EP2536988B1 - Elektrodentragarm eines schmelzmetallurgischen ofens - Google Patents

Elektrodentragarm eines schmelzmetallurgischen ofens Download PDF

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EP2536988B1
EP2536988B1 EP11703657.4A EP11703657A EP2536988B1 EP 2536988 B1 EP2536988 B1 EP 2536988B1 EP 11703657 A EP11703657 A EP 11703657A EP 2536988 B1 EP2536988 B1 EP 2536988B1
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EP
European Patent Office
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support arm
electrode support
electrode
optical waveguide
arm according
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EP11703657.4A
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Gereon Fehlemann
Dirk Lieftucht
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SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • H05B7/02—Details
    • H05B7/10—Mountings, supports, terminals or arrangements for feeding or guiding electrodes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B3/00—Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces
    • F27B3/10—Details, accessories, or equipment peculiar to hearth-type furnaces
    • F27B3/28—Arrangement of controlling, monitoring, alarm or the like devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/08—Heating by electric discharge, e.g. arc discharge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/08—Heating by electric discharge, e.g. arc discharge
    • F27D11/10—Disposition of electrodes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D21/00—Arrangements of monitoring devices; Arrangements of safety devices

Definitions

  • the invention relates to a Elektrodentragarm a molten metallurgical furnace, in particular an electric arc furnace, wherein the electrode support arm is provided with at least one measuring element for measuring a physical quantity.
  • the DE 198 56 765 discloses a method for detecting the degradation of electrically-energizable or energetically-connectable components of electric arc furnaces that arc burning from an electrode during operation.
  • an electrode arrangement with a generic electrode support arm is known.
  • holding devices for the required electrodes are used. These devices usually consist of a support pole, which carries a Elektrodentragarm; the electrode support arm runs in horizontal direction.
  • an electrode is arranged, which extends vertically downwards, ie it hangs at the end of the electrode support arm.
  • the flow guide from a power connection to the electrode is usually done by copper-plated steel sheets, which make up the support arm. The steel sheet essentially performs the mechanical support function, with the copper applied conducting the current.
  • the electrode support arm can be provided with sensor elements, with load cells or strain gauges being used. With these sensors, the deformation of the support arm is detected. The determined sensory determined data are compared with setpoints, for which a measured value evaluation device is used.
  • the present invention is based on the object, a Elektrodentragarm of the type mentioned in such a way that it is possible to detect thermal and / or mechanical loads on the Elektrodentragarms as accurately as possible and to improve the operation of the electrode assembly to improve. So it should be provided an efficient monitoring for the electrode support arm. In this case, a continuous and precise monitoring of the temperatures or the mechanical stresses of the electrode support arm should be possible, which can be realized inexpensively.
  • the solution of this object by the invention is characterized in that the measuring element is formed in the electrode support arm for measuring the temperature and / or mechanical strain of the electrode support arm, wherein the measuring element comprises at least one optical waveguide which extends at least in sections along the longitudinal extent of the electrode support arm.
  • the optical waveguide can be arranged in a surrounding tube.
  • the optical waveguide and the tube possibly surrounding it can be arranged in a bore in the electrode support arm.
  • the optical waveguide and possibly surrounding him tube are arranged in a groove in the electrode support arm.
  • the groove can be closed by a closure element which holds the optical waveguide and the possibly surrounding tube in the groove base, wherein the closure element is in particular a metal part inserted into the groove or cast into the groove.
  • the closure element is preferably connected to the groove by friction stir welding.
  • friction stir welding advantageously, the welding temperature can be well controlled, whereby it can be prevented that the optical waveguide inside the groove becomes too hot.
  • a further alternative provides that the optical waveguide and / or, if appropriate, the tube surrounding it are arranged in a layer, wherein the layer is arranged on or in the electrode support arm.
  • the layer may consist of metal or of a temperature-resistant non-metallic material.
  • the optical waveguide and the possibly surrounding tube can be completely surrounded by the material of the layer.
  • the layer may be applied galvanically to or in the electrode support arm. It can be made of copper, chrome or nickel. It may be a spray coating or a chemical coating, as for example from the DE 10 2009 049479.0 is known.
  • temperatures and / or stresses or strains in the components of the electrode support arm can be measured as a temperature or stress profile over the surface of the electrode support arm. Also included are dynamic changes due to flows in the melt, which is located in the vessel under the arm. As a result, an assessment of the state of wear and the present load situation of the support arm by the temperature and / or the voltage is possible.
  • the proposed concept enables a representation of the thermal or mechanical loading of the components over their surface in the respective operating state.
  • the optical waveguide or the metal tube surrounding the optical waveguide In order to be able to carry out precise temperature measurements with the optical waveguide, it is advantageous for the optical waveguide or the metal tube surrounding the optical waveguide to rest tightly against the component or medium, if possible without (insulating) air gap, thus ensuring good temperature transmission can take place on the optical fiber.
  • the fiber optic cable must not be mislaid during the temperature measurement, so that it can expand or contract when the temperature changes.
  • the optical waveguide is firmly connected to the component whose elongation or its temporal strain curve to be measured, so that the mechanical strain of the component transmits to the optical waveguide.
  • the optical waveguide or the tube surrounding it is firmly connected to the bore or groove base.
  • a filler for closing the groove is used, which may consist of metal. It can be made to fit the shape of the groove. It can also be provided that the filler is produced by casting or spraying the material of the filler into the groove. After that, therefore, the material from which the filling piece is made pourable or sprayable and then poured or injected into the groove, in which the optical waveguide, if necessary, including tube was inserted.
  • the proposed embodiment thus offers the possibility to detect stress states in the measured plane and thus to detect the mechanical stress of the components.
  • the optical waveguide is preferably connected to an evaluation unit in which the temperature distribution in the electrode support arm can be determined. With this evaluation, the mechanical stress on the wall of the electrode support arm can also be detected accordingly.
  • Fig. 1 is an electrode assembly 6 can be seen, which is used in an electric arc furnace.
  • the electrode assembly 6 has a support pole 8 extending vertically.
  • an electrode support arm 1 is arranged, which extends horizontally.
  • an electrode 7 is arranged hanging, over which the arc is generated in the electric arc furnace.
  • the electrode support arm 1 extends in a longitudinal extension L, which in the present case corresponds to the horizontal direction.
  • the power supply of the electrode 7 via a power connector. 9
  • the electrode support arm 1 is made of sheet steel, with which a sufficient mechanical strength is achieved. For the electrical conduction of the current from the power connection 9 to the electrode 7, plating with copper is provided.
  • the Elektrodentragarm 1 is liquid-cooled.
  • the electrode support arm 1 has a cooling channel 10, which flows through a coolant becomes.
  • the media supply lines required for this purpose are not shown.
  • the electrode support arm 1 has a respective bore 5 in its upper and in its lower region (see FIG. FIGS. 2 and 3 ), in which a measuring element 2 is housed, with which the temperature and the voltage can be measured.
  • This is an optical waveguide 3, which is housed in a protective tube 4.
  • the two, still empty holes are in Fig. 3 to see; in this, the optical waveguide is introduced together with tube 4, as it is made Fig. 4 evident.
  • the optical waveguide 3 typically has a diameter of z. B. 0.12 mm; with cladding tube 4 usually results in a diameter in the range of 0.8 mm to 2.0 mm.
  • the optical waveguide 3 consists of a base fiber, which is introduced into the holes 5 or in similar channels or grooves in the electrode support arm 1.
  • the optical waveguide 3 can withstand temperatures up to 800 ° C continuous load.
  • the tube 4 is only optional, not mandatory. In this case, the optical waveguide 3 without tube 4 by the connection to the base material of the electrode support arm 1 expansions is particularly favorable; the same applies to the temperatures that can be well detected by the optical waveguide 3 in the cladding tube 4.
  • a respective bore 5 is provided in the upper and lower region of the electrode support arm 1, in each of which an optical waveguide 3 is introduced. It is also possible in all four side sections of the profile how it looks Fig. 3 indicates to bring holes and place optical fiber 3.
  • the light waves are guided via lens plug from the electrode support arm in the respective rest position to the evaluation unit.
  • optical waveguide 3 - possibly together with tube 4 - in a layer of metallic material or temperature-resistant non-metallic material, which is applied to the electrode support arm 1.
  • the optical waveguide fiber optic sensors in modules, that is, enclosed in prefabricated structural units.
  • the optical fibers are loosely laid in the modules, so that a temperature-induced change in length of the optical waveguide within the module is possible stress-free.
  • the optical waveguides are preferably permanently connected over their entire length to the material of the module or to the housing of the module, so that an expansion of the module or of its housing is transmitted to the optical waveguides.
  • the modules with the optical waveguides are glued or welded onto the electrode support arm and thus actively connected. An elongation or temperature change of the electrode arm is therefore transmitted to the optical waveguide via the module.
  • the modules or the optical waveguides in the modules are suitable to measure the temperature, the mechanical stress or strain and / or - over the time course of the elongation - also the acceleration behavior of the component, in particular of the electrode support arm.
  • a special measuring device may be required, which may be integrated into the module.
  • the strain or acceleration measurements can be used to dampen unwanted vibrations of the component control technology, that is, to correct.
  • the layer can be galvanized (in the case of metal), wherein the optical waveguide 3 together with the tube 4 are completely encased.
  • the galvanic layer may for example consist of copper, chromium or nickel.
  • the optical waveguide 3 is connected to a temperature detection system, not shown, or to a detection system for mechanical stresses or strains. By means of the detection system laser light is generated, which is fed into the optical waveguide 3. The of the optical fiber 3 collected data are converted by means of the detection system into temperatures or voltages and assigned to the different measuring locations.
  • the evaluation can be carried out, for example, according to the so-called fiber Bragg grating method (FBG method).
  • FBG method fiber Bragg grating method
  • suitable optical waveguides are used, the measuring points with a periodic variation of the refractive index or grating get impressed with such variations.
  • This periodic variation of the refractive index leads to the fact that the optical waveguide represents a dielectric mirror as a function of the periodicity for specific wavelengths at the measuring points.
  • the Bragg wavelength is changed and exactly this is reflected.
  • Light that does not satisfy the Bragg condition is not significantly affected by the Bragg grating.
  • the different signals of the different measuring points can then be distinguished from one another on the basis of propagation time differences.
  • the detailed structure of such fiber Bragg gratings and the corresponding evaluation units are well known.
  • the accuracy of the spatial resolution is given by the number of impressed measuring points.
  • the size of a measuring point can be, for example, in the range of 1 mm to 5 mm.
  • the "Optical Frequency Domain Reflectometry” method (OFDR method) or the “Optical Time Domain Reflectometry” method (OTDR method) can also be used to measure the temperature.
  • These methods are based on the principle of fiber optic Raman backscatter, taking advantage of the fact that a temperature change at the point of a light guide causes a change in the Raman backscatter of the optical waveguide material.
  • the evaluation unit eg a Raman reflectometer
  • the temperature values along a fiber can then be determined in a spatially resolved manner, with this method averaging over a specific length of the conductor. This length is about a few centimeters.
  • the different measuring points are in turn separated by differences in transit time.
  • the structure of such systems for evaluation according to the said methods is well known, as are the necessary lasers which generate the laser light within the optical waveguide 3.
  • the largest adjusting lever for vibration compensation is usually the regulation of the adjusting cylinder of the height control of the support arm (see in particular the above-mentioned DE 36 08 338 A1 ).
  • This height control can be used to compensate for the vibrations and deformations identified by the strain measurement.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Elektrodentragarm eines schmelzmetallurgischen Ofens, insbesondere eines Lichtbogenofens, wobei der Elektrodentragarm mit mindestens einem Messelement zur Messung einer physikalischen Größe versehen ist.
  • Die DE 198 56 765 offenbart ein Verfahren zur Erfassung der Nutzungsminderung von mit elektrischem Strom beaufschlagbaren oder mit diesem energiemäßig in Verbindung bringbaren Bauteilen an Lichtbogenöfen, bei denen während des Betriebs von einer Elektrode ausgehend ein Lichtbogen brennt.
  • Aus der DE 27 50 271 A1 ist eine Elektrodenanordnung mit einem gattungsgemäßen Elektrodentragarm bekannt. In schmelzmetallurgischen Öfen, insbesondere in Lichtbogenöfen, werden Halteeinrichtungen für die benötigen Elektroden eingesetzt. Diese Einrichtungen bestehen zumeist aus einem Tragmast, der einen Elektrodentragarm trägt; der Elektrodentragarm verläuft dabei in horizontale Richtung. An dem vom Tragmast entfernten Ende des Elektrodentragarms ist eine Elektrode angeordnet, die sich vertikal nach unten erstreckt, d. h. sie hängt am Ende des Elektrodentragarms. Die Strömführung von einem Stromanschluss zur Elektrode erfolgt zumeist durch kupferplattierte Stahlbleche, aus denen der Tragarm besteht. Das Stahlblech übernimmt dabei im Wesentlichen die mechanische Tragfunktion, wobei das aufgebrachte Kupfer den Strom leitet.
  • In dem genannten Dokument wird auch bereits erläutert, dass der Elektrodentragarm mit Sensorenelementen versehen werden kann, wobei Kraftmessdosen bzw. Dehnmessstreifen zum Einsatz kommen. Mit diesen Sensoren wird die Deformation des Tragarms erfasst. Dabei können die ermittelten sensorisch ermittelten Daten mit Sollwerten verglichen werden, wofür ein Messwertauswertungsgerät zum Einsatz kommt.
  • Ähnliche Elektrodenanordnungen sind in der DE 27 50 186 A1 , in der DE 36 08 338 A1 , in der EP 1 537 372 B1 und in der EP 0 094 378 B1 beschrieben.
  • Nachteilig ist bei den vorbekannten Systemen - soweit sie überhaupt auf die Fragestellung der Messwerterfassung im Elektrodentragarm eingehen -, dass infolge der hohen Stromstärke durch den Elektrodentragarm hohe elektrische Störfelder vorliegen, die sowohl Thermoelemente als auch Dehnmessstreifen empfindlich stören. Demgemäß ist es schwierig, thermische Daten (also Temperaturen) und mechanische Daten (also Spannungen bzw. Dehnungen) genau zu ermitteln, was allerdings die Voraussetzung dafür ist, den Elektrodenbetrieb in optimaler Weise zu fahren.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektrodentragarm der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich wird, thermische und/oder mechanische Belastungen des Elektrodentragarms möglichst genau zu erfassen und so den Betrieb der Elektrodenanordnung verbessert zu steuern. Es soll also eine effiziente Überwachung für den Elektrodentragarm bereitgestellt werden. Dabei soll eine kontinuierliche und präzise Überwachung der Temperaturen bzw. der mechanischen Spannungen des Elektrodentragarms möglich sein, die sich kostengünstig realisieren lässt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement im Elektrodentragarm zur Messung der Temperatur und/oder der mechanischen Dehnung des Elektrodentragarms ausgebildet ist, wobei das Messelement mindestens einen Lichtwellenleiter umfasst, der zumindest abschnittsweise entlang der Längenerstreckung des Elektrodentragarms verläuft.
  • Der Lichtwellenleiter kann dabei in einem diesen umgebenden Rohr angeordnet sein.
  • Der Lichtwellenleiter und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr können in einer Bohrung im Elektrodentragarm angeordnet sein.
  • Alternativ hierzu ist es möglich, dass der Lichtwellenleiter und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr in einer Nut im Elektrodentragarm angeordnet sind. Die Nut kann durch ein Verschlusselement verschlossen sein, das den Lichtwellenleiter und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr im Nutgrund hält, wobei das Verschlusselement insbesondere ein in die Nut eingesetztes oder ein in die Nut eingegossenes Metallteil ist. Das Verschlusselement ist mit der Nut vorzugsweise durch Reibrührschweißen verbunden. Beim Reibrührschweißen kann vorteilhafterweise die Schweißtemperatur gut kontrolliert werden, wodurch verhindert werden kann, dass der Lichtwellenleiter im Innern der Nut zu heiß wird.
  • Eine weitere Alternative sieht vor, dass der Lichtwellenleiter und/oder gegebenenfalls das ihn umgebende Rohr in einer Schicht angeordnet sind, wobei die Schicht am oder im Elektrodentragarm angeordnet ist. Die Schicht kann dabei aus Metall oder aus einem temperaturresistenten nichtmetallischen Material bestehen. Der Lichtwellenleiter und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr können vollständig vom Material der Schicht umgeben sein. Die Schicht kann galvanisch an den oder in den Elektrodentragarm aufgebracht sein. Sie kann aus Kupfer, Chrom oder Nickel bestehen. Es kann sich um eine Spritzbeschichtung oder eine chemische Beschichtung handeln, wie sie z.B. aus der DE 10 2009 049479.0 bekannt ist.
  • Durch die Einbringung von Lichtwellenleitern in die Wandungen und tragenden Elemente der Elektrodentragarme können Temperaturen und/oder Spannungen bzw. Dehnungen in den Bauteilen des Elektrodentragarms als Temperatur- bzw. Spannungsprofil über die Oberfläche des Elektrodentragarms gemessen werden. Ebenfalls erfasst werden dynamische Änderungen bedingt durch Strömungen in der Schmelze, die sich im Gefäß unter dem Tragarm befindet. Hierdurch wird eine Beurteilung des Verschleißzustandes und der vorliegenden Belastungssituation des Tragarms durch die Temperatur und/oder die Spannung möglich. Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht eine Darstellung der thermischen bzw. mechanischen Belastung der Bauteile über ihre Oberfläche im jeweiligen Betriebszustand.
  • Um genaue Temperatur-Messungen mit dem Lichtwellenleiter durchführen zu können, ist es vorteilhaft, dass der Lichtwellenleiter oder das Metallrohr, das den Lichtwellenleiter umgibt, eng an dem Bauteil bzw. Medium anliegt, und zwar möglichst ohne (isolierenden) Luftzwischenraum, damit eine gute Temperaturübertragung auf den Lichtwellenleiter stattfinden kann. Allerdings darf der Lichtwellenleiter bei der Temperaturmessung nicht eingeklemmt verlegt sein, damit er sich bei einer Temperaturänderung ausdehnen oder zusammenziehen kann.
  • Demgegenüber ist es für eine Dehnungsmessung mit dem Lichtwellenleiter erforderlich, dass der Lichtwellenleiter fest mit dem Bauteil verbunden ist, dessen Dehnung oder dessen zeitlicher Dehnungsverlauf gemessen werden soll, damit sich die mechanische Dehnung des Bauteils auf den Lichtwellenleiter überträgt.
  • Damit auch eine Dehnung (Spannung) der Wandung des Elektrodentragarms gemessen werden kann, ist es vorteilhaft, wenn der Lichtwellenleiter bzw. das diesen umgebende Rohr mit der Bohrung bzw. dem Nutgrund fest verbunden ist.
  • Sofern eine Nut vorgesehen wird, in der der Lichtwellenleiter bzw. das diesen umgebende Rohr verlegt wird, ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Füllstück zum Verschließen der Nut zum Einsatz kommt, das aus Metall bestehen kann. Es kann passgenau zur Form der Nut ausgebildet sein. Dabei kann auch vorgesehen werden, dass das Füllstück durch ein Vergießen oder Spritzen des Materials des Füllstücks in die Nut erzeugt ist. Hiernach wird also das Material, aus dem das Füllstück besteht, gießfähig oder spritzfähig gemacht und dann in die Nut, in die der Lichtwellenleiter ggf. samt Rohr eingelegt wurde, eingegossen bzw. eingespritzt.
  • Die vorgeschlagene Ausgestaltung bietet also die Möglichkeit, Spannungszustände in der gemessenen Ebene zu erfassen und so die mechanische Belastung der Bauteile zu erfassen.
  • Die Technologie der Messung von Temperaturen, Dehnungen bzw. Spannungen und/oder von Beschleunigungen aus der zeitlichen Verteilung der gemessenen Dehnungen ist als solche bekannt (auch unter der Bezeichnung "optischer Dehmessstreifen"), so dass insoweit auf den Stand der Technik verwiesen wird.
  • Der Lichtwellenleiter steht hierzu bevorzugt mit einer Auswerteeinheit in Verbindung, in der die Temperaturverteilung im Elektrodentragarm ermittelt werden kann. Mit dieser Auswerteeinheit kann auch entsprechend die mechanische Belastung der Wandung des Elektrodentragarms erfasst werden.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    schematisch in der Seitenansicht eine Elektrodenanordnung eines Lichtbogenofens mit einem horizontal verlaufenden Elektrodentragarm,
    Fig. 2
    die Einzelheit "X" gemäß Fig. 1 in geschnittener Darstellung,
    Fig. 3
    den Schnitt A-B gemäß Fig. 1 und
    Fig. 4
    den Bereich einer Bohrung gemäß Fig. 3 in vergrößerter Darstellung.
  • In Fig. 1 ist eine Elektrodenanordnung 6 zu sehen, die in einem Lichtbogenofen zum Einsatz kommt. Die Elektrodenanordnung 6 hat einen Tragmast 8, der sich vertikal erstreckt. An seinem oberen Ende ist ein Elektrodentragarm 1 angeordnet, der horizontal verläuft. An dem vom Tragmast 8 abgewandten Ende des Elektrodentragarms 1 ist eine Elektrode 7 hängend angeordnet, über die der Lichtbogen im Lichtbogenofen erzeugt wird. Der Elektrodentragarm 1 verläuft dabei in eine Längenerstreckung L, die vorliegend der horizontalen Richtung entspricht. Die Stromversorgung der Elektrode 7 erfolgt über einen Stromanschluss 9.
  • Der Elektrodentragarm 1 besteht aus Stahlblech, mit dem eine ausreichende mechanische Festigkeit erreicht wird. Zur elektrischen Leitung des Stromes vom Stromanschluss 9 zur Elektrode 7 ist eine Plattierung mit Kupfer vorgesehen.
  • Wie der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 und gemäß Fig. 3 entnommen werden kann, ist der Elektrodentragarm 1 flüssigkeitsgekühlt. Hierfür weist der Elektrodentragarm 1 einen Kühlkanal 10 auf, der von einem Kühlmittel durchströmt wird. Die hierfür erforderlichen Medienversorgungsleitungen sind nicht dargestellt.
  • Um sowohl die Temperatur im Elektrodentragarms 1 als auch die mechanischen Dehnungen in demselben genau erfassen zu können, weist der Elektrodentragarm 1 in seinem oberen und in seinem unteren Bereich je eine Bohrung 5 auf (s. Fig. 2 und 3), in denen ein Messelement 2 untergebracht ist, mit dem die Temperatur und die Spannung gemessen werden kann. Hierbei handelt es sich um einen Lichtwellenleiter 3, der in einem schützenden Rohr 4 untergebracht ist. Die beiden, noch leeren Bohrungen sind in Fig. 3 zu sehen; in diese wird der Lichtwellenleiter samt Rohr 4 eingebracht, wie es aus Fig. 4 hervorgeht.
  • Der Lichtwellenleiter 3 hat typischer Weise einen Durchmesser von z. B. 0,12 mm; mit Hüllrohr 4 ergibt sich zumeist ein Durchmesser im Bereich von 0,8 mm bis 2,0 mm.
  • Der Lichtwellenleiter 3 besteht aus einer Grundfaser, die in die Bohrungen 5 oder in ähnliche Kanäle oder Nuten im Elektrodentragarm 1 eingebracht wird. Der Lichtwellenleiter 3 kann dabei Temperaturen bis zu 800 °C Dauerbelastung aushalten. Das Rohr 4 ist dabei nur optional, nicht zwingend vorgesehen. Dabei stellt der Lichtwellenleiter 3 ohne Rohr 4 durch die Anbindung an das Grundmaterial des Elektrodentragarms 1 Dehnungen besonders günstig dar; dasselbe gilt für die Temperaturen, die vom Lichtwellenleiter 3 im Hüllrohr 4 auch gut erfasst werden können.
  • In Fig. 3 ist dargestellt, dass je eine Bohrung 5 im oberen und unteren Bereich des Elektrodentragarms 1 vorgesehen ist, in die jeweils ein Lichtwellenleiter 3 eingebracht wird. Es ist auch möglich, in allen vier Seitenbereichen des Profils, wie es aus Fig. 3 hervorgeht, Bohrungen einzubringen und Lichtwellenleiter 3 zu platzieren.
  • Um die Robustheit der Signalübertragung im Lichtwellenleiter 3 und zu nicht dargestellten Auswertegeräten zu erhöhen, werden die Lichtwellen über Linsenstecker von dem Elektrodentragarm aus in der jeweiligen Ruheposition zur Auswerteeinheit geführt.
  • Neben der dargestellten Möglichkeit der Unterbringung des Lichtwellenleiters 3 in Bohrungen 5 besteht auch die bevorzugte Möglichkeit, eine Nut in den Elektrodentragarm 1 einzuarbeiten und den Lichtwellenleiter 3 - ggf. samt Rohr 4 - im Nutgrund zu verlegen. Die Nut kann dann wieder verschlossen werden, wozu die oben erwähnten Maßnahmen eingesetzt werden können.
  • Ebenfalls möglich ist die Einbringung des Lichtwellenleiters 3 - ggf. samt Rohr 4 - in eine Schicht aus metallischem Material oder aus temperaturresistentem nichtmetallischem Material, die auf den Elektrodentragarm 1 aufgebracht wird.
  • Alternativ sind die Lichtwellenleiter LWL-Sensoren in Modulen, das heißt, in vorgefertigten baulichen Einheiten eingefasst. Für eine Temperaturmessung sind die Lichtwellenleiter in den Modulen locker verlegt, so dass eine temperaturbedingte Längenänderung des Lichtwellenleiters innerhalb des Moduls spannungsfrei möglich ist. Für eine Dehnungsmessung sind die Lichtwellenleiter dagegen vorzugsweise über ihrer gesamten Länge fest mit dem Material des Moduls oder mit dem Gehäuse des Moduls verbunden, so dass sich eine Dehnung des Moduls oder von dessen Gehäuse auf die Lichtwellenleiter überträgt. Die Module mit den Lichtwellenleitern sind auf den Elektrodentragarm aufgeklebt oder aufgeschweißt und insofern wirkverbunden. Eine Dehnung oder Temperaturänderung des Elektrodenarms überträgt sich deshalb über das Modul auf den Lichtwellenleiter. Die Module bzw. die Lichtwellenleiter in den Modulen sind geeignet, die Temperatur, die mechanische Spannung bzw. Dehnung und/oder - über den zeitlichen Verlauf der Dehnung - auch das Beschleunigungsverhalten des Bauteils, hier insbesondere des Elektrodentragarms, messtechnisch zu erfassen. Für die Beschleunigungsmessung kann eine spezielle Messeinrichtung erforderlich sein, welche in das Modul integriert sein kann. Insbesondere die Dehnungs- oder Beschleunigungsmesswerte können dazu verwendet werden, unerwünschte Schwingungen des Bauteils regelungstechnisch zu dämpfen, das heißt, auszuregeln.
  • Die Schicht kann (im Falle von Metall) aufgalvanisiert werden, wobei der Lichtwellenleiter 3 samt Rohr 4 vollständig ummantelt werden. Die galvanische Schicht kann beispielsweise aus Kupfer, aus Chrom oder aus Nickel bestehen.
  • Der Lichtwellenleiter 3 ist mit einem nicht dargestellten Temperaturerfassungssystem bzw. einem Erfassungssystem für mechanische Spannungen bzw. Dehnungen verbunden. Mittels des Erfassungssystems wird Laserlicht erzeugt, das in den Lichtwellenleiter 3 eingespeist wird. Die von der Lichtwellenleitfaser 3 gesammelten Daten werden mittels des Erfassungssystems in Temperaturen oder Spannungen umgerechnet und den verschiedenen Messorten zugeordnet.
  • Die Auswertung kann beispielsweise nach dem sog. Faser-Bragg-Gitter-Verfahren (FBG-Verfahren) erfolgen. Hierbei werden geeignete Lichtwellenleiter verwendet, die Messstellen mit einer periodischen Variation des Brechungsindexes bzw. Gitters mit solchen Variationen eingeprägt bekommen. Diese periodische Variation des Brechungsindexes führt dazu, dass der Lichtwellenleiter in Abhängigkeit der Periodizität für bestimmte Wellenlängen an den Messstellen einen dielektrischen Spiegel darstellt. Durch eine Temperaturänderung an einem Punkt wird die Bragg-Wellenlänge verändert, wobei genau diese reflektiert wird. Licht, das die Bragg-Bedingung nicht erfüllt, wird durch das Bragg-Gitter nicht wesentlich beeinflusst. Die verschiedenen Signale der unterschiedlichen Messstellen können dann aufgrund von Laufzeitunterschieden voneinander unterschieden werden. Der detailierte Aufbau solcher Faser-Bragg-Gitter sowie die entsprechenden Auswerteeinheiten sind allgemein bekannt. Die Genauigkeit der Ortsauflösung ist durch die Anzahl der eingeprägten Messstellen gegeben. Die Größe einer Messstelle kann beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 5 mm liegen.
  • Alternativ kann zur Messung der Temperatur auch das "Optical-Frequency-Domain-Reflectometry"-Verfahren (OFDR-Verfahren) oder das "Optical-Time-Domain-Reflectometry"-Verfahren (OTDR-Verfahren) eingesetzt werden. Diese Verfahren basieren auf dem Prinzip der faseroptischen Ramanrückstreuung, wobei ausgenutzt wird, dass eine Temperaturveränderung am Punkt eines Lichtleiters eine Veränderung der Ramanrückstreuung des Lichtwellenleitermaterials verursacht. Mittels der Auswerteeinheit (z. B. einem Raman-Reflektometer) können dann die Temperaturwerte entlang einer Faser ortsaufgelöst bestimmt werden, wobei bei diesem Verfahren über eine bestimmte Länge des Leiters gemittelt wird. Diese Länge beträgt ca. einige Zentimeter. Die verschiedenen Messstellen werden wiederum durch Laufzeitunterschiede voneinander getrennt. Der Aufbau solcher Systeme zur Auswertung nach den genannten Verfahren ist allgemein bekannt, ebenso wie die nötigen Laser, die das Laserlicht innerhalb des Lichtwellenleiters 3 erzeugen.
  • Mit der Ausstattung des Elektrodentragarms 1 in der erläuterten Weise wird eine Überwachung von Temperaturen und/oder Dehnungen möglich, was in folgender Weise im Betrieb der Elektrodenanordnung genutzt werden kann:
    1. 1. Der stromführende Kupferleiter des Elektrodentragarms verändert seine Leitfähigkeit mit der Temperatur. Durch die genau ermittelten Temperaturmesswerte und die Kenntnis der zugehörigen Leitfähigkeit des Kupfers kann ein konstanter Stromfluss eingestellt bzw. geregelt werden.
    2. 2. Weiterhin ist ein Selbstschutz des Elektrodentragarms durch Kenntnis von Temperatur und Dehnung möglich. Diese ermittelten Daten können in einer Steuerung bzw. Regelung mit zulässigen Werten verglichen werden; die Regelung kann dann Korrekturen für den Stromfluss und die Positionierung des Tragarms vorgeben, so dass die zulässigen Werte eingehalten werden können.
    3. 3. Eine weitere sehr vorteilhafte Anwendung ist die Vermeidung von Schwingungen in der Elektrodenanordnung. Schwingungen im Elektrodentragarm, auch Grenzzyklen, können durch die Dehnungsmessung erkannt werden. Als Konsequenz können kritische Arbeitspunkte vermieden werden, es können namentlich die Einstellwerte für Strom und Spannung so angepasst werden bzw. es kann das Signal so moduliert werden, dass der Schwingung entgegengewirkt und diese kompensiert wird.
  • Als größter Stellhebel zur Schwingungskompensation dient zumeist die Regelung des Stellzylinders der Höhenregelung des Tragarms (s. hierzu insbesondere die oben genannte DE 36 08 338 A1 ). Diese Höhenregelung kann zur Kompensation der durch die Dehnungsmessung identifizierten Schwingungen und Verformungen genutzt werden. Zu dieser an sich bekannten Vorgehensweise wird auf den Beitrag von Prof. Dr.-Ing. Klaus Krüger "Anforderungen an eine moderne Elektrodenregelung für Drehstrom-Lichtbogenöfen" in "elektrowärme international" 4/2007, Vulkan-Verlag GmbH, Essen, ISSN 0340-3521-K 5548 F, verwiesen.
    • Bezugszeichenliste:
    1. 1 Elektrodentragarm
    2. 2 Messelement
    3. 3 Lichtwellenleiter
    4. 4 Rohr
    5. 5 Bohrung
    6. 6 Elektrodenanordnung
    7. 7 Elektrode
    8. 8 Tragmast
    9. 9 Stromanschluss
    10. 10 Kühlkanal
    • L Längenerstreckung

Claims (13)

  1. Elektrodentragarm (1) eines schmelzmetallurgischen Ofens, insbesondere eines Lichtbogenofens, wobei der Elektrodentragarm (1) mit mindestens einem Messelement (2) zur Messung einer physikalischen Größe versehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Messelement (2) zur Messung der Temperatur und/oder der mechanischen Dehnung des Elektrodentragarms (1) ausgebildet ist, wobei das Messelement (2) mindestens einen Lichtwellenleiter (3) umfasst, der zumindest abschnittsweise entlang der Längenerstreckung (L) des Elektrodentragarms (1) verläuft.
  2. Elektrodentragarm nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Messelement in Form des Lichtwellenleiters (3) zum Zwecke der Temperaturmessung locker spannugs- und bewegungsfrei in oder an dem Elektrodenarm angeordnet oder zum Zwecke der Dehnungsmessung - vorzugsweise über seine gesamte Länge - in Wirkverbindung mit dem Material des Elektrodentragarms zur Aufnahme von dessen Dehnungen angeordnet ist.
  3. Elektrodentragarm nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine Messeinrichtung zum Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Dehnungen des Elektrodenarms und zum Ermitteln des Beschleunigungsverhaltens des Elektrodenarms aus dem erfassten zeitlichen Verlauf der Dehnungen.
  4. Elektrodentragarm nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Lichtwellenleiter (3) in einem Modul angeordnet ist, welches fest in Wirkverbindung mit dem Elektrodenarm verbunden ist, wobei der Lichtwellenleiter zum Zwecke der Temperaturmessung spannungs- und bewegungsfrei oder zum Zwecke der Dehnungsmessung fest eingebettet in dem Modul angeordnet ist.
  5. Elektrodenarm nach Anspruch 3 und 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Messeinrichtung zum Ermitteln des Beschleunigungsverhaltens des Elektrodenarms in dem Modul zur Dehnungsmessung integriert ist.
  6. Elektrodentragarm nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Lichtwellenleiter (3) und/oder ein gegebenenfalls ihn umgebendes Rohr (4) in einer Bohrung (5) im Elektrodentragarm (1) angeordnet sind.
  7. Elektrodentragarm nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Lichtwellenleiter (3) und ein gegebenenfalls ihn umgebendes Rohr (4) in einer Nut im Elektrodentragarm (1) angeordnet sind.
  8. Elektrodentragarm nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Nut durch ein Verschlusselement verschlossen ist, das den Lichtwellenleiter (3) und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr (4) im Nutgrund hält, wobei das Verschlusselement insbesondere ein in die Nut eingesetztes oder ein in die Nut eingegossenes Metallteil ist, welches mit der Nut vorzugsweise durch Reibrührschweißen verbunden ist.
  9. Elektrodentragarm nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Lichtwellenleiter (3) und/oder das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr (4) in einer Schicht angeordnet sind, wobei die Schicht am oder im Elektrodentragarm (1) angeordnet ist.
  10. Elektrodentragarm nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schicht aus Metall, vorzugsweise aus Kupfer, Chrom oder Nickel, oder aus einem temperaturresistenten nichtmetallischen Material besteht.
  11. Elektrodentragarm nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Lichtwellenleiter (3) und das gegebenenfalls ihn umgebende Rohr (4) vollständig vom Material der Schicht umgeben sind.
  12. Elektrodentragarm nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schicht galvanisch an den oder in den Elektrodentragarm (1) aufgebracht ist.
  13. Elektrodentragarm nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schicht in Form einer Spritzbeschichtung oder einer chemischen Beschichtung an den oder in den Elektrodentragarm aufgebracht ist.
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