CN104109732A - 用于控制熔化和炼制过程的方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制用于熔化金属的电弧炉中的熔化和炼制过程的方法和设备，其中电弧炉包括熔融金属和固体金属以及在熔融金属的表面上的炉渣层，其中电磁搅拌器被布置用于搅拌熔融金属。该方法包括：计算/确定熔融金属和固体金属在一个时间点的质量，其中该计算基于熔融金属和固体金属的初始值、向电弧炉供应的电弧功率以及熔融金属和固体金属的温度（100），基于所计算/确定的质量确定搅拌功率（200），并且向电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率（300）。

Description

用于控制熔化和炼制过程的方法和控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制电弧炉中的熔化和炼制过程的方法和控制系统，该电弧炉包括用于熔化金属或者金属合金的一个或者多个电极、以及被布置用于搅拌熔融金属或者金属合金的金属磁搅拌器。具体而言，本发明涉及控制电搅拌器的功率。 

背景技术

电弧炉（EAF）是利用电弧以熔化金属或者金属合金的熔炉。典型EAF包括三个电极、操作地连接到电极的功率供应系统和容器。该容器具有用于耐受高温的耐火衬里。EAF还配备有装配于侧壁上并且被布置用于向熔化物提供化学能的气体燃烧器。通过例如用于向熔炉中注入氧气和碳的标枪的装置提供附加化学能。电极的操作由操作地连接到功率供应系统的控制单元控制。向电极供应的由此产生电弧的功率称为电弧功率。电极在电极与金属材料、即已经被加载到EAF中的固体金属（例如废料）之间形成电弧。金属熔化物由此产生并且由电弧功率和来自氧气注入的化学能加热。电极控制系统在熔化金属材料期间维持近似恒定电流和功率输入。 

熔融金属和熔化物二者意味着液体形式的金属。 

电磁搅拌（EMS）系统可以被布置用于搅拌熔炉中的熔化物。典型EMS系统包括至少一个电磁搅拌器，该电磁搅拌器包括搅拌线圈、操作地连接到搅拌器并且包括频率转换器和变压器的功率供应系统、冷却水站和操作地连接到功率供应系统以控制搅拌器的操作的至少一个控制单元。搅拌线圈通常装配于熔炉的钢壳外部。这一线圈生成行进磁场（travelling magnetic field）以向熔化物提供搅拌力。搅拌器在低频行进磁场操作、穿透熔炉的钢壳并且以与线性电 动机相似的方式移动熔化物。这样，作用于熔炉中的熔化物的行进线性磁场产生线性力。向电磁搅拌器供应的功率称为搅拌功率。 

搅拌功率经常由ad hoc方案确定，该方案主要依赖于在生产地点的操作者的经验。这意味着操作者通过人工接通或者关断搅拌功率来决定搅拌操作,即搅拌的强度/力度。ad hoc方案不仅造成EAF的耐火物磨损而且造成不必要的电能消耗。 

WO2013/010575公开一种用于控制用于熔化金属材料的电弧炉中的熔化过程的方法和控制系统。该方法包括以下步骤：接收或者收集至少一个过程变量的测量数据、确定过程的当前状态、执行熔化过程的优化、基于优化的结果确定过程输入并且借助过程输入控制熔化过程。 

发明内容

本发明的目的是增加生产率并且减少EAF的耐火物磨损和搅拌功率和电弧功率的不必要的电消耗。 

在本发明的第一方面中，提供一种用于控制用于熔化金属的电弧炉中的熔化和炼制过程的方法，其中该方法包括以下步骤：计算/确定熔融金属和固体金属在一个时间点的质量，其中该计算基于熔融金属和固体金属的初始值、向电弧炉供应的电弧功率以及熔融金属和固体金属的温度，基于所计算/确定的质量确定搅拌功率，并且向电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率。 

由于搅拌功率的确定依赖于熔融金属和固体金属的质量以及电弧功率，所以实现最大搅拌效果，这减少了出炉到出炉时间并且提高了生产率。同时，最小化不必要搅拌、因此减少了耐火物磨损。 

根据本发明的一个实施例，该方法包括：基于所计算的熔融金属和固体金属计算函数，基于所计算的函数确定搅拌功率，并且向电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率。 

根据本发明的一个实施例，该方法包括基于电弧功率以及确定的熔融金属和固体金属的质量确定熔融金属和固体金属的温度。 

根据本发明的一个实施例，该方法包括在充分高的采样速率测量熔融金属的温度。备选地，可以连续地测量熔融金属的温度。 

在一个优选实施例中，该方法包括使用微波辐射计来测量来自熔融金属的辐射并且将所测量的辐射转换成熔融金属的温度。 

在另一优选实施例中，该方法包括使用非接触传感器来测量熔融金属的温度。 

在第三优选实施例中，该方法包括测量炉渣层的温度并且将测量的温度校准成熔融金属的温度。 

根据本发明的一个实施例，该方法包括基于所测量的温度确定在炼制过程的出炉温度。 

有利的是提供EAF中的熔融金属的温度的连续在线测量以减少出炉到出炉时间、因此提高生产率。 

在第二方面中，提供一种用于控制用于熔化金属的电弧炉中的熔化过程的控制系统，其中电弧炉包括熔融金属和固体金属以及在熔融金属的表面上的炉渣层，并且电磁搅拌器被布置用于搅拌熔融金属，其中该控制系统包括被配置用于以下操作的控制单元： 

-计算/确定熔融金属和固体金属在一个时间点的质量，其中该计算基于相应的熔融金属和固体金属的初始值、向电弧炉供应的电弧功率以及熔融和固体金属的温度， 

-基于所计算/确定的质量确定搅拌功率，并且 

-向电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率。 

在本发明的一个实施例中，控制单元还被配置用于：基于所计算的熔融金属和固体金属计算函数，基于所计算的函数确定搅拌功率，并且向电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率。 

在本发明的另一实施例中，该控制系统还包括用于测量熔炉中的熔融金属的温度的温度测量设备。 

这样的设备可以是非接触传感器单元或者为模辐射计单元并且包括感测元件和处理单元。感测元件被配置用于用于感测/测量熔融金属的温度并且向处理单元发送所测量的温度，并且处理单元被 配置用于接收所测量的温度、处理所接收的温度并且向控制单元发送处理后的测量的温度。 

附图说明

现在将通过描述本发明的不同实施例并且参照附图更具体地说明本发明。 

图1a示出根据本发明的一个实施例的控制搅拌功率的流程图。 

图1b示出根据本发明的另一实施例的控制搅拌功率的流程图。 

图2图示根据本发明的第三实施例的用于控制向EMS的搅拌功率的控制系统的系统示意图。 

图3图示根据本发明的第四实施例的在向EMS供应的搅拌功率与熔融钢和固体钢的质量之间的关系。 

具体实施方式

图2图示用于控制向电弧炉（EAF）3的电磁搅拌（EMS）系统2的搅拌功率的控制系统1。EAF被布置用于熔化金属材料、例如金属或者金属合金。在熔化过程之前用桶向EAF中加载废料44。EAF可以是DC EAF或者AC EAF。 

EAF还包括一个或者多个电极30、由可伸缩顶盖——一个或者多个石墨电极经过该顶盖进入熔炉——覆盖的容器32和操作地连接到电极30的功率供应系统34。 

EAF操作始于向容器32装载废料金属44，其中熔化开始。降低电极30进入到废料44上并且撞击出电弧、由此开始熔化废料。针对操作的该第一部分选择更低电压以保护熔炉的顶盖和壁以免于来自电弧的过热和损坏。一旦电极已经到达在熔炉的基部的大量的熔化物并且电弧被炉渣遮蔽，可以增加电压并且略微升高电极、由此延长电弧并且增加向熔化物的功率。随着废料44熔化被成熔融金 属40，可以在熔化物40的表面上形成炉渣层42。 

EMS2装配于外表面、优选为EAF容器32的底部上，但是也可以侧面装配它。EMS系统2被布置用于搅拌EAF中的熔融金属、因此加入用于熔化金属的过程。 

EMS2还包括操作地连接到搅拌器的搅拌功率供应系统20。 

控制系统1包括控制单元10，该控制单元操作地连接到搅拌功率供应系统20以控制搅拌器的操作。控制单元10可以包括硬件、存储器单元、向其中加载软件的至少一个处理单元。 

参照图1a和1b，控制单元10被配置用于计算或者确定熔融和固体金属在一个时间点的质量，其中该计算基于熔融和固体金属的初始值、向EAF供应的电弧功率以及熔融和固体金属的温度，步骤100。可以给出如下计算作为示例， 

x₁(t)=g₁(x₀₁，x₀₂，P，T₁) 

x₂(t)=g₂(x₀₂，P，T₂) 

其中x₁(t)，x₂(t)是熔融和固体金属的质量并且可以例如被计算为在熔化过程期间的时间点t的积分；x₀₁，x₀₂是熔融和固体金属的初始值；P是向电极供应的电弧功率，并且T₁，T₂是熔融和固体金属的温度，其中T₁，T₂可以基于电弧功率P以及确定的熔融和固体金属的质量来确定。备选地，它们可以被测量，步骤90。 

控制单元还被配置用于基于熔融和固体金属的所计算/确定的质量确定搅拌功率，步骤200。作为示例，如下，通过所计算/确定的熔融和固体金属的质量的函数完成该确定，步骤150。 

u=f(x₁，x₂，...) 

优选地，在熔融金属少于金属的总数量的某个水平时未向EMS供应搅拌功率。该水平的范围可以在金属的总数量的25-35%之间。这意味着搅拌器在熔融金属尚未达到预定义水平时将不操作。搅拌功率可以在搅拌功率的电压固定时为电流的形式。 

搅拌功率/电流然后在熔化过程期间逐渐增加并且达到完全搅拌功率。由于所确定的搅拌功率是电磁搅拌器的设置点，因而获得 恰当搅拌强度/力度、即引起的熔炉中的搅拌和移动。在炼制过程期间保持完全搅拌功率、因此保持完全搅拌强度。 

作为另一示例，控制单元还可以被配置用于计算在熔融金属与金属的总数量之间的比值。然后基于计算的比值确定搅拌功率，步骤200’， 

其中： 

$u=\left\{\begin{array}{cc}0,& {\mathrm{if}}^{x_1}/(x_1+x_2)<0.3\\ (x_1/(x_1+x_2))u_{\max },& {\mathrm{if}}^{x_1}/(x_1+x_2)|0.3\end{array}\right.$

因此，将向搅拌器供应的搅拌电流在熔融金属超过金属的总数量的30%之后与熔融金属与金属的总数量的比值成比例增加。因此，在EAF中的熔融金属的质量越多，向EMS提供的搅拌电流就会越多。 

向电磁搅拌器提供确定的搅拌电流，步骤300，以控制搅拌强度。具有受控搅拌的其它优点是实现稳定电弧和稳定炉渣层。 

在一些场合，可以通过向EAF加载具有新材料（废料和炉渣）的桶序列来提供EAF的装载。在这样的情况下，控制单元还被配置用于在每次加载之后重新计算固体金属的质量，并且调整固体金属的温度以反映改变并且由此相应地确定搅拌电流。 

控制单元还可以被配置用于计算将在熔炉中注入的碳的当前数量和将向熔炉中注入的氧气的当前流速。由于受控搅拌，通过在氧气注入期间提供新鲜富碳钢来增强来自氧气喷射的性能，并且提高氧气产量。 

控制系统还可以包括温度测量设备10，该温度测量设备用于测量熔炉中的熔融金属的温度T₁。在这样的情况下，向控制单元提供测量的熔融温度T₁。这有助于更准确控制出炉时间。温度测量设备还可以包括感测元件14和处理单元12。感测元件14被配置用于感测或者测量熔融金属的温度。进一步向处理单元12发送感测的温度，该处理单元被配置用于进一步处理测量的温度并且向控制单元 发送处理后的测量的温度。 

由于烟雾和生产地点的恶劣环境，难以连续地获得熔化物的在线测量值。一种用于测量熔化物温度的方式是使用一次性温度探测器。在炼制过程结束时向熔化物中放置探测器。如果未获得充分温度，则放置又一探测器直至获得正确或者足够接近的温度。因此，为了测量熔化物温度，操作者或者机器人可能必须数次放置温度探测器。如果获得的熔化物温度在目标出炉温度以上，则已经浪费大量电弧功率/能量。因此，有利的是可以连续地或者以充分高的采样速率测量熔化物温度以防止熔化物过迟出炉，这意味着具有高采样速率的感测元件是优选的。这使得能够实现及时出炉并且因此提高生产率并且节省大量电弧功率能量。 

在图2的示例中，图示非接触传感器。然而也可以使用微波辐射计。当使用微波辐射计时，测量来自熔化物的辐射。辐射对烟雾和蒸汽敏感度低并且能够穿透光学上的厚材料、比如炉渣层42，因此可以基于辐射反射确定熔化物的温度。 

在又一实施例中，测量炉渣层的温度，进一步校准该温度以便获得熔融金属的温度。电磁搅拌使得有可能使用测量的炉渣温度。首先，这是因为电磁搅拌增加熔化速率，在EAF的容器中的温度与无搅拌比较很同质和均匀，因为如果无搅拌则在熔化物中有大量局部温度变化。第二，由于搅拌器生成使熔化物沿着一个方向移动的线性力，因此更易于在炉渣几乎被推开的地方在炉渣上睁开眼睛，这使温度测量有可能和有意义。 

由于能够提供熔化物的连续在线测量的事实，能够在炼制阶段确定出炉温度，因此可以及时进行出炉，步骤400，这减少出炉到出炉时间并且因而提高生产率。 

图3示出在熔化过程中的熔融和固体金属的并且根据这一熔化过程的在熔化过程时向搅拌器供应的搅拌电流的轨迹。该图示出在熔化过程开始时无搅拌。随着废料熔化、因此在熔化物增加至某个水平之时减少，接通搅拌功率。搅拌电流逐渐增加至完全/最大搅 拌电流，其将在炼制阶段中保持为完全。 

比较而言，该图也示出搅拌电流的ad hoc方案，其中凭操作者的经验不时地接通或者关断搅拌功率。 

应当理解，本发明的范围决不限于呈现的实施例，它应当覆盖本领域技术人员显而易见的其它实施例。 

Claims (13)

1.一种用于控制用于熔化金属的电弧炉中的熔化和炼制过程的方法，其中所述电弧炉包括熔融金属和固体金属以及在所述熔融金属的表面上的炉渣层，其中电磁搅拌器被布置用于搅拌所述熔融金属，所述方法包括：

-计算/确定所述熔融金属和固体金属在一个时间点的质量，其中所述计算基于所述熔融金属和固体金属的初始值、向所述电弧炉供应的电弧功率、以及所述熔融金属和固体金属的温度（100），

-基于所计算/确定的质量确定搅拌功率（200），并且

-向所述电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率（300）。

2.根据权利要求1所述的方法，包括：

-基于在所述时间点的所计算的熔融金属和固体金属计算函数（150），

-基于所计算的函数确定搅拌功率（200’），并且

-向所述电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率（300）。

3.根据权利要求1所述的方法，包括基于所述电弧功率以及确定的熔融金属和固体金属的质量确定熔融金属和固体金属的温度。

4.根据权利要求1所述的方法，包括以充分高的采样速率测量熔融金属的温度。

5.根据权利要求1所述的方法，包括连续地测量熔融金属的温度。

6.根据权利要求4或5所述的方法，包括测量所述炉渣层的温度并且将所测量的温度校准成所述熔融金属的温度。

7.根据权利要求4或5所述的方法，包括使用非接触传感器来测量所述熔融金属的温度。

8.根据权利要求4或5所述的方法，包括使用微波辐射计来测量来自所述熔融金属的辐射并且将所测量的辐射转换成所述熔融金属的温度。

9.根据权利要求4-8所述的方法，包括基于所测量的温度确定在所述炼制过程的出炉温度（400）。

10.一种用于控制用于熔化金属的电弧炉（3）中的熔化过程的控制系统（1），其中所述电弧炉（3）包括熔融金属（40）和固体金属（44）以及在所述熔融金属的表面上的炉渣层（42），并且其中电磁搅拌器被布置用于搅拌所述熔融金属，所述控制系统包括被配置用于执行根据权利要求1-6所述的步骤的控制单元（19）。

11.根据权利要求10所述的控制系统（1），还包括用于测量所述熔炉中的所述熔融金属的温度的温度测量设备。

12.根据权利要求11所述的控制系统（1），其中所述温度测量设备为非接触传感器单元或者微波辐射计单元。

13.根据权利要求11所述的控制系统（1），其中所述温度测量设备包括感测元件（14）和处理单元（12），其中所述感测元件（14）被配置用于感测/测量所述熔融金属（40）的温度并且向所述处理单元（12）发送所测量的温度，并且所述处理单元（12）被配置用于接收所测量的温度、处理所接收的温度并且向所述控制单元（10）发送处理后的测量的温度。