EP0062767B1 - Elektrischer Lichtbogenofen - Google Patents
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- H05B7/00—Heating by electric discharge
- H05B7/02—Details
- H05B7/10—Mountings, supports, terminals or arrangements for feeding or guiding electrodes
Definitions
- the invention relates to an electric arc furnace, in particular for melting steel, with one or more electrodes, each held by a support arm, in which a vibration damper for pitching vibrations is arranged at least on the support arm of the most vulnerable electrode in the support arm / electrode plane , which compensates for the pitching vibrations by vibrations in opposite phases.
- Such electric arc furnaces are usually equipped with three electrodes and operated as a three-phase furnace.
- they are equipped with an electrode and operated as a single-phase furnace.
- a problem which has been known for a long time in such furnaces is that the electrodes break at the clamping point on the support arm.
- the breakage rate was 5 to 10 breaks per month. After switching to higher melting rates (higher current), the breakage rate increased to 30 to 40 a month.
- the middle electrode was particularly at risk, i.e. if the electrodes were arranged in a triangle and if the electrodes were held on parallel support arms, the electrode on the middle, shorter support arm.
- vibration dampers on the electrode arms. These vibration dampers are arranged in such a way that they dampen vibrations occurring perpendicular to the common plane of the electrode and electrode arm.
- the vibration dampers consist of an inert mass which is held in a middle position by springs and the movement of which is damped by damping means.
- the inertial mass is arranged in a housing filled with hydraulic fluid, while in another embodiment it is connected to a friction brake.
- the damping effect is based on the fact that the vibration energy emanating from the support arm / electrode system and transferred to the inertial mass is converted into frictional heat. Such a reduction in the vibrations of the support arm / electrode system is not particularly effective (DE-OS 2 837 741, Fig. 1 and Fig. 2).
- a vibration damper of the type mentioned at the outset is also known for reducing the breakage rate of electrode breaks.
- This vibration damper is designed as an active vibration damper in that the pitching vibrations of the electrode are detected by a sensor and evaluated in a regulating and control device that controls a vibrator that mechanically engages the electrode in such a way that its vibrations are in phase opposition to the vibrations of the electrode (DE -OS 2 837 741, Fig. 12).
- the invention has for its object to provide an electric arc furnace in which the risk of breakage of the electrodes is reduced in a simple manner compared to the conventional arc furnaces.
- the vibration damper is designed as a vibration system consisting of inert mass and spring, the natural frequency of which is matched to the pitch natural frequency of the vibration system of the support arm / electrode.
- the vibration damper according to the invention is a passive vibration damper. If its vibration level corresponds to the vibration level of the pitching vibrations of the support arm / electrode system and its natural frequency matches the natural frequency of the support arm / electrode system, the vibration damper is excited to oscillations in phase by the vibrations of the support arm / electrode system.
- the forces of the inertial mass of the vibration damper built up in the vibration absorber with this excitation counteract the excitation forces of the support arm / electrode system and therefore suppress the excitation forces as they arise so that an oscillation with a large amplitude cannot build up. For this reason, the use of the vibration damper makes it unnecessary to stiffen the support arm construction in particular and / or to manufacture the electrodes from a mechanically more resistant material.
- the low load due to the vibrations also leads to a reduced load on the drive and the guidance of the support arm construction.
- the fracture rate can already be reduced considerably if a vibration damper is only arranged on the middle support arm.
- the electrode of the middle support arm is particularly at risk because the vibrations of the electrode lie in the plane of the electrode and the support arm, i.e. in a plane in which the construction is relatively stiff, while the vibrations of the outer electrodes, whose plane of vibration does not match that Level of the electrodes and the support arms coincides, can be partially absorbed by torsion of the support arms.
- the spring of the vibration damper is parallel to a damper that widens the resonance.
- the damper only has the purpose of flattening the resonance point of the vibration damper so that the Ab adjustment of the vibration damper to the support arm / electrode system requires no great care.
- a particularly compact vibration damper is characterized in that the inertial mass has a pin which is guided in a stationary sleeve, on the outside of which the spring designed as a helical spring is guided.
- the inert mass can be cup-shaped and enclose the spring.
- the inertial mass of the vibration absorber preferably carries a vibration pickup which, when a predeterminable amplitude value of the vibrations of the inertial mass is exceeded, gives a switch-off signal to the power supply to the electrode or electrodes. Switching off the power supply also counteracts the build-up of vibrations.
- the inertial mass of the vibration damper can additionally form the armature of an electromagnet, the coil of which is controlled in dependence on the control signal of a vibration sensor for the pitching vibrations of the vibration system support arm / electrode in the support arm / electrode level such that the as a result, vibration absorbers on the support arm excited to vibrations in the plane of the support arm / electrode build up forces which counteract the excitation forces of the arc which are effective at the lower end of the electrode.
- the vibration sensor can be arranged on the inertial mass.
- the arc furnace 1 shown in FIGS. 1 and 2 is closed by a cover 2 in which three openings 3, 4, 5 are provided for electrodes 6, 7, 8 arranged vertically downwards, parallel to one another and at the corner points of an equilateral triangle .
- a support arm 9, 10, 11 is assigned to each electrode 6 to 8.
- the support arms 9 to 11 run parallel to each other.
- the two outer support arms 10, 11 are of equal length and longer than the middle support arm 9. All of the support arms 9 to 11 are each held on a stand 12 which is adjustable in height. This height adjustability makes it possible to change the distance of the electrode ends from the bath level 13.
- a vibration damper 14, 15, 16 is coupled to the free ends of the support arms 9 to 11.
- the vibration damper has a rotationally symmetrical structure.
- the vibration absorber shown in Fig. 3 consists of a circular cylindrical pot 17, a central pin 18, a pin 18 and pot 17 crosshead 19 connecting parts 17 to 19 form the so-called "inert" mass of the vibration absorber, a fixed guide sleeve 20 for the pin 18, a helical spring 21 arranged on the outside on the guide sleeve 20 in the annular gap between the pin 18 and the pot 17, and the end face of the pot 17 and the pin 18 on a support 22 coupling damping body 23, 24.
- the entire unit is encapsulated in a housing 25.
- the parts forming the inertial mass of the vibration absorber (hollow cylindrical pot 17, pin 18, crosshead 19) and the spring 21 are tuned in their natural frequency to the natural frequency of the oscillating system consisting of support arm 9 to 11 and electrode 6 to 8.
- a vibration sensor 26, 27 can be provided on the inertial mass 17 to 19 of the vibration absorber 14 to 16 or the support arms 9 to 11, which controls the current to be supplied to the electrodes 6 to 8 via a control device in such a way that when a predeterminable maximum value is exceeded, the Power supply for one or more phases is interrupted. This current interruption dampens the system.
- an active vibration absorber or, instead of the purely passive vibration absorber described above, a combination of passive and active vibration absorbers according to FIG. 4 can be provided.
- the basic structure of such a vibration damper corresponds to that of the passive vibration damper, as a comparison of FIGS. 3 and 4 shows.
- the active vibration damper has an electromagnet, the armature of which is formed by at least part of the inertial mass, in the exemplary embodiment the hollow cylindrical part 17.
- This hollow cylindrical part 17 is surrounded by an electrical coil 28 which is arranged on a stationary guide sleeve 30.
- the power supply to the coil 28 is controlled by a control device, not shown.
- the control device receives a control signal from a vibration sensor 29 which is arranged on the inertial mass 17 to 19.
- the control is thus carried out as a function of the vibrations picked up by the vibration sensor 29 in such a way that the vibration damper is excited to vibrate in such a way that the spring 21 and the damping bodies 23, 24 Forces on the support arm 9 to 11 are built up, which counteract the excitation forces at the lower end of the electrodes 6 to 8 by the arc.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen elektrischen Lichtbogenofen, insbesondere zum Schmelzen von Stahl, mit einer oder mehreren jeweils von einem Tragarm gehaltenen Elektrode(n), bei dem mindestens auf dem Tragarm der am meisten bruchgefährdeten Elektrode ein Schwingungstilger für Nickschwingungen in der Ebene Tragarm/Elektrode angeordnet ist, der die Nickschwingungen durch gegenphasige Schwingungen kompensiert.
- Solche elektrischen Lichtbogenöfen werden in der Regel mit drei Elektroden bestückt und als Dreiphasen-Ofen betrieben. Nur für Sonderzwecke, z.B. zum Vorschmelzen von Schlacken für das Schlackenreaktionsverfahren, werden sie mit einer Elektrode bestückt und als Einphasen-Ofen betrieben.
- Bei solchen Öfen besteht ein seit langem bekanntes Problem darin, dass die Elektroden an der Einspannstelle am Tragarm brechen. Bei einem mit drei Elektroden bestückten Ofen betrug die Bruchrate 5 bis 10 Brüche im Monat. Nach Umstellung auf höhere Schmelzleistungen (höherer Strom) erhöhte sich die Bruchrate auf 30 bis 40 im Monat. Dabei war besonders die mittlere Elektrode gefährdet, d.h., bei einer Anordnung der Elektroden im Dreieck und bei einer Halterung der Elektroden an parallelen Tragarmen die Elektrode am mittleren, kürzeren Tragarm.
- Ein möglicher Weg, die Bruchrate dadurch zu senken, dass die Tragkonstruktion versteift wird, ist wegen der damit verbundenen Erhöhung der Massen problematisch. Grössere Massen erfordern nämlich auch einen verstärkten Antrieb zum Heben und Senken der Tragarmkonstruktion. Einer Verminderung der Bruchrate durch verbesserte mechanische Eigenschaften der Elektroden stehen die damit verbundenen Mehrkosten gegenüber.
- Zur Herabsetzung der Bruchrate von Elektrodenbrüchen ist ferner bekannt, an den Elektrodenarmen Schwingungsdämpfer vorzusehen. Diese Schwingungsdämpfer sind derart angeordnet, dass sie senkrecht zur gemeinsamen Ebene von Elektrode und Elektrodenarm auftretende Schwingungen dämpfen. Die Schwingungsdämpfer bestehen aus einer trägen Masse, die über Federn in einer mittleren Lage gehalten wird und deren Bewegung durch Dämpfungsmittel gedämpft wird. In einem Ausführungsbeispiel ist die träge Masse in einem mit Hydraulikflüssigkeit ausgefüllten Gehäuse angeordnet, während sie bei einem anderen Ausführungsbeispiel mit einer Reibungsbremse verbunden ist. In allen Fällen beruht die Dämpfungswirkung darauf, dass die von dem System Tragarm/Elektrode ausgehende und auf die träge Masse übertragene Schwingungsenergie in Reibungswärme umgewandelt wird. Eine solche Verminderung der Schwingungen des Systems Tragarm/Elektrode ist nicht besonders wirksam (DE-OS 2 837 741, Fig. 1 und Fig. 2).
- Zur Herabsetzung der Bruchrate von Elektrodenbrüchen ist ferner ein Schwingungstilger der eingangs genannten Art bekannt. Dieser Schwingungstilger ist als aktiver Schwingungstilger ausgebildet, indem die Nickschwingungen der Elektrode mit einem Sensor erfasst und in einem Regel- und Steuergerät ausgewertet werden, das einen an der Elektrode mechanisch angreifenden Vibrator derart steuert, dass dessen Schwingungen gegenphasig zu den Schwingungen der Elektrode sind (DE-OS 2 837 741, Fig. 12).
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Lichtbogenofen zu schaffen, bei dem die Bruchgefahr der Elektroden im Vergleich zu den herkömmlichen Lichtbogenöfen auf einfache Weise vermindert ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Schwingungstilger als aus träger Masse und Feder bestehendes Schwingsystem ausgebildet ist, das in seiner Eigenfrequenz auf die Nickeigenfrequenz des Schwingungssystems Tragarm/Elektrode abgestimmt ist.
- Bei dem erfindungsgemässen Schwingungstilger handelt es sich um einen passiven Schwingungstilger. Sofern dessen Schwingungsebene der Schwingungsebene der Nickschwingungen des Systems Tragarm/Elektrode entspricht und seine Eigenfrequenz mit der Eigenfrequenz des Systems Tragarm/Elektrode übereinstimmt, wird der Schwingungstilger durch die Schwingungen des Systems Tragarm/Elektrode zu gegenphasigen Schwingungen angeregt. Die bei dieser Anregung im Schwingungstilger aufgebauten Kräfte der trägen Masse des Schwingungstilgers wirken den anregenden Kräften des Systems Tragarm/Elektrode entgegen und unterdrücken deshalb die anregenden Kräfte bereits im Entstehen, so dass es nicht zum Aufschaukeln einer Schwingung mit grosser Amplitude kommen kann. Aus diesem Grunde macht der Einsatz des Schwingungstilgers es überflüssig, die Tragarmkonstruktion besonders zu versteifen und/oder die Elektroden aus einem mechanisch widerstandsfähigeren Material herzustellen. Die geringe Belastung durch die Schwingungen führt auch zu einer verminderten Belastung des Antriebes und der Führung der Tragarmkonstruktion.
- Die Bruchrate kann bereits erheblich vermindert werden, wenn nur auf dem mittleren Tragarm ein Schwingungstilger angeordnet ist. Die Elektrode des mittleren Tragarms ist nämlich deshalb besonders gefährdet, weil die Schwingungen der Elektrode in der Ebene von Elektrode und Tragarm liegen, also in einer Ebene, in der die Konstruktion verhältnismässig steif ist, während die Schwingungen der äusseren Elektroden, deren Schwingungsebene nicht mit der Ebene der Elektroden und der Tragarme zusammenfällt, teilweise durch Torsion der Tragarme aufgefangen werden kann.
- Nach einer Ausgestaltung der Erfindung liegt der Feder des Schwingungstilgers ein die Resonanz verbreiternder Dämpfer parallel. Der Dämpfer hat nur den Zweck, die Resonanzstelle des Schwingungstilgers abzuflachen, so dass die Abstimmung des Schwingungstilgers auf das System Tragarm/Elektrode keiner grossen Sorgfalt bedarf.
- Ein besonders kompakt aufgebauter Schwingungstilger ist dadurch gekennzeichnet, dass die träge Masse einen Zapfen aufweist, der in einer ortsfesten Hülse geführt ist, auf deren Aussenseite die als Schraubenfeder ausgebildete Feder geführt ist. Die träge Masse kann topfförmig ausgebildet sein und die Feder umschliessen.
- Vorzugsweise trägt die träge Masse des Schwingungstilgers einen Schwingungsaufnehmer, der bei Überschreiten eines vorgebbaren Amplitudenwertes der Schwingungen der trägen Masse ein Abschaltsignal an die Stromzuführung zu der oder den Elektroden gibt. Durch das Abschalten der Stromzufuhr wird dem Aufschaukeln der Schwingungen zusätzlich entgegengewirkt.
- Die Wirksamkeit eines passiven Schwingungstilgers kann durch einen zusätzlichen aktiven Schwingungstilger verbessert werden. In diesem Sinne kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung die träge Masse des Schwingungstilgers zusätzlich den Anker eines Elektromagneten bilden, dessen Spule in Abhängigkeit von dem Stellsignal eines Schwingungsaufnehmers für die Nickschwingungen des Schwingungssystems Tragarm/Elektrode in der Ebene Tragarm/ Elektrode derart angesteuert wird, dass der dadurch zu Schwingungen in der Ebene Tragarm/ Elektrode angeregte Schwingungstilger am Tragarm Kräfte aufbaut, die den am unteren Ende der Elektrode wirksamen Erregerkräften des Lichtbogens entgegenwirken. Dabei kann der Schwingungsaufnehmer auf der trägen Masse angeordnet sein.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
- Im einzelnen zeigen
- Fig. 1 einen Lichtbogenofen in schematischer Darstellung in Aufsicht,
- Fig. 2 den Lichtbogenofen gemäss Fig. 1 mit der mittleren Elektrode in schematischer Darstellung in Seitenansicht,
- Fig. 3 einen passiven Schwingungstilger im Axialschnitt und
- Fig. 4 einen mit dem passiven Schwingungstilger kombinierten aktiven Schwingungstilger im Axialschnitt.
- Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lichtbogenofen 1 ist durch einen Deckel 2 verschlossen, in dem drei Öffnungen 3, 4, 5 für senkrecht nach unten, parallel zueinander und an den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnete Elektroden 6, 7, 8 vorgesehen sind. Jeder Elektrode 6 bis 8 ist ein Tragarm 9, 10, 11 zugeordnet. Die Tragarme 9 bis 11 verlaufen parallel zueinander. Die beiden äusseren Tragarme 10, 11 sind gleich lang und länger als der mittlere Tragarm 9. Sämtliche Tragarme 9 bis 11 sind je an einem in der Höhe verstellbaren Ständer 12 gehalten. Diese Höhenverstellbarkeit ermöglicht, den Abstand der Elektrodenenden gegenüber dem Badspiegel 13 zu verändern.
- An den freien Enden der Tragarme 9 bis 11 ist jeweils ein Schwingungstilger 14, 15, 16 angekoppelt. Der Schwingungstilger hat einen rotationssymmetrischen Aufbau. Der in Fig. 3 dargestellte Schwingungstilger besteht aus einem kreiszylindrischen Topf 17, einem zentralen Zapfen 18, einem Zapfen 18 und Topf 17 verbindenden Querhaupt 19, wobei die Teile 17 bis 19 die sogenannte «träge» Masse des Schwingungstilgers bilden, einer feststehenden Führungshülse 20 für den Zapfen 18, einer aussen auf der Führungshülse 20 im Ringspalt zwischen Zapfen 18 und Topf 17 angeordneten Schraubenfeder 21 und stirnseitig den Topf 17 und den Zapfen 18 an eine Unterlage 22 ankoppelnden Dämpfungskörper 23, 24. Die gesamte Einheit ist in einem Gehäuse 25 eingekapselt. Die die träge Masse des Schwingungstilgers bildenden Teile (hohlzylindrischer Topf 17, Zapfen 18, Querhaupt 19) und die Feder 21 sind in ihrer Eigenfrequenz auf die Eigenfrequenz des aus Tragarm 9 bis 11 und Elektrode 6 bis 8 bestehenden Schwingungssystems abgestimmt.
- Durch die Wahl des Dämpfungsmaterials für die Dämpfungskörper 23/24 kann bei hohen Dämpfungswerten eine etwas breitbandigere Wirksamkeit des Schwingungsdämpfers erreicht werden.
- Auf der trägen Masse 17 bis 19 des Schwingungstilgers 14 bis 16 oder den Tragarmen 9 bis 11 kann ein Schwingungsaufnehmer 26, 27 vorgesehen sein, der über eine Steuereinrichtung den den Elektroden 6 bis 8 zuzuführenden Strom derart steuert, dass beim Überschreiten eines vorgebbaren maximalen Wertes die Stromzufuhr für eine oder mehrere Phasen unterbrochen wird. Diese Stromunterbrechung bewirkt eine Bedämpfung des Systems.
- Zusätzlich kann ein aktiver Schwingungstilger bzw. an Stelle des oben beschriebenen rein passiven Schwingungstilgers eine Kombination aus passivem und aktivem Schwingungstilger entsprechend Fig. 4 vorgesehen sein. Der Grundaufbau eines solchen Schwingungstilgers entspricht dem des passiven Schwingungstilgers, wie ein Vergleich der Fig. 3 und 4 zeigt. Der aktive Schwingungstilger weist einen Elektromagneten auf, dessen Anker zumindest von einem Teil der trägen Masse, im Ausführungsbeispiel dem hohlzylindrischen Teil 17, gebildet ist. Dieses hohlzylindrische Teil 17 ist von einer elektrischen Spule 28 umgeben, die auf einer ortsfesten Führungshülse 30 angeordnet ist. Die Stromzufuhr zu der Spule 28 wird von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung gesteuert. Die Steuereinrichtung erhält ein Stellsignal von einem Schwingungsaufnehmer 29, der auf der trägen Masse 17 bis 19 angeordnet ist. Die Ansteuerung erfolgt damit in Abhängigkeit von den vom Schwingungsaufnehmer 29 aufgenommenen Schwingungen derart, dass der Schwingungstilger zu Schwingungen derart angeregt wird, dass über die Feder 21 und die Dämpfungskörper 23, 24 Kräfte am Tragarm 9 bis 11 aufgebaut werden, die den Erregerkräften am unteren Ende der Elektroden 6 bis 8 durch den Lichtbogen entgegenwirken.
- Durch die Bestückung eines Tragarms 9 bis 11 mit einem Schwingungstilger 14 bis 16 wird die Resonanzspitze des Systems unterdrückt und eine Kurve erhalten, die zwei vor und hinter der Resonanzfrequenz liegenden Amplitudenhöchstwerte mit wesentlich geringeren Absolutbeträgen als das unbedämpfte System hat. Das bedeutet, dass die Schwingungsbelastung des gesamten Systems und damit die Bruchgefahr der Elektrode vermindert ist.
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Opponent name: BBC AKTIENGESELLSCHAFT BROWN,BOVERI & CIE. Effective date: 19860124 |
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| RDAG | Patent revoked |
Free format text: ORIGINAL CODE: 0009271 |
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| STAA | Information on the status of an ep patent application or granted ep patent |
Free format text: STATUS: PATENT REVOKED |
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| 27W | Patent revoked |
Effective date: 19860404 |
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| GBPC | Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: FR Ref legal event code: ST |
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| GBPR | Gb: patent revoked under art. 102 of the ep convention designating the uk as contracting state | ||
| EUG | Se: european patent has lapsed |
Ref document number: 82101898.3 Effective date: 19870224 |