DE4229371A1 - Verfahren zur Regelung eines Lichtbogens - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von Lichtbögen oder Plasmen.

Lichtbögen werden wegen ihrer hohen Temperaturentwicklung zum Schmelzen von Metallen in der Schweißtechnik wie auch insbe­ sondere in Lichtbogenöfen eingesetzt, die vorliegende Erfindung betrifft hierbei den Lichtbogenschmelzofen, bei welchen der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem zu schmelzenden Gut brennt, aber auch die sogenannten Lichtbogenwiderstandsöfen ebenso wie automatische Schweißanlagen oder in analoger Weise zwischen Magneten gesteuerte Plasmen.

Der Betrieb von Lichtbogenöfen ist stark abhängig von einer gu­ ten Elektrodenregelung, die die Aufgabe hat, beim Einschmelzen z. B. durch ungünstig geschichteten Schrott durch Aufkochen des Bades oder aus anderen Gründen entstandene Stromstöße und den Abbrand der Elektroden auszugleichen. Hierzu dienen unmittelbar wirkende elektrohydraulische Elektrodenregelungen oder Regelun­ gen über Magnet- oder Transistorverstärker mit elektromotori­ schem oder hydraulischem Antrieb für die Elektrodenverstellung. Herkömmlich dient als Regelgröße für den Regelkreis der Schein­ widerstand (Impedanz), der auf einen konstant einstellbaren Wert geregelt wird. Die Regelabweichung steuert einen Elektro­ motor, der über Seilwinde die Elektroden verstellt oder eine Tauchspule, die durch Druckflüssigkeit einen Elektrodenhubzy­ linder bewegt.

Die ununterbrochene automatische Regulierung des Schmelzpro­ zesses durch Regelung (Konstanthaltung) eines vorgegebenen Stromwertes und der Spannung (Die Impedanz des Lichtbogens bei Wechselstrom) ist jedoch ungenau, wie die Regulierung der Schmelzwirkleistung eine summierte Leistung zugrunde legt, näm­ lich die Summe aus Nutz- und Verlustleistung. Dies hat zur Fol­ ge, daß sogar bei ausreichend genauer Regelung und hoher Regel­ geschwindigkeit der Lichtbogenleistung keine direkte Beziehung zwischen der Lichtbogenleistung und dem Lichtbogenwirkungsgrad, d. h. der Schmelzleistung gewährleistet ist. Beim Schweißen und im Plasma liegen die Probleme ähnlich.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine derartige Regelung zu schaffen, die die Regelgröße in direkte Beziehung zur Schmelzleistung oder einer Plasmaleistung setzt und die somit zu einer erheblichen Ausbeutesteigerung führt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zur Rege­ lung des Lichtbogens von Lichtbogenöfen oder Schweißanlagen, bei welchen mit Hilfe des Lichtbogens Metall geschmolzen wird erfindungsgemäß dadurch, daß beim Betrieb des Lichtbogens der Lichtbogenstrom zwischen den Elektroden und dem Schmelzgut zweifach gemäß

nach der Zeit differenziert und der Abstand der Elektroden vom Schmelzgut nach diesem Wert eingestellt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung geht daher von der überraschenden Erkenntnis aus, daß eine direkte Proportionalität zwischen der zweiten Ablei­ tung des Lichtbogenstromes nach der Zeit und der Schmelzwirk­ leistung (Massenschmelzgeschwindigkeit)M nach der Formel

besteht, wobei K einen Proportionalitätsfaktor darstellt und M die erhaltene Schmelzmasse je Zeiteinheit [kg/sec] bedeutet. Demnach wird erfindungsgemäß der Lichtbogenstrom selbst zur Grundlage der Elektrodenregelung gemacht.

Beim Einschalten der üblicherweise drei Elektroden eines Licht­ bogenschmelzofens beginnt deren Absenkung auf den Einsatz, wo­ bei in die Schrottmenge Kanäle eingeschmolzen werden. Entspre­ chend der Massenschmelzgeschwindigkeit vergrößern sich die Ka­ näle und auf dem Boden des Ofens bildet sich ein See aus flüs­ sigem Metall, in den auch Fragmente eingeschmolzenen Metalls fallen.

Dabei wird für die Charakterisierung der Schmelzwirkleistung des Lichtbogens (Massenschmelzgeschwindigkeit) der elektrische Strom genutzt, der zwischen der Elektrode und dem Schmelzgut fließt, wobei zur Ermittlung des Wertes der Schmelzwirklei­ stung, der bestimmend ist für die Regulierung der Lichtbogen­ leistung, die 2. Ableitung des Stromes nach der Zeit gemäß Formel

genutzt wird und dann auf Basis dieses Wertes die Länge des Lichtbogens bestimmt bzw. reguliert wird, die die maximale Massenschmelzgeschwindigkeit bei minimalem Stromver­ brauch zum Ergebnis hat.

Die Erfindung vermeidet hierbei die Verringerung der Massen­ schmelzgeschwindigkeit u. a. durch zu kurze Distanz zwischen Elektrode und zu schmelzendem Gut, die Lichtbogenlänge wird optimiert, die hierbei auftretende durchschnittliche Verlän­ gerung des Lichtbogens durch erstmalig mögliches rechtzeitiges, das heißt früheres Abstoppen der Absenkbewegung der Elektroden führt über die Zeit zu einer größeren Lichtbogenlänge, damit verbunden zu einer höheren Spannung und letztlich zu einer deutlich erhöhten Schmelzleistung bzw. Verringerung der Schmelzzeit und damit zu einer wesentlichen Energieeinsparung. Eine experimentelle Serie aus 75 Schmelzen hat gezeigt, daß bei einem 100 t Ofen mit drei Elektroden und einer Leistung von 60 MVA (Drehstrom) mit Hilfe der vorliegenden Erfindung eine Absenkung des Energieverbrauchs von 460 auf 385 kWh/Tonne er­ reicht wird, was gleichzeitig eine Verringerung der Einschmelz­ zeit von 80 auf 62 Minuten bedeutet (power on-Zeit).

In der beiliegenden Fig. 1 ist ein Blockschaltbild für die Regelung eines solchen, drei Elektroden aufweisenden Ofens dar­ stellt. Von den Ofenelektroden werden die Phasenspannungen ab­ gegriffen und diese abgegriffenen momentanen Werte in einem elektronischen Block 1 aufsummiert.

Gleichzeitig werden die Phasenspannungen gleichgerichtet dem Block 2 zugeführt und dort summiert. Die Signale der gebildeten Summen werden an den elektronischen Block 3 weitergeleitet und dort differenziert. Das Differenzsignal gelangt in den Schalt­ block 8.

Von den Transformatoren der drei Elektroden wird der jeweilige Lichtbogenstrom abgegriffen und in den drei Blöcken 4, 5 und 6 zweifach nach der Formel

differenziert und dabei die Ist- Massenschmelzgeschwindigkeit für jede Elektrode ermittelt und im anschließenden Block 7 die Max.-Massenschmelzgeschwindigkeit für jede Elektrode bestimmt. Die maximale Massenschmelzge­ schwindigkeit ist dabei eine ofenspezifische Größe und wird empirisch ermittelt (Herstellerangaben).

Im Schaltblock 8 werden die Signale aus den Blöcken 3 und 7 miteinander verglichen. Solange die Differenz beider Signale ungleich Null ist, wird die Absenkung der Elektroden gestoppt, wird der Wert Null erreicht, so wird die Absenkbewegung freige­ geben.

Fig. 2 zeigt eine Variante mit übergeordneter Regelung der Blockierung oder Freigabe der Elektrodenabsenkung durch den Impedanzregler. Dabei stellen dar, 9 einen Block für die zwei­ fache Differenzierung

10 einen arithmetisch-logischen Steuerblock, 11 einen Block zur Vorgabe des Faktors K, 12 einen Impedanzreglerblock, 13 einen Ausführungsmechanismus für das Anheben oder Senken der Elektrode, z. B. eine Hydraulik und 14 die Elektrode mit dem Bad 15.

Die Arbeitsweise ist dabei folgende:

• 1. Delta t und I (t) < K = Elektrodenabsenkung stoppen
  In diesem Fall erfolgt der Stopp-Befehl, wenn der Strom (I) und der Delta-Parameter (A) größer als der vorgegebene Wert (Faktor K) ist.
• 2. Delta (t) und/oder I (t) < K = Freigabe der Elektrodenab­ senkbewegung
  Wenn der Strom I und/oder der Delta-Parameter kleiner als der vorgegebene Wert (Faktor K) sind, erfolgt Aufhebung des Stoppbefehles für die Elektrodenabsenkung und die herkömm­ liche Impedanzregelung übernimmt die Elektrodensteuerung.

Für die üblicherweise drei vorhandenen Elektroden eines Ofens werden entsprechend drei derartige Regelvorrichtungen einge­ setzt.

Claims (2)

1. Verfahren zur Regelung des Lichtbogens von Lichtbogenöfen oder Schweißanlagen, bei welchen mit Hilfe des Lichtbo­ gens Metall geschmolzen wird oder von Plasmen dadurch ge­ kennzeichnet, daß der beim Betrieb des Lichtbogens auf­ tretende Lichtbogenstrom zwischen den Elektroden und dem Schmelzgut zweifach nach der Zeit differen­ ziert und der Abstand der Elektroden vom Schmelzgut nach diesem Wert eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Momentwerte der Phasenspannungen der Elektroden eines Lichtbogenschmelzofens summiert, weiterhin die Werte der gleichgerichteten Phasenspannungen summiert und zwischen beiden die Differenz bildet, den vom Transformator abge­ gebenen Strom zweifach über die Zeit differenziert und mit dem vorher ermittelten Wert für die maximale Massen­ schmelzgeschwindigkeit des zu schmelzenden Metalls ver­ gleicht und aus dem Wert der Summendifferenzen und dem Vergleich mit der maximalen Massenschmelzgeschwindigkeit ein Signal für die Abstandsregulierung bildet.