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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und
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gegebenenfalls Regelung der Elektroden-Eintauchtiefe in elektrischen
Öfen mit in die Beschickung eingetauchten Elektroden, denen die elektrische Energie
durch Stromzuführungsbacken zugeführt wird.
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Während bei den Elektro-Öfen, die mit offenem Lichtbogen arbeiten,
der Abstand der Elektrodenspitze vom Badspiegel, z.B. durch Messung der Impedanz,
verhältnismäßig leicht feststellbar ist, war bis jetzt die Ermittlung der Eintauchtiefe
der Elektrode im Ofengefäß (bzw. des Abstandes der Elektrodenspitze vom Gefäßboden)
bei Elektro-Öfen mit in die Beschickung eingetauchten Elektroden, wie z.B. Reduktionsöfen,
sehr schwierig.
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Dabei ist gerade die Ermittlung dieser Daten für den Ofengang sehr
wichtig und stellt ein Kriterium bei der Prozeßsteuerung mit Automation dar.
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Früher mußte bei Messung der Elektroden-Eintauchtiefe bei Reduktionsöfen
der Ofenbetrieb unterbrochen werden.
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Aus der DT-AS 2 063 449 sind mehrere Methoden bekannt, die während
des Betriebes durchgeführt werden sollten, z.B.
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Echolot und radioaktive Messung; jedoch haben diese Verfahren nicht
zu einem befriedigenden Ergebnis geführt. In der genannten Schrift wird weiterhin
ein Verfahren zur Messung der Länge einer in die Beschickung eingetauchten Hohlelektrode
eines elektrothermischen Schmelzofens beschrieben.
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Die Messung erfolgt mit Hilfe eines Meßstabes, der mit einem Stahlseil
durch die Bohrung der Elektrode auf ein durch den staubförmigen Möller gebildetes
Polster herabgelassen wird.
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Die hierfür benötigte Länge des Stahlseils wird mechanisch gemessen.
Das Polster (bzw. die Verstopfung der Elektrodenbohrung) wird vorher durch einen
hohen Durchsatz an staubförmigem Möller gebildet. Nachdem die Verstopfung durch
eine
im Möller-Zuführungsrohr vorgenommene Druckmessung festgestellt wird, wird der Meßstab
auf den Stopfen aufgesetzt.
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Dieses Verfahren kann lediglich bei Hohlelektroden verwendet werden.
Außerdem können die Messungen nur durch das Bedienungspersonal durchgeführt werden
; eine Automatisierung des Meßverfahrens wäre sehr umständlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung der Eintauchtiefe
der Elektroden in elektrischen Öfen mit in die Beschickung eingetauchten Elektroden
vorzuschlagen, das unter Anwendung einfacher Maßnahmen eine ausreichende Meßgenauigkeit
gewährleistet und automatisch durchgeführt wird. Zur Lösung dieser Aufgabe werden
in einen Rechner die folgenden, durch die mechanischen Daten des jeweiligen Ofen-Betriebszustandes
bedingten Werte gespeichert: A) als relativ konstanter Wert der in Richtung der
Elektrodenachse gemessene Abstand L1 zwischen einem Festpunkt A an der ortsfesten
Bühnen- oder Ofenkonstruktion und einem festgelegten Punkt B am Ofengefäß und B)
als Meßwerte: a) das jeweilige Gewicht zuges des Elektrodenstranges, b) der in Richtung
der Elektrodenachse gemessene Abstand L2 zwischen dem Festpunkt A am ortsfesten
Teil der Bühnen- oder Ofenkonstruktion und dem oberen Elektrodenende C, wobei im
Rechner eine Differenz Lx zwischen dem relativ konstanten Wert L1 und der Summe
der gespeicherten Meßwerte, nämlich des dem Abstand L2 zwischen dem Festpunkt A
am ortsfesten Teil der Bühnen- oder Ofenkonstruktion und dem oberen Elektrodenende
C sowie des dem Gesamtgewicht des Elektrodenstranges zuges entsprechenden, aufgrund
der linearen Abhängigkeit zwischen Gewicht und Länge der Elektrode als eine die
Länge ausdrückende Größe gespeicherten Meßwertes, gebildet
wird.
Die Differenz Lx gibt den in Richtung der Elektrodenachse gemessenen Abstand zwischen
dem festgelegten Punkt B am Ofengefäß - der üblicherweise am Gefäßboden oder am
Gefäßrand liegt - und der Elektrodenspitze D an (die Eintsuchtiefe).
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Für die Beziehung zwischen der dem Abstand der Elektrodenspitze D
und dem Festpunkt B am Ofengefäß entsprechenden Strecke Lx und den weiteren, der
Länge der Elektrode L sowie dem veränderlichen Abstand L2 des oberen Elektrodenendes
C vom Festpunkt A am ortsfesten Teil der Ofenkonstruktion entsprechenden veränderlichen
Strecken und der dem konstanten Abstand L1 zwischen den Festpunkten A und B entsprechenden
Strecke gilt: Lx = L1 - (L2 + L) (1) Während die dem Abstand L1 entsprechende konstante
Strecke und die veränderliche Strecke L2 durch ein direktes Messen ermittelt werden
können, ist eine direkte Messung der Länge L der mit ihrer Spitze in die Beschickung
eintauchenden Elektrode nicht möglich. Deshalb wird ein indirekter Weg, nämlich
über die Ermittlung des jeweiligen Gewichts des Elektrodenstranges, beschritten.
Hierbei wird aufgrund der linearen Abhängigkeit zwischen Gewicht und Länge der Elektrode
das Gewicht des Elektrodenstranges bzw. eines Elektrodenabschnittes jeweils in als
die Länge ausdrückenden, dem Gewichtsanteil entsprechenden Größen gespeichert.
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Das jeweilige Gesamtgewicht Qges des Elektrodenstranges wird z.B.
mit Hilfe von Lastmeßdosen oder eines Drucktransmitters (Fig. 1 und 2) erfaßt, wobei
der Rückdruck P1 um den vorgegebenen konstanten Wert P2 = k . 1 vermindert wird.
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dieser Vorgang kann z.B. direkt in einem Differenmeßwert-Umformer
stattfinden, oder auf dem elektrischen Wege, indem einer elektrischen, dem wert
Qges entsprechenden Größe eine
dem konstanten Wert <1 entsprechende
elektrische Größe gegengeschaltet wird.
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Aus der besagten linearen Abhängigkeit ergibt sich die folgende Beziehung
zwischen Gesamtlänge L und Gesamtgewicht Qges der Elektrode: L=k. kges . (2) wobei
k die gespeicherte, die lineare Abhängigkeit zwischen Gewicht und Länge der Elektrode
ausdrückende Konstante ist.
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Nach kinsetzung des Ausdruckes (2) in die Gleichung (1) ergibt sich:
Lx = L1 - (L2 + k . Qges) (3) Entsprechend dieser Gleichung werden die gespeicherten
Signale im Rechner verarbeitet.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird bei kontinuierlicher
Messung das Ergebnis des Rechenvorgangs als Ausgangssignal Lx mit einem zu einem
Signal verarbeiteten vorgegebenen Sollwert, der dem einzustellenden Abstand der
Elektrodenspitze D von dem vorgegebenen Festpunkt B am Ofengefäß entspricht, verglichen
und aufgrund der sich ergebenden Differenz zwischen Soll- und Istwert werden Steuerimpulse
für einen die Höhenverstellung der Elektroden bewirkenden Stellantrieb ausgelöst.
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Da für den Betrieb nicht nur die Eintauchtiefe der Elektroden, sondern
auch die Länge des jeweils unterhalb der Kontaktbacken befindlichen, dem Abbrand
ausgesetzten, veränderlichen Elektrodenabschnitts von Bedeutung ist, wird nach einem
weiteren Merkmal der Erfindung in den Rechner als ein durch die mechanischen Daten
des jeweiligen Ofen-Betriebszustandes bedingter relativ konstanter Wert das Gewicht
9 der mit der
Elektrode verbundenen, beweglichen Konstruktionsteile
des Elektrodenstranges zuzüglich eines vorbestimmten, im wesentlichen oberhalb der
Kontaktbacken befindlichen, längenunveränderlichen Elektrodenabschnitts gespeichert,
und zur Ermittlung der jeweiligen Länge L4 des veränderlichen Elektrodenabschnittes
wird eine Differenz zwischen dem Gesamtgewicht Qges des Elektrodenstrengen und dem
Gewicht 9 des unveränderlichen Elektrodenabschnitts gebildet, wobei die beiden Werte
Qge8 9 aufgrund der linearen Abhängigkeit zwischen Gewicht und Länge der Elektrode
als die Länge ausdrückende Größen gespeichert werden.
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Hierbei wird von den folgenden Voraussetzungen ausgegangen: Das Gesamtgewicht
Qges des Elektrodenstranges besteht aus folgenden Anteilen: 1. einem konstanten
Gewichtsanteil Q1, bestehend aus dem unveränderlichen Konstruktionsgewicht der Halte-
und Nachsetzvorrichtung, der Stromzuführungen sowie anderer beweglicher Konstruktionsteile,
die mit der Elektrode verbunden sind, zuzüglich des Gewichts eines unveränderlichen
Elektrodenabschnitts L3, der sich jeweils oberhalb der Kontaktbacken befindet, und
2. dem veränderlichen Gewicht ÇE eines jeweils unterhalb der Kontaktbacken befindlichen
Elektrodenabschnitts L4.
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Demnach können die Beziehungen zwischen den Längen bzw. den Gewichten
der Elektrode sowie der Elektrodenabschnitte L3 und L4 wie folgt ausgedrückt werden:
L 4 L3 + L4 (1) wobei L die Gesamtlänge der Elektrode bedeutet.
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Für das Gewicht der Elektrode gilt: Qges = Q1 + QE (2') Die Beziehungen
zwischen der Länge und dem Gewicht der Elektrode können aufgrund der linearen Abhängigkeit
zwischen diesen beiden Größen wie folgt ausgedrückt werden: L=k.-;es (3) L3 = k
. Q1 (4) L4 = k . E (5) wobei k der Koeffizient der linearen Abhängigkeit ist.
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Aus der Gleichung (1') kann die Länge des veränderlichen, zu überwachenden
Elektrodenabschnitts L4 errechnet werden: L4 = L - L3 (6) Nach Einsetzung der Ausdrücke
(4) und (5) in die Gleichung (6) gilt: L4 = k (Qges - Q1) (7) Nach dieser Gleichung
werden im Rechner die gespeicherten Signale verarbeitet.
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Bei Festelektroden ändert sich die Länge L4 durch den Abstand, bei
Söderbergelektroden durch die unterschiedliche Füllhöhe.
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Erfindungsgemäß wird das dem Ergebnis des Rechenvorgangs entsprechende
Ausgangssignal L4 mit einem zu einem Signal verarbeiteten, vorgegebenen Sollwert,
welcher der minimalen Länge des veränderlichen Elektrodenabschnitts entspricht,
verglichen, und bei Unterschreitung des Sollwertes wird ein Warnsignal für die Bedienung
ausgelöst,
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung liegt der
Festpunkt B am Ofengefäß entweder in der Ebene des Gefäßbodens oder des Gefäßrandes.
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Der Abstand L2 zwischen dem Festpunkt A an der ortsfesten Bühnen-
oder Ofenkonstruktion und dem oberen Elektrodenende C kann mit Hilfe einer Sonde
ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise wird das Gesamtgewicht Qges des Elektrodenstranges
mit Hilfe von Lastmeßdosen ermittelt.
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Bei mit hydraulischen Hub zylindern versehenen Elektrodensträngen
wird das Gesamtgewicht des Stranges durch das Messen des spezifischen, statischen
Rückdruckes ermittelt.
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Um evtl. Abweichungen, z.B. die Abweichung der Form des Elektrodenendes
von der idealen zylindrischen Form, wodurch die lineare Abhängigkeit zwischen Gewicht
und Länge der Elektrode aufgehoben wird, zu kompensieren, werden erfindungsgemäß
Korrekturwerte in dem rechner gespeichert.
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Zur Erläuterung der Erfindung dienen die beigefügten schematischen
Zeichnungen.
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Es zeigt: Fig. 1 einen elektrischen Ofen, mit Elektroden mit hydraulischen
Klemmvorrichtungen, von denen jedoch nur eine gezeichnet ist, wobei der Abstand
zwischen der Elektrodenspitze und dem Gefäßboden gemessen wird; Fig. 2 die Vorrichtung
gemäß Fig. 1, wobei der Abstand zwischen der Elektrodenspitze und dem Gefäßrand
gemessen wird und Fig. 3 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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In der vereinfachten Darstellung der Einrichtung gemäß Figur 1 bzw.
2 ist mit 1 das Ofengefäß eines dreiphasigen Reduktionsofens bezeichnet. 2 ist die
Elektrode und 3 hydraulische Zylinder der Klemmvorrichtung, die mit ihrem oberen
Ende an einem ortsfesten Teil der Ofenkonstruktion angeschlossen sind. Die übrigen
zum Elektrodenstrang gehörenden Teile, nämlich die Stromzuführungen sowie Teile
der Halte- und Nachsetzvorrichtungen, sind nicht dargestellt. Mit 4 ist der ortsfeste
Teil der Bühnen- bzw.
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Ofenkonstruktion bezeichnet. 6 ist ein Differenzdruckmesser, der mit
den hydraulischen Zylindern 3 verbunden ist, und 7 ist ein Druck-Akkumulator.
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Mit "A" ist ein in der Elektrodenachse liegender Festpunkt am ortsfesten
Teil 4 der oberen Bühnen- oder Ofenkonstruktion bezeichnet, 11011 ist das obere
Elektrodenende, während mit "D" das untere Elektrodenende bezeichnet ist. "B" ist
ein gedachter Festpunkt, der im Schnittpunkt der Elektrodenachse mit dem Gefäßboden
liegt.
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Wie Figur 3 zeigt, werden die den Drücken P1 und P2 bzw. den Maßen
Zuges und 9 proportionale Signale von Transmitter 6 über einen Verstärker 8 einem
elektronischen Rechner 10 zugeführt. Ebenso wird das der Strecke L2, die durch eine
Sonde ermittelt wird, entsprechende Signal über einen Transmitter 11, einen Signalspeicher
12 und einen Verstärker 13 auf den Rechner 10 gegeben. Dort werden diese Signale
gemeinsam mit dem konstanten Signal L1 verarbeitet: Das Ergebnis ist das Ausgangssignal
Lx, das dem Abstand der Elektrodenspitze von dem Festpunkt B am Ofengefäß entspricht
bzw. das Ausgangssignal L4 bei der Ermittlung der Länge des veränderlichen Elektrodenabschnittes.
Bei kontinuierlicher Messung können die errechneten Werte Lx bzw. L4 mit vorgegebenen
Sollwerten verglichen werden. Aufgrund des Vergleichs können dann Steuerimpulse
für den Stellantrieb der Elektroden und/oder Warnsignale für die Bedienung ausgelöst
werden, wenn die Länge des veränderlichen Elektrodenabschnitts den Sollwert unterschritten
hat.
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Dem Rechner 10 ist ein Schreiber 14 nachgeschaltet. Im Schaltkreis
ist ein Schaltglied 15 vorgesehen.
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Die Messung der Elektrodentauchtiefe bzw. der Länge des veränderlichen
Elektrodenabschnitts kann - wie bereits ausgeführt - kontinuierlich erfolgen. Es
ist jedoch zweckmäßig, wenn zur Erzielung einer größeren Meßgenauigkeit und zur
Ausschaltung von außen kommender Störeinflüssen die Messung in einstellbaren Intervallen
erfolgt und die Werte bis zur nächsten Messung gespeichert werden, wobei sichergestellt
ist, daß die Elektrode vor der Messung jeweils im einige Zentimeter angehoben und
dann während der Messung nicht bewegt wird.
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Die Betriebsergebnisse zeigten, daß - auch wenn die auftretenden Störeinflüsse
nach den Prozeßbedingungen die absolute Meßgenauigkeit gewissermaßen beeinträchtigten
- sogar bei schwierigen Bedingungen eine ausreichende relative Meßgenauigkeit gegeben
ist. Jedenfalls wird gewährleistet, daß bei einem gestörten Ofenbetrieb anhand der
registrierten Meßwerte die Tendenz zum Über- oder Unterschreiten der optimalen Elektrodeneintauchtiefe
der Elektroden so rechtzeitig erkannt wird, daß durch geeignete Maßnahmen ein optimaler
Ofengang hergestellt wird.
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L e e r s e i t e