本發(fā)明涉及用于確定電弧爐(EAF)中的金屬熔體的出爐時間的系統(tǒng)和方法，其中，金融熔體通過電磁攪拌器來攪拌。

背景技術(shù)：

典型的EAF-EMS系統(tǒng)包括電弧爐(EAF)和電磁攪拌系統(tǒng)(EMS)。EAF是利用電弧來熔化金屬材料的爐。典型的EAF包括一個或多個電極以及可操作地連接到電極的電源系統(tǒng)。EAF還配備有氣體燃燒器,氣體燃燒器安裝在側(cè)壁上并布置成向熔體提供化學(xué)能。額外的化學(xué)能通過用于將氧和碳注入爐中的裝置(例如，噴槍)而被提供。電極的操作由可操作地連接到電源系統(tǒng)的控制單元來控制。供應(yīng)到電極從而產(chǎn)生電弧的功率被稱為電弧功率。電極在電極和金屬材料之間形成電弧，即已經(jīng)裝載到EAF中的固體金屬(例如廢料)。由此，金屬材料通過來自氧注入的電弧功率和化學(xué)能量被熔化和加熱。電極控制系統(tǒng)在金屬材料的熔化期間保持大致恒定的電流和功率輸入，直至金屬熔體的溫度達(dá)到目標(biāo)出爐溫度，此后金屬熔體最終被出爐到精煉爐。在金屬熔體的表面上，形成爐渣和煙霧層。

在熔化過程期間，電磁攪拌(EMS)系統(tǒng)被布置成攪拌爐中的金屬熔體，并且包括包含攪拌線圈的至少一個電磁攪拌器，電源系統(tǒng)可操作地連接到攪拌器。攪拌線圈通常被安裝在爐的鋼殼外部。該線圈生成行進(jìn)磁場以向金屬熔體提供攪拌力。攪拌器在低頻行進(jìn)磁場下操作，穿透爐的鋼殼并以類似于線性電機(jī)的方式移動熔體。因此，線性力通過作用在爐中的熔體上的行進(jìn)線性磁場產(chǎn)生，并且提供金屬熔體的均勻溫度。

以目標(biāo)出爐溫度下出爐金屬熔體對于能量消耗以及先進(jìn)的EAF控制是至關(guān)重要的。如今，用筒測量電弧爐中的金屬熔體的溫度，以獲得時間點(diǎn)的測量。這種溫度測量存在幾個缺點(diǎn)。首先，通常需要在EAF出爐前進(jìn)行幾次溫度測量試驗(yàn)。這些溫度試驗(yàn)可能推遲處理時間并且也增加了可消耗探針的成本。其次，執(zhí)行這樣的測量是操作者的不愉快的任務(wù)，因?yàn)樗谂鋫溆欣圪樀囊路耐瑫r必須在惡劣的環(huán)境中面對高溫。

專利申請US2012/140787A1公開了一種方法，包括以噴槍模式操作燃燒器槍單元，其中氣流以超音速引導(dǎo)到爐室中。金屬熔體的表面由通過含氧氣體在一段時間內(nèi)形成的氣流自由吹送。為了能夠測量金屬熔體的溫度，必須將包括氧的第一氣體切換為作為惰性氣體的第二氣體，并且此后使用包括非接觸傳感器的溫度測量單元來測量金屬熔體的溫度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)更精確的出爐溫度，并且因此提高生產(chǎn)率并減少不必要的能量消耗。

在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種用于確定電弧爐(EAF)中的金屬熔體的出爐時間的方法，其中提供至少一個電極以用于熔化所述金屬熔體的廢料，其中所述EAF還包括在所述金屬熔體的表面上的爐渣和煙霧層，其中提供用于攪拌所述金屬熔體的電磁攪拌器，所述方法包括：

a)向所述電極供應(yīng)功率以將廢料熔化成金屬熔體，

b)電磁攪拌所述EAF中的金屬熔體，

c)通過氣體流從所述金屬熔體的表面吹走爐渣和煙霧層，

d)非接觸地測量所述金屬熔體的溫度，

e)接收所測量的溫度，

f)基于所接收的溫度來計(jì)算溫度曲線，

g)基于所計(jì)算的溫度曲線來估計(jì)時間點(diǎn)處的出爐溫度，以及

h)基于所述估計(jì)的溫度、目標(biāo)出爐溫度和供應(yīng)給所述電極的功率來確定出爐時間。

在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該方法還包括以下步驟：在接收到新的測量溫度時重新計(jì)算/調(diào)整所述溫度曲線，基于所重新計(jì)算/調(diào)整的溫度曲線來估計(jì)時間點(diǎn)處的出爐溫度，以及基于所估計(jì)的溫度和目標(biāo)出爐溫度以及供應(yīng)給所述電極的功率來確定出爐時間。

在第二方面，提供了一種用于確定電弧爐中金屬熔體的出爐時間的系統(tǒng)，包括提供用于攪拌所述金屬熔體的電磁攪拌器、用于提供所述金屬熔體的溫度測量的溫度測量裝置和溫度控制單元，其中，所述電弧爐包括連接到電源的至少一個電極，其中溫度控制單元被配置為基于供應(yīng)到所述電極的功率來控制所述金屬熔體溫度，其中所述溫度測量設(shè)備包括非接觸感測單元和連接到所述感測單元的處理單元，其中所述感測單元被配置為感測/測量所述金屬熔體的溫度并且將所測量的溫度發(fā)送到所述處理單元，并且所述處理單元被配置為接收所測量的溫度并且處理所接收的溫度。溫度測量設(shè)備還包括專用噴槍單元，該專用噴槍單元包括提供用于吹走所述金屬熔體的表面上的爐渣和煙霧的惰性氣體，其中處理單元進(jìn)一步被配置為將所處理的測量溫度發(fā)送到配置為執(zhí)行權(quán)利要求1的步驟e)-h)的所述溫度控制單元和所述溫度控制單元。

電磁攪拌、非接觸感測單元和專用噴槍單元的布置提供了對確定出爐時間的協(xié)同效應(yīng)。首先，電磁攪拌將金屬熔體在爐中混合并提高熔化速率。最重要的是，熔體的溫度變得均勻，這提供了全面樣本并且使得溫度的測量是有意義的。由于均勻的熔體溫度，測量溫度的位置是無關(guān)緊要的。其次，專用噴槍單元吹走爐渣和煙霧，并且使得連續(xù)測量熔體的溫度成為可能。通過連續(xù)溫度測量，可以更準(zhǔn)確地計(jì)算金屬熔體的溫度曲線，這使得能夠可靠地預(yù)測出爐時間。此外，非接觸溫度測量改善了操作員的工作環(huán)境。

此外，溫度控制單元進(jìn)一步被配置為基于新的溫度測量來重新計(jì)算溫度曲線。因此，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的溫度預(yù)測。

優(yōu)選地，感測單元包括優(yōu)選地以微波輻射計(jì)、紅外傳感器或光纖傳感器的形式的非接觸傳感器。

在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，專用噴槍單元被布置為連續(xù)地或在若干離散時間點(diǎn)測量金屬熔體的溫度。連續(xù)測量溫度的優(yōu)點(diǎn)是使金屬熔體能夠在更精確的時間點(diǎn)出爐到精煉爐中。因此，減少了出爐到出爐的時間和不必要的能量消耗，并且提高了生產(chǎn)率。

附圖說明

現(xiàn)在將通過對本發(fā)明的不同實(shí)施例的描述并參考附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。

圖1a示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的控制出爐溫度的流程圖。

圖1b示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的控制出爐溫度的流程圖。

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的用于控制EAF中的金屬熔體的出爐溫度的系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。

圖3示出了圖1a-1b和圖2的實(shí)施例的出爐溫度估計(jì)。

具體實(shí)施方式

圖2示出了用于確定/預(yù)測電弧爐(EAF)20中的金屬熔體的出爐時間的系統(tǒng)1，包括具有提供用于攪拌金屬熔體的電磁攪拌器的電磁攪拌系統(tǒng)(EMS)30、用于提供金屬熔體的溫度測量的溫度測量設(shè)備40、以及用于估計(jì)/預(yù)測金屬熔體的溫度的溫度控制單元50。

EAF 20被布置用于熔化金屬材料，例如金屬或金屬合金。EAF可以是DC EAF或AC EAF。

EAF 20還包括一個或多個電極22(該示例示出了配備有EAF的三個電極)；覆蓋有可伸縮頂部(圖2中未示出)的容器24，電極通過該頂部進(jìn)入爐；以及可操作地連接到電極22的電源系統(tǒng)26，用于向電極供應(yīng)功率以便將廢料熔化成金屬熔體，參考圖1的步驟S10。

EAF操作開始于裝載有廢料金屬的容器24，其中熔化開始。電極22下降到廢料上，并且電弧被撞擊從而開始熔化廢料。對于該操作的第一部分選擇較低的電壓，以保護(hù)爐頂和爐壁免受過熱和來自電弧的損壞。一旦電極22已經(jīng)到達(dá)爐24的基部的重熔體，并且電弧被熔渣屏蔽，電壓可以增加，并且電極略微升高，從而延長電弧并增加對熔體的功率。當(dāng)廢料被熔化成金屬熔體21時，在熔體21的表面上形成爐渣層23。此外，可以在爐渣層上方形成煙霧層23'。

EMS 30被安裝在EAF容器24的外表面，優(yōu)選地底部上。在步驟S20中，EMS系統(tǒng)30包括布置為攪拌EAF中的金屬熔體的至少一個電磁保護(hù)器。通過電磁攪拌，容器24中的融化速度加速，并且融化溫度變得更均勻。均勻溫度對于具有直徑最大為8米的大容器的現(xiàn)代EAF來說特別重要，用于減少熔體溫度的局部變化。因此，與不攪拌相比，熔體溫度的局部變化顯著降低，并且因此，熔體的溫度是均勻的。

由于生產(chǎn)地點(diǎn)的煙和惡劣的環(huán)境，難以測量熔體的溫度。測量熔體溫度的一種方法是使用可處理的溫度探針或筒。在精煉過程結(jié)束時將探針或筒投入熔體中。如果沒有獲得足夠的溫度，則放置另一探針，直至獲得正確或足夠接近的溫度。因此，為了測量熔體溫度，操作者可能必須重復(fù)該任務(wù)若干次。如果所獲得的熔體溫度高于目標(biāo)出爐溫度，則已經(jīng)浪費(fèi)了大量的電弧功率/能量。因此，有利的是，可以連續(xù)地或以足夠高的采樣速率測量熔體溫度，以防止熔體進(jìn)行后期出爐。

為此，溫度測量設(shè)備40被布置成測量熔體溫度。溫度測量設(shè)備40包括非接觸感測單元42和連接到感測單元42的處理單元44。感測單元42被配置為感測/測量金屬熔體的溫度，并將所測量的溫度發(fā)送到處理單元44，步驟S40。雖然處理單元44被配置為接收所測量的溫度以處理所接收的溫度，并將所處理的測量溫度發(fā)送到溫度控制單元50。溫度測量設(shè)備40還包括專用噴槍單元46，其可以被安裝在EAP的側(cè)壁上。非接觸感測單元包括非接觸傳感器?；旧希魏晤愋偷姆墙佑|傳感器可以用于測量熔體的溫度。在該示例中，使用光纖并且將其安裝在金屬管內(nèi)。金屬管進(jìn)一步被安裝在噴槍單元內(nèi)部。這種布置可以測量超過2000℃的高溫。為了冷卻光學(xué)傳感器，冷卻介質(zhì)被布置在金屬管的外部。

然而，在容器24中的金屬熔體的表面上形成的爐渣和煙霧層23'、23防止非接觸檢測單元42精確測量。噴槍單元46因此被設(shè)置和配置為將惰性氣體噴射到熔體表面。惰性氣體用高壓噴射以吹走爐渣和煙霧層23'、23，其鉆出貫穿煙霧和爐渣層23'、23的孔，使得光學(xué)傳感器可以測量具有爐渣和無煙物熔體表面的溫度，步驟S30。測量的溫度將進(jìn)一步被發(fā)送到處理單元44，其中分析和處理測量的信號，S40。

測量的溫度通過光纖被傳輸?shù)教幚韱卧?4，處理單元44可以包括例如光譜儀。光譜被處理分析，并且此后被輸入到溫度控制單元50，步驟S50。

溫度控制單元50設(shè)置有EAF熔體溫度預(yù)測模型，EAF熔體溫度預(yù)測模型被內(nèi)置用于計(jì)算熔體溫度曲線以便估計(jì)/預(yù)測時間點(diǎn)處的熔體溫度，步驟S60和S70?；谔幚淼臏囟葴y量T_m和供應(yīng)到電極的功率P來計(jì)算曲線。存在可用于此目的的許多公知的控制模型。對于本發(fā)明，擴(kuò)展卡爾曼濾波器被應(yīng)用于出爐時間的估計(jì)預(yù)測。在接收到新的測量溫度時進(jìn)一步調(diào)整溫度曲線以實(shí)現(xiàn)更精確的溫度估計(jì)，步驟S60'和S70'。利用調(diào)整的溫度曲線，可以預(yù)測達(dá)到預(yù)定義的出爐溫度的時間，并且因此確定出爐時間，步驟S80。

除了上述優(yōu)點(diǎn)之外，使用非接觸感測單元的其他優(yōu)點(diǎn)是可以覆蓋寬范圍的波長，并且可以良好地限定測量區(qū)域或點(diǎn)，例如可以為傳感器定義多個測量點(diǎn)。此外，還可以感測其他物理性質(zhì)。

圖3示出了基于測量的溫度連續(xù)調(diào)節(jié)的溫度曲線?；谠撉€，相應(yīng)地預(yù)測出爐溫度并且因此預(yù)測出爐時間。

溫度控制單元50可以包括硬件、存儲器單元、加載有軟件的至少一個處理單元。

使用非接觸傳感器能夠及時地進(jìn)行出爐，并且從而提高生產(chǎn)率并節(jié)省大量的電弧功率能量。

應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍不應(yīng)限于所給出的實(shí)施例，其應(yīng)當(dāng)涵蓋對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其他實(shí)施例。