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Verfahren zur übe-rwachung des Zustandes des Licht-
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bogenschmelzens Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Elektrometallurgie,
insbesondere auf ein Verfahren zur Kontrolle des Lichtbogenschmelzens nach indirekten
Parametern, und zwar auf ein Verfahren zur Überwachung des Zustandes des Lichtbogenschmelzens,
und kann zur Durchführung einer kontinuierlichen Überwachung des Zustandes der Schmelze
in Lichtbogenöfen sowie zur Korrektur des Schmelzprozesses gemäß den Meßergebnissen
des zu überwachenden Parameters verwendet werden.
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Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Schmelzkontrolle und zur
überwachung des Lichtbogenschmelzens, bei denen ein zu kontrollierender Parameter,
der mit der Nichtlinearität des Lichtbogens verbunden ist, ausgewählt und mit den
aus der Analyse der vorangegangenen
Schmelzen gewonnenen Bezugswerten
verglichen wird.
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Zu diesen Parametern gehört beispielsweise die Radiofrequenzstrahlung,
die in den Abschnitten mit dem negativen Differentialwiderstand der Lichtbögen entsteht
(s. beispielsweise die NO-PS 125128). Die Radiofrequenzstrahlung wird durch Meterwellenbereichantennen
aufgefangen, die in das Ofenfutter eingebaut sind und zur Überwachung der Schmelze
vorwiegend durch Bestimmen der Zeitpunkte des Brennbeginns des offenen Lichtbogens
dienen, der die Ausstrahlung auf das Futter erzeugt.
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Bekannt ist ferner ein anderes Verfahren zur Überwachung des Zustandes
des Lichtbogenschmelzens nach den Kontrollparametern, die mit der Nichtlinearität
des Lichtbogens verbunden sind, und zwar ein Verfahren zur Schmelzkontrolle nach
den höheren Harmonischen des Lichtbogenstroms (SU-Urheberschein 358796). Das Wesen
dieses Verfahrens zur überwachung des Lichtbogenschmelzens nach den höheren Harmonischen
besteht darin, daß aus einem Signal, das den Augenblickswerten des Lichtbogenstroms
proportional ist, harmonische Komponenten getrennt werden, die infolge der Nichtlinearität
des Lichtbogens entstehen, wonach, indem man die Verhältnisse der Amplitudenwerte
der getrennten Komponenten und der Amplitude der ersten Harmonischen (der Grundharmonischen)
mit den aus der Analyse der vorangegangenen Schmelzen gewonnenen Bezugswerten vergleicht,
der tatsächliche Zustand der Schmelze bestimmt wird.
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Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Überwachung des Schmelz zustandes
nach den Schwankungen der Impedanz des Lichtbogenkreises (JP-PS 1309389). Das in
diesem Verfahren
benutzte Prinzip ist mit der Nichtlinearität des
Lichtbogens nicht unmittelbar verbunden, sondern beruht auf der Änderung des Abweichungscharakters
vom Impedanzmittelwert, der vorwiegend durch physikalische Charakteristiken des
Einsatzes und des Reglers bestimmt wird, der die Elektroden in Bewegung setzt, und
es ist nur im Anfangsstadium des Schmelzvorganges anwendbar.
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Alle bekannten vorstehend beschriebenen Verfahren zur Schmelzkontrolle
nach den indirekten Parametern gestatten es, den Zustand des Lichtbogenschmelzens
mit ausreichend hoher Genauigkeit nur bei einer recht langen (mehrere Minuten beanspruchenden)
Mittelungszeit des Kontrollparameters zu überwachen, und sind vorzugsweise im Stadium
des Einsatzeinschmelzens anwendbar. Das Verfahren zur Überwachung der Schmelze,
das auf der harmonischen Stromanalyse beruht, erlaubt es wegen der Kopplung aller
drei Ströme der Lichtbögen eines Lichtbogenofens nicht, Bedingungen, die während
des Schmelzvorgangs in der Zone eines konkreten Lichtbogens entstanden sind, zu
vereinzeln.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zur
Überwachung des Zustandes des Lichtbogenschmelzens zu entwickeln, das es ermöglicht,
den Zustand des Lichtbogenschmelzens in den Zonen eines jeden der Lichtbögen eines
Lichtbogenofens genau und operativ zu überwachen, und keine längere Zeit zur Mittelung
des Kontrollparameters beansprucht.
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Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein
Verfahren zur Überwachung des Zustandes des Lichtbogenschmelzens, bei dem ein Kontrollparameter,
der mit der Nichtlinearität des Lichtbogens verbunden
und für verschiedene
Zustände des Lichtbogenschmelzens verschieden ist, vorgegeben und mit den aus der
Analyse der vorangegangenen Schmelzen gewonnenen Bezugswerten verglichen wird, mit
dem Kennzeichen, daß die Augenblickswerte nur des Wirkwiderstandes des Lichtbogens
selber als Kontrollparameter benutzt und diese Werte zumindest in einem Paar von
Punkten bestimmt werden, deren einer dem Zündungsabschnitt des Lichtbogens und deren
anderer dem maximalen Augenblickswert des Stromes entsprechen.
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Die Meßpunkte für den Widerstand auf dem Zündungsabschnitt werden
dabei zweckmäßig in einem Bereich von 0,1 bis 5 % des maximalen Augenblickswertes
des Stromes vorgegeben.
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Es ist weiter vorteilhaft, daß die Augenblickswerte des Wirkwiderstandes
des Lichtbogens durch gleichzeitiges Messen der Augenblickswerte von Strom und Spannung
bestimmt werden, die Induktivität des Lichtbogenkreises zu Beginn einer jeden Stromperiode
bei Stromnulldurchgang zusätzlich gemessen und unter Berücksichtigung dieser Größe
die Höhe der gemessenen Lichtbogenspannung auf dem Zündungsabschnitt im Augenblick
nach dem Induktivitätsmessen korrigiert wird, wobei die Induktivität des Lichtbogenkreises
als Quotient aus der Division der im Augenblick des Stromnulldurchgangs gemessenen
Augenblickswerte der Spannung im Lichtbogenkreis durch die Stromänderungsgeschwindigkeit
in diesem Kreis bestimmt wird.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß der Wirkwiderstand
einen Parameter darstellt, der es
erlaubt, den Charakter der Nichtlinearität
der Spannungs-Strom-Charakteristik des Lichtbogens unmittelbar zu bestimmen, und
gerade auf diese Nichtlinearität, besonders auf dem Zündungsabschnitt des Lichtbogens,
üben die technologischen Parameter des Lichtbogenschmelzens einen entscheidenden
Einfluß aus.
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Im weiteren wird die Erfindung anhand der Beschreibunb eines konkreten
Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1a -
g typische Diagramme der Abhängigkeit des Lichtbogenstroms von der Spannung am Lichtbogen
und der Abhängigkeit des Lichtbogenwiderstandes (Augenblickswerte) vom Augenblickswert
des Lichtbogenstroms, die bei den Untersuchungen gewonnen worden und zur Erläuterung
des vorliegenden Verfahrens angeführt sind; und Fig. 2 ein Blockschema einer Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Beim Messen der Induktivität des Lichtbogenkreises im Dreiphasenstromkreis
ohne Nulleiter (im Lichtbogenofen) muß außer der Selbstinduktions-EMK L di die EMK
dt berücksichtigt werden, die im Stromkreis des jeweiligen Lichtbogens von sich
ändernden Strömen der zwei anderen Lichtbögen induziert wird. In der Nähe des Stromnulldurchgangs
im zu überwachenden Lichtbogen brennen zwei andere Lichtbögen bei stationären hohen
Strömen, und das
Addieren von geringen Strömen des dritten, auf
dem Zündungsabschnitt zu überwachenden Lichtbogens bringt keinerlei merkliche Veränderung
sowohl dieser Ströme als auch ihrer Änderungsgeschwindigkeiten. Aufgrund der mathematischen
Analyse und der nachfolgenden experimentellen Prüfung wurde ermittelt, daß die zusätzliche
EMK, die von sich ändernden Strömen der zwei anderen Lichtbögen im Stromkreis des
zu überwachenden Lichtbogens erzeugt wird, auf dem Zündungsabschnitt des Lichtbogens
praktisch konstant ist. Also kann die Spannung am Lichtbogen auf dem Zündungsabschnitt
durch folgende Formel beschrieben werden: Ldi UR =V-V0 dt worin bedeuten: U = Spannung
im gesamten Stromkreis mit komplexer Belastung; L = Induktivität des Lichtbogenkreises;
i = Strom im Kreis; VO = EMK, die von den Strömen der anderen Lichtbögen im zu überwachenden
Lichtbogenkreis induziert wird.
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Da VO « V ist, kann sie in der ersten Näherung vernachlässigt werden.
Die Güte der Schmelzkontrolle wird dadurch praktisch nicht beeinflußt. Das vorstehend
beschriebene Verfahren zum Messen von Augenblickswerten
der Spannung
auf dem Zündungsabschnitt des Lichtbogens ist für einen beliebigen der Lichtbögen
anwendbar, wobei bei einem jeden Lichtbogen die gemessenen Werte durch konkrete
Bedingungen in der Zone dieses Lichtbogens bestimmt werden.
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In Fig. 1 sind für verschiedene Schmelz zustände typische Abhängigkeiten
zwischen der Lichtbogenspannung und dem Lichtbogenstrom (Kurven 1, 2, 3 und 4) sowie
ihnen entsprechende Abhängigkeiten der Augenblickswerte des Wirkwiderstandes von
den Lichtbogenströmen (Kurven 5, 6, 7) angeführt. Die Kurven 1 und 5 entsprechen
dem Brennen des Lichtbogens unter Verwendung eines festen Einsatzes. Langsam gehen
sie in die Kurven 2 und 6 über, die beim Einschmelzen des Einsatzes auftreten.
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Nach der Zugabe von schlackenbildenden Mitteln sind die Kurven 3 und
7 am charakteristischsten, und dem Kurzschluß entspricht die Gerade 4. Diese Kurven
zeigen anschaulich, daß der Wirkwiderstand des Lichtbogens auf dem Zündungsabschnitt
den Schmelzgang im größten Maße wiedergibt, während der Wirkwiderstand bei maximalem
Strom mit den Besonderheiten des Schmelzvorgangs praktisch nicht verbunden ist,
was seine Ausnutzung zur Aufhebung der Abhängigkeit der Meßergebnisse der Augenblickswerte
des Widerstandes auf dem Zündungsabschnitt von der Lichtbogenlänge ermöglicht.
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Zu einem besseren Verständnis des Verfahrens seien eines der Blockschemata
und die Funktionsweise desselben betrachtet. Das in Fig. 2 dargestellte Blockschema
einer Einrichtung zum Messen des Augenblickswertes des Wirkwiderstandes des Lichtbogens
eines Lichtbogenofens 8 ist zum Messen auf dem Zündungsabschnitt des Lichtbogens
von der Phase B und bei maximalem Strom des Lichtbogens dieser
Phase
nach den gleichzeitig gemessenen Augenblickswerten von Strom und Lichtbogenspannung
unter Berücksichtigung der Korrektur für die Induktivität des Lichtbogenkreises
(gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren) bestimmt. Diese Einrichtung enthält einen
Stromgeber 9, beispielsweise einen Verstärker, mit einem Null nahen Eingangswiderstand,
der an einen Stromwandler 10 angeschlossen ist, einen steuerbaren Verstärker 11,
der das Signal der Anderungsgeschwindigkeit des Lichtbogenstromes korrigiert, das
von einem Induktionsgürtel 12 (Rogowski-Gürtel) abgegriffen wird, und einen Phasenspannungsgeber
13, als welcher ein ohmscher Spannungsteiler verwendet werden kann. Die Ausgänge
der Geber sind an die Eingänge einer Subtraktionseinheit 15 angeschlossen, deren
Ausgänge an die Eingänge einer Analog-Speichereinheit 16 angeschlossen sind. Der
Stromgeber 9 ist außerdem an den Eingang der Steuerschaltung für die Analog-Speichereinheit
16 über eine Vorspannungseinheit 17 angeschlossen. Die Ausgänge der Analog-Speichereinheiten
14 und 16 sind mit den Eingängen von teilenden Wandlern 18 und 19 verbunden. Die
Analog-Speichereinheit 14 bzw. 16 kann beispielsweise auf der Basis eines Operationsverstärkers
mit hohem Eingangswiderstand ausgeführt sein, an dessen Eingang ein Speicherkondensator
angeordnet ist, der an die Eingangssignalquelle für die Dauerzeit angeschlossen
wird (in diesem Fall beträgt diese Zeitspanne 0,5 x 10 6 s), während der das Eingangssignal
sich nicht verändern kann. Die Steuerung des Anschlusses geschieht mittels eines
Nullorgans, das einen Impuls der vorerwähnten Dauerzeit bei Nulldurchgang des Signals
am Steuereingang erzeugt Die Vorspannungseinheit 17 stellt beispielsweise einen
Summierverstärker dar, dessen einem Eingang eine regelbare Vorspannung, deren
Größe
0,1 bis 5 % des maximalen Augenblickswertes des von der Analog-Speichereinheit 14
der Analog-Speichereinrichtung abgegriffenen Stroms entspricht, und dessen anderem
Eingang ein Signal vom Stromgeber 9 für Augenblickswerte des Stromes zugeführt werden.
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Zur Einführung einer Korrektur für die Induktivitätsänderung ist
eine Einheit 20 zur Induktivitätskorrektur vorgesehen, deren Eingänge an die jeweiligen
Strom-und Phasenspannungsgeber 9 und 13 sowie an den Ausgang des Verstärkers 11
für das Korrektursignal angeschlossen sind.
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Die teilenden Wandler 18 und 19 sind beispielsweise nach dem Schema
'fPuIsbreitenmodulatorB' ausgeführt, und bei der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens unter Einsatz von Elektronenrechnern kann die Teilungsoperation der Maschine
übertragen werden.
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Es sei nun die Funktion der Einrichtung erläutert, aus der auch das
Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens besser verständlich wird. Während
des Nulldurchgangs des Signals der Stromänderungsgeschwindigkeit (bei maximalem
Augenblickswert des Stromes) fixiert die Analog-Speichereinheit 14 gleichzeitig
sowohl den Augenblickswert des Stromes als auch die Spannung in diesem Augenblick.
Die dem Augenblickswert des Stromes proportionalen Signale gelangen außerdem in
die Vorspannungseinheit 17, die die Lage des Meßpunktes des Wirkwiderstandes des
Lichtbogens auf dem Zündungsabschnitt vorgibt.
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Die Signale der Augenblickswerte von Spannung und Stromänderungsgeschwindigkeit
gelangen in die Subtraktionseinheit 15, wo durch Subtraktion der einen Selbstinduktionsgröße
von
der anderen das Signal der Lichtbogenspannung erzeugt wird. Dieses Signal wird zusammen
mit dem Stromsignal der Analog-Speichereinheit 16 zugeleitet, die den Strom- und
Spannungswert im Augenblick des Stromdurchgangs durch eine in Prozenten vom maximalen
Stromwert festgelegte Größe, die von der Vorspannungseinheit 17 vorgegeben wird,
fixiert. Die Strom-und Spannungssignale in einem Punkt des Zündungsabschnittes werden
aus der Analog-Speichereinheit 16 in den teilenden Wandler 19 übertragen, dessen
Ausgangssignal dem Augenblickswert des Wirkwiderstandes des Lichtbogens im Zündungspunkt
proportional ist.
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Die Korrektur der Induktivität erfolgt auf folgende Weise. Die Einheit
20 zur Einführung der Korrektur, der steuerbare Verstärker 11 und der Phasenspannungsgeber
13 bilden ein geschlossenes Überwachungssystem (für eine Zeitspanne von 10 6 s),
bei dem die Differenz des Phasenspannungssignals und des Ausgangssignals des Verstärkers
11 als Regelabweichungssignal auftritt. Dank einer großen Verstärkung des überwachungssystems
strebt das Abweichungssignal nach Null, und somit wird ein Verstärkungsfaktorwert
des Verstärkers 11 automatisch eingestellt, der dem laufenden Induktivitätswert
entspricht.
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Also besteht der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber
anderen bekannten Verfahren darin, daß zur Kontrolle des Schmelzvorgangs die Parameter
benutzt werden, die die Nichtlinearität des Lichtbogenwiderstandes unmittelbar charakterisieren,
und nicht die sekundären Parameter, beispielsweise die Stromharmonischen, die durch
diese Nichtlinearität bedingt und sogar mitunter nicht eindeutig mit ihr verbunden
sind. Die
vorliegende Erfindung wird am zweckmäßigsten in den Systemen
der automatisierten Kontrolle zwecks Vervollkommnung des Schmelzprozesses und Steuerung
dieses Prozesses verwendet.
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Die Anwendung der vorliegenden Erfindung gestattet es, einen optimalen
Energiezustand unter Berücksichtigung konkreter Schmelzbedingungen in der Zone eines
jeden Lichtbogens zu bestimmen und aufrechtzuerhalten, was es ermöglicht, die Schmelzdauer
um 10 - 15 % zu verkürzen, den spezifischen Stromverbrauch zu senken, den Verschleiß
des Ofen futters zu vermindern sowie die Zusammensetzung und die Einführungszeit
von schlackenbildenden Mitteln zu optimieren und schließlich Schadensfälle zu vermeiden.