DE3608338A1 - Hydraulischer stellantrieb fuer einen elektrodentragarm eines lichtbogenofens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Stellantrieb für einen Elektrodentragarm eines Lichtbogen- oder Pfannen­ ofens nach dem Obergriff des Anspruchs 1.

Bei den genannten Öfen werden in der Regel 3 Elektroden, die einen Ofengefäß-Deckel durchsetzen, von jeweils einem mit Hilfe eines Plungerzylinders vertikal verfahrbaren Elektrodentragarm gehalten. Der Elektrodentragarm besitzt eine Stromführung über die der Strom an die Elektrode ge­ führt wird.

Abhängig von bestimmten Betriebsbedingungen, wie beispiels­ weise Füllstand des Ofens, Abbrand der einzelnen Elektroden und dergleichen, müssen die einzelnen Elektroden unter Um­ ständen sehr rasch nach oben oder nach unten verfahren oder in einer bestimmten Höhe gehalten werden können. Dies geschieht mit Hilfe eines hydraulischen Stellantriebs. Bei einer speziellen Art solcher Stellantriebe speist ein in einem Hydrospeicher mit relativ hohem Druck gespeichertes Fluid über eine Pumpe den Plungerzylinder des betreffenden Elektrodentragarms, wenn dieser nach oben verfahren werden soll. Bei einer Abwärtsbewegung des Elektrodentragarms wird ein in der Hydraulikleitung befindliches Mehrwegeventil so verstellt, daß das Fluid aus dem Zylinder entweder in einen als Gegengewichtskessel dienenden zweiten Hydrospei­ cher oder aber direkt in einen Fluidtank gelangt. Im erst­ genannten Fall sind also insgesamt zwei Hydrospeicher mit unterschiedlichem Druckniveau erforderlich. Im letztgenann­ ten Fall geht die bei der zuvor erfolgten Aufwärtsbewegung gespeicherte Energie restlos verloren.

Verwendet man einen Gegengewichtskessel, so muß in diesem der Gegengewichtsdruck relativ niedrig eingestellt werden, weil unter Umständen sehr rasche Bewegungen der Elektrode zu erfolgen haben. Denkbar wäre es, das Fluid aus dem Ge­ gengewichtsspeicher mit Hilfe einer Pumpe in den unter höherem Druck stehenden Hydrospeicher zu fördern. Weil aber in dem Gegengewichtsspeicher ein ziemlich niedriger Druck herrscht, verzichtet man auf eine solche Maßnahme und läßt das Fluid aus dem Gegengewichtsspeicher in den Fluidtank ab. Die zum Hochfahren der Elektrode aufzubringende Energie geht also bei diesem Stellantrieb trotz Verwendung eines Gegengewichtsspeichers später restlos verloren. Deshalb arbeitet dieser bekannte Stellantrieb mit sehr hohem Ener­ gieaufwand.

Eine andere Möglichkeit zur Ausbildung des hydraulischen Stellantriebs eines Elektrodentragarms besteht darin, in dem Elektroden-Hubwerk zwei Zylinder vorzusehen, wobei der eine Zylinder als Regulierzylinder dient und mit einem Regulierspeicher verbunden ist, während der andere Zylinder als Gegengewichtszylinder arbeitet und deshalb mit einem Gegengewichtsspeicher verbunden ist. Wie bei dem oben näher erläuterten bekannten Stellantrieb muß auch hier der Druck im Gegengewichtsspeicher relativ niedrig eingestellt werden, um rasche Bewegungen der Elektrode zu ermöglichen. Die Gesamtanlage für jeweils einen Elektrodentragarm ist relativ aufwendig; denn es sind zwei Speicher und zwei Zylinder sowie doppelte Leitungsführungen notwendig. Ein solcher Stellantrieb erfordert beispielsweise bei einem Abstichvolumen von 60 t und einem Elektrodendurchmesser von 550 mm eine Leistung von 2×55 kW. Diese Leistung muß nicht kontinuierlich zur Verfügung stehen, sondern nur während etwa einer Einschaltdauer von 50% der gesamten Betriebszeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydrau­ lischen Stellantrieb, der eingangs genannten Art, derart weiterzubilden, daß mit einem wesentlich niedrigeren Ener­ gieaufwand gearbeitet werden kann. Der Energieaufwand soll gegenüber den erwähnten bekannten Stellantrieben um mindestens die Hälfte herabgesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb wird zum Halten des Elektrodentragarms mit der daran befestigten Elektrode praktisch nur diejenige Energie benötigt, die durch Rei­ bungsverlust und dergleichen im Kurzschlußweg der Hydrau­ likpumpe entstehen. Der Druck im Hydrospeicher ist etwa genau so groß oder geringfügig höher als im Plungerzylinder. Bei einer Aufwärtsbewegung des Elektrodentragarms kann daher die saugseitig mit dem Hydrospeicher verbundene Pumpe genügend rasch eine ausreichend große Menge Fluid in den Plungerzylinder pumpen, so daß die Aufwärtsbewegung sehr rasch vonstatten geht. Entsprechendes gilt für die Abwärts­ bewegung des Elektrodentragarms. Die Hydraulikpumpe ist eine Konstantvolumen-Pumpe, vorzugsweise eine Pumpe mit polumschaltbarem Motor für verschiedene Maximalgeschwindig­ keiten.

Der erfindungsgemäße hydraulische Stellantrieb kommt mit wesentlich weniger Antriebsleistung und mithin Antriebs­ energie aus, als die bekannten Stellantriebe. Bei einem Lichtbogenofen mit einem Abstichgewicht von 60 t und einem Elektrodendurchmesser von 550 mm werden nur ca. 3×8 kW be­ nötigt. Während des Ofenbetriebs arbeiten die Pumpen zwar fortlaufend, jedoch ist die in der Haltestellung der Elek­ trodentragarme aufzubringende Energie nur extrem gering, da - wie gesagt - die im Leerlauf arbeitende Pumpe nur die Druckverluste ausgleichen muß.

Bei Aufwärts- und Abwärtsbewegungen muß zusätzlich der Druckverlust im Leitungssystem zwischen Hydrospeicher und Plungerzylinder kompensiert werden. Zur Vermeidung des Druckverlusts an den Ventilkanten kann auf ein an sich be­ kanntes Bypass-System übergegangen werden, bei welchem der Hydrospeicher über Schaltventile direkt mit der Saugseite der Pumpe und der Zylinder direkt mit der Druckseite der Pumpe verbunden wird.

Vergleicht man den Energieaufwand des eingangs erläuterten bekannten Stellantriebs mit dem erfindungsgemäßen Stellan­ trieb, so ergibt sich folgendes: Bei einem herkömmlichen Stellantrieb mit einer aufzubringenden Leistung von 2×55 kW und einer jährlichen Betriebszeit von 7000 Stunden, wird bei einer Einschaltdauer bzw. Ausnutzung von 50% eine Gesamt­ energiemenge von 385 000 kWh benötigt. Dem gegenüber beträgt der Energieverbrauch bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb nur 84 000 kWh, also etwa nur 1/4 des Energieverbrauchs des bekannten Stellantriebs.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze eines hydraulischen Stellantriebs für einen Elektrodentragarm eines Lichtbogenofens, und

Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungs­ form der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein sich auf einem Träger abstützender Plungerzylinder 1 dargestellt, auf dessen Oberseite recht­ winklig ein Elektrodentragarm 2 angeordnet ist. An seinem äußeren Ende trägt der Elektrodentragarm 2 eine Elektrode 4. Bei einem Lichtbogenofen sind üblicherweise drei derartige Anordnungen vorhanden. Der Elektrode 4 wird über eine am Elektrodentragarm 2 angeordnete Stromführung elektrischer Strom zugeführt, wozu an den Elektrodentragarm ein Strom­ kabel 3 angeschlossen ist.

Im Betrieb des Lichtbogenofens müssen die einzelnen Elek­ troden 4 und mit ihr der Elektrodentragarm 2 und der be­ wegliche Teil des Plungerzylinders 1 rasch nach oben und nach unten bewegt werden können und die Anordnung muß außerdem in einer gewünschten Lage gehalten werden können.

Hierzu ist der im folgenden näher erläuterte hydraulische Stellantrieb vorgesehen. Der Plungerzylinder 1 ist über eine Leitung L 1 an den Ausgang A eines 4/3-Wegeventils 5, das ein Proportionalventil ist, angeschlossen. Von einem Hydrospeicher 6, der über eine Füll-Leitung L 9, L 10 durch eine Pumpe einmal aufgefüllt wird, und in welchem das Fluid unter einem Druck steht, der gleich oder etwas höher ist als der Druck im Zylinder 1, gelangt Fluid über eine Leitung L 2 und ein in dieser Leitung befindliches Filter 7 für das Fluid an einen Eingang B des 4/3-Wegeventils 5. In der Mittelstellung verbindet der mittlere Abschnitt des 4/3-Wegeventils 5 zwei Leitungen L 3 und L 4, die über eine Leitung L 5 an die Druckseite einer Hydraulikpumpe 8 bzw. über eine Leitung L 6 an die Saugseite der Pumpe 8 angeschlossen sind.

Bei der Hydraulikpumpe 8 handelt es sich beispielsweise um eine Zahnradpumpe mit polumschaltbarem Motor für verschie­ dene Maximalgeschwindigkeiten. Von der Druckseite D der Pumpe 8 führt über ein Druckbegrenzungsventil 9 eine Leitung L 8 zum Hydrospeicher 6. Das Druckbegrenzungsventil 9 ist ein Sicherheitsventil das anspricht, wenn ein vorge­ gebener Maximaldruck, beispielsweise beim Blockieren der Elektrodenhubvorrichtung, überschritten wird. Die Saug­ seite S der Pumpe 8 ist über die Leitung L 6 und eine Zwischenleitung L 7, in der sich ein Differenzdruckventil 11 befindet, an die Leitung L 2 angeschlossen. Das Diffe­ renzdruckventil 11 spricht an, wenn der Differenzdruck zwischen Saugseite S der Pumpe 8 und dem Hydrospeicher 6 einen vorgegebenen Wert überschreitet und liefert dann Fluid aus dem Speicher 6 zur Saugseite S der Pumpe 8. Hierdurch wird eine Beschädigung der Pumpe verhindert, wenn bei einer Störung im Hydrauliksystem auf anderem Wege kein Fluid zur Saugseite S der Pumpe geliefert wird.

In der in Fig. 1 dargestellten Stellung ist die Pumpe 8 über die Leitungen L 3 bis L 6 und das Verbindungsstück im Ventil 5 kurzgeschlossen. Das Fluid in der Leitung L 1 und in dem Plungerzylinder 1 wird gehalten, so daß sich die Elektrode 4 nicht bewegt. Die Pumpe 8 arbeitet nun mit sehr geringer Leistung, da sie lediglich die Reibungs­ verluste in dem Kurzschlußweg zu überwinden hat.

In der Leitung L 3 befindet sich ein Wärmetauscher 10, der zum Kühlen des durch den Hydraulikkreis strömenden Fluids dient.

Soll der Elektrodentragarm 2 rasch nach oben gefahren werden, wird das 4/3-Wegeventil 5 in die Stellung "a" ge­ bracht, so daß die Leitung L 3 mit der Leitung L 1 und die Leitung L 4 mit der Leitung L 2 verbunden ist. Demnach ist die Druckseite D der Pumpe 8 über die Leitungen L 1, L 3 und L 5 an den Plungerzylinder 1 angeschlossen, während die Saugseite S der Pumpe 8 über die Leitungen L 6, L 4 und L 2 mit dem Hydrospeicher 6 verbunden ist. Da das Fluid in dem Hydrospeicher 6 unter einem Druck steht, der gering­ fügig größer ist als der Druck im Zylinder 1, der Druck­ unterschied beträgt vorzusweise 3 bis 4 bar, bei einem absoluten Druck von etwa 100 bis 120 bar im Hydrospeicher, wird von der Pumpe 8 sehr schnell Fluid in den Zylinder 1 gepumpt, so daß der Elektrodentragarm und mit ihm die Elektrode 4 sehr schnell nach oben gefahren wird.

Soll der Elektrodenarm 2 mit der Elektrode 4 nach unten verfahren werden, wird das 4/3-Wegeventil 5 in die Stel­ lung "b" gebracht, so daß die Leitung L 3 mit der Leitung L 2 verbunden ist, während die Leitung L 4 mit der Leitung L 1 in Verbindung steht. Dies bedeutet: die Druckseite D der Pumpe 8 ist mit dem Hydrospeicher 6 verbunden, während die Saugseite S der Pumpe 8 an den Zylinder 1 angeschlos­ sen ist. Hierdurch wird sehr rasch Fluid aus dem Zylinder 1 in den Hydrospeicher 6 gepumpt.

Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungs­ form der Erfindung. Gleiche Teile sind mit den entsprechen­ den Bezugszeichen versehen. Bei dem 4/3-Wegeventil 5′ in Fig. 2 existiert eine Verbindung zwischen den Leitungen L 4 und L 2, wenn sich dieses Wegeventil in der dargestell­ ten Mittelstellung befindet. Damit ist in der Haltestel­ lung des Elektrodentragarms über das Filter 7 eine Ver­ bindung zwischen der Pumpe 8 und dem Hydrospeicher 6 vor­ gesehen, und es kann auf das Differenzdruckventil 11 ver­ zichtet werden.

Fig. 2 zeigt eine weitere Modifikation gegenüber dem Stell­ antrieb nach Fig. 1. Es ist eine Bypass-Schaltung zu dem 4/3-Wegeventil 5′ vorgesehen, die bei schnellen Hubvor­ gängen das 4/3-Wegeventil überbrückt. Die Bypass-Schaltung, die auch bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 1 vorteilhaft ist, besteht aus Zweigleitungen L 12 und L 13, die einerseits die Druckseite D der Pumpe 8 unmittelbar mit der zum Plungerzylinder 1 führenden Leitung L 1 und andererseits die Saugseite S der Pumpe 8 mit der zum Hydro­ speicher 6 führenden Leitung L 2 verbinden. In den Zweig­ leitungen L 12 und L 13 ist jeweils ein 2/2-Sitzventil 12 bzw. 13 angeordnet, das als Sperrventil ausgebildet ist.

Die 2/2-Wegeventile 12 und 13 können aus der dargestellten Sperrposition a elektromagnetisch gegen eine Vorspannung in eine Durchgangsposition b gesteuert werden, in der sie unter Umgehung des Proportionalventils 5′ den Hydrospeicher 6 über die Pumpe 8 unmittelbar mit dem Plungerzylinder 1 verbinden. Auf diese Weise kann die größere Menge an Hydrau­ likflüssigkeit zum schnellen Anheben der Elektrode im Falle eines Schrotteinsturzes oder bei Beendigung des Einschmelz­ prozesses dem Plungerzylinder 1 unmittelbar zugeführt werden und es ist auf diese Weise möglich, das 4/3-Wege­ ventil 5′ in Standardausführung, d.h. mit den üblichen kleinen Leitungsquerschnitten, wie sie für den Regelvor­ gang der Elektroden notwendig sind, auszubilden. Ist die Bypass-Schaltung nicht vorgesehen, dann muß um ein schnel­ les Anheben der Elektrode zu ermöglichen, das 4/3-Wege­ ventil mit größeren Leitungsquerschnitten ausgebildet sein, da dann die gesamte für den Hubvorgang erforderliche Menge an Hydraulikflüssigkeit über dieses Ventil geführt werden muß. Dies bedingt eine Verlängerung der Ansprech­ zeit, d.h. eine Verlangsamung des Regelverhaltens im normalen Regelbetrieb.

Das Stellsignal für die Elektromagneten der 2/2-Wegeventile 12 und 13 kann entweder vom Regler oder auch von der End­ stellung des 4/3-Wegeventils abgeleitet werden. Außerdem ist es zweckmäßig zur Auslösung dieses Stellsignals auch einen Betätigungsknopf am Schaltpult vorzusehen. Wird der Befehl für schnelles Anheben gegeben, dann wird einer­ seits das 4/3-Wegeventil in die Endposition a gesteuert, und entweder von dieser Endposition abgeleitet oder direkt vom Regler abgeleitet, ein Stellsignal zu den 2/2-Wege­ ventilen 12 und 13 gegeben, die dann in die Schaltposition b umwechseln. Ausgelöst durch den Regler oder durch einen oberen Endschalter werden nach dem schnellen Anheben der Elektrode das 4/3-Wegeventil 5′ wieder in den Regelzustand gebracht und die 2/2-Wegeventile 12 und 13 in den Sperr­ zustand.

Da die 2/2-Wegeventile 12 und 13 nur die Aufgabe haben, entweder die Zweigleitungen L 12 und L 13 zu sperren oder freizugeben, können hierfür auch andere Ventile eingesetzt werden, die diese Aufgabe erfüllen.

Claims (9)

1. Hydraulischer Stellantrieb für einen Elektrodentragarm eines Lichtbogen- oder Pfannenofens, mit einem einfach wirken­ den Plungerzylinder (1), einem Mehrwegeventil (5, 5′) einem Hydrospeicher (6) und einer über das Mehrwegeventil zwischen den Plungerzylinder (1) und den Hydrospeicher (6) schaltbaren Hydraulikpumpe (8) mit einer Druckseite und einer Saugseite, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) zur Aufwärtsbewegung des Elektrodentragarms (2) verbindet das Mehrwegeventil (5, 5′) den Plungerzylinder (1) mit der Druck­ seite (D) und den Hydrospeicher (6) mit der Saugseite (S) der Pumpe (8),
• b) zur Abwärtsbewegung verbindet das Mehrwegeventil (5, 5′) den Plungerzylinder (1) mit der Saugseite (S) und den Hydrospeicher (6) mit der Druckseite (D) der Pumpe (8), und
• c) in der Haltestellung des Elektrodentragarms (2) schließt das Mehrwegeventil Saugseite (S) und Druckseite (D) der Pumpe (8) kurz.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hydrospeicher (6) mit der Saugseite (S) der Pumpe (8) über ein bei Überschreiten eines vorgegebenen Differenzdruckes ansprechendes Differenzdruckventil (11) verbunden ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Haltestellung des Elektroden­ tragarms (2) das Mehrwegeventil (5, 5′) eine Verbindung (L 9, L 2 L 4, L 6) zwischen dem Hydrospeicher (6) und der Saugseite (S) der Pumpe (8) herstellt.

4. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Druckseite (D) der Pumpe (8) über ein Druckbegrenzungsventil (9) mit dem Hydrospeicher (6) verbunden ist.

5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Mehrwegeven­ til (5, 5′) ein proportional wirkendes 4/3-Wegeventil ist.

6. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Konstantvolumen-Pumpe ist.

7. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß im Pumpenkreis­ lauf ein Fluidkühler (10) angeordnet ist.

8. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß durch jeweils eine Zweigleitung (L 12 bzw. L 13), die ein steuerbares Ab­ sperrorgan (12 bzw. 13) enthält, die Druckseite (D) der Pumpe (8) unmittelbar mit dem Plungerzylinder (1) und die Saugseite (S) der Pumpe unmittelbar mit dem Hydrospeicher (6) verbunden ist und die Absperrorgane (12 und 13) zur beschleunigten Aufwärtsbewegung des Elektrodentragarms (2) vom Sperr- in den Durchlaßzustand steuerbar sind.

9. Stellantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Absperrorgane als 2/2-Wegesitz­ ventile ausgebildet sind.