DE3616344A1 - Verfahren zur ermittlung des schmelzzustandes des einsatzes in einem drehstromgespeisten lichtbogenofen - Google Patents
Verfahren zur ermittlung des schmelzzustandes des einsatzes in einem drehstromgespeisten lichtbogenofenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zu Ermittlung
des Schmelzzustandes des Einsatzes in einem drehstromgespeisten
Lichtbogenofen mit drei Elektroden durch
Auswertung der Oberschwingungen der Lichtbogenspannung.
Zur Ermittlung des Schmelzzustandes des Einsatzes in
Lichtbogenöfen ist eine Vielzahl von Verfahren entwickelt
worden. Bei den gebräuchlichsten Verfahren werden durch
Auswertung elektrischer Größen des Lichtbogenofens, wie
Strom, Spannung und Leistung Aussagen über verschiedene
charakteristische Größen des Einschmelzprozesses erhalten.
So wird bei einem bekannten Verfahren (DE-PS 23 50 425)
für einen Reduktionsofen die Betriebsspannung zwischen dem
Elektrodenhalter und dem Ofenboden gemessen und deren
Kurvenverlauf mit dem Kurvenverlauf der Versorgungsspannung
verglichen. Der aus diesem Vergleich sich ergebende
Oberwellenanteil dient als Maß für den Kohlenstoffanteil
des Einsatzes. Für die Steuerung des Kohlenstoffanteils
bzw. der Materialbeschickung von Reduktionsöfen mag diese
einfache Art der Auswertung elektrischer Signale noch
geeignet sein, für drehstromgespeiste Lichtbogenöfen zur
Elektrostahlerzeugung ist ein solches Verfahren jedoch
nicht geeignet, denn die summarische Berücksichtigung des
Oberwellenanteils allein gibt keine eindeutige Aussage über
die verschiedenen Betriebsgrößen bei einem Lichtbogenofen.
Ferner ist es bekannt ("Neue Hütte" 22. Jahrg., Heft 11/1977,
Seite 607 bis 611), Prozeßkenngrößen bei Lichtbogenöfen
durch Erfassung des Oberschwingungsgehaltes der
Elektrodenströme zu ermitteln. Da die drei Elektrodenströme
wegen i 1 + i 2 + i 3 = 0 miteinander gekoppelt sind,
eignet sich die Erfassung des Oberschwingungsgehaltes der
Elektrodenströme nicht zur getrennten Beurteilung des
Schmelzzustandes des Einsatzes an jeder Elektrode.
Weiter ist bekannt (DE-OS 31 49 175), den Schmelzprozeß
über die Messung des Wirkwiderstandes des Lichtbogens zu
überwachen. Ein solches Verfahren ist erfahrungsgemäß nur
für die Beobachtung der Schlackenbildung geeignet. Ein
wesentlicher Nachteil eines solchen Verfahrens ist, daß
im Wirkwiderstand eine vollständig entkoppelte, spezielle
Beobachtung der Prozeßzustände in den Einzelsträngen nicht
möglich ist.
Schließlich ist ein Verfahren bekannt (DE-PS 26 57 116),
bei dem die Gleichspannungs- bzw. Gleichstromkomponente
in der Lichtbogenspannung bzw. im Lichtbogenstrom zur
Ermittlung des Schmelzzustandes benutzt wird. Dieses
Verfahren beruht auf dem Effekt, daß im Wechselstrom-
Lichtbogen Gleichrichteffekte vor allem dann auftreten,
wenn der Lichtbogenfußpunkt der Graphitelektrode und das
Schmelzgut stark unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
Ein solches Verfahren ist vermutlich nur in der Einschmelzphase
zur Beobachtung des Lichtbogenbrennverhaltens auf
ungeschmolzenem Einsatz anwendbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Ermittlung des Schmelzzustandes des Einsatzes in einem
drehstromgespeisten Lichtbogenofen mit drei Elektroden zu
entwickeln, das die getrennte Beobachtung der Lichtbögen
ermöglicht und eine Aussage über verschiedene
Betriebsgrößen während des Schmelzens ermöglicht.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Maß für die
Schlackenbildung aus den ungradzahligen Oberschwingungen des
frequenzbezogenen Leistungsdichtespektrums für die
Lichtbogenspannung einer jeden Elektrode ein erster
Teil-Klirrfaktor (k 1) und/oder als Maß für den festen oder
geschmolzenen Einsatz aus den gradzahligen Oberschwingungen
ein zweiter Teil-Klirrfaktor (k 2) oder aus dem
stochastischen Signalanteil des Leistungsdichtespektrums
ein Rauschfaktor (r) bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert schon wegen der
Erfassung der Lichtbogenspannung und nicht der Stromstärke
mehr Information als über die Erfassung der Stromstärke
erhalten werden kann, denn der Wert der Stromstärke wird
durch Netzspannung und Leitungsimpedanz beeinflußt, während
die Lichtbogenspannung von solchen verfälschenden
Einflüssen frei ist. Deshalb sind die aus der Lichtbogenspannung
gewonnenen Signale für jeden Lichtbogenofen
gleichermaßen gültig und brauchen nicht durch längere
Vergleichsmessungen für den jeweiligen Lichtbogenofen
speziell eingemessen zu werden.
Mit den ermittelten Werten läßt sich auch feststellen, ob
ein Lichtbogen von Schrott oder Schlacke abgedeckt ist oder
nicht und auf die aus Feuerfestmaterial bestehende
Ofenwand strahlt. So kann aus dem Vergleich des ersten
Teil-Klirrfaktors (k 1) mit vorgegebenen Grenzwerten ein
Signal für den Grad der Schlackenbildung gewonnen werden.
In weiterer Ausgestaltung kann durch eine solche logische
Verknüpfung des ersten Teil-Klirrfaktors und des zweiten
Teil-Klirrfaktors oder des Rauschfaktors ein Wandfreisignal
erzeugt werden, wenn für alle drei Elektroden über eine
vorgegebene Zeitspanne der erste Teil-Klirrfaktor k 1
größer als die vorgegebenen Grenzwerte und der zweite
Teil-Klirrfaktor k 2 oder der Rauschfaktor kleiner als
vorgegebene Grenzwerte sind.
Mit dem Signal für die Schlackenbildung und dem
Wandfreisignal kann der Schmelzprozeß gesteuert werden.
So kann das Signal für die Schlackenbildung zur Steuerung
der Lichtbogenlänge und/oder der Schaumbildung der Schlacke
verwendet werden. Auch das Wandfreisignal kann dazu
verwendet werden. Da das Wandfreistrahlen dem feuerfesten
Material schadet, kommt dieser Steuerung besondere
Bedeutung zu.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 ein Gerät zur Spektralanalyse der Lichtbogenspannung
an einer der drei Elektroden des
Lichtbogenofens und zur Auswertung des
zugehörigen Leistungsdichtespektrums,
Fig. 2 ein Leistungsdichtespektrum der an einer der
drei Elektroden zu einem bestimmten Zeitpunkt
gemessenen Lichtbogenspannung,
Fig. 3a den aus den ungradzahligen Oberschwingungen
der Leistungsdichtespektren für eine der
drei Elektroden ermittelten ersten Teil-
Klirrfaktor k 1,
Fig. 3b den aus den gradzahligen Oberschwingungen
der Leistedichtespektren für eine der drei
Elektroden ermittelten zweiten Teil-
Klirrfaktor k 2 und
Fig. 3c der aus den stochastischen Signalanteilen
der Leistungsdichtespektren für eine der
drei Elektroden ermittelte Rauschfaktor r.
Gemäß Fig. 1 wird die gemessene Lichtbogenspannung an einer
Elektrode einem Spektralanalysator zugeführt, dessen
Ausgangssignal von einer Auswerteschaltung 2 bewertet wird.
Die Auswerteschaltung 2 bildet aus dem Leistungsdichtespektrum
verschiedene Meßgrößen, die
Betriebskenngrößen repräsentieren, und zwar einen ersten
Teil-Klirrfaktor k 1, einen zweiten Teil-Klirrfaktor k 2,
einen Rauschfaktor r und ein Wandfreisignal t wf . Es ist
vorteilhaft, wenn vom Spektralanalysator und von der
Auswerteschaltung in jeder Sekunde oder auch kontinuierlich
ein Meßergebnis berechnet wird.
Wie das in Fig. 2 dargestellte Leistungsdichtespektrum der
Lichtbogenspannung zeigt, sind aufgrund der nichtlinearen
Lichtbogenkennlinie im Leistungsdichtespektrum neben der vom
Netz aufgeprägten Grundschwingung (50 Hz) Ober-schwingungen
enthalten, und zwar ungradzahlige Ober-schwingungen (U 150
für 150 Hz, U 250 für 250 Hz, U 350 für 350 Hz usw.) und
gradzahlige Oberschwingungen (U 100 für 100 Hz, U 200 für
200 Hz und U 300 für 300 Hz).
Die ungradzahligen Oberschwingungen werden von der
symmetrischen Nichtlinearität der Lichtbogenkennlinie
bestimmt, die bei gleichen positiven und negativen
Lichtbogenhalbwellen auftreten und deshalb als "erwartete"
Oberschwingungen bezeichnet werden. Der Anteil dieser
Oberschwingungen bezogen auf alle Schwingungen, auch erster
Teil-Klirrfaktor k 1 genannt, ist definiert als
Ein typischer Zeitverlauf des ersten Teil-Klirrfaktors k 1
eines Lichtbogens für eine der drei Elektroden ist für die
gesamte Chargenzeit des Einschmelzens von drei Schrottkörben
in Fig. 3a dargestellt.
Der Teil-Klirrfaktor k 1 ist beim Einschmelzbeginn
eines Korbes groß und erreicht bei nahezu rechteckförmigem
Lichtbogenspannungsverlauf Werte bis 40%. Mit zunehmender
Schmelzzeit geht k 1 zurück. Zu den Zeitpunkten t 1, t 2
und t 3 unterschreitet k 1 für einen längeren Zeitraum
einen oberen Grenzwert a. Es hat sich gezeigt, daß dann
der Lichtbogen teilweise von einer Schlacke abgedeckt wird.
Wenn die Schlackenhöhe steigt, sinkt die Größe k 1 weiter
ab und erreicht Minimalwerte bis 10% bei nahezu
sinusförmiger Lichtbogenspannung. Erfahrungsgemäß ist eine
vollständig den Lichtbogen abdeckende Schlacke vorhanden,
wenn ein unterer Grenzwert b unterschritten wird. Dieser
Zustand ist zum Beispiel zu den Zeitpunkten t 4 und t 5
gegeben.
Im Signalverlauf der Größe k 1 (Fig. 3a) ist gegen
Chargenende zum Zeitpunkt t 6 ein starker Signalanstieg
zu beobachten, der dadurch zu erklären ist, daß nach
Abschluß der bei t 3 beginnenden metallurgischen Phase
die Schlacke zum großen Teil abgegossen wird. Während der
Lichtbogenofen bis zum Zeitpunkt t 7 mit konstanten
Lichtbogenspannungen betrieben wird, wird in der
nachfolgenden Warmhaltephase bei verminderter Ofenleistung
die Lichtbogenspannung und damit die Lichtbogenlänge
erheblich reduziert, so daß der Lichtbogen teilweise oder
vollständig je nach verwendeter Spannungsstufe, in die
Restschlacke eintaucht.
Der erste Teil-Klirrfaktor k 1 eignet sich aus diesen
Gründen in besonderem Maße einerseits zur Beobachtung des
Aufbaus einer Schlacke bei konstanter Lichtbogenlänge.
Andererseits kann man bei gegebener Schlackenhöhe die
Lichtbogenlänge derart anpassen, daß eine gewünschte
Schlackenabdeckung der Lichtbogensäule erzielt wird.
Die gradzahligen Oberschwingungen, auch "unerwartete"
Oberschwingungen genannt, basieren darauf, daß die
Lichtbogenkennlinie in der Anodenhalbwelle einen anderen
Verlauf zeigt als in der Kathodenhalbwelle. Diese
Erscheinung tritt bei ungeschmolzenem Einsatz wegen Zündschwierigkeiten
des Lichtbogens auf. Der Anteil dieser
Oberschwingungen bezogen auf alle Schwingungen, auch
zweiter Teil-Klirrfaktor k 2 genannt, ist definiert als
Ein typischer Zeitverlauf des zweiten Teil-Klirrfaktors
k 2 eines Lichtbogens für eine der drei Elektroden ist
für dieselben Chargen wie in Fig. 3a in Fig. 3b dargestellt.
Der am Anfang der Bohrphase, das ist die Phase, in der
der Lichtbogen ein Loch in den ungeschmolzenen Schrott
brennt, sehr große Klirrfaktor von 10% fällt verhältnismäßig
schnell auf einen kleinen Wert von 4% bis 2%, der
charakteristisch dafür ist, daß der Lichtbogen auf
schmelzflüssigem Einsatz brennt.
Der zweite Teil-Klirrfaktor k 2 liefert eine Aussage,
ob der Lichtbogen auf festem oder geschmolzenem Einsatz
brennt.
Es wurde gefunden, daß im Leistungsdichtespektrum der
Lichtbogenspannung auch ein regelloser, stochastischer
Signalanteil enthalten ist, der nicht mit den
deterministischen Komponenten (50 Hz, 100 Hz usw.)
verknüpft ist. Dieser Anteil ist darauf zurückzuführen,
daß der Lichtbogenfußpunkt unruhig auf festem Schrotteinsatz
wandert. Der Anteil dieser stochastischen Signalkomponenten
an der Gesamtschwingung, auch Rauschfaktor r
genannt, ist definiert als
Ein typischer Zeitverlauf für den Rauschfaktor r ist für
dieselben Chargen wie in Fig. 3a und 3b in Fig. 3c
dargestellt. Dieser Signalverlauf entspricht im wesentlichen
dem Signalverlauf des zweiten Teil-Klirrfaktors k 2.
Deshalb ist er, wie der zweite Teil-Klirrfaktor k 2, als
Aussage dafür verwendbar, ob der Lichtbogen auf festem oder
geschmolzenem Einsatz brennt.
Aus den vorgenannten Signalen läßt sich auch eine Aussage
darüber ableiten, zu welchem Zeitpunkt der Lichtbogen nicht
von Schlacke abgedeckt ist und auf die nicht mehr vom
Schrott abgedeckte Ofenwand aus Feuerfestmaterial strahlt.
Dieser sogenannte "Wandfrei"-Zeitpunkt t wf läßt sich aus
einer zeitlichen Bewertung des zweiten Teil-Klirrfaktors
k 2 oder des Rauschfaktors r, logisch verknüpft mit dem
ersten Teil-Klirrfaktor k 1, gewinnen. Wenn für jede der
drei Elektroden über eine vorgegebene Zeitspanne der zweite
Teil-Klirrfaktor k 2 oder der Rauschfaktor r unterhalb
eines vorgegebenen Wertes c bzw. c liegt und außerdem der
erste Teil-Klirrfaktor k 1 unterhalb eines Wertes a für
Teilschlacke oder insbesondere b für Vollschlacke liegt, ist
gewährleistet, daß erstens der Einsatz geschmolzen ist und
zweites der Lichtbogen teilweise oder ganz durch Schlacke
abgeschirmt ist und nicht die vom festen Schrotteinsatz
freie Ofenwand bestrahlen kann. Diese Aussagen können
verwertet werden, um entweder die einzelnen Elektroden
nachzufahren oder durch Einblasen von Kohlenstaub mittels
Preßluft die Schlacke aufzuschäumen.
- Bezugszeichenliste
A: Auswerteschaltung
L: Leistungsdichtespektrum
S: Spektralanalysator
U: Lichtbogenspannung
k 1: Teilklirrfaktor
k 2: Teilklirrfaktor
r: Rauschfaktor
t: Wandfrei-Zeitpunkt
1: Grundschwingung (50 Hertz)
2: Erwartete, ungradzahlige Oberschwingungen (150 Hertz, 250 Hertz, 350 Hertz)
3: Unerwartete, gradzahlige Oberschwingungen (100 Hertz, 200 Hertz, 300 Hertz)
Claims (5)
1. Verfahren zur Ermittlung des Schmelzzustandes des
Einsatzes in einem drehstromgespeisten Lichtbogenofen mit
drei Elektroden durch Auswertung der Oberschwingungen der
Lichtbogenspannung,
dadurch gekennzeichnet, daß als Maß
für die Schlackenbildung aus den ungradzahligen
Oberschwingungen des frequenzbezogenen Leistungsdichtespektrums
für die Lichtbogenspannung einer jeden Elektrode
ein erster Teil-Klirrfaktor (k 1) und/oder als Maß für
den festen oder geschmolzenen Einsatz aus den gradzahligen
Oberschwingungen ein zweiter Teil-Klirrfaktor (k 2) oder
aus dem stochastischen Signalanteil des Leistungsdichtespektrums
ein Rauschfaktor (r) bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß aus dem
Vergleich des ersten Teil-Klirrfaktors (k 1) mit
vorgegebenen Grenzwerten (a, b) ein Signal für den
Grad der Schlackenbildung gewonnen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Teil-Klirrfaktor (k 1) und der zweite Teil-Klirrfaktor
(k 2) oder der Rauschfaktor (r) logisch derart miteinander
verknüpft werden, daß ein Wandfreisignal erzeugt wird, wenn
für alle drei Elektroden über eine vorgegebene Zeitspanne
der erste Teil-Klirrfaktor (k 1) größer als die
vorgegebenen Grenzwerte (a, b) und der zweite Teil-
Klirrfaktor (k 2) oder der Rauschfaktor (r) kleiner
als vorgegebene Grenzwerte (c, c) sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Signal für die Schlackenbildung zur Steuerung der
Lichtbogenlänge und/oder der Schaumbildung der Schlacke,
insbesondere durch Einblasen von Kohlenstaub verwendet
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Wandfreisignal zur Steuerung der Lichtbogenlänge und/oder
der Schaumbildung der Schlacke verwendet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863616344 DE3616344A1 (de) | 1986-05-15 | 1986-05-15 | Verfahren zur ermittlung des schmelzzustandes des einsatzes in einem drehstromgespeisten lichtbogenofen |
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DE19863616344 DE3616344A1 (de) | 1986-05-15 | 1986-05-15 | Verfahren zur ermittlung des schmelzzustandes des einsatzes in einem drehstromgespeisten lichtbogenofen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3616344A1 true DE3616344A1 (de) | 1987-11-19 |
DE3616344C2 DE3616344C2 (de) | 1988-08-04 |
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ID=6300875
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19863616344 Granted DE3616344A1 (de) | 1986-05-15 | 1986-05-15 | Verfahren zur ermittlung des schmelzzustandes des einsatzes in einem drehstromgespeisten lichtbogenofen |
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