CN116868690A - 熔化设备和相应的管理方法 - Google Patents
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Abstract
一种熔化设备(10)包括电炉(12)以及管理器械(11)，所述电炉设置有一个以上的电极(13)和化学物质引入装置(15)，所述管理器械包括布置在电网(100)和所述电炉(12)之间的解耦单元(14)。本发明还涉及一种用于管理熔化设备(10)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于管理熔化设备的方法，该熔化设备特别地但不仅限于包括用于熔化金属产品的电弧炉。
本发明特别地涉及一种用于管理传输到电炉和/或电炉的炉料的能量的方法，以通过优化执行熔化处理所需的能量来源的组合的输送来保证改进的功能，能量来源的组合例如但不限于电和化学来源。
背景技术
已知的熔化设备包括电炉，例如电弧炉，用于通过操作周期来熔化金属炉料，该操作周期通常规定以下主要步骤：
-在炉内装载金属材料，通常是废料，通过篮子或通过连续装料系统加入废料和/或直接还原铁(DRI)；
-产生电弧，其中电极朝向金属材料下降，直到在电极的端部和要熔化的材料之间触发电弧；
-通过产生的电弧在金属材料层上穿孔，随后开始熔化炉料；
-形成金属熔池；
-精炼熔化材料，以调节熔池的温度和钢的碳含量，和/或通过添加化学成分来限定钢的期望组成；
-在可能的造渣操作之后，对电炉中存在的熔化材料排渣。
在一个熔化周期中，装料、产生电弧和对材料穿孔的操作可以重复几次。例如，在将金属材料被首次装料到炉中并熔化该炉料之后，可以规定在进行精炼和然后排渣之前引入金属材料的进一步装料并随后熔化。
在连续装料的熔化处理的情况下，上述熔化周期通常规定将第一个篮子装载到炉中，并且随后熔化排出的材料，以产生液体池；然后，它规定要熔化的炉料的连续引入，以获得期望的排渣量。
熔化处理总体上确定了非常高的能量消耗，并且其特征在于熔化曲线，该熔化曲线必须针对炉进行优化，以达到所需的生产率水平和性能水平。
我们提到的熔化曲线实质上指的是使得操作周期能够成功进行所需的电能和化学能的量；该曲线通常以多个变量为特征，诸如供电电网的电压、电流、燃烧器的火焰输送速率、要生产的钢的类型、使用的废料混合物和其他因素。
还基于炉的尺寸以及安装的电能和化学能来预先确定熔化曲线。
通常，电弧炉由电力变压器供电，电力变压器可以以离散的方式改变输出电压。
通常，熔化曲线适应变压器规定的约束，因此目前几乎不可能在整个熔化周期中完全满足期望的理论处理要求。
由于需要使可用能量适应涉及到的所有其他参数，这可能导致炉的生产率降低，或者这可能导致不能实现铸件的质量目标，或者还可能导致过高的生产成本。
此外，目前，电能和化学能的受控变量仅通过使用代表废料的熔化状态的参数来引导，并且不能动态地适应其它处理变量，也不能基于过去获得的结果的历史记录来调整它们。
同样众所周知的是，可用于熔化处理的能量也在很大程度上取决于在熔化设备的安装地点存在的用于供应电能和化学能的基础设施的类型。因此，很明显，用于管理炉的方法必须考虑这一方面。
文献RU 2 180 923 C1描述了一种用于控制熔化处理的方法，其中优化以离散的间隔(5-12秒)发生，而不是以连续和动态的方式发生，对处理的控制有很大的限制，处理的参数连续变化。此外，这种方法没有考虑在以前的熔化操作中获得的结果的历史记录。
另一方面，文献US2013/0000445描述了一种用于控制金属熔化设备中的炉渣稠度的方法，但是没有解释如何优化电能和化学能的输送，这是进行熔化处理所必需的。
因此，需要完善例如电弧炉的熔化设备以及相应的器械和管理方法，其能够克服现有技术的至少一个缺点。
本发明的一个目的是提供一种熔化设备，其包括能够优化当时可用的电能和化学能的输送的管理器械。
本发明的另一目的是完善一种用于管理电弧炉的电力供应的方法，该方法允许优化当时可用的电能和化学能的输送曲线。
本发明的另一目的是提供一种管理方法，其中熔化曲线动态地适应可用的能量。
本发明的另一目的是提供一种管理方法，该方法允许以基本连续的方式优化炉的整体性能并且提高熔化处理的效率。
申请人已经设计、测试和实施了本发明，以克服现有技术的缺点并获得这些和其他目的和优点。
发明内容
本发明在独立权利要求中阐述并表征。从属权利要求描述了本发明的其他特征或主要发明构思的变型。
根据上述目的，熔化设备包括电炉和管理器械，所述电炉设置有一个以上的电极和至少化学物质引入装置，所述管理器械包括布置在电网和所述电炉之间的至少一个解耦单元。
根据一个方案，管理器械包括控制单元，所述控制单元具有：
-存储模块，其具有存储多个熔化曲线的至少一个数据库，
-计算模块，其被编程为实现优化函数，所述优化函数特别参照电能和化学能的消耗，自动生成适于使熔化设备的成本函数最小化的当前的熔化曲线，其中，所述计算模块被配置为在与要在所述电炉中实现的确定的熔化条件相关的参数和在先前熔化中出现的相应的操作参数之间进行比较，以便从所述存储模块的所述数据库中选择一个以上的基准熔化曲线，以及
-管理模块，其被配置为从所述计算模块接收与所述当前的熔化曲线相关的数据，并且将它们转换成分别要发送到所述设备与所述电网之间的所述解耦单元和所述化学物质引入装置的操作信号。
根据一些实施例，因此提供了一种用于管理熔化设备的方法，所述方法规定通过电炉与电网之间的解耦单元和化学物质引入装置来控制所述电炉的电力供应和化学供应。
根据一个方案，所述方法规定在熔化周期期间：
-管理器械的控制单元的计算模块通过优化函数自动生成使特别是电能和化学能的成本函数最小化的当前的熔化曲线，其中在生成所述熔化曲线之前，所述计算模块将与要实现的确定的熔化条件相关的参数和在先前熔化中出现的相应的操作参数之间进行比较，以便从所述控制单元的存储模块的数据库中选择一个以上的基准熔化曲线，以及
-所述控制单元的管理模块从所述计算模块接收与当前的熔化曲线相关的数据，并且生成分别要发送到所述解耦单元和所述化学物质引入装置的操作信号，使得它们输送所需的电能和化学能。
附图说明
参照附图，根据作为非限制性示例给出的一些实施例的以下描述，本发明的这些和其他方面、特征和优点将变得显而易见，其中：
-图1是根据这里描述的一些实施例的熔化设备的示意图。
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来标识附图中相同的共同元件。应该理解，一个实施例的元件和特征可以方便地组合或并到其他实施例中，而无需进一步说明。
具体实施方式
现在，我们将详细参照本发明的可能实施例，其中一个以上的示例以非限制性图示的方式在附图中示出。这里使用的措辞和术语也是为了提供非限制性示例的目的。
这里描述的实施例涉及熔化设备10，其包括电弧炉12和用于管理电弧炉12的电力供应的器械11。
电炉12包括一个以上的电极13，电极13可以被供电以提供熔化大量金属材料R所需的电能。例如，可以有两个、三个或三个以上的电极13。
器械11连接到电网100，电网100供应交流电压和电流，例如可以是三相的。
根据设备10的安装地点，电网100的特征在于其自身的市电电量，诸如市电电流Ii和市电电压Ui，其通过器械11以市电频率Fi适当地供应给电极13。
器械11包括可操作地布置在电网100和电炉12之间的解耦单元14。解耦单元14被配置为将市电电量(Ii，Ui，Fi)与电极13的电力供应量解耦，电力供应量是弧电流Ia和弧电压Ua，两者都以弧供应频率Fa供应。
解耦单元14允许执行至少一个市电电量(Ii，Ui，Fi)的调节，以获得期望的电力供应量(Ia，Ua，Fa)。
解耦单元14包括模块化转换器装置，其被配置为将市电电流Ii和市电电压Ui转换成用于对电极13供电的弧电流Ia和弧电压Ua的值。
模块化转换器装置包括多个模块，各个模块至少设置有整流电路、中间电路和逆变器电路，例如在申请人的专利EP 3 124 903 B1中所描述的。
解耦单元14允许相对于市电电流Ii、市电电压Ui和市电频率Fi独立和连续地控制弧电流Ia、弧电压Ua和弧电力供应频率Fa。连续地控制这些电力供应量的可能性允许在任何时候对熔化处理进行更精确的控制。
通过作用于弧电流Ia、弧电压Ua和弧电力供应频率Fa来调节由电极13输送的电力。优选地，调节动作通过作用于频率参数而发生。
在可能的实施例中，解耦单元14可以包括设置有多个变压比的多抽头变压器，多个变压比可以相对于期望的电熔化曲线选择性地设定。在这种情况下，弧电流Ia和弧电压Ua被谨慎地控制。在多抽头变压器的情况下，不可能作用于频率参数。
电炉12包括化学物质引入装置，整体利用附图标记15表示，其被配置为在使用期间并根据熔化周期的特定步骤输送达到生产特殊钢期望的原料化学所需的期望化学能。
化学物质引入装置15可以是例如氧气、煤和其它要装入到电炉12内的添加剂的燃烧器、喷枪、喷射器。
化学物质引入装置15的特征在于包括至少一股氧气流QO2、一股燃料流Qfuel、一股碳流Qc和一股石灰流Qlime的化学供应量。其他化学供应量是可能的，并且基本上取决于在电炉12内部必须发生的化学反应。
管理器械11包括控制单元16，该控制单元16与解耦单元14和化学物质引入装置15可操作地相关联，以分别管理所需电能和化学能的输送。
基于熔化曲线MP来管理供应到电炉12的电力和化学供应，熔化曲线MP的特征在于在熔化周期的步骤期间所需的电能和化学能的总和。
熔化曲线MP取决于电炉12的处理和结构参数A。例如，参数A可以包括电炉12的尺寸特征-例如形状、容量-和被引入以生产期望的类型的钢的金属材料R的混合物的化学成分。熔化曲线MP还可以取决于使用的金属材料R的类型和尺寸、其形状以及将其引入电炉12的连续或不连续方式。熔化曲线MP也可以取决于化学物质引入装置15的类型。
熔化曲线MP可以表示为根据处理时间或熔化处理的步骤而变化的曲线。例如，在装料步骤或精炼步骤中，熔化曲线MP可以仅由电能或仅由化学能表征，而在熔化步骤中，其可以由电能和化学能的组合表征。为此，熔化曲线MP可以由电熔化曲线和化学熔化曲线的总和来按时刻限定。
为了遵循期望的电熔化曲线，在处理期间可以控制的电力供应量是弧电流Ia、弧电压Ua和电力供应频率Fa。
为了遵循期望的化学熔化曲线，在处理期间可以控制的一些化学供应量是氧气流QO2、燃料流Qfuel、碳流Qc和石灰流Qlime。
控制这些量的窗口分别取决于现有的电约束和化学约束，以及电能和化学能的可用性和输送模式。
电约束可以是例如模块化转换器装置的标称功率、最大输出电压和最大输出电流、电弧电阻等。
化学约束可以是例如喷射燃料的标称功率或标称流速、喷射氧/碳的极限比、喷射氧/燃料的极限比。
根据一些实施例，控制单元16包括具有数据库的存储模块17，电炉12的多个熔化曲线MP存储在该数据库中。
事实上，在每次熔化操作中，至少可以记录熔化曲线MP和生产的钢的类型的数据。有利的是，还记录了限定熔化曲线MP的相应电力供应量和化学供应量的数据。
存储模块17因此提供电炉12的熔化曲线MP的历史。
根据一个可能的实施例，控制单元16连接到云存储装置111，其上存储了作为不同于熔化设备10的其它熔化设备的一部分的其它电炉112的多个熔化曲线MP。
控制单元16还包括计算模块18，该计算模块18被配置为在与要在电炉12中实现的确定的熔化条件相关的参数A和在同一电炉12或其它电炉112中的先前熔化中出现的相应的操作参数之间进行比较，以便选择一个以上的最佳熔化曲线MP，这些曲线可以被组合以获得基准熔化曲线MP。
至少在最初，基准熔化曲线MP被用作要实现的熔化的指导。通过逐步监测不同受控参数A的变化，可以验证是否遵守了当前的熔化曲线MP，并且在未遵守情况下，利用适当的修改重新调整它。
在基准熔化曲线MP与其它电炉112中的一个相关的情况下，这些电炉在尺寸、废料R的混合物和化学物质引入装置方面必须具有相似的特征。
获取/监测的熔化的数量越多，将有越多的数据馈送给基于该数据来限定基准熔化曲线MP的算法。数据量越大，电炉12的效率和性能就越高。
根据一些实施例，计算模块18被编程以实现优化函数APG，该优化函数APG自动生成熔化曲线MP，该熔化曲线MP在其电和化学成分方面是动态的，并且使电能和化学能的成本函数CF最小化。优化函数APG被配置为通过分析电量的信号来选择处理的各个熔化步骤中的“最佳”电流和频率组合，即保证弧的最大稳定性(例如，最小标准偏差、最小总谐波偏差)并因此使所谓的通电时间“PON”最小化的电流和频率组合。使PON最小化意味着使热损失最小化。
因此，可以在解耦单元14的次级施加电流和有功功率目标，使得优化函数APG选择最佳的电流和频率组合，例如使PON或损失最小化。
此外，在电网100的可用电能减少的情况下，例如在某些时隙，可以通过化学物质引入装置15输送必需的化学能来整合缺少的电能，该化学能来源于适当的主动监测。
可以基于不同的参数来限定成本函数CF，这些参数可以通过机器学习技术来选择，这些机器学习技术能够将问题的维度减少到有限数量的变量。
根据正在进行的处理所处的步骤，限定成本函数的参数可以不同，因此成本函数在每种情况下将采用不同的形式。
要最小化的成本函数CF被限定为处理中涉及的电力供应量和化学供应量的函数。
例如，可以根据以下关系式，相对于电力供应量和化学供应量来限定成本函数CF：
CF＝f(Ia,Ua,Fa；QO2,QFuel,Qc,Qlime)
例如，通过使成本函数CF最小化，可以实现以下管理策略中的一个或其组合：
1)使随时间推移所需的能量最小化；
2)使电能的消耗最小化；
3)使电极13的磨损最小化。
优化函数APG被配置为生成熔化曲线MP，该熔化曲线MP考虑到设备10的电气部件的约束和设备10的化学成分的约束，使成本函数CF最小化。考虑到约束类型，可以用于优化成本函数的技术例如是遗传算法或对偶优化方法。
根据一些实施例，控制单元16包括管理模块19，管理模块19被配置为从计算模块18接收电和化学成分的熔化曲线MP，并且将它们转换成分别要发送到解耦单元14和化学物质引入装置15的操作信号，使得它们输送优化量的能量。
管理模块19还被配置为接收与当前的熔化曲线MP相关的数据，并将它们记录在存储模块17上，以连续更新数据库。
前文中描述的管理器械11用来实施用于管理熔化设备10的方法，在熔化设备10中至少发生以下步骤：
-可能在若干时刻将固体金属材料R装载到熔化设备10中，特别是电炉12内部的步骤，
-熔化固体金属材料R以获得熔化材料的步骤，
-精炼熔化材料的步骤。
装料、熔化和精炼步骤的特征既在于时间，例如各个步骤的平均持续时间，也在于量，例如在时间范围内完成各个步骤所需的能量，以及根据最佳熔化曲线MP认为其完成合适所需的相同结果。
最佳熔化曲线MP是那些具有相同初始条件(例如参数A)并且旨在获得精确结果(例如特殊钢种)的曲线，其需要较少的消耗和时间，并且因此成本较低。相反，最不合适的熔化曲线MP是那些超过时间范围、成本或没有达到期望目标的熔化曲线。
一旦建立了熔化程序，在各个熔化周期的装料步骤之前，规定控制单元16的计算模块18将要进行的熔化的处理参数A与加载到存储模块17的数据库中的先前熔化的处理参数进行比较。
可能地，存储单元17中存在的数据库可以被更新或者可以访问云存储装置111，该云存储装置111包含关于其他炉112的熔化的信息。
一旦限定了最相似的先前熔化，计算模块18就提取相应的熔化曲线MP，并且可能将它们组合起来，以获得电和化学成分是至少在开始实施熔化处理时要遵循的基准的熔化曲线MP。
一旦确定了熔化曲线MP，计算模块18基于优化函数APG，动态地调整当前的熔化曲线MP的电和化学成分，目的是使熔化处理的总效率最大化，即使成本函数CF最小化。
函数APG用来连续优化和生成电熔化曲线和化学熔化曲线。
该方法规定根据处理的特定步骤以优化的方式改变电和化学熔化曲线MP。
很明显，在不脱离权利要求书所限定的本发明的领域和范围的情况下，可以对前文中管理电弧炉的方法进行修改。
在下面的权利要求书中，括号中的标号的唯一目的是便于阅读，并且它们不应该被认为是关于具体权利要求中要求保护的范围的限制性因素。
Claims (7)
1.一种熔化设备(10)，包括电炉(12)和管理器械(11)，所述电炉设置有一个以上的电极(13)和化学物质引入装置(15)，所述管理器械包括布置在电网(100)和所述电炉(12)之间的解耦单元(14)，其特征在于，所述管理器械(11)包括控制单元(16)，所述控制单元具有：
-存储模块(17)，其具有存储多个熔化曲线(MP)的数据库，
-计算模块(18)，其被编程为实现优化函数(APG)，所述优化函数自动生成使特别是电能和化学能的成本函数(CF)最小化的当前的熔化曲线(MP)，其中，所述计算模块(18)被配置为在与要在所述电炉(12)中实现的确定的熔化条件相关的参数(A)和在先前熔化中出现的相应的操作参数之间进行比较，以便从所述存储模块(17)的所述数据库中选择一个以上的基准熔化曲线(MP)，以及
-管理模块(19)，其被配置为从所述计算模块(18)接收与所述熔化曲线(MP)相关的数据，并且将它们转换成分别要发送到所述解耦单元(14)和所述化学物质引入装置(15)的操作信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成本函数(CF)至少取决于电力供应量和/或化学供应量。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述电力供应量是弧电流(Ia)、弧电压(Ua)和弧供应频率(Fa)，并且在于所述化学供应量包括至少一股氧气流(QO2)、一股燃料流(Qfuel)、一股碳流(Qc)和一股石灰流(Qlime)。
4.根据前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述管理模块(19)还被配置为接收与所述当前的熔化曲线(MP)相关的数据，并且将它们记录在所述存储模块(17)上，以连续更新所述数据库。
5.一种用于管理熔化设备(10)的方法，所述方法规定通过解耦单元(14)和化学物质引入装置(15)来控制电炉(12)的电力和化学供应，其特征在于，在熔化周期期间：
-管理器械(11)的控制单元(16)的计算模块(18)通过优化函数(APG)自动生成使电能和化学能的成本函数(CF)最小化的当前的熔化曲线(MP)，其中在生成所述熔化曲线(MP)之前，所述计算模块(18)将与要实现的确定的熔化条件相关的参数(A)和在先前熔化中出现的相应的操作参数之间进行比较，以便从所述控制单元(16)的存储模块(17)的数据库中选择一个以上的基准熔化曲线(MP)，以及
-所述控制单元(16)的管理模块(19)从所述计算模块(18)接收与所述熔化曲线(MP)相关的数据，并且生成要发送到所述解耦单元(14)和所述化学物质引入装置(15)的相应操作信号，使得它们输送所需的电能和化学能。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过使所述成本函数(CF)最小化，使以下任一项中的一项或多项最小化：随时间推移所需的能量、电能的消耗或所述电炉(12)的电极(13)的磨损。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述熔化周期规定可能在若干时刻的装料步骤、熔化步骤和精炼步骤，其中，所述方法规定根据所述周期的特定步骤以优化的方式改变电和化学熔化曲线(MP)。
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