Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО ПАРАМЕТРА СОСТОЯНИЯ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ И ДУГОВАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ

Изобретение относится к способу определения по меньшей мере одного параметра состояния дуговой электропечи с по меньшей мере одним электродом, причем подвод энергии в дуговую электропечь определяют с помощью по меньшей мере одного электрического датчика. Изобретение относится также к дуговой электропечи с корпусом печи и с по меньшей мере одним электродом, причем на каждый электрод предусмотрен один токоподвод.

Из DE 19748310 C1 известно предсказывать в дуговой электропечи пенистые шлаки на основе загружаемых в дуговую электропечь материалов, таких как лом и отходы, сталь, легирующие добавки или присадки, в комбинации с подводом энергии в дуговую электропечь. Однако оказалось, что параметры состояния дуговой электропечи таким образом могут быть определены не достаточно надежно и не достаточно точно.

Европейская патентная заявка ЕР 0637638 A1 раскрывает способ получения металлического расплава в дуговой электропечи. Здесь в качестве параметра состояния дуговой электропечи измеряют высоту слоя пенистого шлака и, при необходимости, привлекают для регулирования высоты слоя пенистого шлака. Для измерения уровня пенистого шлака раскрыты происходящие из дуговой электропечи звуковые излучения, которые в виде измеренного уровня звука применяют для управления высотой слоя пенистого шлака. Далее раскрыто, что для измерения этого уровня можно привлекать электрические рабочие параметры напряжение и силу тока дуговой электропечи.

Из описания выложенной заявки на патент ЕР 0661910 A1 известны способ регулирования электродов дуговой электропечи постоянного тока и устройство регулирования электродов. При этом подвод энергии в дуговую электропечь определяют при помощи по меньшей мере одного электрического датчика. Далее этот документ раскрывает, что уровень шлака в дуговой электропечи является параметром состояния.

Ближайший аналог изобретения раскрыт в заявке DE 19801295 А1 от 22.07.1999 г., из которой известен способ определения по меньшей мере одного параметра состояния дуговой электропечи с по меньшей мере одним электродом, при котором определяют подвод электрической энергии в дуговую электропечь с помощью по меньшей мере одного электрического датчика и измеряют колебания корпусного шума на дуговой электропечи.

Задачей настоящего изобретения является создание возможности улучшенного определения параметров состояния дуговой электропечи.

Эта задача решается за счет способа определения по меньшей мере одного параметра состояния дуговой электропечи с по меньшей мере одним электродом, при котором определяют подвод электрической энергии в дуговую электропечь с помощью по меньшей мере одного электрического датчика и измеряют колебания корпусного шума на дуговой электропечи, причем способ отличается тем, что упомянутый по меньшей мере один параметр состояния дуговой электропечи определяют с помощью передаточной функции, которую определяют (получают) путем оценки измеренных колебаний и путем оценки данных измерений упомянутого по меньшей мере одного электрического датчика.

Параметры состояния дуговой электропечи, в частности параметры состояния, касающиеся содержимого дуговой электропечи, можно определять согласно изобретению очень точно и надежно во время текущей эксплуатации дуговой электропечи, то есть в режиме он-лайн. Тем самым создают важную предпосылку для улучшенного автоматического контроля процесса и регулирования дуговой электропечи.

Предпочтительно в качестве параметра состояния можно определять высоту пенистого шлака.

Целесообразно можно измерять колебания, то есть корпусной шум, на дуговой электропечи с помощью по меньшей мере одного датчика ускорения.

Может быть предпочтительным получать передаточную функцию из сигнала возбуждения и из выходного сигнала, причем сигнал возбуждения получают путем оценки данных измерений упомянутого по меньшей мере одного электрического датчика и причем выходной сигнал получают путем оценки измеренных на дуговой электропечи колебаний.

Может быть целесообразным измерять с помощью упомянутого по меньшей мере одного электрического датчика сигнал тока и применять его для формирования сигнала возбуждения.

В предпочтительном варианте реализации способа сигнал возбуждения можно формировать путем умножения сигнала тока самого на себя, то есть путем возведения в квадрат.

Предпочтительно можно измерять с помощью упомянутого по меньшей мере одного электрического датчика сигнал напряжения и применять его для формирования сигнала возбуждения. При необходимости, измерение и/или применение сигнала напряжения производят альтернативно или дополнительно к измерению и применению сигнала тока.

Предпочтительно сигнал возбуждения можно формировать путем умножения сигнала тока на сигнал напряжения.

Предпочтительно передаточную функцию можно определять через взаимный спектр мощности.

Преимущественно передаточную функцию можно оценивать на по меньшей мере одной дискретной частоте.

Предпочтительным образом эта по меньшей мере одна дискретная частота может быть кратной частоте ввода мощности в электрическую дугу или, соответственно, в дуговую электропечь.

Может быть целесообразным определять высоту пенистого шлака в зависимости от изменения передаточной функции на одной или нескольких дискретных частотах.

Дальнейшие выгодные варианты реализации описанного выше способа указаны в пунктах 14-20 формулы изобретения.

Задача решается также за счет дуговой электропечи с корпусом печи и с по меньшей мере одним электродом, причем на каждый электрод предусмотрен один токоподвод и причем для осуществления описанного выше способа в его различных вариантах реализации предусмотрен по меньшей мере один электрический датчик на токоподводе и по меньшей мере один датчик корпусного шума для регистрации колебаний на стенке корпуса печи. Преимущества соответствующей изобретению дуговой электропечи получаются в основном по аналогии с преимуществами соответствующего изобретению способа.

Предпочтительно на каждый электрод может быть предусмотрен один электрический датчик.

Преимущественно упомянутый по меньшей мере один датчик корпусного шума может быть выполнен в виде датчика ускорения.

Предпочтительно на каждый электрод может быть предусмотрен один датчик корпусного шума.

Преимущественно эти один или несколько датчиков корпусного шума могут быть расположены на противоположной соответствующему электроду стенке корпуса печи.

Преимущественно упомянутый по меньшей мере один электрический датчик и упомянутый по меньшей мере один датчик корпусного шума могут быть связаны с устройством обработки сигналов.

Предпочтительно для связи упомянутого по меньшей мере одного датчика корпусного шума с устройством обработки сигналов может быть предусмотрен по меньшей мере один световод.

В предпочтительном варианте реализации дуговой электропечи упомянутый по меньшей мере один датчик корпусного шума может быть соединен со световодом через по меньшей мере одну сигнальную линию и через расположенное перед световодом оптическое устройство.

Преимущественно упомянутая по меньшей мере одна сигнальная линия может быть проложенной защищенной.

Преимущественно устройство обработки сигналов может быть связанным с устройством регулирования дуговой электропечи.

Дальнейшие преимущества и подробности изобретения описываются в последующем на основе примеров в связи с чертежами. При этом чертежи показывают:

Фиг. 1 - схематически соответствующую изобретению дуговую электропечь,

Фиг. 2 - схематически сечение через дуговую электропечь.

Фигура 1 показывает дуговую электропечь с несколькими электродами 3а, 3b, 3с, которые через токоподводы связаны с устройством 12 электропитания. Устройство 12 электропитания предпочтительно содержит печной трансформатор.

С помощью по меньшей мере одного, в показанном примере - трех, электродов 3а, 3b, 3с в дуговой электропечи плавят загружаемые материалы, такие как, например, лом и отходы и/или сталь, при необходимости, с легирующими добавками и/или присадками. При производстве стали в дуговой электропечи образуются шлаки или, соответственно, пенистые шлаки 15 (смотри Фигуру 2), которые за счет вдувания смеси сред приводятся к вспениванию, в результате чего может улучшаться ввод энергии посредством электрической дуги 18 (смотри Фигуру 2), которая образуется на упомянутом по меньшей мере одном электроде 3, 3а, 3b, 3с.

В показанном примере на токоподводах электродов 3а, 3b, 3с предусмотрены электрические датчики 13а, 13b, 13с, с помощью которых можно измерять ток и/или напряжение или, соответственно, подведенную к электродам 3а, 3b, 3с электрическую энергию. Электрические датчики 13а, 13b, 13с связаны с устройством 8 обработки сигналов, например, через выполненные в виде кабеля сигнальные линии 14а, 14b, 14с для электрических сигналов измерений.

На стенке 2 или, соответственно, на панелях корпуса 1 печи, то есть на внешней границе корпуса 1 печи, расположены датчики 4 а, 4b, 4с корпусного шума для измерения колебаний на корпусе 1 печи. Датчики 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума могут быть, например, расположены связанными опосредованно и/или непосредственно с корпусом 1 печи или, соответственно, со стенкой 2 корпуса 1 печи.

Как помечено в показанном примере, датчики для измерения корпусного шума, то есть датчики 4, 4a, 4b, 4c корпусного шума, могут быть расположены на внешней стенке корпуса 1 печи. Датчики 4, 4 а, 4b, 4с корпусного шума могут быть расположены, например, с равномерными промежутками вокруг корпуса 1 печи. Для повышения точности измерений корпусного шума может быть целесообразным предусмотреть соответственно один датчик 4а, 4b, 4c корпусного шума на электрод 3а, 3b, 3с. При этом датчики 4а, 4b, 4c корпусного шума не должны быть обязательно расположены на внешней стенке корпуса 1 печи. Предпочтительным образом по меньшей мере один датчик 4а, 4b, 4c, который присвоен электроду 3а, 3b, 3с, может быть расположен в месте с как можно меньшим расстоянием до этого электрода 3а, 3b, 3с, предпочтительно в каком-либо месте на внешней стенке корпуса 1 печи. Корпусный шум проводится через ванну 16 стали и/или через пенистый шлак 15 на корпус 1 печи и может измеряться опосредованно и/или непосредственно на корпусе 1 печи в виде колебаний.

Датчики 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума соединены с устройством 8 обработки сигналов. Сигналы, которые выдаются датчиками 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума на устройство 8 обработки сигналов, по меньшей мере частично проводятся через световод 7. Между световодом 7 и датчиками 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума расположено по меньшей мере одно оптическое устройство 6, которое служит для усиления и/или преобразования сигналов упомянутых одного или нескольких датчиков 4, 4 а, 4b, 4с корпусного шума. В ближайшем окружении корпуса 1 печи или, при известных условиях, также непосредственно на корпусе 1 печи могут быть предусмотрены сигнальные линии 5, 5a, 5b, 5с, которые проводят сигналы датчиков 4а, 4b, 4c корпусного шума. Сигнальные линии 5, 5а, 5b, 5с проложены предпочтительно защищенными от нагрева, электромагнитных полей, механической нагрузки и/или других нагрузок.

Электрические датчики 13а, 13b, 13с могут быть предпочтительно соединены через сигнальные линии 14а, 14b, 14с, которые выполнены в виде кабелей, с устройством 8 обработки сигналов. В устройстве 8 обработки сигналов из сигналов измерений датчиков 4, 4a, 4b, 4с корпусного шума и из сигналов измерений электрических датчиков 13а, 13b, 13с получают результаты оценки. Результаты оценки относятся к по меньшей мере одному параметру состояния дуговой электропечи, причем результаты оценки относятся предпочтительно к пенистому шлаку 15 (смотри Фигуру 2) или, соответственно, его высоте. Устройство 8 обработки сигналов выдает сигнал 10 состояния, предпочтительно актуально вычисленную и/или заранее вычисленную высоту пенистого шлака 15, на устройство 9 регулирования дуговой электропечи. Сигнал 10 состояния по меньшей мере частично представляет результаты оценки. Устройство 9 регулирования определяет с учетом сигналов 10 состояния регулирующие сигналы 11 для дуговой электропечи, например, для управления вдуванием смеси сред, введением угля, введением кислорода и/или других веществ в дуговую электропечь.

В примерном варианте реализации изобретения можно определять регулирующие сигналы 11 также для регулирования положения или, соответственно, высоты упомянутого по меньшей мере одного электрода 3, 3a, 3с или управления ими. Для оказания воздействия на положение, в частности высоту электродов 3, 3а, 3b, 3с, предусмотрены одно или несколько средств управления для управления подъемом или, соответственно, опусканием электродов 3, 3а, 3b, 3с и связаны с устройством 9 регулирования.

С дуговой электропечью может быть связана не представленная более подробно управляющая вычислительная машина, с помощью которой можно регулировать образование и высоту пенистого шлака 15 или, соответственно, управлять ими. Управляющая вычислительная машина выдает устанавливающие сигналы 11, в частности, на подающее устройство дуговой электропечи. Управляющая вычислительная машина может содержать, например, устройство 8 обработки сигналов и/или устройство 9 регулирования. Подающее устройство дуговой электропечи может содержать так называемую дутьевую фурму, с помощью которой в дуговую электропечь, то есть в корпус 1 печи, вдувают углерод, кислород и/или известь. Упомянутые выше вещества вдувают, в частности, в пенистый шлак 15 выше ванны 16 стали. Предпочтительным образом с помощью подающего устройства в пенистый шлак 15 подают смешанный с воздухом углерод. В пенистом шлаке углерод преобразуется в двуокись углерода и/или моноокись углерода, так что возникает пенистый шлак 15. Путем вдувания смеси сред с помощью подающего устройства улучшается ввод энергии посредством электрической дуги 18 (смотри фиг. 2). Кроме того, в дуговой электропечи уменьшаются потери на излучение.

Является возможным измерять концентрацию веществ, в частности газов, в дуговой электропечи непосредственно или косвенно или, соответственно, определять с помощью моделей. Данные о концентрации веществ, таких как, например, углерод, кислород, двуокись углерода и/или моноокись углерода, предпочтительно направляют к управляющей вычислительной машине или, соответственно, устройству обработки сигналов и/или устройству 9 регулирования. Направленные данные можно обрабатывать и применять для получения регулирующих сигналов 11.

Показанная на фиг. 1 дуговая электропечь в примерном варианте реализации выполнена в виде трехфазной дуговой электропечи. В принципе изобретение является применимым в дуговых печах самых различных типов, например, также в печах постоянного тока.

Фигура 2 показывает в упрощенном представлении электрод 3, 3а, 3b, 3с с электрической дугой 18 в дуговой электропечи. На стенке 2 корпуса 1 дуговой электропечи расположен датчик 4, 4a, 4b, 4с корпусного шума, который соединен с сигнальной линией 5, 5а, 5b, 5с, с помощью которой можно направлять сигналы измерений на устройство 8 обработки сигналов (смотри Фигуру 1). Схематически в корпусе 1 печи представлены ванна 16 стали и пенистый шлак 15.

Высота пенистого шлака 15 может быть определена в устройстве 8 обработки сигналов с помощью передаточной функции корпусного шума в дуговой электропечи. Передаточная функция характеризует схематически показанный на Фигуре 2 путь 17 передачи корпусного шума от его возбуждения до обнаружения.

Возбуждение корпусного шума происходит за счет ввода мощности на электродах 3, 3а, 3b, 3с в электрической дуге 18. Корпусной шум, то есть вызванные возбуждением колебания, передаются через ванну 16 жидкой стали и/или через пенистый шлак 15, по меньшей мере частично покрывающий ванну 16 стали, на стенку 2 дуговой электропечи. Передача корпусного шума может происходить дополнительно, по меньшей мере частично, также через еще не расплавленный загрузочный материал в дуговой электропечи. Обнаружение корпусного шума происходит датчиками 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума, которые расположены на стенке 2 корпуса 1 дуговой электропечи. Датчики 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума воспринимают колебания на стенках 2 корпуса 1 печи. Датчики 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума выполнены предпочтительным образом в виде датчиков ускорения. Датчики 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума предпочтительным образом размещены выше зоны пенистого шлака. Предпочтительным образом датчики 4, 4а, 4b, 4с корпусного шума расположены на противоположных сторонах электродов 3, 3а, 3b, 3с на стенке 2 дуговой электропечи.

Электрические датчики 13а, 13b, 13с регистрируют сигналы тока и/или напряжения электродов 3, 3а, 3b, 3с. Сигналы тока и/или напряжения регистрируют предпочтительным образом с разрешением по времени. Сигналы датчиков корпусного шума направляют по защищенным линиям 5, 5а, 5b, 5с в оптическое устройство 6 (смотри Фигуру 1). Оптическое устройство 6 расположено предпочтительным образом сравнительно близко к самой дуговой электропечи. Оптическое устройство 6 служит для усиления и преобразования сигналов датчиков 4, 4a, 4b, 4с корпусного шума. В оптическом устройстве 6 эти сигналы преобразуют в оптические сигналы и направляют без помех по световоду 7 на сравнительно большие расстояния, например 50 до 200 м, в устройство 8 обработки сигналов.

В устройстве 8 обработки сигналов сигналы регистрируют и оценивают. В устройстве 8 обработки сигналов сигналы преобразуют в цифровую форму предпочтительным образом с достаточно высокой частотой дискретизации, например 6000 выборок/секунду. Сигналы возбуждения электродов 3, 3а, 3b, 3с формируют предпочтительным образом путем умножения соответствующих сигналов тока и соответствующих сигналов напряжения. Выходные сигналы образуют сигналы корпусного шума. При этом для сигналов во временной области справедливо:

(I) Y(t)=h(t)·X(t),

причем Y(t) обозначает сигнал корпусного шума, X(t) - ввод энергии в электрической дуге 18, a h(t) - реакция на единичный импульс. Величины h(t) и X(t) связаны между собой посредством оператора свертки.

Передаточную функцию Н(ω) получают в диапазоне частот:

(II) у(ω)=Н(ω)·х(ω),

причем х(ω) и у(ω) являются соответственно преобразованными по Фурье сигналами возбуждения и выходными сигналами.

Величины х(ω), у(ω) и Н(ω) являются комплексными. Для избежания комплексного деления Н(ω) вычисляют через взаимный спектр мощности:

(III) |H(ω)|=|W_xy(ω))|/W_xx(ω),

причем W_xy(ω) обозначает взаимный спектр мощности, a W_xx - спектр мощности на входе, то есть на стороне возбуждения.

Передаточную функцию Н(ω) определяют только на дискретных частотах, причем дискретные частоты являются кратными (гармоническими) основной частоты электропитания электродов 3, 3а, 3b, 3с, так как возбуждение происходит только через основную гармонику и высшие гармоники подводимой мощности. При работающем, например, с частотой 50 Гц устройстве 12 электропитания дуговой электропечи дискретные частоты являются кратными 100 Гц.

Передаточная функция Н(ω) характеризует среду в дуговой электропечи. Поэтому временное изменение среды, например высоту пенистого шлака 15, можно определять по изменению передаточной функции. Через демпфирование или, соответственно, усиление значений передаточной функции можно вычислять результирующее значение, которое коррелирует с высотой пенистого шлака 15. Это было подтверждено при пробных измерениях с временным разрешением порядка от 1 до 2 секунд.

Оценку в устройстве 8 обработки сигналов можно подгонять с помощью эмпирических значений, полученных при эксплуатации дуговой электропечи. Регистрация, оценка сигналов и определение шлака происходит в режиме он-лайн при эксплуатации, так что сигнал состояния, который характеризует высоту шлака в дуговой электропечи, можно применять для автоматического регулирования процесса. За счет улучшенного согласно изобретению относительно техники измерений знания процесса образования пенистого шлака становятся возможными улучшенные контроль и регулирование процесса, которые приводят к следующим преимуществам:

- Повышение производительности за счет более высокой удельной производительности плавки за счет уменьшения обусловленных, в частности, ремонтами печи времен простоя.

- Снижение удельной энергии на плавление при постоянной температуре металла на выпуске.

- Снижение износа стенки за счет уменьшения энергии на излучение к внутренней стенке корпуса 1 печи.

- Снижение расхода электродов.

Существенная для изобретения идея может быть обобщена следующим образом.

Изобретение относится к способу определения по меньшей мере одного параметра состояния дуговой электропечи, в частности определения высоты пенистого шлака 15 в дуговой электропечи, причем подвод энергии в дуговую электропечь определяют с помощью по меньшей мере одного электрического датчика 13а, 13b, 13с и при этом измеряют корпусный шум в виде колебаний на дуговой электропечи, причем упомянутый по меньшей мере один параметр состояния, в частности высоту пенистого шлака 15, определяют с помощью передаточной функции, которую получают путем оценки измеренных колебаний, то есть корпусного шума, и путем оценки данных измерений упомянутого по меньшей мере одного электрического датчика 13а, 13b, 13с. Состояние высоты пенистого шлака 15 таким образом надежно распознают и прослеживают во времени. Высота пенистого шлака 15 является существенной для эффективности ввода энергии в дуговой электропечи. К тому же за счет покрытия электрической дуги 18 пенистым шлаком 15 уменьшаются потери на излучение. За счет улучшенного способа измерения обеспечивается надежное автоматическое регулирование высоты пенистого шлака или управление ею.