中间包钢水液位的测量方法、装置及测量系统与流程

1.本发明实施例涉及钢铁冶金技术领域，特别涉及一种中间包钢水液位的测量方法、装置及测量系统。


背景技术：

2.在钢铁生产的连铸过程中，控制中间包内钢水液位稳定可以提高钢坯产品质量、延长中间包寿命、减少浇铸过程中的卷渣量。因此，精准测量中间包钢水液位具有重要意义。
3.然而，在中间包等离子加热过程中，中间包钢水液位一般通过称重法或者激光法来获得，但是由于中间包包衬材料不断侵蚀以及保护渣的存在，传统的称重法无法精确获得钢水液位信息。而且由于钢水中的保护渣厚度分布不均匀，使用激光或者微波投射到中间包钢水中，通过发射入射光与接收反射光之间的时间差，来计算钢水液位的方法的准确度也难以得到保证。
4.因此，现有的中间包钢水液位的测量方法，并不能准确地获得钢水液位，故而亟需一种新的中间包钢水液位的测量方法。


技术实现要素：

5.基于现有的中间包钢水液位的测量方法，并不能准确地获得钢水液位的问题，本发明实施例提供了一种中间包钢水液位的测量方法、装置及测量系统，能够精确地计算出中间包中钢水的液位。
6.本发明实施例提供了一种中间包钢水液位的测量方法，包括：确定等离子电极到中间包中钢水液面的目标距离以及等离子电极的消耗速度；响应于接收到对中间包中的钢水进行加热的控制指令，控制机械臂带动等离子电极的底端移动至位于钢水的液面上方的目标位置；其中，目标位置到钢水的液面的距离为目标距离；在对钢水加热的过程中，控制机械臂移动，以使等离子电极对钢水进行加热；根据等离子电极与钢水之间的实时电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的消耗速度，实时确定钢水的第一液位高度；其中，当等离子电极的底端首次经过中间包的包口时，初始位置为此时机械臂所处的位置。
7.优选的，还包括：响应于接收到对中间包中的钢水进行加热的控制指令，控制等离子电极产生加热电弧；控制机械臂带动等离子电极的底端移动至位于钢水的液面上方的目标位置，包括：控制机械臂带动等离子电极从钢水的液面上方向下移动；当等离子电极与钢水之间的电压为零时，确定等离子电极的底端接触到钢水，并控制机械臂停止下降；
控制机械臂上升至目标位置。
8.优选的，在控制机械臂带动等离子电极的底端移动至位于钢水的液面上方的目标位置之后和在对钢水加热的过程中，控制机械臂移动之前，还包括：根据等离子电极与钢水之间的电压为零时机械臂的位置与初始位置的高度差、中间包的包口到包底的高度，确定钢水的初始液位高度。
9.优选的，控制机械臂移动，包括：在等离子电极的底端位于目标位置时，将等离子电极与钢水之间的电压确定为目标电压；根据等离子电极与钢水之间的电压变化，控制机械臂带动等离子电极移动，以使等离子电极与钢水之间的电压保持目标电压。
10.优选的，控制机械臂移动，包括：根据中间包中钢水的重量，实时计算钢水的第二液位高度；根据等离子电极的消耗速度，确定设定时间间隔内等离子电极的第二消耗长度；根据第二液位高度的变化以及等离子电极的第二消耗长度，实时调整等离子电极的高度，以使等离子电极的底端到钢水液面的距离保持目标距离。
11.优选的，根据等离子电极与钢水之间的实时电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的消耗速度，实时确定钢水的第一液位高度，包括：根据等离子电极与钢水之间的实时电压，计算等离子电极产生的电弧的长度；确定机械臂的实时位置与机械臂的初始位置的高度差；根据等离子电极的消耗速度，以及等离子电极的加热时间，确定等离子电极的第一消耗长度；根据等离子电极产生的电弧的长度、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的第一消耗长度，实时确定钢水的第一液位高度。
12.优选的，控制机械臂移动，包括：根据钢水的第一液位高度的变化以及等离子电极的第二消耗长度，实时调整等离子电极的高度，以使等离子电极的底端到钢水液面的距离保持目标距离。
13.优选的，等离子电极产生的电弧的长度的计算公式为：其中，为等离子电极产生的电弧的长度，为等离子电极与钢水之间的实时电压，为等离子电极在接触钢水之前的电压降，为平均电位梯度。
14.优选的，钢水的第一液位高度的计算公式为：其中，为钢水的第一液位高度， 为中间包包口到包底的高度，为等离子电极产生的电弧的长度，为电弧冲击钢水时钢水液面下凹量，为机械臂的实时位
置与机械臂的初始位置的高度差，v为等离子电极的消耗速度，t为此时等离子电极的加热时间。
15.第二方面，本发明实施例还提供了一种中间包钢水液位的测量装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本说明书任一实施例所述的中间包钢水液位的测量方法。
16.第三方面，本发明实施例还提供了一种中间包钢水液位的测量系统，包括：中间包，用于盛装钢水；等离子电极，设置于中间包的上方，用于电离等离子气体，以给钢水加热；等离子发生器，两端分别连接等离子电极和钢水，用于给等离子电极供电；底电极，设置在中间包的底部，两端分别连接钢水和等离子发生器；机械臂，连接等离子电极，用于带动等离子电极移动；电压传感器，设置在等离子电极与钢水之间，用于实时采集等离子电极与钢水之间的电压；光电传感器，设置在中间包的包口，用于确定机械臂的初始位置；温度传感器，设置在钢水中，用于实时采集钢水的温度；称重装置，设置在中间包的底部，用于实时对钢水称重；测量装置，分别与等离子发生器、机械臂、电压传感器、光电传感器、温度传感器和称重装置电连接，所述测量装置为本说明书第二方面所述的测量装置。
17.优选的，等离子电极为石墨电极，采用中空结构；等离子气体为氩气，从等离子电极的中间通入。
18.本发明实施例提供了一种中间包钢水液位的测量方法，在对钢水加热的过程中，通过控制机械臂移动使等离子电极对钢水进行稳定加热，并且根据等离子电极与钢水之间的实时电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的消耗速度，实时确定钢水的液位高度。本方案，能够精确地计算出中间包中钢水的液位高度。
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是本发明一实施例提供的一种中间包钢水液位的测量方法流程图；图2是本发明一实施例提供的中间包结构正视图；图3是本发明一实施例提供的中间包结构侧视图；图4是本发明一实施例提供的另一种中间包钢水液位的测量方法流程图；图5是本发明一实施例提供的一种中间包钢水液位的测量系统示意图；图中：1、中间包；2、等离子电极；3、等离子发生器；4、底电极；5、机械臂； 6、电压传感器；7、光电传感器；8、电缆。
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.如前所述，由于中间包包衬材料不断侵蚀以及厚度分布不均匀的保护渣的存在，现有的称重法和激光法无法精确地测量出中间包中钢水液面的高度。因此，考虑通过等离子电极与钢水之间的实时电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的消耗速度，实时确定钢水的液位高度。由于机械臂会不断调整高度，以使等离子电极对钢水进行稳定加热，因此等离子电极与钢水之间的电压和机械臂的实时位置也会不断改变，故而通过等离子电极与钢水之间的电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差能够准确地反映钢水液面的高度变化，从而精确地计算出中间包中钢水的液位高度。
23.下面描述以上构思的具体实现方式。
24.请参考图1，本发明实施例提供了一种中间包钢水液位的测量方法，该方法包括：步骤100，确定等离子电极到中间包中钢水液面的目标距离以及等离子电极的消耗速度；步骤102，响应于接收到对中间包中的钢水进行加热的控制指令，控制机械臂带动等离子电极的底端移动至位于钢水的液面上方的目标位置；其中，目标位置到钢水的液面的距离为目标距离；步骤104，在对钢水加热的过程中，控制机械臂移动，以使等离子电极对钢水进行加热；步骤106，根据等离子电极与钢水之间的实时电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的消耗速度，实时确定钢水的第一液位高度；其中，当等离子电极的底端首次经过中间包的包口时，初始位置为此时机械臂所处的位置。
25.本发明实施例中，在对钢水加热的过程中，通过控制机械臂移动使等离子电极对钢水进行稳定加热，并且根据等离子电极与钢水之间的实时电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的消耗速度，实时确定钢水的液位高度。本方案，能够精确地计算出中间包中钢水的液位高度。
26.下面描述图1所示的各个步骤的执行方式。
27.首先，针对步骤100，确定等离子电极到中间包中钢水液面的目标距离以及等离子电极的消耗速度。
28.为了提高等离子电极的加热效率，需要确定等离子电极的加热高度，即选定等离子电极与中间包中钢水液面的目标距离。
29.在本发明实施例中，是通过实验来确定的，具体地，测试等离子电极与中间包中钢水液面在不同距离时，中间包中钢水的加热速度；确定加热速度最快的距离为目标距离。
30.当然，确定目标距离的方法和标准不唯一，例如可以选择使中间包钢水的碳含量增加最少的距离为目标距离，故这里不做具体限定。
31.另外，不光要考虑钢水液位高度的变化，还要考虑等离子电极的消耗。由于等离子电极在使用时，会产生电极的消耗，电极下端的消耗，势必会引起等离子电极与钢水液面的
距离变化，为了使等离子电极能够对钢水稳定加热，需要提前确定等离子电极的消耗速度。
32.在本发明实施例中，确定等离子电极的消耗速度，包括：根据等离子电极的材质、等离子电极的直径和等离子电极的工作电流制定对应的消耗速度关系数据库；根据当前等离子电极的材质、直径和工作电流，以及消耗速度关系数据库确定当前等离子电极的消耗速度。
33.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等离子电极的消耗速度制定关系数据库。
34.具体可以通过实验来制定，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，等离子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。
35.可以理解，根据当前使用的等离子电极的材质、直径和工作电流，以及提前制定的消耗速度关系数据库可以确定当前等离子电极的消耗速度。
36.然后，针对步骤102，响应于接收到对中间包中的钢水进行加热的控制指令，控制机械臂带动等离子电极的底端移动至位于钢水的液面上方的目标位置；其中，目标位置到钢水的液面的距离为目标距离。
37.在本发明实施例中，当中间包中的钢水需要加热时，需要控制等离子电极的底端移动到目标位置，该目标位置到当前钢水的液面的距离应为步骤100中确定的目标距离。
38.需要说明的是，等离子电极在不加热时，是位于钢水的液面上方，还是移动到其他位置，在需要对钢水进行加热时，都需要重新确认等离子电极到当前钢水液面的距离。
39.本发明一个实施例中，控制机械臂带动等离子电极的底端移动至位于钢水的液面上方的目标位置，至少可以通过如下两种方式来实现：方式一、通过等离子电极和钢水短路，来确定当前钢水液面位置，进而控制等离子电极移动到目标位置。
40.方式二、首先使等离子电极底端的高度与中间包内部的底面对齐，然后根据当前钢水的液位高度和步骤100中确定的目标距离，来控制等离子电极移动到目标位置。
41.下面对上述两种方式分别进行说明。
42.首先对方式一进行说明。
43.在该方式一中，由于需要监测等离子电极与钢水之间电压，当电压变为0时，来确定当前钢水液面位置，因此需要响应于接收到对中间包中的钢水进行加热的控制指令，预先控制等离子电极产生加热电弧，以使等离子电极产生的电弧与钢水之间形成电连接。
44.在本发明实施例中，方式一具体可以包括如下步骤s1-s3：s1：控制机械臂带动等离子电极从钢水的液面上方向下移动；s2：当等离子电极与钢水之间的电压为零时，确定等离子电极的底端接触到钢水，并控制机械臂停止下降；s3：控制机械臂上升至目标位置。
45.在本发明实施例中，首先需要实时采集等离子电极与中间包中钢水之间的电压。当等离子加热电弧与钢水形成电连接时，等离子加热电弧还未与钢水液面接触，此时采集
的等离子电极与中间包中钢水之间的电压有示数。
46.接着，控制机械臂带动等离子电极从钢水的液面上方向下移动，当采集的电压显示为0时，表明等离子电极与钢水之间短路，确定等离子电极的底端碰到钢水表面，此时控制机械臂停止下降。然后，控制机械臂带动等离子电极向上移动目标距离后到达目标位置，此时等离子电极到钢水的距离就等于目标距离。
47.需要说明的是，当等离子电极的底端首次经过中间包的包口时，需要记录此时机械臂所处的位置为初始位置。可以理解，只要为中间包中钢水能够到达的最高液面以上的位置即可，不一定非得以包口处作为基准高度。
48.在本发明实施例中，在控制机械臂带动等离子电极的底端移动至位于钢水的液面上方的目标位置之后，还包括：根据等离子电极与钢水之间的电压为零时机械臂的位置与初始位置的高度差、中间包的包口到包底的高度，确定钢水的初始液位高度。
49.举例来说，当需要对钢水进行加热时，使机械臂带动等离子电极下降。当等离子电极经过包口的光电传感器时，记录机械臂的初始位置。当等离子电极下降到与钢水液面接触时，即等离子电极与钢水之间的电压为零时，记录机械臂位置。
50.那么，为钢水的初始液位到包口的距离，即为钢水的初始液位高度，其中为中间包的包口到包底的高度。
51.上述完成了对方式一的说明，接下来对方式二进行说明。
52.在该方式二中，本发明实施例具体可以包括：使等离子电极的底端位于钢水液位高度为0时的高度，即与中间包内部的底面对齐，可以提前将此高度设置卡位。然后控制等离子电极向上移动，移动距离为当前钢水的液位高度和步骤100中确定的目标距离之和，再控制等离子电极水平移动到钢水上方，即到达目标位置。
53.其中，当前钢水的液位高度可以人为输入，可以使用激光法测量得到，也可以通过其他方式确定。具体的确定过程在接下来的步骤104中会进行具体说明，即第二液位高度的计算过程。
54.另外，本方式二在等离子电极到达目标位置之前，不需要控制等离子电极产生加热电弧。当等离子电极到达目标位置之后，可以控制等离子电极产生加热电弧，开始对钢水进行加热。
55.接下来，针对步骤104，在对钢水加热的过程中，控制机械臂移动，以使等离子电极对钢水进行加热。
56.在钢铁生产中，连铸是其中的重要环节。连铸过程中，控制中间包内钢水的温度稳定和低过热度对提高生产效率和产品质量具有重要意义。然而，在整个连铸过程中，尤其是在开浇、换包以及浇注末期，由于中间包的包衬吸热、中间包熔池表面及耐火材料包壁热损失，中间包钢水热量不可避免地存在损失，因此，中间包等离子加热来补偿中间包内钢水温降、使钢水浇注温度稳定在目标值附近的加热技术越来越受到人们关注。
57.在加热过程中，由于位于中间包上方的大包向中间包提供钢水的同时，中间包中
也会将钢水送入结晶器以形成钢坯，在这个过程中，中间包中的钢水体积会有变化。并且，等离子电极在加热过程中也会有消耗，使等离子电极的长度发生变化。那么，为了使等离子加热电弧能够稳定对钢水进行加热，需要对等离子电极的高度进行调控。
58.本发明一个实施例中，对等离子电极的高度进行调控，控制机械臂移动，至少可以通过如下三种方法来实现：方法一、通过控制机械臂移动，以使等离子电极与钢水之间的电压恒定不变；方法二、通过中间包中钢水的重量来计算第二液位高度，根据第二液位高度的变化以及等离子电极的第二消耗长度，实时调整等离子电极的高度，以使等离子电极的底端到钢水液面的距离保持目标距离；方法三、通过等离子电极与钢水之间的实时电压来计算第一液位高度，根据第一液位高度的变化和等离子电极的第二消耗长度，实时调整等离子电极的高度，以使等离子电极的底端到钢水液面的距离保持目标距离。
59.下面对上述三种方法分别进行说明。
60.首先对方法一进行说明。
61.在该方法一中，控制机械臂移动，包括：在等离子电极的底端位于目标位置时，将等离子电极与钢水之间的电压确定为目标电压；根据等离子电极与钢水之间的电压变化，控制机械臂带动等离子电极移动，以使等离子电极与钢水之间的电压保持目标电压。
62.在本发明实施例中，将刚开始加热时，等离子电极的底端位于目标位置时，等离子电极与钢水之间的电压确定为目标电压。在加热过程中，实时检测等离子电极与钢水之间的电压，当电压开始变化时，控制机械臂带动等离子电极进行相应的移动，以消除电压的变化，使等离子电极与钢水之间的电压变回到目标电压。
63.上述完成了对方法一的说明，接下来对方法二进行说明。
64.现有的方法利用恒压或者恒阻抗模式来动态调节电极高度，由于等离子电弧本身就具有不稳定性，例如电极的左右晃动、电弧产生的位置改变、弧长不稳定等因素，都会造成电压或者阻抗的波动，此时机械臂就会盲目地调节电极高度来消除这种波动，反而造成更大电流与电压的波动，致使难以很好地控制电弧的稳定。并且，电压和电流的波动会产成谐波与电磁场，干扰其他设备运行，还会降低加热效果，降低熔炼速度，同时会加快石墨电极的消耗，增加中间包钢水碳含量。
65.因此，在该方法二中，为了控制等离子电弧稳定，使中间包的等离子电极稳定加热，提高加热效率，进而提高产品质量。考虑通过恒弧长的方法控制等离子电极，通过保持等离子电极和钢水液面的距离恒定不变，即弧长恒定，来控制等离子加热电弧。并且不光考虑钢水液位高度的变化，还考虑了等离子电极的消耗，因此，随着钢水液位高度的缓慢变化以及等离子电极的消耗，等离子电极也会缓慢移动，不会出现大的波动，从而使等离子加热电弧更加稳定。
66.在该方法二中，本发明实施例中控制机械臂移动具体可以包括如下步骤b1-b3：b1：根据中间包中钢水的重量，实时计算钢水的第二液位高度；b2：根据等离子电极的消耗速度，确定设定时间间隔内等离子电极的第二消耗长
度；b3：根据第二液位高度的变化以及等离子电极的第二消耗长度，实时调整等离子电极的高度，以使等离子电极的底端到钢水液面的距离保持目标距离。
67.需要说明的是，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；在稳定浇铸阶段，由于一些因素（例如弧长变化、弧长不稳定等因素）的影响，会导致检测到的电极的实时电压值和设定电压值出现电压偏差，为了减小该电压偏差，就会盲目调整电极在液面上方的高度来消除这种电压偏差。而此时盲目调整反而造成弧长变化很大，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。
68.因此，当中间包的钢水液面上升或下降时，提升或下降阴电极使电弧的弧长达到设定弧长的偏差范围之内，为根据恒压模式调整电极高度后弧长的变化结果，并未公开本方法二的控制方法。
69.在步骤b1中，至少可以通过如下步骤n1-n2计算钢水的第二液位高度：n1：根据中间包内部的尺寸和钢水的密度，建立中间包中钢水的重量与第二液位高度的关系式；具体地，根据中间包内部的尺寸，建立钢水的体积与液位高度的第一方程式；根据钢水的密度，建立钢水的体积与重量的第二方程式；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第二液位高度的关系式。
70.在本发明实施例中，如图2和图3所示，分别为中间包正视图和侧视图，图中，为中间包内部的底部长度，为中间包内部的底部宽度，为中间包内部最高液面处的长度，为中间包内部最高液面处的宽度，h为中间包内部最高液面处的高度，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。这些尺寸参数根据所用中间包的规格而定，具体参数值需要提前测量。
71.那么，假设钢水的液位高度为h，可以根据如上所示的中间包内部的尺寸，建立钢水的体积与液位高度的第一方程式。
72.在本发明实施例中，第一方程式为：其中，为钢水的体积，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。
73.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。
74.而根据钢水的密度，可以建立钢水的体积与重量的第二方程式。
75.在本发明实施例中，第二方程式为：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。
76.在钢水的体积与重量的第二方程式中，m可以实时测量出来，也为已知量。
77.那么，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第二液位高度的关系式。
78.在本发明实施例中，中间包中钢水的重量与第二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。
79.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与第二液位高度h的关系式。
80.n2：实时获取中间包中钢水的重量，根据钢水的重量和关系式，实时计算加热过程中钢水的第二液位高度。
81.在本发明实施例中，是通过称重法，利用称重装置实时获得钢水的重量，然后根据步骤n1中钢水的重量与第二液位高度的关系式以及实时获得的钢水的重量，来实时计算加热过程中钢水的第二液位高度。
82.另外，根据此步骤中钢水的第二液位高度的获得方式，可以确定步骤102中方式二中当前钢水的液位高度，然后根据当前钢水的液位高度和步骤100中确定的目标距离，来控制等离子电极移动到目标位置，来完成步骤102中的方式二。
83.在步骤b2中，根据等离子电极的消耗速度，实时计算加热过程中等离子电极的第二消耗长度，包括：获取等离子电极的消耗速度；根据等离子电极的消耗速度，设定时间间
隔；计算在设定时间间隔内等离子电极的第二消耗长度。
84.举例来说，当步骤100中，确定的等离子电极的消耗速度为v，即单位时间内等离子电极的消耗长度，若设定时间间隔为，那么在该设定时间间隔内等离子电极的第二消耗长度为。
85.需要说明的是，时间间隔需要根据等离子电极的消耗速度来定，若等离子电极的消耗速度比较快，那么时间间隔需要设定的比较小；若等离子电极的消耗速度比较慢，那么时间间隔可以比较大。确定好时间间隔后，计算在时间间隔内等离子电极的第二消耗长度。
86.最后，在步骤b3中，根据第二液位高度的变化以及等离子电极的第二消耗长度，实时调整等离子电极的高度，以使等离子电极与钢水的液面保持目标距离不变。
87.上述完成了对方法二的说明，接下来对方法三进行说明。
88.在该方法三中，本发明实施例控制机械臂移动，具体可以包括：根据钢水的第一液位高度的变化以及等离子电极的第二消耗长度，实时调整等离子电极的高度，以使等离子电极的底端到钢水液面的距离保持目标距离。
89.在本发明实施例中，与方法二不同的是，不使用称重法测量钢水的第二液位高度，而是通过等离子电极与钢水之间的实时电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的消耗速度来计算第一液位高度，根据第一液位高度的变化和等离子电极的第二消耗长度，实时调整等离子电极的高度，以使等离子电极的底端到钢水液面的距离保持目标距离。
90.需要说明的是，中间包中钢水的第一液位高度的计算方法如步骤106所示。
91.紧接着，针对步骤106，根据等离子电极与钢水之间的实时电压、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的消耗速度，实时确定钢水的第一液位高度；其中，当等离子电极的底端首次经过中间包的包口时，初始位置为此时机械臂所处的位置。
92.下面对第一液位高度的计算方法进行说明。
93.在本发明实施例中，请参考图4，至少可以使用如下步骤400-406对钢水的第一液位高度进行计算：步骤400，根据等离子电极与钢水之间的实时电压，计算等离子电极产生的电弧的长度；步骤402，确定机械臂的实时位置与机械臂的初始位置的高度差；步骤404，根据等离子电极的消耗速度，以及等离子电极的加热时间，确定等离子电极的第一消耗长度；步骤406，根据等离子电极产生的电弧的长度、机械臂的实时位置与初始位置的高度差、等离子电极的第一消耗长度，实时确定钢水的第一液位高度。
94.在步骤400中，等离子电极产生的电弧的长度的计算公式为：其中，为等离子电极产生的电弧的长度，为等离子电极与钢水之间的实时
电压，为等离子电极在接触钢水之前的电压降，为平均电位梯度。
95.在本发明实施例中，等离子电极产生等离子体形成电弧时，会对中间包中钢水液面产生冲击，造成钢水液面下凹。因此，通过上述公式计算得到的等离子电极产生的电弧的长度由两部分组成，一部分为等离子电极下端面到钢水液面的距离，另一部分为电弧冲击钢水时钢水液面的下凹量。故而，等离子电极下端面到钢水液面的距离为。
96.需要说明的是，等离子电极在接触钢水之前的电压降、平均电位梯度、电弧冲击钢水时钢水液面的下凹量均为常量，平均电位梯度和电极附近电压降受炉况的影响，电弧冲击钢水时钢水液面的下凹量与工作电流有关，因此需要预先根据实际情况确定恒定电流大小，然后通过实验获得这三个常量的数值。
97.实验过程为：控制等离子电极产生加热电弧，缓慢移动等离子电极下降，当等离子电极与钢水之间电压为0时，等离子电极碰到钢水，记录机械臂位置。
98.由于电弧冲击钢水时钢水液面的下凹量与电流大小有关，因此在上述得到时，使等离子电极的工作电流很小，低于实际情况中的恒定电流，以至于对钢水液面几乎不产生下凹。
99.然后，向上提升等离子电极，控制等离子电极产生加热电弧，且工作电流等于实际情况中的恒定电流，以与得到相同的速度缓慢移动等离子电极下降。此时等离子电弧对钢水液面产生冲击，当电极碰到钢水的瞬间，监测等离子电极与钢水之间电压由变为0，由此可以得到等离子电极在接触钢水之前的电压降。
100.同时，记录此时机械臂位置，由于得到的过程中，电弧对钢水液面产生冲击，因此可以得到电弧冲击钢水时钢水液面的下凹量，即。
101.最后，向上提升等离子电极到等离子电极与钢水之间电压不为0的随机位置，记录等离子电极与钢水之间的电压和机械臂位置，可以得到等离子电极产生的电弧的长度，利用公式可以计算得到平均电位梯度。
102.可以看到，等离子电极在接触钢水之前的电压降、平均电位梯度、电弧冲击钢水时钢水液面的下凹量，均通过上述实验过程得到数值，为了减小误差，可以重复上述实验过程，多次测量，取平均值。
103.可以理解，等离子电极在接触钢水之前的电压降、平均电位梯度、电弧冲
击钢水时钢水液面的下凹量为常量，为等离子电极与钢水之间的实时电压，能够实时检测出来，可以计算得到等离子电极产生的电弧的长度，进而减去钢水液面的下凹量，就可以计算得到等离子电极下端面到钢水液面的距离为。
104.在步骤402中，根据机械臂的实时位置，以及机械臂的初始位置，即等离子电极下端首次经过中间包包口时机械臂的位置，计算机械臂的实时位置与机械臂的初始位置的高度差。
105.在步骤404中，根据步骤100确定的等离子电极的消耗速度v，以及等离子电极的实时加热时间t，即等离子电极从刚开始加热到此刻的时间间隔，实时确定等离子电极的第一消耗长度。
106.在步骤406中，钢水的第一液位高度的计算公式为：其中，为钢水的第一液位高度，为中间包包口到包底的高度，为等离子电极产生的电弧的长度，为电弧冲击钢水时钢水液面下凹量，为机械臂的实时位置与机械臂的初始位置的高度差，v为等离子电极的消耗速度，t为此时等离子电极的加热时间。
107.可以理解，为钢水实时液位到中间包包口的距离，使用中间包包口到包底的高度减去钢水实时液位到中间包包口的距离，就可以得到中间包中钢水的实时第一液位高度。
108.在本发明实施例中，控制等离子电极产生加热电弧，使机械臂带动等离子电极下降，当等离子电极经过中间包包口时，记录机械臂的初始位置；等离子电极继续下降，当等离子电极与钢水之间电压反馈为0时，表示等离子电极触碰钢水，根据步骤102，可以计算出钢水的初始液位高度；然后，根据步骤102，使机械臂上升，带动等离子电极到达目标位置，开始对钢水进行加热；在加热过程中，根据步骤104中三种方法的任一种方法，控制机械臂带动等离子电极不断调整高度，以使等离子电极对钢水稳定加热，并且根据步骤106中方法，通过等离子电极与钢水之间的实时电压和机械臂的实时位置，计算出钢水的实时第一液位高度。
109.本发明实施例提供了一种中间包钢水液位的测量装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现本说明书任一实施例所述的中间包钢水液位的测量方法。
110.具体可以为plc控制器。通过使用plc控制器计算钢水的液位高度以及等离子电极的消耗长度，并控制离子电极移动，实现本说明书任一实施例所述的中间包钢水液位的测量方法。
111.如图5所示，本发明实施例还提供了一种中间包钢水液位的测量系统，包括：
中间包1，用于盛装钢水；等离子电极2，设置于中间包1的上方，用于电离等离子气体，以给钢水加热；等离子发生器3，两端分别连接等离子电极2和钢水，用于给等离子电极2供电；底电极4，设置在中间包1的底部，两端分别连接钢水和等离子发生器3；机械臂5，连接等离子电极2，用于带动等离子电极2移动；电压传感器6，设置在等离子电极2与钢水之间，用于实时采集等离子电极2与钢水之间的电压；光电传感器7，设置在中间包1的包口，用于确定机械臂5的初始位置；温度传感器（图中未标出），设置在钢水中，用于实时采集钢水的温度；称重装置（图中未标出），设置在中间包1的底部，用于实时对钢水称重；测量装置（图中未标出），分别连接等离子发生器3、移动组件5、电压传感器6、光电传感器7、温度传感器（图中未标出）和称重装置（图中未标出），用于实现本说明书任一实施例所述的中间包钢水液位的测量方法。
112.在本发明实施例中，等离子电极2为石墨电极，采用中空结构；等离子气体为氩气，从等离子电极的中间通入。当等离子电极2开始工作时，通过等离子电极2放电，电离氩气产生高能量等离子体，以对钢水进行加热。
113.需要说明的是，等离子电极2选用石墨电极，是因为石墨的熔点高，导电性好，当然也可以选用其他材质。等离子气体选用氩气，是因为氩气为惰性气体，不容易与钢水发生反应。当然，也可以使用其他气体，例如氮气等气体。
114.在本发明实施例中，等离子发生器3为电源，通过可控硅整流，来将交流电转换成直流电，可以控制恒电流。等离子发生器3用来为等离子电极2供电，来使等离子电极2产生等离子体。
115.在本发明实施例中，底电极4，设置在中间包1的底部，作为阳极。
116.在本发明实施例中，机械臂5有多个轴，可以多轴同时动作，在自动运行前需要设定自动运行路径。
117.在本发明实施例中，测量装置（图中未标出）为plc控制器，分别与等离子发生器3、移动组件5、电压传感器6、光电传感器7、温度传感器（图中未标出）和称重装置（图中未标出）电连接，实现对整个系统的控制，实现基于本说明书任一实施例所述的中间包钢水液位的测量方法。
118.另外，由于等离子电极2产生的热量太大，需要对连接等离子电极2和等离子发生器3，底电极4和等离子发生器3的电缆8使用水冷降温。
119.本发明各实施例至少具有如下有益效果：利用等离子电极与钢水之间的实时电压和机械臂的实时位置计算中间包中钢水液位高度，具有测量精度高，不容易受干扰，不需要额外添加设备等优点。使用此方法获得中间包的精确液位，再通过连铸系统精确控制中间包钢水液位，能够提高钢坯产品质量、延长中间包寿命、减少浇铸过程中的卷渣量。
120.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。