CN101932735A - 用于运行具有至少一个电极的电弧炉的方法、调节和/或控制装置、机器可读的程序代码、数据载体以及用于实施所述方法的电弧炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行具有至少一个电极(3a、3b、3c)的电弧炉(2)的方法，其中借助于由所述至少一个电极(3a、3b、3c)形成的电弧(1)来熔化输送给所述电弧炉(1)的固体材料。通过求得附着在所述电弧炉(1)的边界(2)上的固体材料部分的质量的大小(MM)并且根据所求得的大小(MM)来控制和/或调节所述电弧炉(1)的过程参量，可以提供一种方法，利用该方法可以减少因废料爆裂引起的电极断裂的危险。

Description

用于运行具有至少一个电极的电弧炉的方法、调节和/或控制装置、机器可读的程序代码、数据载体以及用于实施所述方法的电弧炉

技术领域

本发明涉及一种用于运行具有至少一个电极的电弧炉的方法，其中借助于由所述至少一个电极形成的电弧来熔化输送给所述电弧炉的固体材料。此外，本发明涉及一种电弧炉、一种调节和/或控制装置、一种机器可读的程序代码以及一种具有用于实施所述方法的程序代码的数据载体。

背景技术

电弧炉用于制造液态金属通常是钢。液态金属由固态的待熔化物比如废料或者经还原的铁与其它的附加料一起来制造。此外，在过程开始时向电弧炉装载废料和/或经还原的铁以及必要时其它的附加料或合金材料，并且而后在至少一个电极与固态的待熔化物之间点燃至少一个电弧。通过所述至少一个电弧加入到电弧炉中的能量导致固态的待熔化物的熔化。此外，在熔化过程中，通常可以向电弧炉输入附加料如煤或石灰或合金元素。

电弧炉中的熔化过程通常伴随着声学现象，因为待熔化物在电弧炉内部在熔化过程中会运动。这些声学现象比如可能通过电弧的燃烧、通过化学反应或者也可能通过不同程度的废料爆裂所引起。

尤其在熔化过程时出现的废料爆裂是成问题的，因为这种废料爆裂在出现相应大的运动的质量时会导致电弧炉中电极的损坏或者说断裂。

发明内容

本发明的任务是，提供一种方法，利用该方法可以更可靠地运行电弧炉。此外，本发明的任务是说明一种适合于实施所述方法的电弧炉以及一种促使该方法得到实施的调节和/或控制装置，一种存储介质以及一种用于所述存储介质的程序代码。

所述任务的与方法有关的部分在开头所述类型的方法中通过以下方式得到解决，即求得附着在电弧炉的边界上的固体材料部分的质量的大小并且根据求得的大小来控制和/或调节电弧炉的过程参量。固体材料部分是指输入到电弧炉中的固体材料的部分量。如果固体材料部分与有振动能力的边界一起构成相耦合的有振动能力的系统，那么所述固体材料部分就在边界上被视为附着的部分。过程参量是指每种对在电弧炉中进行的过程产生影响的参量。可以用所求得的大小来控制和/或调节一个或者多个也就是说至少一个过程参量。所述过程参量通常能够通过调节值来设置。如果所求得的附着在边界上的固体材料部分的质量的大小或者从中推导出来的参量超过一个能够确定的阈值，那就可以规定，如此控制和/或调节过程参量，从而减少对按计划在电弧炉中进行的过程的干扰，尤其将干扰降低到最低限度或者防止干扰。

因此，根据所求得的大小来控制和/或调节电弧炉的过程参量意味着，以某种方式间接地或者直接地在所求得的大小的基础上进行所述控制和/或调节。如果在从所述大小中推导出来的参量的基础上进行控制和/或调节，那么仍然间接地根据所求得的大小来进行所述控制和/或调节。

作为用于上述关系中的能够调节的过程参量的实例，比如可以使用垂直的位置。如果所求得的大小或者说从中推导出来的参量超过阈值，那就可以认为即将出现废料爆裂。所述废料爆裂会导致电极的损坏。为避免这一点，根据所求得的大小或者说从中推导出来的参量比如如此控制和/或调节电极位置，从而减少电极的损坏尤其电极断裂的危险。这可以得到实现，方法是在依赖于所求得的大小或者说从中推导的参量进行控制或者说调节的情况下使电极向上或者向下运动或者说有针对性地引起无损坏作用的废料爆裂。

在本发明的一种有利的设计方案中，为求得附着在边界上的固体材料部分的质量的大小而使用能够用于强制振动的模型。脉动的电弧可以被视为所述强制振动的激励器。必要时也可以使用额外的尤其布置在电弧炉上的激励单元，用于激发振动系统的强制振动。后一种用于激励的替代方案的优点是，与电弧相反，激励频率能够任意地并且由此单独地适应相应的情况。经过励磁的振动系统是电弧炉与附着在其上面的固体材料部分之间的有振动能力的边界。附着在边界上的固体材料部分的质量由此影响振动系统的振动。通过这样的模型的使用结合基于此的对来源于电弧炉运行的信号进行的振动分析，可以以简单的方式方法来确定附着在边界上的固体材料部分的质量的大小。

在本发明的一种有利的实施方式中，所述附着在边界上的固体材料部分的质量大小的求得包括以下方法步骤：

-为所述至少一个电极检测所输入的电极电流，

-检测所述边界的固体声，

-从所检测的电极电流和所检测的固体声振动中检测依赖于频率的电流分析信号和依赖于频率的振动分析信号，

-为多个共同的频率相应地求得电流分析信号与振动分析信号之间的相移，并且

-从所求得的相移中求得附着在边界上的固体材料部分的质量的大小。由此能够特别精确地求得附着在边界上的固体材料部分的质量的大小，根据所述大小可以间接地或者直接地控制和/或调节电弧炉的过程参量。

作为依赖于频率的电流分析信号，尤其可以使用以下参量或者由以下参量形成的参量：

$I_n\left(\mathrm{\ω}\right)\∝\underset{a}{\overset{b}{\∫}}I{\left(t\right)}^n{e}^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt}$ 或者 $I_n\left(\mathrm{\ω}\right)\∝\underset{a}{\overset{b}{\∫}}|I{\left(t\right)|}^n{e}^{-\mathrm{i\ωt}}\mathrm{dt},$

其中n：参数，n∈1、2、3、...，i：虚数单位，e：欧拉常数，t：时间，ω：电极电流的圆频率，I(t)：依赖于时间的所检测的电极电流，I(ω)：依赖于频率的电极电流，a：积分间隔的开始，b：积分间隔的结束。a比如可以选择为负无穷并且b可以选择为正无穷。作为替代方案，也可以选择有限的间隔边界。用于将信号从时域转换为频域的傅立叶变换的使用是可选的。也可以使用每种其它的对本领域的技术人员来说显得合适的变换方法，用于将信号从时域转换为频域。优选将电极电流的平方也就是说n＝2或者电极电流的数值也就是n＝1用作用于求得依赖于频率的电流分析信号的基础。

所述任务的与调节和/或控制装置有关的部分通过一种用于电弧炉的具有机器可读的程序代码的调节和/或控制装置得到解决，该程序代码具有控制指令，所述控制指令促使所述调节和/或控制装置实施按权利要求1到3中任一项所述的方法。

所述任务的与机器可读的程序代码有关的部分通过一种用于电弧炉用的调节和/或控制装置的机器可读的程序代码得到解决，其中所述程序代码具有控制指令所述控制指令促使所述调节和/或控制装置实施按权利要求1到3中任一项所述的方法。

所述任务的与存储介质有关的部分通过一种存储介质得到解决，该存储介质具有存储在其上的按权利要求5所述的机器可读的程序代码。

所述任务的与电弧炉有关的部分通过一种电弧炉得到解决，该电弧炉具有至少一个电极、用于检测输送给所述至少一个电极的电极电流的电极电流检测装置、用于检测电弧炉的边界的固体声振动的固体声传感器以及按权利要求4所述的调节和/或控制装置，其中所述电极电流检测装置和固体声传感器与所述调节和/或控制装置进行了作用连接。

附图说明

本发明的其它优点从实施例中获得，下面借助于示意图对实施例进行详细解释。其中：

图1是用于实施所述按本发明的方法的电弧炉的示意图，

图2是所检测的电极电流信号关于时间的示意图，

图3是所检测的固体声信号关于时间的示意图，

图4是用于共同的频率的电流分析信号与振动分析信号之间的依赖于频率的相移的示意图，

图5是附着在电弧炉的边界上的固体材料部分的质量的大小关于时间的示意图，

图6是用于示出一种用于求得质量大小的方法的示意流程的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有多个电极3a、3b、3c的电弧炉1，所述电极3a、3b、3c通过馈电线与供电装置12相耦合。所述供电装置12优选具有炉用变压器。

借助于三个电极3a、3b、3c在电弧炉1中必要时与合金添加剂和/或添加物一起熔化炉料比如废钢和/或废铁和/或直接还原的铁。以往不知道，可以根据何种参量来预测废料的爆裂。因此会发生这样的情况，即图1所示的一个或者多个电极3a、3b和/或3c因废料爆裂而受损或者在最坏的情况下甚至断裂。电极损坏或者电极断裂导致熔化过程显著受到干扰直至中断，并且因此应该尽可能地加以避免。这可以通过接下来介绍的方法来防止。

在所示出的实施例中，在所述电极3a、3b、3c的馈电线上设置了电极电流检测装置13a、13b、13c，借助于所述电极电流检测装置13a、13b、13c可以测量电流和/或电压或者说输送给所述电极3a、3b、3c的能量。所述电极电流检测装置13a、13b、13c与信号处理装置8进行了作用连接，也就是说无接触地或者在接触的基础上在至少一个电极电流检测装置13a、13b、13c与所述信号处理装置8之间进行信号的传输。所传输的信号在此代表关于时间检测的电极电流。优选连续地并且对所有输送给电极3a、3b、3c的电极电流进行这样的信号的传输。

在炉缸1’的壁体2上或者说镶板上也就是说在炉缸1’的外面的边界上布置了用于检测炉缸1’上的振动的固体声传感器4a、4b、4c。所述固体声传感器4a、4b、4c可以间接地和/或直接地与炉缸1’或者说与炉缸1’的壁体2相连接地布置。所述用于测量固体声振动的固体声传感器4a、4b、4c优选基本上直接与相应的电极3a、3b、3c对置地布置在壁体2的有振动能力的位置上，并且优选设置了至少和电极3a、3b、3c一样多的固体声传感器4a、4b、4c。“直接对置”意味着，所述炉缸1’的壁体2上的固体声传感器4a、4b、4c相应地与相应最近的电极的中线之间具有最小的间距。

所述固体声传感器4a、4b、4c与信号处理装置8进行了作用连接。也就是说在至少一个固体声传感器4a、4b、4c与所述信号处理装置8之间无接触地或者在接触的基础上进行信号的传输。所传输的信号在此代表所述炉缸的壁体2的在所述固体声传感器4a、4b、4c的位置上的关于时间检测的固体声振动。这样的信号的传输优选连续地进行。

由所述固体声传感器4a、4b、4c传输给信号处理装置8的信号优选至少部分地通过光波导体7来导引。在所述光波导体7与固体声传感器4、4a、4b、4c之间布置了至少一个光学的装置6，该光学的装置6用于增强和/或转换一个或者多个固体声传感器4a、4b、4c的信号。可以在所述炉缸1’的附近的环境中或者说有时候也可以直接在炉缸1’上设置信号线，所述信号线导引固体声传感器4a、4b、4c的信号。优选在防热、防止电磁场、防机械负荷和/或其它负荷的情况下敷设所述信号线。

在所述信号处理装置8中求得附着在壁体2上的废料的质量的大小。然后将所求得的质量大小传输给调节装置9，该调节装置9将所述质量大小用于设置电弧所1的过程参量的调节值。在这里的实施例中，所述调节装置9和信号处理装置8构成控制装置23。

比如可以根据所述质量大小来如此调节电极位置尤其电极3a、3b、3c的垂直的位置，使得电极断裂的可能性很小并且同时可以进行有效的熔化过程。一旦所述质量大小或者从中推导出来的参量超过或者低于能够预先给定的阈值，必要时也就可以优选与所述电极3a、3b、3c中的至少一个电极的拉出过程一起使炉缸振动。这导致附着在所述炉缸1’的壁体2上的固体材料部分脱落并且更为均匀地分布在炉缸1’中。由此降低危害到电极3a、3b、3c的废料爆裂的危险。必要时也可以通过将介质添加到电弧炉1中根据所求得的质量大小来如此影响电弧炉1中的待熔化物，从而降低废料爆裂的危险或者说废料爆裂如此受控制地进行，使得电极没有受到危害或者说在降低了的程度上受到危害。

以所述电弧炉1的电极3a为例，示范性地结合图1对所述质量大小的求得进行解释。优选在电弧炉1的运行过程中连续地并且对所有的电极3a、3b和3c求得质量大小。图2示出了用电极电流检测装置13a按时间为电极3a检测的电极电流。

只要数据还没有以数字化的方式存在，那就数字化所测量的或者说所检测的电极电流。这借助于足够高的取样率比如每秒12000个样本来进行。取样率的高低依赖于出现的电极电流时间变化：dI(t)/dt。在此I(t)是分配给电极电流的随时间变化的电极电流信号并且t是时间。所述电极电流关于时间变化得越快，通常取样率就应该选择得越高，用于以相应的精度检测电极电流的变化。必要时可以在依赖于可预料的电极电流变化的情况下来设置取样率。所述情况类似地适用于通过固体声传感器4a、4b、4c来检测的壁体2的固体声振动。由此检测随时间分解的固体声振动信号KS(t)，该固体声振动信号KS(t)示范性地在图3中示出。

在将信号处理装置8用于分析所述方法之前，优选一次性地将所述方法以机器可读的程序代码21的形式借助于存储介质22比如光盘输送给所述信号处理装置8并且保存在存储器可编程的信号处理装置8上。由此所述信号处理装置8准备用于实施一种用于在电弧炉1中求得质量大小的方法。所述信号处理装置8与调节装置9进行了作用连接。该调节装置9调节用于对在电弧炉1中进行的熔化过程的过程参量产生影响的调节值。

将代表电极电流的电极电流信号I(t)输送给所准备的信号处理装置8。在所述信号处理装置8中，将电极电流信号I(t)转换为电极电流信号的平方I²(t)并且将经过平方的电极电流信号I²(t)从时域转换为频域，从而得到根据频率份额划分的经过平方的电极电流信号I²(f)，其中f是频率。与I²(f)意义相同，可以求得I²(ω)，其中ω＝2πf。优选借助于傅立叶变换将经过平方的电极电流信号I²(t)从时域转换为频域。但是，可能其它的转换方法也适合于将信号从时域转换为频域。这同样供本领域的技术人员使用。作为替代方案，所述依赖于时间的电极电流的数值可以用作用于所述转换的基础。

对于所检测的固体声振动信号KS(t)来说，同样实施傅立叶变换并且得到依赖于频率的固体声振动信号。优选作为傅立叶变换的基础，以具有n作为参数的信号KSⁿ(t)为出发点。有利地是选择n＝1，从而可以直接使用所检测的信号。但是必要时也可以将固体声振动的任意次方n的数值用于分析。

对于经过平方的电极电流以及所检测的固体声的傅立叶变换来说，现在为共同的频率比如对于电极电流信号和固体声信号的翻倍的工作频率kf₀的整数的谐振来说分别求得相移α，比如其中k＝1、2、3也就是说100Hz、200Hz、300Hz。所述工作频率是一种频率，在此以该频率向电极加载电参量比如电压或者说电极电流。在图4中为特定的激励频率f绘出了借助于电极电流检测装置13a所检测的电极电流与借助于固体声传感器4a所检测的固体声振动之间的相移α。此外，图4示出了一种拟合函数(Fitfunktion)，该拟合函数通过点状绘出的相移α来绘制。

所述拟合函数基于从用于强制振动的模型中知道的方程式，该方程式描绘激励器与振动系统之间的在强制振动时出现的相移。作为拟合参数在此使用

和阻尼常数，其中K是弹簧常数并且m是通过激励器激励的振动系统的质量。由此在结束拟合之后，得到

作为附着在炉缸的壁体上的质量的大小。

图5示出了抵靠在炉缸1’的壁体2上的固体材料部分的质量的大小MM的时间分布。关于装置的附图标记请参照图1。所示出的质量大小MM基于所述电极电流检测装置13a的以及设置在炉缸1’的壁体2上的与电极3a对置的传感器4a的数据。所述质量大小MM在所示出的时间分布的开始时在一个比较恒定的水平上移动。

在特定的时间之后在所示出的时间段的中心出现附着在炉缸1’的壁体2上的物质的质量大小MM的显著上升。这意味着，在壁体2上在一个区域中出现固体材料的堆积，该区域对通过固体声传感器4a检测的固体声振动信号产生影响。在一定的持续时间之后，所述质量大小MM再次下降。其原因可能在于，附着在炉壁2上的固体材料部分开始脱落。振动系统壁体-附着的固体材料部分因而在越来越大的程度上分离。现在由此存在着即将面临废料爆裂或者废料滑动的危险。

所述质量大小MM现在随着时间的增加而下降得比较厉害。因此，所述质量大小MM的在短时间里在数值上很高的负变化也就是在数值方面很高的负的d(MM)/dt表明即将面临废料爆裂。

所述信号d(MM)/dt由此可以用于预测废料爆裂，并且如此控制或者说调节电弧炉，从而将由于废料爆裂对电弧炉的按计划的运行产生的干扰尤其通过电极断裂对电极的危害降低到最低限度。

在图5中绘出的时刻50，可以感觉到所述电弧炉的能够被操作人员识别的振动，所述振动应该归因于废料爆裂。通过比较，在实践中可以根据出现的振动来验证，所述质量大小MM实际上适合于预测废料爆裂。由于质量大小的下降，由此可以及时地通过所述控制装置或者说调节装置借助于相应的调节器件的触发来如此使电极3a或者说也使其它电极3b和3c定位，从而在注意到基本上不变的能量输入的情况下电极没有或者很少受到废料爆裂的危害。

优选连续地求得所述质量大小MM并且将其用于调节或者说控制所述电弧炉的过程参量。在此有利地使用所有能够支配的固体声振动信号和相应的电极的所检测的电极电流。尤其在熔化过程开始后不久也就是说电弧炉中的待熔化物还具有很高的固体材料份额时，所述方法有助于改进炉的运行。

图6示出了一张流程图，该流程图示出了所述方法的示范性的流程。在此认为，电弧炉在运行中并且在电极与固体材料之间形成了电弧用于使固体材料熔化。

首先在方法步骤30中检测电弧炉的每个电极的电极电流。同时在方法步骤30’中借助于炉缸的壁体上的固体声传感器来检测固体声振动。所述炉缸的壁体的固体声振动通过脉动的电弧来激发。作为替代方案，也可以使用额外的在激励频率方面能够调谐的激励单元用于振动激励。在实施例中，将脉动的电弧用作振动激励器。

然后在方法步骤41中从所检测的电极电流中求得依赖于频率的电极电流分析信号，比如以经过傅立叶变换的经过平方的电极电流或者电极电流的经过傅立叶变换的数值的形式来求得。与此同时，在方法步骤41”中，将所检测的固体声振动信号从时域转换为频域并且由此构成依赖于频率的振动分析信号。

现在从所述依赖于频率的电流分析信号以及依赖于频率的振动分析信号中为共同的频率相应地求得相移。这在方法步骤43中进行。在方法步骤44中，使拟合函数与这个求得的依赖于频率的相移相拟合，所述拟合函数的拟合参数具有附着在炉缸的壁体上的固体材料部分的质量并且还具有振动系统的阻尼。对拟合函数进行调整，直到拟合函数与所求得的依赖于频率的相移也就是真正的测量点的间距为最小。

然后，振动微分方程式中的而后所调节的

也就是所述振动系统的固有振动圆频率可以用作附着在壁体上的固体材料部分的质量的大小，因为K可以被视为恒定的。必要时也可以从中求得另外的同样可以用作质量大小的参量。

在下一个方法步骤34中以图解方式输出所检测的质量大小，使得操作人员可以一同跟踪所述质量大小的时间分布。这尤其允许由操作人员手动地对电弧炉的运行进行控制干预。同时，在方法步骤35中将求得的质量大小输送给调节装置，所述调节装置在所输送的质量大小的基础上在电弧炉的运行中进行控制干预。由此可以实现电弧炉的更好的运行，因为尤其可以预测废料爆裂并且在出现废料爆裂之前可以进行合适的控制干预，用于将通过废料爆裂引起的过程干扰保持在尽可能小的程度上。

在方法步骤36中可以判定，是应该继续实施所述方法，还是可以中断所述方法。这可以手动地或者自动地进行。如果电弧炉中的待熔化物的大部分已转为液相，那么通常可以中断所述方法。这里还几乎没有出现显著的可能危害电极的废料爆裂。一般自动地识别熔化的结束。这种认识对这里的方法来说也可以用作中断标准。

Claims (7)

1.用于运行具有至少一个电极(3a、3b、3c)的电弧炉(2)的方法，其中借助于由所述至少一个电极(3a、3b、3c)形成的电弧(1)来熔化输送给所述电弧炉(1)的固体材料，

其特征在于，

求得附着在所述电弧炉(1)的边界(2)上的固体材料部分的质量的大小(MM)，并且根据所求得的大小(MM)来控制和/或调节(35)所述电弧炉(1)的过程参量。

2.按权利要求1所述的方法，

其特征在于，为求得附着在所述边界(2)上的固体材料部分的质量的大小(MM)而使用能够用于强制振动的模型。

3.按权利要求2所述的方法，

其特征在于，

-为所述至少一个电极(3a 、3b、3c)检测所输入的电极电流(I(t))，

-检测(30’)所述边界(2)的固体声振动(KS(t))，

-从所检测的电极电流(I(t))和所检测的固体声振动(KS(t))求得(41、41”)依赖于频率的电流分析信号和依赖于频率的振动分析信号，

-为多个共同的频率(f)相应地求得(43)所述电流分析信号与所述振动分析信号之间的相移，

-从所求得的相移求得(44)附着在所述边界(2)上的固体材料部分的质量的大小(MM)。

4.用于电弧炉(1)的调节和/或控制装置(9、23)，具有机器可读的程序代码(21)，所述程序代码(21)则具有控制指令，所述控制指令促使所述调节和/或控制装置(9、23)实施按权利要求1到3中任一项所述的方法。

5.用于电弧炉(1)用的调节和/或控制装置(9、23)的机器可读的程序代码(21)，其中所述程序代码(21)具有控制指令，所述控制指令促使所述调节和/或控制装置(9、23)实施按权利要求1到3中任一项所述的方法。

6.存储介质(22)，具有按权利要求5所述的存储在其上的机器可读的程序代码(21)。

7.电弧炉(1)，具有至少一个电极(3a、3b、3c)、用于检测输送给所述至少一个电极(3a、3b、3c)的电极电流(I(t))的电极电流检测装置(13a、13b、13c)、用于检测所述电弧炉(1)的边界(2)的固体声振动的固体声传感器(4a、4b、4c)以及按权利要求4所述的调节和/或控制装置(9、23)，其中所述电极电流检测装置(13a、13b、13c )和所述固体声传感器(4a、4b、4c)与所述调节和/或控制装置(9、23)进行了作用连接。

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