DE3733077A1 - Wechselstrom-lichtbogenofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselstrom-Lichtbogenofen mit oberhalb des Schmelzgutes angeordneten Elektroden.

Ein Elektro-Lichtbogenofen dient dazu, in fester Form vorliegen­ den Stahl, beispielsweise Schrott, in die flüssige Phase zu überführen. Dabei liegt das zu schmelzende Material in einem Herd bzw. einer Pfanne, die nach oben durch einen abnehmbaren Deckel geschlossen ist, an dem im Falle des gebräuchlichsten Prinzips, dem Drehstrom-Lichtbogenofen, drei Graphitelektroden axial in Richtung auf das Schmelzgut verschiebbar befestigt sind. Die Elektroden sind an die Sekundärwicklung eines Ofen­ transformators angeschlossen, dessen Primärwicklung vom Dreh­ stromnetz gespeist ist. Nach dem Zünden brennen die Lichtbögen zwischen den drei Elektroden einerseits und dem Schmelzgut an­ dererseits. Diese Lichtbögen wandeln die elektrische Energie in Wärme um, die an das Schmelzgut abgegeben wird.

Beim Betrieb eines solchen Lichtbogenofens entstehen insbeson­ dere während des Schrotteinschmelzens durch Lichtbogenabrisse und -kurzschlüsse heftige Wirk- und Blindlastschwankungen sowie eine stark unterschiedliche Belastung der Netzphasen. Dies ver­ ursacht Spannungsschwankungen im Versorgungsnetz und damit das sogenannte Lichtflickern sowie hohe Geräuschpegel am Ofen selbst. Um diese Nachteile des Drehstrom-Lichtbogenofens zu vermeiden bzw. zu mildern, ist es, beispielsweise aus der Zeit­ schrift "Stahl und Eisen" 104 (1984) Nr. 10, Seite 51 ff. unter dem Titel "Untersuchungen über Geräusch- und Flickerentwicklung eines Gleichstrom-Lichtbogenofens" bekannt, Lichtbogenöfen mit Gleichstrom zu betreiben. Ein solcher Gleichstrom-Lichtbogenofen ist beispielsweise in der Zeitschrift "Iron and Steel Engineer", May 1985, Seite 50 ff. unter dem Titel "Single electrode d-c arc furnace" beschrieben. Als weiterer Vorteil des Gleichstrom- Lichtbogenofens fällt der gegenüber dem Drehstrom-Lichtbogenofen geringere Elektrodenabbrand ins Gewicht. Der Hauptnachteil des Gleichstrom-Lichtbogenofens resultiert aus der Notwendigkeit der Anordnung einer sogenannten Bodenelektrode im Zentrum des Pfannenbodens. Sie ist aufwendig, unterliegt der Verschleiß und muß demzufolge in Abständen ersetzt werden. Außerdem sind wegen der abweichenden Konstruktion vorhandene Drehstrom-Lichtbogen­ öfen nicht ohne wesentlichen Umbau als Gleichstromöfen nachrüst­ bar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile des Dreh­ strom-Lichtbogenofens mit den Vorteilen des Gleichstrom-Lichtbo­ genofens zu verbinden mit der Möglichkeit, vorhandene Drehstrom­ öfen durch Umrüstung so zu betreiben, daß ihre Funktionsweise der eines Gleichstromofens zumindest nahe kommt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Dadurch ist erreicht, daß ein vorhandener Dreh­ stromofen durch das Einfügen eines Umrichters zwischen die se­ kundärseitigen Transformatoranschlüsse und die Elektrodenan­ schlüsse, im gleichstromartigen Betrieb mit den bereits beschrie­ benen Vorteilen gefahren werden kann. Unter gleichstromartigem Betrieb soll eine Betriebsweise mit Strömen verstanden werden, deren Polarität mit gegenüber der Netzfrequenz niedrigerer Fre­ quenz, vorzugsweise unter 10 Hz wechselt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgen­ den näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines im gleichstromartigen Be­ trieb gefahrenen Drehstrom-Lichtbogenofens,

Fig. 2 eine Variante des Stromverlaufs in den drei Ofenelektro­ den,

Fig. 3 eine andere Variante des Stromverlaufs in den Ofenelek­ troden und

Fig. 4 eine vereinfachte Schaltungsanordnung mit separaten Um­ schaltmitteln für die drei Elektroden.

In Fig. 1 ist das Ofengefäß 1 bereits mit einer flüssigen Schmel­ ze 2 gefüllt und die im Ofendeckel 3 vertikal verschiebbar gela­ gerten Graphitelektroden 4, 5, 6 sind in zündfähiger Position über der Schmelze angeordnet. Der Ofentransformator 7 mit seiner am Drehstromnetz 8 angeschlossenen Primärwicklung 9 und seinen Sekundärwicklungen 10, 11, 12 speist über drei sogenannte Um­ kehrstromrichter 13, 14, 15 über Glättungsinduktivitäten 16, 17, 18 die Elektroden 4, 5, 6. Die Frequenz der Umrichter wird von einem Steuersatz 19 bestimmt. Die Wirkungsweise dieser Schal­ tungsmittel ist in dem Buch "Netzgeführte Stromrichter mit Thyristoren" von G. Möltgen, 3. Auflage, 1974, unter dem Titel "Umkehrstromrichter", Seite 264 ff. und "Direktumrichter", Seite 291 ff. beschrieben und bedarf daher keiner näheren Er­ läuterung. Die Umkehrstromrichter 13, 14, 15 können in Stern- oder Dreieckschaltung betrieben werden, wobei letztere im Hin­ blick auf die Ventilausnutzung Vorteile besitzt. Die Glättungs­ induktivitäten 16, 17, 18 stabilisieren den Lichtbogenstrom und können als Drosselspulen oder als Leitungsinduktivitäten ausge­ bildet sein.

In Fig. 2 ist der mögliche Stromverlauf in den drei Ofenelektro­ den in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die mit Hilfe des Steuersatzes 19 gewählte Frequenz liegt dabei zweckmäßigerweise weit unter 10 Hz. Aus den Stromkonturen i ₄ für die Elektrode 4, i ₅ für die Elektrode 5 und i ₆ für die Elektrode 6 ist zu erken­ nen, daß die Gesamtstrombelastung des Transformators, der Strom­ richter und der Elektroden gleichmäßig ist. Die Übergänge zwi­ schen den einzelnen Stufen und damit auch die Polaritätsumkehr der Elektroden wird so steil wie möglich gewählt, so daß der Lichtbogen nicht abreißt. Dies führt zu einer Verstetigung der Lichtbögen und damit zu einer Verringerung der Geräuschbildung.

In Fig. 3 ist durch entsprechende Steuerung der Umrichter ein anderes Stromprofil gewählt, bei dem die Elektrode mit der je­ weils negativen Polarität (Kathode) den doppelten Strom führt wie die beiden anderen Elektroden mit der jeweils positiven Polarität (Anoden). Dadurch ist erreicht, daß die als Anoden arbeitenden Elektroden, die bei gleicher Stromstärke einer höhe­ ren thermischen Belastung ausgesetzt sind als die Kathodenelek­ trode thermisch entlastet werden, was zu einer deutlichen Ver­ ringerung des Spitzenabbrandes dieser Elektroden führt und die Lebensdauer aller Elektroden verlängert.

In Fig. 4 ist eine besonders einfache Ausführungsform der Anord­ nung gezeigt, bei der als Umrichter eine Kombination von Strom­ richtern mit einem mechanischem Umschalter benutzt ist. Dabei besitzt der Ofentransformator 20 mit seiner Primärwicklung 21 nur zwei Sekundärwicklungen 22, 23, in Stern- und Dreieckschal­ tung. Beide Wicklungen sind mit je einem Drehstrom-Vollweg­ gleichrichter 24, 25 verbunden, die gleichstromseitig mit ei­ nem gemeinsamen Minuspol gegeneinander geschaltet sind und deren Pluspole über Glättungsinduktivitäten 26, 27 an einen dreipoli­ gen Umschalter mit drei Ebenen geführt sind. Dadurch ist der gemeinsame Minuspol mit den Kontakten a 1, b 2, c 3 und der Plus­ pol des Gleichrichters 24 mit den Kontakten b 1, c 2, a 3 und der Pluspol des Gleichrichters 25 mit den Kontakten c 1, a 2 und b 3 verbunden. Die gemeinsamen Pole der Schaltebenen D 1, D 2 und D 3 sind an je eine Elektrode 4, 5, 6 des Lichtbogenofens ange­ schlossen. Mit dieser einfachen Anordnung ist es möglich, die Umschaltfrequenz so niedrig zu wählen, daß von Charge zu Charge die Polarität der Elektroden gewechselt wird. Bei dieser Anord­ nung fließt ebenfalls in den Anoden-Elektroden der halbe Strom der Kathoden-Elektrode. Dies führt zu einem niedrigerem Elek­ trodenverschleiß und die Möglichkeit der Umschaltung bewirkt einen insgesamt gleichmäßigen Elektrodenabbrand.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist neben den gewählten Beispie­ len für die üblichen Dreielektrodenöfen auch für alle anderen Mehrelektrodenöfen sinngemäß anwendbar. Bei Zweielektroden­ öfen entfällt natürlich der Vorteil des niedrigeren Abbrandes durch die beschriebene polaritätsabhängige Stromsteuerung.

Claims (4)

1. Wechselstrom-Lichtbogenofen mit oberhalb des Schmelzgutes angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem aus einem Wechselstromnetz (8) ge­ speisten Ofentransformator (7) und den Elektroden (4, 5, 6) ein Umrichter (13, 14, 15, 19) angeordnet ist, der die Netz­ frequenz auf einen niederfrequenteren Wert der Elektrodenströme umsetzt.

2. Wechselstrom-Lichtbogenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter (13, 14, 15, 19) die Frequenz der Elektrodenströme auf einen Wert unter 10 Hz umsetzt.

3. Wechselstrom-Lichtbogenofen nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Dreiphasen-Ofentransformator zur Speisung eines Dreielektroden- Lichtbogenofens, dadurch gekennzeichnet, daß jeder sekundären Drehstromphase ein Umkehr-Stromrichter in Dreieckschaltung und zwischen diesen und den zugeordneten Elek­ troden (4, 5, 6) Glättungsinduktivitäten (16, 17, 18) angeord­ net sind.

4. Wechselstrom-Lichtbogenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerung der Umrichter (13, 14, 15, 19) in der Weise, daß die Elektrode mit der jeweils negativen Polarität (Kathode) den doppelten Strom führt wie die beiden anderen Elektroden mit der jeweils positiven Polarität (Anoden).