DE3616344A1

DE3616344A1 - Verfahren zur ermittlung des schmelzzustandes des einsatzes in einem drehstromgespeisten lichtbogenofen

Info

Publication number: DE3616344A1
Application number: DE19863616344
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Ing Dr Ing Ameling; Klaus Prof Dr Ing Timm; Rolf-Rainer Dipl Phys Grigat
Original assignee: Thyssen Stahl AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-05-15
Filing date: 1986-05-15
Publication date: 1987-11-19
Also published as: DE3616344C2

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

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.