[发明专利]用于控制熔化过程的方法和控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制电弧熔炉(EAF)中的熔化过程的方法和控制系统，该EAF包括用于熔化金属或者金属合金的一个或者多个电极和用于搅拌熔化物的电磁搅拌器(EMS)。

背景技术

电弧熔炉(EAF)炼钢是高度地能量密集的工业过程。它消耗大量电能和化学能。现代EAF产生300吨以上出铁的钢梨热，并且由于在EAF中钢的生产需要大量电能和化学能，所以每年用于一个这样的熔炉的能量成本很高。这是为什么最新EAF技术发展主要聚焦于减少能量消耗(电和氧)并且由此增加生产率的原因。也从环境观点来看，希望减少来自EAF的二氧化碳排放和其它排放。

典型电弧熔炉包括三个电极、可操作地连接到电极的功率供应系统、通常较大尺寸的用水冷却的容器，该容器由可收回的顶部覆盖，一个或者多个石墨电极经过该顶部进入熔炉。另外，电弧熔炉通常包括冷却水站和至少一个控制单元，该控制单元可操作地连接到功率供应系统以控制电极的操作。电极形成在已经向EAF中加载的金属材料(例如碎料)与电极之间的电弧。由此产生金属熔化物(装料)，该熔化物由经过熔化物的电流和由电弧演变的辐射能量二者加热。电极调节系统在装料熔化期间维持近似恒定的电流和功率输入

电弧熔炉通常呈现在炉膛周界周围的热和冷点的图案，而冷点位于电极之间。现代熔炉在侧壁中装配气体燃烧器并且使用它们以向冷点提供化学能从而使熔化物的加热更均匀。也借助例如喷枪的用于向熔炉中注入氧和碳的装置提供附加化学能。

典型EMS系统包括：至少一个包括搅拌线圈的电磁搅拌器，包括频率转换器和变压器的功率供应系统，该功率供应系统可操作地连接到搅拌器；冷却水站；以及至少一个控制单元，该控制单元可操作地连接到功率供应系统以控制搅拌器的操作。搅拌线圈通常装配于熔炉的钢壳以外。这一线圈生成行波磁场以在熔化金属的熔化物中提供搅拌力。搅拌器使用低频行波磁场来操作，穿透熔炉的钢壳并且借此移动熔化物。

发明内容

本公开内容的目的是减少EAF总循环时间并且增加铁产量。借此减少电极和搅拌器功率消耗以及化学能(即氧、碳和燃烧器气体)的添加并且因此增加EAF生产率。

因此，在本公开内容的第一方面中，提供一种控制用于熔化金属材料的电弧熔炉中的熔化过程的方法，其中该方法包括：

i)接收反映熔化过程的至少一个过程变量的测量，

ii)基于熔化过程的模型、熔化过程的先前状态、先前控制输入，和至少一个过程变量的测量来确定熔化过程的当前状态，

iii)确定最小化期望的过程特性的当前过程输入，其中所述确定包括关于过程输入的所有允许值并且利用约束来最小化期望的过程特性，所述约束包括熔化过程的当前状态和熔化过程的期望的结束状态，

iv)利用当前过程输入来控制熔化过程，并且

v)重复步骤i)至iv)直至已经获得熔化过程的期望的结束状态。

在第二方面中，提供一种方法，该方法的特征在于：

-定义优化问题，优化问题包括熔化过程的状态模型，状态模型将包括到搅拌器的功率供应的过程输入与过程的至少一个状态、受状态模型约束的损耗函数和初始开始条件相联系，

-关于时间和／或能量消耗执行熔化过程的优化，包括使用初始开始条件基于优化问题确定过程的状态，

基于优化的结果针对到搅拌器的功率供应确定控制信号的参考值，

将控制信号用于控制到搅拌器的功率供应，

收集反映熔化过程的至少一个过程变量的测量数据，

基于状态模型、确定的先前状态，和确定的先前控制信号，确定过程的当前状态，

使用状态观测器基于测量数据确定过程的校正的当前状态，

基于优化问题关于时间和／或能量消耗执行熔化过程的优化，使用校正的当前状态作为用于优化的开始条件，

在过程期间重复上述步骤直至实现过程的期望的状态。

由此实现改进的金属材料熔化，该改进的熔化将改善冶金反应并且借此减少操作循环时间。可以实现以可量化数量的电能和化学能节省并且增加EAF生产率。

根据本发明的一个实施例，电弧熔炉包括用于熔化金属材料的一个或者多个电极，状态模型的过程输入还包括到电极的功率供应，并且确定参考值的步骤还包括基于优化的结果针对到电极的功率供应确定控制信号的参考值，并且使用步骤还包括使用针对到电极的功率供应的所述确定的控制信号以控制到电极的功率供应。