УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ РЕГУЛИРОВКИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ НА НАЧАЛЬНОЙ ФАЗЕ ПРОЦЕССА РАСПЛАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к устройству для регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления. Для этого устройство предусматривает в частности три ветви в каждой с одним электродом и с согласованной внешней линией для подвода энергии. В каждой ветви предусмотрен датчик для измерения текущего напряжения и датчик для измерения протекающего в данный момент тока. При помощи блока управления и регулировки для каждой ветви в зависимости от времени вычисляется фактическая электрическая величина. Кроме того, предусмотрен, по меньшей мере, один печной трансформатор с первичной стороной и вторичной стороной. Переключатель ступеней нагрузки переключает ответвления обмотки первичной стороны, а три электрода электрически соединены с вторичной стороной, по меньшей мере, одного печного трансформатора.

Кроме того, изобретение относится к способу для регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления.

Описание изобретения к патенту DE 35 12 189 C1 раскрывает способ и устройство для регулировки электродуговых печей. При этом должны создаваться условия для точной, экономичной и реализуемой с технической точки зрения без больших затрат регулировки напряжения электрической дуги и положения электродов по высоте. Элемент регулировки - напряжение трансформатора постоянно управляется контуром регулировки тока, с которым в случае регулировки мощности совмещен контур регулировки мощности. В этом случае совмещенный с регулятором тока регулятор мощности поставляет задающую величину для регулятора тока. Во всех случаях на перемещение электродов непосредственно воздействует только регулятор напряжения электрической дуги. Таким образом, для использованного привода переключателя ступеней трансформатора возникает возможность либо подавать напряжение трансформатора непосредственно при помощи установки заданного значения, либо переключателем ступеней регулировать напряжение трансформатора при помощи упомянутого регулятора тока, с которым при необходимости совмещен регулятор мощности. Подъемный привод приводится в действие регулятором напряжения, причем соответствующее управляющее напряжение предоставляется либо из регулятора тока, либо из регулятора износа, либо непосредственно в виде предварительно установленного заданного значения.

Европейская патентная заявка EP 2 362 710 A1 раскрывает электродуговую печь и способ эксплуатации электродуговой печи. Согласованная с, по меньшей мере, одним электродом электрическая дуга имеет первую мощность излучения, которая получается на основе первого установленного набора рабочих параметров. Электродуговая печь эксплуатируется согласно заданному режиму, который основывается на ожидаемом ходе процесса. Осуществляется наблюдение за тем, существует ли нежелательное различие между действительным ходом процесса и ожидаемым ходом процесса. При наличии расхождения задается измененная вторая мощность излучения. Посредством измененной второй мощности излучения определяется измененный второй набор рабочих параметров. Способ позволяет достигать минимально возможное время расплавления при бережном отношении к эксплуатационным средствам, в частности к системе охлаждения электродуговой печи.

Описание изобретения к выложенной заявке DE 35 43 773 A1 описывает способ эксплуатации электродуговой печи, так что при сильно колеблющемся исходном материале (сырье) возможно расплавление этого материала с минимальным значением удельного потребления электрической энергии. Печной трансформатор оснащен переключателем ступеней нагрузки, и таким образом выходное напряжение на вторичной стороне трансформатора может регулироваться. Управление осуществляется посредством смены ответвлений обмотки печного трансформатора или посредством поднятия и опускания электродов при помощи подъемного устройства для электродов электродуговой печи, для того чтобы изменять длину электрической дуги. Одновременно измеряется сила электрического тока, который течет от вторичной стороны печного трансформатора к электроду электродуговой печи. Если электродуговая печь эксплуатируется с электрическим током, который отрегулирован подобным образом, то при процессе расплавления потребление электрической энергии снижается, а удельное потребление электрической энергии может оставаться минимальным.

Заявка DE 10 2009 017 196 A1 раскрывает переключатель ступеней с полупроводниковыми переключательными элементами для безразрывного переключения между неподвижными контактами переключателя ступеней, которые электрически соединены с ответвлениями обмотки ступенчатого трансформатора. При этом каждый из неподвижных контактов переключателя ступеней может соединяться с ответвлением нагрузки напрямую или, во время переключения, при помощи промежуточных, полупроводниковых, переключательных элементов. Ответвление нагрузки имеет неподвижные, раздельные, контактные элементы ответвления, чтобы полупроводниковые переключательные элементы во время постоянной эксплуатации были гальванически развязаны с обмоткой трансформатора. У переключателя же ступеней с полупроводниковыми переключательными элементами обнаруживаются различные недостатки. Благодаря длительному приложению рабочего напряжения и нагружению силовой электроники напряжением грозового импульса требуются большие изоляционные промежутки, что является нежелательным.

Как известно из уровня техники, электрическими элементами для регулировки или управления работой электродуговой печи являются печной трансформатор, дроссельная катушка и система кронштейнов для электродов. Выработка энергии для электродуговых печей трехфазного тока осуществляется печными трансформаторами с встроенным переключателем ступеней. Благодаря ступеням трансформатора может устанавливаться соответствующий подвод энергии.

Переключаемая под нагрузкой дроссельная катушка, которая подключена на входе трансформатора, служит для регулировки реактивного сопротивления электрической цепи и вследствие этого создает условия для эксплуатации печи с устойчивыми электрическими дугами, а также для ограничения тока короткого замыкания. В зависимости от хода выполнения процесса выбирается подходящая ступень как на трансформаторе, так и на сериесном дросселе. Это может осуществляться посредством ручного вмешательства оператора печи или посредством встроенной системы управления или регулировки.

При ручном управлении опытный оператор печи может устанавливать текущий подвод энергии на основе цвета емкости печи и ее содержимого. Так может вестись субъективное наблюдение за состоянием печи и процессом расплавления. При критических ситуациях (например, при повреждении огнеупора) ступень трансформатора адаптируется.

При автоматическом управлении в зависимости от текущего подвода энергии адаптируются ступени трансформатора и при необходимости ступени дросселя. Как правило, на начальной фазе "проплавление лунки " требуется высокая индуктивность, для того чтобы поддерживать наиболее устойчивую электрическую дугу (дроссель регулирования под нагрузкой - наивысшая ступень). На последней фазе "жидкая ванна" сериесный дроссель выключается, для того чтобы сокращать реактивную мощность.

На стадии проплавления лунки выбирается более низкая ступень напряжения (короткая электрическая дуга), для того чтобы сохранить огнеупорную обкладку печи (огнеупор), а также крышку печи. После того как электрическая дуга покрыта пенящимся шлаком, выбирается наивысшая ступень напряжения, для того чтобы достигать самого большого подвода энергии в расплав. На последней фазе выбирается несколько более низкое ступенчатое напряжение, для этого устанавливается максимально высокий ток, для того чтобы обеспечивать высокий подвод энергии.

Вышеупомянутые заданные величины, в частности при ручном и автоматическом управлении, отображают действительное состояние процесса лишь в крайне недостаточной степени. Кроме того, новейшие системы регулирования также не в состоянии реагировать на быстрые изменения в системе с подходящими постоянными времени (например, в миллисекундном диапазоне).

В отношении переключателей ступеней в печных трансформаторах и дроссельных катушках высокие частоты переключений в зависимости от самых разных концепций переключения клиентов рассматриваются в качестве технического стресс-фактора. В первую очередь следует сводить к минимуму обгорание контактов, а также износ механических конструктивных элементов в переключателях ступеней.

Так как техническое обслуживание переключателей ступеней, как правило, предполагает высокие расходы и прежде всего затратное приостановление производственного процесса, для пользователя чрезвычайно желательно продлевать интервал между техническими обслуживаниями, для того чтобы по возможности сокращать затраты на техническое обслуживание переключателя ступеней.

Задача изобретения состоит в создании устройства для регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления, которое делает возможной быструю регулировку напряжения, для того чтобы предотвращать случай максимального тока.

Задача решается с помощью устройства для регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления, которое включает в себя признаки пункта 1 формулы изобретения.

Дальнейшая задача изобретения состоит в создании способа для регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления, который делает возможной быструю регулировку напряжения, для того чтобы предотвращать случай максимального тока.

Задача решается с помощью способа для регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления, который включает в себя признаки пункта 3 формулы изобретения.

Соответствующее изобретению устройство для регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления отличается тем, что переключатель ступеней нагрузки является полупроводниковым переключателем ступеней, который делает возможным время такта в несколько миллисекунд. Непосредственно на начальной фазе процесса расплавления благодаря оседанию металлического лома вокруг электродов доходит до коротких замыканий, которые вызывают высокие максимальные токи. Эти максимальные токи необходимо предотвращать посредством долго адаптирующегося снабжения электродов электрической энергией или уменьшать на порядок, так что повреждения электродуговой печи или огнеупора не возникают.

Согласно варианту осуществления блок управления и регулировки имеет алгоритм регулировки, при помощи которого может вычисляться заданное положение полупроводникового переключателя ступеней. Заданное положение полупроводникового переключателя ступеней делает возможной регулировку порогового значения тока, причем заданное положение может вычисляться в зависимости от измеренных датчиками каждой ветви величин и от получающихся в каждом случае фактических электрических величин, и соответственно может вычисляться соответствующее пороговое значение тока. В этом случае при помощи полупроводникового переключателя ступеней можно переключаться на соответствующее заданному ответвлению обмотки заданное положение.

Соответствующий изобретению способ отличается тем, что:

- осуществляется измерение тока и напряжения для каждой из трех ветвей вторичной стороны печного трансформатора;

- исходя из заданных в блоке управления и регулировки рабочих параметров, алгоритмом регулировки вычисляется подходящее заданное напряжение внешних линий и согласованное соответствующим образом заданное ответвление обмотки первичной стороны печного трансформатора, чтобы соблюдалась верхняя граница тока; и

- устанавливаемое заданное ответвление обмотки на первичной стороне печного трансформатора устанавливается полупроводниковым переключателем ступеней симметрично для всех ветвей электродуговой печи, и полупроводниковый переключатель ступеней переключается на соответствующее заданное положение.

Под заданными рабочими параметрами электродуговой печи подразумеваются электрические величины, как например напряжение, сила тока и импеданс в ветвях, а также затенение (затухание) ответвлений обмотки печного трансформатора при запуске электродуговой печи.

Фактическая электрическая величина вычисляется таким образом, что из ветвей выбирается ветвь с экстремумом фактической электрической величины. Затем производится сравнение, является ли экстремум фактической электрической величины меньше чем пороговое значение фактической электрической величины. Фактическая электрическая величина может быть полным сопротивлением (импедансом) или полной проводимостью (адмитансом). Другие характеризующие фактические электрические величины возможны. Использование импеданса или адмитанса не должно ограничивать изобретение.

Как правило, время такта для определения заданного положения полупроводникового переключателя ступеней и для определения соответствующего переключения на заданное ответвление обмотки на печном трансформаторе находится в диапазоне 20 мс.

Для определения электрических величин осуществляется адаптированная к динамике регулировки низкочастотная фильтрация. Адаптация напряжений внешних линий на вторичной стороне печного трансформатора может также осуществляться ассиметрично.

В случае если фактической электрической величиной является импеданс, пороговое значение импеданса устраняется полупроводниковым переключателем ступеней вследствие того, что переключатель переключается на минимально возможное ответвление обмотки первичной стороны печного трансформатора. Вследствие этого уменьшается напряжение на вторичной стороне печного трансформатора. Уменьшение напряжения на вторичной стороне печного трансформатора осуществляется по отдельности в каждой отдельной ветви.

Эти и другие признаки и преимущества раскрытых здесь различных вариантов осуществления становятся более понятными, ссылаясь на последующее описание и чертеж, причем одинаковые ссылочные позиции везде обозначают одинаковые элементы. На чертеже:

фиг. 1 показывает схематичное изображение системы для расплавления металла при помощи электродуговой печи;

фиг. 2 показывает схематичное изображение интеграции регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления в общую регулировку электродуговой печи;

фиг. 3 показывает схематичный вид блок-схемы регулировки электродуговой печи на начальной фазе процесса расплавления; и

фиг. 4 показывает графическое представление разности ответвлений обмотки в зависимости от разности определенного импеданса.

Фиг. 1 показывает схематичное изображение системы 1 для расплавления металла при помощи электродуговой печи 10. Электродуговая печь 10 состоит из сосуда 11 печи, в котором расплавляется стальной лом, и таким образом образовывается расплав 3. Дополнительно сосуд 11 печи оснащен крышкой (не изображена). Стенка 12 и крышка оснащаются водяным охлаждением. В зависимости от режима работы электродуговой печи 10 она имеет один или три электрода 4. В электродуговой печи постоянного тока используется один электрод 4. В трехфазной электродуговой печи 10 используются три электрода 4. Последующее описание описывает принцип изобретения на примере трехфазной электродуговой печи. Огнеупорный материал (не изображен) покрывает внутреннюю стенку 13 электродуговой печи 10.

Электроды 4 закреплены на кронштейне (не изображен) и при необходимости могут вводиться в сосуд 11 печи. Каждый из электродов 4 оснащен внешней линией 5, причем все внешние линии 5 соединены со вторичной стороной 6S печного трансформатора 6. Таким образом, внешняя линия 5 и электрод 4 образуют фазу или ветвь 7 цепи трехфазного тока. Первичная сторона 6P печного трансформатора 6 снабжается необходимым высоким напряжением из сети 9 энергоснабжения. С первичной стороной 6P печного трансформатора 6 соединен переключатель 20 ступеней нагрузки, который выполнен в виде полупроводникового переключателя ступеней.

Блок 30 управления и регулировки взаимодействует с полупроводниковым переключателем 20 ступеней, для того чтобы переключать ответвления T_S1, ..., T_SN обмотки печного трансформатора 6 на первичной стороне 6P таким образом, что ответвления снабжаются соответствующим напряжением и соответствующим током, так что в ветвях 7 преобладает предопределенная фактическая электрическая величина E_факт.. Фактическая электрическая величина E_факт. может быть, например импедансом Z или адмитансом Y. Первичная сторона 6P печного трансформатора 6 имеет несколько ответвлений T_S1, ..., T_SN обмотки, которые подключаются полупроводниковыми переключательными элементами S₁, ..., S_N полупроводникового переключателя 20 ступеней. Блок 30 управления и регулировки получает входные данные от датчиков 15 тока и датчиков 16 напряжения, которые согласованы с ветвями 7 электродуговой печи 10. Из входных данных блок 30 управления и регулировки устанавливает последовательность переключения полупроводникового переключателя 20 ступеней и необходимое подключение ответвлений T_S1, ..., T_SN обмотки первичной стороны 6P печного трансформатора 6, так что ограничивается ток в ветвях 7 или в отдельной ветви 7. Датчики 15 тока и датчики 16 напряжения могут быть также предусмотрены на питающих линиях 8 для первичной стороны 6P печного трансформатора 6.

На начальной фазе процесса расплавления в электродуговой печи 10 возникают сильные колебания тока или напряжения. Зачастую доходит до коротких замыканий, что, как правило, приводит к сильно завышенным токам. Это связано с падающим в некоторых местах металлическим ломом. Эта ситуация может существенно исправляться при помощи соответствующего изобретению и быстрого полупроводникового переключателя 20 ступеней. В самом крайнем случае полупроводниковый переключатель 20 ступеней переключается на минимально возможное ответвление T_S1 обмотки (или ступень трансформатора), так что в итоге получается самое низкое напряжение печного трансформатора 6. Этот процесс может также осуществляться асимметрично, то есть по отдельности для каждой ветви 7. Кроме того, полупроводниковый переключатель 20 ступеней открывает возможность того, что переключение осуществляется непосредственно на минимально возможное ответвление T_S1 обмотки без необходимости поочередного подключения промежуточных ответвлений обмотки.

В блок 30 управления и регулировки внедрен алгоритм регулировки, при помощи которого вычисляется заданное положение S_ЗАДАН. полупроводникового переключателя 20 ступеней. Тем самым может регулироваться пороговое значение I_Порог. тока, причем пороговое значение I_Порог. тока может вычисляться в зависимости от измеренных датчиками 15, 16 каждой ветви 7 величин и от получающихся в каждом случае фактических электрических величин E_факт., и соответственно может вычисляться соответствующее пороговое значение I_Порог. тока. При помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней осуществляется переключение на соответствующее заданному ответвлению T_ЗАДАН. обмотки заданное положение S_ЗАДАН..

Фиг. 2 показывает схематичное изображение интеграции регулировки электродуговой печи 10 на начальной фазе процесса расплавления в общую регулировку 22 электродуговой печи 10. В конечном счете, общая регулировка 22 электродуговой печи 10 осуществляется при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней. Основанная на температуре регулировка 24 мощности работает с тактовой частотой в диапазоне 1-й секунды. Регулировка 26 максимального тока работает с тактовой частотой в диапазоне 20 миллисекунд. Регулировка 28 мерцания работает с тактовой частотой в диапазоне 10 миллисекунд. Тактовая частота для каждой из регулировок соответствует частоте повторения импульсов соответствующих регулировок. В этом случае в результате измерений при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней можно переключаться с определенного на соответствующее ответвление T_S1, ..., T_SN обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6, чтобы необходимая регулировка электродуговой печи 10 осуществлялась таким образом, что минимизируются или полностью исключаются максимальные токи. Регулировка мощности электродуговой печи 10 в отношении возникающего максимального тока может осуществляться при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней симметрично или асимметрично. Под асимметричной регулировкой электродуговой печи 10 на начальной фазе процесса расплавления подразумевается не связанное (не синхронизированное) изменение регулируемых напряжений на внешних линиях 5. При этом тактовая частота, как уже было упомянуто, имеет порядок величины в 20 мс.

На фиг. 3 изображен схематичный вид блок-схемы регулировки электродуговой печи 10 на начальной фазе процесса расплавления. Говоря об этой регулировке, речь идет о регулировке 26 максимального тока, при помощи которой возможно реагировать на быстрые изменения тока на начальной фазе процесса расплавления. Последующее описание рассматривает в качестве электрической величины импеданс Z. Это никоим образом не должно восприниматься в качестве ограничения изобретения. При этом, как изображено на фиг. 4, реагирование переключением ответвлений T_S1, ..., T_SN обмотки посредством полупроводникового переключателя 20 ступеней не должно осуществляться на любые изменения тока. Только если измеренный импеданс Z_факт. для определенного промежутка времени находится ниже порогового значения Z_Порог. импеданса, требуется вмешательство при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней. Максимальный ток устраняется вследствие того, что полупроводниковый переключатель 20 ступеней переключается на минимально возможное ответвление T_S1 обмотки или на заданное ответвление T_ЗАДАН. обмотки.

В представленном на фиг. 3 способе на первом шаге 31 осуществляется измерение тока и напряжения в ветвях и определяется фактический ток I_факт. и фактическое напряжение U_факт.. Для этого, как изображено на фиг. 1, в каждой ветви 7 предусмотрены соответствующие датчики 15 и 16 тока и напряжения. На втором шаге 32 для каждой ветви 7 вычисляется фактический импеданс Z_факт.. На третьем шаге 33 из ветвей 7 выбирается ветвь 7 с самым низким импедансом Z_min. Для определения ветви 7 с самым низким импедансом Z_min осуществляется низкочастотная фильтрация 34 значений самого низкого импеданса Z_min для всех ветвей 7. На шаге 35 сравнения поверяется, является ли самый низкий импеданс Z_min меньше чем пороговое значение Z_Порог. импеданса.

Теперь на последнем шаге 36 может вычисляться самый высокий ток в соответствии с самым низким импедансом Z_min. При помощи регулятора, работающего на основе характеристических кривых, может вычисляться необходимая разность ΔT_S ответвлений обмотки, которая зависит от порогового импеданса Z_Порог. и измеренного минимального импеданса Z_min. Эта разность ΔT_S вычитается из текущего ответвления T_A обмотки (ступени трансформатора). Устанавливаемая ступень T_S на первичной стороне 6P печного трансформатора 6 получается из разности между текущим ответвлением T_A обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6 и разностью ΔT_S ответвлений обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6. Регулировка мощности печного трансформатора 6 на устанавливаемое ответвление T_S обмотки первичной стороны 6P осуществляется при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней симметрично для всех ветвей 7 электродуговой печи 10. При этом тактовая частота имеет порядок величины в 20 мс.

Фактический импеданс Z_факт. устанавливается полупроводниковым переключателем 20 ступеней ниже порогового значения Z_Порог. импеданса вследствие того, что переключатель 20 переключается на минимально возможное ответвление обмотки первичной стороны 6P печного трансформатора 6. Таким образом, напряжение на вторичной стороне 6S печного трансформатора 6 уменьшается. Уменьшение напряжения на вторичной стороне 6S печного трансформатора 6 может осуществляться по отдельности на каждой отдельной ветви 7.

Изобретение было описано со ссылкой на два варианта осуществления. Тем не менее, для специалиста является очевидным то, что изменения и модификации изобретения могут выполняться, не отходя при этом от объема защиты нижеследующих пунктов формулы изобретения.

Список ссылочный позиций

1 устройство

3 расплав

4 электрод

5 внешняя линия

6 печной трансформатор

6P первичная сторона

6S вторичная сторона

7 ветвь, фаза

8 питающая линия

9 сеть энергоснабжения

10 электродуговая печь

11 сосуд печи

12 внешняя стенка

13 внутренняя стенка

15 датчик тока

16 датчик напряжения

20 переключатель ступеней нагрузки, полупроводниковый переключатель ступеней

22 общая регулировка

24 основанная на температуре регулировка мощности

26 регулировка максимального тока

28 регулировка мерцания

30 блок управления и регулировки

31 первый шаг

32 второй шаг

33 третий шаг

34 низкочастотная фильтрация

35 шаг сравнения

36 последний шаг

T_S1, ..., T_SN ответвление обмотки, ступень трансформатора

T_A текущее ответвление обмотки

T_ЗАДАН. заданное ответвление обмотки

ΔT_S разность ответвлений обмотки

S₁, ..., S_N полупроводниковый переключательный элемент

S_ЗАДАН. заданное положение

E_факт. фактическая электрическая величина

E_EXTEREM экстремум фактической электрической величины

E_Порог. пороговое значение фактической электрической величины

I_MAX верхняя граница тока

I_Порог. пороговое значение тока

U_AЗАДАН. заданное напряжение внешних линий

Y адмитанс

Z импеданс

Z_Порог. пороговое значение импеданса

Z_min минимальный импеданс

Z_факт. фактический импеданс.