用于控制熔化和炼制过程的方法和控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于控制用于熔化金属的电弧炉中的熔化和炼制过程的方法和设备，其中电弧炉包括熔融金属和固体金属以及在熔融金属的表面上的炉渣层，其中电磁搅拌器被布置用于搅拌熔融金属。该方法包括：计算/确定熔融金属和固体金属在一个时间点的质量，其中该计算基于熔融金属和固体金属的初始值、向电弧炉供应的电弧功率以及熔融金属和固体金属的温度（100），基于所计算/确定的质量确定搅拌功率（200），并且向电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率（300）。
【专利说明】用于控制熔化和炼制过程的方法和控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于控制电弧炉中的熔化和炼制过程的方法和控制系统，该电弧 炉包括用于熔化金属或者金属合金的一个或者多个电极、以及被布置用于搅拌熔融金属或 者金属合金的金属磁搅拌器。具体而言，本发明涉及控制电搅拌器的功率。
【背景技术】
[0002] 电弧炉（EAF)是利用电弧以熔化金属或者金属合金的熔炉。典型EAF包括三个电 极、操作地连接到电极的功率供应系统和容器。该容器具有用于耐受高温的耐火衬里。EAF 还配备有装配于侧壁上并且被布置用于向熔化物提供化学能的气体燃烧器。通过例如用于 向熔炉中注入氧气和碳的标枪的装置提供附加化学能。电极的操作由操作地连接到功率供 应系统的控制单元控制。向电极供应的由此产生电弧的功率称为电弧功率。电极在电极与 金属材料、即已经被加载到EAF中的固体金属（例如废料）之间形成电弧。金属熔化物由此 产生并且由电弧功率和来自氧气注入的化学能加热。电极控制系统在熔化金属材料期间维 持近似恒定电流和功率输入。
[0003] 熔融金属和熔化物二者意味着液体形式的金属。
[0004] 电磁搅拌（EMS)系统可以被布置用于搅拌熔炉中的熔化物。典型EMS系统包括 至少一个电磁搅拌器，该电磁搅拌器包括搅拌线圈、操作地连接到搅拌器并且包括频率转 换器和变压器的功率供应系统、冷却水站和操作地连接到功率供应系统以控制搅拌器的操 作的至少一个控制单元。搅拌线圈通常装配于熔炉的钢壳外部。这一线圈生成行进磁场 (travelling magnetic field)以向烙化物提供搅拌力。搅拌器在低频行进磁场操作、穿透 熔炉的钢壳并且以与线性电动机相似的方式移动熔化物。这样，作用于熔炉中的熔化物的 行进线性磁场产生线性力。向电磁搅拌器供应的功率称为搅拌功率。
[0005] 搅拌功率经常由ad hoc方案确定，该方案主要依赖于在生产地点的操作者的经 验。这意味着操作者通过人工接通或者关断搅拌功率来决定搅拌操作，即搅拌的强度/力 度。ad hoc方案不仅造成EAF的耐火物磨损而且造成不必要的电能消耗。
[0006] W02013/010575公开一种用于控制用于烙化金属材料的电弧炉中的烙化过程的方 法和控制系统。该方法包括以下步骤：接收或者收集至少一个过程变量的测量数据、确定过 程的当前状态、执行熔化过程的优化、基于优化的结果确定过程输入并且借助过程输入控 制熔化过程。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是增加生产率并且减少EAF的耐火物磨损和搅拌功率和电弧功率 的不必要的电消耗。
[0008] 在本发明的第一方面中，提供一种用于控制用于熔化金属的电弧炉中的熔化和炼 制过程的方法，其中该方法包括以下步骤：计算/确定熔融金属和固体金属在一个时间点 的质量，其中该计算基于熔融金属和固体金属的初始值、向电弧炉供应的电弧功率以及熔 融金属和固体金属的温度，基于所计算/确定的质量确定搅拌功率，并且向电磁搅拌器供 应所确定的搅拌功率。
[0009] 由于搅拌功率的确定依赖于熔融金属和固体金属的质量以及电弧功率，所以实现 最大搅拌效果，这减少了出炉到出炉时间并且提高了生产率。同时，最小化不必要搅拌、因 此减少了耐火物磨损。
[0010] 根据本发明的一个实施例，该方法包括：基于所计算的熔融金属和固体金属计算 函数，基于所计算的函数确定搅拌功率，并且向电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率。
[0011] 根据本发明的一个实施例，该方法包括基于电弧功率以及确定的熔融金属和固体 金属的质量确定烙融金属和固体金属的温度。
[0012] 根据本发明的一个实施例，该方法包括在充分高的采样速率测量熔融金属的温 度。备选地，可以连续地测量熔融金属的温度。
[0013] 在一个优选实施例中，该方法包括使用微波辐射计来测量来自熔融金属的辐射并 且将所测量的辐射转换成熔融金属的温度。
[0014] 在另一优选实施例中，该方法包括使用非接触传感器来测量熔融金属的温度。
[0015] 在第三优选实施例中，该方法包括测量炉渣层的温度并且将测量的温度校准成熔 融金属的温度。
[0016] 根据本发明的一个实施例，该方法包括基于所测量的温度确定在炼制过程的出炉 温度。
[0017] 有利的是提供EAF中的熔融金属的温度的连续在线测量以减少出炉到出炉时间、 因此提高生产率。
[0018] 在第二方面中，提供一种用于控制用于熔化金属的电弧炉中的熔化过程的控制系 统，其中电弧炉包括熔融金属和固体金属以及在熔融金属的表面上的炉渣层，并且电磁搅 拌器被布置用于搅拌熔融金属，其中该控制系统包括被配置用于以下操作的控制单元：
[0019] -计算/确定熔融金属和固体金属在一个时间点的质量，其中该计算基于相应的 熔融金属和固体金属的初始值、向电弧炉供应的电弧功率以及熔融和固体金属的温度，
[0020] -基于所计算/确定的质量确定搅拌功率，并且
[0021] -向电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率。
[0022] 在本发明的一个实施例中，控制单元还被配置用于：基于所计算的熔融金属和固 体金属计算函数，基于所计算的函数确定搅拌功率，并且向电磁搅拌器供应所确定的搅拌 功率。
[0023] 在本发明的另一实施例中，该控制系统还包括用于测量熔炉中的熔融金属的温度 的温度测量设备。
[0024] 这样的设备可以是非接触传感器单元或者为模辐射计单元并且包括感测元件和 处理单元。感测元件被配置用于用于感测/测量熔融金属的温度并且向处理单元发送所测 量的温度，并且处理单元被配置用于接收所测量的温度、处理所接收的温度并且向控制单 元发送处理后的测量的温度。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 现在将通过描述本发明的不同实施例并且参照附图更具体地说明本发明。
[0026] 图la示出根据本发明的一个实施例的控制搅拌功率的流程图。
[0027] 图lb示出根据本发明的另一实施例的控制搅拌功率的流程图。
[0028] 图2图示根据本发明的第三实施例的用于控制向EMS的搅拌功率的控制系统的系 统示意图。
[0029] 图3图示根据本发明的第四实施例的在向MS供应的搅拌功率与熔融钢和固体钢 的质量之间的关系。
【具体实施方式】
[0030] 图2图示用于控制向电弧炉（EAF)3的电磁搅拌（EMS)系统2的搅拌功率的控制系 统1。EAF被布置用于熔化金属材料、例如金属或者金属合金。在熔化过程之前用桶向EAF 中加载废料44。EAF可以是DC EAF或者AC EAF。
[0031] EAF还包括一个或者多个电极30、由可伸缩顶盖--一个或者多个石墨电极经过 该顶盖进入熔炉--覆盖的容器32和操作地连接到电极30的功率供应系统34。
[0032] EAF操作始于向容器32装载废料金属44,其中熔化开始。降低电极30进入到废 料44上并且撞击出电弧、由此开始熔化废料。针对操作的该第一部分选择更低电压以保护 熔炉的顶盖和壁以免于来自电弧的过热和损坏。一旦电极已经到达在熔炉的基部的大量的 熔化物并且电弧被炉渣遮蔽，可以增加电压并且略微升高电极、由此延长电弧并且增加向 熔化物的功率。随着废料44熔化被成熔融金属40,可以在熔化物40的表面上形成炉渣层 42。
[0033] EMS2装配于外表面、优选为EAF容器32的底部上，但是也可以侧面装配它。EMS 系统2被布置用于搅拌EAF中的熔融金属、因此加入用于熔化金属的过程。
[0034] EMS2还包括操作地连接到搅拌器的搅拌功率供应系统20。
[0035] 控制系统1包括控制单元10,该控制单元操作地连接到搅拌功率供应系统20以控 制搅拌器的操作。控制单元10可以包括硬件、存储器单元、向其中加载软件的至少一个处 理单元。
[0036] 参照图la和lb，控制单元10被配置用于计算或者确定熔融和固体金属在一个时 间点的质量，其中该计算基于熔融和固体金属的初始值、向EAF供应的电弧功率以及熔融 和固体金属的温度，步骤1〇〇。可以给出如下计算作为示例，
[0037] X!(t)=g! (x01, x〇2J P, Ti)
[0038] x2(t)=g2 (x02, P, T2)
[0039] 其中Xl(t)，x2(t)是熔融和固体金属的质量并且可以例如被计算为在熔化过程期 间的时间点t的积分 ；X(I1，X(l2是熔融和固体金属的初始值；P是向电极供应的电弧功率，并 且。!^是熔融和固体金属的温度，其中I\，T 2可以基于电弧功率P以及确定的熔融和固体 金属的质量来确定。备选地，它们可以被测量，步骤90。
[0040] 控制单元还被配置用于基于熔融和固体金属的所计算/确定的质量确定搅拌功 率，步骤200。作为示例，如下，通过所计算/确定的熔融和固体金属的质量的函数完成该确 定，步骤150。
[0041] u=f (χ1? χ2,...)
[0042] 优选地，在熔融金属少于金属的总数量的某个水平时未向EMS供应搅拌功率。该 水平的范围可以在金属的总数量的25-35%之间。这意味着搅拌器在熔融金属尚未达到预 定义水平时将不操作。搅拌功率可以在搅拌功率的电压固定时为电流的形式。
[0043] 搅拌功率/电流然后在熔化过程期间逐渐增加并且达到完全搅拌功率。由于所确 定的搅拌功率是电磁搅拌器的设置点，因而获得恰当搅拌强度/力度、即引起的熔炉中的 搅拌和移动。在炼制过程期间保持完全搅拌功率、因此保持完全搅拌强度。
[0044] 作为另一示例，控制单元还可以被配置用于计算在熔融金属与金属的总数量之间 的比值。然后基于计算的比值确定搅拌功率，步骤200'，
[0045]
【权利要求】
1. 一种用于控制用于熔化金属的电弧炉中的熔化和炼制过程的方法，其中所述电弧炉 包括熔融金属和固体金属以及在所述熔融金属的表面上的炉渣层，其中电磁搅拌器被布置 用于搅拌所述熔融金属，所述方法包括： -计算/确定所述熔融金属和固体金属在一个时间点的质量，其中所述计算基于所述 熔融金属和固体金属的初始值、向所述电弧炉供应的电弧功率、以及所述熔融金属和固体 金属的温度（100)， -基于所计算/确定的质量确定搅拌功率（200)，并且 -向所述电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率（300)。
2. 根据权利要求1所述的方法，包括： -基于在所述时间点的所计算的熔融金属和固体金属计算函数（150)， -基于所计算的函数确定搅拌功率（200'），并且 -向所述电磁搅拌器供应所确定的搅拌功率（300)。
3. 根据权利要求1所述的方法，包括基于所述电弧功率以及确定的熔融金属和固体金 属的质量确定烙融金属和固体金属的温度。
4. 根据权利要求1所述的方法，包括以充分高的采样速率测量熔融金属的温度。
5. 根据权利要求1所述的方法，包括连续地测量熔融金属的温度。
6. 根据权利要求4或5所述的方法，包括测量所述炉渣层的温度并且将所测量的温度 校准成所述熔融金属的温度。
7. 根据权利要求4或5所述的方法，包括使用非接触传感器来测量所述熔融金属的温 度。
8. 根据权利要求4或5所述的方法，包括使用微波辐射计来测量来自所述熔融金属的 辐射并且将所测量的辐射转换成所述熔融金属的温度。
9. 根据权利要求4-8所述的方法，包括基于所测量的温度确定在所述炼制过程的出炉 温度（400)。
10. -种用于控制用于熔化金属的电弧炉（3)中的熔化过程的控制系统（1)，其中所 述电弧炉（3 )包括熔融金属（40 )和固体金属（44 )以及在所述熔融金属的表面上的炉渣层 (42)，并且其中电磁搅拌器被布置用于搅拌所述熔融金属，所述控制系统包括被配置用于 执行根据权利要求1-6所述的步骤的控制单元（19)。
11. 根据权利要求10所述的控制系统（1)，还包括用于测量所述熔炉中的所述熔融金 属的温度的温度测量设备。
12. 根据权利要求11所述的控制系统（1)，其中所述温度测量设备为非接触传感器单 元或者微波福射计单元。
13. 根据权利要求11所述的控制系统（1)，其中所述温度测量设备包括感测元件（14) 和处理单元（12)，其中所述感测元件（14)被配置用于感测/测量所述熔融金属（40)的温 度并且向所述处理单元（12)发送所测量的温度，并且所述处理单元（12)被配置用于接收 所测量的温度、处理所接收的温度并且向所述控制单元（10)发送处理后的测量的温度。
【文档编号】F27B3/28GK104109732SQ201410079917
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2013年4月16日
【发明者】M·伦德, X·张, J-E·埃里克森, L·藤, C-F·林德伯格 申请人:Abb技术有限公司