CN103906849B - 用于运行电弧炉的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种用于运行具有至少一个电极的电弧炉的方法中，熔料在电弧炉中借助由至少一个电极所产生的等离子体电弧(2)熔化。在提高电弧炉的效率和功率方面，对等离子体电弧(2)进行调节，即在等离子体内加入一种或多种影响等离子体的成分的添加剂(ZS1，ZS2)。

Description

用于运行电弧炉的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行电弧炉的方法，特别是电气电弧炉，具有至少一个电极，其中熔料在电弧炉中借助由至少一个电极所产生的等离子体电弧熔化。这里可以将熔料理解为将要被熔化的固体、液态金属和/或炉渣。本申请此外涉及了一种用于电弧炉的信号处理装置、一种用于电弧炉的信号处理装置的机器可读的程序编码及一种带有在其上存储的机器可读的程序编码的存储介质。最后本申请涉及一种电弧炉，尤其是电气电弧炉，其具有此类的信号处理装置。
背景技术
电弧炉用于生产液态金属，一般来说是钢。液态金属是由一种固态熔料，例如废料或还原铁，及其他添加料生产而得。在过程开始时向电弧炉内提供废料和/或还原铁，接着点燃电弧炉的电极与熔料之间的等离子体电弧。通过电弧炉内等离子体电弧产生的能量可以将剩余的熔料熔化。这类电弧炉在公开文献DE0122910A1，DE4130397A1和EP0292469A1中被描述。
电弧炉的电气接电功率不断地提高。80年代其极值还只有100MVA，目前新的熔炉系统的典型功率的量级位于150MVA。个别的电弧炉在工作时的接电功率已经高于200MVA。原则上高接电功率是具有吸引力的，因为其可以在较低的专门人力和投资成本的情况下实现较高的生产率。
高熔化功率伴随高电弧电流并特别地伴随高电弧电压。附属的长以及大功率的电弧对于过程控制来说是极高的挑战。在每个时间点电弧必须以足够的废料或泡沫炉渣包住，以实现将能量有效地输入并避免对炉管的损伤。相应地当废料熔化时或泡沫炉渣塌落时会迅速地以电弧长度及因此熔化功率明显减小做出响应。特别地，如对于抗锈生产来说，由于不存在泡沫炉渣，仅在在熔浴(fluessig Bad)时在降低了的电弧功率情况下进行工作。
由于所产生的长的电弧通过升高电压而进一步调高三相交流和直流电弧的功率几乎是不可能实现的。高输送损失、对生产装置，例如电极的较高限制，阻止功率经由电流而升高。
当废料熔化时由于废料的运动及由于电弧内变化的等离子体条件，会导致强烈的电流震荡。这种电流震荡会引起供电网络干扰，该干扰可以由所谓的闪变值(Flickerwert)所描述。当给定电网短路功率时闪变值随着熔炉功率的增加而成比例增加。
迄今为止上述困难以不同方式出现。举例来说，熔化功率自动与当前过程条件相匹配，在最简单的情况下这可以通过以热学为基础的功率调控所实现，如在Dorndorf,M.,Wichert,W.,Schubert,M.,Kempken,J.,Krüger,K.在杜塞尔多夫的冶金工艺技术的第三届国际钢铁会议上公开的文献：“电弧炉的量和材料流的整体控制(Holistic Control of EAF’s Energy andMaterial Flows.3rd International Steel Conference on New Developments inMetallurgical Process Technologies,Düsseldorf,11.-15.06.2007,S.513-520)”中所描述的。
近来也可以通过以结构噪声为基础的功率调节使熔化功率与当前的过程条件相匹配，参见Dittmer,B.,Krüger,K.,Rieger,D.,Matschullat,T.,A.在2010年匹兹堡的铁&钢铁技术会议上公开的文献：“通过结构声的交流电弧炉的不对称功率控制(Asymmetrical Power Control ofAC-EAFs by Structure-Borne Sound Evaluation,Iron&Steel TechnologyConference2010,Pittsburgh,03.-06.05.2010,S.937-946)”。
原则上利用此调节功能可以避免炉管的过度损耗，因此也必须考虑会具有部分地明显降低熔化功率的产品部段。此外，可以实现注入细碳进而对泡沫炉渣的形成进行自动化调节，参见Homeyer,K.出版2002年在汉堡大学的博士毕业论文“用于在电弧炉中形成泡沫炉渣的自动化的碳输入(Automatisierung der Kohlezugabe zur Schaumschlackenbildung imLichtbogenofen,Dr.-Ing.Dissertation,der Bundeswehr Hamburg(2002))”，该文章2001年发表在杜塞尔多夫的“VDI研究报告”的第8行(VDI-Forschungsberichte,Reihe8,no.862,VDI-Verlag,Düsseldorf2001)以及Matschullat,T.,Wichert,W.,Rieger,D.的“多维形式的泡沫炉渣-具有碳控制的新探测方法(Foaming Slag in More Dimensions-A New DetectionMethod with Carbon Control,AISTech2007,Indianapolis07.-10.Mai2007)”。
最后列举以下所作努力,即在抗锈生产中也可以生成如泡沫炉渣，见Reichel,J.,Rose,L.,Cotchen,J.K.,Damazio,M.A.,Loss,H.B.,Pinto E.M.在2010年匹兹堡的铁&钢铁技术会议上公开的文献“在不锈钢生产中的电弧炉泡沫炉渣：工业实验和进一步发展(EAF Foamy Slag in Stainless SteelProduction:Industrial Experiences and Further Development,Iron&SteelTechnology Conference2010,Pittsburgh,03.-06.05.2010,S.793-799)”。
顺利地形成泡沫炉渣，这本身是无法保证的，原则上即使在熔浴阶段也可以实现高功率的熔化过程。在较高功率下的电弧炉中为了限制闪变值，在弱电网的情况下，需要安装一种无功功率补偿系统。然而具有这种系统最多能减少5倍的闪变值。
发明内容
本发明基于以下目的，即实现提高电弧炉的效率和功率。依据本发明，上述目的由一种用于运行电弧炉的方法实现，该电弧炉具有至少一个电极，其中熔料在电弧炉中借助至少一个电极所产生的等离子体电弧熔化，并且对等离子体电弧进行调节，即在等离子体内加入一种添加剂，这些添加剂可以影响等离子体的成分。同时为了降低等离子体电弧的场强度，在等离子体中加入至少一种具有较低电离能的添加剂，尤其是一种金属或金属盐，并且为了提高等离子体电弧的场强度，在等离子体内加入至少一种具有较高电离能的添加剂，尤其是惰性气体。
在这里可以将等离子体的成分理解为等离子体气压。因而等离子体特性与等离子体的成分相关。
迄今为止以此为出发点，即电弧等离子体的成分是由过程预先给定的。同时当前的等离子体成分确定了电弧的稳定性和易燃性。因而对闪变特性具有显著的影响。
本发明以下述想法为基础，即将各种添加剂，尤其是气体，也可以是固体-凝胶或灰尘，可控地加入到电弧等离子体，以实现有针对性地调节等离子体电弧的特性及对当前过程需求的动态调节。特别地，所述添加剂被直接供给到等离子体并对等离子体产生直接作用及改变其物理和/或化学特性，例如其电离特性、重组时间、传导率和/或场强度。可以通过加入到等离子体内的添加剂的类型也可以通过其比例对等离子体的性能进行有针对性地调控。等离子体的成分及等离子体电弧特性的影响既可以应用在直流电弧也可以应用在三相交流电弧中。同样对等离子体电弧的传导率的调节也可以用于坩埚炉。对于特殊熔炼系统，如电还原炉(英语：Submerged Arc Frunace埋弧电炉)，也可以实现对等离子体电弧的传导率及场强度的有针对性地调节。
以恒定的电弧电流为出发点，可以通过相应的调节方法对其进行调整。电弧功率与电弧长度、电弧的场强度及电弧电流的乘积成比例。当电弧电流恒定时，可以因此改变场强度或电弧长度，以达到所期望的功率。通过改变等离子体气压有限制地对场强度进行调整。
对等离子体有针对性改变而产生的等离子体电弧的熔化功率升高，等同于等离子体特性对当前等离子体条件平稳的匹配，由此可以实现具有更高且更有效率功率产出的平稳电弧。
为了降低等离子体电弧的场强度(或提高传导率)，在等离子体中加入具有较低电离能的添加剂，尤其是一种金属或金属盐。为了提高传导性及延长电弧等离子体中载流子的重组时间合适的是，如锂、钠和铝金属或相应的盐。在开始生产时和在废料熔化时以及通常在不稳定熔化过程中，应对等离子体做如下改变，即其能够容易的电离、被缓慢重组并且具有高传导率及低场强。具有较高传导率及较低场强度的等离子体主要是在废料熔化时，也就是说当电弧炉内的固体份额较高时具有优势。通过加入添加剂可以使电弧变稳定并且闪变值变小。同时存在废料大体积的熔化。
为了提高等离子体电弧的场强度(或降低传导率)，则在等离子体内加入具有较高电离能的添加剂，尤其是惰性气体。特别地，在运行在熔浴的情况下，将等离子体做如下改变，即使之具有较低的传导率及较高的场强度。这可以通过如加入氦气或氩气实现。作为替代地，氢气或含氢气体，如丙烷、氮气及氧气或一氧化碳或二氧化碳也适用于该应用。所形成的短电弧意味着对炉壁有较小的辐射负荷。即使在废料水平面较低的情况下也可以获得高功率。也可以避免各级变频器之间的频繁切换。
在这里可以将具有高电离能的添加剂理解为这样一种添加剂，即其电离能高于10eV，特别是高于15eV。这里包括稀有气体及含氢气体，例如丙烷。此外将具有较低电离能的添加剂理解为这样一种添加剂，即其电离能低于10eV，特别是低于8eV。具有较低电离能的添加剂为，例如碱金属和铝及其金属盐。
优选地是确定熔化过程的过程状态，尤其是实际的过程状态，并且根据过程状态对等离子体电弧的场强度(或传导率)进行调节。在这里可以将过程状态理解为熔化过程的实际过程状态。熔化过程包括各种发展阶段，在这些发展阶段中电弧炉内固体与熔浴的比例彼此不同，因此对电弧的要求同样也各不相同。因而确定熔化过程的实际过程状态是优化调节电弧特性的前提，并因而也是提高电弧炉的效率和/或功率的前提。举例来说通过所输入的能量可以探测到当前的过程状态。为了更确切的描述熔化过程可以将电弧炉的热状态、电流和电压的时间变化及噪声或固体噪声信号考虑进来。
除了通过所加入添加剂的类型也可以通过至少一种添加剂的剂量对等离子体条件及特性进行调节。所加入的至少一种添加剂的所需剂量主要由电弧体积决定，因此该剂量与电弧功率成比例。因而优选地，所量取的加入的添加剂的剂量位于每兆瓦电弧功率0.1至50m3/h的范围内，特别是位于每兆瓦电弧功率5至10m3/h的范围内。有效的是通过系统的预压力pabs实现间接控制。
根据一个优选的实施方案，添加剂为气态或以凝胶形式存在，并且通过调节气体压力来量取添加剂。特别地，对气流的调节以测定过程状态为基础，例如当炉管的温度负荷过高时采取相应的方法对等离子体电弧进行调节。附加地或作为替代地可以通过电弧炉的工作曲线来调节气流，该工作曲线以经验值为基础。
优选地是将至少一个电极设计为中空电极并经由该电极输送至少一种添加剂。当气体输送装置被集成在石墨电极上时，这将带来积极的副作用，即被加入的气体可以将电极冷却且在如有可能将其包住住，这可以减少电极在工作时的电极烧损。对于石墨电极，可以根据所输送的添加剂的不同而发生改良反应，由于该反应消耗能量同样可以对电极进行冷却。
作为对中空电极的替代地或附加地，可以优选地通过注入器将添加剂经由炉壁或炉盖输送进电弧炉或通过位于电弧炉底部的透气砖注入添加剂。位于炉壁、炉盖或炉底的独立的输送装置或注入器尽可能近地向电极延伸并因而尽可能近地向等离子体延伸，因此添加剂被直接加入进等离子体内。
根据本发明所述目的此外由电弧炉的信号处理装置所实现，其具有机器可读的程序编码，该程序编码包括控制指令，这些控制指令使信号处理装置去执行根据上述方案之一的方法。根据本发明所述目的此外由电弧炉的信号处理装置的机器可读程序编码实现，其中，该程序编码包括控制指令，这些控制指令使信号处理装置去执行根据上述方案之一的方法。根据本发明所述目的也由带有在其上存储的机器可读的程序编码的存储介质实现。
最后，根据本发明所述目的由电弧炉所实现，尤其是电气电弧炉，该电弧炉具有至少一个电极以借助由该至少一个电极所产生的等离子体电弧来熔化熔料并且具有上述信号处理装置。所述电极优选地被设计为用于输送添加剂的中空电极。此外优选地将添加剂的注入器布置在电弧炉的炉壁或炉盖或将添加剂的输送透气砖设置在电弧炉的底部。
在废料熔化时等离子体传导率的提高和重组过程的减缓会导致显著稳定并具有极低的电流震荡和闪变值的电弧，并导致正弦形式的电流变化。同样稳定的电弧对电极损耗起到积极的作用。
附图说明
借助附图对本发明的实施例做进一步阐述。这里示意了：
图1为常规电弧炉的运行方式，
图2为具有等离子体气压调节的电弧炉的优化运行方法，以及
图3为影响等离子体成分的添加剂的注入控制的方框图。
具体实施方式
图1和图2分别示意了常规电弧炉(图1)运行时变压器级TS、有效功率WL[MW]及电弧长度L[cm]在时间t[min]上的变化曲线及具有通过添加剂实现等离子体调节的电弧炉(图2)运行时变压器级TS、有效功率WL[MW]及电弧长度L[cm]在时间t[min]上的变化曲线。
在两种工作方式下，向每个，这里未被示出的电弧炉内添加一篮固体熔料并开始生产。点燃电弧需要大概3分钟。在接下来的原料熔化过程中，由于原料的运动及基点的迁移，电弧的燃烧变得相对不稳定。因此根据图2将具有较高电离能的添加剂如惰性气体、氢气或甲烷输送给电弧等离子体，由此等离子体的传导率被提高且其场强度被降低。同时电弧的长度可达到70厘米，也就是说，该电弧比图1所示的常规电弧炉中的电弧长度长了大约20厘米。被延长了的等离子体电弧所熔化的固体废料比图1所示的电弧的体积更大。因此存在一种更有效的熔化过程，该熔化过程具有较小的能量需求。此外调整电弧的传导率的优点为，电流震荡且尤其是闪变值明显减少。此外，通过预先给定适当的等离子体气压可以得到正弦形式的电弧电流和电压变化曲线。电流-畸变因子或电流-谐波则明显减小。相应地滤波电路可能中断或供电网络的载荷变小。
大约在熔化过程开始15分钟后，第二篮废料被输送至各电弧中。为熔化第二篮废料，电弧同样被延长。
大约从第24分钟起第二篮内的固体也开始被熔化。因此此时放射至炉壁的辐射则不会太多，通过向等离子体电弧中输送一种易电离的金属或金属盐，如铝、钙或钾，则图2所示传导率被调至较低并且电弧长度L被调至更短。同时辐射负荷可以降低2/3或在同等辐射负荷情况下熔化功率被提高50％。此外通过对等离子体的调节可以避免变压器级间的多次切换，如从图1和2中在第24与第37分钟之间的对比中得出。此外对两图的对比明显得出，在具有等离子体传导率调节功能的优化运行模式下熔化过程比常规运行模式下的电弧炉更短。
图3示意了未进一步示出的电弧炉在优化运行模式下等离子体成分的连续调节的方框图。调节功能以确定电弧炉内的过程状态为基础，其中根据过程状态来对等离子体的特性，尤其是其场强度，进行调节。
电气工作点4作为电弧炉内所产生的等离子体电弧2的输入值，该工作点是由电弧炉的功率控制装置预定的。此外感兴趣的是，电弧长度L中有多大比重Δ未被泡沫炉渣或废料颗粒所屏蔽。这里泡沫炉渣的高度由H表示。由于比重Δ会导致热负荷升高，这里可以将炉管的冷却水温度T作为标度。测定的温度T与输送到原料内的特定的能量Esp一起被输送给信号处理装置8。
在测定电弧炉的热状态的同时对固定噪声或电流进行测量，这些直接提供了如下信息，即电弧被包住的程度及电弧燃烧的稳定程度。上述测量的测量信号10，12同样被输送给控制或调节单元8。依据输入信息可以借助信号处理装置8计算出添加剂ZS1，ZS2的剂量和类型，这些添加剂被加入到电弧2内。同时所述添加剂ZS1，ZS2的剂量与电弧炉的功率成比例。特别地，气态的添加剂ZS1，ZS2在气体压力作用下被输送至添加剂ZS1，ZS2的导管内。特别地，添加剂ZS1，ZS2的输送通过电弧炉的中空电极实现，作为替代地可以将输送装置或注入器设置在电弧炉的壁、盖或底部。
当通过添加剂ZS1，ZS2对等离子体成分进行调节时，一般地在废料熔化时，尤其是在熔化过程开始时，要求等离子体具有较高的传导率，因此将具有较低电离能的添加剂ZS1输送给等离子体，并且在电弧炉内大部分为熔浴时，尤其是在熔化过程末期，通过将具有较高电离能的添加剂ZS2输送至电弧内，可将等离子体的传导率调整至更低。

Claims (23)

1.一种用于运行具有至少一个电极的电弧炉的方法，其中熔料在所述电弧炉中借助由至少一个所述电极所产生的等离子体电弧(2)熔化，其特征在于，对所述等离子体电弧(2)进行调节，即在等离子体内加入一种或多种影响等离子体成分的添加剂(ZS1，ZS2)，其中为了降低所述等离子体电弧(2)的场强度，在所述等离子体中加入至少一种具有低于10eV电离能的添加剂(ZS1)，并且为了提高所述等离子体电弧(2)的所述场强度，在所述等离子体内加入至少一种高于10eV电离能的添加剂(ZS2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有第一电离能的添加剂(ZS1)是金属或金属盐。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有第二电离能的添加剂(ZS2)是惰性气体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，确定熔化过程的过程状态并且根据所述过程状态调节所述等离子体电弧的场强度。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所量取的加入的所述添加剂(ZS1，ZS2)的剂量处于每兆瓦电弧功率0.1至50m3/h的范围内。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所量取的加入的所述添加剂(ZS1，ZS2)的剂量处于每兆瓦电弧功率5至10m3/h的范围内。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所量取的加入的所述添加剂(ZS1，ZS2)的剂量处于每兆瓦电弧功率0.1至50m3/h的范围内。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所量取的加入的所述添加剂的所述剂量通过预压力(pabs)来调节。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所量取的加入的所述添加剂的所述剂量通过预压力(pabs)来调节。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂(ZS1，ZS2)为气态或凝胶并且通过对气体压力的调节来对所述添加剂进行量取。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述添加剂(ZS1，ZS2)为气态或凝胶并且通过对气体压力的调节来对所述添加剂进行量取。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，至少一个所述电极设计为中空电极并且经由所述电极来输送所述添加剂(ZS1，ZS2)。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，至少一个所述电极设计为中空电极并且经由所述电极来输送所述添加剂(ZS1，ZS2)。
14.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂(ZS1，ZS2)通过注入器经由炉壁或炉盖注入到所述电弧炉。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述添加剂(ZS1，ZS2)通过注入器经由炉壁或炉盖注入到所述电弧炉。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述添加剂(ZS1，ZS2)通过在所述电弧炉的底部的透气砖来注入。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述添加剂(ZS1，ZS2)通过在所述电弧炉的底部的透气砖来注入。
18.一种用于电弧炉的信号处理装置(8)，所述信号处理装置(8)执行根据权利要求1至17中任一项所述的方法，对所述等离子体电弧(2)进行调节，即在等离子体内加入一种或多种影响等离子体成分的添加剂(ZS1，ZS2)，其中为了降低所述等离子体电弧(2)的场强度，在所述等离子体中加入至少一种具有低于10eV电离能的添加剂(ZS1)，并且为了提高所述等离子体电弧(2)的所述场强度，在所述等离子体内加入至少一种高于10eV电离能的添加剂(ZS2)，所述信号处理装置(8)依据电弧被包住的程度及电弧燃烧的稳定程度计算出所述添加剂的剂量和类型。
19.一种电弧炉，具有至少一个电极以借助至少一个所述电极所产生的等离子体电弧(2)来熔化熔料并且所述电弧炉，其特征在于，所述电弧炉具有根据权利要求18所述的信号处理装置(8)，并且所述电弧炉根据权利要求1-16中任一项所述的方法借助于所述信号处理装置(8)来运行。
20.根据权利要求19所述的电弧炉，其特征在于，所述电极被设计为中空电极以用于输送所述添加剂(ZS1，ZS2)。
21.根据权利要求19或20所述的电弧炉，其特征在于，用于所述添加剂(ZS1，ZS2)的注入器设置在炉壁或炉盖处。
22.根据权利要求19或20所述的电弧炉，其特征在于，用于注入所述添加剂(ZS1，ZS2)的透气砖设置在所述电弧炉的底部。
23.根据权利要求21所述的电弧炉，其特征在于，用于注入所述添加剂(ZS1，ZS2)的透气砖设置在所述电弧炉的底部。
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