DE3810354A1 - Gleichstrom-lichtbogenofenanlage und verfahren zu deren betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrom-Lichtbogenofenan­ lage mit mindestens zwei Elektroden, die über einen Gleichrichter aus dem Wechselstromnetz gespeist werden, wobei eine Elektrode mit dem negativen und die andere Elektrode mit dem positiven Pol des Gleichrichters verbunden ist, im Gleichstromkreis mindestens eine Induktivität eingeschaltet ist, das Ofengefäß auf Referenz­ potential liegt, und Mittel zur Höhenverstellung der beiden Elek­ troden in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Betriebsparame­ tern vorgesehen sind.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Lichtbogenofenanalge.

Eine Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage der eingangs genannten Gat­ tung ist beispielsweise aus dem Kongreß-Bericht "Comparision of the behaviour from the point of view of consuption and disturban­ ces of an electric arc furnace able to operate on both a. c. and d. c." des Europäischen Elektrostahl Kongresses, Florenz, Italien, 29. 9 bis 1. 10. 1986, Insbesondere Fig. 16 auf Seite P3.10/9, im folgenden "EEC-Papier" genannt, bekannt.

Technologischer Hintergrund

Gleichstrom-Lichtbogenöfen bieten gegenüber Wechselstrom-Lichtbo­ genöfen wesentliche Vorteile hinsichtlich Elektrodenverbrauch, Netzrückwirkungen ("Flicker") und Umweltbelastung durch Lärm (vgl. hierzu den Sonderdruck "Aufbau und Betriebserfahrung mit einem 15-t-Gleichstrom-Lichtbogenofen/Die Stromversorgung des er­ sten Wechselstrom-Lichtbogenofens der Firma MAN Unternehmensbe­ reich GHH Sterkrade D-4200 Oberhausen, undatiert, Publikations­ nummer 507 414 (IHE) d 348/1 vu).

Für den Gleichstrombetrieb gibt es grundsätzlich die folgenden Betriebsarten:

• A) unipolar: min. eine Elektrode für den negativen Pol und Stromrückführung über min. eine Bodenelektrode, z. B. gemäß o. g. Sonderdruck MAN;
• B) unipolar: min. eine Elektrode für den negativen Pol und Stromrückführung über eine mit festem Kontakt mit dem Schmelzgut vorgesehene Hilfselektrode (Bad­ elektrode), z. B. gemäß DE-PS 23 40 674;
• C) bipolar: min. 2 Elektroden, wobei eine Elektrode negativ und die andere positiv gepolt ist. Damit entfällt die Bodenelektrode, z. B. gemäß EEC-Papier;
• D) Kombination der Betriebsart A) und C) durch Umschaltung, z. B. gemäß EP-A-0 127 504.

Mit der Betriebsart A) lassen sich die eingangs erwähnten Vor­ teile eines Gleichstrom-Lichtbogenofens optimal ausnützen. Für bestimmte Fälle kann aber keine Bodenelektrode eingesetzt werden, bzw. ist es nicht zweckmäßig, eine solche einzusetzen, z. B. bei der Herstellung von stark legierten Stählen, oder bei Schrottqua­ litäten, die ein öfteres Erneuern der Bodenauskleidung erfordern. In einem solchen Fall kann die Anlage für die Betriebsart B) oder C) konzipiert werden. Beide Betriebsarten haben aber wesentliche Nachteile:

Bei der Betriebsart B) brennen zwei Lichtbögen mit unterschied­ licher Polarität an der Elektrode. Diese haben aber bekanntlich aus physikalischen Gründen ein voneinander stark abweichendes Verhalten.

Bei negativer Elektrode brennt der Lichtbogen sehr stabil mit wenig seitlicher Abstrahlung, wogegen bei der positiven Elektrode der Lichtbogen unstabiler brennt und eine hohe seitliche Abstrah­ lung hat. Dies führt bei der positiven Elektrode zu lokalen Überhitzungen (hot-spots) der Ofenwand.

Nach Lowke (J. Phys. D 12 (1979)) und Strachan (J. Appl. Phys. 48 (1977)) läßt sich errechnen, daß sich der Heizwirkungsgrad von 92% bei negativer Elektrode auf nur noch 23% an der positiven Elektrode reduzieren kann. Die restliche Energie geht z. T. als Abstrahlung verloren, wenn der Lichtbogen frei brennt, d. h. nicht mehr vom Schrott abgedeckt ist. Dieser Effekt wird dadurch ver­ stärkt, daß im bipolaren Betrieb die Lichtbögen elektromagne­ tisch in Richtung Gefäßwand geblasen werden.

Die Betriebsart C) hat bezüglich Lichtbogen die gleiche Qualität wie A), jedoch mit dem Nachteil, daß die Hilfselektrode geringe Standfestigkeit hat, d. h. starkem Verschleiß unterworfen ist, und unter gewissen Bedingungen der Stahlqualität angepaßt werden muß.

Kurze Darstellung der Erfindung

Ausgehend vom Bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage der eingangs genannten Gat­ tung zu schaffen, die einen stabilen Betrieb auch des Lichtbogens der positiven Elektrode ermöglicht und wesentlich weniger seit­ lich abstrahlt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Elektrode eine Elektroden-Verstelleinrichtung zugeordnet ist, daß beide Elektroden unabhängig voneinander verfahrbar sind, und daß sowohl der negativen als auch der positiven Elektrode ein eigener Spannungsregelkreis zugeordnet ist.

Die Nachteile der Betriebsart B) sind dadurch aufgehoben, daß die Hilfselektrode (Badelektrode) durch eine normale Elektrode mit positivem Pol ersetzt wird. Diese Elektrode wird jedoch nicht mehr auf den Schrott bzw. ins Bad gefahren. Sie brennt mit einem kurzen Lichtbogen, d. h. mit einem Abstand der mindestens so lang ist, daß eine Aufkohlung des Bades nicht stattfinden kann.

Der gesamte Heizwirkungsgrad läßt sich damit im Vergleich zur Be­ triebsart C) wesentlich erhöhen und die seitliche Abstrahlung wird minimal. Damit werden die Nachteile der Betriebsart C) eben­ falls beseitigt.

Während der Betriebsphase "Einschmelzen" kann der Lichtbogen der positiven Elektrode so verlängert werden, daß ein gleichmäßiges Einschmelzen des Schrottes erreicht wird.

Mit zunehmendem Einschmelzgrad resp. Freiwerden der Ofenwände wird der Lichtbogen der positiven Elektrode sukzessive verkürzt, und zwar mindestens in dem Maße, als es die Wärmebeanspruchung der benachbarten Ofenwand erfordert, eventuell bis der minimale Abstand wieder erreicht ist. Dies kann manuell oder automatisch erfolgen. Bei der automatischen Kontrolle wird vorzugsweise die eingebrachte Energie überwacht und als Kriterium für die Verkür­ zung des Lichtbogens genommen.

Wegen der hohen Strahlung und aus Gründen der besseren Überwa­ chung wird die positive Elektrode vorzugsweise türseitig plat­ ziert. Diese Stelle ist auch gegenüber hot-spots der unempfind­ lichste Teil.

Die Elektroden sind normalerweise symmetrisch angeordnet, können aber aus Rücksicht der ungleichen, jetzt aber anpaßbaren Licht­ bögen so versetzt sein, daß sie ungleiche Abstände zur Ofenwand haben. So kann z. B. bei einem Pfannenofen vorteilhafterweise der positive Lichtbogen so kurz, d. h. auf minimalen Abstand gefahren werden, daß die positive Elektrode näher an die Ofenwand gesetzt werden kann. Der relativ lange negative Lichtbogen läßt sich dann mehr zum Zentrum hin anordnen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Blockschaltbild einer Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage beispielhaft dargestellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In den auf Referenzpotential (in der Regel Erdpotential) liegen­ den Ofenkessel 1 eines Gleichstrom-Lichtbogenofens ragen eine positive Elektrode 2 und eine negative Elektrode 3. Jeder Elek­ trode ist eine separate Elektroden-Verstelleinrichtung 4 bzw. 5 - hier durch Hydraulikzylinder sinnbildlich dargestellt - zugeord­ net worden, welche unabhängig voneinander über Ventile 6, 7 be­ aufschlagbar ist. Die Anspeisung der Elektroden 2, 3 erfolgt über einen gemeinsamen Ofentransformator 8, der in der Regel als Stu­ fentransformator ausgebildet ist, einen steuerbaren Gleichrichter 9 mit einem positiven und einem negativen Stromausgang, sowie in die Elektrodezuleitung eingeschalteten Drosselspulen 10, 11 zur Glättung und Begrenzung des Stromes.

Der Gleichstrom wird in einem ersten Regelkreis überwacht und von einem Stromregler 12, der über einen Gleichrichter-Steuersatz 13 auf den Gleichrichter 9 wirkt, innerhalb eines möglichen Berei­ ches auf einem vorzugebenden Wert konstant gehalten, abhängig von einem Vorgabewert Ix.

Ein zweiter Regelkreis überwacht die Ofenspannung. Im Spannungs­ regler 14 wird aus der an der Elektrodenzuleitung zur negativen Elektrode 3 gemessenen Spannung UE - die Lichtbogenspannung der negativen Elektrode 3 berechnet und mit einem in der Sollwertvor­ gabe-Einrichtung 15 bestimmten Wert verglichen. Über eine Ser­ vosteuerungseinrichtung 16 und die Elektroden-Verstelleinrich­ tung 5 wird die negative Elektrode 3 solange verstellt, bis die beiden Werte übereinstimmen. Die Servosteuerung weist darüber hinaus auch die Möglichkeit auf, die Elektrode 2 von Hand zu ver­ fahren. Über diese Spannungsregelung erfolgt somit die Einstel­ lung der Lichtbogenlänge.

Aus den gemessenen Werten Ofenstrom und Ofenspannung können die folgenden Betriebsphasen abgeleitet werden:

• - Lichtbogen zünden,
• - Elektrodenkurzschluß,
• - Lichtbogenabriß.

Diese Aufgabe übernimmt eine Überwachungs- und Steuerlogik 17.

Diese Regelanordnung für die negative Elektrode entspricht prin­ zipiell der bekannten Elektrodenregelung für Gleichstrom-Lichtbo­ genöfen, wie sie beispielsweise in der Firmenzeitschrift BBC DC Arc Furnace Installations "Arcmelt" Publikations-Nr. CH-IB 4 13 014E, undatiert, S. 24, 25, der Anmelderin, beschrieben und dargestellt ist.

Für die positive Elektrode 2 ist analog dem zweiten Regelkreis ein weiterer Regelkreis vorgesehen. Auch hier wird die Lichtbo­ genspannung berechnet und mit einem Spannungsregler 18 auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten; der Spannungsregler wirkt über eine Servosteuereinrichtung 19 und das Ventil 6 auf die Elektro­ den-Verstelleinrichtung 4 der positiven Elektrode 2.

Analog zur Regelung der negativen Elektrode 3 wird aus der an der Elektrodenzuleitung zur positiven Elektrode 2 gemessenen Spannung UE+ die Lichtbogenspannung der positiven Elektrode 2 berechnet und mit einem Sollwert verglichen. Über die Servosteuereinrich­ tung 19 wird die positive Elektrode 2 solange verstellt, bis die beiden Werte übereinstimmen. Über diese Spannungsregelung er­ folgt somit die Einstellung der Lichtbogenlänge der positiven Elektrode 2.

Vor dem Zünden der Lichtbögen 9 wird die an den Elektroden 2, 3 anliegende Spannung UE+, UE- auf einen Wert erniedrigt, der etwa der Zündspannung (des Lichtbogens) entspricht. Beide Elektroden 2, 3 erhalten max. Senkbefehl. Über Bypass-Widerstände 21, 22, die zu den beiden Elektroden 2, 3 parallel geschaltet sind, fließt bereits ein Strom. Dieser Strom liegt in der Größenordnung von wenigen Prozenten des Nennstroms, typisch um 1%. Auf diese Weise kann schon gezündet werden, wenn nur eine der Elektroden 2, 3 den Schrott berührt, weil sich der Gleichstromkreis über den Wider­ stand 21 bzw. 22 schließen kann, der derjenigen Elektrode zuge­ ordnet ist, die noch keinen Kontakt mit dem zu schmelzenden Gut hat. Aufgrund des Stromflusses durch diesen Widerstand entsteht ein Spannungsabfall, der über den zugehörigen Spannungsregler und die entsprechende Elektoden-Verstelleinrichtung ein Absenken auch dieser Elektrode bewirkt, bis auch diese Elektrode gezündet hat. Brennen nun beide Lichtbögen, erhöht sich spontan der im Gleichstromkreis fließende Strom auf einen durch den Stromregler 12 bestimmten Wert, der um Größenordnungen über dem Anfangswert liegt. Ab diesem Zeitpunkt arbeitet die Ofenregelung in üblicher Weise.

Die beiden Widerstände 21, 22 können dann weggeschaltet werden, z. B. durch Schalter 27 und 28. Diese Widerstände müssen jedoch bei Abreißen des Lichtbogens wieder geschlossen werden.

Bei Kurzschluß an der Elektrode 3 wird über den Spannungsregler 14 und die Servosteuereinrichtung 16 sowie Elektrodenverstell­ einrichtung 5 maximale Hubgeschwindigkeit vorgegeben und bei Ab­ riß erfolgt über den gleichen Weg die Vorgabe der maximalen Senkgeschwindigkeit. Ein Lichtbogenabriß führt zu einer Neuzün­ dung. Analoges gilt für die positive Elektrode 2.

Die Summe beider Spannungssollwerte ist konstant entsprechend ei­ nem vorgewählten Arbeitspunkt. Die Aufteilung der Spannungssoll­ werte für die beiden Spannungsregelkreise erfolgt in der Soll­ wertvorgabe-Einrichtung, und zwar prinzipiell für jeden Regel­ kreis getrennt. Dabei kann zu Beginn des Einschmelzens die Auf­ teilung ca. 1 : 1 sein, so daß beide Lichtbögen ungefähr gleiche Länge resp. gleiche Leistung haben. Am Ende der Schmelzphase kann die Aufteilung so gewählt sein, daß der Lichtbogen der positiven Elektrode 2 mit - abhängig von den Badbewegungen - minimal zu­ lässiger Länge brennt, und zwar ohne Rücksicht auf die Lichtbo­ genlänge der negativen Elektrode. Zwischen diesen beiden Grenz­ werten kann die Aufteilung nahezu jeden beliebigen Wert haben, vorgegeben von Hand oder abhängig vom Einschmelzungsgrad.

Lichtbogenstrom und Lichtbogenspannung(-Länge) werden grundsätz­ lich von der Transformator-Stufe resp. Spannung vorgegeben über die Korrektureingänge K an der Sollwertvorgabe-Einrichtung 15 bzw. einem Anpassungsglied 23, von Hand über ein Einstellglied 24 bzw. 25.

Ein übergeordnetes Automatiksystem 26 kann die Ofenführung über­ nehmen, insbesondere das Verkürzen des Lichtbogens in Funktion der verbrauchten Energie zum Schutz der Ofenwände.

Claims (6)

1. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage mit mindestens zwei Elektro­ den (2, 3), die über einen Gleichrichter (9) aus einem Wech­ selstromnetz gespeist werden, wobei eine Elektrode (3) mit dem negativen, die andere Elektrode (2) mit dem positiven Pol des Gleichrichters (9) verbunden sind und im Gleich­ stromkreis mindestens eine Induktivität (10, 11) eingeschal­ tet ist, das Ofengefäß (1) auf Referenzpotential liegt, und Mittel (4-7, 16, 19) zur Höhenverstellung der beiden Elektro­ den (2, 3) in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebspa­ rametern vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elektode (2, 3) eine Elektroden-Verstelleinrichtung (4, 5) zugeordnet ist, daß beide Elektroden unabhängig voneinander verfahrbar sind, daß sowohl der positiven (2) als auch der negativen Elektrode (3) ein eigener Spannungsregelkreis zu­ geordnet ist.

2. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Elektroden (2, 3) ein gemeinsamer Stromregelkreis zugeordnet ist.

3. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der negativen (3) als auch der positiven Elektrode (2) ein Strom-Bypass (21, 22) zugeordnet ist, die zumindest in der Zündphase im Gleichstromkreis des Gleichrichters (9) geschaltet sind.

4. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom-Bypässe als ohmsche Wider­ stände ausgebildet sind, die jeweils mit einem Ende an den beiden Elektroden (2, 3) und mit den anderen Enden elektrisch mit dem Ofengefäß (1), dem Referenzpotential, verbunden sind.

5. Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei einem Pfannenofen die negative Elektrode (3) im zentralen Bereich, die positive Elektrode (2) assymmetrisch hierzu in Wandnähe, bei Schmelzöfen vorzugsweise im Bereich der Ofentüre, angeordnet ist.

6. Verfahren zum Betrieb einer Gleichstrom-Lichtbogenofenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einschmelzphase die Lichtbogenlänge der positiven anders als diejenige der negativen Elektrode (2) abhängig von der Strahlungsbelastung der Gefäßwandung gesteuert wird, und mit zunehmenden Einschmelzgrad bzw. Freiwerden der Ofenwände der Lichtbogen der positiven Elektrode (2) sukzessive verkürzt wird.