Verfahren zur Bestimmung eines Chargierzeitpunkts zum Chargieren, von Schmelzgut in einen Lichtbogenofen, Signalverar- beitungseinrichtung, maschinenlesbarer Programmcode, Speichermedium und Lichtbogenofen

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung eines Chargierzeitpunkts zum Chargieren, insbesondere Nach-Chargieren, von Schmelzgut, insbesondere Schrott, in einen Lichtbogen ^¬ ofen, wobei der Lichtbogenofen wenigstens eine Elektrode zum Erhitzen von innerhalb des Lichtbogenofens angeordnetem

Schmelzgut mittels eines Lichtbogens umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine Signalverarbeitungseinrichtung, einen ma- schinenlesbaren Programmcode und einen Lichtbogenofen zur Durchführung des Verfahrens. Ferner betrifft die Erfindung ein Speichermedium auf welchem maschinenlesbarer Programmcode hinterlegt ist. Bei der Herstellung von Stahl in einem Elektrolichtbogenofen wird Schrott eingeschmolzen. Dabei verringert sich im Verlauf des Schmelzprozesses das Volumen des Einsatzgutes um den Fak ^¬ tor fünf bis zehn (abhängig von der relativen Schüttdichte des Schrotts) , sodass in der Regel ein bis zwei weitere

Schrottkörbe in den Lichtbogenofen nachgefüllt werden, um ein ausreichendes Abstichgewicht an flüssigem Stahl zu erreichen.

Ein Problem ist es, dabei den optimalen Zeitpunkt für das Setzen bzw. Nachfüllen eines weiteren Korbes zu finden. Die- ses Setzen eines neuen Korbes wird als Chargieren bezeichnet.

Der optimale Zeitpunkt für das Chargieren ist ein wichtiger Faktor um eine hohe Produktivität in der Stahlherstellung zu erzielen. Wird zu spät chargiert, so führt dies zu hohen Energieverlusten, einem erhöhtem Verschleiß und einer geringeren Produktivität. Der Schrott ist dann vollständig einge ^¬ schmolzen und die Lichtbögen brennen ohne Abschirmung auf dem flüssigen Stahlbad. In dieser Phase entsteht zudem kaum Schaumschlacke, die die Lichtbögen zusätzlich abschirmen könnte. Zum einen treten dadurch hohe Strahlungsverluste auf, da ein großer Teil der thermischen Strahlung in Abwärme übergeht. Dies ist energetisch ungünstig und verlängert die Po- wer-on Zeit unnötig. Zum anderen können durch die thermische Strahlung der Lichtbögen Schlackenanbackungen an den Wänden abgeschmolzen werden, welches sich ungünstig auf den weiteren Prozessverlauf bezüglich der Energiebilanz und dem Verschleiß von Feuerfestmaterial auswirkt. Die Produktivität sinkt durch einen Schmelzprozess mit vergleichsweise geringem Wirkungs ^¬ grad. Außerdem entstehen beim Chargieren, insbesondere durch das schlagartige Eintauchen des herabfallenden Schrotts in den Flüssigstahlsumpf, große Emissionen aus Staub und CO (Kohlenstoffmonoxid) .

Wird dagegen zu früh chargiert, so ist der Schrott im Licht ^¬ bogenofen noch nicht ausreichend eingeschmolzen und das verbleibende Leervolumen im Ofen ist nicht groß genug, um die nächste Schrottfüllung zu fassen. Denn prozessbedingt wird das zu chargierende Schrottvolumen in einem Vorgang komplett in das Gefäß eingebracht.

In letzterem Fall kann der Ofendeckel nicht geschlossen werden und der Bediener muss durch zusätzliches Drücken auf das Schrotthaufwerk im Gefäß versuchen, den Schrott mechanisch zu verdichten. Sollte dies nicht ausreichend sein, muss darüber hinaus der überschüssige Schrott entfernt werden, um das er ^¬ forderliche Einschwenken des Ofendeckels zu ermöglichen. Die ^¬ ses Vorgehen ist äußerst zeitaufwändig und senkt daher die Produktivität in erheblichem Maße. Die dadurch erhöhte Tap- to-Tap Zeit, d.h. die Zeit zwischen zwei Abstichen, kann den weiteren Ablauf der Prozesskette im Stahlwerk stören. Des Weiteren treten während der so entstandenen Nebenzeit Abwärmeverluste auf die sich weiter negativ auf den Energiever- brauch und die Produktivität auswirken.

In der Praxis wird daher versucht möglichst lange zu schmel ^¬ zen, um sicher zu sein, dass der Schrott ausreichend nieder- geschmolzen ist, und das Schrottvolumen des nachfolgende Korbes komplett in das Gefäß eingebracht werden kann - unter In ^¬ kaufnahme der oben beschriebenen Nachteile. Da das Ofengefäß geschlossen ist und auch eine Sicht durch das Ofentor keine klare Aussage über ein komplettes Ein ^¬ schmelzen erlaubt, hat der Bediener nur bedingt die Möglichkeit einen geeigneten Zeitpunkt für das Chargieren zu bestimmen .

Um eine optimale Prozessführung zu erreichen sollte so früh wie möglich chargiert werden um unnötige Energieverluste zu vermeiden. Es muss jedoch sicher gestellt werden, dass der Schrott im Ofengefäß so weit eingeschmolzen wurde, dass der nächste Schrottkorb vollständig in das Ofengefäß passt.

Weiterhin ist ein frühzeitiges Chargieren sinnvoll, um den Wirkungsgrad der im Ofen installierten Brenner, die dem zusätzlichen Aufheizen des Schrottes dienen, möglichst hoch zu halten. Taucht der chargierte Schrott bei zu später Chargie ^¬ rung zu stark im Flüssigstahlsumpf ein, so unterkühlt die Schmelze und es fehlt ein Teil des Schrottgerüstes oberhalb der Schmelze, um durch die Brenner optimal aufgeheizt zu wer ^¬ den .

Das oben beschriebene Chargierverhalten aus der bisherigen Praxis führt zu erhöhten Wärmeverlusten, erhöhtem Verschleiß der Wandelemente bzw. Verbrauch an Feuerfestmaterial, höherem Elektrodenverbrauch, erhöhten Emissionen, längerer Power-on und Tap-to-Tap Zeit sowie zu geringerer Produktivität.

Bisher wird häufig auf die Kompetenz und Erfahrung des Be ^¬ dienpersonals für den Lichtbogenofen zurückgegriffen, um einen Chargierzeitpunkt zu bestimmen. Es gibt für den Bediener verschiedene Anzeichen für das Erreichen des Chargierzeit ^¬ punktes. Zum Beispiel sinkt der Schalldruckpegel des durch die Lichtbögen entstehenden Schalls. Ein weiteres Indiz ist der visuelle Eindruck des Schmelzfortschrittes durch einen Blick durch das Ofentor, das dazu geöffnet werden muss.

Des Weiteren könnten optische Messverfahren den Operator bei der Wahl des Chargierzeitpunktes unterstützen, beispielsweise innerhalb eines Brenners untergebrachte optische Sensoren, vgl. Nyssen, P. et al . : Innovative visualisation technique at the electric arc furnace, Revue de Metallurgie (103) 2006, Nr. 9, S. 369-373.

Neben diesen „weichen" Faktoren die in erheblichem Maße von der Erfahrung des Bedienpersonals abhängen, gibt es auch be ^¬ rechnete Faktoren zur Bestimmung eines Chargierzeitpunktes. So ist bspw. bekannt, aus einem thermischen Modell unter

Kenntnis des chargierten Schrottgewichtes, der eingebrachten Energie und anderer Größen den zu erwartenden Temperaturverlauf zu berechnen und daraus einen möglichen Chargierhinweis zu erhalten, vgl. Köhle, S.: Rechnereinsatz zur Steuerung von Lichtbogenöfen. Stahl u. Eisen (100) 1980, Nr. 10, S. 522- 528.

Zumeist werden diese Verfahren zur Unterstützung des Ofenbe- dieners eingesetzt. Einige Modelle versuchen darauf aufbauend den Prozessfortschritt für verschiedene Bereiche des Ofenge ^¬ fäßes zu visualisieren, vgl. Nyssen, P . ; Colin, R.; Junque, J.-L.; Knoops, S.: Application of a dynamic metallurgical mo- del tot he alectric arc furnace. Revue de Metallurgie (101) 2004, Nr. 4, 317-326. Dabei ist jedoch zu beachten, dass es sich hierbei um Modelle ohne direkte Messung des tatsächli ^¬ chen Prozessfortschritts handelt.

Im einfachsten, durchaus gebräuchlichen Fall wird nach einem festen Fahrdiagramm chargiert. Auf Basis von Erfahrungswerten wird so der Zeitpunkt des Chargierens anhand des zuvor char ^¬ gierten Schrottgewichtes und der eingebrachten Energie fest ^¬ gelegt . Bereits durchgeführte Körperschallmessungen an vollständig ausgemauerten Lichtbogenöfen führten in diesem Zusammenhang zu keinem verwertbaren Ergebnis und wurden daher nicht weiter verfolgt, vgl. Higgs, R.W. : Sonic Signature Analysis for Are Furnace Diagnostics and Control. Proceedings IEEE Ultrasonics Symposium 1974.

Nachteil all dieser Verfahren ist es, dass diese den Char ^¬ gierzeitpunkt nicht hinreichend genau bestimmen können, um den Lichtbogenofen in effizienter Weise, d.h. insbesondere zum optimalen Zeitpunkt, zu chargieren bzw. nachzuchargieren .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen zustandsori- entierten Chargierzeitpunkt für den Betrieb eines Lichtbogen- ofens zu bestimmen und entsprechende Vorrichtungen bereitzu ^¬ stellen, um Energieeinsatz, Ressourceneinsatz und Produktionszeit für einen Produktionszyklus zur Erreichung eines Ab ^¬ stichgewichts zu verringern. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Chargierzeitpunkts zum Chargieren, insbesondere Nach- Chargieren, von Schmelzgut, insbesondere Schrott, in einen Lichtbogenofen, wobei der Lichtbogenofen wenigstens eine Elektrode zum Erhitzen von innerhalb des Lichtbogenofens an- geordnetem Schmelzgut mittels eines Lichtbogens umfasst, wo ^¬ bei ein erstes Signal zur Bestimmung eines Phasenzustands ei ^¬ nes schmelzgutseitigen Lichtbogenfußpunkts anhand eines er- fassten Elektrodenstroms ermittelt wird, wobei geprüft wird, ob das erste Signal einen vorgegebenen Schwellwert für eine vorgegebene MindestZeitdauer überschreitet, wobei der Char ^¬ gierzeitpunkt frühestens dann erreicht ist, wenn das erste Signal den Schwellwert für die vorgegebene MindestZeitdauer überschreitet . Dadurch, dass dieses Verfahren von einem aktuellen Zustand im Lichtbogenofen ausgeht, bietet dies enorme Vorteile gegenüber den Verfahren zur Bestimmung von Chargierzeitpunkten gemäß Stand der Technik. Die Chargierung erfolgt stets zu einem möglichst optimalen Zeitpunkt, d.h. es werden zusätzliche Po- wer-on-Zeiten vermieden. Andererseits wird aber so spät chargiert, dass sichergestellt ist, dass das zu chargierende Schmelzgut vollständig in den Lichtbogenofen eingebracht wer- den kann, wodurch die Produktionszeiten für eine Schmelze möglichst gering gehalten werden.

Unter Schmelzgut wird das feste oder flüssige Metall verstan ^¬ den, welches zum Herstellen des Metallbads, insbesondere Stahlbads, vorgesehen ist. Häufig ist in den Lichtbogenofen zu chargierendes Schmelzgut Schrott.

Die Verwendung des Begriffs erstes Signal und zweites Signal, siehe Ausführungen unten, dienen lediglich der Unterscheid- barkeit der Signale für den Leser. Darüber hinaus kommt der

Bezeichnung „erstes" bzw. „zweites" Signal keine Relevanz zu.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird für die Ermittlung des ersten Signals eine S-Funktion verwendet. Diese ist auch unter dem Namen Logistikfunktion bekannt. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung der S-Funktion besonders gute Ergebnisse liefert.

Ferner ist es von Vorteil, zur Ermittlung des ersten Signals für die S-Funktion ein Verhältnis aus Elektrodenstrombeiträ ^¬ gen bei einem ganzzahligen Vielfachen des Doppelten einer Netzbetriebsfrequenz und Elektrodenstrombeiträgen heranzuziehen, welche zwischen ganzzahligen Vielfachen des Doppelten der Netzbetriebsfrequenz vorliegen. Die Netzbetriebsfrequenz ist die Frequenz mit welcher ein Versorgungsnetz den Lichtbogenofen versorgt. Vorzugsweise werden die Elektrodenstrombei- träge auf Basis des quadrierten Elektrodenstromsignals ermit ^¬ telt, da diese ein besseres Maß für die Leistung sind und empfindlicher für den vorgesehenen Zweck reagieren.

Weitere Informationen zur Ermittlung des ersten Signals ergeben sich aus der Figurenbeschreibung. Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Be ^¬ stimmung eines Chargierzeitpunkts zum Chargieren, insbesonde ^¬ re Nach-Chargieren, von Schmelzgut, insbesondere Schrott, in einen Lichtbogenofen, wobei der Lichtbogenofen wenigstens ei- ne Elektrode zum Erhitzen von innerhalb des Lichtbogenofens angeordnetem Schmelzgut mittels eines Lichtbogens umfasst, wobei ein zweites Signal zur Bestimmung eines an einer Be ^¬ grenzung, insbesondere Ofenwand, des Lichtbogenofens festge ^¬ setzten feststoffförmigen Schmelzgutteils mittels erfasster Körperschallwellen ermittelt wird, wobei geprüft wird, ob das zweite Signal einen vorgegebenen Schwellwert für eine vorge ^¬ gebene MindestZeitdauer überschreitet, wobei der Chargierzeitpunkt frühestens dann erreicht ist, wenn das zweite Sig ^¬ nal den Schwellwert für die vorgegebene MindestZeitdauer überschreitet.

Es handelt sich um ein alternatives, gleichwertiges Verfah ^¬ ren, welches es ebenfalls erlaubt, die Nachteile aus dem Stand der Technik deutlich zu verringern bzw. zu beseitigen.

Vorzugsweise wird zur Ermittlung des zweiten Signals ein Sig ^¬ nal-Rausch-Verhältnis aus Körperschallsignalanteilen diskre ^¬ ter Frequenzen und aus Körperschallsignalanteilen für in einem vorgegebenen Intervall von der jeweiligen diskreten Fre- quenz abweichende Frequenzen gebildet.

Ferner ist es vorteilhaft zur Ermittlung des zweiten Signals zusätzlich ein Elektrodenstromsignalanteil bei einer Netzbe ^¬ triebsfrequenz des Lichtbogenofens, insbesondere 50Hz oder 60Hz, heranzuziehen.

Vorteilhafterweise wird dies genutzt, um das zweite Signal anhand der Gleichung:

SK = c*(SNR - d) * (GG - 0,9) zu bestimmen, wobei

SNR: das Signal-Rauschverhältnis,

GG: der Elektrodenstromsignalanteil bei der Netzbetriebsfre ^¬ quenz

c: ein Verstärkungsfaktor, und d: ein Offset-Wert ist.

Der Verstärkungsfaktor c wird vorzugsweise derart gewählt, dass das Signal gegen eins geht, sobald die Flachbadphase er- reicht wird.

Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Be ^¬ stimmung eines Chargierzeitpunkts zum Chargieren, insbesonde ^¬ re Nach-Chargieren, von Schmelzgut, insbesondere Schrott, in einen Lichtbogenofen, wobei der Lichtbogenofen wenigstens eine Elektrode zum Erhitzen von innerhalb des Lichtbogenofens angeordnetem Schmelzgut mittels eines Lichtbogens umfasst, wobei ein erstes Signal zur Bestimmung eines Phasenzustands eines schmelzgutseitigen Lichtbogenfußpunkts anhand eines er- fassten Elektrodenstroms ermittelt wird, wobei ein zweites

Signal zur Bestimmung eines an einer Begrenzung, insbesondere Ofenwand, des Lichtbogenofens festgesetzten feststoffförmigen Schmelzgutteils mittels erfasster Körperschallwellen ermit ^¬ telt wird, wobei der Chargierzeitpunkt unter Verwendung des ersten und des zweiten Signals ermittelt wird.

Durch die kombinierte Verwendung des ersten und zweiten Signals kann die Sicherheit, einen möglichst prozessoptimalen Chargierzeitpunkt zu bestimmen, weiter erhöht werden. In die- sem Fall sind die Nachteile des Stands der Technik minimiert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das erste Signal und das zweite Signal gemittelt, wobei geprüft wird, ob das gemittelte Signal einen vorgebbaren Schwellwert für eine vor- gegebene MindestZeitdauer überschreitet, wobei der Chargier ^¬ zeitpunkt frühestens dann erreicht ist, wenn das gemittelte Signal für eine vorgegebene Mindestdauer über dem Schwellwert liegt . Die Ermittlung eines gemittelten Signals aus dem ersten und dem zweiten Signal stellt eine einfache und praktikable Kom ^¬ bination der Signale dar, mittels derer die erfindungsgemäßen Vorteile realisiert werden können. Zur Mittelung können be- kannte Verfahren wie arithmetische Mittlung oder geometrische Mittelung herangezogen werden.

Alternativ kann vorteilhaft auch derart vorgegangen werden, dass geprüft wird, ob das erste Signal einen vorgegebenen

Schwellwert für eine vorgegebene MindestZeitdauer überschrei ^¬ tet, dass geprüft wird, ob das zweite Signal einen vorgegebe ^¬ nen Schwellwert für eine vorgegebene MindestZeitdauer überschreitet, wobei der Chargierzeitpunkt frühestens dann er- reicht ist, wenn das erste und das zweite Signal gleichzeitig jeweils für eine vorgegebene Mindestdauer über dem jeweils zugehörigen Schwellwert liegen.

Die gekoppelte Betrachtung des ersten und zweiten Signals im Hinblick auf die Erfüllung der jeweiligen Prüfkritieren ist ebenfalls ein gut funktionierendes Vorgehen, um einen mög ^¬ lichst prozessoptimalen Chargierzeitpunkt sicher zu bestimmen . In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Lichtbogenofen mehr als eine Elektrode, insbesondere drei Elektroden, und/oder mehr als einen Körperschallsensor, insbesondere drei Körperschallsensoren, wobei der Chargierzeit ^¬ punkt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 unter Berücksichti- gung der erfassten Elektrodenströme aller Elektroden und/oder unter Berücksichtigung der erfassten Körperschallschwingungen aller Körperschallsensoren bestimmt wird.

Durch die Berücksichtigung der Elektrodenströme aller vom Lichtbogenofen umfassten Elektroden und/oder der Signale aller vom Lichtbogenofen umfassten Körperschallsensoren wird sichergestellt, dass ein Chargierzeitpunkt erst dann als vor ^¬ liegend angesehen wird, wenn der gewünschte Zustand im Licht ^¬ bogenofen auch erreicht ist. Dadurch wird sichergestellt, dass ein ungleichmäßiges Einschmelzen des Schrotts für die

Elektroden nicht zu einem verfrühten Chargierzeitpunkt führt, so dass etwa der nachzufüllende Schrott nicht in den Ofen passt . Allen oben aufgeführten Verfahren ist gemeinsam, dass diese zur Bestimmung eines prozessoptimalen Chargierzeitpunkts für einen laufenden Lichtbogenofenprozess auf erfasste Daten aus diesem aktuell laufenden Lichtbogenofenprozess zurückgreifen. Dadurch wird es möglich, dass der Zustand des Schmelzguts im Lichtbogenofen online nachvollziehbar ist und dementsprechend ein Chargierzeitpunkt abhängig von diesem Zustand des

Schmelzguts im Lichtbogenofen ermittelt werden kann. Durch die Verwendung von Signalen, welche mit dem Zustand des

Schmelzguts korrelieren, kann somit der Prozessfortschritt relativ genau in Echtzeit verfolgt werden, wodurch es ermög ^¬ licht wird, einen Chargierzeitpunkt möglichst prozessoptimal zu bestimmen. Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Signalverarbeitungs ^¬ einrichtung für einen Lichtbogenofen, mit einem maschinenlesbaren Programmcode, welcher Steuerbefehle aufweist, die die Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 veranlassen.

Ferner wird die Aufgabe gelöst von einem maschinenlesbaren Programmcode für eine Signalverarbeitungseinrichtung für einen Lichtbogenofen, wobei der Programmcode Steuerbefehle auf ^¬ weist, die die Signalverarbeitungseinrichtung zur Durchfüh- rung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 veran ^¬ lassen .

Darüber hinaus erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten maschinenlesba- ren Programmcode gemäß Anspruch 13.

Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe gelöst durch einen Licht ^¬ bogenofen mit wenigstens einer Elektrode, mit einer Elektro- denstromerfassungseinrichtung zur Erfassung eines der wenigs- tens einen Elektrode zugeführten Elektrodenstroms, mit we ^¬ nigstens einem Körperschallsensor zur Erfassung von Körperschall-Schwingungen einer Begrenzung des Lichtbogenofens, und mit einer Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Elektrodenstromerfassungseinrichtung und die Körperschallsensoren mit der Signalverarbeitungseinrichtung wirkverbunden sind.

Ein derart ausgebildeter Lichtbogenofen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, wodurch die erfindungsgemäßen Vorteile realisiert werden können.

Vorzugsweise ist die Signalverarbeitungseinrichtung zusätzlich mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung verbunden, welche mit einer Chargiereinrichtung wirkverbunden ist, wobei die Chargierung von Schmelzgut mittels der Steuer- und/oder Regeleinrichtung steuerbar und/oder regelbar ist. Hierdurch ist eine Vollautomatisierung möglich. Diese ist jedoch nicht zwingend. Der bestimmte Chargierzeitpunkt kann auch dem Bedienpersonal mitgeteilt, z.B. angezeigt, werden, so dass diese die Chargierung manuell einleiten. Die Signal ^¬ verarbeitungseinrichtung kann mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung baulich identisch sein. Alternativ können diese auch als unterschiedliche, räumlich getrennte Einheiten ausgestaltet werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Ausführungs ^¬ beispielen, welche anhand der schematischen Zeichnungen genauer erläutert werden. Es zeigen:

FIG 1 eine schematische Darstellung eines Lichtbogenofens FIG 2 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung des Chargierzeitpunkts unter Verwendung von Elektrodenströ ^¬ men,

FIG 3 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung des Chargierzeitpunkts unter Verwendung von Körperschall ^¬ wellen

FIG 4 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bestimmung des Chargierzeitpunkts unter Verwendung von Elektrodenströ ^¬ men und unter Verwendung von Körperschallsignalen. FIG 1 zeigt einen schematisch dargestellten Lichtbogenofen 1, insbesondere Dreh-Strom-Elektrolichtbogenofen . Bei der Herstellung von Metallschmelzen, insbesondere Stahlbädern, ist es erforderlich, mehrfach Schmelzgut G in den Lichtbogenofen 1, insbesondere in ein vom Lichtbogenofen umfasstes Ofengefäß 1' einzubringen, um ein gewünschtes Abstichgewicht für das im Ofen bei Ende des Schmelzprozesses vorliegende Flüssigmetall zu erreichen. Häufig ist es, dass hierzu zweimal Schrott in den Lichtbogenofen 1 nachgefüllt wird. Jedoch können auch mehr oder weniger als zwei Nachfüllungen erforderlich sein. Dies hängt u.a. vom Lichtbogenofen 1 und dessen Fassungsvermögen ab.

Bei drei erforderlichen Schrott-Chargen zum Erreichen des Ab- Stichgewichts wird also zunächst mit einer ersten Ladung bzw. einer ersten Charge Schrott der Aufschmelzprozess begonnen.

Diese wird weitestgehend oder vollständig eingeschmolzen. So ^¬ dann wird die zweite Charge Schrott in den Ofen 1 eingebracht und geschmolzen. Anschließend wird die dritte Ladung Schrott in den Ofen 1 eingebracht. Auch diese wird aufgeschmolzen und das Flüssigmetallbad wird für den Abstich vorbereitet.

Für das Nach-Chargieren, d.h. für die obige zweite und dritte Schrottladung, ist es erforderlich, die Elektroden 3a, 3b, 3c aus dem Lichtbogenofen 1 auszubringen. In der Regel wird hierzu auch der Deckel des Ofens 1 geöffnet. Daher sind die Elektroden 3a, 3b, 3c zumindest höhenverstellbar und häufig auch schwenkbar gelagert.

Im vorliegenden Fall umfasst der Elektrolichtbogenofen 1 drei Elektroden 3a, 3b, 3c. Die Elektrodenströme der jeweiligen Elektrode 3a, 3b, 3c werden jeweils mit entsprechender Erfas ^¬ sungseinrichtung 13a, 13b bzw. 13c erfasst. Die Elektroden 3a, 3b, 3c sind über Stromzuführungen mit einer Stromversorgungseinrichtung 12 gekoppelt. Die Stromversorgungseinrichtung 12 weist vorzugsweise einen Ofentransformator auf. Ferner weist der Lichtbogenofen 1 drei Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c auf, welche vorzugsweise an schwingungsfähigen Ofenwänden 2 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Körper ^¬ schallsensoren 4a, 4b, 4c an der einer Elektrode 3a, 3b, 3c nächsten gegenüberliegenden Ofenwand 2 bzw. Ofenpaneel angeordnet .

Ferner umfasst der Lichtbogenofen 1 eine Signalverarbeitungs ^¬ einrichtung 8, welcher die Signale der Elektrodenstromerfas- sungseinrichtungen 13a, 13b, 13c und die Signale der Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c zuführbar sind.

Auf der Signalverarbeitungseinrichtung 8 ist ein maschinenlesbarer Programmcode 21 hinterlegt. Dieser maschinenlesbare Programmcode 21 weist Steuerbefehle auf, die Signalverarbei ^¬ tungseinrichtung 8 zur Durchführung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahren veranlasst, wenn diese ausgeführt werden . Der maschinenlesbare Programmcode 21 kann auf der Signalver ^¬ arbeitungseinrichtung 8 mittels eines Speichermediums 22 hin ^¬ terlegt werden, z.B. mittels eines USB-Sticks, CD, DVD oder anderer Datenträger. Auch kann dieser permanent auf der Signalverarbeitungseinrichtung 8 hinterlegt sein. Die Bereit- Stellung des Programmcodes 21 kann auch über ein Netzwerk erfolgen .

Die Signalverarbeitungseinrichtung 8 ist somit derart ausgebildet, dass ein Chargierzeitpunkt ermittelt werden kann.

Vorzugsweise steht die Signalverarbeitungseinrichtung 8 mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 in Wirkverbindung, so dass mittels dieser bei Erreichen des Chargierzeitpunkts ein Chargiervorgang, vorzugsweise vollautomatisch, ausgelöst bzw. durchgeführt werden kann. Dazu ist die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 mit einer Chargiereinrichtung 10, z.B. einem verfahrbaren Schrottkorb, wirkverbunden. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 kann darüber hinaus zum Steuern und/oder Regeln weiterer Funktionen des Lichtbogenofens 1 verwendet werden, bspw. zur Elektrodenregelung oder ähnlichem. Dies ist in FIG 1 aus Gründen der Übersicht- lichkeit nicht gezeigt.

Wird der Chargierzeitpunkt ohne Verwendung von Körperschall ^¬ signalen bestimmt, insbesondere nur mittels der Elektroden ^¬ ströme, so kann auf die Installation der Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c am Lichtbogenofen 1 zum Zweck der Bestimmung des Chargierzeitpunkts auch verzichtet werden.

Allerdings können die Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c auch für andere Verfahren vorteilhaft eingesetzt werden, vgl.

bspw. WO 2009095292 AI, WO 2007009924 AI oder WO 2009095396 AI .

Die Körperschallsensoren 4a, 4b, 4c sind vorzugsweise mit ei ^¬ ner Einrichtung 6 zur Verstärkung und/oder Umsetzung von Kör- perschallsignalen von elektrischen Signalen in optische Signale wirkverbunden. Die optischen Signale werden von der Einrichtung 6 mittels eines Lichtwellenleiters 7 an die Signal ^¬ verarbeitungseinrichtung 8 übertragen. Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen ist eine Überführung von elektrischen Sig- nalen in optische Signale praktikabel.

Im Nachfolgenden wird anhand FIG 2 erläutert, wie ein Char ^¬ giersignal auf Basis von Elektrodenströmen ermittelt werden kann .

Bei dem Ablaufdiagramm wird davon ausgegangen, dass die Erst- befüllung des Lichtbogenofens mit Schrott erfolgt ist und nun ein Einschmelzen der ersten Charge erfolgt. Hierzu werden in einem Verfahrensschritt 101 die Elektroden ^¬ ströme der jeweiligen Elektrode erfasst. Diese werden der Steuer- und/oder Regeleinrichtung zugeführt und dort weiterverarbeitet . In einem Verfahrensschritt 102 werden die Elektrodenströme vom Zeitbereich in den Frequenzbereich überführt, z.B. mittels Fast Fouriertransformation, nachfolgend FFT abgekürzt. Die Verwendung der FFT hat sich als praktikabel herausge- stellt.

Durch den Fachmann können jedoch auch andere Transformationsalgorithmen verwendet werden, welche eine Überführung des Elektrodenstromsignals von einem Zeitbereich in einen Fre- quenzbereich ermöglichen.

Mittels der Fouriertransformation können die frequenzspezifischen Beiträge bzw. Beträge für den Elektrodenstrom ermittelt werden. Diese Beträge werden für bestimmte Frequenzbereiche der frequenzabhängigen Ströme für einen jeweiligen Frequenzbereich und für die drei Elektroden aufsummiert.

Die Summe der spektralen Anteile Sl des quadrierten Stroms zwischen den Harmonischen bei 100 Hz und 200Hz, zwischen 200Hz und 300Hz, zwischen 300 Hz und 400 Hz bzw. zwischen Hz und 500 Hz für die drei Elektroden k errechnet sich aus mit Index k für die Elektrode, einem Abstandswert x, welcher bspw 3 bis 6 Hz beträgt, um einen genügend weiten Abstand von den Harmonischen j bereitzustellen und | FFT(I^) | für den Betrag der Fouriertransformation bei i Hz des entsprechenden quadrierte Elektrodenstromsignals der Elektrode k.

Dies entspricht dem Stromanteil, welcher abseits der Grund ^¬ schwingungen und der harmonischen Oberschwingungen zum Elekt- rodenstromsignal beigetragen wird.

Ferner wird der spektrale Anteil S2 für die Oberschwingungen der doppelten Netzbetriebsfrequenz des Ofens ermittelt, wel- eher durch Stromanteile bei und in der nahen Umgebung von 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz und 500 Hz geliefert wird. Dies erfolgt gemäß :

Dieser Vorgehensweise liegt die Beobachtung und die Erkennt ^¬ nis der Erfinder zugrunde, dass die Anharmonizität des Elekt ^¬ rodenstroms beim Übergang von Brennen auf Schrott, nachfol- gend genannt Schrottphase, auf das Brennen auf Flüssigmetall, nachfolgend genannt Flüssigbadphase, stark abnimmt. D.h. in der Schrottphase sind neben der Grundharmonischen bei 100 Hz (für eine Netzbetriebsfrequenz von 50 Hz) und deren Oberschwingungen bei 200 Hz, 300 Hz usw. in erheblichem Maße spektrale Anteile zwischen diesen Harmonischen sichtbar. In der Flachbadphase gehen diese Anteile stark zurück, so dass nahezu nur die erste Harmonische und deren Vielfache vorhan ^¬ den sind. Das Maß S für die Abschmelzung des Schrotts im Be ^¬ reich der Elektroden kann daher vorteilhaft mittels dieser Erkenntnis bestimmt werden.

Bei einer anderen Netzbetriebsfrequenz, z.B. bei 60 Hz wäre die Grundharmonische 120 Hz und die harmonischen Oberschwin ^¬ gungen ein entsprechendes ganzzahliges Vielfach hiervon. Dies kann bspw. in außereuropäischen Ländern Anwendung finden, z.B. in den USA.

In einem Verfahrensschritt 103 wird nun aus den ermittelten Signalen ein Quotient gebildet. Bildet man bspw. das Verhält- nis S1/S2 und multipliziert dieses mit einem Empfindlich ^¬ keitsfaktor a (abhängig vom Lichtbogenofen und dessen elektrischer Auslegung in der Größe von ~ 2) und begrenzt diesen Wert auf eins, erhält man ein Maß y zur weiteren Berechnung In einem Verfahrensschritt 104 wird y nun in eine sogenannte S-Funktion eingesetzt, und dadurch, das erste Signal S für die Bestimmung der Schrotteinschmelzung erhalten:

S = y - (— ) · sin (2π * y)

2^

Das erste Signal S ist nahe null während der Schrottphase und ändert sich zu einem Wert gegen eins in der Flüssigbadphase. Dieses Signal bildet das erste Kriterium für ein auszugeben- des Chargiersignal, da dieses sehr empfindlich auf das Ein ^¬ schmelzverhalten des Schrotts im Bereich der Elektroden reagiert .

In einem Verfahrensschritt 105 wird geprüft, ob das erste Signal S für eine vorgegebene Zeitdauer oberhalb eines vorge ^¬ gebenen Schwellwerts liegt. Als vorgegebene Zeitdauer, inner ^¬ halb derer der Schwellwert überschritten sein muss, können bspw. 10 bis 40 Sekunden, insbesondere 20 Sekunden, gewählt werden. Der Schwellwert selbst wird - wenn das erste Signal bei vollständiger Einschmelzung bei ca. 1 liegt - bspw. in einem Bereich von 0,6 bis 0,8, insbesondere 0,7, gewählt.

Sobald der Verfahrensschritt 105 ergibt, dass der Schwellwert für wenigstens 20 Sekunden überschritten ist, wird in einem Verfahrensschritt 106 ein Chargiersignal ausgegeben, d.h. dass nun erneut Schrott in den Lichtbogenofen eingebracht werden kann.

Das ausgegebene Chargiersignal kann sowohl eine vollautomati- sehe Chargierung des Lichtbogens initiieren, als auch das Be ^¬ dienpersonal über das Vorliegen eines optimalen Chargierzeit ^¬ punkts informieren, bspw. über eine visuelle Anzeige und/oder mittels akustischer Mittel. Solange die Prüfung ergibt, dass der Schwellwert nicht für die vorgegebene Mindestdauer überschritten ist, werden die Elektrodenströme weiterhin gemäß obiger Art und Weise analy ^¬ siert .

In einem Verfahrensschritt 107 wird geprüft, ob das Verfahren weiter, insbesondere nach Chargierung der nächsten Ladung

Schmelzgut, ausgeführt werden soll. Insbesondere bei drei er ^¬ forderlichen Chargen zur Erreichung des Abstichgewichts, ist es bspw. nicht mehr erforderlich, das Verfahren nach Chargieren der dritten Schrottladung weiterlaufen zu lassen, da nach Zugabe der dritten Charge in den Lichtbogenofen keine weitere Chargierung mehr erfolgt. Vielmehr erfolgt als nächstes - nach Vorliegen einer gewünschten Schmelze - ein Abstich des Flüssigmetalls. Insofern ist eine weitere Bestimmung eines Chargierzeitpunkts ggf. überflüssig.

FIG 3 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Bestimmung des Chargierzeitpunkts für einen Lichtbogenofen. Dieses Ver ^¬ fahren geht von den gleichen Startbedingungen aus. Die Erst- befüllung des Lichtbogenofens mit Schrott liegt vor und der Ofen ist in Betrieb zwecks Einschmelzen dieses Schrotts.

In einem Verfahrensschritt 201 werden Körperschallsignale mit vorhandenen Körperschallsensoren erfasst. Die vom Körperschallsensor s erfassten Signale werden mit Ks _s bezeichnet, wobei der Index s ein Zählindex ist und im vorliegenden Bei ^¬ spiel von 1 bis 3 läuft, da drei Körperschallsensoren vom Lichtbogenofen umfasst sind.

Die Verwendung des zweiten Signals auf Basis von Körper- schallsignalen basiert auf der Beobachtung, dass sich die

Körperschallschwingungen der Ofenbegrenzung, insbesondere des Ofenpanels, beim Übergang in die Flachbadphase auf Harmoni ^¬ sche, d.h. ganzzahlige Vielfache, der zweifachen Netzfrequenz konzentrieren. Bei 50 Hz Netzbetriebsfrequenz treten daher im Wesentlichen die Frequenzen 100 Hz, 200 Hz, 300 Hz usw. auf. In der Schrotteinschmelzphase verteilt sich die Leistung im Frequenzspektrum des Körperschalls vergleichsweise gleichmä ^¬ ßig über einen größeren Frequenzbereich. Das zweite Signal SK _S , welches für die Bestimmung des Char ^¬ gierzeitpunkts ermittelt wird und mit der Abschmelzung des Schrotts an den Ofenwänden in Verbindung gebracht werden kann, kann daher vorteilhaft mittels eines Signal-Rausch- Verhältnisses bestimmt werden. Dies erfolgt in einem Verfah- rensschritt 202.

Hierzu erfolgt zunächst eine Berechnung des Rauschniveaus SNj der Harmonischen j der doppelten Netzbetriebsfrequenz mit bspw. j = 1, 2, ... 6, d.h. Frequenzen von 100 Hz , 200 Hz, ... 600 Hz.

Das Rauschniveau SNj für die j-te harmonische Oberschwingung der doppelten Netzbetriebsfrequenz wird gebildet durch das Verhältnis des Betrags des Körperschallsignalanteils der j- ten harmonischen Oberschwingung zum Signalbetrag der Körperschallsignalanteile in der Rauschumgebung der j-ten harmonischen Oberschwingung.

Die Rauschumgebung wird vorteilhaft aus den spektralen Antei- len zwischen 15 Hz bis 35 Hz unterhalb und oberhalb der ent ^¬ sprechenden j-ten harmonischen Oberschwingung berechnet. Die Berechnung für jede harmonische Oberschwingung j erfolgt nach

wobei Ks _s das Körperschallsignal der Sensoren s im Zeitbe ^¬ reich ist, und FFT (Ks _s ) der Signalbetrag des Körper ^¬ schallsignals bei der Frequenz 100*j Hz. Die Summe im Nenner ergibt den Signalbetrag, welcher im ange ^¬ gebenen Frequenzspektrum, d.h. im Intervall [ 100 *j Hz-35Hz , 100*jHz-15Hz] sowie im Intervall [ 100 *j Hz+15Hz , 100*jHz + 35Hz] liegt. Die gewählten Werte von 15 Herz und 35 Hertz sind beispielhaft und können gemäß den Erfordernissen an ei ^¬ nem individuellen Lichtbogenofen angepasst werden. Denkbar sind insbesondere auch 10 Hz und 40 Hz oder 10Hz und 30Hz an ^¬ statt der oben gewählten 15 Hz und 35 Hz. Hieraus ergeben sich somit die einzelnen Rauschniveaus für die jeweilige j-te Oberschwingung. Diese einzelnen Rauschniveaus werden nun zu einem Signal-Rausch-Verhältnis SNR ge ^¬ wichtet aufsummiert, wobei der Wichtungsvektor g wählbar ist. Die Berechnung erfolgt somit gemäß

SNR = j^ g _J - SN _J

7=1

Es zeigte sich als vorteilhaft, dass der Wichtungsvektor wie folgt gewählt wird: g = (0, 1/3, 1/3, 1/3, 0, 0) . Mit einer derartigen Wichtung wird ein Mittelwert des Signal-Rauschverhältnisses für Oberschwingungen für j= 2, 3, 4, d.h. bei 200 Hz, 300 Hz und 400 Hz, gebildet.

Anhand dieses Signals kann bereits ein möglichst optimaler Chargierzeitpunkt gut bestimmt werden.

Die Genauigkeit der Bestimmung des Chargierzeitpunkts kann jedoch weiter erhöht werden, indem zusätzlich ein Elektroden- Stromsignal für die Bestimmung des Chargierzeitpunkts mitein- bezogen wird. Im Ausführungsbeispiel wird diese Vorgehenswei ^¬ se erläutert. Es ist jedoch, wie bereits oben erwähnt, nicht zwingend erforderlich, derart vorzugehen.

Daher können in einer alternativen Variante zum Ausführungs- beispiel gemäß FIG 3 die Verfahrensschritte 203 und 204 auch entfallen . Aufgrund der Verbesserung bei der Bestimmung des Chargierzeitpunkts wird jedoch nachfolgend das Einbeziehen eines Elektrodenstromanteils erläutert. Dies geschieht in den Ver ^¬ fahrensschritten 203 und 204.

Im Verfahrensschritt 203 wird nun ein Grundschwingungsanteil, nachfolgend auch Grundschwingungsgehalt genannt, des Elektro ^¬ denstromes für die Ermittlung des zweiten Signals mitberücksichtigt. Der Grundschwingungsanteil bzw. -gehalt ist derje- nige Anteil des Elektrodenstroms, welcher durch die Netzbe ^¬ triebsfrequenz zum Gesamtsignal beigetragen wird. Die Einbeziehung dieses Grundsignalanteils bzw. -gehalts führt zu grö ^¬ ßerer Prozesssicherheit, indem dieser ein Prüfkriterium für die Auswertung des Körperschalls darstellt.

Durch extreme Betriebsbedingungen mit Einfluss auf den gemes ^¬ senen Körperschall könnte es in wenigen Ausnahmen zu einer fehlerhaften Bestimmung des Chargierzeitpunkts kommen. Dies kann durch die Einbeziehung des Grundschwingungsanteils bzw. -gehalts des Elektrodenstroms vermieden werden. So erfolgt bspw. eine Auslösung der Chargierung erst dann, wenn der Grundschwingungsanteil der Elektrodenströme aller Elektroden über einem vorgegebenen Schwellwert, etwa 0,9, liegt. Zur Ermittlung des Grundschwingungsanteils der Elektroden ^¬ ströme wird der im vorliegenden Beispiel der 50 Hz Anteil des Elektrodenstromes I für jede Elektrode k unter Verwendung der Fouriertransformation der Ströme berechnet und der Effektivwert I _e ff , k bestimmt:

3 k=i I _{eff k}

Im vorliegenden Fall läuft k von 1 bis 3, da der Lichtbogenofen drei Elektroden umfasst. GG bezeichnet den Grundschwingungsanteil bzw. -gehalt. |FFT(I _k ) ₅₀ | ist der Betrag des Sig ^¬ nalbeitrags des Elektrodenstroms bei 50Hz. FFT steht auch hier wieder für Fast Fourier Transformation, welches als Mit tel zur Bestimmung des Grundschwingungsanteils bzw. -gehalts eingesetzt werden kann.

In einem Verfahrensschritt 204 wird nun aus einer Kombination des ermittelten Signal-Rausch-Verhältnisses SNR und des

Grundschwingungsgehalts das zweite Signal SKs ermittelt, wel ^¬ ches zur Ermittlung des Chargierzeitpunkts herangezogen wird.

Dies geschieht, indem das ermittelte Signal-Rausch-Verhältnis und der Grundschwingungsgehalt in die nachfolgende Gleichung eingesetzt werden:

SKs = a - (SNR - b) ^■ (GG -0.9) Der Faktor a wird vorzugsweise derart bestimmt, dass das zweite Signal SKs gegen 1 geht, wenn die Flachbadphase im Lichtbogenofen erreicht ist. Der Parameter b ist ein Offset- Wert, welcher individuell für den jeweiligen Lichtbogenofen zu ermitteln ist.

Das zweite Signal SKs ist nahe null in der Schrottphase und steigt stark in der Flüssigbadphase an. Dadurch ist es mög ^¬ lich, auch dieses heranzuziehen, um einen möglichst optimalen Chargierzeitpunkt zu bestimmen.

Analog zum Ausführungsbeispiel gemäß FIG 2 wird in einem Ver ^¬ fahrensschritt 205 geprüft, ob das zweite Signal einen vorge ^¬ gebenen Schwellwert für eine vorgegebene Mindestdauer überschreitet. Hinsichtlich Schwellwert und Bestimmung der Zeit- dauer gelten die Aussagen zu FIG 2 in gleicher Weise für FIG 3.

Wird der Schwellwert für eine vorgegebene MindestZeitdauer durch das zweite Signal überschritten, so wird in einem Ver- fahrensschritt 206 ein Chargiersignal ausgegeben. Hierzu gel ^¬ ten die Ausführungen im Rahmen der Erläuterungen zu Verfahrensschritt 106 aus FIG 2. Die Prüfung hinsichtlich der Beendigung des Verfahrens in eiern Verfahrensschritt 207 erfolgt ebenfalls analog zum Verfah ^¬ rensschritt 107 der FIG 2. FIG 4 zeigt eine Kombination des Ausführungsbeispiels zu FIG 2 und zu FIG 3.

Hier wird parallel ein erstes Signal gemäß FIG 2 und zweites Signal gemäß FIG 3 ermittelt. Für die Ermittlung dieser Sig- nale wird daher auf die Ausführungen zu FIG 2 und FIG 3 ver ^¬ wiesen .

In einem Verfahrensschritt 306 wird gemäß FIG 3 geprüft, ob das erste Signal als auch das zweite Signal jeweils für eine vorgegebene MindestZeitdauer größer als der jeweilige

Schwellwert ist. Ist dies nicht der Fall, ist keines der bei ^¬ den Signale oder nur eines der beiden Signale für die vorge ^¬ schrieben MindestZeitdauer größer als der jeweilige Schwellwert, so erfolgt keine Ausgabe eines Chargiersignals.

Alternativ kann auch ein Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten Signal gebildet werden, und dieser einer Prüfung unterzogen werden im Hinblick auf einen Schwellwert und die Dauer der Überschreitung des Schwellwerts.

Sobald jedoch - je nach Ausführung - das entsprechende ge- mittelte Signal bzw. das erste und das zweite Signal das Prüfkriterium erfüllen, erfolgt in einem Verfahrensschritt 307 eine Ausgabe eines Chargiersignals.

Die Ausgabe des Chargiersignals kann erfolgen, indem direkt nach Vorliegen des Chargiersignals entsprechende Stellglieder von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung angesteuert werden, welche für eine Chargierung von Schrott erforderlich sind. Alternativ kann durch Mitteilung des Vorliegens eines optimalen Chargierzeitpunkts an Bedienpersonal eine Chargie ^¬ rung durch das Bedienpersonal initiiert werden. Nachfolgend wird in einem Verfahrensschritt 308 abgefragt, ob das Verfahren beendet werden soll. Es gelten hierzu die ent ^¬ sprechenden Ausführungen zu FIG 2 analog.