专利名称：操作电弧炉的方法、用于电弧电极的振荡测量器件和用于电弧炉的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种操作电弧炉的方法、一种用于电弧电极的振荡测量器件和一种用于电弧炉的设备。
背景技术：
在特定的材料加工或精加工过程中，使用电弧过程以将热能引入将被加工或精加工的材料。在该背景下，通过使用电弧受控地产生电压，在将提供的电弧电极与将被加工或精加工的材料或物质和/或将相应地提供的对置电极构件之间产生电流，也就是说在一边为电弧电极、另一边为将被加工或精加工的材料或物质和/或对置电极构件之间，无需直 接物理接触，而是经由基本气氛在一边是电弧电极、另一边为物质和/或对置电极之间产生导电等离子体。在这种类型的操作过程中，作为高电和热负荷的结果，电弧电极表现出磨损甚至是损坏的迹象。这些磨损或损坏迹象继而导致必须中断工作过程并且必须关闭系统，以便例如能够替换有缺陷的电弧电极。这些操作中断以及替换有缺陷电极的体力劳动与同等的成本关联。因此，期望在这些事件的最早阶段期间、在严重削弱工作过程的质量前或者在电极故障前，能够至少提前检测出磨损或损坏的迹象，或者期望能够通过选择相应参数来延迟或者甚至防止磨损或损坏。不幸的是，由于基本操作环境和操作过程的苛刻性质及其极端的热、机械和电负荷，这在先前还不可能。
发明内容
本发明的基本目标是产生一种用于操作电弧炉的方法、一种用于电弧电极的振荡测量器件和一种用于电弧炉的设备，在本发明中或者通过本发明，可以使用简单方式特别安全和高效地安排操作电弧炉的方法。本发明的基本目标通过以下解决一种根据本发明的具有独立权利要求I的特征的用于操作电弧炉的方法；一种根据本发明的具有独立权利要求8的特征的用于电弧电极的振荡测量器件；以及，一种根据本发明的具有独立权利要求26的特征的用于电弧炉的设备。各项从属权利要求的目标是改进。根据第一方面，本发明提供一种用于操作电弧炉的方法，其中通过向至少一个电弧电极施加电压，在至少一个电弧电极与物质和/或对置电极之间产生和维持电弧，从而以受控方式产生电流，其中至少在维持电弧的同时，在至少一个电弧电极处执行振荡测量，其中根据该振荡测量得出表征该至少一个电弧电极的振荡状态和/或电弧炉的操作状态特征的数据，并且其中使用该特征数据以调整和/或控制电弧炉的操作。因而，本发明的中心思想存在于提供在对电弧炉的操作过程期间记录所提供的一个或更多个电弧电极的振荡状态的能力。然后，基于该振荡测量，获得总体上描述或表征电弧炉的振荡状态和/或操作状态的数据。然后，可以基于该特征数据计划电弧炉后续操作的过程，例如通过适当选择并且也调整操作参数或操作变量，无论其本质上是几何的、机械的和/或电的。例如，也可考虑调整电压和/或电流强度，或者也可考虑根据当前处于炉膛罐的物质适于电极几何参数。可以没有接触地——特别是与该至少一个电极没有直接或间接机械接触地——执行振荡测量。在无接触振荡测量中，可以降低或者避免由在电弧炉操作期间造成的高温所导致
的异常负荷，使得消除了由于热、机械或电影响产生的测量中断或者甚至是对必须使用的测量器械的损坏。可以使用光学方式和/或声学方式、特别是使用超声波执行该振荡测量。然而，总的来说，所有其他无接触测量方法都是可考虑的，也就是说，在不需要直接机械接触的情况下，包括电弧电极或与其连接的设备的振荡运动的方法。可以经由干涉方法和/或通过利用多普勒效应执行振荡测量。干涉方法和/或多普勒方法是特别精确的测量方法，因为利用这些方法，即使基本基础值的小偏差也能导致定性和定量上容易地可检测的测量变量和改变。关于振荡测量、其评价和/或在电弧炉的操作的控制和/或调整中，该特征数据可以经过傅立叶分析，以检测例如该至少一个电弧电极和/或电弧炉的共振模式和/或特定振荡模式的状态。傅立叶分析和其他光谱方法特别适合用于检查系统中的振荡状态，因为它们使得能够以特别闻的精确度检测和评价共振状态等等。振荡测量及其评价可以作为控制和/或调整程序一部分而用作控制或调整电弧炉的机械和/或电操作变量的基础。根据本发明的方法及其实施例可以用于加工和处理、精加工或熔化——特别是金属的——物质。根据本发明的进一步方面，提供一种用于电弧电极的振荡测量器件，其被设计为并且配备有用于对至少一个指定电弧电极、特别是在用于电弧炉的设备中执行振荡测量的器件。该振荡测量器件设计用于无接触振荡测量，特别是与该至少一个指定电弧电极没有直接或间接机械接触。该振荡测量器件可以被设计用于以光学和/或声学方式的振荡测量。其可以包括发射装置，其用于将特定的光学和/或声学信号发射到该至少一个指定电弧电极；和/或对应的接收装置，其用于接收由该至少一个指定电弧电极发射的——特别是反射的——光学和/或声学信号。通过提供对应的发射装置和/或接收装置，可以特别简单但是可靠地产生无接触测量方案，而无论其是否基于甚至是在光场中的电磁现象，或者基于例如包括超声波等等的声学现象。该振荡测量器件可以被设计以经由干涉方法和/或通过使用多普勒效应测量振荡。干涉方法和使用多普勒效应的方法两者都由于其高分辨能力而在测量振荡时提供特别高的精确度。该振荡测量器件可以被设计以经由与该至少一个指定电弧电极的直接或间接机械接触测量振荡。在该情况下，其配备有振荡传感器，例如可以经由机械接触向该传感器传输该至少一个指定电弧电极的振荡状态或关联的效应。总的来说，可以使用任何振荡传感器。压电传感器、感应传感器或者甚至是光学陀螺仪等等是可考虑的。在该背景下，也可组合使用多个传感器，使得例如可以在三个空间方向x、y和z并且彼此独立地分辨振荡运动。振荡传感器一并且特别是所提供的振荡测量器件的并且被连接至振荡传感器的测量电路——可以被设计作为绝缘构件内部的测量单元。所提供的测量电路可能已负责部分评价由振荡传感器返回的主要数据，使得可能存储、读取和/或传输在初步处理后以部分被评估的形式的数据。为了该目的，测量电路可以包括对应的装置，诸如对应的控制器或计算电路、存储器以及发射和接收装置。绝缘构件可以被设计以确保热绝缘/冷却和/或用于其内部与外部的机械耦合。给定上述热、电和机械负荷，为了防止测量失真或者损坏测量装置本身，对应的绝缘装置有利于保护测量机构。该绝缘构件可包括多个连续布置的、套叠绝缘容器，其中特别地使至少一个最外·部绝缘容器直接或间接地与该至少一个指定电弧电极耦合，并且最内部绝缘容器的内部容纳测量单元，并且特别是传感器和/或测量电路。可以根据实际或预期负荷选择单独套叠的绝缘容器的各种数目。因此，可以将单独容器不同地设计，并且其内容或填料材料可以不同。在该背景下，必须确保该绝缘足以防止具有传感器和测量电路的实际测量单元所在的最内部区域中的温度在整个操作循环中，也就是说，在测量系统暴露于来自外部的热输入直到热输入的应用结束时的下一操作中断的全部时段中，始终不超过最大可允许操作温度。一个或更多个绝缘容器可以每个均具有壁区域，其具有外部限制和/或具有热绝缘/冷却构件。一个或更多个绝缘容器的内部可以每个均被部分或完全填充有热绝缘和/或冷却剂填料材料。壁区域形成关于热传导的障碍，并且由于其反射特性，所以也可能起热辐射障碍的作用。虽然在该情况下强调防止热传导，但是绝缘和/或冷却材料具有相同功能，除非使用关于相转变的特殊材料特性。这将在下文更详细描述。给定绝缘容器的每个壁区域可以包括一个或更多个壁。由于邻接界面表面的多样性，所以提供多个壁使得能够降低热传导。每个壁区域可以利用或由来自包括含金属材料、铝、钢、陶瓷材料、烧结陶瓷材料、塑料、纤维加固材料及其组合的材料组的多种材料设计。可以使用许多不同的材料。可以根据各个绝缘容器的定位和关联的热、机械和电负荷来单独地选择这些材料。每个壁区域和/或每个壁——特别是各个外侧上——可能部分或完全通过镜像设计。这种镜像提高了关于热传导的反射特性。每种绝缘和/或冷却材料可以由或由一种或更多种具有低导热性，特别是在小于约3W/m K的范围内、优选小于约O. 3ff/m K的范围内的材料构成。每种绝缘和/或冷却材料可以利用或由一种或更多种相转变材料或相变材料构成，特别是在固-液转变和/或液-气转变的情况下，优选地具有高相变焓或高相转变焓，特别是在约25kJ/mol或更高的范围内。除了防止或降低导热性或热辐射，由于吸收潜热，所以该效应也正好非常有利。例如，如果意图进行固相到液相的相转变，该相转变材料实际上因此用作依赖于基本相变材料的相变温度的恒温覆盖物，并且特别是直到相变材料的相转变完全结束、也就是说直到一在本文引用的情况中一最初存在的固体已完全转变为液体。同样应用于具有从液相相转变为气相的物质。每种绝缘和/或冷却材料可以利用或由来自包括水；沸石材料、特别是沸石颗粒；珍珠岩材料、特别是珍珠岩颗粒；泡沫材料、特别是泡沫炭材料；及其组合的材料组的一种或更多种材料构成。特别对于外部使用——使用水是非常有利的。因而，例如当使用水时使用从液相到气相的相转变是可行的。通过该方 式，只要水处于液态并且不超过其沸点，就可以提供用于获得100° C温度的外部使用的冷却覆盖物。仅必须确保存在足够的冷却剂水，冷却剂水一通过沸腾过程转变为蒸汽一可以从基本绝缘材料的对应的内部逸出。可以提供分开的散热片作为另外的绝缘手段。这些散热片可以每个都相对于相应的外部绝缘容器的内侧支撑内部绝缘容器的外侧，和/或相对于相同壁区域的外壁的内侧向外支撑壁区域的内壁。该分开的散热片导致在套叠的绝缘容器之间的最小接触面积或最小接触表面，所以在这些具有最小表面面积的接触点上，甚至通过热传导的热传递都极其低。为了从外部向内传输振荡,最外部绝缘容器的壁区域的一部分可以由振荡传输兀件构造，该振荡传输元件延伸至最外部绝缘容器的内部并且利用或者由具有良好的传声性或良好的声音速度和低导热性的、特别是以石状材料形式的一种或更多种材料制成，优选地利用或由花岗岩制成和/或以石板形式。花岗岩石板等的优点在于，这些材料具有特别有利的机械性能，这是因为它们非常有效地传输振荡状态，例如在从几赫兹的次声范围至几十千赫兹的超声范围的声音，但是同时与例如金属相比具有非常低的导热性。该振荡传输元件可以与更向内定位的至少一个绝缘容器的壁区域直接机械接触。振荡传输元件朝内部横跨几个绝缘容器的区域，并且因而在其壁区域穿透多个绝缘容器也是可考虑的。根据本发明的进一步的方面，也产生了一种用于电弧炉的设备，其具有炉膛罐并具有插入或者可以插入炉膛罐中的至少一个电弧电极，并且具有用于在该至少一个电弧电极处测量振荡的振荡测量器件。因而，用于电弧炉的设备的中心思想是根据本发明提供用于在电弧电极操作期间测量其振荡状态的振荡测量器件。多个电弧电极可以配置有一个公共的或者多个、特别是对应数目的振荡测量器件，每个振荡测量器件被分配给相应的电极。由于总体上也可以在电弧炉的设备中提供多个电弧电极，所以也有利于监测多个电弧电极、例如所有电弧电极的振荡状态。原则上，这可以由单个振荡测量器件执行，特别是如果使用无接触测量方法。然而，在特定情况下，可取的是使用对应数目的单独的振荡测量器件，该振荡测量器件每个被分配给单独电弧电极。可以特别地以根据所描述发明的方式构造振荡测量器件。可以提供控制装置，通过该控制装置，可以记录和评价由振荡测量器件返回的数据，通过该控制装置，电弧炉设备的操作可控制和/或可调整的——特别是利用反馈功能，其中特别地根据本发明的操作和控制电弧炉的方法可以是可实践的。控制装置可记录、存储和处理由各个传感器返回的原始数据，或者记录、存储和处理已经由所提供的测量电路处理的测量数据，并且可以产生相应的控制信号并且将该信号传输给该设备的相应其他装置，以便适当地调整或控制操作。根据本发明提供的振荡测量器件可以-直接或间接附接至一至少在操作期间一处于敞开罐的外部的区域，和/或离炉膛罐最远的电弧电极的区域或端部，-被设计为用于一至少在操作期间一直接或间接地在敞开罐的外部和/或离炉膛罐最远的电弧电极区域或端部无接触测量分接(measurement tapping),-直接或间接附接至用于电弧电极的保持器，特别是附接至用于保持器的冷却装·置的区域，-被设计用于直接或间接地在用于电弧电极的保持器上、特别是在用于保持器的冷却装置的区域上的无接触测量分接，-直接或间接附接至电弧电极的传送器夹架或传送器元件，和/或-被设计用于直接或间接地在电弧电极的传送器元件上的无接触测量分接。 总的来说,允许获取电弧电极的运动的机械状态的所有分接点(tapping point)都是可想到的。然而，必须关于热、机械和电负荷，针对振荡测量器件的弹性来权衡可能最直接获取电弧电极振荡状态的需求。将基于附图解释这些和另外的方面。
图I示出根据本发明的用于操作电弧炉的方法的实施例的流程图。图2A-5B是示出根据本发明的用于电弧炉的设备的各种实施例示意性方框图。各种设备关于振荡测量器件的定位和/或作为敞开或闭合罐的炉膛设计不同。图6示出根据本发明的用于电弧炉设备的另一实施例的控制和调节电路的细节。图7以剖视侧视图示出了根据本发明的振荡测量器件在电弧电极及其支持臂区域中的可能定位。图8A-8B以剖视平面图和剖视侧视图示出了根据本发明的基于机械接触起作用的振荡测量器件的实施例。
具体实施例方式下文将描述本发明的实施例。可以认为本发明的所有实施例、包括其技术特征和特性都孤立，或者以任何排列彼此装配和组合而没有限制。关于附图，结构上和/或功能上相同的或者类似的或者具有相同效果的特征或元件在下文中以相同附图标记表示。将不在每种情况下都重复这些特征或元件的详细说明。下文将大致总体涉及附图。本发明也特别涉及用于在钢厂中测量电极振荡的装置和方法。例如，当前，不可能在钢厂中的操作期间测量电极或电弧电极220的振荡。然而，在一些钢厂中，令人费解地发生电极故障，并且钢厂经营者只是能猜测原因可能是疲劳失效。
利用根据本发明建议的，在操作期间测量和快速调整电弧电极或电极220的振荡方法，可以针对该类型失效采取步骤。为了该目的，建议了一种新的振动测量装置100，也将其称为振荡测量器件100。例如经由传送器元件224或传送器夹架(conveyor dog)224将电弧电极220的振荡传输给振荡测量器件100的测量盒。在振荡测量器件100的测量盒内，例如，花岗岩石板50,50'(导热系数为2. 6ff/mK)将振 荡传输至实际测量传感器I和测量电子器件或电路2。该振荡可以经由设备在全部三个空间轴线上的三个加速度传感器记录，并且例如存储在集成的数据记录仪中。为了补偿任何热影响，也存在通过另外的传感器执行温度测量的选项。通过附加模块，可以将振荡和温度经由集成在该盒中的发射器(蓝牙、W-Lan...)传输至计算机，并且将其在线评价。可以利用多级概念隔离传感器I和电子组件2。例如，彼此套叠总共三个盒20、30、40作为绝缘容器20、30、40。例如由CFC物质或钢板作为壁21、2Γ而制成的最外部盒20例如由作为填料22的饱水沸石颗粒填充。也可以利用除了填料22之外的绝缘物质来将第一盒20绝缘，例如导热系数为O. 15ff/mK的泡沫炭，或者导热系数为O. 05ff/mK的珍珠岩颗粒。通过铝或钢壁作为内部壁31i制造的第二盒30由作为填料32的水或另一种相变材料填充，并且该第二盒30用于在不超过例如100° C的低水平稳定具有第三盒40的腔室中的温度。可以根据所考虑的应用来选择壁21、31、41和/或填料22、32、42的材料。第二盒30的壁31的外壳31a可以具有反射红外辐射的反射金属面板，并且因而降低第二盒30所暴露到的热辐射。为了进一步降低从面板31a到第二盒30的内部30i的热传递，面板31a附接有薄叶片31s。第三和最内部盒40例如不能透过水和灰尘，并且容纳实际传感器仪器I和测量电子器件2。为了抑制或者降低热传导和/或热辐射导致的热传输，也将其以例如仅能经由四个小叶片33输送热流的方式布置。现在将更详细地讨论附图。图I示出根据本发明的用于操作电弧炉200、210'的方法的实施例的方框图。在步骤SO—称为开始阶段，对操作电弧炉200、210'做准备。因而，相应地使所考虑的炉膛罐(furnace vessel)210 (参见下文说明)充电。然后,将所考虑的电弧电极220定位在可能包括罐盖212的罐210内部的区域中。然后，在第一操作步骤SI中，选择用于电弧电极200和电弧炉200' ,210'的所有适当操作参数，这适用于电参数和机械参数，也就是说，炉膛罐210的内部中的电极220的布局和几何参数、将处理的物质300的气氛和其他成分的选择、以及将电压施加给电弧电极220的模式。在步骤S2中，根据所选择的操作参数机械地调整所考虑的电弧电极220。然后在步骤S3中，根据所选择的操作参数利用电压对配置的电弧电极220供电。在电弧电极220或如果适用地则在多个电弧电极220以及在电弧炉210的下部区域211中的将处理的物质300和/或提供的对置电极211'之间产生电压。
通常在正在进行的操作期间彼此连续和同时执行步骤S2和S3。这意味着，在连续操作一尽可能不中断一中，根据当前确定的操作参数利用电压对电弧电极220或多个电弧电极220充电，并且根据机械和几何操作参数同时反映在用于电弧炉200’、210’的布局中。在步骤S3和S4之间的步骤S9中，可以执行测试，以确定例如是否正常结束操作，例如是否满足或出现正常结束判据。如果是这种情况，例如因为物质300在熔化操作中已完全熔化，所以为了对终止电弧炉200’、210’的设备200的操作做必要准备，该过程可以继续至最终步骤S10。这意味着，如果适用，就执行出钢，或者以一些其他方式抽出经处理或加工的物质300，特别是在已从设备200移除电功率后，这特别意味着电弧炉210和电极220接地并且两者之间不再存 在电势差。此时，根据本发明提供了，如果在步骤S9中未发现操作正常结束的判据，例如在上述给定的熔化操作例子中，物质300还未完全熔化，则电弧炉200’、210’必须继续运行，并且总体上必须执行过程步骤S4-S7，其然后返回至主过程步骤S2和S3。因此，在步骤S4中，在电弧电极220或多个电弧电极220执行振荡测量。在步骤S5中，从在振荡测量S4中获得的数据得出特征数据，并且其用于表征电弧电极200本身或者电弧炉200’、210’的全部设备200的操作状态和/或振荡状态。随后是询问步骤S6，其中进行系统或设备200的操作是否临界的检查，也就是说是否不再能够通过调整和控制正常执行操作，特别是系统或设备200并且特别是电弧电极220的现有的或发展中的振荡状态是否不再可管理。特别是如果不再能够调整电弧炉200’、210’的操作状态，以及电弧电极220或多个电弧电极220的疲劳失效即将来临，则可能是这种情况。因此，如果将该操作评价为临界，例如因为证明系统或设备200以及特别是电弧电极220的振荡状态不可管理，则发生最终步骤S8的反常终止。否则——例如如果电弧电极220或多个电弧电极220的振荡在非临界范围内移动、可管理并且不必通过使操作参数适应而降低或者仅最小地降低时一从步骤S7恢复正常操作。在该步骤S7,使用所得出的数据，并且特别是表征振荡状态和/或操作状态的数据，以改变电弧电极220的操作以及电弧炉200’、210’的设备200本身的操作参数或操作变量。在该步骤中，可以设想各种程序。例如，基于用于振荡状态和操作状态的特征数据，可以存在并且读取先前准备的操作参数表。在适当地使操作参数适应S7后，整体地做出电弧电极220和设备200的机械-几何参数设置，并且因而在随后的步骤S2和S3中控制和调整操作所必需的电变量。在该背景下，应再次注意，并行和连续地执行所有步骤S2-S7，也就是说，持续地进行和评价该测量，特别是当在步骤S3中对电弧电极220充电的同时，也就是说在正在进行的操作期间，并且也基于评价数据持续和连续地使几何参数和机械变量以及电学操作值适应，而通常不需要中断操作。因而，根据本发明，能够基于在步骤S5-S7中得到的特征数据检测电弧电极220的临界操作状态，以便可以设置用于电弧电极220的机械、几何和电学操作变量，使得可退出电弧电极220的临界操作状态，并且连续安全操作是可能的。通过该方式，降低或甚至防止对电弧电极220和组件200作为整体的磨损和对其的损伤，因而导致设备200的组件以及特别是电弧电极220的更长的不中断操作和更长的服务寿命。与传统的无振荡测量的设备相比，可以全面提高该类型设备200的生产力。图2A以的示意性方框图的形式示出根据本发明的用于电弧炉200’、210’的设备200的第一实施例。该设备200的核心组件为实际电弧炉200’、210’。其包括炉膛罐210。罐具有罐下部部分211，以及在图2A的设备中的盖件或罩件212。穿过和密封区域213在盖件或罩件212的上部区域中匹配，作为设备200基础的电弧电极220通过该穿过和密封区域213 突出到电弧炉210中。电弧电极220自身本质上包括以具有前缘或电弧端部222的杆221的形式的主体221，该前缘或电弧端部222突出到电弧炉210的内部210i中，杆221的离电弧炉210最远的、相对的第二端部223由支持臂260或保持器260固位在电弧炉210上。支持件260也允许对电弧电极220的杆221的相应调整，以便可以通过借助支持臂260的定位，例如通过沿方向Z提升和降低支持臂260，而在待经历加工或处理的位于电弧炉210的内部210i内的物质300与电弧电极220的电弧端部222之间保持相应距离。可以任选地相应地在罐下部区域211中提供对置电极构件211’，并且其高度适合在一方面为杆221的电弧端部222，另一方面为电极220、特别是将处理的物质300之间产生电势差。也在炉膛罐210中提供测量传感器255-1和255-2，以记录用于控制设备200的操作的测量数据。在离电弧炉210最远的电弧电极220的第二端部223的区域中也配置用于电弧电极220的控制区域253或操作单元253。在本文所示的该实施例中，该控制区域253均起电连接点的作用，并且因而也用于通过经由线路258从电极驱动器252引入电荷而施加电压，并且也用于经由线路256-4输出特定的测量变量，例如用于输出实际施加的电压或者电流实际流动值作为实际值。在图2A中所示的设备200中，电弧电极经由离电弧炉最远的电弧电极220的端部223控制，并且因而也与支持臂260并且因此与控制器或操作单元254分开地受控制。然而，在实践中，常常经由支持臂260而非经由离炉膛罐最远的端部223将电压施加至电弧电极220。在该情况下，电极驱动器252经由相应的接口直接接入支持臂260。例如，可以将支持件252和254集成在单一单元中，该单元执行并且控制定位和以电压供电。为了基于对应的振荡测量数据确定电弧电极220的振荡状态，振荡测量器件100也与电弧电极220的作为离炉膛罐210最远端的第二端部223连接。经由线路256-3收集原始数据和/或以及相应的预评价、预处理数据。经由关于设备在炉膛罐210中的另外的传感器255-1和255_2的线路或测量线路256-1和256-2、经由用于根据本发明提供的振荡测量器件100的测量线路256-3、以及经由用于电弧电极220的操作单元253的测量线路256-4，将所有经收集数据记录在评价和控制单元251中。
基于评价和控制单元251中的评价，然后经由控制线路257-1和257_2将对应的控制信号传输至用于电极的驱动器装置254和用于支持臂260的驱动器装置254，使得可以根据该控制数据为了电弧炉200、200’的设备200的操作而控制或调整机械、几何和电学操
作变量。因此，经由与根据本发明的振荡测量器件100以及另外的传感器255-1、255_2协作的对应的测量线路256-1至256-4以及控制线路257_1、257_2和258，评价和控制单元251、两个驱动器252和254以及用于电弧电极220的操作单元253组成用于操作电弧炉200’、210’的设备200的实际控制装置250。图2A的设备的中心思想是通过振荡测量器件100无接触地测量电弧电极220的振荡状态，其在此通过意图代表发送和接收光信号或超声波信号等的波浪线示出。由于该
无接触测量方法，即使在非常极端的操作条件下，根据本发明的振荡测量器件100所暴露到的机械、电和热负荷相对低。图2B的设备本质上与图2A的设备相同，但是在该情况下，炉膛罐210敞开，并且因而其与图2A的设备不同，不具有盖件212并且也无密封件213。图3A的设备本质上与具有封闭炉膛罐210的图2A的设备相同，虽然在该情况下，经由操作单元253在根据本发明的振荡测量器件100和电弧电极220之间建立间接接触，在操作期间，由于与电弧电极220的直接机械接触，所以导致该操作单元253进入与电弧电极220本身的振荡状态类似的振荡状态。图3B的设备示出和图3A的设备类似的情况，但是其也具有敞开炉膛罐210，而没有盖件212或密封件213。在图4A和4B的设备中，在敞开和封闭的炉膛罐210变型两者中，根据本发明提供的振荡测量器件100都直接位于电弧电极220的杆221的表面上，在该情况下，其直接处于支持臂260下方。这使得能够非常直接和非常精确地测量电弧电极220的振荡状态。与上文相比，在图5A和5B的设备中，对于敞开和封闭的炉膛罐210变型两者，根据本发明提供的振荡测量器件100也位于用于电弧电极220的杆221的支持臂260上。由于非常紧密的机械接触，特别是支持臂260的支持作用，该配置使得能够降低机械、热和电负荷，但是仍经由支持臂260的振荡状态非常精确地确定电弧电极220的振荡状态。图6再次示出关于根据本发明提供的用于电弧电极220的振荡测量器件100的控制器250的细节。在此，电弧电极220本质上也是以杆221的形式，其一个端部222最接近在此未示出的炉膛罐，并且一个端部223离在此未示出的炉膛罐最远，其中用于电弧电极220的操作单元253位于该最远端，以提供电连接并且传输例如关于温度、电参数的测量数据，以及振荡数据。在图6中所示的设备中，根据本发明的振荡测量器件100集成在操作单元253中。在该实施例中，通过提供源自振荡测量器件100的数据的评价和控制251-1，以及提供经由测量线路256-4得出的电操作参数的评价和控制251-2，来分开地实现评价和控制250、251。然后，经由线路257、257-1、257-2和258基于通过控制子单元251-1和251-2的评价和控制向支持臂260的驱动器254和电弧电极220的操作单元253的驱动器252提供相应的控制信号。
图7示出与以杆221的形式设计的电弧电极220结合的、用于根据本发明的振荡测量器件100的各种构件选项A-E的示意性剖视侧视图。所有这些构件选项都在杆221的定位于离在此未示出的炉膛罐210最远的第二端部223的区域中实现。在位置A，根据本发明的振荡测量器件100不直接接触电弧电极220的端部223，而是使用非接触测量方法，例如经由电磁波或声波。在位置B，根据本发明的振荡测量器件100被传送器元件224、传送器夹架224或传送器钩224直接接触。在位置C，根据本发明的振荡测量器件100被直接附接至电弧电极220的表面。在位置D，根据本发明的振荡测量器件100被布置在支持臂260的表面上。通常通过提供冷却装置262冷却支持臂260及其辅助组件261。在该背景下，由于冷却装置262被紧密连接至支持臂260的辅助组件261，所以根据本发明的振荡测量器件·100也可以以相同方式布置在位置E中，也就是说直接接触冷却装置262。例如，该冷却装置262为输送冷却剂物质或类似物质的管道。图8A和SB分别示出可能在图7的位置B-E的背景下使用的根据本发明的用于电弧电极220的振荡测量器件100的实施例的剖视顶视图和侧视图。图8A和SB中所示的根据本发明的振荡测量器件100的实施例具有关于热和电影响的三级绝缘系统或三级绝缘布局。该三级绝缘系统60通过三个套叠绝缘容器20、30和40形成。最外部绝缘容器20具有单壁21’，该单壁21’例如由作为壁区域21的CFC材料或钢板制成。最外部绝缘容器20的内部20i包含绝缘材料22，例如饱水沸石颗粒。另外，也可将——此处未明确示出——例如泡沫炭或珍珠岩颗粒等等的进一步的绝缘物质作为内部覆层应用至壁21的内侧。然后，第二绝缘容器30位于最外部绝缘容器20的中央。第二绝缘容器30的壁区域31由内部壁31i和镜像外壳31a组成，内部壁31i例如由铝或钢制成，为了保持通过热传导的热传递最低，内部壁31i经由具有小横截面面积的间隔器区域或间隔器叶片31s相对该镜像外壳31a支撑内部壁31i。在第二绝缘容器30的内部30i中提供相转变材料或相变材料作为绝缘材料32。其可以为例如水。水不仅具有低导热性，而且对于从液态相转变到气态，在具有相对高相转变焓的情况下也具有相对低的相转变温度。在第二绝缘容器30的内部30i，也定位有水密和不透灰尘的盒40作为最内部绝缘容器40，其壁区域41具有单壁41’，并且其内部除了任选填料42外还包含由传感器I与测量和评价电路2组成的实际测量单元10。经由叶片33从下方支撑最内部绝缘容器40，该叶片33形成第二绝缘容器30的壁区域31的一部分。为了提高振荡的传输而仍避免通过热传导而传递热，根据图SB，根据本发明的振荡测量器件110具有以花岗岩石板50’等等形式的振荡传输元件50。花岗岩石板50’的外侧50a、外表面50a或表面50a与最外部绝缘容器20的壁21的外侧表面向外部齐平。作为振荡传输元件50，花岗岩石板50’完全穿过最外部绝缘容器20的壁区域21和填料22并且接触第二绝缘容器30的壁区域31的内壁31i，以便机械振荡的总和从外部通过花岗岩石板50’的外部表面50a传输至第二绝缘容器50的内壁31i，并且从内壁31i通过叶片33传输至最内部绝缘容器40，其中将该振荡通过机械耦合传输至容器内部40i和振荡传感器I。同时，仅通过花岗岩石板50、叶片33和壁41传导少量热。附图标记列表I传感器、测量传感器、振荡传感器2测量电路、评价电路、测量电子器件、评价电子器件10测量单元20绝缘容器、第一绝缘容器、最外部绝缘容器、盒20 内部
21壁区域21’壁22绝缘材料、冷却剂材料、填料30绝缘容器、第二绝缘容器、盒30 内部31壁区域31 内壁31a外壁、镜像31s叶片31z空隙32绝缘材料、冷却剂材料、填料33叶片40绝缘容器、第三绝缘容器、最内部绝缘容器、盒40 i内部41壁区域41，壁42绝缘材料、冷却剂材料、填料50振荡传输兀件、花岗岩石板50a夕卜侧、表面50i内侦彳、内表面60绝缘构件、绝缘系统100振荡测量器件200设备、电弧炉设备200’电弧炉210炉膛罐210’电弧炉210 内部211下部、下部罐区域、罐下部部分211’对置电极构件、对置电极212上部罐部分、罩件、盖子、盖件213密封、密封区域、穿过、穿过区域220电弧电极
221电弧电极220的材料或主体、杆222第一端部、最接近炉膛罐210的端部、电弧端部223第二端部、离炉膛罐210最远的端部224传送器元件、传送器夹架、传送器钩、悬置装置250控制器、控制装置251评价装置或单元、控制装置或单元251-1控制子单元 251-2控制子单元252电弧电极220的驱动器或驱动单元、电极驱动器253电弧电极220的控制区域或操作单元254电弧电极220的支持臂260的驱动器255-1传感器、测量传感器255-2传感器、测量传感器256-1测量线路256-2测量线路256-3测量线路256-4测量线路257-1控制线路257-2控制线路258控制线路260支持件、保持器、支持臂261支持臂260的辅助组件262用于支持臂260的冷却系统A用于振荡测量器件100的位置B用于振荡测量器件100的位置C用于振荡测量器件100的位置D用于振荡测量器件100的位置E用于振荡测量器件100的位置
权利要求
1.一种用于操作电弧炉(200'、210')的方法， -其中，通过向至少一个电弧电极(220)施加(S3)电压，在所述至少一个电弧电极(220 )与物质(300 )和/或对置电极构件(211')之间形成和维持电弧，从而以受控方式产生电流， -其中，至少在维持所述电弧的同时，在所述至少一个电弧电极(220)上执行振荡测量(S4)， -其中，根据所述振荡测量(S4)得出所述至少一个电弧电极(220)的振荡状态和/或所述电弧炉(200'、210')的操作状态的特征数据(S5)，以及 -其中，使用所述特征数据以调整和/或控制(S7、S2)所述电弧炉(200'、210')的操作。
2.根据权利要求I所述的方法， 其中，以无接触方式一特别是与所述至少一个电弧电极(220)没有直接或间接机械接触——来执行所述振荡测量(S4 )。
3.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法， -其中，通过光学方式执行所述振荡测量(S4)和/或 -其中，通过声学方式、特别是使用超声波执行所述振荡测量(S4)。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法， -其中，经由干涉方法或者通过利用多普勒效应执行所述振荡测量(S4 )。
5.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法， -其中在所述振荡测量(S4)期间、在其评价(S5)期间、和/或在所述电弧炉(200'、210')的操作的控制和/或调整(S7、S2)期间，所述特征数据经过傅立叶分析， -特别是为了检测所述至少一个电弧电极(220)和/或所述电弧炉(200'、210')的共振模式和/或特定振荡模式的状态。
6.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法， 其中，基于所述振荡测量(S4)、所述评价(S5)和/或所述控制和/或调整(S7、S2)，控制或调整所述电弧炉(200'、210')和/或所述电弧电极(220)的机械和/或电学操作变量。
7.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法， 所述方法用于加工或处理、精加工或熔化——特别是金属一一物质(300)。
8.一种用于电弧电极(220)的振荡测量器件(100)，所述振荡测量器件(100)被设计并且包括用于对至少一个指定的电弧电极(220)、特别是对用于电弧炉的设备(200)执行振荡测量(S4)的装置(10)。
9.根据权利要求8所述的振荡测量器件(100)， -所述振荡测量器件(100)被设计用于无接触振荡测量(S4)， -特别是与所述至少一个指定的电弧电极(220)没有直接或间接机械接触。
10.根据权利要求8或9中的任何一项所述的振荡测量器件(100)，-所述振荡测量器件(100)被设计为以光学和/或声学方式用于振荡测量(S4)，并且-所述振荡测量器件(100)特别为了该目的包括对应的发射装置，所述发射器件用于将特定的光学和/或声学信号发射至所述至少一个指定的电弧电极(220);和/或对应的接收器件用于接收由所述至少一个指定的电弧电极(220)发射的光学和/或声学——特别是反射的——信号。
11.根据权利要求8至10中的任何一项所述的振荡测量器件(100)， 所述振荡测量器件(100)被设计为经由干涉方法和或通过利用多普勒效应执行振荡测量(S4)。
12.根据权利要求8所述的振荡测量器件(100)， -所述振荡测量器件(100)被设计为经由与所述至少一个指定的电弧电极(220)的直接或间接的机械接触执行振荡测量(S4 )，并且 -所述振荡测量器件(100)特别包括振荡传感器(1)，将所述至少一个指定的电弧电极(220 )的振荡状态或其影响经由机械接触可传输至所述振荡传感器(I)。
13.根据权利要求12所述的振荡测量器件(100)， 其中所述振荡传感器(I)—特别是所提供的振荡测量器件(100)的并且被连接至所述振荡传感器(I)的测量电路(2)——被构造为绝缘构件(60)的内部(60i )中的测量单元(10)。
14.根据权利要求13所述的振荡测量器件(100)， 其中所述绝缘构件(60)被设计为保证热绝缘/冷却和/或用于在其内部(60i)和外部环境之间的机械耦合。
15.根据权利要求14所述的振荡测量器件(100)， -其中，所述绝缘构件(60)包括多个连续布置的、套叠的绝缘容器(20、30、40)， -其中，最外部绝缘容器(20)被直接或间接地耦合至所述至少一个指定的电弧电极(220)，以及 -其中，所述最内部绝缘容器(20 )在其内部(20i )容纳所述测量单元(10 )并且特别是传感器(I)和/或所述测量电路(2)。
16.根据权利要求15所述的振荡测量器件(100)， -其中一个或更多个绝缘容器(20、30、40)，每个都具有用于向外划界和/或热绝缘/冷却的壁区域(21、31、41)，和/或 -其中一个或更多个绝缘容器(20、30、40)，每个都在其内部(201、301、401)具有部分或完全填料形式的热绝缘和/或冷却剂材料(22、32、42)。
17.根据权利要求16所述的振荡测量器件(100)， -其中各个绝缘容器(20、30、40)的每个壁区域(21、31、41)具有一个或更多个壁(21’、31a、31i、41，)。
18.根据权利要求17所述的振荡测量器件(100)， -其中，每个壁(21’、31a、31i、41’)利用或由来自包括金属材料、铝、钢、陶瓷材料、烧结陶瓷材料、塑料、纤维加固材料及其组合的材料组的一种或更多种材料构造。
19.根据权利要求16至18中的任何一项所述的振荡测量器件(100)，其中每个壁区域(21、31、41)和/或各个壁(21’、31a、31i、41’)都以部分或完全镜像——特别是关于其相应的外侧-而设计。
20.根据权利要求16至19中的任何一项所述的振荡测量器件(100)，其中每种绝缘和/或冷却材料(22、32、42)由或利用一种或更多种具有低导热性、特别是小于约3W/m K的范围内、优选地小于约O. 3ff/m K的范围内的材料构成。
21.根据权利要求16至20中的任何一项所述的振荡测量器件(100)，其中每种绝缘和/或冷却材料(22、32、42 )都由或利用一种或更多种相转变材料或相变材料构成，特别是在固-液相转变和/或液-气相转变的情况下，优选地具有高相变焓或高相转变焓，特别是在约25kJ/mol或更高的范围内。
22.根据前述权利要求16至21中的任何一项所述的振荡测量器件(100)，其中每种绝缘和/或冷却材料(22、32、42)由或利用来自包括水，沸石材料、特别是沸石颗粒，珍珠岩材料、特别是珍珠岩颗粒，泡沫材料、特别是泡沫炭材料，及其组合的材料组中的一种或更多种材料制成。
23.根据前述权利要求16至22中的任何一项所述的振荡测量器件(100)，其中提供叶片(31s、33)使得 -相对于相应的在外的绝缘容器(20、30 )的内侧向外支撑各个内部绝缘容器(30、40 )，和/或 -相对于壁区域(31)的外部壁(31a)的内侧向外支撑同一壁区域(31)的内壁(31i)。
24.根据前述权利要求16至23中的任何一项所述的振荡测量器件(100)，其中为了从外部向内传输振荡，所述最外部绝缘容器(20)的壁区域(21)的一部分由振荡传输兀件(50)构造，所述振荡传输元件(50)延伸到所述最外部绝缘容器(20)的所述内部(20i)、并且利用或由具有良好传声性或高声速和低导热性、特别是以石状材料的形式的一种或更多种材料(50’)制成，优选地利用或由花岗岩(50’)和/或以石板形式制成。
25.根据权利要求24所述的振荡测量器件(100)，其中所述振荡传输元件(50)与更向内定位的至少一个绝缘容器(30、40)的所述壁区域(31、41)直接机械接触。
26.—种用于电弧炉的设备(200), -具有电弧炉(210)， -具有至少一个电弧电极(220)，所述至少一个电弧电极(220)至少部分地可插入或被插入炉膛罐(210)中，并且 -具有用于在所述至少一个电弧电极(220 )处测量振荡的振荡测量器件(100 )。
27.根据权利要求26所述的设备(200)，其中多个电弧电极(220 )能够配置有一个公共的或者多个、特别是对应数目的振荡测量器件(100)，每个所述振荡测量器件(100)都被分配给相应的电极。
28.根据前述权利要求26或27中的任何一项所述的设备(200)，其中根据权利要求8至25中的任何一项设计所述一个或更多个振荡测量器件(100)。
29.根据前述权利要求26至28中的任何一项所述的设备(200)， -通过所述设备(200)能够记录和评价由所述振荡测量器件(100)返回的数据， -通过所述设备(200)——特别是利用反馈功能——可控制和/或可调整所述电弧炉(200'、210')的所述设备(200)的所述操作， -特别根据权利要求I至7中的任何一项所述的方法。
30.根据前述权利要求26至29中的任何一项所述的设备(200)， 其中振荡测量器件(100) -被直接或间接附接至一至少在操作期间一作为所述敞开罐(210)外部的区域、和/或离所述炉膛罐(210 )最远的所述电弧电极(220 )的区域或端部(222 )， -被设计用于——至少在操作期间——直接或间接地在所述敞开罐(210)外部、和/或离所述炉膛罐(210)最远的所述电弧电极(220)的区域或端部(222)的无接触测量分接，-直接或间接附接至用于所述电弧电极(220)的保持器(260)，特别是附接至用于所述保持器(260)的冷却装置(262)的区域， -被设计用于直接或间接地在用于所述电弧电极(220)的保持器(260)上、特别是在用于所述保持器(260)的冷却装置(262)的区域上的无接触测量分接， -直接或间接地附接至所述电弧电极(220)的传送器元件(224)，和/或 -被设计用于直接或间接地在所述电弧电极(220)的传送器元件(224)上的无接触测量分接。
全文摘要
本发明涉及一种操作电弧炉(200′、210′)的方法，涉及一种用于电弧电极(220)的振荡测量器件(100)，并且涉及一种用于电弧炉(200′、210′)的设备(200)。当操作电弧炉(200′、210′)时使用简单方式，在所述方法期间或作为其结果，能够以特别安全和多产方式对于至少一个所提供的电弧电极(220)执行振荡测量，基于该测量，能够关于机械和/或电学操作参数控制用于所述电弧炉(200′、210′)的所述设备(200)的操作。
文档编号C21C5/46GK102959094SQ201180026087
公开日2013年3月6日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者托马斯·科克, 马丁·马耶尔, 格奥尔格·施魏格尔, 马丁·库赫尔, 诺贝尔特·里希特 申请人:西格里碳素欧洲公司