FI64486C - Saett att reglera och balansera effekten hos en elektrisk ugn - Google Patents

Description

64486

Tapa sähköuunin tehon säätämiseksi ja tasapainottamiseksi

Esillä oleva keksintö kohdistuu tapaan sähköuunin tehon säätämiseksi ja tasapainottamiseksi sulatus- tai kuumen-nusuunissa, jossa tehon syöttö uuniin suoritetaan ainakin yhden elektrodin kautta ja alkuvaiheessa haetaan tasapainotila elektrodeja liikuttamalla.

ZA-patenttihakemuksesta 773923 on tunnettu sähköuunin kontrollijärjestelmä, jossa järjestelmä perustuu toisiopiirissä olevien tilojen tarkkailemiseen. Järjestelmän mukaisesti suoritetaan mittaus ja mittausten tietokonekäsittely valikoiduille ensiö- ja toisiopiirien arvoille. Tietokonekäsittely tehostaa uunin kontrollia siten, että toisiopiirien induktanssien käyttäytyminen on ennustettavissa muiden uunissa tapahtuvien muutosten perusteella. Saatuja tietokonealoja sovelletaan edelleen uunin tarkkailulaitteisiin niin, että uunin olosuhteet saadaan pysymään ennalta määrätyissä rajoissa liikuttamalla elfektrodeja tarvittaessa joko alaspäin tai ylöspäin.

ZA-patenttihakemuksen 773923 mukaisen kontrollijärjestelmän käytännölliseksi toteuttamiseksi vaaditaan, että toisiopiirien induktanssit pidetään vakioina ja että vakioinduktans-siarvoja käytettäessä määritettyjä resistanssiarvoja on verrattava jo ennalta määrättyihin likimääräisiin resistanssi-arvoihin. Tällöin koska elektrodien välittämä teho on suuresti riippuvainen käytetyistä resistanssiarvoista, jotka ZA-patenttihakemuksen 773923 mukaisessa järjestelmässä ovat paljolti riippuvaisia ennaltamäärätyistä arvoista, on uunin tarvitseman tehon muutokset suoritettava pääasiassa elektrodeja liikuttelemalla joko alaspäin tai ylöspäin.

Sähköuunin tehon säätö elektrodeja liikuttelemalla on elektrodien kannalta epäedullista, koska elektrodit joutuvat 64486 tällöin alttiiksi mm. suurille lämpötilavaihteluille. Ratkaiseva osa elektrodin toiminnan kannalta on lämpötilan jakautumisella käytettäessä itsesintrautuvia ns. Söderberg-elektrodeja. Söderberg-elektrodimassa valmistetaan sekoittamalla hiilipitoinen materiaali ja terva-piki sidos-aine. Laadullisesti massan ominaisuudet voidaan jakaa kahteen osaan, sintraantumisalueen ylä- ja alapuoli. Alempi sintraantunut osa voidaan katsoa valmiiksi elektrodiksi, jossa kiinteän hiilimateriaalin fysikaaliset ominaisuudet ovat tärkeät elektrodin toimintaa ajatellen. Ylemmässä osassa massan päävaatimuksena on hyvä juoksevuus, koska on tärkeää, että massa juoksee kohtuullisessa lämpötilassa ja täyttää vaipan kunnolla. Tällöin koko elektrodin kannalta on tärkeää pitää sulan massan korkeus sekä sintraantumisvyö-hyke tietyissä rajoissa. Pääasiallisesti näiden alueiden korkeuteen vaikuttaa lämpötila. Elektrodin toiminnan kannalta epäedulliset korkeudet saattavat aiheuttaa vaikeuksia, jopa elektrodien katkeamisen.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on välttää tekniikan tason mukaiset haitat ja luoda tapa sähköuunin tehon säätämiseksi uunin elektrodien välistä jännitettä muuttamalla sekä tehon tasapainoittamiseksi eri elektrodien välillä elektrodien kulumista vastaavaa syöttönopeutta säätämällä. Keksinnön mukaisen tavan olennaiset tunnusmerkit selviävät oheisesta patenttivaatimuksesta 1.

Keksinnön mukaisesti peruslähtökohtana on, että uunin ottamaa tehoa säädettäessä elektrodeja ei liikuteta alas- tai ylöspäin, vaan niiden kärjet pyritään pitämään paikoillaan, ja tehoa säädetään elektrodien välistä jännitettä muuttamalla. Koska kuitenkin elektrodien valmistustavan vuoksi elektrodeissa tapahtuu epätasaista kulumista ja koska uunissa tapahtuvat muutokset aiheuttavat tilanteen, jolloin eri elektrodit pystyvät vastaanottamaan eri aikoina muuttuvia virtoja ja tehoja, täytyy näitä muutoksia tasapainoittaa eri elektrodien erilaisella syöttämisellä uuniin. Keksinnön 3 64486 mukaisessa säätö- ja tasapainotusjärjestelmässä uunin sähköteknillisiä parametrejä vastusta R, induktanssia L ja impedanssia Z ei missään vaiheessa pyritä vakioimaan, vaan ne saavat vaihdella vapaasti prosessijakson mukaan. Tällöin elektrodien liike pystytään minimoimaan, jolloin elektrodien ajotavasta tulee tasainen eikä aiheudu mekaanisesta liikkeestä johtuvia elektrodikatkeamisia. Lisäksi mekaanisten elektrodilaitteiden huoltotarve pienenee sekä uunin kannen ja elektrodien välinen tiivistys pysyy kunnossa eikä vuoda.

Keksinnön erästä edullista sovellutusmuotoa havainnollistetaan lähemmin seuraavassa viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio esittää keksinnön mukaisen säätötavan toimintaperiaatetta .

Keksinnön mukaista säätötapaa varten uunista mitataan seu-raavat suureet: A. Muuntajan ensiöpiirin vaihevirrat (lp) B. Muuntajan toisiopiirin vaihevirrat (I )

S

C. Elektrodivirrat (I„) Γ> D. Muuntajan vaihekohtainen näennäisteho (Sp) E. Uuniin menevä vaihekohtainen pätöteho (Pg)

Keksinnön mukaisen säädön ulkoisina rajoituksina ovat ainoastaan sallitut uunimuuntajan maksimitehot ja -virrat sekä elektrodilaitteiston ja virtakiskojen maksimivirrat. Säätö tapahtuu seuraavasti: mitattujen suureiden A-E perusteella säätäjä ensin tarkastaa asetetut ulkoiset rajoitukset, joita ei saa ylittää, sekä asettaa jännitteen sille tasolle, että ulkoisia rajoituksia ei ylitetä. Jos ulkoisia rajoituksia ei ole ylitetty, säätäjä laskee vaihekohtaisista pätö-tehoista Pg uuniin menevän summapätötehon EPg ja vertaa sitä asetusarvoihin sekä suorittaa tarpeellisen jännitteen noston tai laskun, jos saatu mittaustulos ΣΡ on asettelualueen

S

ulkopuolella.

4 64486

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, joka esittää säätötavan selostukseen liittyvää käyrästöä.

Kuvio esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen säätötavan toimintaperiaatetta symmetrisellä kolmivaiheisella kuormalla vaihevastuksen R ja vaihekulman φ funktiona käyttäen hyväksi kuvion selventämiseksi vakioreaktanssiarvoa, jota ei käytännössä kuitenkaan saavuteta, sekä olettaen, ettei ulkoisia rajoituksia vaihekohtaisilla suureilla ole ylitetty. Numerolla 1 on merkitty uunin muuntajan maksimitoisiovir-taa ja numerolla 2 muuntajalta elektrodeille menevää maksi-mielektrodivirtaa. Elektrodivirtoja yleisesti on merkitty numerolla 3. Pistekatkoviivoin 4 ja 5 merkitään säätäjään ennalta asetetun halutun uunitehon 6 ylä- ja alarajaa sekä pystysuoralla katkoviivalla 7 keksinnön mukaisen säätötavan käytäntöön soveltuvan toiminta-alueen ja ei-suositeltavan toiminta-alueen välistä rajaa. Käytäntöön soveltuva toiminta-alue on katkoviivan 7 oikealla pudlella. Toiminta-alue jakautuu kolmeen osaan: alue 8, jossa maksimielektrodi-virta 2 rajoittaa uunitehoa, alue 9, jossa muuntajan ensiövir-ta 11 rajoittaa uunitehoa sekä alue 10, jossa säätäjä määrittää uunitehon. Alueella 10 halutun uunitehon yläraja 4 on jatkuvasti muuntajan maksimikuormitettavuutta eli ensiö-virtaa pienempi. Käyräparvi 12 esittää muuntajan eri jänni-teportaita. Vinoviivoitetut kohdat 13 alueilla 8, 9 ja 10 havainnollistavat eri säätöjaksoja keksinnön mukaista tapaa sovellettaessa.

Kuvion mukaisesti tarkastellaan siis säätäjän vaihekohtaisis- ta pätötehoista P laskemaa summapätötehoa ΣΡ . Alueella 8, s s jossa ei vielä ole saavutettu asetettua haluttua uunitehoa 6 maksimielektrodivirrasta 2 johtuen, säätäjä suorittaa jännitteen noston käämikytkimen avulla seuraavalle jännite-portaalle 12 säätö jakson 13 kuluessa. Saimoin tapahtuu * alueella 9, jonka lopussa vasta saavutetaan asetettu haluttu 5 64486 uunitehon yläraja 4 muuntajan maksimikuormitettavuuden 11 vuoksi. Alueella 10 säätöjakson 13 aikana käämikytkin suorittaa jännitteen laskun tai noston sille jänniteportaal-le 12, jolla haluttu teho 6 asetetuissa rajoissa 4 ja 5 saadaan uuniin. Tällöin siis uunin impedanssi (ja samalla vastus) saa vaihdella vapaasti uuniajon aikana.

Keksinnön mukaisen säätötavan edulliseksi soveltamiseksi ottaen huomioon eri elektrodeissa tapahtuvat tehon vastaanottokyvyn muutokset suoritetaan sähköuunin elektrodikohtais-ten tehojen tasapainoitus elektrodien syöttämistä säätämällä. Tasapainoituksella tarkoitetaan tässä tilannetta, jossa elektrodien asento niiden kärkien osalta mitataan jollakin sinänsä tunnetulla tavalla ja kärjet asetetaan elektrodikoh-taisesti samaan kiinteään tasoon. Uuni saadaan näin tasapainoon, jota tasapainotilaa pyritään ylläpitämään. Tärkeintä tasapainoittamisessa on se, että muutoksia elektrodien liikuttamiseen on pystyttävä tekemään riittävän ajoissa, ennen kuin virran jaon muutokset ovat aiheuttaneet muutoksia uunin lämpötilan jakaumaan.

Kun tarkastellaan muutoksia, jotka aiheutuvat elektrodien epätasaisesta kulumisesta tai kerrostumien muutoksista uunissa, voidaan todeta seuraavia seikkoja: - Elektrodivirroissa I£ tapahtuu muutoksia - Elektrodikohtaisissa pätötehoissa Pg tapahtuu muutoksia - Elektrodikohtaisissa loistehoissa Qs tapahtuu muutoksia - Elektrodin ja pohjan välisessä jännitteessä U£ tapahtuu muutoksia.

Yllämainituista suureiden muutoksista voidaan seurata elektrodin aseman muutosta, ts. elektrodin kulumista. Tehojen tasapainottamiseksi keksinnön mukaisella tavalla mitataan tehon säädön suorittamiseksi mitattujen suureiden lisäksi uunista seuraavat suureet: 6 64486 F. Uuniin menevä vaihekohtäinen loisteho Qg

G. Elektrodien ja pohjan välinen jännite UE

H. Elektrodien välinen jännite U

Keksinnön mukainen mittausperiaate tehojen tasapainoittami-seksi elektrodien välillä on seuraava:

Eri suureet mitataan jatkuvasti 10 sekunnista 15 minuuttiin kestävissä jaksoissa aritmeettisina keskiarvoina. Sen jälkeen mitatuista suureista muodostetaan sekä lyhytaikaisia 0,5 tunnista 96 tuntiin että pitkäaikaisia 2 tunnista 60 vuorokauteen kestäviä trendejä eli vaihteludiagrammeja. Mittausjakso ja trendien pituudet jokaiselle suureelle voidaan valita erikseen., Trendit muodostetaan sinänsä tunnettujen matemaattisten menetelmien, kuten reagenssianalyysin avulla käyttäen hyväksi kalkylaattoria tai tietokonetta.

Sekä lyhytaikaisia että pitkäaikaisia trendejä muodostetaan seuraavista suureista: a Vaihekohtaisen pätötehon P erotus yhteenlasketun pätö- Σρ s tehon keskiarvosta _s mittausjaksoittain, jolloin n n on elektrodien lukumäärä, b Yhteenlaskettu pätöteho ZPg c Vaihekohtaisten loistehojen Q erotus yhteenlasketun

Σ0 S

loistehon keskiarvosta s mittausjaksoittain, jolloin n n on elektrodien lukumäärä.

d Yhteenlaskettu loisteho ZQ .

s e Muuntajan ensiö- ja toisiopiirien vaihevirrat I ja Ig. f Elektrodivirrat I„.

L· g Elektrodien ja pohjan välinen jännite UE vähennettynä elektrodien välisestä jännitteestä U jaettuna /3:11a eli — - UE.

n

Keksinnön mukaisen sähköuunin tehon säätö- ja tasapainoitus-tavan perusteella muodostetuille trendeille (a-g) lasketaan edelleen lineaariset riippuvuudet sekä tarkastellaan sen 7 64486 jälkeen saatujen lineaaristen riippuvuuksien kulmakertoi-mia. Jos saman suureen (a, c ja e-g) lyhytaikaisen ja pitkäaikaisen trendin kulmakertoimet eroavat toisistaan; suoritetaan ulkoisten rajoitusten, kuten elektrodien syöttö-järjestelmä, puitteissa elektrodin syötön muutos elektrodi-kohtaisesti. Summatrendien (b ja d) lyhytaikaisten ja pitkäaikaisten trendien lineaaristen riippuvuuksien kulmakerroin-ten erojen perusteella suoritetaan kaikkien elektrodien syötön säätö ottaen huomioon kuitenkin jo elektrodikohtaisesti suoritettujen säätöjen vaikutus.

Keksinnön mukaisen sähköuunin tehon säätö- ja tasapainoitus-tavan edulliseksi toteuttamiseksi seurataan lisäksi ulkoisten rajoitusten vuoksi suureiden, virrat ja näennäistehot, rajoitt.amisaikoja tehon syötön suhteen. Rajoittamis-aikojen ylittyessä, jolloin tapahtuneet muutokset ovat olleet ulkoisia rajoituksia suurempia ja laitteiden säätö-varat loppuneet muutetaan elektrodien keskinäistä asentoa siten, että aikaansaadaan uusi tasapainotila ja jolloin elektrodien asema on määritetty jollakin sinänsä tunnetulla tavalla, ja uudet sekä lyhytaikaiset että pitkäaikaiset trendit aloitetaan. Vaikka esillä olevan keksinnön edulliseksi toteuttamiseksi elektrodeja syötetään koko prosessijakson ajan uunin sisään, voidaan elektrodien tasapainotilan muodostamisen yhteydessä elektrodia tai elektrodeja myös liikuttaa ylöspäin, mikäli se esim. uuniolosuhteet huomioonottaen on edullista.

Keksinnön mukaiseen säätö- ja tasapainoitustapaan liittyvä elektrodien uuniin syöttö ja sen säätö voidaan suorittaa joko automaattisesti tai manuaalisesti.

Keksinnön mukaisen säätö- ja tasapainottustavan käyttö ei rajoitu ainoastaan täysin suljettuihin sähköuuneihin, vaan tavalla saavutetaan etuja myös avoimissa tai puoliavoimissa 8 64486 sähköuuneissa. Erityisiä etuja keksinnön mukaisella tavalla saavutetaan täysin suljetuissa uppokaariuuneissa, joista sulaa lasketaan ulos aika ajoin ja joista saatavia poisto-kaasuja käytetään hyväksi energiatalouden ylläpitämiseen uunin ulkopuolella, jolloin keksinnön mukaisen säätö- ja tasapainoitustavan aikaansaama tasainen kaasujen kehitys on tärkeää. Tällaisia uppokaariuuniprosesseja ovat mm. ferro-kromiraakarauta- ja ferromangaaniprosessit. Tapaa voidaan kuitenkin soveltaa myös sähköuuneihin, joissa sulan lasku tapahtuu jatkuvana.

Keksinnön mukainen tehon säätö käämikytkintä ohjaamalla voi yksinään olla uunin säätötapa eikä välttämättä vaadi tasapainoi tus tapaa, jos esim. elektrodien rakenteesta johtuvat erilaiset kulumiset voidaan estää. Vastaavasti elektrodi-tehojen tasapainoitusta voidaan käyttää yksinkin jonkin muun tehon säätötavan yhteydessä, joskin se parhaiten soveltuu käämikytkinsäädön yhteyteen.

Claims (7)

1. Tapa sähköuunin tehon säätämiseksi ja tasapainottamiseksi sulatus- tai kuumennusuunissa, jossa tehon syöttö uuniin suoritetaan ainakin yhden elektrodin kautta ja alkuvaiheessa haetaan tasapainotila elektrodeja liikuttamalla, tunne ttu siitä, että kun haluttu tasapainotila on saavutettu, suoritetaan tehon säätö sähköuunista mitattujen suureiden avulla elektrodien välistä jännitettä muuttamalla, jolloin uunin impedanssien, reaktanssin ja resistanssin annetaan vapaasti vaihdella, ja jolloin samalla elektrodien syöttönopeus alaspäin on vakio tai nolla, ja että vasta kun halutun tehoalueen rajalla saavutetaan myös virransyöttö-alueen raja, johtuen elektrodien tehon vastaanottokyvyn muutoksista ja/tai uuniolosuhteiden muutoksista, suoritetaan tasapainotus elektrodien syöttönopeutta muuttamalla elektro-dikohtaisesti, tavoitteena pysyttää elektrodien kärjet elektrodikohtaisesti koko prosessijakson ajan samassa tasossa, jolloin käytetään hyväksi uunista mitattujen suureiden perusteella muodostettuja trendejä ja näiden keskinäisiä riippuvuuksia, ja että uuden syöttönopeuden jälkeen suoritetaan tehon säätö jälleen jännitettä muuttamalla, ja niin edelleen niin kauan kuin tasapainotila voidaan tällä tavalla ylläpitää.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että jännitteen säätö suoritetaan syöttömuuntajän käämikytkintä ohjaamalla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen tapa, tunnet- t u siitä, että tehon säätämiseksi ja tasapainottamiseksi mitataan uunin muuntajan ensiö- ja toisiopiirien vaihevirrat lp ja Ig, elektrodivirrat IE, muuntajan vaihekohtäinen näen- näisteho S , uuniin menevä vaihekohtainen pätöteho P , uuniin P s menevä vaihekohtainen loisteho Q , elektrodien ja pohjan s välinen jännite Ug sekä elektrodien välinen jännite U. 10 64486

4. Patenttivaatimusten 1, 2 ja 3 mukainen tapa, tunnettu siitä, että uunista mitattujen suureiden avulla muodostetaan kullekin käsiteltävälle suureelle erikseen sekä lyhytaikaisia että pitkäaikaisia trendejä ja että trendeille muodostetaan lineaariset riippuvuudet, joiden eroa saman suureen lyhytaikaisen ja pitkäaikaisen trendin välillä käytetään hyväksi elektrodien uuniin syöttönopeutta määrättäessä.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen tapa, tunnettu siitä, että lyhytaikaisen trendin pituus on välillä 0,5-96 h.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen tapa, tunnettu siitä, että pitkäaikaisen trendin pituus on välillä 2 h -60 vrk.

7. Jonkin edelläolevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että uunista mitattavat suureet mitataan aritmeettisina keskiarvoina jatkuvasti mittaus jakson pituuden ollessa välillä 10s - 15 min. 64486