CN112956281B - 用于运行电弧炉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行具有至少一个电极104的电弧炉00的方法，该方法具有以下步骤：将待熔化的材料以实际质量流量的形式输入到所述电弧炉中，并且经由所述至少一个电极将电能输入到所述电弧炉中，以便按照事先求取的所需的电能输入熔化所输入的材料。为了相对于这种已知的方法提高在电弧炉运行时的产量和能量效率，本发明建议，根据输入到炉中的质量流量来求取输入到所述电弧炉中的所需的电能输入。

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、尤其是电还原炉的方法。电弧炉、尤其是电还原炉用于在具有部分可自由燃烧的电弧的开放或封闭的炉容器中熔化和还原输入材料，例如像FeCr、TiO2、FeNi、DRI等等(开放浴工艺)。

背景技术

图5示出了由现有技术已知的用于运行电弧炉100的方法。

在断路开关(208)和功率开关(207)闭合之后，电能(W_elektr.)由供电轨(201)通过至少一个电极(104)输送给电弧炉(100)。至少一个炉变压器(202)用于将初级侧的电网电压降低到对于炉运行所需的次级电压上。分级开关(203)在此可以分级地设定次级电压。优选地，设置有至少一个连接在供电轨和电极之间的功率电子的变流器(204)，该功率电子变流器能够在有利的实施方案中无级地设定电压(205)。

在此，变流器(204)以交流电调节器或整流器的形式处于炉变压器的次级侧上还是以交流电调节器或可变的扼流线圈的形式处于炉变压器(202)的初级侧上是无关紧要的。电极(104)的布置和数量也无关紧要。然而，通常但不是强制地，在直流炉中，一个或两个电极用作阴极，或者在三相炉中使用3或6个电极。借助于电极位置调节(105)能够垂直地调节电极的高度，由此可以影响电弧长度并因此影响电弧电阻。根据欧姆定律，在施加电压时流过电流，该电流由炉系统的电抗和熔池电阻限制。电压和电流可以借助每个电极的电压测量(205)和电流测量(206)来测量。每个电极(104)在炉容器(101)中引入的功率由以下关系式得出。

P＝R＊|² (1)

通过材料输送设备(302)将材料从至少一个上游的炉仓(301)输送给炉容器(101)。量以及由此质量流量qm可以借助于重量检测装置(303)来测量或者说确定。

通过输入的电能使材料熔化，该电能在炉容器内转化成热能。液态金属(103)和液态炉渣(102)在炉容器(101)内聚集。按照周期性的间隔，热金属和热炉渣可以通过为此所设置的金属和炉渣排放孔(106、107)从炉容器中排出。

对于炉容器(101)内的能量和质量平衡(404)来说较小的不精确性已经导致在制造过程中的不稳定性，并且炉渣(102)和金属(103)的温度与理想的额定温度偏离。

如果引入的能量相对于引入的材料量太小，则引入的材料没有被最佳地熔化；处于炉容器(101)中的金属(103)和炉渣(102)冷却。在这种情况下，炉电阻(电熔池电阻+电弧电阻)也变得更不稳定。相应地，电功率输入和电能输入(W_elektr.)波动。存储在炉容器(101)中的能量W_g降低。

甚至更糟糕的是，引入的能量与引入的材料量相比过大。存储在炉容器(101)中的能量W_g，以及炉渣温度和金属温度相对快速地上升，能量效率下降，并且可能导致炉容器(101)的损坏。作为对策，必须减少或者甚至中断功率引入。与相对快速上升的炉渣温度和金属温度相反，可能要花费数天才能再次达到额定温度。结果，产量下降。

图6示出了直流电弧炉的已知的功率测量、已知的电压测量(206)和电流测量(205)的示例性的时间变化曲线。在时间点t₁，在材料输送中存在变化，该变化直接导致功率引入中的不稳定性(时间点t₁至t₂)。在极少数情况下，这些不规则性甚至可以由操作者识别，这些不规则性通常仅在通过有经验的冶金学家进行大量分析之后才变得明显。

现代的设备在此越来越大并且功率越来越强，以便提高这些设施运行时的经济性。随着设备变得越来越大，越来越重要的是了解能量平衡和材料平衡，并且尤其是能够尽可能精确地控制引入的材料量与引入的能量之比，以及能够对材料参数或过程值的偏差作出反应。校正措施难以执行并且需要关于冶金炉过程的更好的控制可能性和在操作和观察时的简化。

目前，电弧炉以不同的实施方案并且以用于功率调节或材料输入的不同控制来制造和运行。

在大多数已知的交流电运行的或直流电运行的电弧炉中，电能从交流电供应线路借助高度可调的电极被引入炉中。电能在此以电弧和电阻加热(焦耳效应)的形式转换成热能，该热能加热引入的材料。

欧洲专利申请文献EP 2 910 085描述了一种用于过程引导地对电弧炉进行功率调节的装置和方法。该装置包括用于根据时间检测当前的运行参数的多个传感器类型(热的、固体声、辐射)、控制和调节单元以及至少一个具有至少一个有载分级开关的炉变压器，该有载分级开关在初级侧接通炉变压器的初级侧的绕组抽头。

国际申请文献WO 2007/048502 A1涉及一种用于具有电极的交流还原炉的控制装置，该控制装置具有变压器和用于向交流还原炉中的受控的能量输入的调节系统，其中，所述控制装置还具有可控的功率电子的交流电流开关，所述交流电流开关在次级侧被连接到高电流导体中。控制装置被构造为使得电参数的短波动仅通过交流开关来补偿。

欧洲专利授权文献EP 1 360 876B1描述了一种用于交流运行的电弧炉的功率控制系统，所述功率控制系统包括可变无功阻抗和用于触发可变无功阻抗的变化的可变的反应器控制装置，其特征在于，所述可变反应器控制装置适于监控所述电极的阻抗，并且根据所监控的所述电极的阻抗的变化，触发所述电抗可变无功电阻的变化，以便减少在所述电极中引入有功功率的波动。

欧洲专利授权文献EP 1985 952 B2描述了一种用于控制进入到电弧炉中的金属输送的方法，其中，确定所述电弧被炉渣覆盖的覆盖指数。金属输送的速度被提高、维持或降低。

由现有技术例如可选地或以补充的组合已知用于控制进入到电弧炉中的功率输入的以下电部件：

-具有集成的分级开关的炉变压器，通过所述分级开关能够分级地设定能量输入；

-次级侧的功率电子交流开关或可控的整流器，通过该功率电子交流开关或可控的整流器能够实现充分的无级的线路调节；

-可变的扼流线圈，扼流线圈借助并联连接的晶闸管开关能够改变电抗并且因此稳定向炉中的功率输入。

通过电极的高度位置调节，也可以对电的和冶金的参数，如电弧长度、电弧阻抗或辐射能量产生影响。

此外，由现有技术已知用于引入材料输入的机械设备以及用于材料输入的控制装置。

材料的引入例如可以经由废料篮或经由装料设备逐批进行，或经由输送设备连续进行。在此，材料输入的控制众所周知地手动地通过操作者、根据在炉中的填充水平或根据电弧被炉渣覆盖的“覆盖指数”或简单地仅根据时间、通过由操作者预先确定额定值来实现。

即使在已知的系统中存在用于将电能输入炉中的连续的材料输送设备和功率电子设备、如交流开关或可控的整流器(在炉变压器的初级侧或次级侧)，在已知的装置和方法中也存在如下问题，即，不能充分地对输送系统中的干扰或对与相应的额定值的偏差或对在材料装载时较大的不精确性作出反应。在电功率输入中的较小的偏差也持续地改变能量平衡。结果，冶金过程可能失去平衡，并且金属和炉渣温度可能与相应的额定温度偏离。在最坏的情况下甚至可能出现临界温度，临界温度可能导致炉容器的磨损或损坏。冶金制造过程变得停顿，产量和能量效率下降。

最后，欧洲专利授权文献EP 1 872 074 B1公开了一种用于测量和控制到电弧炉中的金属输送或废料输送的方法。在此，进入电弧炉的材料流通过如下方式优化，即材料输送的速度根据供应到炉中的电能实现。

然而，在授权文献EP 1 872 074 B1中给出的技术教导具有的缺点是，所输入的材料的重量与整个炉壳、其内含物和任何其它部件的测量的重量相比相对小，所述其它部件可以是100吨。这导致，对于所有这些质量所使用的称量装置可能具有较大的测量误差。此外，不利的是，在干扰的情况下或者在材料输送的不精确较大的情况下，不进行电能输入的适配；相反，明确地保持在输入到炉中的全部电能输入上。

不会进行比能量需求或所需的能量输入的适配。结果，能量平衡的不规则性太晚显现。因此，金属温度和炉渣温度容易失去其额定温度，并且大体会达到可能导致炉容器磨损的临界温度。冶金制造过程变得停顿，产量和能量效率下降。

德国专利申请文献和授权文献DE102004046728A1、DE3543773A1、DE1533922B1和DE2351171A分别至少部分地公开了根据权利要求1的前序部分所述的方法步骤。

发明内容

从该现有技术出发，本发明的任务在于，如下地改进用于运行电弧炉、尤其是电还原炉的公知方法，使得在电弧炉运行时提高产量和能量效率。

该任务通过在权利要求1中要求保护的方法来解决。这种解决方案的特征在于，尤其根据损耗参数来求取输入到电还原炉中的所需的电能输入，所述损耗参数代表存储在所述电还原炉的容器中的热能与炉渣的质量和从所述电还原炉中排出的材料的质量成比例(步骤404)。

本发明的优点在于，一方面认识到，通过根据所输入的质量流量改变输入到电弧炉中的必需的电能输入，对最优的材料平衡/能量平衡的控制对冶金过程产生积极的影响，由此能够提高生产和能量效率，另一方面所要求保护的方法基于这样的认识，即，如果必要的话，电弧炉的能量输入或者功率额定值可以有利地比进入炉的材料输入明显更精确地和更可靠地改变。

本发明的其它有利的设计方案是从属权利要求的主题。

附图说明

本说明书附有6张附图，其中：

图1示出了根据本发明的用于运行电弧炉的方法；

图2示出了在电弧炉中的能量平衡；

图3示出了待输送给炉的能量或功率与输入到炉中的质量流量之间的函数关系；

图4示出了根据本发明的电功率调节；

图5示出了现有技术中的用于运行电弧炉的方法；和

图6示出了在现有技术中输入到电弧炉中的材料输入对电能变化曲线的影响。

具体实施方式

下面参照所提到的附图1至图4以实施例的形式详细阐述本发明。

图1示出了根据本发明的用于控制或调节进入到电弧炉中的材料输入和能量输入的功能块。

操作者可以通过控制材料输入401的输入可能性来预先确定材料输入或质量流量的额定值501；q_{m Soll}。根据所期望的材料输入，操纵至少一个材料输送设备，并且通过至少一个重量检测装置303测量实际引入的材料量。功能块401根据时间计算实际的材料输入502；q_{m Ist}。

在有利的闭环调节中，将所期望的材料输入(额定值)与实际的材料输入(实际值)比较，并且将该差输送给调节器，该调节器适配用于材料输送设备302的调节参量，使得调节差尽可能小。

功能块402借助于测量的或输入的材料参数504来求取炉100的比能量需求。这些材料参数例如可以是输入材料的组成和分析、关于预还原的信息、温度、湿度或其它对于求取比能量需求有意义的值。此外，期望值503可以被预先确定并且在求取比能量需求时被考虑。比能量需求可以与技术数据库(403)的历史数据比较并且必要时通过过程模型同步适配。结果，功能块402将代表比能量需求的系数k₁传递到后面的控制步骤。系数k₁在此优选周期性地重新计算。

如果例如已经预还原的材料被引入还原炉中，则系数k₁根据材料特性而减小。在此，比能量需求下降并且能量效率上升。

在功能块中，能量与质量平衡404基本上由所包含的炉渣102和所包含的金属103的温度和质量求取存储在炉容器101中的热能，以及计算电损耗W_v-el和热损耗W_therm。为此，功能块404从技术数据库403中获得所有必需的和有意义的炉过程值505、有意义的假设以及历史数据。

图2更精确地示出功能块能量和质量平衡404的工作方式。

输送给炉容器101的能量由电能W_elektr.和随输入材料供应的化学能W_chem的总和得出。

W_in＝W_elektr.+W_chem (2)

从炉容器中排出的能量一方面由用热废气排出的热能W_abgas、电损耗W_v-el和热损耗W_therm产生，以及由用热渣W_Slag和热金属W_Metal排出的能量产生。

W_out＝W_Abgas+W_Metal+W_Slag+W_v-el+W_therm (3)

热能损耗在此基本上通过冷却水和冷却空气的温度损耗以及到周围环境的其它的热损耗表示。

输入的和输出的能量之差是在炉容器101中存储的热能W_g的度量。

W_g＝W_in-W_out (4)

在此，所存储的热能W_g基本上被分为液态金属和炉渣的能量。

包含在炉容器101中的、由炉渣102和金属103组成的质量通过输送给炉容器的材料输入q_{m Ist}增加并且通过被排出的金属q_{m Metal}和被排出的炉渣q_{m Slag}减少。此外，质量在小范围内由于粉尘损耗q_{m Staub}降低。

q_min＝p_{m ist} (5)

q_{m out}＝q_{m Metal}+q_{m Slag}+q_{m Staub} (6)

q_mg＝q_min-q_{m out} (7)

再次参考图1：

金属和/或炉渣温度、熔池水平和/或炉温度的不连续或连续测量的结果以及其它有意义的过程测量的结果可以附加地用于校正同步运行的能量和质量平衡404的计算。功能块404的任务是，一方面给操作者提供这些数据用于观察过程并且另一方面使存储在炉子中的能量W_g与炉渣质量q_{m Slag}和金属质量q_{m Metal}成比例地保持平衡。为此，功能块(404)计算功能块405的系数k₀。系数k₀在此被循环地重新计算。

材料/能量平衡在控制监控器上的良好的在线可视化改善了过程控制，提高了对于冶金过程的理解并且简化了操作。这例如能够以Sankey图表或者类似图表或者表格的形式进行。

如果热损耗由于各种原因而减少，则系数k₀相应地减小。能量消耗降低并且能量效率提高。

功能块405从供应的材料输入q_{m Ist}、系数k₀和系数k₁中相应于存储在功能块中的曲线/表格或者数学函数求取功率额定值P_Soll；507。图3示例性地示出这种可能的曲线或一阶数学函数。

P＝k₀+k₁＊q_m (8)

根据实施方案和冶金过程，可以想到该函数的偏差。

在一个有利的实施方案中，所述系数k₀和k₁由控制/过程模型连续地或者循环地开始并且根据出现的交互来优化。

通过操作者接口，操作者能够手动干预值的自动计算，并且在必要时对值进行校正。也可以想到，对于过程的不同工作点在电子表格中或在数据库内部存储不同的系数。

功率测量(408)的功能块借助于数学关系式从电流测量(205)和电压测量(206)中求取每个电极或每个电极对的实际功率

P＝U＊I＊cosφ (9)

其中，功率因数cosΦ对应于电流和电压之间的相移。根据过程和测量仪器(205、206)的布置，为了简化可以进行假设cosΦ＝1。

由此该关系式简化成

P＝U＊I (10)

功能组件406用于调节功率输入。在组件内部首先由相应电极的额定功率(P_Soll)与实际功率的差值计算调节偏差。根据调节偏差，在调节器中根据存储在调节器中的调节器特征曲线或电子计算方法来求取用于接下来的点火脉冲发生器(407)的调节参量(y)。该调节器于是调节用于控制至少一个变流器的点火角(α)。由此，如此长地调节变流器(204)的输出电压，直至实际功率对应于额定功率。在低于或超过极限值时，可以附加地提高或降低炉变压器(202)的分级开关(203)。也可以想到的是，在不太有利的但更廉价的可替代的实施方式中放弃变流器(204)并且仅使用分级开关(203)用于功率调节。为了自动地校正剩余的调节差，功率的实际值P_Ist(作为炉过程值505的组成部分)可以被反馈给能量和质量平衡的功能块404，并且如果需要的话，系数k₀可以在下一周期中被适配。

图4示出借助比例-积分-调节器(PI调节器)的功率调节回路的一种可能的有利的实施方式。

除了借助于点火角度计算和功率半导体的相位截止来控制变流器204外，也可以进行脉冲宽度调制、斩波控制或者脉冲控制或者用于控制进入电弧炉中的能量输入的类似技术。

附图标记列表

100 电弧炉

101 炉容器

102 炉渣

103 金属

104 电极

105 电极位置调节

106 金属排出

107 炉渣排出

201 供电轨

202 炉变压器

203 分级开关

204 变流器

205 电流测量

206 电压测量

207 功率开关

208 断路开关

301 炉仓

302 材料输送设备

303 重量检测装置

401 材料输入的控制装置

402 求取比能量需求

403 技术数据库

404 能量和质量平衡

405 求取所需的能量输入

406 功率调节

407 点火脉冲发生器

408 功率测量

501 材料输入(额定值)

502 材料输入(实际值)

503 比能耗的期望值

504 材料参数

505 炉过程值

506 校正值

507 炉功率(额定值)

508 炉功率(实际值)

W_elektr. 电能

W_chem 化学能

W_in 供应的能量

W_g 存储的能量

W_aus 输出的能量

W_staub 排放的废气的能量

W_v-el 电损耗

W_therm 热损耗

W_Schlacke 输出的炉渣的能量

W_Metall 输出的金属的能量

q_{m Soll} 期望的材料输入(额定值)

Q_{m Ist} 实际的材料输入(实际)

q_{m Metall} 排出的金属

Q_{m Schlacke} 排出的炉渣

q_{m Staub} 粉尘损耗

q_mg 存储的材料

Q_{m in} 供应的材料

q_{m aus} 导出的材料

k₀ 系数0

k₁ 系数1

P_soll 功率(额定值)

P_ist 功率(实际值)

cosΦ 功率因数

α 点火角

γ 调节参量。

Claims (7)

1.一种用于运行具有至少一个电极(104)的电弧炉(100)的方法，该方法具有以下步骤：

将材料以实际质量流量的形式输入到所述电弧炉中；并且

通过所述至少一个电极将电能输送到所述电弧炉中，以便按照事先求取的所需的电能输入来熔化所输入的材料；

其中，根据输入到炉中的质量流量q_mIst来求取输入到所述电弧炉中的所需的电能输入；

其中，以功率额定值P_Soll的形式求取所需的电能输入，并且要么在功率控制的范围中要么在功率调节的范围中将其引入到所述电弧炉中；并且

其中，求取所需的电能输入的步骤还具有以下子步骤：

以能量需求参数k₁的形式预先确定或求取比能量需求，其中，根据用于运行所述电弧炉(100)的预先确定的能量期望值、根据输入到所述电弧炉中的质量流量q_mIst和/或根据所输入的材料的特性来进行所述求取，

其特征在于，

所述电弧炉是用于熔化和还原所输入的材料的电还原炉；

将电能通过至少一个电极输送到所述电还原炉中；并且

求取所需的电能输入的步骤还具有以下子步骤：

以损耗参数k₀的形式预先确定或求取存储在所述电还原炉的容器中的热能，所述热能与炉渣的质量和从所述电还原炉中排出的材料的质量成比例；并且

根据输入到所述电还原炉中的质量流量q_mIst、所述能量需求参数k₁和所述损耗参数k₀求取针对所述电还原炉(100)的、形式为功率额定值P_Soll的所需的电能输入。

2.根据权利要求1所述的方法，

在求取所述比能量需求时考虑的、被引入到所述电弧炉中的材料的特性是下列特性中的至少一个特性：所输入的材料的化学成分、温度和/或湿度和/或所输入的材料是否事先已经经受了预还原。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

借助所述功率额定值P_Soll与参数q_mIst、k₀和k₁之间的预先确定的函数关系求取所需的电能输入。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

额外借助校正因数k₂确定所述函数关系。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

所述函数关系如下地表示：

P_Soll＝(k₀+k₁＊q_mlst)＊k₂。

6.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

在所述电弧炉运行期间连续地求取所需的电能输入和至少一些对于其计算所需的参数，所述参数为质量流量q_mIst、能量需求参数k₁和/或损耗参数k₀。

7.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

分别通过变流器(204)的点火角的变化作为调节环节或者通过所述电弧炉(100)的变压器(202)的分级开关(203)的设定的变化作为调节环节，在功率控制的范围内将进入到所述电弧炉中的实际功率输入设定到功率额定值或者在功率调节的范围内调节到功率额定值。

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