用于運行電弧爐的方法
【專利摘要】在一種用于運行具有至少一個電極的電弧爐的方法中，熔料在電弧爐中借助由至少一個電極所產生的等離子體電弧(2)熔化。在提高電弧爐的效率和功率方面，對等離子體電弧(2)進行調節，即在等離子體內加入一種或多種影響等離子體的成分的添加劑(ZS1，ZS2)。
【專利說明】用于運行電弧爐的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于運行電弧爐的方法，特別是電氣電弧爐，具有至少一個電極，其中熔料在電弧爐中借助由至少一個電極所產生的等離子體電弧熔化。這里可以將熔料理解為將要被熔化的固體、液態金屬和/或爐渣。本申請此外涉及了一種用于電弧爐的信號處理裝置、一種用于電弧爐的信號處理裝置的機器可讀的程序編碼及一種帶有在其上存儲的機器可讀的程序編碼的存儲介質。最后本申請涉及一種電弧爐，尤其是電氣電弧爐，其具有此類的信號處理裝置。
【背景技術】[0002]電弧爐用于生產液態金屬,一般來說是鋼。液態金屬是由一種固態熔料，例如廢料或還原鐵，及其他添加料生產而得。在過程開始時向電弧爐內提供廢料和/或還原鐵，接著點燃電弧爐的電極與熔料之間的等離子體電弧。通過電弧爐內等離子體電弧產生的能量可以將剩余的熔料熔化。這類電弧爐在公開文獻DE0122910A1，DE4130397A1和EP0292469A1中被描述。
[0003]電弧爐的電氣接電功率不斷地提高。80年代其極值還只有100MVA，目前新的熔爐系統的典型功率的量級位于150MVA。個別的電弧爐在工作時的接電功率已經高于200MVA。原則上高接電功率是具有吸引力的，因為其可以在較低的專門人力和投資成本的情況下實現較高的生產率。
[0004]高熔化功率伴隨高電弧電流并特別地伴隨高電弧電壓。附屬的長以及大功率的電弧對于過程控制來說是極高的挑戰。在每個時間點電弧必須以足夠的廢料或泡沫爐渣包住，以實現將能量有效地輸入并避免對爐管的損傷。相應地當廢料熔化時或泡沫爐渣塌落時會迅速地以電弧長度及因此熔化功率明顯減小做出響應。特別地，如對于抗銹生產來說，由于不存在泡沫爐渣，僅在在熔浴(fluessig Bad)時在降低了的電弧功率情況下進行工作。
[0005]由于所產生的長的電弧通過升高電壓而進一步調高三相交流和直流電弧的功率幾乎是不可能實現的。高輸送損失、對生產裝置，例如電極的較高限制，阻止功率經由電流而升聞。
[0006]當廢料熔化時由于廢料的運動及由于電弧內變化的等離子體條件，會導致強烈的電流震蕩。這種電流震蕩會引起供電網絡干擾，該干擾可以由所謂的閃變值(Fl ickerwert)所描述。當給定電網短路功率時閃變值隨著熔爐功率的增加而成比例增加。
[0007]迄今為止上述困難以不同方式出現。舉例來說，熔化功率自動與當前過程條件相匹配，在最簡單的情況下這可以通過以熱學為基礎的功率調控所實現，如在Dorndorf，M? , Wichert, ff., Schubert, Μ., Kempken, J., Kriiger, K.在杜塞爾多夫的冶金工藝技術的第三屆國際鋼鐵會議上公開的文獻:“電弧爐的量和材料流的整體控制(Holistic Controlof EAF’ s Energy and Material Flows.3rd International Steel Conference on NewDevelopments in Metallurgical Process Technologies, Diisseldorf, 11.-15.06.2007,S.513-520)”中所描述的。
[0008]近來也可以通過以結構噪聲為基礎的功率調節使熔化功率與當前的過程條件相匹配，參見 Dittmer, B.，Kriiger, K.，Rieger, D.，Matschullat, T.，Dobbeler, A.在
2 OIO年匹茲堡的鐵&鋼鐵技術會議上公開的文獻:“通過結構聲的交流電弧爐的不對稱功率控制(Asymmetrical Power Control of AC-EAFs by Structure-Borne SoundEvaluation, Iron&Steel Technology Conference2010,Pittsburgh, 03.-06.05.2010,
S.937-946)”。
[0009]原則上利用此調節功能可以避免爐管的過度損耗，因此也必須考慮會具有部分地明顯降低熔化功率的產品部段。此外，可以實現注入細碳進而對泡沫爐渣的形成進行自動化調節，參見H0meyer，K.出版2002年在漢堡大學的博士畢業論文“用于在電弧爐中形成泡沫爐禮:的自動化的碳輸入(Automatisierung der Kohlezugabe zurSchaumschlackenbildung im Lichtbogenofen, Dr.-1ng.Dissertation, Universitat der
Bundeswehr Hamburg (2002)) ”，該文章2001年發表在杜塞爾多夫的“VDI研究報告”的第8 行(VD1-Forschungsberichte, Reihe8, n0.862, VD1-Verlag, Diisseldorf2001)以及 Matschullat, T.，ffichert, ff.，Rieger, D.的“多維形式的泡沫爐洛-具有碳控制的新探測方法(Foaming Slag in More Dimensions-A New Detection Method with Carbon Control, AlSTech2007, Indianapolis07.-10.Mai2007)”。
[0010]最后列舉以下所作努力，即在抗銹生產中也可以生成如泡沫爐渣，見Reichel, J., Rose, L., Cotchen, J.K., Damazio, M.A., Loss, Η.B., Pinto E.M.在 2010 年匹茲堡的鐵&鋼鐵技術會議上公開的文獻“在不銹鋼生產中的電弧爐泡沫爐渣:工業實驗和進一步發展(EAF Foamy Slag in Stainless Steel Production:1ndustrial Experiencesand Further Development, Iron&Steel Technology Conference2010,Pittsburgh,03.-06? 05.2010，S.793-799) ”。
[0011]順利地形成泡沫爐渣，這本身是無法保證的，原則上即使在熔浴階段也可以實現高功率的熔化過程。在較高功率下的電弧爐中為了限制閃變值，在弱電網的情況下，需要安裝一種無功功率補償系統。然而具有這種系統最多能減少5倍的閃變值。

【發明內容】

[0012]本發明基于以下目的，即實現提高電弧爐的效率和功率。依據本發明，上述目的由一種用于運行電弧爐的方法實現，該電弧爐具有至少一個電極，其中熔料在電弧爐中借助至少一個電極所產生的等離子體電弧熔化，并且對等離子體電弧進行調節，即在等離子體內加入一種添加劑，這些添加劑可以影響等離子體的成分。同時為了降低等離子體電弧的場強度，在等離子體中加入至少一種具有較低電離能的添加劑，尤其是一種金屬或金屬鹽，并且為了提高等離子體電弧的場強度，在等離子體內加入至少一種具有較高電離能的添加劑，尤其是惰性氣體。
[0013]在這里可以將等離子體的成分理解為等離子體氣壓。因而等離子體特性與等離子體的成分相關。
[0014]迄今為止以此為出發點，即電弧等離子體的成分是由過程預先給定的。同時當前的等離子體成分確定了電弧的穩定性和易燃性。因而對閃變特性具有顯著的影響。[0015]本發明以下述想法為基礎，即將各種添加劑，尤其是氣體，也可以是固體-凝膠或灰塵，可控地加入到電弧等離子體，以實現有針對性地調節等離子體電弧的特性及對當前過程需求的動態調節。特別地，所述添加劑被直接供給到等離子體并對等離子體產生直接作用及改變其物理和/或化學特性，例如其電離特性、重組時間、傳導率和/或場強度。可以通過加入到等離子體內的添加劑的類型也可以通過其比例對等離子體的性能進行有針對性地調控。等離子體的成分及等離子體電弧特性的影響既可以應用在直流電弧也可以應用在三相交流電弧中。同樣對等離子體電弧的傳導率的調節也可以用于坩堝爐。對于特殊熔煉系統，如電還原爐(英語！Submerged Arc Frunace埋弧電爐)，也可以實現對等離子體電弧的傳導率及場強度的有針對性地調節。
[0016]以恒定的電弧電流為出發點，可以通過相應的調節方法對其進行調整。電弧功率與電弧長度、電弧的場強度及電弧電流的乘積成比例。當電弧電流恒定時，可以因此改變場強度或電弧長度，以達到所期望的功率。通過改變等離子體氣壓有限制地對場強度進行調整。[0017]對等離子體有針對性改變而產生的等離子體電弧的熔化功率升高，等同于等離子體特性對當前等離子體條件平穩的匹配，由此可以實現具有更高且更有效率功率產出的平穩電弧。
[0018]為了降低等離子體電弧的場強度(或提高傳導率)，在等離子體中加入具有較低電離能的添加劑，尤其是一種金屬或金屬鹽。為了提高傳導性及延長電弧等離子體中載流子的重組時間合適的是，如鋰、鈉和鋁金屬或相應的鹽。在開始生產時和在廢料熔化時以及通常在不穩定熔化過程中，應對等離子體做如下改變，即其能夠容易的電離、被緩慢重組并且具有高傳導率及低場強。具有較高傳導率及較低場強度的等離子體主要是在廢料熔化時，也就是說當電弧爐內的固體份額較高時具有優勢。通過加入添加劑可以使電弧變穩定并且閃變值變小。同時存在廢料大體積的熔化。
[0019]為了提高等離子體電弧的場強度(或降低傳導率)，則在等離子體內加入具有較高電離能的添加劑，尤其是惰性氣體。特別地，在運行在熔浴的情況下，將等離子體做如下改變，即使之具有較低的傳導率及較高的場強度。這可以通過如加入氦氣或氬氣實現。作為替代地，氫氣或含氫氣體，如丙烷、氮氣及氧氣或一氧化碳或二氧化碳也適用于該應用。所形成的短電弧意味著對爐壁有較小的輻射負荷。即使在廢料水平面較低的情況下也可以獲得高功率。也可以避免各級變頻器之間的頻繁切換。
[0020]在這里可以將具有高電離能的添加劑理解為這樣一種添加劑，即其電離能高于10eV，特別是高于15eV。這里包括稀有氣體及含氫氣體，例如丙烷。此外將具有較低電離能的添加劑理解為這樣一種添加劑，即其電離能低于10eV，特別是低于8eV。具有較低電離能的添加劑為，例如堿金屬和鋁及其金屬鹽。
[0021]優選地是確定熔化過程的過程狀態，尤其是實際的過程狀態，并且根據過程狀態對等離子體電弧的場強度(或傳導率)進行調節。在這里可以將過程狀態理解為熔化過程的實際過程狀態。熔化過程包括各種發展階段，在這些發展階段中電弧爐內固體與熔浴的比例彼此不同，因此對電弧的要求同樣也各不相同。因而確定熔化過程的實際過程狀態是優化調節電弧特性的前提，并因而也是提高電弧爐的效率和/或功率的前提。舉例來說通過所輸入的能量可以探測到當前的過程狀態。為了更確切的描述熔化過程可以將電弧爐的熱狀態、電流和電壓的時間變化及噪聲或固體噪聲信號考慮進來。
[0022]除了通過所加入添加劑的類型也可以通過至少一種添加劑的劑量對等離子體條件及特性進行調節。所加入的至少一種添加劑的所需劑量主要由電弧體積決定，因此該劑量與電弧功率成比例。因而優選地，所量取的加入的添加劑的劑量位于每兆瓦電弧功率0.1至50m3/h的范圍內，特別是位于每兆瓦電弧功率5至10m3/h的范圍內。有效的是通過系統的預壓力Pabs實現間接控制。
[0023]根據一個優選的實施方案，添加劑為氣態或以凝膠形式存在，并且通過調節氣體壓力來量取添加劑。特別地，對氣流的調節以測定過程狀態為基礎，例如當爐管的溫度負荷過高時采取相應的方法對等離子體電弧進行調節。附加地或作為替代地可以通過電弧爐的工作曲線來調節氣流，該工作曲線以經驗值為基礎。
[0024]優選地是將至少一個電極設計為中空電極并經由該電極輸送至少一種添加劑。當氣體輸送裝置被集成在石墨電極上時，這將帶來積極的副作用，即被加入的氣體可以將電極冷卻且在如有可能將其包住住，這可以減少電極在工作時的電極燒損。對于石墨電極，可以根據所輸送的添加劑的不同而發生改良反應，由于該反應消耗能量同樣可以對電極進行冷卻。
[0025]作為對中空電極的替代地或附加地，可以優選地通過注入器將添加劑經由爐壁或爐蓋輸送進電弧爐或通過位于電弧爐底部的透氣磚注入添加劑。位于爐壁、爐蓋或爐底的獨立的輸送裝置或注入器盡可能近地向電極延伸并因而盡可能近地向等離子體延伸，因此添加劑被直接加入進等離子體內。
[0026]根據本發明所述目的此外由電弧爐的信號處理裝置所實現，其具有機器可讀的程序編碼，該程序編碼包括控制指令，這些控制指令使信號處理裝置去執行根據上述方案之一的方法。根據本發明所述目的此外由電弧爐的信號處理裝置的機器可讀程序編碼實現，其中，該程序編碼包括控制指令，這些控制指令使信號處理裝置去執行根據上述方案之一的方法。根據本發明所述目的也由帶有在其上存儲的機器可讀的程序編碼的存儲介質實現。
[0027]最后，根據本發明所述目的由電弧爐所實現，尤其是電氣電弧爐，該電弧爐具有至少一個電極以借助由該至少一個電極所產生的等離子體電弧來熔化熔料并且具有上述信號處理裝置。所述電極優選地被設計為用于輸送添加劑的中空電極。此外優選地將添加劑的注入器布置在電弧爐的爐壁或爐蓋或將添加劑的輸送透氣磚設置在電弧爐的底部。
[0028]在廢料熔化時等離子體傳導率的提高和重組過程的減緩會導致顯著穩定并具有極低的電流震蕩和閃變值的電弧，并導致正弦形式的電流變化。同樣穩定的電弧對電極損耗起到積極的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]借助附圖對本發明的實施例做進一步闡述。這里示意了:
[0030]圖1為常規電弧爐的運行方式，
[0031]圖2為具有等離子體氣壓調節的電弧爐的優化運行方法，以及
[0032]圖3為影響等離子體 成分的添加劑的注入控制的方框圖。【具體實施方式】
[0033]圖1和圖2分別示意了常規電弧爐(圖1)運行時變壓器級TS、有效功率WL[MW]及電弧長度L[cm]在時間t[min]上的變化曲線及具有通過添加劑實現等離子體調節的電弧爐(圖2)運行時變壓器級TS、有效功率WL[MW]及電弧長度L[cm]在時間t[min]上的變化曲線。
[0034]在兩種工作方式下，向每個，這里未被示出的電弧爐內添加一籃固體熔料并開始生產。點燃電弧需要大概3分鐘。在接下來的原料熔化過程中，由于原料的運動及基點的遷移，電弧的燃燒變得相對不穩定。因此根據圖2將具有較高電離能的添加劑如惰性氣體、氫氣或甲烷輸送給電弧等離子體，由此等離子體的傳導率被提高且其場強度被降低。同時電弧的長度可達到70厘米，也就是說，該電弧比圖1所示的常規電弧爐中的電弧長度長了大約20厘米。被延長了的等離子體電弧所熔化的固體廢料比圖1所示的電弧的體積更大。因此存在一種更有效的熔化過程，該熔化過程具有較小的能量需求。此外調整電弧的傳導率的優點為，電流震蕩且尤其是閃變值明顯減少。此外，通過預先給定適當的等離子體氣壓可以得到正弦形式的電弧電流和電壓變化曲線。電流-畸變因子或電流-諧波則明顯減小。相應地濾波電路可能中斷或供電網絡的載荷變小。
[0035]大約在熔化過程開始15分鐘后，第二籃廢料被輸送至各電弧中。為熔化第二籃廢料，電弧同樣被延長。
[0036]大約從第24分鐘起第二籃內的固體也開始被熔化。因此此時放射至爐壁的輻射則不會太多，通過向等離子體電弧中輸送一種易電離的金屬或金屬鹽，如鋁、鈣或鉀，則圖2所示傳導率被調至較低并且電弧長度L被調至更短。同時輻射負荷可以降低2/3或在同等輻射負荷情況下熔化功率被提高50 %。此外通過對等離子體的調節可以避免變壓器級間的多次切換，如從圖1和2中在第24與第37分鐘之間的對比中得出。此外對兩圖的對比明顯得出，在具有等離子體傳導率調節功能的優化運行模式下熔化過程比常規運行模式下的電弧爐更短。
[0037]圖3示意了未進一步示出的電弧爐在優化運行模式下等離子體成分的連續調節的方框圖。調節功能以確定電弧爐內的過程狀態為基礎，其中根據過程狀態來對等離子體的特性，尤其是其場強度，進行調節。
[0038]電氣工作點4作為電弧爐內所產生的等離子體電弧2的輸入值，該工作點是由電弧爐的功率控制裝置預定的。此外感興趣的是，電弧長度L中有多大比重△未被泡沫爐渣或廢料顆粒所屏蔽。這里泡沫爐渣的高度由H表示。由于比重△會導致熱負荷升高，這里可以將爐管的冷卻水溫度T作為標度。測定的溫度T與輸送到原料內的特定的能量Esp —起被輸送給信號處理裝置8。
[0039]在測定電弧爐的熱狀態的同時對固定噪聲或電流進行測量，這些直接提供了如下信息，即電弧被包住的程度及電弧燃燒的穩定程度。上述測量的測量信號10，12同樣被輸送給控制或調節單元8。依據輸入信息可以借助信號處理裝置8計算出添加劑ZS1, ZS2的劑量和類型，這些添加劑被加入到電弧2內。同時所述添加劑ZS1,ZS2的劑量與電弧爐的功率成比例。特別地，氣態的添加劑ZS1, ZS2在氣體壓力作用下被輸送至添加劑ZS1, ZS2的導管內。特別地，添加劑ZS1, Z S2的輸送通過電弧爐的中空電極實現，作為替代地可以將輸送裝置或注入器設置在電弧爐的壁、蓋或底部。[0040]當通過添加劑ZS1, ZS2對等離子體成分進行調節時，一般地在廢料熔化時，尤其是在熔化過程開始時，要求等離子體具有較高的傳導率，因此將具有較低電離能的添加劑ZS1輸送給等離子體，并且在電弧爐內大部分為熔浴時，尤其是在熔化過程末期，通過將具有較高電離能的添加 劑ZS2輸送至電弧內，可將等離子體的傳導率調整至更低。
【權利要求】
1.一種用于運行具有至少一個電極的電弧爐的方法，其中熔料在所述電弧爐中借助由至少一個所述電極所產生的等離子體電弧(2)熔化，其特征在于，對所述等離子體電弧(2)進行調節，即在等離子體內加入一種或多種影響等離子體成分的添加劑(ZS1, ZS2),其中為了降低所述等離子體電弧(2)的場強度，在所述等離子體中加入至少一種具有較低電離能的添加劑(ZS1),尤其是一種金屬或金屬鹽，并且為了提高所述等離子體電弧(2)的所述場強度，在所述等離子體內加入至少一種具有較高電離能的添加劑(ZS2)，尤其是惰性氣體。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，確定熔化過程的過程狀態并且根據所述過程狀態調節所述等離子體電弧的場強度。
3.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所量取的加入的所述添加劑(ZS17ZS2)的劑量處于每兆瓦電弧功率0.1至50m3/h的范圍內，特別是處于每兆瓦電弧功率5至10m3/h的范圍內。
4.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所量取的加入的所述添加劑的所述劑量通過預壓力Pabs來調節。
5.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述添加劑(ZSpZS2)為氣態或凝膠并且通過對氣體壓力的調節來對所述添加劑進行量取。
6.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，至少一個所述電極設計為中空電極并且經由所述電極來輸送所述添加劑(ZS1, ZS2)。
7.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述添加劑(ZSpZS2)通過注入器經由爐壁或爐 蓋注入到所述電弧爐。
8.根據前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述添加劑(ZSpZS2)通過在所述電弧爐的底部的透氣磚來注入。
9.一種用于電弧爐的信號處理裝置(8)，具有機器可讀的程序編碼，所述程序編碼包括控制指令，所述控制指令使所述信號處理裝置(8)執行根據權利要求1至8中任一項所述的方法。
10.一種用于電弧爐的信號處理裝置(8)的機器可讀的程序編碼，其中所述程序編碼包括控制指令，所述控制指令使所述信號處理裝置(8)執行根據權利要求1至8中任一項所述的方法。
11.一種存儲介質，在所述存儲介質上存儲有根據權利要求10所述的機器可讀的程序編碼。
12.一種電弧爐，具有至少一個電極以借助至少一個所述電極所產生的等離子體電弧(2)來熔化熔料并且所述電弧爐具有根據權利要求9所述的信號處理裝置(8)。
13.根據權利要求12所述的電弧爐，其特征在于，所述電極被設計為中空電極以用于輸送所述添加劑(ZS1, ZS2)。
14.根據權利要求12或13所述的電弧爐，其特征在于，用于所述添加劑(ZS1,ZS2)的注入器設置在爐壁或爐蓋處。
15.根據權利要求12至14中任一項所述的電弧爐，其特征在于，用于注入所述添加劑(ZS1, ZS2)的透氣磚設置在所述電弧爐的底部。
【文檔編號】C21C5/52GK103906849SQ201280053937
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年10月25日 優先權日:2011年11月3日
【發明者】克勞斯·克呂格爾, 托馬斯·馬楚拉特, 阿爾諾·德貝勒 申請人:西門子公司