CN102282270B - 熔炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种熔炉（10）。按本发明规定，至少一个振动激励器（40、41、42）设置在炉缸（20）上，对置地或在炉缸的其他位置上设置至少一个传感器(50、51、52)，信号检测和计算单元（90）与所述至少一个振动激励器及所述至少一个传感器相连。在此熔炉中通过以下方式可监控熔炼过程并可测量熔炼进程，即振动激励器的信号在其穿过熔炉内部之后借助传感器来测量，并借助信号检测和计算单元来分析。例如，这一点可过程主导地、针对状态地调节熔炼工艺，并且电弧功率可最佳地与熔炼工艺的各自状态相匹配。信号检测和计算单元适合把传感器的信号与振动激励器的激励信号相关联，和/或通过组合分析振动激励和测量出的振荡来推断出熔炼过程。

Description

熔炉

技术领域

本发明涉及一种熔炉及其运行方法。 

背景技术

例如从德语公开文献DE 10 2005 034 378 A1以及德语专利文献DE 10 2005 034 409 B3中已知熔炉及其运行方法。 

在熔炉中制造钢材时，温度和恶劣的环境会在熔炼过程中妨碍炉内内容的测量和特性形成。如果为熔炼不同种类的钢废料，使用了电弧炉，则废料在电弧（辐射）的作用范围内熔化，此电弧通常借助三个电极产生。因为在电弧炉的运行过程中电弧长度通常是保持恒定的，所以电弧/电极会在废料中钻孔。通过从侧面的滑落以及废料的崩塌，可连续地熔化所有的废料。这个工艺在时间和空间上都非常不均匀，因为废料的填充可能是非常不均匀的，既可能包含精细的废料，也可能包含粗重的废料，粗重的废料中具有实心部分（所谓的钢坯或结瘤）。 

因为不能观察通过封闭熔炉进行的熔炼进程，所以在已知的熔炉中通过固定的运行图表（Fahrdiagramm）来预先规定由次级外部导线电压和额定电流定义的电工作点。根据熔炼时间或引入的能量，这种运行图表可例如确定变压器级和电极调节的阻抗额定值。此电极调节可例如在相阻抗（Strangimpedanz）的基础上进行，以达到恒定的电弧长度。 

这种固定的运行图表的缺点在于，电运行机构要承受很强的负载，因此必须设计得适合承受高负载：例如如果在熔炼过程中出现废料崩塌，则在电极之间随之而来的短路可能引起电极快速抬高，因此电弧可能断裂。这一点以及电弧的重新点燃都会明显使电运行机构承受强烈负载。 

这种固定的、用来控制电弧炉的运行图表或运行程序的缺点在于，它根据设计要么不能充分地利用可供支配的熔炼功率，要么必须提高耐火磨损性和容忍热量损失。 

从公开号为09159511 A的日本专利的摘要中已知一种具有权利要求1前序部分的特征的熔炉。 

发明内容

因此本发明的目的是，说明一种熔炉，它可实现更好的过程主导。 

按本发明，此目的通过具有专利权利要求1特征的熔炉得以实现。在从属权利要求中说明了按本发明的熔炉的有利构造方案。 

据此，按本发明规定，振动激励器与传感器这样对置，即振动激励器的一部分振动或声波通过炉壁朝传感器传导，另一部分振动或声波通过熔炼物间接地或通过反射抵达传感器，其中振动激励器是这样构造的，即它作为外部的激励产生振动脉冲或振动频率，此振动频率作为斜坡连续地变化，并且其中信号检测和计算单元是这样构造的，即它适合检测振动脉冲的运行时间和/或检测由传感器测得的测量脉冲的信号强度，或形成传递函数，此传递函数描述在外部激励的位置和对置的传感器之间的振动传递，并且通过分析运行时间和/或信号强度，或通过分析传递函数，来推断熔炼物的位置、熔炼物的种类、熔炼物在炉缸中的分布、炉缸内壁是否被熔炼物屏蔽和/或熔炼进程。 

按本发明的熔炉的重要优点是，在此熔炉中通过以下方式可监控熔炼过程并可测量熔炼进程，即振动激励的信号在其穿过熔炉内部之后借助传感器来测量，并借助信号检测和计算单元来分析。例如，这一点可过程主导地、针对状态地调节熔炼工艺，并且电弧功率可最佳地与熔炼工艺的相应状态相匹配。例如，通过预先规定变压器级和限流器级、交流电工作点，和/或通过对电极运动的预防性干预，来实现这一点。例如还可获知最好的装料时间点。 

按尤其优选的构造方案规定，信号检测和计算单元适合把传感器的信号与振动激励器的激励信号相关联，和/或通过组合分析振动激励和测量出的振荡来推断出熔炼过程。 

控制单元和/或振动激励器优选适合生成脉冲时间为10毫秒、尤其优选为1毫秒或更短的振动脉冲。 

备选的或附加的是，控制单元和/或振动激励器可以适合在10Hz到20kHz之间的范围内改变振动频率。 

信号检测和计算单元优选与调节装置相连，此调节装置可产生用来调节熔炼过程的调节量。在振动激励器和传感器的布置方面，有利的是，每个振动激励器都配备有对置的传感器。 

此外，本发明还涉及一种运行熔炉的方法，其中借助振动来实现炉缸的外部激励，并且测量通过外部激励产生的振荡，并且分析振动激励和测得的振荡，并且其中振动激励器的一部分振动或声波通过炉壁朝传感器传导，另一部分振动或声波通过熔炼物间接地或通过反射抵达传感器，借助振动激励器作为外部的激励产生振动脉冲或振动频率，此振动频率作为斜坡连续地变化，并且检测振动脉冲的运行时间和/或检测由传感器测得的测量脉冲的信号强度，或形成传递函数，此传递函数描述在外部激励的位置和对置的传感器之间的振动传递，并且通过分析运行时间和/或信号强度，或通过分析传递函数，来推断熔炼物的位置、熔炼物的种类、熔炼物在炉缸中的分布、炉缸内壁是否被熔炼物屏蔽和/或熔炼进程。 

在按本发明的方法的优点方面，结合按本发明的熔炉参照以上的实施例，因为按本发明的方法的优点基本相当于按本发明的熔炉的优点。 

在进行分析时，优选把振荡和外部激励相关联。 

优选以最大10毫秒、优选最大1毫秒的脉冲时间来生产振动脉冲。 

此外，本发明还涉及一种用于熔炉的信号检测和计算单元，它适合执行如上所述的方法。 

附图说明

下面借助实施例详细地阐述了本发明。在此示例性地示出了 

图1  在示意图中示出了按本发明的熔炉的实施例；

图2  在从上方看的视图中示出了按图1的熔炉；

图3  在从侧面看的视图中示出了按图1的熔炉；

图4  示出了振动按图1的熔炉中的传播；

图5  示出了机械的激励脉冲及所属的测量脉冲的时间曲线。

具体实施方式

为了清楚，在附图中为相同或相似的部件总是使用相同的参考标记。 

在图1中可看到熔炉10，它具有炉缸20。在炉缸20的炉壁30上外部设置有三个振动激励器40、41和42。优选旋转对称地以120°和240°的旋转角度把振动激励器40、41和42设置在炉壁30上。 

振动激励器40、41和42优选指惯性振动激励器或惯性激励器。 

在图1中还可以看到，在炉缸20的炉壁30上外部设置有三个传感器50、51和52。这三个传感器50、51和52同样旋转对称地以120°和240°的旋转角度设置在炉壁30上，如同在图2中可看到的一样（B=120°， A=60°）。 

传感器50、51和52相对于振动激励器40、41和42的布局优选这样进行选择，即传感器和振动激励器是成对地对置。因此在图1中可看到，传感器50与振动激励器40对置，传感器51与振动激励器41对置，传感器52与振动激励器42对置。 

这三个传感器50、51和52都通过受保护的导线60（它例如铺设在线缆导引机构中）与增强和转换单元70相连。信号检测和计算单元90通过光波导体80接在此增强和转换单元70的后面。 

此外，此信号检测和计算单元90还与控制单元100相连（例如通过受保护的导线），此控制单元100例如可指振动发生激励器，其形式例如为功率放大器。此控制单元100在输出侧与这三个振动激励器40、41和42相连（例如通过受保护的导线），并根据信号检测和计算单元90的控制信号来控制这些振动激励器。 

此外，此信号检测和计算单元90在输出侧与调节装置110相连，此调节装置110可生成调节量R，来控制熔炉10内的熔炼工艺。可例如为变压器、限流器、电极运动、装料时间点和/或介质的加入，来生成此调节量R。 

图2在俯视图中再一次示出了这三个传感器50、51和52以及这三个振动激励器40、41和42的布局。可看到传感器和振动激励器的对称布局，并且传感器和振动激励器在空间上是对置的。在熔炉10的炉缸20的中央设置有三个电极120，借助它们将熔化熔炼物所需的熔炼能量输入炉缸20中。 

图3在侧面的透明视图中示出了炉缸20。可看到振动激励器40和所属的传感器50。在炉缸20的中央可看到这三个电极120。此外，还示意性地用参考标记200标出了熔化的熔炼物。还可看到，在熔化的熔炼物200中存在着密度较高的废料，它会引起密度跃变。密度较高的废料用参考标记210来表示。 

图4示例性地示出了，振动以声波的形式进行传播，此声波是由振动激励器40产生的。可看到，一部分振动或声波通过炉壁30朝传感器50、51和52传导。另一部分振动或声波通过熔炼物200间接地或通过反射抵达传感器50、51和52。 

在图4中可看到，密度较高的废料210不但会提高振动或声波的吸收，而且会在炉缸20中反射振动或声波。所述吸收主要出现在区域210的内部230中，并且反射主要出现在密度边界220上。 

图5 示例性地示出了激励信号IE1的振动脉冲290的时间曲线。此振动脉冲290是由振动激励器40在时间点t0上生成的。 

此外，在图5中还可看到测量信号S1、S2和S3，它们由传感器50、51和52测得。因此可看到，在熔炉10借助振动脉冲290进行激励的情况下，与振动激励器40对置的传感器50 测量两个测量脉冲300和310（测量信号S1）。传感器51测量测量信号S2，它具有三个测量脉冲320、330和340。传感器52在测量信号S3中例如同样接收了三个测量脉冲，它们在图5中借助参考标记350、360和370来表示。 

在进一步考虑振动激励器40、41和42的激励信号的情况下，通过分析这三个传感器50、51和52的测量脉冲，信号检测和计算单元90可推断出炉缸20内的工艺状态，并且相应地控制熔炼工艺。下面还将详细阐述这一点。 

如同上面已提到的一样，在按图1至4的熔炉10中，在炉壁的一个位置上借助振动外部激励炉缸20，并且结合在炉缸的对置侧或任意的其它位置上检测振动或相应的固定声。随后通过结合或相关联地分析振动激励和测量出的振动或固定声信号，还可接着推断出熔炉中的内含物，例如当熔炼物内存在着声反射时，则可推断出密度波动的存在。 

为了引入振动，应用了振动激励器40、41和42，它们优选这样设置在炉壁30上，即它们相对传感器50、51和52的位置是确定。这些传感器50、51和52可例如通过加速度传感器和/或固体声传感器构成。为了产生振动，可使用一个、两个或三个亦或更多个振动激励器。振动激励器通过控制单元100来控制，此控制单元100又被信号检测和计算单元90控制。 

在炉壁30上产生的振荡由传感器50、51和52测量，并且其将信号通过受保护的导线60传输到炉缸20附近的中央增强和转换单元70中，并随后又通过光波导体80无干扰地以更长的距离（此距离例如为100m或更长）传导到信号检测和计算单元90中。在该处，这些信号例如以足够高的采样频率（例如每秒10000至50000次扫描）进行数字化，并通过分析算法与振动激励器40、41和42的激励信号相关联。即优选对振动激励和测量出的固定声信号结合地进行分析。 

现在为了获得有关废料内容及在熔炉内的分布的信息，具有不同的测量和分析方案，它们在下面应该会示意性地进行阐述： 

按第一优选方案规定，振动激励器40、41和42发出短脉冲，此短脉冲优选分别短于一毫秒。图5借助振动激励器50的激励信号IE1示意性地示出了这一点。如果使用了多个振动激励器，例如按图1至5所示的实施例那样，则脉冲优选在时间上错开地发出，因此每个时刻都有测量信号与振动激励器40、41和42准确对应。传感器50、51和52在时间上延迟地按声运行时间（振动运行时间）记录抵达炉壁30上的振动脉冲。在图4中示意性地概述了这一点。声传播具有不同的路径。声可通过炉壁30并通过位于炉中的废料（熔炼物）进行传播。在此如图4示意示出的一样，可能会出现反射。对单个的传感器来说，不同的声传播路径会既在时间上也在位置上引起不同的运行时间和信号强度。从传感器50、51和52的信号以及各自的参考信号（在空炉中），可通过分析信号尖（信号峰）之间的时间间隔以及信号波峰的强度（高度），来推断废料种类和废料分布。例如，可以粗略地估算出粗重废料的位置，因为粗重废料具有比正常废料更高的密度，并因此会提高反射，以及提高或降低（根据频率）声波的吸收。同样，还可以量化废料对炉缸内壁（即炉缸20的炉壁30的内侧面）的屏蔽。

按此方法的另一优选的构造方案规定，振动激励器40、41和42发出振动频率并通过炉壁30输入到炉缸20中，此振动频率例如作为斜坡连续地从低频率往高频率变化，或反过来从高频率朝低频率变化。此低频率可例如约为10Hz，高频率可例如约为20kHz。 

如果使用了多个振动激励器40、41和42，则它们优选顺序地运行。从对激励振动（即通过振动激励器引起的振动）中，可为三个传感器50、51和52中的每个计算一个声传递函数H（ω）。对于这三个传感器50、51和52中的每一个来说，根据炉缸20内部不同的废料填充，这个复杂的函数具有典型的曲线，作为频率ω的函数，因为不同的废料种类及其在炉缸20中的分布根据频率会对声输送产生不同的影响，即不同的时间延迟、蒸发和/或反射。为此，在先前执行的参考测量中为不同废料种类、废料填充以及为各自的熔炼进程确定声传递函数H（ω）的曲型的参考函数。通过在熔炉10的随后运行中待测量的声传递函数H（ω）与先前取得的典型的参考函数H（ω）进行比较，则可确定当前的炉内内容，如废料种类以及大致的分布以及熔炼进程。在按图1的实施例中，可通过信号检测和计算单元90来进行相应的分析，因为它既能识别这三个传感器50、51和52的测量信号，也能识别相应的激励信号，此激励信号由振动激励器40、41和42通过炉壁30耦合到炉缸20中。 

对当前炉内内容的识别，以及对其分布以及熔炼进程或缸壁屏蔽的识别，可实现最佳的自动化运行。为此设置了调节装置110，它在输入侧与信号检测和计算单元90相连，并在输出侧产生用来控制熔炼工艺的调节量R。此调节装置110优选实现了过程主导的、针对状态的调节，以实现最佳的熔炼工艺。例如，调节这三个阶段的变压器级和限流器级以及电流工作点，必要时还对电极运动采取预防性的干预。因此，通过优化能量输入，可减少特定的能量需求和熔炼时间，同样减少炉缸磨损。此外，还可获知各自最佳的装料时间点。 

总的说来，按图1至5示例性阐述的熔炉10使熔炼进程是可测的，并实现了过程主导的、针对状态的调节，电弧功率借助此调节可最佳地与工艺的当前状态相匹配，此电弧功率是通过电极120引入熔炉中的。 

Claims (6)

1.一种熔炉（10），其具有

- 至少一个设置在炉缸（20）上的振动激励器（40、41、42），

- 至少一个设置在炉缸（20）上的传感器(50、51、52)，并且

- 与所述至少一个振动激励器及所述至少一个传感器相连设有信号检测和计算单元（90），

其特征在于，

- 振动激励器与传感器这样对置，即振动激励器的一部分振动或声波通过炉壁朝传感器传导，另一部分振动或声波通过熔炼物间接地或通过反射抵达传感器，

- 振动激励器是这样构造的，即它作为外部的激励产生振动脉冲或振动频率，此振动频率作为斜坡连续地变化，

- 信号检测和计算单元是这样构造的，即它适合检测振动脉冲的运行时间和/或检测由传感器测得的测量脉冲的信号强度，或形成传递函数，此传递函数描述在外部激励的位置和对置的传感器之间的振动传递，并且通过分析运行时间和/或信号强度，或通过分析传递函数，来推断熔炼物的位置、熔炼物的种类、熔炼物在炉缸中的分布、炉缸内壁是否被熔炼物屏蔽和/或熔炼进程。

2.按权利要求1所述的熔炉，其特征在于，振动激励器适合生成脉冲时间为10毫秒或更短的振动脉冲。

3.按权利要求1所述的熔炉，其特征在于，振动激励器适合在10Hz到20kHz之间的范围内改变振动频率。

4.按上述权利要求1至3之任一项所述的熔炉，其特征在于，信号检测和计算单元与调节装置相连，此调节装置可产生用来调节熔炼过程的调节量。

5.按上述权利要求1至3之任一项所述的熔炉，其特征在于，每个振动激励器都配备有对置的传感器。

6.一种驱动熔炉（10）的方法，其中

- 借助振动来实现炉缸的外部激励，

- 在炉缸的其他位置上即与振动激励器对置地测量通过外部激励产生的振荡，并且

- 分析振动激励和测得的振荡，

其特征在于，

- 振动激励器的一部分振动或声波通过炉壁朝传感器传导，另一部分振动或声波通过熔炼物间接地或通过反射抵达传感器，

- 借助振动激励器作为外部的激励产生振动脉冲或振动频率，此振动频率作为斜坡连续地变化，

- 检测振动脉冲的运行时间和/或检测由传感器测得的测量脉冲的信号强度，或形成传递函数，此传递函数描述在外部激励的位置和对置的传感器之间的振动传递，并且通过分析运行时间和/或信号强度，或通过分析传递函数，来推断熔炼物的位置、熔炼物的种类、熔炼物在炉缸中的分布、炉缸内壁是否被熔炼物屏蔽和/或熔炼进程。