CN102771183B - 用于运行电弧炉的方法，用于电弧炉的控制和/或调节装置和电弧炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电弧炉、一种用于电弧炉的控制和/或调节装置和一种用于运行电弧炉的方法，其中，利用至少一个电极产生用于熔炼金属的电弧，其中，分配给至少一个电极的电弧具有基于经过调节的第一运行参数组的第一辐射功率，其中，电弧炉按照基于预期处理过程的预定运行程序运行，其中，监控在实际处理过程与预期处理过程之间是否存在不期望的偏差。当出现偏差时，通过预先确定改变了的第二辐射功率，并根据改变了的第二辐射功率算出改变了的第二运行参数组、特别是至少一个阻抗值，由此可以提供一种能够在维护操作装置、特别是电弧炉冷却装置时，尽可能缩短熔炼时间的方法。

Description

用于运行电弧炉的方法,用于电弧炉的控制和/或调节装置和电弧炉

技术领域

本发明涉及一种用于运行电弧炉的方法，其中，利用至少一个电极产生用于熔炼金属的电弧，其中，分配给至少一个电极的电弧具有基于经过调节的第一运行参数组的第一辐射功率，其中，电弧炉按照基于预期处理过程的预定运行程序运行，其中，监控在实际处理过程与预期处理过程之间是否存在不期望的偏差。另外，本发明还涉及一种用于电弧炉的、附属的控制和/或调节装置，以及一种电弧炉。

背景技术

在电弧炉中生产钢材时，通常以固定的运行程序熔炼废料，在这一程序中预先确定电极调节的额定值（例如以电流额定值或阻抗额定值的形式）。这些额定值应保证处理过程的高的生产效率和经济性，并且大多建立在经验值的基础之上。由于要熔炼的废料的特性不断变化，因此理想的方式是应在实际处理过程中对运行图表进行调整。由此可能使废料颗粒局部地和整体地存在松装密度偏差，从而影响熔炼的进展速度。

为了避免过量的能量损耗，无论如何都应使电力工作点与实际熔炼进程相匹配。这基本上可以根据电弧炉调节器的不同实施方式采取不同的方式来完成。在大多情况下，附属的参数是可以分级控制的扼流圈的电抗、可以分级控制的炉用变压器的（多个）次级外导体电压和高于电极调节额定值的电弧电流或阻抗。

通过这些调节参量可以控制熔炼过程。通常，通过运行图表或运行程序根据引入的能量预先确定这些参量。

如果处理过程与存储在运行图表中的预期过程之间出现偏差，则应通过上述调节参量对自动化过程进行干预。

当出现对称偏差，即出现涉及整个熔炉的偏差时，这可以根据操作装置的额定负载，例如通过均匀或对称地改变阻抗额定值进行。然而如果与预期熔炼过程之间存在偏差的情况仅涉及电弧炉的个别区域，则必须进行不同的处理。

如果废料颗粒在熔炉区域内较快熔炼，则应有针对性地进行处理，以便于能够正确对待这个不对称的处理过程。在下炉缸的不同区域的熔炼特性中的这种差异可能是由例如废料炉料中的局部不均匀引起的，后果是在下炉缸中形成非常热的区域（热点）。可以通过例如控制面板的温度分布或如公开文献WO 2009095396 A1所述，更好和更快地通过计算屏蔽因数，对电弧进行不同的反射和屏蔽。

如果降低整个电弧炉的熔炼功率，则可能会使处理过程不必要地延长，并因此降低生产效率。有利的做法是不降低熔炼功率，而是在缸中这样重新进行分布，即为这些区域加载具有更高的辐射功率的、多个未熔炼的废料。

相反地，减小对个别因辐射导致处于对面位置的面板不期望的升温的电弧的屏蔽会使辐射功率下降。根据熔炉的不同实施方式，可以通过不同的方式和方法实现辐射功率的这种不对称分布。

与通过运行程序预先确定的处理过程之间的偏差分为两种。一方面可以由操作人员根据个人经验或根据处理过程中的报警信号手动干预。另一方面可以通过处理过程的反馈信息，大多情况下采用评估下炉缸的面板的热力状态的形式，来适应当前的处理过程。以这种方式和方法可以以电力预定额定值的形式自动调节电力工作点。通常可以对称地调节在所有三个阶段中的功率。

在上述自动调节的情况下，根据热力状态计算应如何改变电弧的熔炼效率。各项不同的调查显示，电弧熔炼效率的特征主要通过对流和热辐射体现出来。当紧邻炉壁元件或炉壁元件前面的废料处的熔炼效率出现这种情况时，特别是电弧发出的辐射功率是有益的。

少量的一些自动化方案也设计了不对称调节预定额定值的方法。为此，按照启发式的原则调整支路阻抗的额定值，或者也在应用合适的炉用变压器时选择不对称的熔炉工作电压。至今为止还无法直接预先确定力求达到的辐射分布。从所选阻抗出发，可以通过基于实践经验的模型随后算出达到的辐射分布。

另外已知的是，作为估计辐射功率的基础的电气参量是基于电弧炉的线性化的、简化的等效电路图计算出来的，参见例如，S.克勒，三相电流电弧炉强电流***的等效电路图与模型，钢和铁110，第51-59页。更进一步的方法是将以这种方法算出的辐射功率与圆线图相结合，参见例如，戈尔特勒等人，“大力优化控制电弧炉，IEEE控制应用国际会议”，台北，台湾，第137-142页。

DE 197 11 453 A1公布了一种用于调节或控制三相电流电弧炉中熔炼过程的方法。此时，探测一个电极周围的温度，并根据探测到的温度调节电极的有效功率。这种情况的缺点是直到已经出现熔炉的过热现象时才进行控制干预。另外，要控制仅对升温间接起作用的有效电功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运行方法、一种电弧炉和一种用于电弧炉的控制和/或调节装置，它们使得在维护操作装置、特别是电弧炉冷却装置时的熔炼时间尽可能缩短。

该目的通过一种用于运行电弧炉的方法来实现，其中，利用至少一个电极产生用于熔炼金属的电弧，其中，分配给至少一个电极的电弧具有基于经过调节的第一运行参数组的第一辐射功率，其中，电弧炉按照预定运行程序运行，其中，监控是否遵循预定运行程序，其中，当运行与预定运行程序之间出现偏差时，预先确定改变了的第二辐射功率，并根据这个改变了的第二辐射功率算出改变了的第二运行参数组、特别是至少一个阻抗值。特别地，通过调节算出的第二运行参数组可以达到预定的改变了的第二辐射功率。

特别是不再需要在至少一个电极的预期辐射功率出现之前使影响电弧的运行参数、特别是阻抗值，通过迭代法（iterativ）在电弧处接近最佳参量。

更确切地说，可以直接并准确地调节一组预期的运行参数、特别是阻抗值，它还可以准确地为至少一个电极、优选地为三个电极提供预期的辐射功率。

其它优点由从属权利要求中得出。

特别是这种模型的迭代法的解决方案可以实现避免在调节阻抗的过程中的迭代。当找出预定辐射功率的阻抗值组后，可以直接对其进行调节。不需对调节过的阻抗值进行迭代调整，从而改善电弧炉的运行动力并缩短时长，直到达到尽可能优化的运行状态。

优选地，为了进行迭代计算，应用第一模型以根据电气参量计算辐射功率，并且另外应用第二模型，利用该第二模型将间接影响辐射功率的参量、特别是阻抗，转换为直接影响辐射功率的电气参量、特别是电弧电流和/或电阻。由此就可以非常适合地算出属于预定辐射功率的电气参量。

优选地，应用第二模型，用于转换电弧炉的等效电路图。由此可以使电弧炉的状态良好地接近于实际情况。

优选地，在算出改变了的第二运行参数组的过程中，考虑到遵循辅助条件、特别是电弧炉运行的技术限制。结果是，只算出合理的运行参数组，即也可以以适当方式调节的运行参数组。由此就可以避免电弧炉因实际技术情况无法实现的“理论上的”结果。

有利的是，根据电弧炉中的电弧屏蔽预先确定改变了的第二辐射功率。特别有利的是，电弧的屏蔽是受监控的，并且当存在不期望的电弧屏蔽时，例如当预定时长的屏蔽小于屏蔽极限时，将第一辐射功率改变为第二辐射功率，特别是这样进行改变，即通过具有减小的屏蔽的电弧来降低炉壁的热负载。其优点为，可以非常早地，也就是在能够明显发觉电弧冷却装置升温之前，就已经对电弧炉中的不期望的状态做出反应。在背景技术中，这种反应会迟很多，特别是直到热负载已经造成温度上升之后才做出反应，其结果是相关构件已承受很大的热负载。通过所述的做法，可以显著降低炉壁的热负载，因为不必等到升温才做出反应。

有利的是，根据电弧炉中的废料分布和/或碎裂程度（Stückigkeit）确定改变了的第二辐射功率。这样就可以例如使为每个例如在实心的大块碎裂废料部件上燃烧的电极所输入的电能最大化，从而能使其更快熔化。

有利地，电弧炉具有三个电极，该电极分别分配有一个电弧，其中，当出现偏差时，为三个电弧中的至少两个电弧，优选地为每个电弧分别确定一个改变了的第二辐射功率，根据这个改变了的第二辐射功率为三个电弧中的至少两个电弧、优选是每个电弧算出第二运行参数组。

此外有利的是，电弧炉具有三个分别分配有一个电弧的电极，其中，当出现偏差时，为每个电弧分别预先确定一个改变了的第二辐射功率，并根据这个第二辐射功率算出一组共同的运行参数、特别是阻抗值，从而使每个电弧达到确定的辐射功率。

优选地这样确定三个电弧的辐射功率，即减小、特别是最小化电弧炉的热负载、特别是电弧炉的冷却元件的热负载。

另外，本发明的目的通过权利要求13和14的内容实现。权利要求13中所述的控制和/或调节装置包含机器可读取的例如模块形式的程序编码，这些模块能使得控制和/或调节装置实施根据本方法的期望的实施方式的方法步骤。

附图说明

下面以示意图的形式对本发明的一种实施方式加以说明。为此，涉及以下附图。

图1示出执行根据本发明的方法的一种实施方式的示意性流程图，

图2示出电弧炉的示例性完整的、线性的等效电路图，

图3示出用于向右旋转三相电流***的电弧电流的计算的方程式，

图4示出具有一个平面的阻抗空间，其中，该平面的元件不断为一条确定的支路提供相同的稳定的辐射功率，

图5示出阻抗空间中两条不同支路的辐射功率的两个等值面。

具体实施方式

由于背景技术有缺陷，因此需要一种估计或计算电弧炉中的熔炼功率以及特别是电弧的辐射功率的方法。

为此，需应用一种能在下炉缸中以一定的方式和方法分配这一功率的模型。通过几个调节参量可以实现这一目标，这些调节参量原则上是支路阻抗的额定值或与其对应一致的电气参量。对于这种情况而言也就必须找到一种能够通过这些调节参量有针对性地并且明确地改变电弧的辐射功率的方法。

为了计算电弧炉中电弧的辐射功率，可以应用不同的模型。

有利地应用一种从根据经验的测量和物理分析中得出的模型。这种模型已在例如迪特莫尔等人，针对电弧炉中热力辐射负载的模型理论调研，电热国际67（2009年）第4期，第195至199页，的方程式12或在扩展的版本的方程式14中公布。按照这种模型，可以在电弧电流和电弧电阻或电弧电压已知的条件下计算出辐射功率。

$\mathrm{\Φ}~\frac{U_B}{\sqrt[8]{I}}{I}^{0.875}{R}_B.---\left(1\right)$

（UB电弧电压，I电流，RB电弧电阻）

修正电压降和熔池凹陷（Badeindrueckung）：

$\mathrm{\Φ}~\frac{(U_B-80V)}{\sqrt[8]{I}}.---\left(1A\right)$

根据预先确定的电的额定值对出现的电流进行计算，这种计算是在电弧炉的完整的、线性化的等效电路图的基础上完成的。其中还考虑到了初级侧元件，例如扼流圈、无功补偿装置以及，如果有必要的话还包括初级侧电源电压的阻抗。基于等效电路图，现在可以在为电弧炉的调节器的阻抗额定值的每个组合设定的变压器-和节流等级中计算出对于该工作点出现的电弧电流和对于每个电弧的电弧电阻或电压，并且进而利用辐射功率模型（方程式1或1a）计算出正确的电弧辐射功率。用于计算电弧电流和电压的方法大致为：

首先，分解用于每个支路i的阻抗额定值Z_Si以计算出各个电弧的电阻R_Bi。为此，在R_Bi与电弧电抗X_Bi之间的一般关系必须是已知的。例如可以考虑关系式

$X_{\mathrm{Bi}}=a{R}_{\mathrm{Bi}}+b{R}_{\mathrm{Bi}}^2$

，该关系式具有熔炉特有的因数a和b。于是，可以计算分配给阻抗额定值Z_Si的电弧电阻R_Bi，同时考虑到次级侧电抗X_Li和引线损耗的电阻R_Li。在上述关系式中，还需根据R_Bi解出一个四次多项式。

这样一来，所有对于计算经过调节的电流所需的次级侧电气参量就都是已知的了。在已知了初级侧电抗X_Pi和电阻R_Pi的情况下，就可以为各个三相电流电弧炉绘制出完整的、线性的等效电路图，例如图2所示。

于是，可以为已知的外导体电压，例如支路1和2之间的U₁₂，计算出电流I_i。在已知了三相电流***的相序的情况下，可以如图3中的向右旋转***所示计算出电流。为了使表述更加清楚明了，将一条支路的电抗概括为X_i，并将电阻概括为R_i。

在已知了电流的情况下，还可以通过电弧U_Bi计算出有效电压

U_Bi＝R_BiI_i.

等效电路图还不受限制地适用于为不对称的运行正确计算出电气参量。

优选地利用本发明这样调节电弧的辐射效率，即避免因个别电弧的屏蔽减小而造成的辐射损失以及因此导致的冷却板过度升温（热点）。

为此，提供了一种计算方法，可以将三个电弧的需调节的辐射功率-额定值用于这种计算方法。对此，见图1所示，并在下文中予以说明。

此外，将绝对辐射功率与分别为运行图表中的支路确定的参量相联系。为了计算关于运行图表： 的基准值Φ^FD，必须按照图1中外侧的虚线箭头实施一次这种方法。相对于这一基准值对电弧的辐射功率加以改变。按照规定，这一改变根据计算出的屏蔽因数来确定（规定见前面的专利申请书）。原则上规定为：高屏蔽：可以提高辐射功率，低屏蔽：必须降低辐射功率。

辐射功率的预定额定值由以下公式得出：

${\mathrm{\Φ}}_i^{\mathrm{Soll}}={\mathrm{\Φ}}_i^{\mathrm{FD}}\·k_i$

其中，修正因数ki出自于屏蔽调整方案（见前面的专利申请书）。

因为辐射功率是电弧电压和电流的函数，并且等效电路图的算法不可逆，所以通过迭代法算出预定的电气额定值，如图1所示。

必须算出阻抗额定值或与阻抗对应一致的参数，预先定量的电弧辐射功率与其相匹配。图1示出迭代数学法。以标准优化法（例如梯度下降法）产生新的、变化的预定额定值。从而计算出从属的电弧电流和电压，并在辐射模块中算出从属的辐射功率在经计算得出的辐射功率与辐射功率额定值之间的最大允许偏差的标准可以例如通过误差平方之和确定。如果误差平方之和超出事前确定的极限值，则通过标准优化法一直迭代地调整预定额定值、例如阻抗Z_i，直到满足条件。在这种情况下，将新得出的额定值、例如阻抗（Z₁，Z₂，Z₃）发送给电极调节器。是否能够找到一种可以实现这一目的的有效方法还取决于个别情况下的预定值。这将在下文中加以说明。

为了基于三相电流电弧炉的支路阻抗对电极进行调节，现在特别以图解形式示出实施本发明的范例。

在设定的变压器-和节流等级中，通过作为调节器的剩余调节参量的阻抗额定值来定义一个三维空间。以一条支路的阻抗额定值来定义这个空间的每根轴。可以为这个空间中的每个点计算出每个电弧的定量确定的辐射功率。如果现在为一个电弧预先确定一个定量的辐射功率，就可以将三维阻抗空间中符合该辐射功率的所有点表示为辐射功率相同的等值面，见图4。另外，Z_Si表示支路i的阻抗额定值，并且Φ_Si表示这一支路的辐射功率。所示的等值面上的每个点都代表阻抗额定值的一个组合，该组合可以使所观察的支路（此处为支路1）中的电弧的辐射功率相等。

此时，为各单独的支路预先确定一个定量的、相对的辐射功率。相关等值面的交集符合阻抗额定值的从属的、被搜索的组合。图5中示出这个三维阻抗空间的范例，其中，预先确定了支路1（例如Φ_Si=110%）和支路3（例如Φ_S3=90%）的辐射功率的等值面。这两个等值面的相交曲线与达到预定的定量的辐射功率的阻抗额定值的组合精确地相符。在等值面的相交曲线上的支路2的相对辐射功率的值范围在原始辐射功率的108%与114%之间。通过支路2的辐射功率的第三等值面的计算，例如其中Φ_S2＝110%，可以在与实践密切相关的配置中精确地得出一个交点。在可以实现辐射功率预定值的情况下，平面（Z₁，Z₂，Z₃）的交点位于电弧炉的允许工作范围内。从属的辐射功率与三条支路的预定的辐射功率精确地相一致。

要注意的是，不需要强制性地使得等值面的交集（=阻抗点（Z₁，Z₂，Z₃））位于阻抗额定值的允许范围内，该允许范围实际上适用于调节器的预定值。通过炉用变压器的额定电流或通过次级传输阻抗来确定最低下限。与之相反，通过电弧长度、辐射功率或电弧稳定性的界限来确定上限。如果等值面的交集超出该界限，则预定的辐射功率不适用于实际的熔炉运行。于是，在允许范围内应用一种尽可能优化并且尽量靠近所要求的辐射功率、并同时考虑到技术限制的解决方法（Z₁，Z₂，Z₃）。例如，可以将误差平方之和用作从属的性能标准。

与已知方法相反，根据本发明为每个电弧预先确定一个定量的辐射功率，并在此基础上正确计算出用于电极调节的预定电气额定值。上述计算方法隐含地提出，根据调节参量计算电弧的辐射功率的等值面，并以迭代的优化法通过准确实现三个电弧的辐射功率的要预定的分配方式来算出预定电气额定值。

由此，可以使电弧炉以最小化的辐射损失进行工作，将电能以最优的方式分配到各个电弧，并使熔化物尽可能均匀且快速地熔化。从而在维护操作装置的条件下显著提高生产效率。

Claims (32)

1.一种用于运行电弧炉的方法，其中，利用至少一个电极产生用于熔炼金属的电弧，其中，分配给所述至少一个电极的电弧具有基于经过调节的第一运行参数组的第一辐射功率，其中，所述电弧炉按照基于预期处理过程的预定运行程序运行，其中，监控在实际处理过程与所述预期处理过程之间是否存在不期望的偏差，其特征在于，当出现偏差时，预先确定改变了的第二辐射功率，并根据所述改变了的第二辐射功率算出改变了的第二运行参数组。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改变了的第二运行参数组是至少一个阻抗值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二运行参数组通过迭代法算出。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，为了进行迭代计算，应用第一模型以根据电气参量计算辐射功率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，另外应用第二模型，利用所述第二模型将间接影响所述辐射功率的参量，转换为直接影响所述辐射功率的电气参量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述间接影响所述辐射功率的参量是阻抗。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述直接影响所述辐射功率的电气参量是电弧电流和/或电阻。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，应用所述第二模型，用于转换所述电弧炉的等效电路图。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在算出所述改变了的第二运行参数组的过程中，考虑到遵循辅助条件。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在算出所述改变了的第二运行参数组的过程中，考虑到遵循辅助条件。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述遵循辅助条件是电弧炉运行的技术限制。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述遵循辅助条件是电弧炉运行的技术限制。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述电弧炉中的电弧屏蔽预先确定所述改变了的第二辐射功率。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据所述电弧炉中的电弧屏蔽预先确定所述改变了的第二辐射功率。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述电弧炉中的废料分布和/或碎裂程度预先确定所述改变了的第二辐射功率。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据所述电弧炉中的废料分布和/或碎裂程度预先确定所述改变了的第二辐射功率。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述电弧炉具有三个电极，所述电极分别分配有一个电弧，其中，当出现偏差时，为三个电弧中的至少两个电弧分别确定一个改变了的第二辐射功率，根据所述改变了的第二辐射功率为三个电弧中的至少两个电弧算出第二运行参数组。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述电弧炉具有三个电极，所述电极分别分配有一个电弧，其中，当出现偏差时，为三个电弧中的至少两个电弧分别确定一个改变了的第二辐射功率，根据所述改变了的第二辐射功率为三个电弧中的至少两个电弧算出第二运行参数组。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，当出现偏差时，为三个电弧中的每个电弧分别确定一个改变了的第二辐射功率。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，根据所述改变了的第二辐射功率为三个电弧中的每个电弧算出第二运行参数组。

21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，至少两个电弧的辐射功率被改变，其中，分配给三个电极的电弧的各个单独的辐射功率之和在所述辐射功率改变之前和之后基本上是相等的。

22.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述电弧炉具有三个电极，所述电极分别具有一个电弧，其中，当出现偏差时，为每个电弧分别预定一个改变了的第二辐射功率，并根据所述第二辐射功率算出一组共同的运行参数，从而使每个电弧达到确定的辐射功率。

23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述电弧炉具有三个电极，所述电极分别具有一个电弧，其中，当出现偏差时，为每个电弧分别预定一个改变了的第二辐射功率，并根据所述第二辐射功率算出一组共同的运行参数，从而使每个电弧达到确定的辐射功率。

24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述电弧炉具有三个电极，所述电极分别具有一个电弧，其中，当出现偏差时，为每个电弧分别预定一个改变了的第二辐射功率，并根据所述第二辐射功率算出一组共同的运行参数，从而使每个电弧达到确定的辐射功率。

25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述共同的运行参数是阻抗值。

26.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，三个电弧的所述辐射功率这样确定，即减小所述电弧炉的热负载。

27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，三个电弧的所述辐射功率这样确定，即减小所述电弧炉的热负载。

28.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，三个电弧的所述辐射功率这样确定，即减小所述电弧炉的热负载。

29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，最小化所述电弧炉的热负载。

30.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电弧炉的热负载是所述电弧炉的冷却元件的热负载。

31.一种用于熔炼金属的电弧炉，具有至少一个用于产生电弧的电极，具有实施根据权利要求1至30中任一项所述方法的控制和/或调节装置，其中，所述控制和/或调节装置与用于调节辐射功率和/或影响所述辐射功率的参量的装置有效连接。

32.根据权利要求31所述的电弧炉，其特征在于，所述电弧炉具有三个所述电极。