Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens und Schmelzanlage mit einem nach diesem Verfahren betriebenen Lichtbogen- ofen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Schmelzanlage mit einem nach diesem Verfahren be- triebenen Lichtbogenofen.

In einem Lichtbogenofen wird stückiges Schmelzgut, in der Re ^¬ gel Metallschrott, gegebenenfalls zusammen mit weiteren Zu ^¬ schlagstoffen durch einen zwischen dem Schmelzgut und mindes- tens einer Elektrode gezündeten Lichtbogen aufgeschmolzen.

Dabei hat sich gezeigt, dass vor allem Lichtbogenöfen, die praktisch ausschließlich mit Schrott beschickt werden, unerwünschte Netzrückwirkungen erzeugen. Zu diesem Zweck werden deshalb in Stahlwerken Kompensationsanlagen, sogenannte SVC- Systeme oder statische Blindleitungskompensatoren, installiert, um Netzrückwirkungen wie Oberwellen oder den sogenannten Flicker zu reduzieren und international vorgeschriebene Grenzwerte einzuhalten. Solche SVC-Systeme reagieren jedoch nur im Nachgang auf eine bereits erzeugte Netzstörung, d.h. auf die im Lichtbogenofen beim Schrotteinschmelzen erzeugten Oberwellen oder Flicker, und können, insbesondere dann, wenn die Lichtbogenöfen an schwachen Versorgungsnetzen betrieben werden, ein Einhalten der vorgeschriebenen Grenzwerte nicht sicherstellen.

Zum Vermeiden hoher Flickerwerte ist es im Stand der Technik bekannt, den Schrott in einer Mischung zuzuführen die einen niedrigen sogenannten Kst-Wert aufweist. Dieser Kst-Wert be- schreibt gemäß der IEC-Norm 61000-3-7 die Art, Schwere und

Dichte des Schrotts und liegt in der Regel zwischen 48 und 85 liegen. Außerdem werden im Ofenkreis sogenannte Zusatzreaktanzen eingebracht, beispielsweise eine Ofentrafovordrossel , und es erfolgt eine regelungstechnische Parametrisierung zur Lichtbogenstabilisierung. Auch neuere SVC-Systeme auf IGBT- Technik werden eingesetzt, wenn eine hohe Verbesserung der Flickerwerte notwendig ist. Durch derartige SVC-Systeme wird das erzeugte Frequenzspektrum der Störung in einen höheren Frequenzbereich transformiert, so dass diese nicht mehr in den Messbereich der Flickernetzstörung gemäß internationalen Normen fällt. Diese Maßnahmen sind jedoch entweder mit hohen Investitionskosten oder aber mit Einbußen bei der Produktion verbunden. Darüber hinaus hat nicht nur die Zusammensetzung des Schrotts und dessen Qualität einen Einfluss auf Netzrück ^¬ wirkungen. Vielmehr hat auch die Fahrweise während des

Schrotteinschmelzens einen derartigen Einfluss. So können beispielsweise Schrottbewegungen und Schrotteinstürze Netz- rückwirkungen erzeugen. Das Erkennen von Schrottbewegungen und Schrotteinstürzen ist jedoch weitgehend dem Bedienperso ^¬ nal vorbehalten, so dass eine Regelung der Elektroden auf diese Ereignisse nur nachträglich, d.h. nach erfolgter

Schrottbewegung und bereits eingetretener Netzrückwirkung re- agieren kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Ver ^¬ fahren zum Betreiben eines Lichtbogenofens anzugeben, mit dem es möglich ist, die Schrottart und Schrottdichte, Schrottbe- wegungen und Schrotteinstürze automatisch zu erkennen, um das Auftreten von Flicker, die auf die Schrottdichte und Schrott ^¬ bewegung zurückzuführen sind, vorhersagen und automatisch beim Steuern der Prozessgrößen des Lichtbogenofens berücksichtigen zu können. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schmelzanlage mit einem nach diesem Verfahren betriebenen Lichtbogenofen anzugeben.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen wird bei einem mit einer Wechselspannung betriebenen Lichtbogenofen ein an einer Wand des Lichtbogenofens auftretendes Körperschallsig ^¬ nal S erfasst, aus dem ein die Flickereigenschaften des Lichtbogenofens charakterisierender Parameter K berechnet wird, und es wird anhand dieses berechneten Parameters K zu ^¬ mindest eine Prozessgröße des Lichtbogenofens gesteuert. Der Erfindung liegt dabei die Erfahrung zugrunde, dass große Flickerwerte beziehungsweise hohe Kst-Werte entweder durch eine starke Bewegung des schmelzenden Schrotts oder durch die Anwesenheit von grobstückigem Schwerschrott unter dem Licht ^¬ bogen erzeugt werden. Im ersten Fall rutscht neuer, kalter Schrott unter die Elektroden und der Lichtbogen muss je nach Bedingungen heftig und schnell nachjustiert werden. Dadurch ändern sich der Strom und die Brennbedingung abrupt. Im zweiten Fall brennt der Lichtbogen instabil und mit

flukturierendem Fußpunkt.

Zwar ist es grundsätzlich aus der WO 2009/095292 AI und der WO 2009/095396 AI bekannt, dass aus Körperschallmessungen an der Wand des Lichtbogenofens unter Einbeziehung der Strom- und Spannungsverläufe Signale extrahiert werden können, die eine Schrottbewegung beziehungsweise Schrottverlagerung und eine Masseveränderung an der Wand des Lichtbogenofens charakterisieren. Die Erfindung beruht jedoch auf der Überlegung, dass es möglich ist, durch eine spezialisierte Auswertung des oder der an der Wand des Lichtbogenofens auftretenden Körper- schallsignale S einen Parameter K zu berechnen, der geeignet ist, vorausschauend die Flickereigenschaften des Lichtbogenofens zu detektieren. Dabei wird vorzugsweise als Parameter K eine mit einem Kst-Wert vergleichbare Maßzahl berechnet. Insbesondere wird das Körperschallsignal S einer Fouriert ^¬ ransformation unterzogen, und es werden Amplituden der Fouriertransformierten F des Körperschallsignales S bei einer Vielzahl von Frequenzen f ermittelt, aus denen dann der Parameter K berechnet wird. Diese Vorgehensweise berücksichtigt die Beobachtung, dass bei Schrottverlagerung oder insbesondere Schrotteinstürzen sowohl sehr niederfrequente als auch hochfrequente Schwingungen auftreten, die unabhängig von den durch den Wechselspannungsbetrieb induzierten Schwingungen des Lichtbogens sind, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Grundfrequenz f ₀ betragen, die bei einer Betriebsfrequenz von 50Hz 100Hz beträgt. Darüber hinaus zeigt die Erfahrung, dass die Stabilität des Lichtbogens auch durch den Gehalt an

Schwerschrott beeinflusst wird, so dass ein instabiles Bren ^¬ nen des Lichtbogens bei ruhendem Schrott einen Rückschluss auf den Schwerschrottgehalt erlaubt, der wiederum Ursache für unerwünschten Flicker ist. Dementsprechend werden in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens aus den Amplituden der Fouriertransformierten F bei unterhalb der Grundfrequenz fo liegenden Frequenzen f ein Maß B für eine niederfrequente Schrottbewegung, aus den Amplituden der Fouriertransformierten F bei oberhalb der Grundfrequenz fo liegenden und die harmonischen Frequenzen nicht umfassenden Frequenzen f ein Maß E für eine hochfrequente Erschütterung und aus den Ampli ^¬ tuden der Fouriertransformierten F bei harmonischen und zwischen den harmonischen Frequenzen liegenden Frequenzen f ein den Schwerschrottgehalt charakterisierendes Maß SSG ermit ^¬ telt, aus denen der Parameter K berechnet wird.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Parameter K mit Hilfe folgender Beziehungen ermittelt : mit und wobei

und mit wobei und m eine natürliche Zahl ist, und

mit wobei k und m natürliche Zahlen sind

und f _n die in Gleichung (3) verwendeten Frequenzen sind und für k _max ≤ 10 gilt, und der Parameter K mit der Gleichung berechnet wird, wobei a und b experimentell ermittelte Ge ^¬ wichtsfaktoren sind.

Hinsichtlich der Schmelzanlage wird die Aufgabe gemäß der Er- findung gelöst mit einer Schmelzanlage mit den Merkmalen des Patentanspruches 6.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das in den Figuren wiedergegebene Ausführungsbeispiel verwiesen. Es zei- gen:

Fig. 1 eine Schmelzanlage gemäß der Erfindung in einer sche ^¬ matischen Prinzipdarstellung, Fig. 2 ein Diagramm, in dem das gemessene Körperschallsignal gegen die Zeit aufgetragen ist, Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Amplitude der Fouriertransformierten des Körperschallsignals gegen die Frequenz aufge ^¬ tragen ist. Gemäß Fig. 1 umfasst eine Schmelzanlage gemäß der Erfindung einen Lichtbogenofen 2 mit beispielsweise drei Elektroden 4a- c, die elektrisch an den Ofentransformator einer Stromversorgungseinrichtung 6 angeschlossen sind. Die Elektroden 4a-c tauchen in ein den aufzuschmelzenden Schrott 7 aufnehmendes Ofengefäß 8 ein, an dessen Wand 9 eine Mehrzahl von Körperschallaufnehmern 10 angeordnet sind. Die von den Körperschallaufnehmern 10 erfassten Körperschallsignale S werden zur weiteren Verarbeitung an eine Steuer- und Auswerteeinrichtung 12 übermittelt.

Zusätzlich zu den Körperschallsignalen S werden mit Hilfe von Messwertaufnehmern 14a-c der in den Elektroden 4 fließende Strom und/oder die an ihnen anliegende Spannung gemessen und die entsprechenden Messsignale M an die Steuer- und Auswerte- einrichtung 12 übermittelt. In dieser Steuer- und Auswerteeinrichtung werden Steuersignale C generiert, mit denen zu ^¬ mindest eine Prozessgröße des Lichtbogenofens 2 gesteuert oder geregelt wird. Im Diagramm der Fig. 2 ist beispielhaft ein mit einem Körperschallaufnehmer 10 gemessenes Körperschallsignal S gegen die Zeit t aufgetragen, wobei grundsätzlich auch die von mehreren Körperschallaufnehmern 10 erzeugten Körperschallsignale S zu einem Summensignal zusammengefasst sein können. Von diesem Körperschallsignal S wird nun mittels Fouriertransformation

(FFT) das Frequenzspektrum ermittelt, das im Fig. 3 wiedergegeben ist, in dem die Amplitude der Fouriertransformierten F gegen die Frequenz f aufgetragen ist. In dieser Fig. 3 ist zu erkennen, dass der Betrag (Amplitude) der Fouriertransfor- mierten F für Frequenzen fo, 2fo, 3fo, 4fo und 5fo signifikan ^¬ te Maxima aufweist, deren Höhe mit zunehmender Frequenz f ab ^¬ nimmt. Diese Maxima liegen bei harmonischen Frequenzen mfo zu einer Grundfrequenz fo, d.h. entsprechen ganzzahligen Vielfa- chen dieser Grundfrequenz fo, die das Doppelte der Frequenz der Spannung (Betriebsfrequenz) beträgt, mit der die Elektroden betrieben werden. Bei einer Betriebsfrequenz von 50Hz liegen diese harmonischen Frequenzen fo bei 100, 200, 300, 400 bzw. 500Hz.

Aus der Fouriertransformierten F kann nun ein Maß für die Schrottverlagerung SV aus dem aus einem Maß B für eine niederfrequente Schrottbewegung und einem Maß E für eine hoch- frequente Erschütterung gebildeten Produkt mit folgenden Beziehungen berechnet werden: mit wobei

Ein geeigneter Wert für f _n o ist beispielsweise 1Hz. Als Ober ^¬ grenze f _n i ist ein Wert geeignet, der deutlich unterhalb der Grundfrequenz fo, vorzugsweise unterhalb der Betriebsfrequenz fo/2 liegt und im Beispiel 30 Hz beträgt, wobei die mit - potenzierten Amplituden der Fouriertransformierten F bei Fre- quenzen f _n addiert werden, die sich jeweils um = 1Hz entsprechend einer bei einer schnellen Fouriertransformation typischerweise erzielbaren Frequenzauflösung unterscheiden. Für den Parameter gilt: 1< ^ 10, wobei sich = 1 als geeig ^¬ net herausgestellt hat. wobei und m eine natürliche

Zahl ist.

Zum Berechnen des Maßes E für die Erschütterung werden die mit ß potenzierten Amplituden der Fouriertransformierten F bei Zwischenfrequenzen addiert, die hinreichend be ^¬

abstandet von den harmonischen Frequenzen sind, so dass diese keinen Beitrag zu den verwendeten Amplituden leisten.

Da der Lichtbogen unter kaltem Schwerschrott instabil und mit flukturierendem Fußpunkt brennt, weist das erzeugte Körper ^¬ schallspektrum, d. h. die Fouriertransformierte F sowohl stark erhöhte Amplituden bei den höheren harmonischen Frequenzen mfo als auch eine große Anzahl von Maxima bei zwi ^¬ schen den harmonischen Frequenzen mfo liegenden Zwischenfrequenzen auf. Ein Maß SSG für den Schwerschrottgehalt kann da ^¬ her vorteilhaft durch folgende Beziehung ermittelt werden.

mit wobei k und m natürliche Zahlen und f _n die in Gleichung (3) verwendeten Frequenzen sind und für k _max < 10 gilt.

Aus dem Maß SV für die Schrottverlagerung und dem Maß SSG für den Schwerschrottgehalt kann nun mit Hilfe von Gewichten a und b ein Parameter K mit der Beziehung bestimmt werden, wobei die Gewichte a, b experimentell aus der Korrelation des auf diese Weise berechneten Wertes und dem tatsächlich gemessenen Flicker bestimmt und derart ange- passt werden, dass der auf diese Weise berechnete dynamische Parameter K mit einem Kst-Wert vergleichbar ist. Auf diese Weise kann somit während des Einschmelzvorgangs ein mit dem Kst-Wert korrelierter Parameter K berechnet werden, der die aktuelle Schrottbewegung und den aktuellen Schrottstatus be ^¬ schreibt. Dieser berechnete Parameter K entspricht nicht ge- nau dem Kst-Wert gemäß Definition der vorstehend genannten IEC-Norm, gibt aber den Verlauf und die Tendenz richtig wie ^¬ der und kann daher optimal zur Flickervorhersage und zur Ein ^¬ stellung der Regelung zur Flickervermeidung verwendet werden. Unter Einbeziehung weiterer Daten, insbesondere der Strom- und Spannungsverläufe, der Wandtemperaturen und/oder der eingebrachten spezifischen Energie kann nun ein übergeordnetes, komplettes Regelungssystem zur Prozessausführung erstellt werden, mit dem zustandsorientiert und schnell auf die im Lichtbogenofen stattfindenden dynamischen Veränderungen reagiert werden kann. Ein derartiges Steuer- bzw. Regelungssys ^¬ tem wirkt vorzugsweise auf die Spannungsstufe des Ofentrans ^¬ formators, die Impedanz- beziehungsweise Stromsollwerte für die Elektrodenregelung, die Zusatzreaktanzen und die Soll- wertvorgaben für Brenner und Lanzen ein. Als Grundlage können dabei die Werte eines fest hinterlegten Fahrdiagramms verwen ^¬ det werden, die durch das Regelungssystem dynamisch in vorgegebenen Grenzen verändert werden. Die Messung der dynamischen Veränderung des Schrotts während des Einschmelzprozesses im Lichtbogenofen wird kombiniert mit einem übergeordneten, mo- dularen, beispielsweise Fuzzy-basierten Regelungssystem zur energetischen Prozessführung des Lichtbogenofens, welches den elektrischen Arbeitspunkt und die Sollwerte der Brenner- und Lanzensysteme vorgibt. Dies erlaubt ein dynamisches zustands- orientiertes Eingreifen in den Schmelzprozess . Unter Verwen ^¬ dung eines kompletten Regelungskonzeptes basierend auf lingu ^¬ istischen fuzzifizierten Regeln und weiteren analytischen Verrechnungen, unter anderem mit Hilfe eines analytischen Modells der Lastverteilung kann dann der Schmelzprozess so an- gepasst werden, dass der Flicker vorgeschriebene Grenzwerte nicht überschreitet.