УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОСНОВАННОЙ НА ПРОТЕКАЮЩЕМ ПРОЦЕССЕ РЕГУЛИРОВКИ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ
DEVICE AND METHOD FOR PROCESS-BASED POWER CONTROL OF ELECTRIC ARC FURNACE

Изобретение относится к устройству для основанной на протекающем процессе регулировки мощности электродуговой печи. Для этого устройство предусматривает в частности несколько типов датчиков для регистрации текущих рабочих параметров электродуговой печи в зависимости от времени. Текущие рабочие параметры передаются блоку управления и регулировки, и соответствующий алгоритм регулировки рассчитывает необходимую регулировку. Регулировка электродуговой печи осуществляется при помощи, по меньшей мере, одного печного трансформатора. Блок управления и регулировки взаимодействует с, по меньшей мере, одним переключателем ступеней нагрузки, причем при помощи переключателя ступеней нагрузки могут подключаться ответвления обмотки на первичной стороне печного трансформатора. Электроды электрически соединены с вторичной стороной, по меньшей мере, одного печного трансформатора и в каждом случае расположены в ветви.
Кроме того, изобретение относится к способу для основанной на температуре регулировки мощности электродуговой печи.
Описание изобретения к патенту DE 3512189 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 положения электродов по высоте постоянно управляется контуром регулировки тока (или контуром регулировки импеданса), с которым в случае регулировки мощности совмещен контур регулировки мощности. В этом случае наряду со ступенью трансформатора совмещенный с регулятором тока регулятор мощности поставляет при необходимости задающую величину для регулятора тока. Во всех случаях на перемещение электродов непосредственно воздействует только регулятор тока. Таким образом, для использованного привода переключателя ступеней трансформатора возникает возможность либо подавать регулируемое при помощи переключателя ступеней напряжение трансформатора непосредственно при помощи диаграммы цикла работы, либо регулировать напряжение трансформатора при помощи упомянутого регулятора мощности. Подъемный привод электродов управляется регулятором тока.
Европейская патентная заявка EP 2362710 A1 раскрывает электродуговую печь и способ эксплуатации электродуговой печи. Соотнесенная 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 заданной программе движения, которая основывается на ожидаемом ходе процесса. Осуществляется наблюдение за тем, существует ли нежелательное различие между действительным ходом процесса и ожидаемым ходом процесса. Между тем 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 сосуду печи.
Описание изобретения к выложенной заявке DE 3543773 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 адаптации рабочих точек тока, в обоих случаях, для того чтобы изменять длину электрической дуги. При этом измеряется сила электрического тока, который течет от вторичной стороны печного трансформатора к электроду электродуговой печи. Если электродуговая печь эксплуатируется с электрической рабочей точкой, которая определена подобным образом, то при процессе расплавления потребление электрической энергии снижается, а удельное потребление электрической энергии может оставаться минимальным.
Немецкая патентная заявка DE 10 2009017196 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 отключены от обмотки 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.
Подключаемая 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, посредством встроенной системы управления или регулировки.
При ручном управлении опытный оператор печи может на основе акустической эмиссии печи и внешнего вида расплава оценивать процесс. При критических ситуациях (например, при свободно горящей электрической дуге) 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" сириесный дроссель выключается, для того чтобы сокращать реактивную мощность.
При проплавлении лунки выбирается более низкая ступень напряжения (короткая электрическая дуга), для того чтобы беречь 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 основанной на процессе регулировки мощности электродуговой печи, которое позволяет при изменениях процесса в электродуговой печи воздействовать с подходящими постоянными времени (в миллисекундном диапазоне) и при этом одновременно сокращать время простоя электродуговой печи и продлевать интервалы между техническими обслуживаниями переключателей ступеней.
Задача решается с помощью устройства для основанной на процессе регулировки мощности электродуговой печи, которое включает в себя признаки пункта 1 формулы изобретения.
Дальнейшая задача изобретения состоит в создании способа для основанной на процессе регулировки мощности электродуговой печи, который позволяет при изменениях процесса в электродуговой печи воздействовать с подходящими постоянными времени (в миллисекундном диапазоне) и при этом одновременно сокращать время простоя электродуговой печи и продлевать интервалы между техническими обслуживаниями переключателей ступеней.
Задача решается с помощью способа для основанной на процессе регулировки мощности электродуговой печи, который включает в себя признаки пункта 5 формулы изобретения.
Соответствующее изобретению устройство для основанной на процессе регулировки мощности электродуговой печи отличается тем, что переключатель ступеней нагрузки является полупроводниковым переключателем ступеней.
Согласно возможному варианту осуществления с каждым электродом может быть согласован печной трансформатор, чьи ответвления обмотки первичной стороны в каждом случае могут переключаться при помощи полупроводникового переключателя ступеней, а вторичная сторона каждого печного трансформатора соединена с электродом.
Датчики различных типов, которые используются для определения параметров регулировки или измеряемых величин, являются тепловыми датчиками и/или оптическими датчиками и/или акустическими датчиками и/или датчиками механического шума. Все датчики соединены с блоком управления и регулировки.
Блок управления и регулировки функционально соединен с полупроводниковым переключателем ступеней, так что в зависимости от измеренных величин датчиками различных типов и в сравнении с заданным значением может регулироваться прикладываемое к электродам текущее напряжение.
Соответствующий изобретению способ отличается тем, что:
- при помощи нескольких датчиков различных типов текущие рабочие параметры электродуговой печи регистрируются и передаются в блок управления и регулировки, при помощи которого определяется критическое число; и
- в зависимости от значения определенного критического числа при помощи, по меньшей мере, одного полупроводникового переключателя ступеней на подключение ответвлений на первичной стороне, по меньшей мере, одного печного трансформатора оказывается такое воздействие, что состояние электродуговой печи удерживается в некритическом рабочем состоянии или переводится в некритическое рабочее состояние.
Как правило, электродуговая печь имеет три электрода, при помощи которых тепловая энергия подается в электродуговую печь. Электроды соединены с вторичной стороной печного трансформатора, и таким образом за счет подключения ответвлений на первичной стороне печного трансформатора три вторичные ветви нагружаются измененным напряжением. Согласно одному варианту осуществления способа электроды симметрично снабжаются необходимым количеством электрической энергии, так что состояние электродуговой печи удерживается в некритическом рабочем состоянии или переводится в некритическое рабочее состояние.
Согласно другому варианту осуществления соответствующего изобретению способа при помощи полупроводникового переключателя ступеней внешние линии электродов нагружаются асимметричным напряжением. Тем самым три вторичные ветви асимметрично снабжаются необходимым количеством электрической энергии, так что состояние электродуговой печи удерживается в некритическом рабочем состоянии или переводится в некритическое рабочее состояние. Для этого требуются регулируемые ассиметрично напряжения внешних линий. Как правило, прикладываемые к отдельным электрическим дугам напряжения отличаются друг от друга по абсолютной величине не больше чем на 10%.
Электродуговая печь имеет три электрода, при помощи которых тепловая энергия подается в электродуговую печь. Каждый из электродов соединен с вторичной стороной согласованного с ним печного трансформатора, и за счет подключения ответвлений на первичной стороне соответствующего печного трансформатора электрические дуги снабжаются соответствующим количеством энергии. При этом подача энергии выполнена таким образом, что состояние электродуговой печи удерживается в некритическом рабочем состоянии или переводится в некритическое рабочее состояние. Каждая из электрических дуг может регулироваться независимо от других электрических дуг электродуговой печи.
Из рабочих параметров электродуговой печи вычисляется критическое число, которое составляется из теплового состояния сосуда электродуговой печи и/или из оптической регистрации горящих электрических дуг и/или из издаваемого электродуговой печью шума или механического шума.
Регулировка электрических величин для электродуговых печей осуществляется в двух диапазонах. Система управления процессом более высокого уровня задает вторичное напряжение внешних линий (или ступень трансформатора) и заданное значение тока. Система регулировки электродов более низкого уровня регулирует через длины электрических дуг ток и тем самым обеспечивает, в общем и целом, соблюдение предварительно установленного заданного значения. Настоящее изобретение относится к системе управления процессом более высокого уровня, причем регулировка напряжений внешних линий принимается во внимание.
На первом шаге регистрируется состояние во время процесса свободно горящей электрической дуги или дуг. Это может осуществляться при помощи измерения температуры, механического шума или излучения. Исходя из результатов измерений, на следующем шаге может определяться так называемое критическое число. Критическое число указывается в процентах и описывает текущее состояние процесса расплавления. При 0% состояние не критично. 100% - это наивысшая ступень, и состояние процесса расплавления чрезвычайно критично. Мощность электродуговой печи регулируется теперь в зависимости от текущего критического числа. Если критическое число находится, например, в диапазоне от 0 до 30%, то далее к электродуговой печи прикладывается максимальная мощность. Если критическое число находится, например между 30 и 60%, то мощность линейно уменьшается. Если критическое число находится выше 60%, то устанавливается самая незначительная мощность.
Благодаря расширению алгоритма регулировки за счет отдельной для каждой ветви регулировки через ассиметричные напряжения внешних линий в качестве регулирующей величины достигается большее продление срока эксплуатации эксплуатационных средств, так как вызывающие износ огнеупора места перегрева целенаправленно предотвращаются посредством новой регулировки. Под асимметричной регулировкой мощности подразумевается асимметричное изменение напряжений внешних линий. У полупроводникового переключателя ступеней необходимый диапазон регулировки для асимметрии напряжения должен составлять приблизительно ±10%. При этом тактовая частота имеет порядок величины в 1 секунду.
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 схематичный вид расположения электродов в пространстве в электродуговой печи и согласование датчиков с электродами;
фиг. 3 показывает схематичное изображение интеграции основанной на температуре регулировки мощности в общую регулировку электродуговой печи;
фиг. 4 показывает схематичный вид блок-схемы основанной на температуре регулировки мощности электродуговой печи; и
фиг. 5 показывает изображение функциональной зависимости критического числа и действующей в данный момент мощности.
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 образовывается расплав 3. Дополнительно сосуд 11 печи может оснащаться 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, электрод 4 и электрическая дуга (не изображена) 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.
S1
SN
1
N
S1
SN
Блок 30 управления и регулировки взаимодействует с полупроводниковым переключателем 20 ступеней, для того чтобы переключать ответвления печного трансформатора 6 на первичной стороне 6P таким образом, что ответвления снабжаются соответствующим напряжением внешних линий и соответствующим током, так что электродуговая печь 10 работает в пределах предварительно установленного заданного диапазона. Первичная сторона 6P печного трансформатора 6 имеет несколько ответвлений T, …, T обмотки, которые подключаются полупроводниковыми переключательными элементами S, …, S полупроводникового переключателя 20 ступеней. Блок 30 управления и регулировки получает входные данные от нескольких типов 15, 16 и 17 датчиков, которые согласованы с электродуговой печью 10. Из входных данных блок 30 управления и регулировки устанавливает последовательность переключения полупроводникового переключателя 20 ступеней и необходимое подключение ответвлений T, …, T обмотки первичной стороны 6P печного трансформатора 6, так что электродуговая печь 10 работает в пределах предварительно установленного диапазона мощности печи.
S1
SN
Для этого несколько типов 15, 16 и 17 датчиков регистрируют тепловое состояние электродуговой печи 10. Датчики 15, 16 и 17 нескольких типов выполнены в виде тепловых датчиков 15 и/или оптических датчиков 17 и/или акустических датчиков 16 и соединены с блоком 30 управления и регулировки. Текущие тепловые параметры электродуговой печи 10 могут определяться при помощи измерений температуры, измерений механического шума или измерений излучения. Для измерений температуры может использоваться, например датчик температуры, который измеряет, например температуру охлаждающей воды и таким образом позволяет делать вывод о текущей тепловой нагрузке электродуговой печи 10. Измерения механического шума могут осуществляться при помощи акустических датчиков, причем из результатов измерений может также делаться вывод о характере изменения температуры в электродуговой печи 10. Для измерений излучения могут использоваться, например (видео) камеры, так что тем самым может также делаться вывод о характере изменения температуры в электродуговой печи 10. Из записанных данных при помощи блока 30 управления и регулировки определяется критическое число. В зависимости от значения определенного критического числа при помощи, по меньшей мере, одного полупроводникового переключателя 20 ступеней оказывается такое воздействие на подключение ответвлений T, …, T обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6, что состояние электродуговой печи 10 удерживается в некритическом рабочем состоянии или переводится в некритическое рабочее состояние.
SOLL12
SOLL23
SOLL31
На фиг. 2 изображен схематичный вид расположения электродов 4 в пространстве в электродуговой печи 10 и пространственное согласование тепловых датчиков 15 и акустических датчиков 16 с электродами 4. В изображенном здесь варианте осуществления электродуговая печь 10 имеет три электрода 4, при помощи которых тепловая энергия вводится в электродуговую печь. Электроды 4 расположены в форме треугольника. С каждым электродом 4 в пространстве согласован тепловой датчик 15 и акустический датчик 16, так что может регистрироваться отдельное тепловое состояние электродуговой печи 10 в области каждого электрода 4. Таким образом, внешние линии 5 электродов 4 могут нагружаться асимметричными напряжениями U, U или U внешних линий, так что электроды 4 асимметрично снабжаются необходимым количеством электрической энергии.
S1
SN
Фиг. 3 показывает схематичное изображение интеграции основанной на процессе регулировки мощности в общую регулировку 22 электродуговой печи 10. В конечном счете, общая регулировка электродуговой печи 10 осуществляется при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней. Основанная на процессе 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, …, T обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6, чтобы осуществлялась необходимая регулировка электродуговой печи 10.
На фиг. 4 изображен схематичный вид блок-схемы основанной на температуре регулировки мощности электродуговой печи 10. На первом шаге 31 регистрируется состояние процесса в сосуде 11 печи и в частности три горящие электрические дуги. Это может осуществляться, как уже было упомянуто выше, при помощи нескольких типов 15, 16 и 17 датчиков. Датчики 15, 16 и 17 различных типов выполнены в виде тепловых датчиков 15 и/или оптических датчиков 17 и/или акустических датчиков 16 и соединены с блоком 30 управления и регулировки. Таким образом, могут осуществляться измерения температуры, механического шума и/или излучения. На втором шаге 32, исходя из результатов измерений, может определяться так называемое критическое число. Критическое число указывается в процентах и описывает текущее состояние процесса расплавления. При 0% состояние не критично, при 100% достигнута наивысшая ступень, и в обязательном порядке требуется изменение мощности электродуговой печи 10. На третьем шаге 33 мощность электродуговой печи 10 регулируется теперь в зависимости от текущего критического числа. При этом должна учитываться тепловая инерция сосуда 11 электродуговой печи 10. Процентные значения или процентные диапазоны критического числа, которые требуют вмешательства посредством полупроводникового переключателя 20 ступеней, могут задаваться пользователем электродуговой печи 10.
max
min
SOLL12
SOLL23
SOLL31
S1
SN
SOLL12
SOLL23
SOLL31
Фиг. 5 показывает изображение функциональной зависимости критического числа и действующей в данный момент в электродуговой печи 10 мощности P. Если критическое число находится, например, между 0 и 30%, то регулировка не требуется, и электродуговая печь 10 может эксплуатироваться с максимальной мощностью P. Если критическое число находится, например между 30 и 60%, то может осуществляться, например линейное уменьшение действующей мощности P. Если критическое число находится, например выше 60%, то устанавливается минимальная мощность P электродуговой печи 10. Благодаря выполнению алгоритма регулировки во взаимодействии с полупроводниковым переключателем 20 ступеней может осуществляться отдельная для каждой ветви регулировка через напряжения U, U или Uвнешних линий в качестве регулирующей величины. Благодаря полупроводниковому переключателю 20 ступеней возможно быстрое переключение и перескакивание более чем одного ответвления T, …, T обмотки на первичной стороне 6P печного трансформатора 6. Таким образом, к ветвям 7 прикладывается необходимое для регулировки напряжение U, U и Uвнешних линий, вследствие чего достигается большее продление срока эксплуатации эксплуатационных средств, так как вызывающие износ огнеупора места перегрева целенаправленно предотвращаются посредством новой, быстрой и адаптируемой регулировки.
SOLL12
SOLL23
SOLL31
SOLL12
SOLL23
SOLL31
Регулировка мощности электродуговой печи 10 может осуществляться при помощи полупроводникового переключателя 20 ступеней симметрично и асимметрично. Под асимметричной регулировкой мощности электродуговой печи 10 подразумевается асимметричное изменение регулируемых напряжений U, U и Uвнешних линий на ветвях 7. У полупроводникового переключателя 20 ступеней необходимый диапазон регулировки для асимметрии напряжений U, U и Uвнешних линий между ветвями 7 полупроводникового переключателя 20 ступеней должен составлять приблизительно до ±10%. При этом тактовая частота, как уже было упомянуто, имеет порядок величины в 1 секунду.
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
9 сеть энергоснабжения
10 электродуговая печь
11 сосуд печи
12 внешняя стенка
13 внутренняя стенка
15 тип датчика (температура)
16 тип датчика (механический шум)
17 тип датчика (излучение)
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
max
P максимальная мощность
min
P минимальная мощность
P действующая мощность
S1
SN
T, …, T ответвление обмотки, ступень трансформатора
1
N
S, …, S полупроводниковый переключательный элемент.