用于控制熔化和煉制過程的方法和控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于控制用于熔化金屬的電弧爐中的熔化和煉制過程的方法和設備，其中電弧爐包括熔融金屬和固體金屬以及在熔融金屬的表面上的爐渣層，其中電磁攪拌器被布置用于攪拌熔融金屬。該方法包括：計算/確定熔融金屬和固體金屬在一個時間點的質量，其中該計算基于熔融金屬和固體金屬的初始值、向電弧爐供應的電弧功率以及熔融金屬和固體金屬的溫度（100），基于所計算/確定的質量確定攪拌功率（200），并且向電磁攪拌器供應所確定的攪拌功率（300）。
【專利說明】用于控制熔化和煉制過程的方法和控制系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于控制電弧爐中的熔化和煉制過程的方法和控制系統，該電弧 爐包括用于熔化金屬或者金屬合金的一個或者多個電極、以及被布置用于攪拌熔融金屬或 者金屬合金的金屬磁攪拌器。具體而言，本發明涉及控制電攪拌器的功率。
【背景技術】
[0002] 電弧爐（EAF)是利用電弧以熔化金屬或者金屬合金的熔爐。典型EAF包括三個電 極、操作地連接到電極的功率供應系統和容器。該容器具有用于耐受高溫的耐火襯里。EAF 還配備有裝配于側壁上并且被布置用于向熔化物提供化學能的氣體燃燒器。通過例如用于 向熔爐中注入氧氣和碳的標槍的裝置提供附加化學能。電極的操作由操作地連接到功率供 應系統的控制單元控制。向電極供應的由此產生電弧的功率稱為電弧功率。電極在電極與 金屬材料、即已經被加載到EAF中的固體金屬（例如廢料）之間形成電弧。金屬熔化物由此 產生并且由電弧功率和來自氧氣注入的化學能加熱。電極控制系統在熔化金屬材料期間維 持近似恒定電流和功率輸入。
[0003] 熔融金屬和熔化物二者意味著液體形式的金屬。
[0004] 電磁攪拌（EMS)系統可以被布置用于攪拌熔爐中的熔化物。典型EMS系統包括 至少一個電磁攪拌器，該電磁攪拌器包括攪拌線圈、操作地連接到攪拌器并且包括頻率轉 換器和變壓器的功率供應系統、冷卻水站和操作地連接到功率供應系統以控制攪拌器的操 作的至少一個控制單元。攪拌線圈通常裝配于熔爐的鋼殼外部。這一線圈生成行進磁場 (travelling magnetic field)以向烙化物提供攪拌力。攪拌器在低頻行進磁場操作、穿透 熔爐的鋼殼并且以與線性電動機相似的方式移動熔化物。這樣，作用于熔爐中的熔化物的 行進線性磁場產生線性力。向電磁攪拌器供應的功率稱為攪拌功率。
[0005] 攪拌功率經常由ad hoc方案確定，該方案主要依賴于在生產地點的操作者的經 驗。這意味著操作者通過人工接通或者關斷攪拌功率來決定攪拌操作，即攪拌的強度/力 度。ad hoc方案不僅造成EAF的耐火物磨損而且造成不必要的電能消耗。
[0006] W02013/010575公開一種用于控制用于烙化金屬材料的電弧爐中的烙化過程的方 法和控制系統。該方法包括以下步驟：接收或者收集至少一個過程變量的測量數據、確定過 程的當前狀態、執行熔化過程的優化、基于優化的結果確定過程輸入并且借助過程輸入控 制熔化過程。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是增加生產率并且減少EAF的耐火物磨損和攪拌功率和電弧功率 的不必要的電消耗。
[0008] 在本發明的第一方面中，提供一種用于控制用于熔化金屬的電弧爐中的熔化和煉 制過程的方法，其中該方法包括以下步驟：計算/確定熔融金屬和固體金屬在一個時間點 的質量，其中該計算基于熔融金屬和固體金屬的初始值、向電弧爐供應的電弧功率以及熔 融金屬和固體金屬的溫度，基于所計算/確定的質量確定攪拌功率，并且向電磁攪拌器供 應所確定的攪拌功率。
[0009] 由于攪拌功率的確定依賴于熔融金屬和固體金屬的質量以及電弧功率，所以實現 最大攪拌效果，這減少了出爐到出爐時間并且提高了生產率。同時，最小化不必要攪拌、因 此減少了耐火物磨損。
[0010] 根據本發明的一個實施例，該方法包括：基于所計算的熔融金屬和固體金屬計算 函數，基于所計算的函數確定攪拌功率，并且向電磁攪拌器供應所確定的攪拌功率。
[0011] 根據本發明的一個實施例，該方法包括基于電弧功率以及確定的熔融金屬和固體 金屬的質量確定烙融金屬和固體金屬的溫度。
[0012] 根據本發明的一個實施例，該方法包括在充分高的采樣速率測量熔融金屬的溫 度。備選地，可以連續地測量熔融金屬的溫度。
[0013] 在一個優選實施例中，該方法包括使用微波輻射計來測量來自熔融金屬的輻射并 且將所測量的輻射轉換成熔融金屬的溫度。
[0014] 在另一優選實施例中，該方法包括使用非接觸傳感器來測量熔融金屬的溫度。
[0015] 在第三優選實施例中，該方法包括測量爐渣層的溫度并且將測量的溫度校準成熔 融金屬的溫度。
[0016] 根據本發明的一個實施例，該方法包括基于所測量的溫度確定在煉制過程的出爐 溫度。
[0017] 有利的是提供EAF中的熔融金屬的溫度的連續在線測量以減少出爐到出爐時間、 因此提高生產率。
[0018] 在第二方面中，提供一種用于控制用于熔化金屬的電弧爐中的熔化過程的控制系 統，其中電弧爐包括熔融金屬和固體金屬以及在熔融金屬的表面上的爐渣層，并且電磁攪 拌器被布置用于攪拌熔融金屬，其中該控制系統包括被配置用于以下操作的控制單元：
[0019] -計算/確定熔融金屬和固體金屬在一個時間點的質量，其中該計算基于相應的 熔融金屬和固體金屬的初始值、向電弧爐供應的電弧功率以及熔融和固體金屬的溫度，
[0020] -基于所計算/確定的質量確定攪拌功率，并且
[0021] -向電磁攪拌器供應所確定的攪拌功率。
[0022] 在本發明的一個實施例中，控制單元還被配置用于：基于所計算的熔融金屬和固 體金屬計算函數，基于所計算的函數確定攪拌功率，并且向電磁攪拌器供應所確定的攪拌 功率。
[0023] 在本發明的另一實施例中，該控制系統還包括用于測量熔爐中的熔融金屬的溫度 的溫度測量設備。
[0024] 這樣的設備可以是非接觸傳感器單元或者為模輻射計單元并且包括感測元件和 處理單元。感測元件被配置用于用于感測/測量熔融金屬的溫度并且向處理單元發送所測 量的溫度，并且處理單元被配置用于接收所測量的溫度、處理所接收的溫度并且向控制單 元發送處理后的測量的溫度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 現在將通過描述本發明的不同實施例并且參照附圖更具體地說明本發明。
[0026] 圖la示出根據本發明的一個實施例的控制攪拌功率的流程圖。
[0027] 圖lb示出根據本發明的另一實施例的控制攪拌功率的流程圖。
[0028] 圖2圖示根據本發明的第三實施例的用于控制向EMS的攪拌功率的控制系統的系 統示意圖。
[0029] 圖3圖示根據本發明的第四實施例的在向MS供應的攪拌功率與熔融鋼和固體鋼 的質量之間的關系。
【具體實施方式】
[0030] 圖2圖示用于控制向電弧爐（EAF)3的電磁攪拌（EMS)系統2的攪拌功率的控制系 統1。EAF被布置用于熔化金屬材料、例如金屬或者金屬合金。在熔化過程之前用桶向EAF 中加載廢料44。EAF可以是DC EAF或者AC EAF。
[0031] EAF還包括一個或者多個電極30、由可伸縮頂蓋--一個或者多個石墨電極經過 該頂蓋進入熔爐--覆蓋的容器32和操作地連接到電極30的功率供應系統34。
[0032] EAF操作始于向容器32裝載廢料金屬44,其中熔化開始。降低電極30進入到廢 料44上并且撞擊出電弧、由此開始熔化廢料。針對操作的該第一部分選擇更低電壓以保護 熔爐的頂蓋和壁以免于來自電弧的過熱和損壞。一旦電極已經到達在熔爐的基部的大量的 熔化物并且電弧被爐渣遮蔽，可以增加電壓并且略微升高電極、由此延長電弧并且增加向 熔化物的功率。隨著廢料44熔化被成熔融金屬40,可以在熔化物40的表面上形成爐渣層 42。
[0033] EMS2裝配于外表面、優選為EAF容器32的底部上，但是也可以側面裝配它。EMS 系統2被布置用于攪拌EAF中的熔融金屬、因此加入用于熔化金屬的過程。
[0034] EMS2還包括操作地連接到攪拌器的攪拌功率供應系統20。
[0035] 控制系統1包括控制單元10,該控制單元操作地連接到攪拌功率供應系統20以控 制攪拌器的操作。控制單元10可以包括硬件、存儲器單元、向其中加載軟件的至少一個處 理單元。
[0036] 參照圖la和lb，控制單元10被配置用于計算或者確定熔融和固體金屬在一個時 間點的質量，其中該計算基于熔融和固體金屬的初始值、向EAF供應的電弧功率以及熔融 和固體金屬的溫度，步驟1〇〇。可以給出如下計算作為示例，
[0037] X!(t)=g! (x01, x〇2J P, Ti)
[0038] x2(t)=g2 (x02, P, T2)
[0039] 其中Xl(t)，x2(t)是熔融和固體金屬的質量并且可以例如被計算為在熔化過程期 間的時間點t的積分 ；X(I1，X(l2是熔融和固體金屬的初始值；P是向電極供應的電弧功率，并 且。!^是熔融和固體金屬的溫度，其中I\，T 2可以基于電弧功率P以及確定的熔融和固體 金屬的質量來確定。備選地，它們可以被測量，步驟90。
[0040] 控制單元還被配置用于基于熔融和固體金屬的所計算/確定的質量確定攪拌功 率，步驟200。作為示例，如下，通過所計算/確定的熔融和固體金屬的質量的函數完成該確 定，步驟150。
[0041] u=f (χ1? χ2,...)
[0042] 優選地，在熔融金屬少于金屬的總數量的某個水平時未向EMS供應攪拌功率。該 水平的范圍可以在金屬的總數量的25-35%之間。這意味著攪拌器在熔融金屬尚未達到預 定義水平時將不操作。攪拌功率可以在攪拌功率的電壓固定時為電流的形式。
[0043] 攪拌功率/電流然后在熔化過程期間逐漸增加并且達到完全攪拌功率。由于所確 定的攪拌功率是電磁攪拌器的設置點，因而獲得恰當攪拌強度/力度、即引起的熔爐中的 攪拌和移動。在煉制過程期間保持完全攪拌功率、因此保持完全攪拌強度。
[0044] 作為另一示例，控制單元還可以被配置用于計算在熔融金屬與金屬的總數量之間 的比值。然后基于計算的比值確定攪拌功率，步驟200'，
[0045]
【權利要求】
1. 一種用于控制用于熔化金屬的電弧爐中的熔化和煉制過程的方法，其中所述電弧爐 包括熔融金屬和固體金屬以及在所述熔融金屬的表面上的爐渣層，其中電磁攪拌器被布置 用于攪拌所述熔融金屬，所述方法包括： -計算/確定所述熔融金屬和固體金屬在一個時間點的質量，其中所述計算基于所述 熔融金屬和固體金屬的初始值、向所述電弧爐供應的電弧功率、以及所述熔融金屬和固體 金屬的溫度（100)， -基于所計算/確定的質量確定攪拌功率（200)，并且 -向所述電磁攪拌器供應所確定的攪拌功率（300)。
2. 根據權利要求1所述的方法，包括： -基于在所述時間點的所計算的熔融金屬和固體金屬計算函數（150)， -基于所計算的函數確定攪拌功率（200'），并且 -向所述電磁攪拌器供應所確定的攪拌功率（300)。
3. 根據權利要求1所述的方法，包括基于所述電弧功率以及確定的熔融金屬和固體金 屬的質量確定烙融金屬和固體金屬的溫度。
4. 根據權利要求1所述的方法，包括以充分高的采樣速率測量熔融金屬的溫度。
5. 根據權利要求1所述的方法，包括連續地測量熔融金屬的溫度。
6. 根據權利要求4或5所述的方法，包括測量所述爐渣層的溫度并且將所測量的溫度 校準成所述熔融金屬的溫度。
7. 根據權利要求4或5所述的方法，包括使用非接觸傳感器來測量所述熔融金屬的溫 度。
8. 根據權利要求4或5所述的方法，包括使用微波輻射計來測量來自所述熔融金屬的 輻射并且將所測量的輻射轉換成所述熔融金屬的溫度。
9. 根據權利要求4-8所述的方法，包括基于所測量的溫度確定在所述煉制過程的出爐 溫度（400)。
10. -種用于控制用于熔化金屬的電弧爐（3)中的熔化過程的控制系統（1)，其中所 述電弧爐（3 )包括熔融金屬（40 )和固體金屬（44 )以及在所述熔融金屬的表面上的爐渣層 (42)，并且其中電磁攪拌器被布置用于攪拌所述熔融金屬，所述控制系統包括被配置用于 執行根據權利要求1-6所述的步驟的控制單元（19)。
11. 根據權利要求10所述的控制系統（1)，還包括用于測量所述熔爐中的所述熔融金 屬的溫度的溫度測量設備。
12. 根據權利要求11所述的控制系統（1)，其中所述溫度測量設備為非接觸傳感器單 元或者微波福射計單元。
13. 根據權利要求11所述的控制系統（1)，其中所述溫度測量設備包括感測元件（14) 和處理單元（12)，其中所述感測元件（14)被配置用于感測/測量所述熔融金屬（40)的溫 度并且向所述處理單元（12)發送所測量的溫度，并且所述處理單元（12)被配置用于接收 所測量的溫度、處理所接收的溫度并且向所述控制單元（10)發送處理后的測量的溫度。
【文檔編號】F27B3/28GK104109732SQ201410079917
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年3月6日 優先權日:2013年4月16日
【發明者】M·倫德, X·張, J-E·埃里克森, L·藤, C-F·林德伯格 申請人:Abb技術有限公司