專(zhuān)利名稱(chēng)：：電弧爐的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電弧爐的控制系統(tǒng)、并入該控制系統(tǒng)的電弧爐、以及控制電弧爐的方法。
背景技術(shù)：
：電弧爐是一種電爐，其中由相鄰電極之間的電弧或者電極與爐料(furnacecharge)之間的電弧產(chǎn)生熱。將以此方式產(chǎn)生的熱用于加熱以及熔化裝料(charge)。典型地，攜帶電極的臂組件的重量在2噸到50噸的范圍內(nèi)，并且由液壓缸或者其它致動(dòng)器垂直移動(dòng)以用于控制目的。由于電弧的長(zhǎng)度特別地取決于每個(gè)電極下裝料(固體或液體)的經(jīng)常變化的(ever-changing)水平，因此必須控制爐內(nèi)電極的定位。用于控制電極的定位的調(diào)節(jié)系統(tǒng)影響爐性能的許多重要的方面，例如能量輸入、電孤穩(wěn)定性、固體裝料熔痕(meltingpattern),以及電極消耗。所有這些參數(shù)以復(fù)雜的方式相互關(guān)聯(lián)，并且對(duì)于控制策略的觀點(diǎn)存在許多差異。目前，一種可以接受的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種目的為控制由電極產(chǎn)生的電弧的阻抗的系統(tǒng)。具體地，此系統(tǒng)試圖將電壓與電流之比保持恒定。在使用中，取自從電源到地的相位的電壓信號(hào)以及電流信號(hào)中的每一個(gè)被單獨(dú)測(cè)量并進(jìn)行比較。如杲電壓和電流中的每一個(gè)處于期望的預(yù)先選擇的設(shè)定點(diǎn)，則將來(lái)自信號(hào)的這一比較的輸出設(shè)置為零。然而，如果電流超過(guò)其設(shè)定點(diǎn)(其將同時(shí)造成電壓下降)，則生成非零輸出信號(hào)。此輸出信號(hào)造成臂組件升高(lift)，從而造成電極升高，其繼而減小電流，以將阻抗維持在恒定值。通常，上述類(lèi)型的現(xiàn)有電弧阻抗調(diào)節(jié)器基于模擬電子器件，伴隨著固有的漂移和容限因數(shù)，導(dǎo)致頻繁的重新校準(zhǔn)需求。雖然一些系統(tǒng)已經(jīng)轉(zhuǎn)向數(shù)字電子器件以解決這些問(wèn)題，但這些系統(tǒng)通常需要大且昂貴的計(jì)算系統(tǒng)。因此，期望提供一種以劃算并且高效的方式解決上述問(wèn)題的電弧爐阻抗調(diào)節(jié)器。
發(fā)明內(nèi)容在本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供了一種控制系統(tǒng)，用于控制電弧爐的至少一個(gè)電極的垂直位置，其中電弧爐包括爐變壓器，其具有初級(jí)輸入側(cè)和電連接到至少一個(gè)電極的次級(jí)輸出側(cè)，該控制系統(tǒng)包括至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量由電弧爐吸引(draw)的電流；電壓測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量在電弧爐上施加的電壓；以及控制單元，用于基于電流和電壓的測(cè)量值動(dòng)態(tài)地確定至少一個(gè)電極的垂直位置的設(shè)定點(diǎn)，并且提供致動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)升高裝置以調(diào)整至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。優(yōu)選地，至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備可操作用于測(cè)量爐變壓器的輸入側(cè)和輸出側(cè)之一或兩者之上的電流。在一個(gè)實(shí)施例中，該至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備包括第一電流測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量爐變壓器的輸入側(cè)上的電流；以及第二電流測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量爐變壓器的輸出側(cè)上的電流。優(yōu)選地，電壓測(cè)量設(shè)備可操作用于測(cè)量爐變壓器的母線與爐底(ftirnacehearth)之間的電壓。優(yōu)選地，控制單元包括處理器，其可操作用于運(yùn)行控制算法以動(dòng)態(tài)地確定速率因數(shù)r,其中r^x"k，x是設(shè)定點(diǎn)值的偏差，k是取決于系統(tǒng)的常數(shù)，并且基于動(dòng)態(tài)確定的速率因數(shù)r提供致動(dòng)輸出。在一個(gè)實(shí)施例中，x=n-p*ip=(a/b)*(c/2)，其中n是設(shè)定點(diǎn)值，a是由該至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備測(cè)量的電流值，b是爐變壓器的額定次級(jí)電流值，以及c是處理器的計(jì)數(shù)范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，k=Int((Tm*Et/1000)/100)*100，其中丁m是以絕對(duì)溫度表示的爐渣的熔點(diǎn)(液相線)，Et是按照kWh/每公噸裝料材料的、驅(qū)動(dòng)電弧爐所需的總電能。在一個(gè)實(shí)施例中，處理器可操作用于提供驅(qū)動(dòng)電壓v作為用于驅(qū)動(dòng)升高裝置的致動(dòng)輸出。在一個(gè)實(shí)施例中，v=(r/k)*(ABS(x)/x)*I,其中I是升高裝置的驅(qū)動(dòng)單元的比例電壓。優(yōu)選地，處理器是可編程邏輯控制器(PLC)。本發(fā)明還延伸到包括上述控制系統(tǒng)的電弧爐。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，將電弧爐用于熔煉例如礦石粉末的材料，或者熔化例如金屬粉末的材料。在另一方面中，本發(fā)明提供了一種控制電弧爐的至少一個(gè)電極的垂直位置的方法，其中電弧爐包括爐變壓器，該爐變壓器具有初級(jí)輸入側(cè)和電連接到至少一個(gè)電極的次級(jí)輸出側(cè)，該方法包括以下步驟測(cè)量由電弧爐吸引的至少一個(gè)電流；測(cè)量在電弧爐上施加的電壓；基于電流和電壓的測(cè)量值動(dòng)態(tài)地確定至少一個(gè)電極的垂直位置的設(shè)定點(diǎn)；并且提供致動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)升高裝置以調(diào)整至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。優(yōu)選地，電流測(cè)量步驟包括以下步驟測(cè)量爐變壓器的輸入側(cè)和輸出側(cè)之一或兩者之上的電流。在一個(gè)實(shí)施例中，電流測(cè)量步驟包括以下步驟測(cè)量爐變壓器的輸入側(cè)上的電流；以及測(cè)量爐變壓器的輸出側(cè)上的電流。優(yōu)選地，電壓測(cè)量步驟包括以下步驟測(cè)量爐變壓器的母線與爐底之間的電壓。優(yōu)選地，設(shè)定點(diǎn)確定步驟包括以下步驟動(dòng)態(tài)地確定速率因數(shù)r，其中r=x2/k,x是設(shè)定點(diǎn)值的偏差，k是取決于系統(tǒng)的常數(shù)；致動(dòng)輸出提供步驟包括以下步驟基于動(dòng)態(tài)確定的速率因數(shù)r提供致動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)升高裝置以調(diào)整至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，x二n-p并且p-(a/b)承(c/2),其中n是設(shè)定點(diǎn)值，a是由該至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備測(cè)量的電流值，b是爐變壓器的額定次級(jí)電流值，以及c是處理器的計(jì)數(shù)范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，k=Int((Tm*Et/1000)/100)*100,其中Tm是以絕對(duì)溫度表示的爐渣的熔點(diǎn)(液相線)，Et是按照kWh/每公噸裝料材料的、驅(qū)動(dòng)電弧爐所需的總電能。在一個(gè)實(shí)施例中，致動(dòng)輸出提供步驟包括以下步驟提供驅(qū)動(dòng)電壓v作為用于驅(qū)動(dòng)升高裝置的致動(dòng)輸出，以調(diào)整至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，v=(r/k)*(ABS(x)/x)*I,其中I是升高裝置的驅(qū)動(dòng)單元的比例電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，將該方法用于熔煉例如礦石粉末的材料，或者熔化例如金屬粉末的材料。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)包括(1)數(shù)字處理的可重復(fù)性在試運(yùn)行(commissioning)期間校準(zhǔn)阻抗調(diào)節(jié)器，并且所有控制參數(shù)都存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。因此，在系統(tǒng)參數(shù)改變時(shí)，例如在安裝不同的爐變壓器時(shí)，只需要重新校準(zhǔn)系統(tǒng)。(2)自適應(yīng)功率控制特性監(jiān)視輸入功率，并將其與特定變壓器抽頭上的理論輸入功率進(jìn)行比較。結(jié)果給出關(guān)于爐中狀況如何的有利指示。然后，阻抗調(diào)節(jié)器調(diào)整阻抗設(shè)定點(diǎn)以補(bǔ)償這些狀況，因而保證功率輸入總是盡可能接近于理論最優(yōu)值。由于電弧爐在此狀況下操作，因此其達(dá)到較好的熔化時(shí)間，其還導(dǎo)致較好的kWh/p屯以及電極消4毛值。(3)電閃爍的減少電閃爍發(fā)生在交流電暫時(shí)不流過(guò)電極、然后突然開(kāi)始流動(dòng)時(shí)。電流正弦波的失真造成傳送到金屬的功率更少、并且電極磨損更多。它還引起返回到電源網(wǎng)格(powergrid)的諧振。典型地，電源需要將閃爍控制在一定準(zhǔn)則之內(nèi)。如果閃爍沒(méi)有被保持在這些準(zhǔn)則之內(nèi)，則用戶(hù)常常受到嚴(yán)重?fù)p失(severelyfined)。本發(fā)明的阻抗調(diào)節(jié)器與穩(wěn)定得多的系統(tǒng)相關(guān)，其大大地幫助減少閃爍。(4)磨損減少已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)達(dá)到對(duì)電弧爐的非常精確的控制，本發(fā)明大大減少了爐整體的磨損，特別是爐的三角閉合(deltaclosure)和壁的磨損。(5)產(chǎn)生報(bào)告本發(fā)明的PLC與基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)連接，該基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)記錄所有的爐操作參數(shù)并且圖形化地顯示那些參數(shù)，使得可以研究趨勢(shì)。監(jiān)控系統(tǒng)還生成管理者報(bào)告，包括24小時(shí)時(shí)間段中記錄的所有警報(bào)和事件、以及在此時(shí)間段中爐參數(shù)(例如功率和電流)的最大、最小和平均值。(6)用戶(hù)友好性本發(fā)明在需要來(lái)自操作者的非常少的輸入來(lái)操作爐方面是非常用戶(hù)友好的。有利地，本發(fā)明的操作面板的布局和呈現(xiàn)類(lèi)似于在更傳統(tǒng)的電弧爐(例如Amplidyne和Barnes)中使用的操作面板的布局和呈現(xiàn)。因此，熟悉這些系統(tǒng)中的任何系統(tǒng)的操作者實(shí)質(zhì)上根本不需要培訓(xùn)就能成功地操作本發(fā)明。(7)多功能性與數(shù)字控制算法的多功能性耦合的PLC的高速度使其與單獨(dú)熔化廢料相比有更寬范圍的熔化應(yīng)用。利用對(duì)增益和響應(yīng)參數(shù)的一些調(diào)整，還可以將本發(fā)明用于埋弧(submergedarc)處理、以及明弧和埋弧處理的組合，諸如爐渣熔煉以及熔煉礦石粉末以回收(recover)它們所包含的金屬。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明例如在以下方面是非常成功的從五氧化二釩回收鐵釩合金，從鉻鐵礦粉末回收鉻鐵，從原礦石和爐渣回收鈷，從鋼板灰塵回收鋅，從鼓風(fēng)爐(blastfurnace)爐渣回收鉛；以及再熔化諸如含有除了鐵、釩、鉻和錳之外的金屬粉末?？傊?，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生數(shù)字系統(tǒng)的精確度,并且由于本發(fā)明使用標(biāo)準(zhǔn)的、無(wú)需定制的PLC設(shè)備實(shí)施而成本較低。因此，本發(fā)明表現(xiàn)為現(xiàn)有系統(tǒng)的更小以及更便宜的替代物?，F(xiàn)在將在下面僅僅作為示例而參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖中，-、，，-、"'，'、V,、'。r、爐系統(tǒng)；爐在啟動(dòng)時(shí)的比較功率圖的圖示；以及圖3圖示了在本發(fā)明的阻抗調(diào)節(jié)器的操作中采用的校正因數(shù)r的圖示，其中r=x2/k。具體實(shí)施例方式電弧爐系統(tǒng)包括電弧爐12以及用于為電弧爐12提供電能的供電系統(tǒng)14。電弧爐12包括爐殼16,其含有要被熔煉或熔化來(lái)提供熔融的金屬相的、典型地是粉末或顆粒狀形式的材料；電極組件18，其在操作中延展到爐殼16中含有的材料中；以及支撐單元26，用于相對(duì)于爐殼16可移動(dòng)地支撐電才及組件18。電極組件18包括母線(busbar)20以及多個(gè)電極單元，所述多個(gè)電極單元在本實(shí)施例中是第一到第三電極單元22a到22c，其每個(gè)包括電極30和電極頭32,在本實(shí)施例電極30的一個(gè)上端通過(guò)電極墊片電連接并且機(jī)械連接到該電極頭32，其中機(jī)械連接暴露于(exposedto)極端的機(jī)械狀況，包括振動(dòng)和扭曲。支撐單元26包括支撐臂36,其在爐殼16上方延展，并且支撐電極組件18;支撐柱38,所述支撐臂36垂直地、可移動(dòng)地置于其上；以及驅(qū)動(dòng)單元40，在本實(shí)施例中其是液壓?jiǎn)卧?，其可操作地升高或降低支撐?6,并且因而升高或降低由該支撐臂36支撐的電極組件18。電極30在爐殼16內(nèi)的定位是重要的，這是因?yàn)樵撐恢锰貏e地確定電弧的長(zhǎng)度。典型地，電極組件18和支撐臂36相結(jié)合的重量在從大約2噸到大約50噸的范圍內(nèi)。供電系統(tǒng)14包括第一主變壓器46，其在輸入側(cè)電連接到從電力供應(yīng)(electricalutility)接收的高電壓供應(yīng)，并且在輸出側(cè)提供較低的中間電壓，典型地是在30kV和33kV之間；以及第二爐變壓器48，其在輸入側(cè)電連接到主變壓器46的輸出側(cè)，并在輸出側(cè)提供高電流的、仍然較低的爐電壓，該爐電壓被供應(yīng)給電極組件18,下面將對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。在典型的電弧爐設(shè)施中，主變壓器46將電連接到多個(gè)電弧爐12的多個(gè)爐變壓器48。在此實(shí)施例中，爐變壓器48包括抽頭變換器52,其提供爐變壓器48的抽頭，以提供爐電壓到多個(gè)預(yù)定電壓之一的控制。爐電壓的此控制以及相關(guān)聯(lián)的電流使得電弧爐12能夠以一定范圍的電弧操作，其中每個(gè)電弧需要定義的電f瓜電壓和電流。在此實(shí)施例中，抽頭變換器52包括抽頭54,其可沿著爐變壓器48的輸入側(cè)處的初級(jí)繞組、在多個(gè)抽頭觸點(diǎn)(contact)之間移動(dòng)；以及控制單元56,其在本實(shí)施例中是電動(dòng)單元，用于移動(dòng)抽頭54以例如按照需要在抽頭觸點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換。供電系統(tǒng)還包括三角閉合62，其包括多個(gè)連接器64，在此實(shí)施例中是銅端子板，其電連接到爐變壓器48的輸出側(cè)，并提供到爐電力電纜66的電連接，該爐電力電纜66電連接到電極組件18的母線20。在此實(shí)施例中，變壓器46、48位于拱頂(vault)內(nèi)，以保證清潔、安全的環(huán)境，三角閉合62位于鄰近電弧爐12的拱頂?shù)谋谏稀９╇娤到y(tǒng)還包括控制單元74,用于控制支撐組件26的驅(qū)動(dòng)單元40在爐殼16中垂直定位電才及單元22a到22c的電極30。控制單元74包括至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備76，用于測(cè)量由電弧爐12吸引的電流；以及電壓測(cè)量設(shè)備78,用于測(cè)量在電弧爐12上施加的電壓。在此實(shí)施例中，控制單元74包括第一和第二電流測(cè)量設(shè)備76a和76b,其中第一電流測(cè)量設(shè)備76a測(cè)量爐變壓器48的輸入側(cè)上的電流，第二電流測(cè)量設(shè)備76b測(cè)量爐變壓器48的輸出側(cè)上的電流。在此實(shí)施例中，電壓測(cè)量設(shè)備78測(cè)量爐變壓器48的母線與爐殼16之間的相電壓。控制單元74包括可編程邏輯控制器(PLC)80,其可操作地通過(guò)各個(gè)模-數(shù)(A-D)轉(zhuǎn)換器連接到至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備76和電壓測(cè)量設(shè)備78，并且可操作地通過(guò)D-A轉(zhuǎn)換器連接到支撐組件26的驅(qū)動(dòng)單元40，該各個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器提供代表所測(cè)量的電流和電壓的模擬值的數(shù)字值，該D-A轉(zhuǎn)換器向驅(qū)動(dòng)單元40提供代表對(duì)應(yīng)于所確定的移動(dòng)速率的數(shù)字值的模擬信號(hào)，例如由此使得能夠控制電極單元22a到22c的電極30在爐殼16內(nèi)的位置，并且因而使得能夠控制在電極30之間生成的電弧在爐殼16內(nèi)的位置。在此實(shí)施例中，經(jīng)由閉環(huán)控制算法控制PLC80。通過(guò)保證PLC80的響應(yīng)時(shí)間至少與支撐組件26的機(jī)械響應(yīng)時(shí)間匹配，達(dá)到了對(duì)于電極組件18的高速并且精確的控制，避免了與不希望的諧振相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。在此實(shí)施例中，PLC80利用基于速率因數(shù)r的控制算法，該速率因數(shù)r代表由支撐組件26的支撐臂36的移動(dòng)所表現(xiàn)的電極30的移動(dòng)所需的速率。r=x，(1)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(c/2)(3)其中k是取決于系統(tǒng)的常數(shù)；n是設(shè)定點(diǎn)值；a是由至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備76測(cè)量的電流值；b是爐變壓器48的額定次級(jí)電流值；以及c是PLC80的計(jì)數(shù)范圍。速率因數(shù)r是當(dāng)熔煉礦石粉末以及熔化金屬粉末時(shí)、在操作不同大小(即，450kVA、800kVA、1MVA、2MVA和3MVA)的電弧爐時(shí)收集的實(shí)際數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)相關(guān)性。在此實(shí)施例中，初始的設(shè)定點(diǎn)值n，如下確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(4)其中d是電弧爐12的滿(mǎn)載額定電流。作為示例，對(duì)于降壓變壓器比率d/b為10/250并且其中PLC80的計(jì)數(shù)范圍為4000，則采用方程(4)。/7;=(10/250)*(4000/2)門(mén),-80使用初始的設(shè)定點(diǎn)值m在一開(kāi)始提供電弧爐12的穩(wěn)定操作，在操作期間改變?cè)O(shè)定點(diǎn)值n以補(bǔ)償爐狀況，并且由此提供在電極30之間生成的電弧的優(yōu)化，從而將最優(yōu)的能量輸入到爐殼16中的材料中。在此實(shí)施例中，PLC80可操作地比較從由至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備76和至少一個(gè)電壓測(cè)量設(shè)備78測(cè)量的電壓和電流值確定的輸入到電弧爐12的實(shí)際功率與對(duì)于爐變壓器48的設(shè)定抽頭54理論上應(yīng)當(dāng)達(dá)到的功率，并且將設(shè)定點(diǎn)值n改變?yōu)榇吮容^的函數(shù)。在此實(shí)施例中，取決于系統(tǒng)的常數(shù)k一開(kāi)始與計(jì)算出的值一致，從而在一開(kāi)始提供電弧爐12的穩(wěn)定操作。取決于系統(tǒng)的常數(shù)k如下確定/c-Int((Tm*Et/1000)/100)*100(5)其中Tm是以絕對(duì)溫度表示的所引進(jìn)的材料的熔點(diǎn)(液相線)。Et是按照kWh/每公噸所引進(jìn)的材料的、驅(qū)動(dòng)處理所需的總電能。作為示例，對(duì)于氧化物材料，熔點(diǎn)Tm和總電能Et如下確定。Tm=1189.157+C0X(12.22238+(-0.14321XC。)+(0.030606xC4)+(0.022817xC6)+(-0.54851xC5)+(-0.3636xC7))+C5X((-0.26564xQ;)+(0.209113xC6)+(-1.13507xC7)+(-0,35ilxC4)十(33,49343))+qx(-6.53514+(0.107294xC4)+(-0.35228xC))+C6x((-18.8445+(0.800383xC6》十,C7x38.97819其中c0=%FeOxl00xl.625/CsQ=%Si02XlOO/CsC5-%CaOxlOO/CsC6=%MgOxlOO/CsC7=(%AI203+%Cr203)xlOO/CsCs-%FeOn,625+o/oSiC^+%CaO+%MgO+%A1203+%Cr2Q3Et-(E0+HReact)/3.6/0.85其中Eo是MJ中的能量輸出。HReact是MJ中的反應(yīng)熱，其表示與在處理中發(fā)生的每個(gè)反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的熱力學(xué)熱函改變(AH295K)的總和，其示例為ZnO+C=Zn+CO厶H酉-+237.551kJ細(xì)lCFeO+C=Fe+CO厶H酒=+161.514kJ/molC項(xiàng)3.6是3600kJ的換算因數(shù)，其對(duì)應(yīng)于1000kWh。項(xiàng)0.85表示將電能轉(zhuǎn)換為熱能的效率因數(shù)。能量輸出Eo如下確定Eo=EnGa/Fu+EnSi+EnMet其中Enc^u是與爐廢氣和煙相關(guān)聯(lián)的能量值。EnSI是與爐渣相關(guān)聯(lián)的能量值。EnMet是與熔融的金屬相相關(guān)聯(lián)的能量值。例如，為了熔煉產(chǎn)生具有1345°C的液相線以及957kWh/t的功率需求的爐渣的材料，遵循方程(5)，取決于系統(tǒng)的常數(shù)k如下確定。k=Int(((1345+273)x(957/1000))/100)xl00k=1500在一個(gè)實(shí)施例中，PLC80可操作地在+/-5%的范圍內(nèi)調(diào)整取決于系統(tǒng)的常數(shù)k，從而優(yōu)化功率使用，其中取決于系統(tǒng)的常數(shù)k特別地由爐的大小、被熔化的材料的類(lèi)型、最優(yōu)操作溫度以及爐渣流動(dòng)性影響。然而，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確定取決于系統(tǒng)的常數(shù)k的值通常在大約500和大約3000之間，從而相當(dāng)快地確定取決于系統(tǒng)的常數(shù)k的最優(yōu)值。在此實(shí)施例中，支撐組件26的驅(qū)動(dòng)單元40由^^擬驅(qū)動(dòng)電壓v啟動(dòng)，該模擬驅(qū)動(dòng)電壓v由PLC80的D-A轉(zhuǎn)換器輸出，其中驅(qū)動(dòng)電壓v的比例確定驅(qū)動(dòng)單元40的移動(dòng)速率，PLC80根據(jù)以下的輸出算法可操作地得到控制電壓v。v<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>/(6)其中I是支撐組件26的驅(qū)動(dòng)單元40的比例電壓(voltagescale)。驅(qū)動(dòng)電壓v是正或負(fù)電壓之一，在此實(shí)施例中，正電壓定義垂直向下的移動(dòng)，負(fù)電壓定義垂直向上的移動(dòng)。作為例示，圖2圖示比較傳統(tǒng)電弧爐的輸入功率圖與利用本發(fā)明的控制單元74而達(dá)到的電弧爐12的輸入功率圖的代表圖。這些圖清楚地圖示控制單元74為電弧爐12提供更大的能量輸入的功能。現(xiàn)在將在下面描述在熔煉一批熔融的鋼鐵(被稱(chēng)為"裝爐量(heat)")時(shí)電弧爐系統(tǒng)的操作。其中空的爐殼16首先用通常是大約20千克的少量要被熔煉的材料裝料。然后，操作電弧爐12以熔煉此材料，其導(dǎo)致在爐殼16的筒體(bowl)的底部形成的熔融產(chǎn)物的小熔潭(puddle)。此后，更多的材料被給送(feed)到爐殼16的筒體中熔融產(chǎn)物的熔潭中，其中通過(guò)為被給送到爐殼16中的給送材料供應(yīng)能量來(lái)實(shí)現(xiàn)熔煉。在此實(shí)施例中，使用給料器將給送材料連續(xù)地給送到爐殼16中，其中給料器的給料速率與由電極30供應(yīng)的電能相匹配。在優(yōu)選實(shí)施例中，給料器是振動(dòng)給料器或者帶給料器。這樣，熔融產(chǎn)物的小熔潭擴(kuò)大(develop)成為熔融產(chǎn)物的大熔池，其裝滿(mǎn)爐殼16的筒體。雖然驅(qū)動(dòng)各種反應(yīng)以及產(chǎn)生各種氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物所需的能量可以是電能或者化學(xué)能(其中化學(xué)能由至少一種成分供應(yīng)，例如包括部分給送材料的金屬硅)，但是經(jīng)由電極30提供的電能通常是熔煉操作中能量的最大來(lái)源。在此處理中，降低電極組件18，使得電極單元22a-22c的電極30觸擊(strike)給送材料上的電弧，其開(kāi)始熔化循環(huán)，其中電極組件18的垂直位置、以及因而爐殼16內(nèi)的電極30的垂直位置由控制單元74以上面定義的方式控制，以便優(yōu)化電弧爐12的操作。在這樣的智能控制下，調(diào)節(jié)次級(jí)電流、電弧長(zhǎng)度以及能量輸入。通過(guò)以此方式控制電極30的垂直位置，電極消耗、耐熔磨損、閃爍以及總能量成本都被減少，同時(shí)，還同時(shí)增加爐產(chǎn)率和三角閉合壽命。一開(kāi)始，設(shè)置供電系統(tǒng)的抽頭變換器52，使得抽頭56位于中間電壓抽頭觸點(diǎn)，但是在短時(shí)間(典型地是幾分鐘)之后，電極30充分穿透進(jìn)料材料，從而允許設(shè)置供電系統(tǒng)的抽頭變換器52使得將抽頭56設(shè)置到高電壓抽頭觸點(diǎn)，也被稱(chēng)為長(zhǎng)電弧抽頭。長(zhǎng)電弧使傳送到進(jìn)料材料的功率最大化，熔融產(chǎn)物的熔池在爐殼16中擴(kuò)大。設(shè)置供電系統(tǒng)的抽頭變換器52使得將抽頭56—開(kāi)始被設(shè)置到高電壓抽頭觸點(diǎn)，可以導(dǎo)致對(duì)于爐殼16的輻射損傷。在熔化的開(kāi)始，電弧是不規(guī)律且不穩(wěn)定的，其中觀察到電流的寬擺動(dòng)(wideswing)并伴隨有電極30的快速移動(dòng)。隨著爐內(nèi)空氣溫度的升高，電弧穩(wěn)定，并且一旦形成熔池，電弧就變得非常穩(wěn)定，并且平均功率輸入增加。由于下落的進(jìn)料材料與熔融產(chǎn)物的表面接觸，因此由電弧生成的熱導(dǎo)致進(jìn)料材料被轉(zhuǎn)換為至少三種產(chǎn)物可以含有一氧化碳和低熔點(diǎn)元素(例如鋅和磷)的氣體、金屬相、以及含有硅石和氧化鈣作為其主要成分并且位于金屬相之上的熔融爐渣相。在進(jìn)料材料包括硫化物時(shí)，進(jìn)料材料被轉(zhuǎn)換為其它的熔融產(chǎn)物，其被稱(chēng)為4t(matte)，夾在金屬相和爐渣相之間。當(dāng)爐殼16的筒體充滿(mǎn)時(shí)，停止將進(jìn)料材料給送到爐殼16中，并且升高電極組件18，使得從爐殼16中移除電極單元22a-22c的電極30。然后，通過(guò)傾斜爐殼16的筒體來(lái)從爐殼16中移除爐渣相，使得將爐渣相傾倒到鋼包(ladle)中。當(dāng)爐殼16的筒體還包括由使用硫化物生成的锍相時(shí)，將锍相傾倒到單獨(dú)的鋼包中。隨著爐渣相和任意^U目的移除，爐殼16然后返回到垂直的位置，并且該過(guò)程由另外的進(jìn)料材料的引入而重復(fù)。在重復(fù)地(典型地是多至八個(gè)循環(huán))對(duì)爐殼16的筒體裝料并且移除生成的爐渣相和任意锍相后，爐殼16的筒體變得充滿(mǎn)期望的金屬相。然后，使熔融金屬相從爐殼16流出(tap)以?xún)A倒到鋼包中。此熔融金屬相的流出是通過(guò)將爐桶從垂直位置傾斜剛剛過(guò)90度的角度而達(dá)到的。隨著熔融金屬相的流出，將爐殼16傾斜回到其垂直位置，以用于對(duì)材料的新的裝料。在此時(shí)間段期間，檢查電極30和爐殼16的耐熔損傷，如果必要，做出修補(bǔ)。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)例如鉻鐵、錳鐵以及鐵釩合金的金屬粉末構(gòu)成進(jìn)料材料時(shí)，產(chǎn)生的熔融金屬相被精煉，使得例如鋅、磷、硫磺、鉛、硅和碳的某些元素、以及例如氧的溶解氣體充分地從產(chǎn)生的熔融金屬相中被移除。示例現(xiàn)在將參照下面的非限制性的示例作為示例描述本發(fā)明。在此示例中，電弧爐12是2.5MVA的爐，其滿(mǎn)載額定電壓為207V，滿(mǎn)載額定電流為7200A，該電弧爐12被用于熔煉含有38wt%Cr203的鉻鐵礦砂以及碳化硅粉末的混合物。在此示例中，爐變壓器24的額定二次電流值為7500A，PLC80的計(jì)數(shù)范圍為4000。遵循方程(4)，初始的設(shè)定點(diǎn)值如下確定。n,=(7200〃500)*(4000/2)〃,=!1920.其中驅(qū)動(dòng)熔煉操作所需的總電能Et是1225kWh/t的Cr203,爐渣的液相線Tm是1415。C，然后，遵循方程(5),取決于系統(tǒng)的因數(shù)k如下確定。/c=Int(((1415+273)*(1225/1000))/100)*100k=2000對(duì)于取決于系統(tǒng)的因數(shù)k為2000,根據(jù)方程(1)確定速率因數(shù)r。圖3圖示速率因數(shù)r作為電流的測(cè)量值的函數(shù)的圖。遵循方程(6)并且對(duì)于電壓比例因數(shù)I為10,PLC80可操作地提供從0到+10伏或者從0到-10伏的范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電壓v,其在此示例中是驅(qū)動(dòng)支撐，表1圖示了電流的測(cè)量值的一個(gè)范圍內(nèi)的一組參數(shù)，其包括由PLC80確定的電流p的代表值、設(shè)定點(diǎn)值n與電流p的代表值之間的偏差x、速率因數(shù)r、對(duì)應(yīng)于速率因數(shù)r的驅(qū)動(dòng)電壓v、以及對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)電壓v的移動(dòng)速度<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>表1最后，將理解已經(jīng)以本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，并且在不偏離由所附的權(quán)利他要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下可以以許多不同的方式對(duì)本發(fā)明做出修改。權(quán)利要求1.一種控制系統(tǒng)，用于控制電弧爐的至少一個(gè)電極的垂直位置，其中該電弧爐包括爐變壓器，其具有初級(jí)輸入側(cè)和電連接到該至少一個(gè)電極的次級(jí)輸出側(cè)，該控制系統(tǒng)包括至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量由該電弧爐吸引的電流；電壓測(cè)量i殳備，用于測(cè)量在該電弧爐上施加的電壓；以及控制單元，用于基于電流和電壓的測(cè)量值動(dòng)態(tài)地確定所述至少一個(gè)電極的垂直位置的設(shè)定點(diǎn)，并且提供致動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)升高裝置以調(diào)整所述至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。2.如權(quán)利要求I所述的控制系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備可操作用于測(cè)量該爐變壓器的輸入側(cè)和輸出側(cè)之一或兩者之上的電流。3.如權(quán)利要求2所述的控制系統(tǒng)，其中該至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備包括第一電流測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量該爐變壓器的輸入側(cè)上的電流；以及第二電流測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量該爐變壓器的輸出側(cè)上的電流。4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中該電壓測(cè)量設(shè)備可操作用于測(cè)量該爐變壓器的母線與爐底之間的電壓。5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中該控制單元包括處理器，用于運(yùn)行控制算法以動(dòng)態(tài)地確定速率因數(shù)r,其中r-xVk，x是設(shè)定點(diǎn)值的偏差，k是取決于系統(tǒng)的常數(shù)，并且該處理器用于基于動(dòng)態(tài)確定的速率因數(shù)r提供致動(dòng)輸出。6.如權(quán)利要求5所述的控制系統(tǒng)，其中x-n-p并且p-(a/b)Mc/2)，其中n是設(shè)定點(diǎn)值，a是由所述至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備測(cè)量的電流值，b是所述爐變壓器的額定次級(jí)電流值，以及c是所述處理器的計(jì)數(shù)范圍。7.如權(quán)利要求5或6所述的控制系統(tǒng)，其中k=Int((Tm*Et/1000)/100)*100,其中Tm是以絕對(duì)溫度表示的爐渣的熔點(diǎn)(液相線)，Et是按照kWh/每公噸裝料材料的、驅(qū)動(dòng)該電弧爐所需的總電能。8.如權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)，其中該處理器可操作用于提供驅(qū)動(dòng)電壓v作為用于驅(qū)動(dòng)升高裝置的致動(dòng)輸出。9.如權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其中v=(r/k)*(ABS(x)/x)*I，其中I是升高裝置的驅(qū)動(dòng)單元的比例電壓。10.如權(quán)利要求9所述的控制系統(tǒng)，其中該處理器是可編程邏輯控制器(PLC)。11.一種電弧爐，包括如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的控制系統(tǒng)。12.如權(quán)利要求11所述的電弧爐，其中將該電弧爐用于熔煉例如礦石粉末的材料，或者熔化例如金屬粉末的材料。13.—種控制電弧爐的至少一個(gè)電極的垂直位置的方法，其中該電弧爐包括爐變壓器，該爐變壓器具有初級(jí)輸入側(cè)和電連接到該至少一個(gè)電極的次級(jí)輸出側(cè)，該方法包括以下步驟測(cè)量由該電弧爐吸引的至少一個(gè)電流；測(cè)量在該電弧爐上施加的電壓；基于電流和電壓的測(cè)量值動(dòng)態(tài)地確定該至少一個(gè)電極的垂直位置的設(shè)定點(diǎn)；以及提供致動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)升高裝置以調(diào)整該至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中電流測(cè)量步驟包括以下步驟測(cè)量該爐變壓器的輸入側(cè)和輸出側(cè)之一或兩者之上的電流。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中電流測(cè)量步驟包括以下步驟測(cè)量該爐變壓器的輸入側(cè)上的電流；以及測(cè)量該爐變壓器的輸出側(cè)上的電流。16.如權(quán)利要求13至15中的任一項(xiàng)所述的方法，其中電壓測(cè)量步驟包括以下步驟測(cè)量爐變壓器的母線與爐底之間的電壓。17.如權(quán)利要求13至16中的任一項(xiàng)所述的方法，其中設(shè)定點(diǎn)確定步驟包括以下步驟動(dòng)態(tài)地確定速率因數(shù)r，其中r二xVk,x是設(shè)定點(diǎn)值的偏差，k是取決于系統(tǒng)的常數(shù)；并且致動(dòng)輸出提供步驟包括以下步驟基于動(dòng)態(tài)確定的速率因數(shù)r提供致動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)升高裝置以調(diào)整所述至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中x二n-p并且p二(a/b;r(c/2)，其中n是設(shè)定點(diǎn)值，a是由該至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備測(cè)量的電流值，b是該爐變壓器的額定次級(jí)電流值，以及C是該處理器的計(jì)數(shù)范圍。19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其中k=Int((Tm*Et/1000)/l00)*100，其中Tm是以絕對(duì)溫度表示的爐渣的熔點(diǎn)(液相線)，Et是按照kWh/每公噸裝料材料的、驅(qū)動(dòng)該電弧爐所需的總電能。20.如權(quán)利要求17至19中的任一項(xiàng)所述的方法，其中致動(dòng)輸出提供步驟包括以下步驟提供驅(qū)動(dòng)電壓v作為用于驅(qū)動(dòng)升高裝置的致動(dòng)輸出，以調(diào)整至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中v=(r/k)*(ABS(x)/x)*I,其中I是升高裝置的驅(qū)動(dòng)單元的比例電壓。22.如權(quán)利要求13至21中的任一項(xiàng)所述的方法，其中將該方法用于熔煉例如礦石粉末的材料，或者熔化例如金屬粉末的材料。全文摘要一種控制系統(tǒng)和方法，用于控制電弧爐的至少一個(gè)電極的垂直位置，其中該電弧爐包括爐變壓器，其具有初級(jí)輸入側(cè)和電連接到該至少一個(gè)電極的次級(jí)輸出側(cè)，該控制系統(tǒng)包括至少一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量由該電弧爐吸引的電流；電壓測(cè)量設(shè)備，用于測(cè)量在該電弧爐上施加的電壓；以及控制單元，用于基于電流和電壓的測(cè)量值動(dòng)態(tài)地確定該至少一個(gè)電極的垂直位置的設(shè)定點(diǎn)，并且提供致動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)升高裝置以調(diào)整該至少一個(gè)電極的垂直位置，從而跟隨動(dòng)態(tài)確定的設(shè)定點(diǎn)。文檔編號(hào)H05B7/148GK101313189SQ200680043369公開(kāi)日2008年11月26日申請(qǐng)日期2006年9月12日優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日發(fā)明者凱文·P·D·佩里,塞厄尼斯·J·維穆倫申請(qǐng)人:先進(jìn)礦物回收技術(shù)有限公司