DE4229371C2 - Verfahren zur Reglung des Elektrodenvorschubs insbesondere in einem Lichtbogenofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Elektrodenvorschubs insbesondere in einem Lichtbogenofen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei den in der Regel mit Drehstrom betriebenen Lichtbogen­ öfen zum Aufschmelzen von Schrott kommt der Vorschubre­ gelung der eingesetzten Elektrode eine erhebliche Bedeu­ tung zu, um die insbesondere in der Einschmelzphase der einzelnen Chargen auftretenden Stromstöße und ihre Aus­ wirkungen auf das Netz sowie den Elektrodenabbrand zu begrenzen. Darüberhinaus wird durch die Vorschubregelung der Elektroden die Gleichmäßigkeit der Leistungsaufnahme, der spezifische Energieverbrauch und damit auch die Ein­ schmelzzeit bestimmt.

Bekannte Regelsysteme für den Elektrodenvorschub arbeiten in der Regel nach dem Prinzip der Impedanzregelung, bei der sich die Regelgröße aus der Differenz von Meßströmen ergibt, die proportional dem Elektrodenstrom und der Elek­ trodenspannung sind. Als Verstellaggregate für die Elek­ troden werden bei kleineren Anlagen Gleichstrommotoren und bei leistungsfähigen Großanlagen Verstärkermaschinen sowie mit Drehstrommotoren gekoppelte Magnetverstärker verwen­ det, die kurze Ansprechzeiten und Elektrodengeschwindig­ keiten von über 120 mm/s ermöglichen. Daneben sind auch elektrohydraulische Regelsysteme bekannt, die zur Erzie­ lung einer ausreichend großen Ansprechgeschwindigkeit Ven­ tilschnellregler aufweisen (vgl. z. B. Taschenbuch der Elek­ trotechnik, Bd. 6, 1982, S. 499-502). Ein gemeinsamer Nachteil dieser Regelungssysteme liegt darin, daß keine direkte Beziehung zwischen der Lichtbogenleistung und der Schmelzleistung des Lichtbogens berücksichtigt wird.

Aus der DE-C-31 49 175 ist ein Verfahren zur Überwachung des Schmelzvorganges in einem mit Wechselstrom gespeisten Lichtbogenofen bekannt, bei dem von der Nichtlinearität des Lichtbogens abhängige Kontrollparameter bestimmt wer­ den, die für verschiedenartige Zustände der Lichtbogen­ schmelze unterschiedlich sind, und bei dem diese ausge­ wählten Kontrollparameter mit Basiswerten verglichen wer­ den, die z. B. durch Analysen vorhergehender Schmelzen er­ halten worden sind. Zur Bildung dieser Kontrollparameter werden Momentanwerte des Wirkwiderstandes des Lichtbogens für zwei Zeitpunkte einer Periode des Wechselstroms ge­ nutzt und miteinander zu einem Kontrollparameter ver­ knüpft. Zum Erhalt des Momentanwerts für den Wirkwider­ stand des Lichtbogens werden die momentanen Strom- und Spannungs-Werte gemessen. Zusätzlich erfolgt eine Messung der Induktivität des Lichtbogenkreises am Anfang jeder Stromperiode. Eine weitergehende Verarbeitung der erhal­ tenen Meßwerte zur Direktbestimmung der Schmelzwirklei­ stung des Lichtbogens wird nicht vorgenommen.

Weiterhin ist es aus der DD-A-2 95 248 bekannt, die beim Stahlfrischen durch Kohlenstoff- und Sauerstoff-Zufuhr verursachte Aufblähung der Schlacke zu überwachen, um eine Lenkung des Frischprozesses zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird eine Wechselbeziehung zwischen der Schlacken­ aufblähung und Änderungen der Spannung sowie der Strom­ stärke des Lichtbogens ausgenutzt. Dabei wird an einem Leiter des Sekundärkreises des Lichtbogenofens die Strom­ stärke des Lichtbogens durch einen induktiven Meßfühler, insbesondere durch eine Rogowski-Spule erfaßt, wobei die Ausgangsspannung dieses Meßfühlers das Differential dI/dt des der Elektrode zugeführten Stromes kennzeichnet. Nach einer Verstärkung werden diese Meß- bzw. Ausgangssignale je einem HF-Breitbandfilter und einem NF-Schmalbandfilter mit jeweils nachgeschaltetem Effektivwert-Ausgabegerät zu­ geführt. Ein Teilermodus errechnet das Verhältnis der von den Ausgabegeräten kommenden energetischen Werte, das als Indikator für die Schlackenaufblähung betrachtet wird und bei maximaler Schlackenaufblähung einen Minimalwert an­ nimmt. Das dieses Verhältnis kennzeichnende Signal wird entweder einer Anzeige zugeführt oder kann zur Regelung bestimmter Parameter des Ofenbetriebes, z. B. zur Bestim­ mung der Beendigung eines Schmelzprozesses, verwendet wer­ den. Eine direkte Bestimmung des Lichtbogenwirkungsgrades bzw. der Schmelzwirkleistung ist jedoch auch bei dieser bekannten Regelung nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung des Elektrodenvorschubs in einem Lichtbogenofen zu schaf­ fen, bei dem die Regelgröße in direkter Beziehung zur Schmelzwirkleistung des Lichtbogens steht und durch eine größere Regelgenauigkeit Energie eingespart bzw. die Schmelzzeit der jeweiligen Chargen verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß eine direkte Proportionalität zwischen der zweiten Ableitung des Lichtbogenstromes nach der Zeit und der Schmelzwirkleistung M einer Elektrode nach der Formel d²I/dt² = A × M besteht, wobei A einen Proportionalitäts­ faktor darstellt und M die Schmelzwirkleistung als erhal­ tene Schmelzmasse pro Zeiteinheit [kg/s] bedeutet.

Beim Einschalten der üblicherweise drei Elektroden eines Lichtbogenofens beginnt deren Absenkung auf den meist aus Eisenschrott bestehenden Einsatz, wobei in die Schrott­ menge Kanäle eingeschmolzen werden. Entsprechend der Schmelzleistung des Lichtbogens jeder Elektrode vergrößern sich die Kanäle und auf dem Ofenboden bildet sich ein flüssiges Metallbad.

Durch die erfindungsgemäße Regelung wird eine Verringerung der Schmelzwirkleistung durch zu kurze Abstände zwischen Elektrode und Schmelzgut sowie durch eine entsprechende Verkürzung des Lichtbogens vermieden. Insgesamt ergibt sich eine durchschnittliche Verlängerung des Lichtbogens durch frühzeitiges Unterbrechen der Vorschub- bzw. Absenk­ bewegung der Elektrode. Diese Optimierung der durch­ schnittlichen Lichtbogenlänge führt zu einer deutlich er­ höhten Schmelzleistung, insbesondere während der Ein­ schmelzphase und damit zu einer Verringerung der gesamten Schmelzzeit für jede Charge. Bei Verwendung der erfin­ dungsgemäßen Regelung wurden in einer Versuchsreihe 75 Chargen in einem 100t- Lichtbogenofen mit drei Elektroden und einer Leistung von 600 MV (Drehstrom) erschmolzen, wobei eine Verringerung des Energieverbrauchs von 460 auf 385 kWh/t erreicht wurde, was eine Verkürzung der Ein­ schmelzzeit von 80 auf 62 min bedeutet.

Im folgenden wird eine Regelvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, die in der Zeichnung als Blockschaltbild dargestellt ist.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die von dem linken gestrichelten Block A umrandete Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer im rechten gestrichelten Block B dargestellten herkömmlichen Regelung z. B. einer Impedanz- Regelung für die Elektrodenabsenkung eines Lichtbogenofen s verknüpft. Von einem - nicht dargestellten - Detektor herkömmlicher Ausführung wird der der Elektrode zugeführte Strom I gemessen und in Form von elektrischen Meßsignalen I(t) einem als Block 9 dargestellten Differenzierglied zugeführt. In diesem Differenzierglied 9 wird von diesen Meßsignalen die zweite Ableitung I²t/dt² gebildet. Die als δ-Signale bezeichneten Ausgangssignale aus diesem Diffe­ renzierglied 9 werden einer als Block 10 dargestellten Logik-Schaltung zugeführt, der auch die Meßsignale I(t) gesondert eingegeben werden. Zusätzlich werden dieser Logikschaltung 10 Vorgabewerte Ki und Kδ für den Elektroden­ strom bzw. dessen Meßsignale I(t) des Stromdetektors und für die δ-Signale aus einem Vorgabeblock 11 eingegeben, welche die optimale Schmelzleistung des jeweiligen Licht­ bogenofens als ofenspezifische Größe kennzeichnen, die empirisch ermittelt bzw. vom Ofenhersteller angegeben wird. Die Logik-Schaltung 10 ist an den als Block 12 dar­ gestellten Impedanz-Regler angeschlossen, dessen Ausgangs­ signale einen Stellantrieb 13 für die Absenk- bzw. Anhe­ bebewegung der Elektrode 14 ansteuern.

Die Arbeitsweise der dargestellten Vorrichtung ist fol­ gende.

Die Steuerung der Absenkbewegung einer bzw. der drei mit Drehstrom beaufschlagten Elektroden eines Lichtbogenofens erfolgt beim Einschmelzen einer Charge und in den an­ schließenden Phasen in herkömmlicher Weise durch die im gestrichelten Block B der Zeichnung dargestellte Impedanz­ regelung, bei welcher der als Regelgröße dienende Schein­ widerstand auf einen etwa konstanten Wert geregelt wird. Gleichzeitig und parallel arbeitet die im gestrichelten Block A dargestellte Vorrichtung gemäß der Erfindung, in der die Werte der Meßsignale I(t) und der δ-Signale in der Logikschaltung 10 mit den die optimale Schmelzleistung kennzeichnenden Vorgabewerten Ki, Kδ aus dem Block 11 ver­ glichen werden. Wird bei diesem Vergleich festgestellt, daß die beiden Werte der Meßsignale I(t) und der δ-Signale größer als die Vorgabewerte Ki, Kδ sind, wird ein Befehl zur Unterbrechung der Absenkbewegung der Elektrode 14 er­ zeugt. Wenn in einem nachfolgenden Meßvorgang festgestellt wird, daß die Werte des Meßsignals I(t) und/oder des δ- Signals unter den jeweiligen Vorgabewert Ki, Kδ abgesunken sind, wird der in der Logikschaltung 10 erzeugte Unterbre­ chungsbefehl aufgehoben, was die Fortsetzung der vom Impedanz-Regler 12 bestimmten Absenkbewegung der Elektrode zur Folge hat.

Für jede der üblicherweise drei Elektroden eines Lichtbo­ gens wird eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung einge­ setzt.

Claims (2)

1. Verfahren zur Regelung des Elektrodenvorschubs insbe­ sondere in einem Lichtbogenofen, bei dem der der je­ weiligen Elektrode zugeführte Strom I gemessen und die erhaltenen Meßsignale I(t) nach der Zeit differenziert werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß von den Meßsignalen I(t) die zweite Ableitung d²I/dt² gebildet wird,
daß das durch die zweifache Differentiation erhaltene Signal (δ-Signal) und das Meßsignal I(t) mit je einem vorgewählten Vorgabewert Kδ, Ki verglichen werden und
daß die Vorschubbewegung der Elektrode auf der Grundla­ ge der beiden Vergleichswerte gesteuert wird.

2. Verfahren zur Regelung des Elektrodenvorschubs nach Anspruch 1 unter Verwendung z. B. einer Impedanz-Rege­ lung, dadurch gekennzeichnet,
daß die unter der Wirkung der Impedanz-Regelung erfol­ gende Vorschubbewegung der Elektrode unterbrochen wird, wenn die Werte des Strommeßsignals I(t) und des Delta- Signals größer als der jeweils vorgewählte Vorgabewert Ki bzw. Kδ sind, und
daß die Vorschubbewegung der Elektrode wieder aufgenom­ men wird, sobald der Wert des Meßsignals I(t) und/oder der Wert des δ-Signals kleiner als der jeweilige Vorga­ bewert Ki, Kδ ist.