一种防止中间包钢水增碳的方法和系统与流程

1.本发明涉及连铸设备及工艺技术领域，特别涉及一种防止中间包钢水增碳的方法和系统。


背景技术：

2.中间包是炼钢中用到的一个耐火材料容器，首先接受从钢包浇下来的钢水，然后再由中间包水口分配到各个结晶器中去，在炼钢的过程中，需要对中间包中的钢水进行保温处理以保证钢水的流动性。
3.相关技术中，采用石墨作为电极，通过石墨电极释放电弧加热中间包中的钢水，但在加热过程中，由于石墨电极距离钢水液面较近，石墨中的碳元素容易跟随电弧进入钢水中，造成钢水中碳含量增加；此外，当钢水液面发生变化时，液面与石墨电极接触，也会造成钢水中碳含量增加，钢水中碳含量增加会降低制得的钢的韧性。
4.例如，公开号cn113714495a的专利公开了一种连铸中间包直流等离子电弧加热控制方法，该方法是通过采用恒压模式来动态调节电极高度，具体地：在开浇阶段的起弧后，提升阴电极同时控制电源的输出电压逐步上升达到设定电压范围以使电弧的弧长达到设定弧长，弧长和电源的输出电压成正比并按照设定比例值进行调节；该专利设置了一个偏差范围，使调整电极后弧长在设定弧长的偏差范围之内，电极距离钢水液面较近，盲目调整弧长可能会使电极与液面过近，导致钢水增碳。
5.因此，目前急需提供一种防止中间包钢水增碳的方法和系统来解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种防止中间包钢水增碳的方法和系统，能够防止中间包钢水增碳。
7.第一方面，本发明实施例提供一种防止中间包钢水增碳的方法，该方法包括：向中间包的钢水中加入造渣剂，得到位于所述钢水液面上方的钢渣；将石墨电极与所述钢渣接触，并控制所述石墨电极产生电弧；将所述石墨电极升高至距离所述钢渣为预设距离的位置；采集中间包中钢水的初始液面高度和中间包中钢水的重量；根据所述初始液面高度、所述中间包的内腔尺寸和所述中间包中钢水的重量，计算所述中间包的液面高度；根据所述中间包的液面高度移动所述石墨电极，使所述石墨电极的下端点和所述钢渣之间的距离始终保持为所述预设距离。
8.优选地，在所述向中间包的钢水中加入造渣剂的步骤之后，在所述将石墨电极与所述钢渣接触的步骤之前，还包括：在所述中间包的底部通入氩气，所述氩气的用量为40l/min。
9.优选地，所述石墨电极为中空结构的抗氧化石墨电极，所述中空结构用于将氩气
通入到所述石墨电极中，通入所述石墨电极的氩气的流速为50~200l/min。
10.优选地，所述采集中间包中钢水的初始液面高度，包括：控制所述石墨电极移动，当所述石墨电极的下端点与所述中间包的包口位于同一平面时，采集所述石墨电极的第一位置信息；控制所述石墨电极移动，当所述石墨电极的下端点与所述钢渣接触时，采集所述石墨电极的第二位置信息；根据所述第一位置信息、所述第二位置信息、所述钢渣的厚度和所述中间包的包口到底部之间的距离计算所述初始液面高度。
11.优选地，所述采集所述石墨电极的第二位置信息，包括：为所述石墨电极通电，测量所述石墨电极与所述钢渣之间的电压，当所述电压为0时，采集所述石墨电极的第二位置信息。
12.优选地，所述根据所述初始液面高度、所述中间包的内腔尺寸和所述中间包中钢水的重量计算所述中间包的液面高度，包括：采集钢水液面处于所述初始液面高度时的初始钢水重量，根据所述初始液面高度、初始钢水重量和所述中间包的内腔尺寸，建立所述中间包中钢水的重量与液面高度的关系式；采集所述中间包中钢水的重量，根据所述钢水的重量和所述关系式，计算所述钢水的液面高度。
13.优选地，所述根据所述初始液面高度、初始钢水重量和所述中间包的内腔尺寸，建立所述中间包中钢水的重量与液面高度的关系式，包括：根据所述中间包的内腔尺寸，建立所述钢水的体积与液面高度的第一方程式，根据所述第一方程式、所述初始液面高度和初始钢水重量计算初始钢水体积；建立所述钢水的体积与重量的第二方程式，根据所述初始钢水重量和所述初始钢水体积计算所述钢水的密度；根据所述第一方程式和所述第二方程式，确定所述中间包中钢水的重量与液面高度的关系式。
14.优选地，所述第一方程式为：其中，为所述钢水的体积，h为所述钢水的液面高度，为所述中间包的内腔的底部长度，为所述中间包的内腔的底部宽度，为所述中间包的内腔长度方向上的包壁倾角，为所述中间包的内腔宽度方向上的包壁倾角。优选地，所述中间包中钢水的重量与液面高度的关系式为：其中，m为所述中间包中钢水的重量，为所述钢水的密度，h为所述钢水的液面高度，为所述中间包的内腔的底部长度，为所述中间包的内腔的底部宽度，为所述中
间包的内腔长度方向上的包壁倾角，为所述中间包的内腔宽度方向上的包壁倾角。优选地，所述根据所述中间包的液面高度移动所述石墨电极，包括：确定所述石墨电极的消耗量，根据所述中间包的液面高度和所述石墨电极的消耗量移动所述石墨电极。
15.优选地，所述确定所述石墨电极的消耗量，包括：根据所述石墨电极的材质、所述石墨电极的直径和所述石墨电极的工作电流制定对应的消耗速度关系数据库；根据当前所述石墨电极的材质、直径和工作电流，以及所述消耗速度关系数据库确定当前石墨电极的消耗速度。
16.第二方面，本发明实施例提供了一种防止中间包钢水增碳的系统，包括：中间包，用于盛装钢水；石墨电极，设置于所述中间包的上方，用于电离等离子气体，以给所述钢水加热；大功率多脉波可控整流单元，与所述石墨电极连接，用于给所述石墨电极供电；机器人组件，连接所述石墨电极，用于带动所述石墨电极移动；电压传感器，设置在所述石墨电极与所述钢水之间，用于实时采集所述石墨电极与所述钢水之间的电压；温度传感器，用于实时采集所述钢水的温度；光电传感器，设置在所述中间包的包口，用于检测所述石墨电极的下端点是否与所述包口位于同一平面；称重装置，设置在所述中间包与中间包车支撑座的底部，用于实时对所述钢水称重；控制装置，分别连接所述大功率多脉波可控整流单元、所述机器人组件、所述电压传感器、所述温度传感器、所述光电传感器和所述称重装置，用于实现如上述第一方面中任一项所述的防止中间包钢水增碳的方法。
17.本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：在本发明中，先在中间包中加入造渣剂，造渣剂和钢水中的碳反应，能够去除随着电弧进入钢水内的碳。然后通过保持石墨电极下端点与钢渣之间距离为预设距离不变，使石墨电极不与钢水接触的，同时又能保证电弧对钢水的加热效果。当中间包中的钢水发生液面变化时，实时调整石墨电极移动，以使石墨电极下端点与钢渣之间距离始终保持预设距离不变。根据中间包的内腔尺寸、初始液面高度和中间包的重量来实时计算中间包的液面高度，令石墨电极实时跟随中间包的液面高度变化而变化，以使石墨电极下端点与钢渣之间的距离始终保持预设距离不变。
18.在本发明中，通过钢水重量变化来计算液面变化的方法，能够精准灵敏地测试液面发生的高度变化，检测到液面变化的同时，即时调整石墨电极的高度，能够将石墨电极下端点与钢渣之间距离精准地保持预设距离不变。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明
的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明实施例提供的一种防止中间包钢水增碳的方法的流程图；图2是本发明实施例提供的一种中间包结构的正视图；图3是本发明实施例提供的一种中间包结构的侧视图。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
24.如图1所示，本发明实施例提供一种防止中间包钢水增碳的方法，该方法包括：s1:向中间包的钢水中加入造渣剂，得到位于钢水液面上方的钢渣；s2:将石墨电极与钢渣接触，并控制石墨电极产生电弧；s3:将石墨电极升高至距离钢渣为预设距离的位置；s4:采集中间包中钢水的初始液面高度和中间包中钢水的重量；s5:根据初始液面高度、中间包的内腔尺寸和中间包中钢水的重量，计算中间包的液面高度；s6:根据中间包的液面高度移动石墨电极，使石墨电极的下端点和钢渣之间的距离始终保持为预设距离。
25.在本发明中，先在中间包中加入造渣剂，造渣剂和钢水中的碳反应，能够去除随着电弧进入钢水内的碳。然后通过保持石墨电极下端点与钢渣之间距离为预设距离不变，使石墨电极不与钢水接触的，同时又能保证电弧对钢水的加热效果。当中间包中的钢水发生液面变化时，实时调整石墨电极移动，以使石墨电极下端点与钢渣之间距离始终保持预设距离不变。根据中间包的内腔尺寸、初始液面高度和中间包的重量来实时计算中间包的液面高度，令石墨电极实时跟随中间包的液面高度变化而变化，以使石墨电极下端点与钢渣之间的距离始终保持预设距离不变。
26.在本发明中，通过钢水重量变化来计算液面变化的方法，能够精准灵敏地测试液
面发生的高度变化，检测到液面变化的同时，即时调整石墨电极的高度，能够将石墨电极下端点与钢渣之间距离精准地保持预设距离不变。
27.相关技术中，例如，公开号cn113714495a的专利公开了一种连铸中间包直流等离子电弧加热控制方法，该方法是通过采用恒压模式来动态调节电极高度，具体地：在开浇阶段的起弧后，提升阴电极同时控制电源的输出电压逐步上升达到设定电压范围以使电弧的弧长达到设定弧长，弧长和电源的输出电压成正比并按照设定比例值进行调节；该专利设置了一个偏差范围，使调整电极后弧长在设定弧长的偏差范围之内，是为了防止由于盲目调整造成弧长变化太大，反而造成等离子加热电弧的不稳定，影响加热效果。因此，本发明提供的根据液面变化来调整石墨电极位置的方法，位置调整更加精准，加热效率更高，整个加热过程更加温度，不会因为电路、弧长等不稳定因素影响产生误差，不会使石墨电极和钢水接触或使二者距离过远。
28.根据一些优选的实施方式，在向中间包的钢水中加入造渣剂的步骤之后，在将石墨电极与钢渣接触的步骤之前，还包括：在中间包的底部通入氩气，氩气的用量为40l/min。
29.在本发明中，中间包的底部设置有供气装置，开启供气装置输出氩气，氩气用量为40l/min，利于中间包钢水中的夹杂物上浮，中间包中的夹杂物包括造渣剂和钢水中的碳反应生成的反应物，通过底部通入氩气，使内部钢水被氩气搅拌，更有利于造渣剂和钢水中的碳反应，析出杂质，进而实现除碳的目的。
30.根据一些优选的实施方式，石墨电极为中空结构的抗氧化石墨电极，中空结构用于将氩气通入到石墨电极中，通入石墨电极的氩气的流速为50~200l/min。
31.在本发明中，选择抗氧化性能更高的石墨作为电极，在石墨电极的生产过程中要做抗氧化浸渍处理，以提高电极的抗氧化性能，降低石墨电极在加热过程中的氧化消耗量。
32.在本发明中，石墨电极为中空结构，利用中空结构将氩气通入到石墨电极中，氩气能够保护高温状态下的石墨电极不被氧化，进而防止碳元素进入钢水中。通入石墨电极中的氩气的流速为50~200l/min，其中，弧长越短，通入氩气量越多（起弧时氩气使用量是正常工作时的3倍以上），以使电极受到更好的氩气保护，减少氧化消耗量，当弧长达到60mm以上时，氩气量回归正常值。
33.根据一些优选的实施方式，采集中间包中钢水的初始液面高度，包括：控制石墨电极移动，当石墨电极的下端点与中间包的包口位于同一平面时，采集石墨电极的第一位置信息；控制石墨电极移动，当石墨电极的下端点与钢渣接触时，采集石墨电极的第二位置信息；根据第一位置信息、第二位置信息、钢渣的厚度和中间包的包口到底部之间的距离计算初始液面高度。
34.在本发明中，石墨电极位于钢渣上方，控制石墨电极下降，当石墨电极的下端点与中间包的包口齐平时，采集石墨电极的第一位置信息a，控制石墨电极继续下降，当石墨电极的下端点与钢渣接触时，采集第二位置信息b，根据第一位置信息、第二位置信息、钢渣的厚度h1和中间包的包口到底部之间的距离h2，计算初始液面高度h0，计算公式为h0=h2-(a-b)-h1
其中，a-b为钢渣到包口之间的距离。
35.需要说明的是，可以通过光电传感器来采集第一位置信息，可以通过钢渣标尺来测量钢渣的厚度，光电传感器和钢渣标尺均为现有技术，在此不对其进行赘述。
36.根据一些优选的实施方式，采集石墨电极的第二位置信息，包括：为石墨电极通电，测量石墨电极与钢渣之间的电压，当电压为0时，采集石墨电极的第二位置信息。
37.在本发明中，利用电压传感器通过测量石墨电极和钢渣之间的电压来采集第二位置信息。通电后，在石墨电极未接触钢渣时，石墨电极未形成通路，电压传感器和石墨电极并联，采集到的电压值为电源电压；控制石墨电极下降，当石墨电极和钢渣接触时，形成通路，电压传感器测量的是石墨电极和钢渣之间的电压，由于形成通路，电极和钢渣都是导体，因此，电压值为0，此时，采集石墨电极的第二位置信息。
38.根据一些优选的实施方式，根据初始液面高度、中间包的内腔尺寸和中间包中钢水的重量计算中间包的液面高度，包括：采集钢水液面处于初始液面高度时的初始钢水重量，根据初始液面高度、初始钢水重量和中间包的内腔尺寸，建立中间包中钢水的重量与液面高度的关系式；采集中间包中钢水的重量，根据钢水的重量和关系式，计算钢水的液面高度。
39.在本发明中，随着钢水进出中间包，钢水的液面高度会发生变化，通过实时计算钢水液面的高度，实时调整石墨电极的位置，使石墨电极和钢渣之间保持预设距离不变。通过采集初始钢水重量，根据初始液面高度、初始钢水重量和中间包的内腔尺寸来建立钢水重量和液面高度的关系式，通过该关系式，能够在采集到钢水的重量后直接得出钢水的液面高度，进而根据实时液面高度调整石墨电极，使石墨电极的下端点和钢渣之间的距离不变。
40.根据一些优选的实施方式，根据初始液面高度、初始钢水重量和中间包的内腔尺寸，建立中间包中钢水的重量与液面高度的关系式，包括：如图2-3所示，根据中间包的内腔尺寸，建立钢水的体积与液面高度的第一方程式，根据第一方程式、初始液面高度和初始钢水重量计算初始钢水体积；建立钢水的体积与重量的第二方程式，根据初始钢水重量和初始钢水体积计算钢水的密度；根据第一方程式和第二方程式，确定中间包中钢水的重量与液面高度的关系式。
41.在本发明中，根据中间包的内腔尺寸，建立第一方程式：其中，为所述钢水的体积，h为所述钢水的液面高度，为所述中间包的内腔的底部长度，为所述中间包的内腔的底部宽度，为所述中间包的内腔长度方向上的包壁倾角，为所述中间包的内腔宽度方向上的包壁倾角；在钢水的体积与液位高度的第一方程式中，均为已知量，其中，可以通过如下公式计算出来：
将初始液面高度代入第一方程式中，计算出初始钢水体积；建立第二方程式：其中，为钢水的体积，m为中间包中钢水的重量，为钢水的密度。
42.将通过称重装置采集的初始钢水重量和初始钢水体积代入第二方程式，得出钢水密度。
43.需要说明的是，钢水的密度也可以通过其他方式获得，若通过第一方程式计算出的钢水的密度与其他方式获得的钢水的密度一致，则能够证明称重装置能够精确的采集钢水的重量信息，称重装置正常工作无异常，能够用于后续通过钢水的重量采集液面高度的步骤。
44.然后，根据第一方程式和第二方程式，就可以确定中间包中钢水的重量与液位高度的关系式。
45.在本发明实施例中，中间包中钢水的重量与液位高度的关系式为：其中，m为中间包中钢水的重量，为钢水的密度，h为钢水的液位高度，为中间包内部的底部长度，为中间包内部的底部宽度，为中间包内部长度方向上的包壁倾角，为中间包内部宽度方向上的包壁倾角。
46.在钢水的重量与液位高度的关系式中，、均为已知量，那么就形成中间包中钢水的重量m与液位高度h的关系式。
47.需要说明的是，还可以通过其他方式获得钢水的液位高度，例如可以通过将激光或者微波投射到中间包钢水中，利用发射入射光与接收反射光之间的时间差，计算出钢水的液位。
48.根据一些优选的实施方式，根据中间包的液面高度移动石墨电极，包括：确定石墨电极的消耗量，根据中间包的液面高度和石墨电极的消耗量移动石墨电极。
49.在本发明中，不光要考虑钢水液位高度的变化，还要考虑石墨电极的消耗。由于石墨电极在使用时，会产生电极的消耗，电极下端的消耗，势必会引起石墨电极下端点与钢水液面的距离变化，为了使石墨电极和钢水液面的距离恒定不变，需要提前确定石墨电极的消耗速度。
50.根据一些优选的实施方式，确定石墨电极的消耗量，包括：
根据石墨电极的材质、石墨电极的直径和石墨电极的工作电流制定对应的消耗速度关系数据库；根据当前石墨电极的材质、直径和工作电流，以及消耗速度关系数据库确定当前石墨电极的消耗速度。
51.在本发明实施例中，需要预先针对不同材质、不同直径和不同工作电流下的石墨电极的消耗速度制定关系数据库，包括：通过实验来制定，例如使用不同直径的石墨电极，在不同工作电流下对钢水进行加热，记录其在设定时间中，石墨电极在加热前长度与加热后长度的变化，计算出该石墨电极在不同直径和不同工作电流的消耗速度。为了防止偶然性，可以通过改变设定时间，多次测试，取平均值。
52.在本发明中，得到钢水的重量和钢水的液面高度的关系式后，根据实时液面高度和石墨电极的加热消耗长度控制石墨电极移动。
53.具体地，根据石墨电极的消耗速度，实时计算加热过程中石墨电极的消耗长度，包括：获取石墨电极的消耗速度；根据石墨电极的消耗速度，确定调整间隔；计算在调整间隔内石墨电极的消耗长度。
54.举例来说，确定的石墨电极的消耗速度为v，即单位时间内石墨电极的消耗长度，若加热时间段为t，那么在该时间段内石墨电极的消耗长度为vt。
55.需要说明的是，调整间隔即加热时间段需要根据石墨电极的消耗速度来定，若石墨电极的消耗速度比较快，那么调整间隔需要确定的比较小；若石墨电极的消耗速度比较慢，那么调整间隔可以比较大。确定好调整间隔后，计算在调整间隔内石墨电极的消耗长度。
56.最后，根据液位高度的变化以及石墨电极的消耗长度，实时调整石墨电极的高度，以使石墨电极与钢水的液面保持恒定距离，直至完成加热。
57.本发明实施例还提供了一种防止中间包钢水增碳的系统，包括：中间包，用于盛装钢水；石墨电极，设置于中间包的上方，用于电离等离子气体，以给钢水加热；大功率多脉波可控整流单元，与石墨电极连接，用于给石墨电极供电；机器人组件，连接石墨电极，用于带动石墨电极移动；电压传感器，设置在石墨电极与钢水之间，用于实时采集石墨电极与钢水之间的电压；温度传感器，用于实时采集钢水的温度；光电传感器，设置在中间包的包口，用于检测石墨电极的下端点是否与包口位于同一平面；称重装置，设置在中间包与中间包车支撑座的底部，用于实时对钢水称重；控制装置，分别连接大功率多脉波可控整流单元、机器人组件、电压传感器、温度传感器、光电传感器和称重装置，用于实现如上述任一项所述的防止中间包钢水增碳的方法。
58.在本发明中，利用大功率多脉波可控整流单元释放电弧位钢水加热，通过电压传感器、温度传感器、光电传感器和称重装置计算钢水的实时液面高度，控制机器人组件带动
石墨电极，使石墨电极的下端点和钢渣之间的距离保持预设距离不变。
59.在本发明中，大功率多脉波可控整流单元的电流电压采用双闭环控制方式，电流的响应速度优于电压的响应速度，如此设置，当石墨电极的阴极和阳极与钢渣接触形成通路后，电流优先响应，控制电流稳定，防止电路因为短路导致电流暴增，保护电路安全。
60.在本发明中，电压闭环通过调整电极的升降系统进行调节，在工作范围内，电极升高，电压升高，电极下降，电压下降，电压越高电弧越长，电压越低电弧越短。
61.在本发明中，起弧后使每个电极都保持不低于60v的弧电压，以使石墨电极在预设距离下，能够产生高能的等离子电弧。
62.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。