Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Elektrolichtbogenofens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung eines Elektrolichtbogenofens umfassend ein Ofengefäß und zumindest eine an einem Elektrodentragarm angeordnete Elekt ^¬ rode zum Erzeugen eines Lichtbogens zum Schmelzen eines

Schmelzguts, insbesondere eines Schrotts, im Ofengefäß, wobei Schwingungsfrequenzen an einer Wand des Ofengefäßes erfasst werden .

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Signalverarbeitungsein- richtung für einen Elektrolichtbogenofen, einen maschinenlesbaren Programmcode, ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten maschinenlesbaren Programmcode sowie einen Elektrolichtbogenofen . Beim Elektrodenlichtbogenofen werden heutzutage bereits Körperschallsensoren an den Wänden des Ofengefäßes angebracht, um auf den Zustand des Ofeninneren schließen zu können. Mittels der Körperschallsignale können z.B. Informationen über den Zustand oder die Bewegung des Schrottes im Ofen gewonnen werden, wobei aufgrund von diesen Informationen durch entsprechende Algorithmen Regelungsmaßnahmen eingeleitet werden.

Aus der EP 1 910 763 AI ist beispielsweise ein Verfahren zur Bestimmung einer Zustandsgröße eines Elektrolichtbogenofens , insbesondere zur Bestimmung der Höhe der Schaumschlacke im

Elektrolichtbogenofen bekannt. Hierbei wird die Energiezufuhr in den Elektrolichtbogenofen unter Zuhilfenahme mindestens eines elektrischen Sensors ermittelt und der Körperschall wird in Form von Schwingungen am Elektrolichtbogenofen gemes- sen. Die mindestens eine Zustandsgröße, insbesondere die Höhe der Schaumschlacke, wird mit Hilfe einer Übertragungsfunktion bestimmt, die durch Auswertung der gemessenen Schwingungen, d.h. des Körperschalls, und durch Auswertung von Messdaten des mindestens einen elektrischen Sensors ermittelt wird.

Die EP 2 549 833 AI offenbart einen mit einer Wechselspannung betriebenen Lichtbogenofen, wobei ein an einer Wand des

Lichtbogenofens auftretendes Körperschallsignal erfasst wird, aus dem ein die Flickereigenschaften des Lichtbogenofens cha ^¬ rakterisierender Parameter berechnet wird. Anhand des berechneten Parameters wird zumindest eine Prozessgröße des Licht- bogenofens gesteuert.

In der EP 2 238 805 AI ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Strahlungsmaßes für eine auf eine Begrenzung des Lichtbogen ^¬ ofens treffende thermische Strahlung beschrieben. Hierbei wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem eine einen Be ^¬ triebszustand einer Elektrode eines Lichtbogenofens charakte ^¬ risierende Größe bestimmbar ist, indem ein der Elektrode zu ^¬ geführter Elektrodenstrom erfasst wird, wobei Körperschall- Schwingungen des Lichtbogenofens erfasst werden, wobei aus dem erfassten Elektrodenstrom ein einem Frequenzbereich des erfassten Elektrodenstroms zugeordnetes Stromauswertesignal ermittelt wird, wobei aus den erfassten Körperschall-Schwingungen ein einem Frequenzbereich der erfassten Körperschall- Schwingungen zugeordnetes Schwingungsauswertesignal ermittelt wird, und wobei als Strahlungsmaß ein Quotient aus Schwin ^¬ gungsauswertesignal und Stromauswertesignal für wenigstens eine dem erfassten Elektrodenstrom und den erfassten Körperschall-Schwingungen gemeinsame Frequenz gebildet wird. Aus der EP 2 235 220 A2 geht ein Elektrolichtbogenofen hervor, bei dem ein einer Elektrode zur Ausbildung eines Lichtbogens zugeführter Elektrodenstrom erfasst wird, wobei aus dem erfassten Elektrodenstrom ein Effektivwertmaß des Elektrodenstroms ermittelt wird und aus dem erfassten Elektroden- ström ein einem Frequenzbereich des erfassten Elektrodenstroms zugeordneter Stromanteil ermittelt wird. Hierbei wird als Stückigkeitsmaß ein Quotient aus Stromanteil und Effek ^¬ tivwertmaß gebildet. Dadurch kann ein Verfahren bereitge- stellt werden, mit welchem eine Eigenschaft eines dem Elekt- rolichtbogenofen zugeführten Schmelzguts bestimmt werden kann . Die DE 20 2010 017729 Ul beschreibt eine Vorrichtung mit min ^¬ destens einer Messeinheit zur Erfassung mindestens einer Messgröße an einem Ofen, insbesondere einem Lichtbogenofen. Zur Erfassung einer solchen Messgröße ist eine Steuer- und Regelungseinrichtung vorhanden, welche die Messeinheit an- steuert und mittels der weiterhin Regeleingriffe vorgenommen werden können, wie beispielsweise eine Änderung der Stromzu ^¬ fuhr an den Elektroden oder eine Änderung der Position der Elektroden. Die mindestens eine Messeinheit umfasst bei ^¬ spielsweise einen Beschleunigungssensor zur Erfassung einer Messgröße in Form von Körperschall.

Die JP 2010139203 A offenbart ein Verfahren, welchen das Ende eines Einbohrprozesses der Elektroden an einem Lichtbogenofen erkennt, ohne einen Körperschallsensor zu benötigen. Am Ofen ist eine Positionserkennungseinrichtung zur Erkennung der Position der Elektroden vorhanden. Weiterhin ist eine Erfassung von Strom und Spannung vorgesehen.

Die in der JP 2010139203 A als Stand der Technik genannte JP 11-83330 A beschreibt ein Verfahren zur Auswertung eines Schmelzprozesses in einem Elektrolichtbogenofen, wobei Körperschallsensoren zum Einsatz kommen, die an der Wand des Ofengefäßes angebracht sind. Die US 4,435,631 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Länge eines Lichtbogens in einem Lichtbogenofen, wobei der vom Lichtbogen generierte Hörschall über ein Mikrofon erfasst und anschließend ausgewertet wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Elektrolichtbogenofens effizienter zu gestalten. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangsgenannten Art, bei dem

- zu Beginn eines Schmelzvorgangs eine Starthöhe des Elek ^¬ trodentragarms und somit eine Startposition des Lichtbogens bestimmt wird,

- eine Positionsänderung des Elektrodentragarms in Bezug auf die Starthöhe erfasst wird und daraus eine Änderung der Lichtbogenposition berechnet wird,

- jede Lichtbogenposition mit den in der jeweiligen Lichtbo- genposition erfassten Schwingungsfrequenzen korreliert und ein Schmelzgut- oder Schrottzustand bestimmt wird, und die Steuerung oder Regelung des Energieeintrags in den Elektro- lichtbogenofen auf Basis des bestimmten Schmelzgut- oder Schrottzustands erfolgt.

In den bereits zahlreich am Elektrolichtbogenofen implementierten holistischen Prozessmodellen zur Modellierung der Schmelztemperatur und Kontrolle der Temperaturführung, werden üblicherweise unzählige Parameter berücksichtigt. Sämtliche Mengen- und Energieflüsse werden erfasst, um eine möglichst exakte Bilanzierung des Elektrolichtbogenofens zu ermögli ^¬ chen. Bisher wurde die Position der Elektroden im Elektrolichtbogenofen jedoch nicht direkt berücksichtigt. Eine indi ^¬ rekte Berücksichtigung erfolgt derzeit über eine Korrektur- funktion mittels der bekannten eingestellten Spannungsstufen am Ofentransformator. Da jedoch die Position der Elektrodenspitze, die die Quelle für den Lichtbogenschall bildet, durch ihren Abstand zum jeweiligen Körperschallsensor einen gewissen Einfluss auf die Körperschallmessung hat, können leicht von der Realität abweichende Messsignale erzeugt werden.

Die Erfindung basiert somit auf der Überlegung, dass präzise ^¬ re Aussagen über den im Ofengefäß ablaufenden Schmelzprozess getroffen werden, wenn neben den bekannten, lichtbogenofen- oder schmelzgutbezogenen Größen, die mit Hilfe einer Körperschallmessung der Schwingungsfrequenzen an der Wand des Ofengefäß ermittelt werden, für die Steuerung bzw. Regelung des Schmelzprozesses zusätzlich auch die Position des Lichtbogens im Ofengefäß herangezogen wird.

Beim erstmaligen Zünden des Lichtbogens bzw. der Lichtbögen, wenn mehrere Elektroden vorhanden sind, zum Einschmelzbeginn wird die Höhe des Elektrodentragarms erfasst und dient als Starthöhe für den sich absenkenden Elektrodentragarm während der Einbohrphase eines jeden Schrottkorbs. Hierbei wird die Position des Elektrodentragarms erfasst, da dies einfacher ist als direkt die Position des Lichtbogens im Ofengefäß zu ermitteln. Aus der Starthöhe des Elektrodentragarms wird die Startposition des Lichtbogens, der die Schallemissionsquelle für die Körperschallmessungen bildet, abgeleitet. Die sich im weiteren Schmelzverlauf ändernde Position des jeweiligen Lichtbogens kann nun über die Elektrodentragarmpositionsbe- stimmung ermittelt werden und ist jederzeit während des

Schmelzvorganges bekannt.

Dank der Kombination der Lichtbogenpositionsbestimmung mit der Körperschallauswertung kann ein vollautomatischer, dynamischer Bohr- und Trafo-Setup zu Beginn des Schmelzprozesses (d.h. ca. im ersten Drittel des Schmelzprozesses) eingestellt werden, der im Vergleich zu dem bisher üblichen Betrieb basierend auf fixen, vorgegebenen Schmelzdiagrammen zu kürzeren Power-On-Zeiten führt.

Nach einer bevorzugten Variante wird aus der Änderung der Lichtbogenposition eine Elektrodeneinbohrgeschwindigkeit er ^¬ mittelt. Die relative Einbohrgeschwindigkeit des jeweiligen Lichtbogens wird hierbei als neuer Indikator für die Prozess ^¬ modellierung verwendet. Die von Charge zu Charge unterschied ^¬ lichen Einbohrgeschwindigkeiten einer Elektrode lassen einen Rückschluss auf den Fortschritt des Schmelzprozesses zu. Wenn z.B. viel festes Schmelzgut im Ofengefäß vorhanden ist, wird eine relativ niedrige Einbohrgeschwindigkeit eingestellt.

Wenn wiederum das Schrottgut größtenteils flüssig ist, lässt sich der Elektrodentragarm bzw. der Lichtbogen schneller ins Schrottgut einbohren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante wird aus der Elek- trodeneinbohrgeschwindigkeit ein Schmelzzustand des Schmelz ^¬ guts bestimmt und bei der Steuerung oder Regelung des Ener- gieeintrags in den Elektrolichtbogenofen berücksichtigt. Unter Schmelzgut- oder Schrottzustand wird hierbei die mecha ^¬ nisch-physikalische Schmelzgutzusammensetzung verstanden, die durch das Verhältnis von festem zu flüssigem Schmelzgut bzw. durch die Schmelzgutdichte definierbar ist. Unterschiedliche Schmelzgutdichten und -Zusammensetzungen bedingen unterschiedliche spezifische Einschmelzcharakteristika, auf welche nunmehr die Steuerung oder Regelung des Elektrolichtbogen- ofens angepasst wird. Dies ermöglicht eine Umgehung von schmelzgutbedingten Schwierigkeiten durch eine bessere Zuord- nung zum Schrottzustand und dadurch genauere Regelvorgaben.

Zweckdienlicherweise wird der Schmelzgutzustand in einem Pro ^¬ zessmodell für eine Temperaturführung verwendet. Hierdurch erfolgt eine exakte Modellierung der Prozesstemperatur in ei- nem holistischem Prozessmodell.

Bevorzugt wird die Elektrodentragarmposition mittels eines optischen, mechanischen oder magnetischen Verfahrens bestimmt. Als optisches Positionsermittlungsverfahren kommt z.B. eine Bestimmung der Position des Elektrodentragarms über eine Lasermessung in Frage. Alternativ wird die Position des Elektrodentragarms mittels eines Seilzugs oder einer Magnet ^¬ bahn bestimmt. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Signalverarbei ^¬ tungseinrichtung für einen Elektrolichtbogenofen, mit einem maschinenlesbaren Programmcode, welcher Steuerbefehle auf ^¬ weist, die die Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen.

Die Aufgabe wird zudem gelöst durch einen maschinenlesbaren Programmcode für eine Signalverarbeitungseinrichtung für einen Elektrolichtbogenofen, wobei der Programmcode Steuerbe- fehle aufweist, die die Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten erfindungsgemäßen maschinenlesbaren Programmcode .

Die Aufgabe wird schließlich gelöst durch einen Elektrolicht- bogenofen mit einem Ofengefäß und zumindest einer an einem Elektrodentragarm angeordneten Elektrode zum Erzeugen eines

Lichtbogens zum Schmelzen eines Schmelzguts, insbesondere ei ^¬ nes Schrotts, im Ofengefäß, mit Körperschallsensoren zur Erfassung von Körperschall an einer Wand des Ofengefäßes, mit einer Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen der Positi- on des Elektrodentragarms, und mit einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungseinrichtung, wobei die Positionserfassungseinrichtung und die Körperschallsensoren mit der Signalverarbeitungseinrichtung wirkverbunden sind. Die in Bezug auf das Verfahren angeführten Vorteile und be ^¬ vorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auch auf die Signalverarbeitungseinrichtung, den maschinenlesbaren Programmcode, das Speichermedium und den Elektrolichtbogenofen übertragen .

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer

Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt die einzige Figur schematisch einen Elektrolichtbogenofen 2 mit drei Elektroden 4a, 4b, 4c, die jeweils von einem Elektrodentragarm 6a, 6b, 6c getragen werden und über diesen verfahrbar sind.

Im Betrieb des Elektrolichtbogenofens 2 werden die Elektroden 4a, 4b, 4c in ein mit Schrott 8 als Schmelzgut gefülltes Ofengefäß 10 eingetaucht, so dass der Schrott 8 durch von den Elektroden 4a, 4b, 4c erzeugten Lichtbögen eingeschmolzen wird. Hierbei werden mittels Körperschallsensoren 12, die an einer Wand 14 des Ofengefäßes 10 angeordnet sind, Schallsig ^¬ nale aus dem Inneren des Ofengefäßes 10 gemessen, die in Form von Schwingungsfrequenzen erfasst und verarbeitet werden, um über dem Fachmann bereits benannte Auswerteverfahren Kenndaten über den im Elektrolichtbogenofen 2 ablaufenden Prozess zu gewinnen. Zusätzlich sind an den Elektrodentragarmen 6a, 6b, 6c Positionserfassungseinrichtungen 16a, 16b, 16c vorgesehen, mit deren Hilfe Veränderungen in der Position der Elektrodentragarme erfasst wird.

Zum Beginn des Schmelzvorgangs im Elektrolichtbogenofen 2, d.h. beim erstmaligen Zünden der Lichtbögen, wird eine Starthöhe des jeweiligen Elektrodentragarms 6a, 6b, 6c bestimmt. Wenn die Elektrodenlänge bekannt ist, kann somit auch die An ^¬ fangs- oder Startposition der Lichtbögen an den Elektrodenspitzen berechnet werden. Im weiteren Schmelzverlauf werden die Elektroden 4a, 4b, 4c immer tiefer in den Schrott einge ^¬ bohrt, wobei mit Hilfe der Positionserfassungseinrichtungen 16a, 16b, 16c die Änderungen in der Position der Elektrodentragarme 6a, 6b, 6c und somit in der Position des jeweiligen Lichtbogens erfasst werden.

Die Messsignale der Positionserfassungseinrichtungen 16a, 16b, 16c werden genauso wie die Körperschallsignale der Kör ^¬ perschallsensoren 12 an eine Signalverarbeitungseinrichtung 18 weitergeleitet. Die Signalverarbeitungseinrichtung 18 um- fasst ein Speichermedium 20 mit einem darauf gespeicherten maschinenlesbaren Programmcode 22 zur Ausgabe von Steuerbe ^¬ fehlen für den Betrieb des Elektrolichtbogenofens 2.

Durch die Kombination der kontinuierlichen Positionsbestim- mung der Lichtbögen im Ofengefäß 10 mit der Körperschallaus ^¬ wertung wird ein Schmelzgut- oder Schrottzustand Z zuverläs ^¬ sig bestimmt. Je nach Schrottkondition zu Beginn des

Schrotteinschmelzprozesses kann der Transformator auf höheren Leistungsstufen wesentlich früher, als durch fixe

Einschmelzdiagramme, umgeschaltet werden.

Die Ermittlung des Schrottzustands Z erfolgt hierbei insbe ^¬ sondere über die Berechnung einer Elektrodeneinbohrgeschwin- digkeit V. Die Elektrodeneinbohrgeschwindigkeit V wird aus der Positionsänderung der Elektrodentragarme 6a, 6b, 6c bzw. der Lichtbögen der Elektroden 4a, 4b, 4c über die gemessene Zeit abgeleitet. Die Elektrodeneinbohrgeschwindigkeit V lie ^¬ fert wertvolle Informationen über die Schrottdichte, den Ag ^¬ gregatzustand des Schrotts 8 sowie die Schrotttemperatur. Die Elektrodeneinbohrgeschwindigkeit V wird dabei mit den aus der Körperschallmessung gewonnenen Schwingungsfrequenzen korreliert um den Schrottzustand Z zuverlässig zu bestimmen.

Wenn genauere Informationen über den Schrottzustand Z während des Schmelzvorganges vorliegen, lässt sich das

Einschmelzverhalten des Schrotts 8 realitätsnäher darstellen. Hierzu wird der Schrottzustand Z in einem Prozessmodell für eine Temperaturführung verwendet. Der Schrott- oder Schmelz- gutzustand Z wird somit bei der Steuerung bzw. Regelung des elektrischen und chemischen Energieeintrags in den Elektro- lichtbogenofen 2 berücksichtigt, was in der Figur durch den Pfeil 24 angedeutet ist.