofen mit einem

System für die'Zufuhr'elektrischer Leistung;

Fig. 2 ein Modell zur Darstellung des Wärmeverbrauchs bei einem Lichtbogenofen;

und

Fig. 3 und 4 Diagramme, die Beispiele der Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und dem bezo- gen-en elektrischen Energieverbrauch dar

stellen.

Es wird zunächst der übliche Prozess beschrieben, bei dem Rohmaterial unter Verwendung eines üblichen Lichtbogenofens und der dazugehörigen Ausrüstung eingeschmolzen wird.

In Fig. 1 wird der Primärseite eines Ofentransformators A aus einer Hochspannungs- oder Höchstspannungsversorgung 1 über einen Trennschalter 2 und einen Leistungsscha Lter 3 elektrische Energie zugeführt. Der Ofentransformator 4 ist mit einem Lastschalter 5 versehen und die Ausgangsspannung an der Sekundärseite des Transformators einstellbar. Die Ausgangsleistung an der Sekundärseite des Ofentransformators 4 wird den Lichtbogenelektroden 7 eines Lichtbogenofens 6 zugeführt. Mit dem Bezugszeichen 9 ist eine elektrische Schaltung bezeichnet, die die Sekundär sei te des Ofentransformators 4 mit der Lichtbogenelektrode 7 verbindet .

Zum Einschmelzen von Rohmaterial im Lichtbogenofen 6 wird zunächst eine erste Charge an einzuschmelzendem Rohmaterial (Schrott) in den Ofen gebracht. Nach dem Chargieren wird den Lichtbogenelektroden 7 aus dem Ofentransformator 4 über die elektrische Schaltung 9 elektrische Leistung zugeführt, ein elektrischer Lichtbogen gezogen und gebildet, wie dies bekannt ist, und mit dem Einschmelzen des Rohmaterials begonnen. Das Rohmaterial wird in dem Lichtbogenofen aufgrund der durch den Lichtbogen verursachten Hitze bei hoher Temperatur geschmolzen. Wenn der SchmeLzprozess des Rohmaterials fortschreitet, wird dieses allmählich in ein Metallschmelzbad umgewandelt, das Volumen des Rohmaterials nimmt ab, der Lichtbogen wird zeitweise unterbrochen und zusätzliches Rohmaterials chargiert. Das zusätzlich chargierte Rohmaterial wird in der gleichen Weise eingeschmolzen. Nachdem der Einschmelzvorgang des gesatnten Rohmaterials beendet ist, ist dieses vollständig in ein Metallschmelzbad umgewandelt und es schließt sich in bekannter Weise ein Frischprozess an. In der Frischperiode wird Sauerstoff eingeblasen und die Schlacke entfernt, wie dies allgemein bekannt ist. Nach Beendigung des Frischens wird abgestochen. So wie beschrieben läuft üblicherweise der Einschmelzprozess ab.

Wenn der beschriebene Ei nsc hme lz.p rozess des Rohmaterials durchgeführt werden soll, wird der Wert des elektrischen Stroms, der den Lichtbogen elektroden? zuzuführen ist, zunächst in der folgenden Weise aufgrund verschiedener Faktoren berechnet, die charakteristisch sind für den Ofentransformator 4, den Lichtbogenofen 6 und die verbindende elektrische Schaltung 9. Das heißt, der von der Sekundärseite des Ofentransformators zur Lichtbogenelektrode fließende Sekundärstrom I wird ermittelt durch die Gleichung 10

d[P./(P_i-P_L-q_L)]/dI=0

wobei P. die Ausgangsleistung auf der Sekundärseite des Ofentransformators, P, die gesamten Ohmschen Verluste der Sekundärwicklung des Ofentransformators und der elektrischen Schaltung, die die Sekundärwicklung mit der Lichtbogenelektrode verbindet, und q. die thermischen Verluste des Lichtbogenofens bedeuten. Die Gleichung kann von Hand, einfacher jedoch durch numerische Berechnung mittels eines elektronischen Rechners, wie es im folgenden beschrieben wird, gelöst werden.

Wenn der Lichtbogenelektrode z.um Einschmelzen des Rohmaterials in dem Lichtbogenofen wie erwähnt ein elektrischer

25' Strom zugeführt wird, dann wird dieser von der Sekundärwicklung des Ofentransfοrmators gelieferte elektrische Strom so gesteuert, daß er mit dem elektrischen Strom übereinstimmt, der als Lösung der oben erwähnt en ' G'lei ch.ung erhalten wird. Die Steuerung erfolgt durch Ändern der Ab- griffe des Ofentransformators 4 oder durch Anheben und Absenken der Bogene lektroden 7 mittels einer Elektrodenhubvorrichtung 8 des Lichtbogenofens 6,um die Länge des Lichtbogens z:u ändern, während gleichzeitig die Stärke des von der Sekundärseite des Ofentransformators zur Lichtbogenelektrode fließenden elektrischen Stromes mit einem

bekannten Meßinstrument gemessen wird. Wird der Lichtbogenofen mit einem elektrischen Strom betrieben, der auf diese Weise gesteuert ist, dann wird der elektrische Ener gieverbrauch bei dem Ei η sehme Izprozess erniedrigt und es kann der bezogene elektrische Energieverbrauch minimal gehalten werden.

Es wird im folgenden theoretisch erklärt, warum ein elektrischer Strom,der der obengenannten Gleichung 10

genügt, den bezogenen elektrischen Energieverbrauch zu einem Minimum macht.

Fig. 2 zeigt ein den Wärmeverbrauch des Lichtbogenofens darstellendes Modell. In dieser Figur bedeuten E die durch die Materialien im Ofen gehaltene Wärme, P. die Ausgangsleistung auf der Sekundärseite des Ofentransfοrmators 4, P. die gesamten Ohmschen Verluste der Sekundärwicklung des Ofentransformators und der elektrischen Schaltung 9, P der in den Lichtbogenofen in Form von

Hitze des elektrischen Lichtbogens eingebrachte Wärmestrom und Q die dem Lichtbogenofen nicht in Form von elektrischer Energie sondern durch Sauerstoffblasen oder einen Hilfsölbrenner zugeführte thermische Energie, q. steht für die Wärmeverluste des Ofenkörpers. Die Beziehung zwischen den genannten Größen läßt sich für ein Zeitintervall At ausdrucken durch

(P_L + q_L3At (1).

Falls die Zeitdauer vom Beginn bis z.um Ende des Einschmelzvorganges t ist, wird die Beziehung (1) zu

E₀=P₁-t+Q-(P_L+q )t (2)

G leichung (2) nach t auf ge Löst Laut et

ο ■ ι ■■ L L

Da andererseits der bezogene elektrische Energieverbrauch gemäß ' D-efini t ion der elektrischen Energiezufuhr pro Masseneinheit des chargierten Rohmaterials entspricht, stellt sich der auf die chargierte Masse M bezogene elektrische Energieverbrauch W dar durch 10

W=P.-t/M (4).

Ersetzt man t in Gleichung (4) durch Gleichung (3), dann wird Gleichung (4) zu

W = P₁-(E₀-Q)ZCM(P₁-P₁-Q₁)] (5).

Da in Gleichung (5) E , Q, M und q. unabhängig von dem elektrischen Strom I sind,der von der Sekundärseite des Ofentransformators zur LichtbogeneLektrode fließt, während P. und P. Funktionen des elektrischen Stromes I sind, ist es ausreichend, P./CP.-P-q.) zu minimieren, um W zu minimieren. Die Größe P./(P.-P,-q.)steLlt sich, wie durch Rechnung ermittelt wurde,.als Kurve zweiten Grades dar.

Demzufolge wird eine Minimierung des elektrischen Stroms I erhalten, wenn man die Ableitung von P./(P.-P -q. ) zu Null macht, d.h. wenn man die Größe des elektrischen Stromes so festlegt, daß sie der Gleichung

d{P_i/(P_i-P_L-q_L)]7dl=0 ; U)

genügt. Wenn der Lichtbogenofen mit diesem Wert des elektrischen Stromes I betrieben wird, kann der bez.ogene e le-kt r.i s ehe Energieverbrauch minimiert werden. 35

Wenn der den bezogenen elektri sehen Energieverbrauch minimierende elektrische Strom ermittelt werden soll, kann er bestimmt werden, indem mittels Gleichung (5) unmittelbar die Beziehung zwischen dem bezogenen elektrischen Energieverbrauch W und dem elektrischen Strom I berechnet wird und praktisch der Wert von I herausgefunden wird, der der Gleichung (6) genügt. Da im vorliegenden Fall Q die Reaktionswärme mit Sauerstoff zur Zeit des Sauerstoffb Iasens darstellt, kann der Wert durch die Betriebsbedingun-. gen des Ofens bestimmt werden. Die Wärmeverluste q des Ofens können durch die Wärmebilanz und Meßdaten bestimmt werden. Mit dem Kurzschlußwiderstand r des elektrischen

Lichtbogenofens lassen sich die Ohmschen Verluste P. außerdem ausdrucken durch
15

P =^T ·r

^KL ^^{1 r}o

r kann in einem Kurzschlußtest des elektrischen Lichtbogenofens ermittelt werden. Es ist außerdem bekannt, daß

sich P. ausdrücken läßt durch

wobei

Pf₂ = yi-[(i.x_s/v_2o)-R_Fi< 25

R_c = α/(Ι/Ι_ς:>² + 1-α

Γ Q

Hierbei bedeuten α einen numerischen Faktor, I„ den Kurzschlußstrom, I den Bet ri ebs st rom, V,. die Primärspannung des Transformators, X_T die Reaktanz des Transformators, X₂ die Kurzschlußreaktanz, V₂ die Sekundärspannung des Transformators, Pf₂ den Leistungsfaktor und Rp den Reaktanz- bzw. Blindfaktor. Demgemäß kann Gleichung (5) numerisch ausgewertet werden, indem Gebrauch

gemacht wird z.B. von einem ELektronikrechner und den · obengenannten verschiedenen Werten, die sich auf den Lichtbogenofen und den Li e ht bogent ransf ormato r, der im Ofenbetrieb benutzt wird, beziehen. Demzufolge kann die Beziehung zwischen dem konkreten Wert des elektrischen Stromes I und dem bezogenen elektrischen Energieverbrauch W ermittelt werden. Auf der Grundlage der erhaltenen Beziehung kann der elektrische Strom I ausgewählt werden, der den bezogenen e tekt ri se her* -Energieverbrauch W minimiert.

In Fig. 3 ist die so erhaltene Beziehung zwischen dem elektrischen Strom I und dem bezogenen eLektrise hen Energieverbrauch W auf der Grundlage der obigen numerischen Berechnung für einen bestimmten Lichtbogenofen und einen .;..-■ best i mmt en Of ent r ansf ο rmato r da r gest e I It. Di e Daten des Lichtbogenofens, des Ofentransformators etc. sind die folgenden:

Gewicht des Metallschmelzbades: 82,3 t, Gewicht der Schlacke: 6,8 t, Durchsatz des geblasenen Sauerstoffs: 8,5 nHN/t, thermischer Wirkungsgrad beim Schmelz.prozess: 0,83,

Wärmeverluste des Ofens q : 4,75 MW,

He	75 M ι nut en,	f
0	πιΩ,	πιΩ,
^V1
^XS	kA, und
α	mü.
¹S
V
ιzzeit:
0,852
610 V
3,43
o,i,
99,7
0,509

Aus dem in Fig. 3 dargestellten Ergebnis kann entnommen werden, daß der bezogene elektrische Energieverbrauch W bei einem elektrischen Strom I von 4OkA zu einem Minimum wird und daß der minima le Wert von W 398,2 kWh/t beträgt.

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Fig. 4 zeigt das Ergebnis, das durch Berechnung von Gleichung (5) erhalten worden ist, wobei der Faktor (E -Q)/M aLs vom eLektrischen Strom I unabhängiger numerischer Faktor faLLengeLassen ist. Es ist auch aus dem in dieser Figur¹ dargesteLLten Ergebnis ersichtlich, daß der bezogene elektrische Energieverbrauch zu einem Minimum wird, wenn der elektrische Strom I 40 M beträgt, ähnlich wie im FaLL von Fig.

Claims

Patentanspruch

Verfahren zum Betrieb eines Lichtbogenofens, bei dem eine im Lichtbogenofen vorhandene Lichtbogenelektrode aus einem Ofentransformator mit elektrischer Leistung gespeist wird, von der LichtbogeneLektrode ein Lichtbogen ausgeht und in den Lichtbogenofen chargiertes Rohmaterial geschmolzen wird, gekennzei chnet durch die folgenden Schritte:

es wird zunächst der elektrische Strom I ermittelt, der der Gleic hung

genügt, wobei

P. = Ausgangsleistung auf der Sekundärseite des Ofentransformator,

P, = Gesamtwert der Ohmschen Verluste der Sekundärwicklung des Ofentransformators und der die Sekundärwicklung mit der Lichtbogenelektrode verbindenden elektrischen Schaltung, q. = Wärmeverlust des Ofens und

I = von der Sekundär sei te des Ofentransformators zur Lichtbogenelektrode fließender elektrischer Strom, und es wird der Lichtbogenelektrode von der Sekundärseite des ■ Ofentransformators ein elektrischer Strom zugeführt, der

Radecfcesiraäe 43 8000 München 60 Telefon (089) 383603/883604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult

Sonneriberger straae 43 62E0 Wiesbaden Telefon (06121) 56 29 43 / 56¹? 98 Telex 41S6237 Telegramme Patentconsult

dem auf diese Weise bestimmten Stromwert entspricht, um durch den von der Lichtbogenelektrode ausgehenden Lichtbogen das im Lichtbogenofen befindliche Rohmaterial zu schmelzen.