CN106662404A - 用于确定电弧炉中的金属熔体的温度的系统和方法 - Google Patents

用于确定电弧炉中的金属熔体的温度的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定/预测电弧炉(EAF)中的金属熔体的出炉时间的系统和方法，其中提供至少一个电极以用于熔化金属熔体直至其达到目标出炉温度，其中EAF还包括在金属熔体的表面上的废料和烟雾层，其中提供用于搅拌金属熔体的电磁搅拌器。该方法包括向电极供应功率以将废料熔化成金属熔体(S10)，电磁搅拌EAF中的金属熔体(S20)，从金属熔体的表面吹走废料和烟雾(S30)，非接触地测量金属熔体的温度(S40)，接收所测量的温度(S50)，基于所接收的温度来计算温度曲线(S60)，基于所计算的温度曲线来估计/预测时间点处的出炉温度(S70)，以及基于所估计的温度、目标出炉温度和供应给电极的功率来确定出炉时间(S80)。

Description

用于确定电弧炉中的金属熔体的温度的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于确定电弧炉(EAF)中的金属熔体的出炉时间的系统和方法，其中，金融熔体通过电磁搅拌器来搅拌。
背景技术
典型的EAF-EMS系统包括电弧炉(EAF)和电磁搅拌系统(EMS)。EAF是利用电弧来熔化金属材料的炉。典型的EAF包括一个或多个电极以及可操作地连接到电极的电源系统。EAF还配备有气体燃烧器,气体燃烧器安装在侧壁上并布置成向熔体提供化学能。额外的化学能通过用于将氧和碳注入炉中的装置(例如，喷枪)而被提供。电极的操作由可操作地连接到电源系统的控制单元来控制。供应到电极从而产生电弧的功率被称为电弧功率。电极在电极和金属材料之间形成电弧，即已经装载到EAF中的固体金属(例如废料)。由此，金属材料通过来自氧注入的电弧功率和化学能量被熔化和加热。电极控制系统在金属材料的熔化期间保持大致恒定的电流和功率输入，直至金属熔体的温度达到目标出炉温度，此后金属熔体最终被出炉到精炼炉。在金属熔体的表面上，形成炉渣和烟雾层。
在熔化过程期间，电磁搅拌(EMS)系统被布置成搅拌炉中的金属熔体，并且包括包含搅拌线圈的至少一个电磁搅拌器，电源系统可操作地连接到搅拌器。搅拌线圈通常被安装在炉的钢壳外部。该线圈生成行进磁场以向金属熔体提供搅拌力。搅拌器在低频行进磁场下操作，穿透炉的钢壳并以类似于线性电机的方式移动熔体。因此，线性力通过作用在炉中的熔体上的行进线性磁场产生，并且提供金属熔体的均匀温度。
以目标出炉温度下出炉金属熔体对于能量消耗以及先进的EAF控制是至关重要的。如今，用筒测量电弧炉中的金属熔体的温度，以获得时间点的测量。这种温度测量存在几个缺点。首先，通常需要在EAF出炉前进行几次温度测量试验。这些温度试验可能推迟处理时间并且也增加了可消耗探针的成本。其次，执行这样的测量是操作者的不愉快的任务，因为他在配备有累赘的衣服的同时必须在恶劣的环境中面对高温。
专利申请US2012/140787A1公开了一种方法，包括以喷枪模式操作燃烧器枪单元，其中气流以超音速引导到炉室中。金属熔体的表面由通过含氧气体在一段时间内形成的气流自由吹送。为了能够测量金属熔体的温度，必须将包括氧的第一气体切换为作为惰性气体的第二气体，并且此后使用包括非接触传感器的温度测量单元来测量金属熔体的温度。
发明内容
本发明的目的是实现更精确的出炉温度，并且因此提高生产率并减少不必要的能量消耗。
在本发明的第一方面中，提供了一种用于确定电弧炉(EAF)中的金属熔体的出炉时间的方法，其中提供至少一个电极以用于熔化所述金属熔体的废料，其中所述EAF还包括在所述金属熔体的表面上的炉渣和烟雾层，其中提供用于搅拌所述金属熔体的电磁搅拌器，所述方法包括：
a)向所述电极供应功率以将废料熔化成金属熔体，
b)电磁搅拌所述EAF中的金属熔体，
c)通过气体流从所述金属熔体的表面吹走炉渣和烟雾层，
d)非接触地测量所述金属熔体的温度，
e)接收所测量的温度，
f)基于所接收的温度来计算温度曲线，
g)基于所计算的温度曲线来估计时间点处的出炉温度，以及
h)基于所述估计的温度、目标出炉温度和供应给所述电极的功率来确定出炉时间。
在本发明的一个实施例中，该方法还包括以下步骤：在接收到新的测量温度时重新计算/调整所述温度曲线，基于所重新计算/调整的温度曲线来估计时间点处的出炉温度，以及基于所估计的温度和目标出炉温度以及供应给所述电极的功率来确定出炉时间。
在第二方面，提供了一种用于确定电弧炉中金属熔体的出炉时间的系统，包括提供用于搅拌所述金属熔体的电磁搅拌器、用于提供所述金属熔体的温度测量的温度测量装置和温度控制单元，其中，所述电弧炉包括连接到电源的至少一个电极，其中温度控制单元被配置为基于供应到所述电极的功率来控制所述金属熔体温度，其中所述温度测量设备包括非接触感测单元和连接到所述感测单元的处理单元，其中所述感测单元被配置为感测/测量所述金属熔体的温度并且将所测量的温度发送到所述处理单元，并且所述处理单元被配置为接收所测量的温度并且处理所接收的温度。温度测量设备还包括专用喷枪单元，该专用喷枪单元包括提供用于吹走所述金属熔体的表面上的炉渣和烟雾的惰性气体，其中处理单元进一步被配置为将所处理的测量温度发送到配置为执行权利要求1的步骤e)-h)的所述温度控制单元和所述温度控制单元。
电磁搅拌、非接触感测单元和专用喷枪单元的布置提供了对确定出炉时间的协同效应。首先，电磁搅拌将金属熔体在炉中混合并提高熔化速率。最重要的是，熔体的温度变得均匀，这提供了全面样本并且使得温度的测量是有意义的。由于均匀的熔体温度，测量温度的位置是无关紧要的。其次，专用喷枪单元吹走炉渣和烟雾，并且使得连续测量熔体的温度成为可能。通过连续温度测量，可以更准确地计算金属熔体的温度曲线，这使得能够可靠地预测出炉时间。此外，非接触温度测量改善了操作员的工作环境。
此外，温度控制单元进一步被配置为基于新的温度测量来重新计算温度曲线。因此，实现更准确的温度预测。
优选地，感测单元包括优选地以微波辐射计、红外传感器或光纤传感器的形式的非接触传感器。
在本发明的又一实施例中，专用喷枪单元被布置为连续地或在若干离散时间点测量金属熔体的温度。连续测量温度的优点是使金属熔体能够在更精确的时间点出炉到精炼炉中。因此，减少了出炉到出炉的时间和不必要的能量消耗，并且提高了生产率。
附图说明
现在将通过对本发明的不同实施例的描述并参考附图更详细地解释本发明。
图1a示出了根据本发明的一个实施例的控制出炉温度的流程图。
图1b示出了根据本发明的另一实施例的控制出炉温度的流程图。
图2示出了根据本发明的第三实施例的用于控制EAF中的金属熔体的出炉温度的系统的系统示意图。
图3示出了图1a-1b和图2的实施例的出炉温度估计。
具体实施方式
图2示出了用于确定/预测电弧炉(EAF)20中的金属熔体的出炉时间的系统1，包括具有提供用于搅拌金属熔体的电磁搅拌器的电磁搅拌系统(EMS)30、用于提供金属熔体的温度测量的温度测量设备40、以及用于估计/预测金属熔体的温度的温度控制单元50。
EAF 20被布置用于熔化金属材料，例如金属或金属合金。EAF可以是DC EAF或ACEAF。
EAF 20还包括一个或多个电极22(该示例示出了配备有EAF的三个电极)；覆盖有可伸缩顶部(图2中未示出)的容器24，电极通过该顶部进入炉；以及可操作地连接到电极22的电源系统26，用于向电极供应功率以便将废料熔化成金属熔体，参考图1的步骤S10。
EAF操作开始于装载有废料金属的容器24，其中熔化开始。电极22下降到废料上，并且电弧被撞击从而开始熔化废料。对于该操作的第一部分选择较低的电压，以保护炉顶和炉壁免受过热和来自电弧的损坏。一旦电极22已经到达炉24的基部的重熔体，并且电弧被熔渣屏蔽，电压可以增加，并且电极略微升高，从而延长电弧并增加对熔体的功率。当废料被熔化成金属熔体21时，在熔体21的表面上形成炉渣层23。此外，可以在炉渣层上方形成烟雾层23'。
EMS 30被安装在EAF容器24的外表面，优选地底部上。在步骤S20中，EMS系统30包括布置为搅拌EAF中的金属熔体的至少一个电磁保护器。通过电磁搅拌，容器24中的融化速度加速，并且融化温度变得更均匀。均匀温度对于具有直径最大为8米的大容器的现代EAF来说特别重要，用于减少熔体温度的局部变化。因此，与不搅拌相比，熔体温度的局部变化显著降低，并且因此，熔体的温度是均匀的。
由于生产地点的烟和恶劣的环境，难以测量熔体的温度。测量熔体温度的一种方法是使用可处理的温度探针或筒。在精炼过程结束时将探针或筒投入熔体中。如果没有获得足够的温度，则放置另一探针，直至获得正确或足够接近的温度。因此，为了测量熔体温度，操作者可能必须重复该任务若干次。如果所获得的熔体温度高于目标出炉温度，则已经浪费了大量的电弧功率/能量。因此，有利的是，可以连续地或以足够高的采样速率测量熔体温度，以防止熔体进行后期出炉。
为此，温度测量设备40被布置成测量熔体温度。温度测量设备40包括非接触感测单元42和连接到感测单元42的处理单元44。感测单元42被配置为感测/测量金属熔体的温度，并将所测量的温度发送到处理单元44，步骤S40。虽然处理单元44被配置为接收所测量的温度以处理所接收的温度，并将所处理的测量温度发送到温度控制单元50。温度测量设备40还包括专用喷枪单元46，其可以被安装在EAP的侧壁上。非接触感测单元包括非接触传感器。基本上，任何类型的非接触传感器可以用于测量熔体的温度。在该示例中，使用光纤并且将其安装在金属管内。金属管进一步被安装在喷枪单元内部。这种布置可以测量超过2000℃的高温。为了冷却光学传感器，冷却介质被布置在金属管的外部。
然而，在容器24中的金属熔体的表面上形成的炉渣和烟雾层23'、23防止非接触检测单元42精确测量。喷枪单元46因此被设置和配置为将惰性气体喷射到熔体表面。惰性气体用高压喷射以吹走炉渣和烟雾层23'、23，其钻出贯穿烟雾和炉渣层23'、23的孔，使得光学传感器可以测量具有炉渣和无烟物熔体表面的温度，步骤S30。测量的温度将进一步被发送到处理单元44，其中分析和处理测量的信号，S40。
测量的温度通过光纤被传输到处理单元44，处理单元44可以包括例如光谱仪。光谱被处理分析，并且此后被输入到温度控制单元50，步骤S50。
温度控制单元50设置有EAF熔体温度预测模型，EAF熔体温度预测模型被内置用于计算熔体温度曲线以便估计/预测时间点处的熔体温度，步骤S60和S70。基于处理的温度测量Tm和供应到电极的功率P来计算曲线。存在可用于此目的的许多公知的控制模型。对于本发明，扩展卡尔曼滤波器被应用于出炉时间的估计预测。在接收到新的测量温度时进一步调整温度曲线以实现更精确的温度估计，步骤S60'和S70'。利用调整的温度曲线，可以预测达到预定义的出炉温度的时间，并且因此确定出炉时间，步骤S80。
除了上述优点之外，使用非接触感测单元的其他优点是可以覆盖宽范围的波长，并且可以良好地限定测量区域或点，例如可以为传感器定义多个测量点。此外，还可以感测其他物理性质。
图3示出了基于测量的温度连续调节的温度曲线。基于该曲线，相应地预测出炉温度并且因此预测出炉时间。
温度控制单元50可以包括硬件、存储器单元、加载有软件的至少一个处理单元。
使用非接触传感器能够及时地进行出炉，并且从而提高生产率并节省大量的电弧功率能量。
应当理解，本发明的范围不应限于所给出的实施例，其应当涵盖对于本领域技术人员显而易见的其他实施例。

Claims (6)

1.一种用于确定/预测电弧炉(EAF)中的金属熔体的出炉时间的方法，其中，提供至少一个电极以用于熔化所述金属熔体直至其达到目标出炉温度，其中所述EAF还包括在所述金属熔体的表面上的炉渣和烟雾层，其中提供用于搅拌所述金属熔体的电磁搅拌器，所述方法包括：
a)向所述电极供应功率以将废料熔化成金属熔体(S10)，
b)电磁搅拌所述EAF中的所述金属熔体(S20)，
c)从所述金属熔体的表面吹走所述炉渣和烟雾(S30)，
d)非接触地测量所述金属熔体的温度(S40)，
e)接收所测量的温度(S50)，
f)基于所接收的温度来计算温度曲线(S60)，
g)在时间点处基于所计算的温度曲线来估计/预测出炉温度(S70)，以及
h)基于所述估计的温度、所述目标出炉温度和供应给所述电极的功率来确定出炉时间(S80)。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
i)在接收到新的测量温度时重新计算/调整所述温度曲线(S60')，
j)在时间点处基于所重新计算/调整的温度曲线来估计/预测出炉温度(S70')，以及
k)基于所估计的温度、所述目标出炉温度和供应至所述电极的所述功率以及供应至所述电极的所述功率来确定出炉时间(S80)。
3.一种用于确定/预测电弧炉(20)中金属熔体(21)的出炉时间的系统(1)，所述电弧炉(20)包括提供用于搅拌所述金属熔体的电磁搅拌器(30)、用于提供所述金属熔体的温度测量的温度测量装置(40)和温度控制单元，其中，所述电弧炉(20)包括连接到电源(26，P)的至少一个电极(22)，其中温度控制单元(50)被配置为基于供应到所述电极的所述功率来控制所述金属熔体温度，其中所述温度测量设备(40)包括非接触感测单元(42)和连接到所述感测单元的处理单元(44)，其中所述感测单元(42)被配置为感测/测量所述金属熔体的温度并且将所测量的温度发送到所述处理单元(44)，并且所述处理单元(44)被配置为接收所述所测量的温度并且处理所接收的温度，其特征在于，所述温度测量设备(40)包括专用喷枪(46)单元，所述专用喷枪单元包括提供用于吹走所述金属熔体(21)的表面上的炉渣和烟雾层(23，23')的惰性气体，其中所述处理单元(44)进一步被配置为将所处理的测量温度发送到所述温度控制单元(50)，并且所述温度控制单元(50)配置为执行权利要求1所述的步骤e)-h)。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述温度控制单元(50)进一步被配置为基于新的温度测量来重新计算所述温度曲线。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述感测单元(42)包括以微波辐射计、红外传感器或光纤传感器形式的非接触传感器。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述温度测量设备(40)被布置为连续地或在离散时间点测量所述金属熔体的温度。
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