CN1132508C - 用于调节及控制三相交流－电弧炉中的熔炼过程的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对三相交流-电弧熔炼炉中的熔炼过程进行调节及控制的方法，所述电弧炉具有至少三个单独的并且可相互不受影响调节其高度的电极，其中为馈送给三相交流电弧炉的三相交流电的每相至少配备一个电极，并且对三相交流-电弧炉的，尤其是在过热位置的，例如在电极附近的三相交流电弧炉炉壁的温度进行监视，其中当三相交流-电弧炉电极附近达到临界温度时将降低该电极的输出功率，从而防止三相交流-电弧炉的过热，并且提高其它电极或部分其它电极的输出功率，以便在预定的电压情况下电极的总输出功率达到最大值。

Description

用于调节及控制三相交流-电弧炉 中的熔炼过程的方法

技术领域

本发明涉及一种用于调节及控制三相交流-电弧炉中的熔炼过程的方法及装置，所述电弧炉具有至少三个单独的并且可相互不受影响调节其高度的电极。

背景技术

利用电能将在三相交流-电弧炉中的金属废料熔融，其中通过在电极端部与熔炼炉料间燃烧的三个电弧实现熔炼过程所需的电能向热能的转换。在进行过程控制时，可通过经电弧炉变压器对向电弧炉馈送的电压的分级调节以及通过对电极端部与熔炼炉料间的距离分别进行的无级调整，改变电弧炉的工作点。通过对电极与熔炼炉料间距离的调节保持选定的工作点。此点大多是通过对阻抗的调节实现的，其调节方式是，由持续测出的每个电极的诸如相电压和相电流等电气参数求出阻抗实际值，根据此阻抗实际值与预定的阻抗额定值的偏差确定出某个电极的高度调节量。

为了使电弧炉的工作点与熔炼过程中炉子工作的变化的要求相配合，在EP-A-0 036 122中揭示了一种方法，将炉子工作的预定的特性曲线分配给炉变压器的某电压级的工作点作为阻抗额定值存储在一个数字存储器中。在熔炼过程中，炉操作人员手动从该数字存储器中选出合适的工作点。

迄今一直根据预先确定的过程阶段(第一次投料、第二次投料、精炼)和在该过程阶段内的工序(电极置于冷废料上、熔化、在扁平熔池中的精炼)为进行电极高度调整，对工作点及阻抗额定值进行预给定，其中分别预给定出这些工序中的阻抗额定值。迄今所采用的方式是以在一个工序中充分相同的，炉与炉之间可重现的情况的假定为依据的。根据相似准则，还实现了三相交流-电弧炉的静态均衡。

在对三相交流-电弧炉的交流电流-电弧性能详细了解的基础上，也可以以下述情况为出发点，电弧炉的静止调整的前提条件并不适合。换句话说，其出发点在于，甚至在过程阶段的各工序中的各个电弧的情况也是变化的，其中与电极的配置相关在三相交流-电弧炉中尤其会出现不均衡的工作情况。如果在电弧炉中设定的均衡条件下均衡和固定地调整阻抗额定值，则此点在实际不均衡的炉子情况下势必导致不同的调节值，所述调节值通过对电极高度的调整调节出不同长度的电弧。因而不可能最佳地利用馈送给电弧的功率。

发明内容

因而本发明的目的在于提高电极的输出功率。

本发明提供一种用于调节或控制三相交流电弧炉中的熔炼过程的方法，所述电弧炉具有至少三个单独的并且可相互不受影响调节其高度的电极，其中为馈送给三相交流电弧炉的三相交流电的每相分配至少一个电极，并且其中对三相交流电弧炉的受过热威胁的位置的温度进行监视。当在电极附近达到三相交流电弧炉的临界温度时，则降低该电极的输出功率，从而防止三相交流电弧炉过热的出现，并且提高其它电极或一部分其它电极的输出功率，从而使在预给定的电压的情况下电极的总输出功率保持最大。

本发明提供一种三相交流电弧炉，其具有至少三个单独的并且可相互不受影响地调整其高度的电极和一个尤其按照上述权利要求中任一项所述方法用于控制或调节三相交流电弧炉的控制或调节装置，其中为馈送给三相交流电弧炉三相交流电的每相至少分配有一个电极，并且其中对受过热威胁的位置上的三相交流电弧炉的炉壁上的三相交流电弧炉的温度进行监视。控制或调节装置的设计应使其在电极附近达到三相交流电弧炉的临界温度时降低该电极的输出功率，从而避免三相交流电弧炉的过热，并且使其提高其它电极或一部分其它电极的输出功率，从而使电极的总输出功率保持恒定不变或近似恒定不变。

其中当在电极附近达到三相交流-电弧炉的临界温度时，降低该电极的输出功率，从而阻止三相交流-电弧炉出现过热，并且提高其它电极或部分其它电极的输出功率，使电极的总输出功率在预定电压的情况下最大。其中比较有利的是对电极电流电路中的阻抗进行最佳化，以实现电极的输出功率最大化，当在电极附近达到三相交流-电弧炉的临界温度时，将该电极的输出功率限制在最大值上并且将该最大值作为最佳化的辅助条件加以考虑，这一点例如已由DE4415727公开。只要第二个临界温度极限被超过，当不降低电极的电源电压时，则生产效率将提高约7％至12％。

该最佳化过程以特别有益的方式在线进行。

按照本发明的有利设计，当电极附近的三相交流电弧炉的温度高于第一临界温度极限并低于第二临界温度极限时，则进行各电极输出功率的再分配，其中将电极的电源电压保持恒定不变。当电极附近的三相交流电弧炉的温度高于第二临界温度极限时，则宜对各电极的输出功率进行重新分配，此时要降低电极的电源电压。

按照本发明的有益的设计，当电极附近的三相交流-电弧炉的温度高于在第二个临界温度极限之上的第三个临界温度极限时，将大幅度地降低电极的电源电压。图5中示出了该实施形式。

由于在本发明方法中采用为交流电弧炉预估温度值替代测量或估计值，因而本发明方法尤其可靠。宜采用梯度方法或温度模型进行该预估，其中温度模型可以是一个分析模型或一个神经网络。

根据本发明的一有益设计，以如下方式对三相交流电弧炉的温度进行调整，使得当交流电弧炉的温度超过额定温度时，降低电极的有效功率输出，并且当交流电弧炉的温度低于额定温度时，则增大有效功率输出。其中额定温度宜等于临界温度极限，该极限应在三相交流电弧炉仍容许的温度范围之内。

附图说明

有关本发明的进一步的优点和细节，请参见下面对照附图对实施例的说明，附图中：

图1为带有前置的电弧炉变压器和本发明的调节装置的三相交流电弧炉的示意图；

图2为三相交流电弧炉的等效电路图；

图3示出功率调整结构图；

图4示出功率调整的另一结构图；

图5为本发明的阻抗调整图。

具体实施方式

图1示出一种三相交流电弧炉，在该炉上三个石墨电极1、2和3穿过炉盖4上的开口伸入炉缸5中，在炉缸中作为熔炼炉料装入金属废料6。电极1、2和3通过一分级调节的电弧炉变压器7与交流电网8连接。在电极1、2和3的顶端与熔炼废料6之间形成电弧9，电弧将输送给电弧炉的电能转换成熔融熔炼炉料6的热能。

每个电极1、2和3都配备有一个调节装置。鉴于调节装置的结构完全相同，故在附图中仅对电极1的调节装置做了详细的表述。电极1和其它的电极2和3一样都固定在一个悬臂17上，该悬臂通过一个带有电气液压执行机构11的液压调节装置10对其高度进行调节，从而实现对电弧长度的调整。执行机构11接在阻抗调节器12的输出端上。通过电流转换器13和电压转换器14检测出流经电极1相电流i₁和电弧炉变压器7次级端子与由装有熔炼炉料6的炉缸5构成的星形汇接点间的相电压u_1m并且在测量装置15中换算成有关炉段的阻抗实际值Z₁。该阻抗实际值Z₁将在相加点16与有关炉段的阻抗额定值Z₁*进行比较。所获得的调节偏差ΔZ₁作为输入参数输送给阻抗调节器12，所述阻抗调节器12根据调节偏差ΔZ₁产生一个用于调节电极1高度的控制信号S₁。

利用本发明的阻抗最佳化器30求出阻抗额定值Z₁*、Z₂*和Z₃*。阻抗最佳化器30计算出的阻抗额定值Z₁*、Z₂*和Z₃*，应使电极1、2、3的输出功率最大。利用一温度测量装置31对三相交流电弧炉的炉温T进行监视。当三相交流电弧炉的炉温T在电极1附近超过第一临界温度极限时，则采用如下方式对电极1的有效功率输出进行限制，使至少一个其它电极的有效功率输出得到提高，其中变压器7的次级电压并不变化。所计算出的阻抗额定值Z₁*、Z₂*和Z₃*应使总输出功率最大，而又不会超过电极1的最大允许有效功率输出。当在所有电极1、2和3附近超过第一临界温度极限时，则降低变压器7的次级电压。另外当在电极1附近超过第二临界温度极限时，也将降低变压器7的次级电压。

宜在一个控制及调节装置32中实现阻抗最佳化器30和阻抗调节器。

如图2中的三相交流电弧炉的等效电路图所示，三相交流电弧炉系一个成星形连接的、非对称并且时间变量的阻-感用电器，由熔炼物料6构成其自由星形点M。配属给各相的电气参数按图1中配属的电极分别标有下标K＝1、2、3。用U₁₂、U₂₃和U₁₃表示炉段间的链接电压并且用i₁、i₂和i₃表示相电流。可以通过短路试验，即把电极1、2和3置放在金属废料6上测量确定出电极1、2和3以及馈线构成的线路电阻R_L1、R_L2和R_L3和线路电抗X_L1、X_L2和X_L3。

用一个非线性的并且非连续的电流-电压特性曲线可对电弧9的电气特性加以说明，该曲线变化取决于电极端与熔融金属的间距。在图示的等效电路图中，对每个电弧9分别用电弧电阻R_b1、R_b2、R_b3和电弧电抗X_b1、X_b2、X_b3来等效。每个电弧9的电阻和电抗不仅取决于有关电弧9的长度，而且也取决于其它电弧的长度。如果例如当改变电极1与熔融金属6的间距时，则除电弧电阻R_b1和电弧电抗X_b1发生变化，电弧电阻R_b2和R_b3和电弧电抗X_b2和X_b3也将变化。

可以采用图2线性化的等效电路的综合交流电计算方法，计算转换成各电弧的有效功率。如果其中在每一相将电抗X_LK和X_bK综合成工作电抗X_K并且在对线路损耗电阻R_LK忽略不计的情况下，将电阻R_LK和R_bK综合成工作电阻R_K，其中K＝1、2、3，则得出各电弧9中的有效功率P_K：

P₁＝P₁(U₀，R₁，R₂，R₃，X₁，X₂，X₃)

P₂＝P₂(U₀，R₁，R₂，R₃，X₁，X₂，X₃)

P₃＝P₃(U₀，R₁，R₂，R₃，X₁，X₂，X₃)其中用U₀表示设定为对称的三相系统的通过电弧炉变压器7调整的链接电压的有效值。转换成电弧9的总有效功率为P＝∑P_K(U₀，R₁，R₂，R₃，X₁，X₂，X₃)其中K＝1，2，3。

如上所述，在每个炉段内的电阻R_K和电抗X_K随电弧长度的变化而变化，其中在电阻R_K和电抗X_K之间存在一个非线性关系。当该关系是已知的时，未知的决定电弧总有效功率的参数数量将减少到四个。为最大限度地增大总有效功率P，这四个参数可借助四个供使用的调节参数，即变压器电压u₀和三个用于调整各个电极1、2和3高度的调节参数S₁、S₂和S₃进行调整。换句话说，如果可以用非线性函数X_K＝NN_K(R₁、R₂、R₃)表示电阻R_K和电抗X_K间的非线性关系，则当总输出功率P最大时得出一最佳电阻组R_1opt、R_2opt、R_3opt，由此又用函数NN_K计算出用于阻抗调整和电极1、2、3的高度调整的最佳额定阻抗Z₁*、Z₂*和Z₃*。

图3利用一方框图示出在三相交流电弧炉中调整熔炼过程的范例。由具有链接电压U₁₂、U₂₃和U₁₃的电弧炉变压器7对电弧炉18馈电。根据控制信号S₁、S₂、S₃对电极1、2和3与熔炼物料6的间距进行调整，该控制信号由分别配属给电极1、2和3的并且综合在一个阻抗调节装置19中的阻抗调节器12准备出。阻抗调节装置19在此根据预给定的阻抗额定值Z₁*、Z₂*、Z₃*与测量出的电弧炉18的阻抗实际值Z₁、Z₂、Z₃间的调节偏差产生控制信号S₁、S₂、S₃。在测量装置20中对相电压U_1M、U_2M和U_3M和相电流i₁、i₂、i₃以很高的取样频率持续地进行取样并且与基本起振周期同步进行处理。同时由测出的参数U_KM和i_KM用K＝1、2、3计算出相电压U₁、U₂、U₃的有效值、相电流I₁、I₂、I₃的有效值、相有效功率P₁、P₂、P₃并用Z_K＝U_K/I_K计算出电弧炉阻抗，即阻抗实际值Z₁、Z₂、Z₃。与阻抗实际值一起用R_K＝P_K/I_K ²还计算出配属的电阻实际值R₁、R₂、R₃及用X_K＝(Z_K ²-R_K ²)^1/2计算出电抗实际值X₁、X₂、X₃。最后用例如V_K＝P_K ²/I_K ²还确定出电弧9造成的对电弧炉18的炉壁的热负荷V₁、V₂、V₃。

连续求出的电阻实际值R₁、R₂、R₃被输送给一神经网络21，该网络用于学习确定所测出的电阻实际值R₁、R₂、R₃与电抗实际值X₁、X₂、X₃间的关系。为此在神经网络21的输出端产生三个网络回答X_NN1、X_NN2、X_NN3，所述网络回答将在一个比较装置22中与配属的感抗实际值X₁、X₂、X₃进行比较。根据比较结果，在一个学习算法23中，为缩小网络回答X_NNK与感抗实际值X_K的偏差改变神经网络21的网络参数α_NN1、α_NN2、α_NN3。采用此方式对电阻R_K和电抗X_K间的关系进行学习，其中所获得的知识不断地根据连续的过程事件进行更新。也可以用三个不同的神经网络替代唯一一个神经网络，对所述三个神经网络的输入端分别输送所有的阻抗-实际值R₁、R₂、R₃并且每个神经网络分别输出一个网络回答X_NNK。

所学习的关系X_K＝NN_K(R₁、R₂、R₃)被传输给一个计算装置24，在该计算装置中在图2所示的等效电路的基础上电弧9的总有效功率P将作为链接电压u₀、电阻R₁、R₂、R₃和电抗X₁、X₂、X₃的有效值的函数加以表示。在预给定的电压级u₀，根据条件P/R₁＝0，P/R₂＝0和P/R₃＝0得出最大有效功率P_max。通过对这三个方程求解，在最大有效功率P_max时得出电阻值R_1opt、R_2opt、R_3opt，其中R_kopt＝R_kopt(X₁，X₂，X₃)。在学习的关系X_K＝NN_K(R₁、R₂、R₃)的基础上，在下一步求出配属给电阻R_1opt、R_2opt、R_3opt的电抗X_1opt、X_2opt、X_3opt和在最后求出阻抗额定值Z₁*、Z₂*、Z₃*，其中Z_K*＝(R_kopt ²+X_kopt ²)^1/2。

仅有在不存在边界条件并且可以实现全局最佳化的情况下，上述在最佳点根据电阻R_K的总有效功率P的导数为零的条件才是允许的。鉴于在通常情况下存在相电流i_k、炉壁的热负荷V_K和电阻R_K的边界条件，故最佳化的任务在于在保证边界条件下尽可能地使总有效功率P最大。边界条件可以是参数U₀、R₁、R₂、R₃、X₁、X₂、X₃的任意的非线性的函数，其中根据在神经网络21中含有的知识已知参数R_K和X_K间的关系。在图3所示的线路方框图中由求出的炉壁的热负荷V₁、V₂、V₃在计算单元25中求出总有效功率P最大化的辅助条件并将后者传递给计算装置24。

图4示出了另一种实施方式。其中替代炉壁的热负荷采用由测量装置26求出的温度测量值T。当温度测量值或求出的炉壁负荷超过特定的临界值时，则根据特别有益的设计，不减小调整电弧炉变压器7的电压级u₀。只有在超过高于第一临界温度极限的第二临界温度极限时，才减小电压级u₀。

在另一设计方式中，既求出炉壁的热负荷V₁、V₂、V₃，又用测量装置26求出温度测量值T。

图5示出本发明的阻抗调节。三相交流电弧炉通常在炉壁的上部分具有所谓的箱式冷却器，所述箱式冷却器用于将没有辐射到钢水熔池，而是辐射到炉壁上的部分辐射能导出。箱式冷却器典型的工作原理是汽化冷却或水冷却。当直接辐射到箱式冷却器的辐射能过大或在一定的时段内过大时，则箱式冷却器不再能把能量完全导出。此点在汽化冷却的情况下通过流量的降低和在水冷却的情况下通过循环水的温度的升高显示出。由于一方面将损坏箱式冷却器并且另一方面也可以将过负荷视作三相交流电弧炉炉壁的下部分上的耐火-磨损的量度。所以调节必须对作用于箱式冷却器的热加载反应。此点迄今通常是通过采取如下措施实现的，降低次级电压并且从而也显著地减少了总有效功率。

实践表明，通常热加载并不是同时在所有的箱式冷却器上出现的，而大多仅在一个箱式冷却器上或在位于三个电极中任一个的范围内的箱式冷却器上出现。(每个箱式冷却器都被分配给距其最近的某电极)。本发明的调节对仅在一个电极范围内发生的热加载反应，其方式为，在次级电压保持不变的情况下减少有关电极的辐射功率并且至少有一部分功率被转交给两个其它的电极。此点是通过有目的地改变三个相阻抗，即电极的电流电路中的阻抗实现的。采用最佳化方法调整三个相阻抗。其中采用边界及辅助条件对总有效功率进行最大化，从而使有关电极的功率对应于发生热加载的时刻的功率，按减缩系数F缩减。

如图5所示，调节可分为下述四种情况：

1.当在常数为与第一临界温度极限相符的DQ-K1的情况下热加载时，则不发生干预并且调节对相阻抗进行调整，使所有三个电极的总有效功率最大。

2.当常数在DQ-K1和与第二临界温度极限相符的DQ-K2之间的情况下热加载时，将把有关电极的功率重新分配给两个其它的电极，而又不降低次级电压。有关电极的功率将按减缩系数缩减，该减缩系数取决于热加载的强度。宜采用例如 $F=\frac{W-\mathrm{DQ}\_K1}{\mathrm{DQ}\_K2-\mathrm{DQ}\_K1}\×0.9$ 计算出减缩系数F，其中用W表示热加载。

3.当在DQ-K2和与第三临界温度极限相符的DQ-K3间热加载时，由于热加载过大，所以既降低次级电压，又要将有关电极的功率重新分配给其它电极，例如减缩系数F＝0.9。

4.当高于DQ-K3的情况下热加载时，则次级电压作为应急方式降低到非常低的变压级。

减缩系数F值和常数DQ-K1、DQ-K2和DQ-K3与箱式冷却器的类型和电弧炉的炉况相适应。例如在采用汽化冷却的情况下选择的常数应使其如图5所示，回流量为10％、20％和50％。在采用水冷却的情况下，宜选择的常数应使它的回流温度为80℃、90℃和105℃。有关电极的功率按减缩系数F的缩减要一直保持到直至热加载被衰减。

临界温度极限可以是固有意义的温度，例如冷却介质的温度或者等效参数，例如在采用汽化冷却时的回流量。

本发明的优点一方面在于提高了生产速度，另一方面在于减少了电源变压器的转换级。除了由于提高了生产速度大大降低了生产成本之外，同时也由于减少了电源变压器的转换过程，因而经济上特别有益。鉴于电源变压器的转换过程是主要的缩减变压器的寿命并增大维修频度的影响因素，故由于本发明减少了电源变压器维修的频度，将导致节省大量的成本并提高了三相交流电弧炉的可用度。

Claims (12)

1.一种用于调节或控制三相交流电弧炉中的熔炼过程的方法，所述电弧炉具有至少三个单独的并且可相互不受影响调节其高度的电极，其中为馈送给三相交流电弧炉的三相交流电的每相分配至少一个电极，并且其中对三相交流电弧炉的受过热威胁的位置的温度进行监视，其特征在于，当在电极附近达到三相交流电弧炉的临界温度时，则降低该电极的输出功率，从而防止三相交流电弧炉过热的出现，并且提高其它电极或一部分其它电极的输出功率，从而使在预给定的电压的情况下电极的总输出功率保持最大。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，当在电极附近达到三相交流电弧炉的临界温度时，则增大该电极的电流电路的阻抗，从而防止三相交流电弧炉的过热，其中减少其它电极或一部分其它电极电流电路中的阻抗，从而使电极的总输出功率保持在最大。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，当在电极附近达到三相交流电弧炉的临界温度时通过调整该电极的高度减小该电极电流电路中的阻抗，从而防止交流电弧炉过热，其中通过高度调整减小其它电极或一部分其它电极的电流电路中的阻抗，从而使总输出功率保持最大。

4.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，对电极的电流电路中的阻抗最佳化，以使电极的总输出功率保持在最大，其中当在一个电极附近达到三相交流电弧炉的临界温度时，将该电极的输出功率限制在一个最大值上并且在最佳化时按照补充条件对该最大值加以考虑。

5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，将流经电极的电流限制在一最大值上，其中在最佳化时按照补充条件对这些最大值加以考虑。

6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述最佳化在线进行。

7.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，当一个电极附近的三相交流电弧炉的温度高于第一临界温度极限并且低于第二临界温度极限时，将对各个电极的输出功率进行重新分配，其中电极的电源电压保持不变。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，当在一个电极附近的三相交流电弧炉的温度高于第二临界温度极限时，将对各个电极的输出功率重新分配，其中降低这些电极的电源电压。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，当在一个电极附近的三相交流电弧炉的温度高于在第二临界温度极限之上的第三临界温度极限时，则大幅度降低电极的电源电压。

10.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，对三相交流电弧炉的温度借助梯度方法或温度模型进行预估计。

11.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，一个电极的有效输出功率，当该电极附近的三相交流电弧炉温度过高时，将受到限制，为实现温度调节，当三相交流电弧炉的温度降低时，将提高该电极的输出功率，当三相交流电弧炉的温度升高时，将减少该电极的输出功率，其中宜对温度调节预定一个临界炉温作为额定温度。

12.一种三相交流电弧炉，其具有至少三个单独的并且可相互不受影响地调整其高度的电极和一个尤其按照上述权利要求中任一项所述方法用于控制或调节三相交流电弧炉的控制或调节装置，其中为馈送给三相交流电弧炉三相交流电的每相至少分配有一个电极，并且其中对受过热威胁的位置上的三相交流电弧炉的炉壁上的三相交流电弧炉的温度进行监视，其特征在于，控制或调节装置的设计应使其在电极附近达到三相交流电弧炉的临界温度时降低该电极的输出功率，从而避免三相交流电弧炉的过热，并且使其提高其它电极或一部分其它电极的输出功率，从而使电极的总输出功率保持恒定不变或近似恒定不变。

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