专利名称：用于确定热辐射的辐射度量的方法,执行该方法的电弧炉、信号处理设备以及程序代码和 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定从在电极和熔炼炉料之间燃烧的电弧出发的射到电弧炉边 界上的热辐射的辐射度量的方法，用于执行该方法的信号处理设备、存储介质和程序代码。
背景技术：
电弧炉用来制备液态金属、通常为钢。该液态金属由固体的熔炼炉料，例如金属废 料或还原铁，与其它附加材料共同制成。为此借助一个或多个电极，通常以在电极和熔炼炉 料之间的电弧形式，将用于熔化熔炼炉料的能量送入电弧炉中。为了可以尽可能有效地进 行熔化，应尽可能将由电弧所提供的全部能量送入熔炼炉料中。在此将要熔化的固体材料、 液态金属和/或甚至于炉渣理解为熔炼炉料。但是由于在当今电弧炉中的预先规定的运行方式，可能导致电弧在熔化过程期间 裸露燃烧。即从在电极和熔炼炉料之间构成的电弧出发的热辐射，在很高的程度上到达电 弧炉的边界上，尤其是到达电弧炉的冷却的炉壁上。由于一方面仅在小范围中将电弧炉的 能量送入熔炼炉料中，另一方面必须在必要时提高用于冷却炉壁的冷却功率，由此炉的能 耗上升。
发明内容
本发明的任务是提供开始所述类型的一种方法，用该方法可以确定表征电弧炉电 极的运行状态的参量。此外，本发明的任务是说明一种适于执行该方法的电弧炉，以及一种 促进该方法的信号处理设备，一种用于此的存储介质和程序代码。在开始所述类型的方法中，通过采集输送给电极的电极电流来解决所述任务的涉 及方法的部分，其中采集电弧炉的固体声振动，其中根据所采集的电极电流来确定与所采 集的电极电流的频段有关的电流分析信号，其中根据所采集的固体声振动来确定与所采集 的固体声振动的频段有关的振动分析信号，其中作为热辐射的度量形成由至少一个对于所 采集的电极电流和所采集的固体声振动来说共有的频率的振动分析信号和电流分析信号 构成的商。由振动分析信号和电流分析信号构成的商，可以理解为由振动分析信号除以电 流分析信号形成的商，也可以理解为由电流分析信号除以振动分析信号形成的商。这两种 商可以等效地用于确定辐射度量。辐射度量尤其是表征从电弧出发射到电弧炉边界上的辐 射功率。该辐射度量要么可被用于使得随着到电弧炉边界上的辐射功率上升而上升，要么 可被用于使得随着到电弧炉边界上的辐射功率下降而上升。在后者的情况下，辐射度量反 映电弧被熔炼炉料覆盖。应将热辐射理解为起热作用的电磁辐射，即在其击中的边界上导 致温度变化。由此可以确定电弧通过泡沫渣或发泡渣和/或固体熔炼炉料的包络或覆盖。如果 电弧完全由金属废料或泡沫渣覆盖，则通过电弧进入熔炼炉料的能量输入是特别好的。因 为电弧的主要为红外辐射的热辐射直接射到相邻于电弧布置的熔炼炉料上并由该熔炼炉料至少部分地吸收。由此，电弧炉的尤其是冷却的炉壁段受到防止过度加热的保护，并且进 入熔炼炉料中的能量输入得到改善。由此可以更快地提供液相的熔炼炉料，并且因而可以 更快地实现液态金属从电弧炉中的出炉。这又导致电弧炉的生产量提高。在本发明的一种有利的扩展方案中，作为辐射度量形成由针对多个共有频率所形 成的商组成的总和。因此对于特定的共有频率，每次形成一个由振动分析信号和电流分析 信号构成的商。这对于多个频率进行。因此例如分别对于100Hz，300Hz和500Hz形成由振 动分析信号和电流分析信号构成的商。然后累加这些商，并将总和用为辐射度量。由此可 以达到辐射度量的特别高的精度，该辐射度量表征电极的状态参量、尤其是在电极上燃烧 的电弧的覆盖或包络。在本发明的另一种有利的实施方式中，从由多倍的电极双倍工作频率组成的组中 选出多个共有频率中的至少一个。这些频率特别导致辐射度量的精度的进一步提高。在此 优选采用为电极双倍工作频率的m倍的频率，其中m等于1，2，3，4，5或6。所述工作频率是 用其给电极施加诸如电压或电极电流的电参量的频率。所述工作频率通常是给电极馈电的 电网的电网频率。在本发明的另一有利的扩展方案中，与频率有关的电流分析信号基于
b bln(Q) X Jl(t)ne-iotdt或者工n(co) oc [|l(tfe-iutdt
aa式中n 参数，n G 1，2，3，...，i 虚数单位，e 欧拉数，t 时间，《 电极电流的圆 周频率，I(t)所采集的与时间有关的电极电流，1( )与频率有关的电极电流，a:积分区 间的开始，b:积分区间的结束。例如可以将a选择为负无限的，b选择为正无限的。替代地 也可以选择有限的积分区间。
b特别有利地将In(co) oc I(t)ne—iutdt的n选择等于2。由此获得可以特别简单地确
a
b
定的电极电流的平方。同样可以有利地将In< ) oc IlKtre-Mcit的n选择等于1。由此将
a
电极电流的数值用于确定辐射度量。尤其有利的是，将傅里叶变换In( )的绝对值用作为与频率有关的电流分析信 号，即丨1“— ^ x/i>i>)
o在本发明的另一有利的实施方式中，将与频率有关的振动分析信号形成为函数
bKn(co) oc J K(t)ne"iutdt
a的与频率有关的绝对值或数值 式中n 参数，n G 1，2，3，. . .，i 虚数单位，e 欧拉数，t 时间，《 所采集的固 体声振动的圆周频率，K(t)所采集的与时间有关的固体声信号，K(co)与频率有关的固 体声信号，K(co) * :K(co)的共轭复数的固体声信号，a 积分区间的开始，b 积分区间的结 束。将复振动分析信号的绝对值用于确定辐射度量是特别有利的，因为这提供特别好的结果。有利地将n设为等于1。在本发明的另一有利的扩展方案中，使用辐射度量来控制和/或调节电弧炉的至 少一个过程参量。将过程参量理解为优选主要影响电弧炉中熔化固体材料的过程的任何可 调节的物理参量。通过将辐射度量用于控制和/或调节电弧炉，可以进一步提高电弧炉的 自动化程度，并因此进一步改善电弧炉的运行。尤其有利的是设置一种用于运行具有至少 一个电极的电弧炉的方法，其中借助由该至少一个电极形成的电弧来熔化输送给电弧炉的 固体材料，其中确定辐射度量并借助所确定的辐射度量来控制和/或调节电弧炉的过程参 量。用于确定辐射度量的方法可以有利地与用于确定电弧炉中的状态参量的其它方 法相组合。因此在炼钢过程或熔化过程中，可以将电弧炉的运行尽可能全面和动态地与分 别在电弧炉中存在的状态参量相匹配。所述任务的涉及信号处理设备的部分通过用于电弧炉的具有机器可读的程序代 码的信号处理设备来解决，该程序代码具有促使信号处理设备执行按照权利要求1至8之 一的方法的控制指令。因此可以自动执行辐射度量的确定，并且可以借助该辐射度量在有 需要时直接对电弧炉的过程参量进行控制和/或调节。替代地也可以借助所确定的和优选 输出的、尤其是图形输出的辐射度量通过操作员手动调节电弧炉的调节量。所述任务的涉及存储介质的部分通过在上面存储有根据权利要求12的机器可读 程序代码的存储介质来解决。所述任务的涉及电弧炉的部分通过如下电弧炉来解决该电弧炉具有至少一个电 极，具有用于采集输送给该至少一个电极的电极电流的电极电流采集设备，具有用于采集 电弧炉边界的固体声的固体声传感器，以及具有按照权利要求10的信号处理设备，其中电 极电流采集设备与信号处理设备的固体声传感器有效连接。因此可以提供一种可借助所确 定的辐射度量改善性地运行的电弧炉，其方式是确定表征电弧炉电极的运行状态的参量。在根据本发明的电弧炉的一种优选的扩展方案中，信号处理设备与用于根据辐射 度量确定电弧炉的至少一个过程参量的调节量的控制和/或调节设备有效连接。可以在构 造上互相组合或分开地构成信号处理设备和控制和/或调节设备。这两个设备的共同作用 允许电弧炉的自动化的改善的运行。尤其是可以改善或有目标地进行电极的位置控制、能 量输入、附加材料的添加、加料时刻和/或出炉时刻的预测。过程参量的调节量可理解为借 助其可间接或直接调节过程参量的任何量。有利地可将用于确定电弧炉中辐射度量的方法与用于确定电弧炉中状态参量的 其它方法相组合。因此在炼钢过程或用于制备液态金属池或钢池的熔化过程中，可以将电 弧炉的运行尽可能全面和动态地与分别在电弧炉中存在的状态参量相匹配。
从以下借助示意图更准确阐述的实施例中得出本发明的其它优点。图1示出用于确定根据本发明的辐射度量的电弧炉的示意图，图2示出所采集的关于时间的电极电流信号的示图，图3示出所采集的关于时间的固体声信号的示图，图4示出关于时间的辐射度量的示图，
图5示出一个流程图，该流程图示出用于确定辐射度量的方法的示意性流程。
具体实施例方式图1示出具有多个电极3a，3b，3c的电弧炉1，这些电极经过电流引线与电流供应 设备12耦合。电流供应设备12优选具有电炉变压器。借助三个电极3a，3b，3c，在电弧炉1中熔化诸如废钢和/或废铁和/或直接还原 铁的炉料，所述炉料可能具有合金剂和/或附加材料。迄今为止不准确知道，有多少电弧的 辐射能量送入位于电弧炉中的熔炼炉料中。因而可能发生电极3a，3b和/或3c的电弧裸 露燃烧，因此送入能量的高的分量到达电弧炉的边界上，尤其是到达炉容器1’的侧面的、通 常冷却的炉壁2上。这例如在金属废料崩塌之后或在过小的泡沫渣高度的情况下可能是这 种情况。但是电弧的裸露燃烧尤其是由于热力学的原因是不受欢迎的，并且因此应该尽可 能及早发现，以便抵制这种裸露燃烧。尤其是可以通过根据本发明的方法，通过将所确定的 辐射度量用来调节电极位置来防止电弧的裸露燃烧。在所示出的示例中，在电极3a，3b，3c的电流引线上设置电极电流采集设备13a， 13b，13c，借助这些电极电流采集设备的电流和/或电压可以测量输送给电极3a，3b，3c的 能量。电极电流采集设备13a，13b，13c与信号处理设备8有效连接。即在至少一个电极电 流采集设备13a，13b，13c和信号处理设备8之间进行无接触的或基于接触的信号传输。在 此，所传送的信号代表随着时间的推移所采集的电极电流。这样的信号的传送优选连续地 并针对所有输送给电极3a，3b，3c的电极电流来进行。在炉壁2上或在炉容器1’的护壁板上，即在炉容器1’的外部边界上，布置有用于 采集在炉容器1上的振动的固体声传感器4a，4b，4c。固体声传感器4a，4b，4c可以间接和 /或直接与炉容器1’或与炉容器1’的炉壁2相连接地布置。用于测量固体声振动的固体 声传感器4a，4b, 4c优选布置在直接与各个电极3a，3b，3c相对的炉壁2的振动位置上，并 且优选设置至少像电极3a，3b，3c那样多的固体声传感器4a，4b，4c。固体声传感器4a，4b，4c与信号处理设备8有效连接。即在至少一个固体声传感 器4a，4b，4c和信号处理设备8之间进行无接触的或基于接触的信号传输。在此，所传送的 信号代表随着时间的推移所采集的炉容器的炉壁2在固体声传感器4a，4b，4c位置上的固 体声振动。这样的信号的传送优选连续地进行。从固体声传感器4a，4b，4c向信号处理设备8传送的信号优选至少部分地经过光 波导7传导。在光波导7和固体声传感器4，4a，4b，4c之间布置有至少一个光学设备6，该 光学设备6用于放大和/或转换一个或多个固体声传感器4a，4b，4c的信号。在炉容器1’ 的较近的环境中或有时也直接在炉容器1’上可以设置传导固体声传感器4a，4b，4c的信号 的信号线。优选以保护信号线免受高温、电磁场、机械负载和/或其它负载的方式来引导信 号线。如在以下借助图2至图5所阐述的那样，在信号处理设备8中确定辐射度量。然 后可将所确定的辐射度量传送给调节设备9，该调节设备9将该辐射度量用于调节电弧炉1 的过程参量的调节量。借助该辐射度量例如可以将电极3a，3b，3c的电极位置、尤其是垂直 的电极位置调节为使得从电极3a，3b，3c出发的电弧被金属废料和/或泡沫渣基本上持续 地覆盖。还可以与所确定的辐射度量有关地调节电弧本身，并因此调节各个电极的能量输入。也可以在必要时借助所确定的辐射度量来调节到电弧炉1中的媒质添加，所述媒质例 如用于激发泡沫渣的形成或用于熔炼炉料的预处理。以电弧炉1的电极3a为例，结合图1示例性地阐述对辐射度量的确定。对辐射度 量的确定优选在电弧炉1的运行期间连续地进行并针对所有的电极3a，3b，3c来进行。图 2中示出用电极电流采集设备13a所采集的电极3a的在时间上采集的电极电流。只要数据还未以数字化形式存在，便将所测量的或所采集的电极电流数字化。这 借助例如每秒12000次采样的足够高的采样率来实现。采样率的大小与出现的时间上的电 极电流变化dl(t)/dt有关。在此，I(t)是分配给电极电流的时间上变化的电极电流信号， 而t是时间。电极电流随时间变化得越快，通常将采样率选择得越高，以便以相应的精度来 采集电极电流的变化。必要时可以与预期的电极电流变化有关地调节采样率。所述的内容 类似地适用于由固体声传感器4a，4b，4c所采集的炉壁2的固体声振动。因此采集图3中 示例性示出的时间分辨的固体声振动信号K(t)。在将信号处理设备8用于本方法的分析之前，优选借助存储介质22，例如计算机 光盘，将机器可读的程序代码21形式的本方法一次性输入，并寄存在存储器可编程的信号 处理设备8上。因此信号处理设备8准备好执行用于确定电弧炉中的辐射度量的方法。将代表借助电极电流采集设备13a所采集的电极电流的电极电流信号I⑴输送 给所准备的信号处理设备8。在信号处理设备8中，电极电流信号I (t)转化成电极电流信号 的平方I2(t)，并且平方的电极电流信号I2(t)从时域变换到频域中，使得获得按照频率分 量划分的平方的电极电流信号I2(f)，其中f为频率。与I2(f)同等意义地可以确定12( )， 其中co =23lf。优选借助傅里叶变换实现平方的电极电流信号I2(t)从时域到频域中的 变换。但是必要时另外的变换方法也适用于将信号从时域转化到频域中。这些变换方法同 样供专业人员使用。可替代地也可以采用I(t)的绝对值，S卩|l(t)|。现在，从所变换的平方电极电流信号I2(t)的频谱中确定要分析的频段。该要分析 的频段在这里优选由多个离散的频率、即由多倍的电极双倍工作频率&组成，其中优选采 用如下多倍，，，和6&。在欧洲电极的工作频率通常等于电网频率，即50Hz。 因此优选在商形成时采用来自以下组中的至少一个频率200Hz，300Hz，400Hz，500Hz或 600Hz。在电极工作频率或电网频率不同于50Hz的其它国家中，可以类似地对待。对于这 些频率，使用变换的平方的电极电流分量来确定辐射度量。因此在本实施例中，由经过傅里 叶变换的平方的电极电流信号的绝对值形成电流分析信号。借助固体声传感器4a，4b, 4c采集的固体声振动信号K (t)被输送给信号处理设备 8，并同样从时域转化到频域中。图3中示出所采集的时间分辨的固体声振动信号K(t)。必 要时也可以将固体声振动信号K(t)的不等于1的指数用于确定辐射度量。同样优选借助 傅里叶变换来实现固体声振动信号K(t)从时域到频域中的转化。现在从所变换的固体声 振动信号K(t)的频谱中确定要分析的频段，该频段与平方的电极电流信号I2(t)的要分析 的频段是相同的。对于这些频率，在该实施例中为，，和，现在确定所变换的固 体声振动信号分量的数值或绝对值。因此在本实施例中，由经过傅里叶变换的固体声振动 信号的数值形成振动分析信号。根据电流分析信号和振动分析信号，对于频率，，和形成由电流分 析信号和振动分析信号构成的商的总和，其中这些商分别对于电流分析信号和振动分析信号的共有频率形成。该由离散频率的商构成的总和形成良好的辐射度量，该辐射度量用于 评价电弧到炉容器炉壁上的热辐射，或评价在电极和熔炼炉料之间燃烧的电弧的由熔炼炉 料——例如固体材料或泡沫渔——形成的覆盖或包络的热幅射。图4中对于不同的电极3a，3b，3c与时间t有关地示出电弧炉运行期间的辐射度 量SM的时间曲线。从图4的示图中可以看出，辐射度量SM在开始时——在出现的波动的 范围内——以微小的程度围绕相对恒定的水平波动。在辐射度量的该示图中，该水平意味 着电弧被熔炼炉料覆盖。对于较后面的时间t可以看出，电极3c的辐射度量SM急剧下降。 该电极3c的电弧裸露燃烧。这例如可以归因于覆盖电弧的废料堆崩塌或熔化完了。必要 时泡沫渣水平或垂直电极位置的改变也可能是恶化的电弧覆盖、进而提高了的辐射度量SM 的诱因。但是，该裸露燃烧的原因通常可以明确地通过与对于电弧或电弧炉存在的其它数 据的平衡来识别，这些数据例如是电气数据、从熔炼过程开始后已过去的时间、温度数据、 吸尘装置中物质的浓度测量等等。现在，借助所确定的辐射度量可以识别裸露燃烧的电弧。 由此可以更好地、尤其是更快地抵制裸露燃烧的电弧。图5示出一个流程图，该流程图示出本方法的示例性流程。在此出发点在于，电弧 炉处于运行中并且设置和形成在电极和固体材料之间的用于熔化固体材料的电弧。首先在方法步骤30中采集电弧炉的每一个电极的电极电流。同时在方法步骤30’ 中，借助在炉容器炉壁上的固体声传感器采集固体声振动。通过脉动的电弧来激励炉容器 炉壁的固体声振动。然后在方法步骤41中，根据所采集的电极电流确定电流分析信号，该电流分析信 号例如以经过傅里叶变换的平方的电极电流的绝对值的形式或以电极电流的经过傅里叶 变换的数值形式。时间上与此同时地在方法步骤41’中，将所采集的固体声振动信号从时 域变换到频域中，并随后确定经过变换的复固体声振动信号的数值。优选在开始本方法之前，确定应对其形成商的频率。这优选是多倍的电极双倍工 作频率。然后在方法步骤42中，对于各个频率确定由与频率有关的电流分析信号和与频 率有关的振动分析信号构成的商。在方法步骤43中，根据这些商形成多个不同的各个商共 有的频率的商的总和，其中辐射度量主要基于这些共有频率。附加地可以对于不同的商规 定加权因数，以便必要时适配特定的由构造特点所表征的电弧炉的辐射度量。此外可以对 辐射度量使用其它的标度因数，以便获得对辐射度量的更有说服力的描述。优选一方面在方法步骤34中将所确定的辐射度量以图形方式显示给操作员。另 一方面在平行运行的方法步骤35中，从辐射度量中计算出电弧炉的调节量，以便有利地介 入熔化过程。随后在方法步骤36中检查是否应终止该方法。如果这不是这种情况，例如因 为熔化过程还未结束，则一直执行该方法，直至应终止该方法为止。向操作员输出关于辐射度量的信息以及借助该辐射度量控制和/或调节电弧炉 是该方法的选择性的组成部分。
权利要求
一种用于确定从在电极(3a，3b，3c)和熔炼炉料之间燃烧的电弧出发的射到电弧炉(1)的边界(2)上的热幅射的辐射度量(SM)的方法，其中采集输送给电极(3a，3b，3c)的电极电流(30)，其中采集电弧炉(1)的固体声振动(30’)，其中根据所采集的电极电流确定与所采集的电极电流的频段有关的电流分析信号(41)，其中根据所采集的固体声振动确定与所采集的固体声振动的频段有关的振动分析信号(41’)，其中将由至少一个对于所采集的电极电流和所采集的固体声振动来说共有的频率的振动分析信号和电流分析信号构成的商形成(42)为辐射程度(SM)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，将由多个共有频率(3&，4&，5&，6&)形成的商构成的总和形成为辐射程 度(SM)。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，从由多倍的电极(3a，3b，3c)双倍工作频率(f 0)所组成的组中选出多个 共有频率(3&，4&，5&，6&)中的至少一个。
4.根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，所述与频率有关的电流分析信号基于In(ω) oc J I(t)ne-iutdt或基于aIn (ω) χ J |l(t)|ne-iutdta式中n作为参数，η e 1,2,3,...i 虚数单位 e 欧拉数 t 时间ω :电极电流的圆周频率 I(t)所采集的与时间有关的电极电流 I (ω)与频率有关的电极电流 a 积分区间的开始 b 积分区间的结束。
5.根据权利要求4的方法，b其特征在于，将1 <ω) oc _[ 1狀 坤勺11选择等于2。a
6.根据权利要求4的方法，b其特征在于，将Ιη(ω) J IKtfe-uitWn选择等于1。d
7.根据权利要求1至6之一的方法，其特征在于，将所述与频率有关的电流分析信号形成为函数Ιη(ω)的与频率有关的绝 对值| η(ω)| = ^In (ω) · In (ω)*ο
8.根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，将所述与频率有关的振动分析信号形成为函数Κη(ω) χ _[ K(t)ne-iutdt的 与频率有关的绝对值|Κπ(ω)| 二.， 式中n作为参数，η e 1,2,3,...i 虚数单位 e 欧拉数 t 时间ω 所采集的固体声振动的圆周频率 K(t)所采集的与时间有关的固体声信号 Κ(ω)与频率有关的固体声信号 Κ(ω) * :Κ(ω)的共轭复数的固体声信号 a 积分区间的开始 b 积分区间的结束。
9.根据权利要求1至8之一的方法，其特征在于，将所述辐射度量(SM)用于控制和/或调节电弧炉(1)的过程参量。
10.一种用于电弧炉(1)的信号处理设备(8)，具有机器可读程序代码(21)，该程序代 码(21)具有促使信号处理设备(8)执行根据权利要求1至9之一的方法的控制指令。
11.一种用于电弧炉(1)的信号处理设备(8)的机器可读程序代码(21)，其中该程序 代码(21)具有促使信号处理设备(8)执行根据权利要求1至9之一的方法的控制指令。
12.—种具有存储在上面的根据权利要求11所述的机器可读程序代码(21)的存储介 质(22)。
13.一种电弧炉(1)，具有至少一个电极(3a，3b，3c)，具有用于采集输送给至少一个电 极(3a，3b，3c)的电极电流(I(t))的电极电流采集设备(13a，13b，13c)，具有用于采集电弧 炉(1)边界(2)的固体声的固体声传感器(4a，4b，4c)，以及具有根据权利要求10所述的 信号处理设备(8)，其中将所述电极电流采集设备(13a，13b，13c)和固体声传感器(4a，4b， 4c)与信号处理设备(8)有效连接。
14.根据权利要求13的电弧炉，其特征在于，将所述信号处理设备(8)与用于根据辐射度量(SM)确定电弧炉(1)的过 程参量的调节量的控制和/或调节设备(9)有效连接。
全文摘要
本发明涉及用于确定从在电极和熔炼炉料之间燃烧的电弧出发的射到电弧炉边界上的热幅射的辐射度量的方法，用于执行该方法的电弧炉、信号处理设备以及程序代码和存储介质。通过采集输送给电极的电极电流，其中采集电弧炉的固体声振动，其中从所采集的电极电流中确定与所采集电极电流频段有关的电流分析信号，其中从所采集的固体声振动中确定与所采集固体声振动频段有关的振动分析信号，其中作为辐射度量形成至少一个对于所采集的电极电流和所采集的固体声振动来说共有的频率的振动分析信号和电流分析信号构成的商，因此可以提供一种方法，利用该方法可确定表征电弧炉电极运行状态的参量。
文档编号F27D19/00GK101933394SQ200980103686
公开日2010年12月29日 申请日期2009年1月28日 优先权日2008年1月31日
发明者A·多贝勒, D·里格, K·克鲁格, T·马特舒拉特 申请人:西门子公司