专利名称：熔渣起泡自动控制程序和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及到用于交流电弧炉内控制熔渣的一种方法和装置。本发明尤其用于在金属合金的制备工序中控制熔渣的特性和质量，提高可靠性、一致性和制成合金的最终性能。
背景技术：
在电弧炉中加工钢的方法用到将作为炉料的主要是废金属熔化，从而形成金属的液池。常规地，废料在工艺循环的开始被加入到炉中，并通过高炉的石墨电极输送电流来熔化废料，这种电流会在电极和金属之间引起电弧。有一层熔化的非金属材料，即熔渣，存在于熔钢的上表面之上，它是在提炼操作中，由从金属中分离出来的杂质混合物形成的。该熔渣在初始熔化过程中形成在炉料的上表面，并且在整个工艺循环中保留在该上表面，直到热出渣。
传统的钢生产中，熔渣起泡是通过调节高炉参数和增加例如液态或者气态化学物质的材料来实现的，该材料在提炼工序中加入。熔钢上表面产生的泡沫熔渣层可用于以下有用目的，包括调整钢中合金添加物的百分含量，将熔钢与氛围氧气和装熔钢的容器中的器件隔离开，并且使钢热隔绝，以便维持钢的熔化状态，直到被注入要求的模子里。
传统地，熔渣是由炉子操作人员根据肉眼观察残渣或者根据一些其它的工艺参数来产生泡沫的。例如，Usher等人的美国专利5,827,474公开了一种测量电弧炉中的熔渣和熔钢的深度的装置和方法。该方法包括移动电压表的探针，使之经过熔化的金属、熔化的金属和熔渣泡沫之间的界面。层间电压信号的变化，标明了熔化的金属和熔渣泡沫的间界位置。
起初，要决定泡沫的质量，肉眼检测熔渣就足够了。但是，在全部处理时间，炼钢的动态流程需要不断调节变量如增加碳和氧来影响泡沫。当炉操作人员调节参数时，如注入碳，相对于产生发泡和合金的动态，他们的反应时间相当慢。为了部分地克服熔渣发泡时人为错误的一些不足，已经发展了几种用于炼钢工艺的模型。例如，Welker等人的WIPO专利申请号WO 99/23264公开了一种控制电弧炉中的发泡熔渣产生的方法和装置，它们采用一种模型来预测发泡。参考文献中公开了利用一种神经网络和一种发泡熔渣模型来预测加入到炉中的碳的正确数量，这种预测是为了保证在熔渣泡沫中至少得到部分的电弧外罩。Sesselmann的德国公开专利申请(Offenlegungsschrift)DE198 01 295公开了一种电弧炉，其中采用神经网络来控制弧电极的位置，电能的供应和加入到炉中的碳的量。熔渣起泡高度是用声波测位仪来测量的。
在炼钢工艺中，附加的控制已经被用于炉子。例如，Gitman等的美国专利5,714,113公开了一种用于电炼钢的装置，它包括一个用于向钢熔液引入氧气的喷嘴/注射器。
Bourge等人的美国专利5,050,185公开了测量用于处理液态金属的电弧炉中的电弧的不稳定性的装置和方法，如该专利中所公开的，传感器也被加到炉中。该专利公开通过取得对应于电弧电流的信号的微商，将微商信号分为高频和低频两个部分，放大这些分离的部分，并且从中产生一个相当于微商信号的高频和低频部分之商的信号，电弧稳定性可以得到测量。这个值代表电弧的稳定性，并且可以被操作人员用来估计应注入到炉中的碳和氧气的量。
在Gulden，Jr。等人的美国专利5,099,438中，发明了一种用于在线检测和控制电弧炉的性能的方法。Gulden，Jr。等人的方法包括收集对应于高炉参数变化的信号，这些参数包括高炉的电学，机械和物理参数。这些参数包括来自Watt/Var的脉冲率，电流和电势转换器，变压器抽头位置，弧长度设定，液压变化，高炉机械部件的位置和熔渣炉料的重量。利用可编程逻辑控制器(PLC)和微计算机来处理这些数据。
Stenzel的美国专利4,742,528公开了一种用在真空电弧炉中的补偿器件。该补偿器件用于补偿真空电弧炉中的功率线的重量，其中，电弧电极的精确重量应该被决定。该方法利用计算机来控制施加到传感器电极上的电流密度。
Dolgonosova等人的俄国专利RU 2086657提出了一种用于减少金属氧化物的设备，它包括一个用于向鼓风炉中喂金属的装载器件。该器件测量气压波动，并借助计算机使用这些信号来控制向炉中供给氧气。
然而，上述参考文献并没有充分关联或者控制电弧炉的变化的动态方面，或熔钢或者熔渣的动态性能，从而提高炼钢中发泡熔渣的性能或质量。因此，在炼钢工序中，仍存在需要来动态地提高发泡熔渣的性能和质量，由此提高成品的一致性，可靠性和产量。
发明内容
本发明的一个优势在于一种动态地和更精确控制电弧炉中的熔渣发泡的方法。
本发明的附加优势和其他特征将会在接下来的详述中被陈述，并且对于下面分析本领域技术人员将部分明确，或者可能从本发明的实践中被获悉。本发明的优势将会在附加的权利要求书中被认识或者特别指出。
根据本发明，上述优势和其他特征通过一种在电弧炉中合金(诸如钢)形成时动态控制熔渣发泡的方法来得到。该方法包括获得一种或多种对应于代表熔渣特性和质量变量的信号；将这一种或者多种信号输入一个控制器中，该控制器包括一个产生代表熔渣性能或质量的输出信号的逻辑程序；并且通过一个阀门向电弧炉中加一种或多种材料，该阀门有可以动态调节的流率，以便通过连续的根据控制器产生的输出信号来调节该一种或多种材料的增加量来控制熔渣的特性和质量。本发明的这种方法由此动态地和更精确地控制熔渣地质量和性质，以及其发泡和最终的成品。
本发明的实施例包括采用涉及电弧稳定性，熔渣起泡粘度和温度的信号作为熔渣起泡质量的指示器，并且通过一个可变化流量的阀门连续控制注入到高炉中的材料的数量。本发明的进一步的实施例采用氧，碳，氧化镁，氧化钙和石灰作为输入来控制熔渣起泡的性质或质量。本发明也考虑用自动和人工控制作为控制输入物引入的方式，该引入物用于控制熔渣泡沫。
本发明的别一方面是制造金属合金的一种方法，即在电弧炉中通过形成有熔渣在上面的熔融金属流体，并且在工序中，通过一个阀门注入材料，例如碳，来动态调节熔渣的起泡，该阀门能够连续和可变的调节被注入材料的流率，例如从约25磅/分钟(lbs/min)到约200lbs/min。
本发明的另一方面是包括电弧炉的一种装置，该炉有一个和该炉流体相通的可变阀门和一个材料源，在金属加工时，可以控制该材料源，从而变化调节加入到高炉中的材料的数量。包括一种装置的实施例包括一个可以形成熔融金属的电弧炉，该金属部分地被熔渣覆盖；一个与高炉电连接的传感器，并且能够探测熔渣的性质或质量；一种与高炉流体相连的材料处理和控制设备，用于容纳和向高炉中添加材料以使熔渣起泡，并且包括一个可变阀门用来改变加入到高炉中的材料的数量；和一个与传感器电耦合的可编程逻辑控制器，以及材料处理和控制设备，用于接收和处理来自传感器的关于熔渣性质或质量的信号，并且经由可变阀门通过材料处理和控制设备来调节添加到高炉中的材料的数量。
通过下面的详细描述，本发明的额外优势和其它特征对于那些本领域的技术人员将很容易明了，在那些详细描述中，只有本发明的优选实施例简单的通过阐述被认为实行本发明的最佳模式的方式得到显示和描述。正如即将被认识的，本发明可以有其它和不同的实施例，并且它的几个细节能够在许多明显的方面加以修改，都没有脱离本发明。因此，附图和详述被认为是说明性质，而不是限定的。
图1示出了根据本发明的一个实施例的动态熔渣控制系统的示意图。
具体实施例方式
本发明在制造金属合金例如钢时，非常便利的允许动态和精确控制起泡熔渣的质量和性能。通过连续的检测一种或者多种起泡参数，并且连续和可变地调节处理输入参数，本发明自动的维持熔化金属上面的熔渣起泡水平的最优值。本发明考虑监控高炉的参数，例如，但不限高炉电弧的稳定性，炉温等，也监测熔渣参数，例如熔渣粘度。根据熔融金属池的不断变化状况，用一个逻辑控制器决定材料的类型、时间和数量，该材料被注入，或否则，可用于熔化的金属或者熔渣，由此消除人为的错误。在本发明的一个实施例中，引入材料的数量根据一个连续和可变的基础调节，而不是通过传统的开/关鼓风注入器，从而提供起泡沫的，非腐蚀性的熔渣。本发明允许使用较长的电极弧，并且通过将这些电弧埋在起泡熔渣里，在使电极氧化和损耗最小化和维持高温时，减小或消除炉料溅射，并且减少由增加过多材料引起的浪费。
本发明的电弧炉系统的实施例在图1中示出，它包括炉10和一个控制系统。该炉包括至少一个电极在其中，并且在加工过程中，容纳熔化的金属和在该熔化金属上表面之上的一层熔渣(为了说明的便利，没有显示出来)。在本发明的一个实施例中，炉中采用了许多的电极。
在实行本发明时，在电极和金属之间产生电弧，导致金属液化。在提炼金属时，基本上在液态金属熔池之上形成的熔渣经历起泡沫，它是由于液态金属中和熔渣中的化学反应产生的，这是注入例如氧气和碳的材料促成的或者是该材料注入的结果，该材料注入通过至少一个鼓风管12由端口14进入该液态金属或者进入熔渣或者同时进入两者。该鼓风管提供了一个流体通道连接炉10和材料处理和容纳设备16之间，后者容纳待注入到该炉中的一种或多种材料。
例如氧气的注入引起了通进熔渣中的铁氧化物的形成，然而，注入的例如来自木炭的碳引起了如一氧化碳或二氧化碳的氧化碳的形成，致使熔渣起泡。于是，在提炼过程中，电极和金属炉料之间的电弧可以被熔渣层较大或较小程度的覆盖。
可以增加与高炉流体相连的附加的鼓风管，用于同时或单独注入多种材料。本发明考虑到几种与高炉流体相连的鼓风管和相应的材料处理和容纳设备。作为控制熔渣起泡质量的输入物，在工序中可被注入的材料包括，例如氧，碳，铁氧化物，镁氧化物，钙氧化物，石灰等等。
可以加入以影响本发明中的熔渣的质量和性能的附加材料包括在炼钢工艺中有用的成分，例如具有包括一钙氧化物源的剩余物的从约15到约80wt％的碳源。可用的该钙氧化物源包括，例如，标准石灰(重量比95％(wt％)的CaO)，白云石石灰(大约60wt％的CaO，40wt％的MgO)和它们的混合物，还有其它用在炼钢工艺中的已知的钙氧化物源。熟石灰或者生石灰形式的石灰都可以采用。可用于本发明中的碳包括任何形式的碳，并且尤其是来自于炼钢工艺中已知的那些碳源，包括例如木炭，木材，石油焦碳，石墨，无烟煤和它们的混合物。
在本发明的一个实施例中，材料处理和容纳设备16包括可变阀18，用以以一种可变的方式调节添加到炉中的材料的数量。该可变阀可以被放在炉和将被加入炉的材料之间的任何位置。本发明考虑到，通过该阀连续控制的材料的量将依赖于材料的性能和炉料的尺寸。
在本发明的一个实施例中，该可变阀是一种旋转阀，在工艺中，它能以一连续和可变的流率向高炉中添加所需的材料，而不是传统的离散的开/关率。在本发明的一个实施例中，可以控制阀门连续的调节例如碳的注入材料的流率，达到高达200lbs/min或更高的范围，例如，从约25lbs/min到约200lbs/min。
通过连续监控高炉的参数，例如但不限于炉电弧的稳定性，温度和熔渣粘度，本发明自动的维持熔渣起泡水平的最优值。为了监测熔渣起泡的发展，和在工艺过程中为了允许干涉，本发明提供了一个电系统，包括一个或更多的传感器20，传感器20通过炉子电接吻管19连接到例如一个或更多的探针21或者一个或更多的电极上。该系统可以包括一个探测器22，例如一个起泡指示器，探测器22通过21与传感器20电连接。
传感器20可以产生一个可以探测到的信号，该信号代表熔渣的性能或质量，例如，可以产生一个代表通过该电弧的电流密度的可以探测到的信号。在本发明的一个实施例中，传感器20是像例如Rogowski圆环面那样的感应式的，这就是说一个可以测量电流导数和其谐波的电磁安培表。特别是，这种类型的传感器的使用显示了增加电流波动测量精度的优势。从Rogowski线圈到探测器的输入可以从约0到约10伏特。
为了施行该程序，信号的处理的实现是通过一个或更多的常规的可编程逻辑控制器(PLC)来完成的，可以选择地，还包括一个或更多的常规的数据处理微处理器或逻辑电路，如单独的单元24所示。可编程控制器允许连续的在线监控高炉各种条件，并且也作为一个输入处理器，用于更高层级的计算机，如果需要，该计算机能完成重型数据处理，满足更高水平的在线控制。各个PLC配置成能够忍耐炉子区域的严酷环境。该可编程控制器的功能是为了实现炉子的电，机械和物理参数的高速数据收集，例如包括但不限于watt/var脉冲比率，电流和电势转换器，变压器抽头位置，弧长设定，液压变量，机械炉部件的位置和废料炉料的重量，并且以一种可用的格式将收集到的数据引入一个数据处理微处理器或逻辑电路。
在本发明的一个实施例中，在一个时间周期中，可编程逻辑控制器24处理由一个I/O接口(为了说明的便利，没有显示出来)接收到的所有数据。由PLC(C)接收和处理的数据包括但不限于代表炉子电能消耗的脉冲串，代表炉子状态和/或条件的模拟和数字信号，和代表一个事件或延迟的持续或者缺乏的定时值。这些所有接收到的信号的处理通过在一个固定的时间周期监视进入的数据和将此数据转化为代表适当的工程单位的数据组或者值来完成。
除了数据的收集和处理，该系统可以进一步处理数据，如同通过具有逻辑电路或微处理器的常规计算机那样来接收由PLC发送的数据。考虑到该PLC可以包含以一种价格较低方式处理数据所必需的逻辑电路，并且通过报告，显示和/或命令的方式，提供给操作者信息控制，该信息对应于上面识别的变量。在本发明的一个实施例中，PLC24与一个用户界面24电耦合。从用户界面输入到PLC的输入可以是任何范围的电信号，如110伏特的AC输入。
根据本发明，PLC24与材料处理和容纳设备16电耦合。在本发明的一个实施例中，从PLC到设备16的输出，用于流量控制约为4-20mV，用于开/关控制约为0-10V。在本发明实施中，PLC 24获得来自于传感器20的对应于代表熔渣的性能或质量的变量的一种或更多信号，并且处理该获得的一种或者更多信号，或者将其馈给包括逻辑程序的控制器，从而通过向设备16中连续的输送信号来动态的控制熔渣的性能或者质量，从而以一种可变的方式，调节增加到高炉中或从中减少的材料的数量。
本发明考虑到集成至少一个传感器，至少一个PLC和至少一个材料处理设备，以提供在线数据收集和可编程逻辑控制器之间的数据通信，该可编程逻辑控制器含有或不含有一个额外的数据处理计算机，用于控制高炉，同时也控制添加到炉子中用于影响熔渣起泡的特定的添加材料的时间和数量。
通过连续监控炉子的参数，例如，但不限于高炉电弧的稳定性，温度和熔渣粘度，本发明自动的维持熔渣起泡水平的最优值。根据熔化的金属池的不断变化状态，一个逻辑控制器来决定什么类型的材料应该被注入到炉中，它们什么时候注入，注入多大剂量。该控制器激活一个阀门，该阀门能够在一个规定的范围内加入材料，而不是采用传统的突然开/关鼓风管，由此减小或消除浪费，并且提高了整个工序中的精确度和控制。阀门可被激活的规定的范围依赖于添加的材料的性能和炉料的尺寸。
本发明有利的消除了决定何时熔渣充分起泡时的人为错误。而且，在几乎所有例子中，操作者对碳和氧注入的调节是控制熔渣起泡的唯一方法。通过注入例如但不限于MgO，石灰和FeO的材料，本发明也能够调节熔渣的化学性质。
例子一个电弧炉系统原型装配在一个钢加工厂，这里，该炉包括一个标准的6000lbs(难熔材料)干枪，一个可编程逻辑控制器(P.L.C)，用户界面转换开关，起泡指示器和Rogowski线圈。这里有两种用户界面设置人工的和自动的。在人工设置中，注入的碳由操作者控制。在自动装置中注入的碳由PLC控制，该系统在自动设置中成功的控制熔渣起泡。
通过实验之后，发现标准干枪没有足够大的容量，在差不多每一次加热后，该枪都必须重新充满。因此，在本发明的一个实施例中，采用一个更大的，例如大于6000lbs的干枪。进一步观察可知，如果将系统设置于自动模式，当高炉中仍然有废料时，由于缺乏起泡熔渣，系统将鉴别废料缺乏电弧稳定性。然后，该系统将注入过量的碳，试图使熔渣起泡，这会导致碳浪费和钢自身内过度的碳污染。为了避免熔渣的错读，在P.L.C.程序中写入一个报警系统，当系统工作在自动模式并且起泡水平没有达到最佳水平时，报警系统就会警告操作者。
还观察到通过一个蝶形阀或者一个楔形浇口阀的碳的流率或者是每分钟零磅或者是该阀门允许的最大量(即，约200lbs/min)。在本发明的一个实施例中，通过一个具有差速控制的旋转阀，碳的流率可以被精确控制在一个25到200lbs/min的范围内。在一个试验中，该流量被控制到140lbs/min的最大值而不是200lbs/min以取得对熔渣起泡的控制。
在本公开中，唯有本发明的优选实施例和仅有其多功能性的几个例子被展示和描述。可以理解，本发明可以用于各种其它组合和环境，并且能在如同在这里表述的发明概念的范围内加以变化或者改进。
权利要求
1.一种在电弧炉中在熔融金属上使熔渣起泡的方法，该方法包括通过一阀门向电弧炉中注入一种或多种材料，该阀门与该电弧炉流体相连，并且能够连续地和可变地调节注入材料的流率。
2.根据权利要求1的方法，包括注入碳或者氧或者两者作为材料。
全文摘要
一种金属合金，例如钢，在一个电弧炉中制造，该电弧炉配备有至少一个传感器(20)，至少一个包括一个逻辑程序的控制器(24)，一个与该高炉流体相连的可变阀门(18)和一个炉料材料源(16)。在制造钢时，在炉(10)中熔化的金属上起泡的熔渣的性能和质量可以由该可变阀门(18)通过连续调节增加到该电弧炉中的一种或多种材料的量来动态控制。在炼钢工序中，通过以一个约25lbs/min到约200lbs/min的流率连续和可变地向该电弧炉中注入碳，使熔渣起泡。
文档编号F27B3/08GK1550558SQ20041004535
公开日2004年12月1日 申请日期2001年3月19日 优先权日2000年3月17日
发明者詹姆斯·斯坦德拉, 戴维·维尔斯, 马克·杜克纳克, 杜克纳克, 维尔斯, 詹姆斯 斯坦德拉 申请人:密执安特种矿石公司