CN101228406A - 用于确定电弧炉中的至少一个状态参数的方法和电弧炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定电弧炉中的至少一个状态参数、尤其是用于确定泡沫渣(15)高度的方法，其中借助于至少一个电传感器(13a，13b，13c)求得电弧炉的供电并且测量电弧炉上的振动形式的固体声，其中借助于传递函数确定至少一个状态参数、尤其是泡沫渣(15)的高度，通过计算测得的振动、即固体声并通过计算至少一个电传感器(13a，13b，13c)的测量数据求得该传递函数。由此可靠地识别并且随时跟踪泡沫渣(15)的高度状态。泡沫渣(15)的高度对于能量在电弧炉中加入的有效性是重要的。此外通过泡沫渣(15)覆盖电弧(18)减少辐射损失。通过改进的测量方向能够可靠地自动地控制或调节泡沫渣高度。

Description

用于确定电弧炉中的至少一个状态参数的方法和电弧炉
本发明涉及一种用于确定电弧炉中的至少一个状态参数的方法，该电弧炉具有至少一个电极，其中借助于至少一个电传感器求得电弧炉的供电。本发明还涉及一个电弧炉，它具有一个炉缸并且具有至少一个电极，其中每个电极具有一个电流输入。
由DE 197 48 310 C1已知，与电弧炉的供电相结合预测电弧炉中以电弧炉炉料、如废钢、钢、合金材料或添加剂为基础的泡沫渣。但是已经证实，通过这种方式不能足够可靠地且不能足够准确地检测电弧炉的状态参数。
本发明的目的是，能够更好地确定电弧炉的状态参数。
这个目的通过上述形式的方法得以实现，其中测量电弧炉上的振动，并且借助于传递函数确定至少一个状态参数，通过计算测得的振动并通过计算至少一个电传感器的测量数据求得该传递函数。
按照本发明可以非常准确且可靠地在电弧炉运行期间、即在线地求得电弧炉的状态参数、尤其是与电弧炉内容相关的状态参数。由此实现用于电弧炉的改进的自动的工艺控制和调节的重要前提。
作为状态参数可以有利地确定泡沫渣的高度。
适宜地可以借助于至少一个加速度传感器测量电弧炉上的振动、即固体声。
有利地测量振动、即固体声，它源自电弧炉的至少一个电极的至少一个电弧。
可以有利地由激励信号并由输出信号确定传递函数，其中通过计算至少一个电传感器的测量数据求得激励信号，并且通过计算在电弧炉上测得的振动求得输出信号。
可以适宜地借助于至少一个电传感器测量电流信号并且用于形成激励信号。
在本方法的有利改进方案中可以通过使电流信号本身自乘、即通过乘方形成激励信号。
可以有利地借助于至少一个电传感器测量电压信号并且用于形成激励信号。可选择或附加地为了测量和使用电流信号必要时测量和/或使用电压信号。
可以有利地通过使电流信号与电压信号相乘形成激励信号。
可以有利地通过交叉功率频谱确定传递函数。
优选可以对于至少一个中断的频率计算传递函数。
以有利的方式可以使至少一个中断频率是耦入到电弧或电弧炉里面的功率频率的数倍。
可以适宜地根据传递函数的变化对于一个或多个中断的频率确定泡沫渣的高度。
上述方法的另一有利扩展结构在权利要求14至20中给出。
本发明的目的还通过一个电弧炉得以实现，它具有一个炉缸并具有至少一个电极，其中每个电极具有一个电流输入，其中为了执行上述的方法在其不同的扩展结构中在电流输入上具有至少一个电传感器并且在壁体上具有至少一个用于测量振动的固体声传感器。按照本发明的电弧炉的优点在很大程度上与按照本发明的方法的优点类似地给出。
优选可以使每个电极具有一个电传感器。
可以有利地使至少一个固体声传感器由加速度传感器构成。
优选每个电极可以具有一个固体声传感器。
可以有利地使一个或多个固体声传感器设置在位于各个电极对面的炉缸壁体上。
可以有利地使至少一个电传感器和至少一个固体声传感器与信号处理装置耦联。
为了使至少一个固体声传感器与信号处理装置耦联优选可以具有至少一个光波导体。
在电弧炉的有利改进方案中可以使至少一个固体声传感器通过信号导线并且通过前置于光波导体的光学装置与光波导体连接。
可以有利地使至少一个信号导线保护导引地构成。
可以有利地使所述信号处理装置与用于电弧炉的调节装置耦联。
下面借助于示例结合附图描述本发明的其它优点和细节。附图中：
图1简示出按照本发明的电弧炉，
图2简示出该电弧炉的一个截面。
图1示出一个具有多个电极3a，3b，3c的电弧炉，电极通过电流输入与电源装置12耦联。该电源装置12优选具有一个炉用变压器。
借助于在所示示例中三个电极3a，3b，3c中的至少一个电极熔化电弧炉中的炉料、如废钢和/或钢、必要时具有合金材料和/或添加剂。在电弧炉中产生钢时形成炉渣或泡沫渣15(见图2)并且由于吹入介质混合物起泡，由此改善通过在至少一个电极3，3a，3b，3c上构成的电弧18的能量加入(见图2)。
在所示示例中在电极3a，3b3c的电流输入上具有电传感器13a，13b，13c，借助于它们可以测量电流和/其电压或者说输入到电极3a，3b，3c的能量。所述电传感器13a，13b，13c例如通过由电缆构成的用于电测量信号的信号导线14a，14b，14c与信号处理装置8耦联。
在壁体2上或者说在炉缸1的嵌板上、即在炉缸1的外边界上设置用于测量炉缸1上的振动的固体声传感器4，4a，4b，4c。为了提高固体声测量的精度可以适宜地使每个电极3a，3b，3c分别具有一个固体声传感器4a，4b，4c。在此固体声传感器4a，4b，4c不必一定设置在炉缸1的外壁上。优选可以使至少一个附属于电极3a，3b，3c的传感器4a，4b，4c设置在与这个电极3a，3b，3c尽可能微小间距的位置上，优选设置在炉缸1的外壁上的位置上。所述固体声通过钢液熔池16和/或通过泡沫渣15传导到炉缸1上并且可以直接和/或间接地在炉缸1上以振动的形式测量。
所述固体声传感器4，4a，4b，4c与信号处理装置8连接。由固体声传感器4，4a，4b，4c给到信号处理装置8上的信号至少部分地通过光波导体7传导。在光波导体7与固体声传感器4，4a，4b，4c之间设置至少一个光学装置6，它用于增强和/或转换一个或多个固体声传感器4，4a，4b，4c的信号。在炉缸1周围附近或者说也可能直接在炉缸1上具有信号导线5，5a，5b，5c，它们传导固体声传感器4，4a，4b，4c的信号。所述信号导线5，5a，5b，5c优选防止加热、电磁场、机械负荷和/或其它负荷地导引。
所述电传感器13a，13b，13c优选可以通过由电缆构成的信号导线14a，14b，14c与信号处理装置8连接。在信号处理装置8中由固体声传感器4，4a，4b，4c的测量信号并且由电传感器13a，13b，13c的测量信号求得计算数据。所述计算数据涉及电弧炉的至少一个状态参数，其中计算数据优选涉及泡沫渣15(见图2)或者说其高度。所述信号处理装置8将状态信号10、优选实际计算的和/或预先计算的泡沫渣15高度给到电弧炉的调节装置9。所述状态信号10至少部分地代表计算数据。所述调节装置9在考虑状态信号10的情况下求得电弧炉的调节信号11，例如用于控制吹入介质混合物、碳添加物、氧气添加物和/或其它物质到电弧炉里面。
在本发明的示例性扩展结构中也可以求得用于控制或调节至少一个电极3，3a，3b，3c的位置或高度的调节信号11。为了影响电极3，3a，3b，3c的位置、尤其是高度，具有一个或多个用于控制电极3，3a，3b，3c上升或下降的控制机构并且与调节装置9耦联。
一个未示出的控制计算机可以与电弧炉耦联，借助于该计算机可以控制或调节泡沫渣15的建立和高度。该控制计算机将控制信号11尤其给到电弧炉的输入装置。该控制计算机可以具有信号处理装置8和/或调节装置9。所述电弧炉的输入装置例如可以具有一个所谓的吹入枪，借助于它将碳、氧气和/或石灰吹入到电弧炉里面、即电弧炉的炉缸1里面。上述原料尤其吹入到钢液熔池16上方的泡沫渣15里面。优选借助于输入装置将与空气混合的碳输入到泡沫渣15里面。在泡沫渣中碳转换成二氧化碳和/或一氧化碳，由此产生泡沫渣15。通过借助于输入装置吹入介质混合物改善通过电弧18加入的能量(见图2)。此外减少在电弧炉中由于辐射造成的损失。
能够直接或间接地测量或者说借助于模型求得原料、尤其是气体在电弧炉中的浓度。优选将关于原料如碳、氧气、二氧化碳和/或一氧化碳浓度的数据输送到控制计算机或者信号处理装置和/或调节装置9。可以处理输入的数据并且由于求得调节信号11。
在图1中所示电弧炉在示例性的扩展结构中由交流电弧炉构成。原则上本发明可以用于不同形式的电弧炉，例如也可以用于直流电弧炉。
图2以示意图示出在电弧炉中具有电弧18的电极3，3a，3b，3c。在电弧炉炉缸1的壁体2上设置一个固体声传感器4，4a，4b，4c，它与信号导线5，5a，5b，5c连接，借助于它们可以将测量信号传导到信号处理装置8(见图1)。简示出在炉缸1中的钢液熔池16和泡沫渣15。
所述泡沫渣15高度可以在信号处理装置8中借助于固体声在电弧炉中的传递函数确定。该传递函数表征在图2中简示的固体声从激励直到检测的传递路径17。
通过耦入到电弧18里面的电极3，3a，3b，3c上的功率实现固体声的激励。该固体声、即通过激励引起的振动通过液体的钢液熔池16和/或通过至少部分地覆盖钢液熔池16的泡沫渣15传递到电弧炉的壁体2上。也可以附加地、至少部分地通过在电弧炉中未熔化的炉料实现固体声的传递。通过设置在电弧炉炉缸1的壁体2上的固体声传感器4，4a，4b，4c实现固体声检测。这些固体声传感器4，4a，4b，4c接收炉缸1壁体2上的振动。所述固体声传感器4，4a，4b，4c优选由加速度传感器构成。这些固体声传感器4，4a，4b，4c优选安置在泡沫渣区的上方。优选使固体声传感器4，4a，4b，4c设置在与电极3，3a，3b，3c对置的电弧炉壁体2上。
所述电传感器13a，13b，13c检测电极3，3a，3b，3c的电流和/或电压信号。优选分辨时间地检测电流和/或电压信号。通过保护的导线5，5a，5b，5c将固体声传感器的信号导引到光学装置6(见图1)。该光学装置6优选相当靠近实际的电弧炉设置。该光学装置6用于增强和转换固体声传感器4，4a，4b，4c的信号。在光学装置6里面这些信号被转换成光学信号并且通过光波导体7无干扰地以相对较长的距离、例如50至200m传导到信号处理装置8里面。
在信号处理装置8里面检测并计算信号。在信号处理装置8里面优选以足够高的抽样率、例如每秒600个抽样使信号数字化。所述电极3，3a，3b，3c的激励信号优选通过从属的电流信号与从属的电压信号的相乘构成。所述输出信号形成固体声信号。在此信号适用于下列时间范围：
(I)    Y(t)＝h(t)·X(t)，
其中Y(t)称为固体声信号，X(t)称为电弧18中的耦入功率而h(t)称为冲击响应。参数h(t)和X(t)通过折积运算相互合并。
在频率范围中求得传递函数H(ω)：
(II)    y(ω)＝H(ω)·x(ω)
其中x(ω)以及y(ω)是激励信号和输出信号的傅立叶变换。
参数x(ω)，y(ω)和H(ω)是复数。为了避免复杂的除法通过交叉功率频谱计算H(ω)：
(III)    |H(ω)|＝|Wxy(ω)|/Wxx(ω)，
其中Wxy(ω)称为在输入上的、即在激励侧上的交叉功率频谱而Wxx称为功率频谱。
只对于间断的频谱确定传递函数H(ω)，其中间断的频率是电极3，3a，3b，3c电源基频的数倍(谐波)，因为激励只在耦入功率的基波和高次谐波上实现。对于例如以50Hz工作的用于电弧炉的电源装置12间断的频率是100Hz的数倍。
所述传递函数H(ω)表征电弧炉中的介质。因此可以通过传递函数的变化确定介质的时间变化，例如泡沫渣15的高度。通过传递函数的衰减或增强可以计算产生的值，它与泡沫渣15的高度相关。这一点已经在约1至2秒的时间分辨率的测量试验中得到证实。
在信号处理装置8中的计算可以借助于电弧炉运行的经验值匹配。在线地在运行中实现信号检测、信号计算和确定炉渣，因此表征电弧炉中渣高度的状态信号可以用于自动地过程调节。通过按照本发明的在测量技术上改进的泡沫渣工艺特性能够实现改进的工艺控制和调节，它们导致下列优点：
-通过更高的单位熔化功率并且通过减少尤其由于修理炉造成的停机时间提高生产率。
-在出炉温度恒定时减少单位熔化能。
-通过减少对炉缸1内壁的辐射能量减少壁磨损。
-减少电极消耗。
下面概括对于本发明重要的思想：
本发明涉及一种用于确定电弧炉中的至少一个状态参数、尤其是用于确定电弧炉中泡沫渣15高度的方法，其中借助于至少一个电传感器13a，13b，13c求得电弧炉的供电并且测量电弧炉上的振动形式的固体声，其中借助于传递函数确定至少一个状态参数、尤其是泡沫渣15的高度，通过计算测得的振动、即固体声并通过计算至少一个电传感器13a，13b，13c的测量数据求得该传递函数。由此可靠地识别并且随时跟踪泡沫渣15的高度状态。泡沫渣15的高度对于能量在电弧炉中加入的有效性是重要的。此外通过泡沫渣15覆盖电弧18减少辐射损失。通过改进的测量方向能够可靠地自动地控制或调节泡沫渣高度。

Claims (30)

1.用于确定电弧炉中的至少一个状态参数的方法，该电弧炉具有至少一个电极(3，3a，3b，3c)，其中借助于至少一个电传感器(13a，13b，13c)求得电弧炉的供电，其特征在于，测量电弧炉上的振动，并且借助于传递函数确定至少一个状态参数，通过计算测得的振动并通过计算至少一个电传感器(13a，13b，13c)的测量数据求得该传递函数。
2.如权利要求1所述的方法，其中作为状态参数确定泡沫渣(15)的高度。
3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于至少一个加速度传感器测量电弧炉上的振动。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中测量振动，它源自电弧炉的至少一个电极(3，3a，3b，3c)的至少一个电弧(18)。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中由激励信号并由输出信号确定传递函数，其中通过计算至少一个电传感器(13a，13b，13c)的测量数据求得激励信号，并且通过计算在电弧炉上测得的振动求得输出信号。
6.如权利要求5所述的方法，其中借助于至少一个电传感器(13a，13b，13c)测量电流信号，它用于形成激励信号。
7.如权利要求6所述的方法，其中通过电流信号的乘方形成激励信号。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于至少一个电传感器(13a，13b，13c)测量电压信号，它用于形成激励信号。
9.如权利要求8所述的方法，其中通过使电流信号与电压信号相乘形成激励信号。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中通过交叉功率频谱确定传递函数。
11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其中对于至少一个中断的频率计算传递函数。
12.如权利要求11所述的方法，其中至少一个中断频率是耦入到电弧(18)里面的功率频率的数倍。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中根据传递函数的变化对于一个或多个中断的频率确定泡沫渣(15)的高度。
14.用于控制电弧炉的方法，其中按照如上述权利要求中任一项所述的方法确定电弧炉的至少一个状态参数，并且借助于至少一个确定的状态参数求得用于电弧炉的调整和/或调节信号(11)。
15.如权利要求14所述的方法，其中将调整和/或调节信号(11)给到电弧炉的输入装置。
16.如权利要求14或15所述的方法，其中给出调整和/或调节信号(11)，它们影响氧气的吹入。
17.如权利要求14至1 6中任一项所述的方法，其中给出调整和/或调节信号(11)，它们影响碳的吹入。
18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，其中给出调整和/或调节信号(11)，它们影响石灰的吹入。
19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其中给出调整和/或调节信号(11)，它们影响至少一个电极(3，3a，3b，3c)的位置。
20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其中为了求得调整和/或调节信号(11)使用神经网络。
21.一个电弧炉具有一个炉缸(1)并具有至少一个电极(3，3a，3b，3c)，其中每个电极(3，3a，3b，3c)具有一个电流输入，其特征在于，为了执行如上述权利要求中任一项所述的方法在电流输入上具有至少一个电传感器(13a，13b，13c)并且在壁体(2)上具有至少一个用于测量振动的固体声传感器(4，4a，4b，4c)。
22.如权利要求2 1所述的电弧炉，其中每个电极(3，3a，3b，3c)具有一个电传感器(13a，13b，13c)。
23.如权利要求21或22所述的电弧炉，其中至少一个固体声传感器(4，4a，4b，4c)由加速度传感器构成。
24.如权利要求21至23中任一项所述的电弧炉，其中每个电极(3，3a，3b，3c)具有一个固体声传感器(4，4a，4b，4c)。
25.如权利要求24所述的电弧炉，其中一个或多个固体声传感器(4，4a，4b，4c)设置在位于各个电极(3，3a，3b，3c)对面的炉缸(1)壁体(2)上。
26.如权利要求21至25中任一项所述的电弧炉，其中至少一个电传感器(13a，13b，13c)和至少一个固体声传感器(4，4a，4b，4c)与信号处理装置(8)耦联。
27.如权利要求21至26中任一项所述的电弧炉，其中为了使至少一个固体声传感器(4，4a，4b，4c)与信号处理装置(8)耦联具有至少一个光波导体(7)。
28.如权利要求27所述的电弧炉，其中至少一个固体声传感器(4，4a，4b，4c)通过信号导线(5，5a，5b，5c)并且通过前置于光波导体(7)的光学装置(6)与光波导体(7)连接。
29.如权利要求28所述的电弧炉，其中至少一个信号导线(5，5a，5b，5c)保护导引地构成。
30.如权利要求26至29中任一项所述的电弧炉，其中所述信号处理装置(8)与用于电弧炉的调节装置(9)耦联。
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