CN103688591B - 运行电弧炉的方法和具有根据该方法运行的电弧炉的熔化设备 - Google Patents

Abstract

在用于运行用交流电压运行的电弧炉（2）的方法中以及在具有根据该方法运行的电弧炉（2）的熔化设备中检测在电弧炉（2）的壁上出现的固体声信号（S），从所述固体声信号中计算出表征电弧炉（2）的闪变特性的参数（K），并且根据所计算的参数（K）来控制电弧炉（2）的至少一个过程变量。

Description

运行电弧炉的方法和具有根据该方法运行的电弧炉的熔化设备

技术领域

本发明涉及一种用于运行电弧炉的方法。此外，本发明涉及一种具有根据该方法运行的电弧炉的熔化设备。

背景技术

在电弧炉中将通常为金属废料的块状的熔化物必要时连同另外的添加材料一起通过在熔化物和至少一个电极之间点燃的电弧来熔化。

在此指出，首先实际上仅添加废料的电弧炉产生不期望的用电设备对的反作用（Netzrückwirkung）。因此为了该目的，在炼钢装置中安装补偿设备、所谓的SVC系统或静态的短路回线补偿器，以便降低用电设备对的反作用，如高次谐波或所谓的闪变并且遵守国际规定的边界值。然而，这种SVC系统仅在随后对已经产生的干扰做出反应，即对在电弧炉中在废料熔化时产生的高次谐波或闪变做出反应，并且尤其当电弧炉在弱的供电上运行时，不能够确保遵守所规定的边界值。

为了避免高的闪变值，在现有技术中已知的是，以混合物输送废料，所述混合物具有低的所谓的Kst数值。所述Kst数值根据IEC标准61000-3-7描述废料的类型、重量和密度并且通常位于48和85之间。此外，在炉回路中引入所谓的附加电抗，例如炉变压器附加扼流圈（Ofentrafovordrossel），并且进行用于稳定电弧的调节方面的参数化。当需要对闪变数值做出高的改进时，使用基于IGBT技术的新型的SVC系统。通过这种SVC系统将所产生的干扰的频谱转换成更高的频率范围，使得所述频率范围不再落入根据国际标准的闪变干扰的测量范围中。然而，该措施要么与高的投资成本联系在一起要么与生产中断联系在一起。此外，不仅废料的组成和其质量对于用电设备对电网的反作用都具有影响。更确切地说，废料熔化期间的运行方式也具有这种影响。因此，例如废料移动和废料崩塌（Schrotteinstürzen）产生用电设备对电网的扰动。然而很大程度上要靠操作人员对废料移动和废料崩塌进行识别，使得电极的调节能够对该事件仅附加地、即在已经进行废料移动之后以及已经出现用电设备对电网的反作用之后做出反应。

发明内容

因此，本发明基于这种目的，提出一种用于运行电弧炉的方法，借助该方法可行的是，自动地识别废料类型和废料密度、废料移动和废料崩塌，以便预报并且在控制电弧炉的过程变量的情况下能够自动地考虑归因于废料密度和废料移动的闪变的出现。此外，本发明基于下述目的，提出具有根据该方法运行的电弧炉的熔化设备。

关于该方法方面，借助具有权利要求1的特征的方法实现根据本发明的所提出的目的。根据该特征，在用交流电压运行的电弧中，检测在电弧炉的壁上出现的固体声信号，从固体声信号中计算出表征电弧炉的闪变特性的参数K，并且根据所计算的参数K来控制电弧炉的至少一个过程变量。

在此，本发明基于这种经验：在电弧炉之下要么由于熔化的废料的强移动或者由于存在大块的重废料产生大的闪变值或者高的Kst数值。在第一种情况下，新的、冷的废料滑到电极之下并且电弧炉必须根据条件剧烈地且快速地进行后调节。由此，陡然地改变电流和点燃条件。在第二种情况下，电弧不稳定地燃烧并且具有波动的底点。

原则上，尽管从WO2009/095292A1和WO2009/095396A1中已知的是，从电弧炉的壁上的固体声测量中在包括电流和电压变化的情况下能够提取信号，该信号描述电弧炉的壁上的废料运动或废料位移（Schrottverlagerung）和质量变化的特征。然而本发明基于这样的考虑：通过在电弧炉上或者在电弧炉的壁上出现的固体声信号S的专门的评估实现计算参数K，参数适合于预见地检测电弧炉的闪变特性。在此优选地计算用能够与Kst数值相比较的度量值作为参数K。

特别地，固体声信号S经受傅里叶变换，并且在多个频率f中测定固体声信号S的傅里叶变换F的幅度，然后从所述幅度中计算参数K。该方法考虑以下观察情况：在废料位移或者尤其废料崩塌的情况下出现极其低频的和高频的振动，所述振动不取决于电弧炉的通过交流电压运行引起的振动，所述振动为基础频率f₀的整数倍，其在工作频率为50Hz的情况下等于100Hz。此外，本发明显示出这样的经验，同样通过重废料的含量影响电弧的稳定性，使得在废料静止的情况下电弧的不稳定的燃烧可以推断出重废料含量，所述废料含量又是不期望的闪变的原因。相应于此，在方法的一个优选的设计方案中从傅里叶变换F的幅度中在低于基础频率f₀的频率f中测定低频的废料移动的大小B，从傅里叶变换F的幅度中在高于基础频率f₀的且不包括谐波频率的频率f中测定高频振荡的大小E，并且从傅里叶变换F的幅度中在谐波的且位于谐波频率之间的频率f中测定表征重废料含量的大小SSG，从所述大小中计算参数K。

在方法的一个特别优选的设计方案中，参数K借助于下述关系式来测定：

SV＝B*E(1)

其中

$B=\underset{n=n0}{\overset{n1}{\mathrm{\Σ}}}{F}^{-\mathrm{\α}}\left(f_n\right)---\left(2\right)$

并且1≤α≤10

其中f_n1<f₀并且f_n+1-f_n=Δf<<f₀

并且其中

$E=\underset{n=n2}{\overset{n3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}^{\mathrm{\&beta;}}\left(f_n\right)---\left(3\right)$

其中f_n≠m*f₀并且f_n2>f₀、2≤β≤10并且m是自然数，

并且

$\mathrm{SSG}=\left(\underset{k=2}{\overset{k_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}F\left(k{f}_0\right)\right)*\left(\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}F\left(f_n\right)\right)/F^2\left(f_0\right)---\left(4\right)$

其中f_n≠m*f₀并且f_n>f₀，其中k和m是自然数并且f_n是在公式（3）中应用的频率并且适用k_max≤10，

并且参数K借助下式计算

K=a*SV+b*SSG(5)，

其中a和b是实验性地测定的加权因数。

在熔化设备方面，根据本发明的目的通过具有权利要求6的特征的熔化设备来实现。

附图说明

为了进一步阐述本发明，参考在附图中描述的实施例。其示出：

图1示出根据本发明的熔化设备的原理示意图，

图2示出绘制所测量的固体声信号相对于时间的图表，

图3示出绘制固体声信号的傅里叶变换的幅度相对于频率的图表。

具体实施方式

根据图1，根据本发明的熔化设备包括具有例如三个电极4a-c的电弧炉2，电极电连接到供电装置6的炉变压器上。电极4a-c沉入到容纳待熔化的废料7的炉容器8中，在炉容器的壁9上布置有多个固体声接收器10。由固体声接收器10检测的固体声信号S为了进一步处理而传输到控制和评估装置12上。

除了固体声信号S之外，借助于测量值接收器14a-c测量在电极4中流动的电流和/或施加在其上的电压并且将相应的测量信号M传输给控制和评估装置12。在该控制和评估装置中生成控制信号C，借助所述控制信号控制或调节电弧炉2的至少一个过程变量。

在图2的图表中示例地相对于时间t绘制以固体声接收器10测量的固体声信号S，其中原则上由多个固体声接收器10产生的固体声信号S也能够被汇聚成总和信号。现在，借助于傅里叶变换（FFT）从所述固体声信号S中测定频谱，所述频谱在图3中描绘，在所述图3中相对于频率f绘制傅里叶变换F的幅度。在该图3中能够识别出：傅里叶变换F的值（幅度）对于频率f₀、2f₀、3f₀、4f₀和5f₀而言具有显著最大值，所述最大值的大小随着增加的频率下降。该最大值存在于基础频率f₀的谐波频率mf₀中、即相应于所述基础频率f₀的整数倍，所述基础频率为用以驱动电极的电压频率（工作频率）的双倍。在工作频率为50Hz时，谐波频率f₀处于100、200、300、400或500Hz中。

现在，能够从傅里叶变换F中，借助下列关系，从由低频的废料运动的大小B和高频振荡的大小E中形成的乘积计算废料位移SV的大小

SV＝B*E(1)

其中：

$B=\underset{n=n0}{\overset{n1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}^{-\mathrm{\&alpha;}}\left(f_n\right)---\left(2\right)$

其中f_n1<f₀并且f_n+1-f_n=Δf<<f₀

f_n0的适合的数值例如为1Hz。显著低于基础频率f₀的、优选低于工作频率f₀/2之下的值适合作为上限f_n1并且该值在实例中为30Hz，其中傅里叶变换F的-α次方的幅度在频率f_n时加合，所述频率相应于在快速傅里叶变换中典型可实现的频率分辨率分别相差Δf=1Hz。位于参数α适用的是：1≤α≤10，其中α=1证实为是合适的。

$E=\underset{n=n2}{\overset{n3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}^{\mathrm{\&beta;}}\left(f_n\right)---\left(3\right)$

其中f_n≠m*f₀并且f_n2>f₀、2≤β≤10并且m是自然数。

为了计算振荡的大小E，傅里叶变换F的β次幂的幅度在中间频率f_n≠m*f₀时加合，所述中间频率与谐波频率充分地间隔开，使得所述谐波频率不为所应用的幅度做出贡献。

因为电弧由于冷的重废料燃烧不稳定的并且以波动的底点燃烧，所以所产生的固体声谱、即傅里叶变换F具有在较高的谐波频率mf₀中的显著提高的幅度还具有在位于谐波频率mf₀之间的中间频率中的非常多的最大值。重废料含量的大小SSG因此能够有利地通过下式测定。

$\mathrm{SSG}=\left(\underset{k=2}{\overset{k_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}F\left(k{f}_0\right)\right)*\left(\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}F\left(f_n\right)\right)/F^2\left(f_0\right)---\left(4\right)$

其中f_n≠m*f₀并且f_n>f₀，其中k和m是自然数并且fn是在公式（3）中应用的频率的并且适用k_max≤10。

从废料位移的大小SV和废料含量的大小SSG中现在能够借助于加权a和b以下述关系式确定参数K

K=a*SV+b*SSG(5)，

其中实验性地从以该方式计算的数值和实际测量的闪变的关联中确定加权a、b并且调整成，使得以该方式计算的动态参数K能够与Kst数值相比较。因此，能够以该方式在熔化过程期间计算与Kst数值相关联的参数K，所述参数描述当前的废料移动和当前的废料状态。所述计算的参数K不完全相应于根据上述IEC标准的定义的Kst数值，但是正确地描述变化和趋势进而能够优化地用于闪变预测和用于避免闪变的调节的设定。

由于包括另外的数据、尤其是电流和电压变化、壁温度和/或所引入的特定的能量，现在能够建立用于实施过程的更高级别的、完整的调节系统，借助所述调节系统进行状态导向并且能够快速地对在电弧炉中发生的动态变化作出反应。这种控制和调节系统优选作用于炉变压器的电压级、用于电极调节的阻抗或电流额定值、用于燃烧器和喷管的附加电抗和额定预设值。在此，能够应用固定存储的工作图表的数值作为基础，所述工作图表通过调节系统动态地在预设的边界中变化。废料在电弧炉中的熔化过程期间的动态变化的测量与用于对电弧炉进行能量上的过程控制的更高级别的、模块化的、例如基于模糊的调节系统组合，所述调节系统预设燃烧器和喷管系统的电工作点和额定值。这允许以动态状态导向的方式配合到熔化过程中。利用基于语言模糊规则的调节方案和另外的分析计算，另外还借助于负载分布的分析模型能够这样调节熔化过程，使得闪变不能够超过预先规定的边界值。

Claims (6)

1.一种用于运行以交流电压运行的电弧炉(2)的方法，其中检测在所述电弧炉(2)的壁上出现的固体声信号(S)，从所述固体声信号中计算出表征所述电弧炉(2)的闪变特性的参数K，并且根据所计算的所述参数K来控制所述电弧炉(2)的至少一个过程变量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述参数K是能与Kst数值相比较的度量值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中对所述固体声信号(S)进行傅里叶变换，并且其中在多个频率f的情况下测定所述傅里叶变换F的幅度，从所述幅度中计算所述参数K。

4.根据权利要求3所述的方法，其中从所述傅里叶变换F的所述幅度中在低于基础频率f₀的频率的情况下测定低频的废料移动的大小B，从所述傅里叶变换F的所述幅度中在高于所述基础频率f₀的且不包括谐波频率的频率f的情况下测定高频振荡的大小E，并且从所述傅里叶变换F的所述幅度中在谐波的且位于所述谐波频率mf₀之间的频率f的情况下测定表征所述电弧炉的稳定性的大小SSG，从所述大小B、所述大小E以及所述大小SSG中计算所述参数K。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述参数K借助于下面的关系式来测定：

SV＝B*E(1)

其中

$B=\underset{R=n0}{\overset{n1}{\&Sigma;}}{F}^{-\mathrm{\&alpha;}}\left(f_n\right)---\left(2\right)$

其中f_n1<f₀并且f_n+1-f_n＝Δf<<f₀

并且其中

$E=\underset{n=n2}{\overset{n3}{\&Sigma;}}{F}^{\mathrm{\&beta;}}\left(f_n\right)---\left(3\right)$

其中f_n≠m*f₀并且f_n2>f₀、2≤β≤10并且m是自然数，

并且

$SSG=\left(\underset{k=2}{\overset{k_{max}}{\&Sigma;}}F\right({\mathrm{kf}}_0\left)\right)*\left(\underset{n}{\&Sigma;}F\right(f_n\left)\right)/F^2\left(f_0\right)---\left(4\right)$

其中f_n≠m*f₀并且f_n>f₀，其中k和m是自然数并且f_n是在公式(3)

中应用的频率并且适用k_max≤10，

并且所述参数K借助下式计算

K＝a*SV+b*SSG(5)，

其中a和b是实验性地测定的加权因数。

6.一种具有电弧炉(2)的熔化设备，所述电弧炉具有至少一个电极(4a-c)、至少一个布置在所述电弧炉(2)的壁上的固体声接收器(10)、用于评估由至少一个所述固体声接收器(10)接收的固体声信号(S)的控制和评估装置(12)、以及用于执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法的配置在所述熔化设备中的软件。