CN106457367B - 确定金属熔体的质量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定适于接收金属熔体的冶金容器(1)中的金属熔体的质量(mload)的方法。在运输车辆(3)加速期间确定装载有未被充注的冶金容器(1)的运输车辆(3)的参数,其中所述参数包括至少一个运输车辆(3)的速度、一个加速度和运输车辆(3)的一个电动机驱动扭矩。此外还在运输车辆(3)加速期间确定装载了充注有金属熔体的冶金容器(1)的运输车辆(3)的参数。借助于所确定的参数以及由运输车辆(3)、冶金容器(1)和金属熔体构成的系统的运动方程,在考虑运输车辆(3)的设计数据的情况下,确定金属熔体的质量(mload)。

Description

确定金属熔体的质量
本发明涉及一种用于确定适于接收金属熔体的冶金容器中的金属熔体的质量的方法。
在例如炼钢厂中生产液态金属熔体时,使用运输车辆(冶金车辆)来移动钢浇包、渣罐、废料筐或铁浇包。为了确定这种容器的载荷的重量,例如,在运输车辆中安装作用力传感器,即所谓的载荷传感器。在该情况下,经由载荷传感器的弯曲,通常是经由应变计的阻力的变化,来记录作用力。
然而,载荷传感器购买价格昂贵。另外,载荷传感器是非常敏感的测量仪器,其由于在热区中使用而反复地被破坏。此外,载荷传感器的维护也是昂贵的,因为必须周期性地校准载荷传感器。校准只在设施处于停顿状态时可行。对于校准而言,有必要具有可用的测试重物,其质量通常在10t到100t之间,并且其在校准(多点式校准)期间相继地施加至测试梁。将所记录的实际值与期望值进行比较,并且校准称量系统。
作为载荷传感器的替代方案,将复杂的称量平台设置或整合到轨道系统中。平台卡车(充注期间在其上放置废料筐或废料槽,然后借助于车辆送至终点)是用于测量重量的另一种可能性。在特定应用中,也可以在起重机上进行称量。
集成这种传感器系统标志着设施操作者的大量设计和财务支出,并且由于设计因素而并非总是可行的。在一些应用中,比如称量转炉中正产生的炉渣时,称量设备因此完全被省略,导致没有测量值或不精确的估算值。然而,质量对于例如过程模型而言是所需的。如果测量值不精确或不可获得,则模型的计算精度较低,或者依赖于操作员的手动输入。这会增加这些模型的误差和不可靠性,导致生产率降低。测量不正确的称量设备例如会导致添加剂未被正确计量。这导致后续处理,例如二次冶金,其必须在短时间内规划,从而导致可观的附加成本和较低的生产率。此外,测量不正确的称量设备可能导致容器被过度充注,从而可能导致液态金属熔体溢出容器。这对于容器周围区域的人员而言是相当大的安全风险。
US 4878551 A公开了用于运输装载金属熔体的冶金容器的运输车以及用于称量冶金容器及其内容物的具有至少一个载荷传感器的称量系统。
US 2013/0238298 A1公开了用于估算列车的多个轨道车辆的独立质量的设备和方法。在该情况下,确定列车的速度以及每个轨道车辆的加速度和牵引力,并使用列车的动力学模型来估算轨道车辆的质量。
WO2006/001741 A1公开了一种实践,其使用卡车的所记录的加速度来推断卡车的质量以及与地面接触的轮子的数量。
本发明所基于的目的是给出一种用于确定适于接收金属熔体的冶金容器中的金属熔体的质量的改进了的方法。
该目的根据本发明得以实现。
还涉及本发明的有利构造。
在根据本发明的用于确定适于接收金属熔体的冶金容器中的金属熔体的质量的方法中,在运输车辆加速期间确定装载有未被充注的冶金容器的运输车辆的参数,所述参数至少包括运输车辆的速度、运输车辆的加速度和运输车辆的电动机驱动扭矩。此外,在运输车辆加速期间确定装载了充注有金属熔体的冶金容器的运输车辆的参数。将所确定的参数传输至过程模型,并借助于过程模型和由运输车辆、冶金容器和金属熔体构成的系统的运动方程,在考虑到与运输车辆有关的设计数据的情况下,确定金属熔体的质量。然后使用与冶金容器有关的几何数据和金属内容物的性能以及金属熔体的所确定质量来确定金属熔体在冶金容器中的充注水平。还使冶金容器的运输适应于充注水平,以便防止金属熔体在运输期间溢出冶金容器。
术语“加速度”在这里以及全文中使用的是其速度变化的物理定义,因此包括增加速度的绝对值的速度变化以及降低速度的绝对值的速度变化。
本发明所使用的事实是,可从运输车辆的运动的速度和加速度以及产生该运动的电动机驱动扭矩,借助于用于该运动的运动方程以及与运输车辆有关的设计数据(其被包括在运动方程中),来确定运输车辆的质量,因为运动方程包含这些变量(质量、速度、加速度、电动机驱动扭矩)并使它们彼此相关。
根据本发明,在运输未被充注的冶金容器以及充注有金属熔体的冶金容器时分别确定速度、加速度和电动机驱动扭矩。从所确定的速度、加速度和电动机驱动扭矩借助于运动方程来分别确定装载有未被充注的冶金容器的运输车辆的质量以及装载有已被充注的冶金容器的运输车辆的质量。从所确定的这些质量之间的差值来确定充注有金属熔体的冶金容器中的金属熔体的质量。
因此本发明使得能够仅从来自运输冶金容器的操作的运动数据和这些运输操作所需的电动机驱动扭矩以及与运输车辆有关的设计数据,来确定冶金容器中的金属熔体的质量。特别而言,有利地不再需要昂贵且复杂的载荷传感器和测试重物或者适于暴露热区的昂贵传感器系统。这还省略了用于限制载荷传感器温度的冷却风扇以及对载荷传感器的校准。本发明的方法还允许在生产期间借助于空运行来实现校准,这不需要任何手动干预或生产停工。总而言之,该方法使得能够以比较简单的、成本有效的并且可靠的方式来确定冶金容器中的金属熔体的质量。
为了确定电动机驱动扭矩,本发明的一个构造涉及测量或从与运输车辆有关的频率转换器数据读取运输车辆的电动机电流和/或电动机电压和/或电动机功率以及运输车辆的电动机速度。
本发明的该构造有利地使用的事实是:可从电动机电流和/或电动机电压以及电动机速度或驱动功率来确定电动机驱动扭矩,并且可从与供应电动机的频率转换器有关的频率转换器数据来收集电动机速度。
本发明的另一构造涉及在运输车辆加速期间反复地确定参数。
反复地确定参数会有利地使得能够降低由永久性校准造成的测量误差,从而提高确定质量的精度。
本发明的另一构造涉及在装载了充注有金属熔体的冶金容器的运输车辆的运动期间确定金属熔体的质量。
作为结果,充注有金属熔体的冶金容器的运输已经能够适应于充注。具体而言,冶金容器的加速度能够适应于充注,从而避免金属熔体的溢出。
本发明的另一构造涉及借助于过程模型和使用最小二乘法或递归最小二乘法的运动方程确定金属熔体的质量。
特别地,这些方法有利地使得能够快速地且准确地确定金属熔体的质量,如以下使用本发明的示例性实施例更详细地说明的那样。
本发明的另一构造涉及确定未被充注的冶金容器的质量和/或确定空载的运输车辆的质量。
具体而言,反复地确定未被充注的冶金容器的质量有会利地允许得出关于冶金容器的磨损程度特别是衬里状态的结论。反复地确定空载运输车辆的质量会有利地允许得出关于运输车辆的脏污程度以及是否需要维护措施的结论。
在该情况下,优选使用识别系统,借此将对于未被充注的冶金容器确定的质量赋予冶金容器。
这有利地使得能够系统地监测所有冶金容器的磨损程度特别是衬里的状态。
此外,优选使用识别系统来监测冶金容器的磨损。
监测冶金容器的磨损特别是衬里的劣化状态有利地使得能够使冶金容器的充注适应于其可充注容积,因为磨损会改变冶金容器的可充注容积。
本发明的其它构造涉及冶金容器呈钢浇包的形式,和/或金属熔体为铁熔体或钢熔体,和/或运输车辆呈轨道车辆的形式,特别是浇包转运车或渣罐转运车。
本发明的这些构造涉及通常使用的冶金容器、金属熔体和运输车辆。
本发明还涉及一种用于执行本发明的方法的计算机程序,其借助于过程模型和由运输车辆、冶金容器和金属熔体构成的系统的运动方程,在考虑到与运输车辆有关的设计数据的情况下,确定金属熔体的质量。
可有利地执行特别是借助于计算机程序来执行最小二乘法或递归最小二乘法。
本发明的上述性能、特征和优点以及实现它们的方式将从以下关联于附图更详细地说明的示例性实施例的描述中变得更清楚以及更容易理解,附图中:
图1示意性地示出了以截面图示出的装载有冶金容器的运输车辆的侧视图,
图2示出了计算装载有冶金容器的运输车辆的质量的结果值轮廓,并且
图3示出了确定冶金容器中的金属熔体的质量的框图。
图1示出了装载有冶金容器1的运输车辆3的侧视图。冶金容器1呈钢浇包的形式,并且以截面图示出。运输车辆3呈轨道车辆的形式即所谓的浇包转运车,并且具有驱动系统,其包括至少一个电动机5、至少一个传动装置7和驱动轮9。运输车辆3还在驱动侧具有车顶11以及可选的轮子13,所述轮子13用于引导电缆拖线。运输车辆3还可选地具有容器识别系统15,并且冶金容器1具有识别元件17,其能被容器识别系统15读取。
根据本发明,在冶金容器1充注有金属熔体和未充注金属熔体的情况下确定装载有冶金容器1的运输车辆3的质量,并由此确定冶金容器1中的金属熔体的质量。
借助于装载有未被充注或已被充注的冶金容器1的运输车辆3的运动方程来相应地确定装载有冶金容器1的运输车辆3的质量。
对于具有正速度的运输车辆3的线性运动而言,例如使用以下简化的运动方程:
[1]
其中,θges表示运输车辆3的所有轮子的质量惯性矩,m0表示装载有未被充注的冶金容器1的运输车辆3的质量,mload表示已被充注的冶金容器1中的金属熔体的质量,R表示各驱动轮9的半径,表示运输车辆3的速度,表示运输车辆3的加速度,dv表示采取了速度的摩擦扭矩,dc表示独立于速度所采取的摩擦扭矩,Mmot表示电动机5的电动机驱动扭矩,i表示传动装置7的传动比,nmot表示电动机5的数量,并且FR表示滚动摩擦。运动方程[1]相应地适用于负速度。
对于低速以及呈轨道车辆形式的运输车辆3而言,可将运动方程[1]中的恒定摩擦力忽略至充分逼近(良好的近似),并且可将运动方程[1]简化为:
[2]
其中,a和b定义如下:
使用简化的运动方程[2],在冶金容器1的未被充注状态和已被充注状态下相应地确定装载有冶金容器1的运输车辆3的质量。为此目的,在冶金容器1的未被充注以及已被充注状态下,在多个测量时间ti处,在运输车辆3的加速运动期间,相应地记录速度的速度测量值、加速度的加速度测量值以及电动机驱动扭矩Mmot的驱动扭矩测量值Mmot,i,其中指标i相应地表示不同的测量时间(i=1,…,n)。由这些记录到的测量值相应地形成以下形式的方程组:
[3]
其中,S、p和y表示由相应地记录的速度测量值和加速度测量值形成的矩阵S、具有分量a和b的未知列向量p以及由相应地记录的驱动扭矩测量值形成的列向量y,其根据如下:
公式[3]被处理为对于p的分量由测量时间ti的多元算子n超定的方程组,并根据p借助于呈以下形式的所谓最小(误差)二乘法来求解:
[4]。
如果运输的是未被充注的冶金容器1,则根据公式[4]由用于p的方案的相应第一分量来确定质量m0的值,如果运输的是已被充注的冶金容器1,则确定质量m0+mload的值。已被充注的冶金容器1中的金属熔体的质量mload的结果值m被确定为这两个确定值之间的差值。
图2示出了基于时间t的确定结果值m的结果值轮廓m(t),其中t1到t6表示分别相继的测量时间,在这些测量时间处记录用于运输充注有金属熔体的冶金容器1的速度测量值、加速度测量值和驱动扭矩测量值。结果值m只在开始记录测量值时围绕已被充注的冶金容器1中的金属熔体的实际质量mload极大地波动,但是随后快速地收敛至该实际质量mload,结果是它在第三测量时间t3之后已经对于实际质量mload实现了充分逼近。结果值m这样快速接近实际质量mload源自以下事实:随着每个新测量时间ti,在计算中包括了更多测量值,并且由于测量值的数量增加,矩阵S中以及列向量y中的输入项的数量也增加,其结果是结果值m快速地接近实际质量mload
代替最小二乘法,也可以使用公知的所谓递归最小二乘法,其中新测量值被用于递归地更新结果值m。与所描述的最小二乘法形成对比,该方法还可在线执行,也就是说,在运输车辆3的加速期间执行。
图3示出了确定冶金容器1中的金属熔体的质量mload的结果值m的框图。
在该情况下,驱动数据19(由其可确定运输车辆3的电动机5的电动机驱动扭矩)被供给至过程模型21,其包含用于计算结果值m特别是速度测量值、加速度测量值以及与运输车辆3有关的设计数据(例如轮子的质量惯性矩和半径以及电动机5的数量)的参数。这些参数和驱动数据19用于使用上述的最小二乘法或递归最小二乘法来计算(23)结果值m。所确定的结果值m作为输出值25输出。可选地,附加地确定图2所示的临时结果值轮廓m(t)并将之作为输出图27输出,并且/或者附加地确定由评估其它测量值得到的结果值m的百分比变化并将之作为变化值29输出。在该情况下,变化值29通过以下方式确定:首先形成相应地存储在过程模型21中的先前确定的结果值m与更新结果值m之间的结果值差值31,然后由该结果值差值31和先前确定的结果值m形成商数33,最后形成商数33与数100的乘积35。
下面通过示例方式来描述上述记录测量值和确定质量的过程。
在记录测量值和确定质量之前,装载有未被充注的冶金容器1的运输车辆3例如处于金属熔体的递送位置。
然后运输车辆3例如经由上级控制系统接收到驱动指令,从而接近接收金属熔体的接收位置。
在运输车辆3的驱动系统执行驱动指令的同时,连续地记录驱动数据19以及速度测量值和加速度测量值。从现有系统,例如从供应运输车辆3的电动机5的频率转换器读取驱动数据19和测量值,并且/或者使用附加传感器来记录测量值,例如运动传感器,其配置在运输车辆3上或者配置在环绕运输车辆3的区域中,并且旨在确定速度测量值和加速度测量值。至少将电动机电流和电动机速度和/或驱动系统的整体记录功率记录为驱动数据19,以便由此确定电动机驱动扭矩。车辆控制器使用上述方法从记录到的测量数据和车辆专属设计数据来计算装载有未被充注的冶金容器1的运输车辆3的质量m0的值。
在到达接收位置之后,为冶金容器1充注金属熔体。在该情况下,如果有必要追踪处于接收位置的运输车辆3(例如为了在从旋转的转炉容器倒出期间将金属熔体接收在冶金容器1的中心),则可已经在那里确定质量。
在冶金容器1已被充注之后,车辆控制器接收指令离开接收位置并驶向递送位置。在装载有已被充注的冶金容器1的运输车辆3的后续加速期间,以与确定装载有未被充注的冶金容器1的运输车辆3的质量m0的值的方法类似地确定其质量m0+mload的值。m0+mload的确定值与m0的确定值之间的差值即为已被充注的冶金容器1中的金属熔体的质量的结果值m。该结果值m可被传输至自动化或数据处理系统,或者可直接经由图形用户界面或显示器向操作者显示。
用于计算未知质量的算法可在车辆控制器中或者在上级自动系统中执行。车辆控制器可配置在运输车辆3之中或配置在运输车辆3之外。
容器识别系统15用于识别和区别冶金容器1。为此目的,每个冶金容器1设置有识别元件17,其唯一地识别它,并且可被容器识别系统15读取。例如,RFID应答器(RFID=射频识别)或QR代码(快速响应代码)用作识别元件17,而相应的读取器用作容器识别系统15。作为结果,每个冶金容器1可被赋予为该冶金容器1确定的质量m0的值。这些容器专属值被传输至上级自动化或数据处理系统,并被其评估。通过知晓或确定空载运输车辆3的质量,冶金容器1的空重可在每次使用它时得到确定,因此能有利地连续追踪和监测该冶金容器1的衬里的状态。
此外,可使用与冶金容器1有关的几何数据和金属内容物的性能以及冶金容器1中的金属熔体的质量mload的所确定出的结果值m,来确定金属熔体在冶金容器1中的充注水平。
尽管借助于优选的示例性实施例特别详细地描述和示出了本发明,但是本发明并不局限于所公开的示例,并且本领域的技术人员可由此推导出其它变型,而不背离本发明的保护范围。
附图标记列表
1:冶金容器
3:运输车辆
5:电动机
7:传动装置
9:驱动轮
11:车顶
13:引导轮
15:容器识别系统
17:识别元件
19:驱动数据
21:过程模型
23:结果计算
25:输出值
27:输出图
29:变化值
31:结果值差值
33:商数
35:乘积
m:结果值
m(t):结果值轮廓
mload:金属熔体的质量
t:时间
t1~t6:测量时间。

Claims (14)

1.一种用于确定适于接收金属熔体的冶金容器(1)中的金属熔体的质量(mload)的方法,
其特征在于以下步骤:
- 在运输车辆(3)加速期间确定装载有未被充注的冶金容器(1)的运输车辆(3)的参数,所述参数至少包括运输车辆(3)的速度、运输车辆(3)的加速度和运输车辆(3)的电动机驱动扭矩,
- 在运输车辆(3)加速期间确定装载了充注有金属熔体的冶金容器(1)的运输车辆(3)的所述参数,
- 将上述参数传输至过程模型(21),并借助于过程模型(21)和由运输车辆(3)、冶金容器(1)和金属熔体构成的系统的运动方程,在考虑到与运输车辆(3)有关的设计数据的情况下,确定金属熔体的质量(mload),
- 使用与冶金容器(1)有关的几何数据和金属内容物的性能以及金属熔体的所确定质量(mload)来确定金属熔体在冶金容器(1)中的充注水平,以及
- 使冶金容器的运输适应于充注水平,从而防止金属熔体在运输期间溢出冶金容器。
2.如权利要求1所述的方法,
其特征在于,为了确定电动机驱动扭矩,而测量或从与运输车辆(3)有关的频率转换器数据读取运输车辆(3)的电动机电流和/或电动机电压和/或电动机功率以及运输车辆(3)的电动机速度。
3.如权利要求1和2中任一项所述的方法,
其特征在于,在运输车辆(3)加速期间反复地确定上述参数。
4.如权利要求1和2中任一项所述的方法,
其特征在于,在装载了充注有金属熔体的冶金容器(1)的运输车辆(3)的运动期间确定金属熔体的质量(mload)。
5.如权利要求1和2中任一项所述的方法,
其特征在于,借助于所述过程模型(21)和使用最小二乘法或递归最小二乘法的运动方程确定金属熔体的质量(mload)。
6.如权利要求1和2中任一项所述的方法,
其特征在于,确定未被充注的冶金容器(1)的质量和/或确定空载的运输车辆(3)的质量。
7.如权利要求6所述的方法,
其特征在于,使用识别系统(15),借此将对于未被充注的冶金容器(1)确定的质量赋予冶金容器(1)。
8.如权利要求7所述的方法,
其特征在于,使用所述识别系统(15)来监测冶金容器(1)的磨损。
9.如权利要求1和2中任一项所述的方法,
其特征在于,冶金容器(1)呈钢浇包的形式。
10.如权利要求1和2中任一项所述的方法,
其特征在于,金属熔体是铁熔体或钢熔体。
11.如权利要求1和2中任一项所述的方法,
其特征在于,运输车辆(3)呈轨道车辆的形式。
12.如权利要求1和2中任一项所述的方法,
其特征在于,运输车辆(3)是浇包转运车或渣罐转运车。
13.一种计算机程序,其使用如前述权利要求中任一项所述的方法,借助于过程模型(21)和由运输车辆(3)、冶金容器(1)和金属熔体构成的系统的运动方程,在考虑到与运输车辆(3)有关的设计数据的情况下,确定金属熔体的质量(mload)。
14.一种计算机程序产品,其具有如权利要求13所述的计算机程序。
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