DE4236080B4

DE4236080B4 - Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens

Info

Publication number: DE4236080B4
Application number: DE4236080A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. Hohendahl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-10-26
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: DE4236080A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn eines Einschmelzvorganges in einer Steuereinrichtung (1) aufgrund von Eingangsgrößen e_i, G_i, die unterschiedliche Schmelzmaterialien i, deren spezifische Einschmelzenergien e_i und deren Gewicht bzw. Mengen G_i bezeichnen, sowie aufgrund von den unterschiedlichen Schmelzmaterialien i in einem Parameterspeicher (2) zugeordneten Parametern a_i ein Sollwert E^* für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie bestimmt wird, daß am Ende des Schmelzvorganges der Istwert E der tatsächlich dem Lichtbogenofen zugeführten Energie sowie die Temperatur T der Schmelze gemessen werden, daß in einer Korrektureinrichtung (4) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur T und einer vorgegebenen Solltemperatur T^* der Schmelze ein korrigierter Istwert E für die dem Lichtbogenofen zum Einschmelzen der Schmelzmaterialien auf die Solltemperatur T^* zugeführten Energie ermittelt wird, daß der so ermittelte korrigierte Istwert E der Energie mit dem Sollwert E^* verglichen wird und daß in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis die in dem...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens.
Während in vielen industriellen Prozessen eine nahezu völlige Automatisierung des Prozessablaufes möglich ist und in vielen Fällen auch zum Standard gehört, sind beim Betreiben von Lichtbogenöfen zumindest Beobachtungen des Betriebes und gelegentliche Handeingriffe durch eine Bedienperson erforderlich. Dies liegt insbesondere daran, daß die Eingangsverhältnisse bzw. Änderungen der Eingangsverhältnisse, wie z.B. die Eigenschaften der einzuschmelzenden Materialien, in der Regel unterschiedliche Schrottsorten, nicht sicher erkennbar sind und daß die bekannten Meßeinrichtungen nicht ausreichen, um einen automatischen Betrieb zu führen. So sind zwar in dem sogenannten Fahrdiagramm für einen Lichtbogenofen und in den Beschreibungen der Einsatzstoffe die spezifischen Energien festgelegt, die zum Einschmelzen der eingesetzten Schrottsorten erforderlich sind, jedoch schwankt der zum Einschmelzen erforderliche Energiebedarf in Abhängigkeit von äußeren Einflüssen und Änderungen in der Zusammensetzung der einzelnen Schrottsorten; diese Einflüsse sind nicht direkt erfaßbar. Darüberhinaus ist z. B. auch eine ständige Temperaturmessung des Schmelzgutes wegen der hohen Temperaturen mit angemessenem Aufwand nicht zu erreichen.

Die deutsche Patentschrift DE 31 49 175 C2 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes des Lichtbogenschmelzens in einem mit Wechselstrom gespeisten Ofen, bei dem Kontrollparameter bestimmt werden die von der Nichtlinearität des Lichtbogens abhängen. Die Kontrollparameter werden dabei aus den Wirkwiderständen des Lichtbogens zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt. Die deutsche Patentschrift DE 30 35 508 C2 beschreibt ein Verfahren zur Stromversorgung und Leistungsregelung eines Elektroreduktionsofens mit verdecktem Lichtbogen, wobei bei einer vorgegebenen Abweichung der Leistung von einem Sollwert dem Ofen Strom mit stromlosen Pausen zugeführt wird, wobei die Dauer der stromlosen Pausen zur Leistungsregelung verstellt wird. Die deutsche Offenlegungsschrift DE 26 15 202 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung der Energiezufuhr von Elektroöfen durch Aufnahme und Auswertung von Thermogrammen während des Betriebes eines Elektroofens.

Die europäische Patentschrift EP 0 415 280 B1 befasst sich mit einem Verfahren zur Online-Überwachung und Steuerung eines Lichtbogenofens, wobei die elektrischen Daten vom Lichtbogenofen die die elektrischen Bedingungen und die elektrische Leistung darstellen die dem Ofen zugeführt werden, überwacht werden. Gemäß der EP 0 415 280 B1 wird erstmals vorgeschlagen, neben den elektrischen Daten vom Lichtbogenofen auch Gewichte der Schrottzugabe zu erfassen und einem Mikrocomputer zur Datenverarbeitung in einem brauchbaren Format anzubieten. Der Mikrocomputer ist dabei Bestandteil eines Systems zur Überwachung des Lichtbogenofens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitgehend automatische Anpassung des Betriebs von Lichtbogenöfen an unterschiedliche Schmelzmaterialien in unterschiedlicher Zusammensetzung zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren der eingangs angegebenen Art zu Beginn eines Einschmelzvorganges in einer Steuereinrichtung aufgrund von Eingangsgrößen, die unterschiedliche Schmelzmaterialien deren spezifische Einschmelzenergien und deren Gewicht bzw. Mengen bezeichnen, sowie aufgrund von den unterschiedlichen Schmelzmaterialien in einem Parameterspeicher zugeordneten Parametern ein Sollwert für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie bestimmt wird, daß am Ende des Schmelzvorganges der Istwert der tatsächlich dem Lichtbogenofen zugeführten Energie sowie die Temperatur der Schmelze gemessen werden, daß in einer Korrektureinrichtung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und einer vorgegebenen Solltemperatur der Schmelze ein korrigierter Istwert für die dem Lichtbogenofen zum Einschmelzen der Schmelzmaterialien auf die Solltemperatur zugeführte Energie ermittelt wird, daß der so ermittelte korrigierte Istwert der Energie mit dem Sollwert verglichen wird und daß in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis die in dem Parameterspeicher enthaltenen Parameter derart verändert werden, daß die Steuereinrichtung im Fall von unveränderten Eingangsgrößen mit den so veränderten Parametern einen dem korrigierten Istwert zumindest annähernd entsprechenden Sollwert für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie bestimmt.

Die so erhaltenen Parameterwerte sind für die Bestimmung des Energiesollwertes für alle nachfolgenden Einschmelzvorgänge mit gleicher Schmelzmaterialmischung gültig. Wenn bei einem weiteren Einschmelzvorgang eine Abweichung zwischen dem vorbestimmten Energiesollwert und dem am Ende des Einschmelzens ermittelten Energieistwert auftritt, so ist dies auf eine Änderung der spezifischen Einschmelzenergien der Schmelzmaterialien zurückzuführen.

Ändern sich, wie dies für den praktischen Betrieb von Lichtbogenöfen in der Regel zutrifft, die spezifischen Einschmelzenergien mehrerer Materialsorten in der Schmelzmaterialmischung, so ergibt sich bei der daraus resultierenden Abweichung des Energieistwertes von dem Sollwert keine eindeutige Vorschrift zur Anpassung der einzelnen Parameter. In diesem Zusammenhang ist in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß zunächst nur eine der Eingangsgrößen, also nur eine Materialsorte in der Schmelzmaterialmischung berücksichtigt wird, indem in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung des Istwertes der Energie von dem Sollwert nur der der betreffenden Eingangsgröße zugeordnete Parameter geändert wird. Ergibt sich bei einem nächsten Einschmelzvorgang mit unveränderter Schmelzmaterialmischung wieder eine Differenz zwischen Ist- und Sollwert der Energie, so wird der einer anderen Materialsorte in der Schmelzmaterialmischung zugeordnete Parameter geändert. Auf diese Weise ist eine gezielte schrittweise Bestimmung der Parameter für unterschiedliche Schmelzmaterialmischungen möglich. Dabei wird zunächst vorzugsweise die Materialsorte mit dem größten Mengenanteil oder die, bei der am ehesten mit einer Schwankung der Eingangsgrößen zu rechnen ist, betrachtet.

Alternativ zu der vorstehend angegebenen Verfahrensweise ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß bei Änderungen von mehreren der Eingangsgrößen die den geänderten Eingangsgrößen zugeordneten Parameter entsprechend einem vorgebenen Algorithmus in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung des Istwertes der Energie von dem Sollwert geändert werden und daß der Algorithmus selbst in Abhängigkeit von bei nachfolgenden Einschmelzvorgängen ermittelnden Differenzen zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Energie geändert wird. Auf diese Weise wird der verwendete Algorithmus durch einen Lernprozeß an die tatsächlichen Betriebsverhältnisse angepaßt.

Um bei jeder Beschickung des Lichtbogenofens mit einer neuen Schmelzmaterialmischung einen daran bereits so weit wie möglich angepaßten Sollwert für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie einstellen zu können, kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, daß in dem Parameterspeicher nach jedem Einschmelzvorgang die daraufhin veränderten Parameter zusammen mit den Eingangsgrößen oder einer aus diesen abgeleiteten, die jeweilige Schmelzmaterialmischung charakterisierenden Kennzeichnung in Form von Parametersätzen abgespeichert werden und daß bei jedem neuen Einschmelzvorgang in Abhängigkeit von den jeweils aktuellen Eingangsgrößen derjenige Parametersatz zur Bestimmung des Sollwertes der dem Lichtbogenofen zuzuführenden Energie herangezogen wird, dessen zugeordnete Eingangsgrößen bzw. dessen Kennzeichnung am weitesten mit den aktuellen Eingangsgrößen korreliert. Auf diese Weise wird eine mit jedem Einschmelzvorgang weiter komplettierte tabellarische Zuordnung zwischen möglichen Kombinationen von Eingangsgrößen und den zugehörigen Parametersätzen geschaffen, auf die bei jedem neuen Einschmelzvorgang zugegriffen werden kann.

Entsprechend einer alternativen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß bei aufeinanderfolgenden Einschmelzvorgängen erfolgte Änderungen von Parametern in dem Parameterspeicher zusammen mit Änderungen der Eingangsgrößen registriert werden, daß aufgrund der registrierten Änderungen ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen und den Parametern bestimmt und abgespeichert wird und daß bei jedem neuen Einschmelzvorgang die zur Bestimmung des Sollwertes der dem Lichtbogenofen zuzuführenden Energie dienenden Parameter in Abhängigkeit von den jeweils aktuellen Eingangsgrößen und unter Heranziehung des funktionalen Zusammenhangs bestimmt werden.

Die Bestimmung des Sollwertes E^* für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie erfolgt in der Steuereinrichtung rechentechnisch auf besonders einfache Weise dadurch, daß bei n unterschiedlichen Schmelzmaterialien i in den jeweiligen Mengen G_i und mit den jeweiligen spezifischen Einschmelzenergien e_i der Sollwert E^* mit

bestimmt wird, wobei mit f ein Wichtungsfaktor und mit a_i von den Schmelzmaterialien abhängige Parameter bezeichnet sind.

Wie oben bereits erwähnt, muß der zum Vergleich mit dem Sollwert der Energie herangezogene Istwert um einen Betrag korrigiert werden, der von der Abweichung des Temperaturistwertes von dem Temperatursollwert zum Zeitpunkt der Messung des Istwertes der Energie abhängig ist.

Da die Temperatur der Schmelze in der Regel beim Abstich gemessen wird und diesem ein Frischvorgang vorangeht, muß beim Rückrechnen des für das Einschmelzen benötigten Energieistwertes aus der gesamten Energie der Schmelze auch der durch das Frischen der Schmelze zugeführte Energieanteil berücksichtigt werden. Dazu werden entsprechend einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens die beim Abstich vorliegende Temperatur und Energie der Schmelze gemessen, wobei in der Korrektureinrichtung der Wert für die gemessene Energie zusätzlich um einen Betrag verringert wird, der von der durch einen dem Abstich vorangegangenen Frischvorgang hervorgerufenen Temperaturerhöhung der Schmelze abhängig ist.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen
1 ein Blockschaltbild mit Funktionsblöcken zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 ein Balkendiagramm zur Verdeutlichung unterschiedlicher, in der Gesamtenergie einer Schmelze enthaltener Energieanteile.
Bei den Funktionsblöcken des in 1 gezeigten Blockschaltbildes kann es sich um Schaltungsblöcke einer Steueranordnung für einen Lichtbogenofen oder um rein funktionelle, beispielsweise in Form eines Programmablaufs realisierte Funktionen zur Steuerung des Lichtbogenofens handeln.
In einer Steuereinrichtung 1 wird in Abhängigkeit von Eingangsgrößen e_i und G_i, von denen mit e_i die spezifischen Einschmelzenergien und mit G_i die Gewichte oder Mengen unterschiedlicher Schmelzmaterialien i bezeichnet sind, sowie in Abhängigkeit von den Schmelzmaterialien i zugeordneten Parametern a_i in einem Parameterspeicher 2 ein Sollwert E^* für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie mit
bestimmt. Mit f ist dabei ein Wichtungsfaktor bezeichnet. Die so als Vorgabe ermittelte Sollenergie E^* wird in einer Vergleichseinrichtung 3 mit dem für den Einschmelzvorgang tatsächlich benötigten Istwert E der Energie verglichen. In Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Istwert E und dem Sollwert E^* der Energie werden die Parameter a_i, wie untenstehend noch näher erläutert wird, so verändert, daß die Steuereinrichtung 1 im Falle von unveränderten Eingangsgrößen e_i, G_i mit den so veränderten Parametern a_i einen dem Istwert E entsprechenden Sollwert E^* für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie bestimmt.
Der Istwert E der Einschmelzenergie kann jedoch nicht direkt gemessen werden und wird daher in einer Korrektureinrichtung 4 aus der beim Abstich gemessenen Temperatur und Gesamtenergie E_G der Schmelze unter Hinzuziehung des Sollwertes T^* der Schmelzentemperatur ermittelt. Wie 2 zeigt, setzt sich die Gesamtenergie E_G der Schmelze bei der Schmelzentemperatur T aus den Energieanteilen E, E_F und E_U zusammen. Dabei bezeichnet E die zum Einschmelzen der Schmelzmaterialien auf die Solltemperatur T^* dem Lichtbogenofen zugeführte Energie. E_F bezeichnet den der Schmelze beim Frischen zugeführten Energieanteil, der mit E_F = B·ΔT·G bestimmt werden kann, wobei B einen Faktor,ΔT die Differenz zwischen den Temperatursollwerten zwischen dem Ende des Frischvorganges und dem Ende des Einschmelzvorganges und G das Gesamtgewicht der Schmelzmaterialien bezeichnen. Der Energieanteil E_U ergibt sich aus der Abweichung des gemessenen Temperaturistwertes T der Schmelze von dem Temperatursollwert T^* mit E_U = B·(T – T^*). In der Korrektureinrichtung 4 wird also der Istwert E der zum Einschmelzen der Schmelzmaterialien auf den Temperatursollwert T^* erforderlichen Einschmelzenergie aus der gemessenen Energie E_G mit E = E_G – E_F – E_U zurückgerechnet.
Ändern sich die spezifischen Einschmelzenergien e_i mehrerer Materialien i in der Schmelzmaterialmischung, so ergibt sich daraus eine Abweichung des Energieistwertes E von dem Energiesollwert E^*. In Abhängigkeit von dieser Änderung wird für den nächsten Einschmelzvorgang zunächst nur der Parameter z. B. a₃ für die Schrottsorte i = 3 neu eingestellt, deren Mengenanteil in der Schmelzmaterialmischung am größten ist oder bei der am ehesten mit Schwankungen der spezifischen Einschmelzenergie e₃ zu rechnen ist. Ergeben sich dann bei weiteren Einschmelzvorgängen mit unveränderter Schmelzmaterialmischung weiterhin Abweichungen zwischen dem Energieistwert E und dem Energiesollwert E^*, so wird in Abhängigkeit davon ein anderer Parameter z. B. e_l der Schrottsorte i = l mit dem zweitgrößten Mengenanteil verändert. Wenn schließlich alle Parameter a_i eingestellt worden sind und immer noch eine Differenz zwischen dem Energieistwert E und dem Sollwert E^* festgestellt wird, so wird erneut der Parameter a₃ geändert. Auf diese Weise erfolgt schließlich eine Anpassung der Parameter an die tatsächlichen Betriebsverhältnisse.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn eines Einschmelzvorganges in einer Steuereinrichtung (1) aufgrund von Eingangsgrößen e_i, G_i, die unterschiedliche Schmelzmaterialien i, deren spezifische Einschmelzenergien e_i und deren Gewicht bzw. Mengen G_i bezeichnen, sowie aufgrund von den unterschiedlichen Schmelzmaterialien i in einem Parameterspeicher (2) zugeordneten Parametern a_i ein Sollwert E^* für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie bestimmt wird, daß am Ende des Schmelzvorganges der Istwert E der tatsächlich dem Lichtbogenofen zugeführten Energie sowie die Temperatur T der Schmelze gemessen werden, daß in einer Korrektureinrichtung (4) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der gemessenen Temperatur T und einer vorgegebenen Solltemperatur T^* der Schmelze ein korrigierter Istwert E für die dem Lichtbogenofen zum Einschmelzen der Schmelzmaterialien auf die Solltemperatur T^* zugeführten Energie ermittelt wird, daß der so ermittelte korrigierte Istwert E der Energie mit dem Sollwert E^* verglichen wird und daß in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis die in dem Parameterspeicher (2) enthaltenen Parameter a_i derart verändert werden, daß die Steuereinrichtung (1) im Falle von unveränderten Eingangsgrößen e_i, G_i mit den so veränderten Parametern a_i einen dem korrigierten Istwert E zumindest annähernd entsprechenden Sollwert E^* für die dem Lichtbogenofen zuzuführende Energie bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst nur eine der Eingangsgrößen z. B. e₃ berücksichtigt wird, indem das in Abhängigkeit von der ermittel ten Abweichung des Istwertes E der Energie von dem Sollwert E^* nur der der betreffenden Eingangsgröße e₃ zugeordnete Parameter a₃ geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Änderungen von mehreren der Eingangsgrößen e_i, G_i die den geänderten Eingangsgrößen zugeordneten Parameter a_i entsprechend einem vorgegebenen Algorithmus in Abhängigkeit von der ermittelten Abweichung des Istwertes E der Energie von dem Sollwert E^* geändert werden und daß der Algorithmus selbst in Abhängigkeit von bei nachfolgenden Einschmelzvorgängen ermittelten Differenzen zwischen dem Istwert E und dem Sollwert E^* der Energie geändert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Parameterspeicher (2) nach jedem Einschmelzvorgang die daraufhin veränderten Parameter a_i zusammen mit den Eingangsgrößen e_i, G_i oder einer aus diesen abgeleiteten, die jeweilige Schmelzmaterialmischung charakterisierenden Kennzeichnung in Form von Parametersätzen abgespeichert werden und daß bei jedem neuen Einschmelzvorgang in Abhängigkeit von den jeweils aktuellen Eingangsgrößen e_i, G_i derjenige Parametersatz zur Bestimmung des Sollwertes E^* der dem Lichtbogenofen zuzuführenden Energie herangezogen wird, dessen zugeordnete Eingangsgrößen bzw. dessen Kennzeichnung am weitesten mit den aktuellen Eingangsgrößen e_i, G_i korrelieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei aufeinanderfolgenden Einschmelzvorgängen erfolgen de Änderungen von Parametern a_i in dem Parameterspeicher (2) zusammen mit Änderungen der Eingangsgrößen e_i, G_i registriert werden, daß aufgrund der registrierten Änderungen ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen e_i, G_i und den Parametern a_i bestimmt und abgespeichert wird und daß bei jedem neuen Einschmelzvorgang die zur Bestimmung des Sollwertes E^* der dem Lichtbogenofen zuzuführenden Energie dienenden Parameter a_i in Abhängigkeit von den jeweils aktuellen Eingangsgrößen e_i, G_i und unter Heranziehung des funktionalen Zusammenhangs bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei n unterschiedlichen Schmelzmaterialien i in den jeweiligen Mengen G_i und mit den jeweiligen spezifischen Einschmelzenergien e_i der Sollwert E^* für die dem Lichtbogenofen zugeführte Energie mit
bestimmt wird, wobei mit f ein Wichtungsfaktor und mit a_i von den Schmelzmaterialien i abhängige Parameter bezeichnet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Abstich vorliegende Temperatur T und Energie E_G der Schmelze gemessen wird und daß in der Korrektureinrichtung (4) der Wert für die gemessene Energie E_G zusätzlich um einen Betrag E_F verringert wird, der von einer durch einen dem Abstich vorangegangenen Frischvorgang hervorgerufenen Temperaturerhöhung ΔT der Schmelze abhängig ist.