CN107765550B - 一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，属于冶金领域。本发明基于射频识别技术，在钢包运行的各位置安装读卡器，并在钢包外表面的前后左右安装多个电子标签，当钢包位置发生移动，读卡器对钢包进行识别，基于钢包位置及初始钢包温度等信息，采用自制算法来计算钢包的温度，根据不同钢包温度得到出钢时钢水的温度损失，再动态调节转炉冶炼终点钢水温度以平衡温度损失，最终获得稳定的钢包内钢水的出钢温度。本发明克服现有技术中难以稳定钢水出钢温度、影响生产稳定性的不足，可以稳定钢水的出钢温度，保证生产节奏的稳定，为后序的连续浇铸获得稳定的浇铸温度，保证铸坯质量的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，更具体地说，涉及一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法。
背景技术
炼钢厂生产基本工序如下：转炉冶炼-转炉出钢-钢水运输-精炼工序-钢水运输-连铸工序。其中在“转炉出钢”阶段钢包介入炼钢工序，在此阶段，钢包与钢水的温差达到一千多摄氏度，存在强烈的热交换，因此钢包的热状态对钢水的温降程度有很大的影响，钢包内钢水出钢温度常因此温度不稳定，扰乱生产节奏，影响产品质量。
转炉出钢温度的高低不仅影响转炉寿命、炉渣中铁含量、精炼工序物料的加入量等，而且影响钢的质量，特别是在冶炼高品质钢，更加需要精确的控制转炉的出钢温度。本世纪以来，随着计算机技术的快速发展，信息化在冶金过程的应用不断深入，使得钢铁企业的信息化水平得到普遍提高，显著提高了经济效益。由于炼钢生产流程不但有物理、化学过程，而且生产工序具有复杂的时空变化，生产的信息化程度并不彻底，尤其是对于转炉出钢温度的稳定控制仍有很大的优化空间。
近年来，在应用互联网技术实现钢包状态的信息化方面，有研究者已经走在了前面。陈培基于射频识别和无线局域网技术，通过实时定位吊运钢包的天车运行，实现对钢包的定位并进行调度；周升科基于射频识别和无线局域网技术，通过对天车的定位及实时计量信息的统计，对钢包的重量和状态进行跟踪。以上的钢包定位技术，技术原理基本一致，都是基于射频识别技术，在吊运钢包的天车上安装读卡器，在天车轨道上的特定位置(如出钢位、吹氩位、LF位、浇铸位)安装无源电子标签，当天车吊运钢包至指定位置时，读卡器进行对此位置的电子标签进行识别，并将信息传入计算机，经由天车工判断确认后将钢包位置信息存入系统数据库。
但是目前这种定位系统还不能完全自动运行，因为天车不是只负责运送钢包，还有一些其他吊运任务，从而会导致系统产生很多无关的噪音信息，钢包信息的输入最终还是需要天车操作人员进行人工确认，而人工确认的方式易受干扰，使得钢包信息在输入系统的时候存在不稳定性，从而导致整个系统的不稳定，影响工厂操作人员的判断，并最终影响生产的正常运行；其次，除了不能完全自动运行之外，当前开发的定位系统对钢包的一项重要参数也不能准确反映，即钢包温度信息，此信息直接影响钢水出钢温度的稳定性。若能够稳定钢水出钢温度，可以减少合金烧损和能源消耗，降低生产成本，稳定后序连续铸钢过程的铸坯质量，这将能够给目前降本压力较大的钢铁企业提供一个有效的降本措施，提高企业利润。
在关于钢包的温度计算模型方面近年来已有一些研究，有研究者分析了钢包热循环的数值模拟，建立数学模型，为完善钢包热循环信息提供理论依据。这些研究建立了计算模型并揭示热循环过程钢包温度变化特点，但研究是在离线条件下进行，使用了大量假设条件和理想状态，实际生产过程钢包运行时间和温度变化受各种因素影响较大，常常导致计算结果与现场实际情况不符；且实际操作时，多以现场工作人员的经验为主，缺乏信息化技术的支撑，不同炉次钢水 的出钢温度波动较大，对连续铸钢过程的钢水浇铸温度的稳定造成很大影响。
经检索，中国专利申请号：2013100157997；申请日：2013年1月16日；发明创造名称为：一种钢包精炼炉精炼过程实时温度预测方法，该申请案公开了一种钢包精炼炉精炼过程实时温度预测方法，它包括：(1)将精炼前生产现场实时数据进行量化，实时数据包括电弧效率、烟尘气排出速率、烟尘气排出温度、熔池表面热损失系数；(2)将上工序结束温度数据进行量化，包括钢液质量、环境温度、上工序结束钢水温度；(3)记录本工序实时测量温度数据，包括钢液的热容、钢液的质量；(4)计算钢液温度变化率△TSteel。该申请案减少了LF炉精炼过程温度估计与测量时间成本，缩短了精炼时间，提高了LF炉炼成率，但对于稳定钢水的出钢温度并无过多助益，仍需要进一步优化。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术中难以稳定钢水出钢温度、影响生产稳定性的不足，提供了一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，本发明将钢包定位与钢包温度检测相结合，可以自动跟踪定位钢包位置，并实时计算钢包温度与出钢温降，确定转炉冶炼终点钢水温度，稳定钢水出钢温度，为炼钢厂技术人员提供稳定钢水的出钢温度，为后序的连续浇铸获得稳定的浇铸温度，保证铸坯质量的稳定性，从而降低能源成本，稳定产品质量，提高经济效益。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，按照以下步骤进行：
步骤一、在钢包和行车轨道上安装电子标签，在钢包运行的各个工位和行车上安装读卡器；
步骤二、钢包运行时，通过读卡器对电子标签的识别实现对钢包的自动定位；
步骤三、根据钢包的定位信息和钢水状态，建立钢包的温度预测模型，计算钢包的热状态；
步骤四、根据钢包的热状态，计算转炉冶炼终点钢水出钢温度。
更进一步地，步骤三中钢包的温度预测模型如下：
其中ρ为材料的密度，kg/m3；c为材料热容，W/(kg℃)；T为钢包实时温度，℃；t为钢包运行时间，s；λ为材料的导热系数，W/(m℃)；r为钢包半径，m；z为钢包高度，m；
更进一步地，钢包温度预测模型的边界条件为：
在钢包内部取第一类边界条件：
T|Γ＝Tw；
其中Γ为物体边界；Tw为钢包的已知壁面温度，℃；
在钢包外表面取第三类边界条件：
其中λ为材料的导热系数，W/(m℃)；T为钢包(1)实时温度，℃；Tf为环境温度，℃；h为综合换热系数，W/(m2℃)；n为边界面的法线方向。
更进一步地，步骤四中转炉冶炼终点钢水出钢温度计算模型如下：
T终＝Tall+TL+T热+TAr+TLF+TRH+T4
T出＝TL+T热+TAr+TLF+TRH+T4
其中T终为转炉冶炼终点钢水温度，℃；T出为钢包内钢水的出钢温度，℃；Tall为合金化工序钢包温降，℃；TL为某钢种的液相线温度，℃；T热为某钢种浇注需要的过热度温度，℃； TAr为吹Ar处理工序钢包温降，℃；TLF为LF精炼工序钢包温降，℃；TRH为RH精炼工序钢包温降，℃；T4为钢包调运过程温降，℃。
更进一步地，TAr＝x1t1；TLF＝x2t2；TRH＝x3t3；T4＝x4t4；
其中x1表示吹Ar处理温降系数，t1表示吹Ar处理时间；x2表示LF精炼处理温降系数， t2表示LF精炼处理时间；x3表示RH精炼处理温降系数，t3表示RH精炼处理时间；x4表示钢包调运过程温降系数，t4表示钢包调运时间。
更进一步地，钢包上共设有至少4个电子标签，多个电子标签均匀间隔对称设于钢包表面。
更进一步地，电子标签的高度位于钢包高度的1/3～2/3处。
更进一步地，电子标签的高度位于钢包高度的2/3处。
更进一步地，电子标签采用耐高温材料封装而成，该耐高温材料包括以下质量百分比的组分：1.0～4.0％的ZrO，5～20％的SiO2，70～85％的CaO，2～7％的MnO。
更进一步地，行车上在钢包连续运行的跨段每隔10～12m均匀间隔安装有读卡器。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，采用读卡器和电子标签的配合识别，将钢包自动定位与钢包测温相结合，可以自动跟踪定位钢包位置，并实时计算钢包温度与出钢温降，确定转炉冶炼终点钢水温度，稳定钢水出钢温度，为后序的连续浇铸获得稳定的浇铸温度，保证铸坯质量的稳定性。
(2)本发明的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，采用射频识别标签进行定位，对钢包的位置自动识别，无需人工辅助，不影响正常的生产。
(3)本发明的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，电子标签的高度位于钢包高度的1/3～2/3处，距钢包底部位置较高，使得在浇铸过程中电子标签受到的中间包内钢水的热辐射减少，而读卡器读取电子标签信号的效果基本不受影响，从而在保证钢包的位置跟踪与温度判定质量的前提下提高了电子标签的使用寿命，降低成本的同时实现了根据钢包位置来实时判定钢包温度的目标。
(4)本发明的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，电子标签采用一种耐高温材料封装而成，具有优异的耐高温、防碰撞效果，尤其适合应用于钢厂的特殊环境。
(5)本发明的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，通过对读卡器安装位置、安装密度的合理设置，使得生产过程中钢包位置被实时监控，不会出现盲区和死角；同时由于参数的全面选择，使得钢包的温度预测模型精确，能根据钢包位置和钢水温度信息实时确定钢包温度。
(6)本发明的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，根据钢包所处的不同生产位置，将温度预测模型区域化，有效地解决了由于生产过程的工序的变化而使模型变化的问题，以实现根据钢包位置来实时计算钢包温度的目标，进而计算钢水出钢温度损失，确定转炉终点钢水温度，稳定不同炉次的钢水出钢温度，保证生产节奏的稳定，为后序的连续浇铸获得稳定的浇铸温度，保证铸坯质量的稳定性。
附图说明
图1为本发明中电子标签的安装示意图；
图2为本发明中钢包的运行状态示意图；
图3为本发明的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法的算法示意图。
示意图中的标号说明：1、钢包；2、电子标签；3、行车。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1～图3所示，本实施例的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，采用射频识别标签进行定位，按照以下步骤进行：
步骤一、在钢包1和行车轨道上安装电子标签2，在钢包1运行的各个工位(如出钢位、吹氩位、RH和LF精炼位、浇铸位等)和行车3上连续运行跨段均安装读卡器；其中钢包1上共设有至少4个电子标签2，多个电子标签2均匀间隔对称设于钢包1表面，具体地，如图1和图2所示，钢包1上外表面共设有4个电子标签2，4个电子标签2两两对称设于钢包 1外壁上，且电子标签2的高度位于钢包1高度的2/3处；行车3上在钢包1连续运行的跨段每隔10m均匀间隔安装有读卡器，以此构建钢包1的自动定位系统。
本实施例通过在钢包1外表面的前后左右对称安装4个电子标签2，配合在行车轨道上安装电子标签2及行车3上放置读卡器，完成无死角定位，增加定位可靠性，且钢包1开始调运时，能够自动定位钢包1位置，完成行车3对钢包1的匹配，无需现场员工的指挥。当钢包1位置发生移动，安装在各工位的读卡器对钢包1进行识别，并自动将钢包1的位置信息更新至系统数据库中。
本实施例中的电子标签2为耐高温无源电子标签，具体采用一种耐高温材料封装而成，该耐高温材料包括以下质量百分比的组分：1.0～4.0％的ZrO，5～20％的SiO2，70～85％的CaO， 2～7％的MnO，其余为不可避免的杂质，具体在本实施例中该耐高温材料包括以下质量百分比的组分：1.0％的ZrO，20％的SiO2，70％的CaO，7％的MnO，其余为不可避免的杂质。
采用该材料封装后的电子标签2具有优异的耐高温、防碰撞效果，尤其适合应用于钢厂的特殊环境。
其次，本实施例中电子标签2所贴的位置距钢包1底部位置较高，使得在浇铸过程中电子标签2受到的中间包内钢水的热辐射减少，而读卡器读取电子标签2信号的效果基本不受影响，从而在保证钢包1的位置跟踪与温度判定质量的前提下提高了电子标签2的使用寿命，降低成本的同时实现了根据钢包1位置来实时判定钢包1温度的目标。
步骤二、钢包1运行时，通过读卡器对电子标签2的识别实现对钢包1的自动定位；
步骤三、根据钢包1的定位信息和钢水状态，建立钢包1的温度预测模型，计算钢包1 的热状态；
步骤四、根据钢包1的热状态，计算转炉冶炼终点钢水出钢温度。
具体地，基于获取到的钢包1位置信息和容纳钢水的状态，针对钢包1的传热特点采用自制算法，建立钢包1的网络模型，确定传热边界条件，利用有限差分理论对计算区域进行离散化处理，采用数学算法构建能够在线实时计算的数学模型，并编制成软件模块添加至系统中。生产实践中，当钢厂二级系统中的相关生产信息确定时，钢包1温度计算模型也随之确定，钢包1温度与位置的关系随之确定，可以由钢包1所处的具体位置来计算判定钢包1 温度，进一步计算出钢合金化时钢水温降，再根据出钢温度，进一步计算出转炉终点钢水的温度，从而获得稳定的出钢温度，为后续的连续浇铸获得稳定的浇铸温度，以得到稳定的铸坯质量提供保障；本实施例由将承接钢水的空钢包1温度计算出出钢过程中钢水温度损失，再根据要求的出钢钢水温度计算转炉冶炼终点钢水温度，当每个转炉炉次都这样处理就可以获得连续稳定的出钢钢水温度，为稳定的连铸钢水浇铸温度提供重要基础，获得稳定的连铸坯质量。
本实施例中钢包1的温度预测模型原理如图3所示，该模型通过“时间”和“温差”参数来计算，其中“时间”参数可以由钢包1的自动定位系统中获得，包括两个方面，一是钢包1从上一工序处理结束调运至下一工序开始所经过的时间；二是钢包1在每一工段进行预处理或精炼等工序所花费的时间。对于不同钢种，冶炼工序必然不同，相应的预处理和精炼方式也不同，所耗费时间也不同。“温差”参数可由钢包1初始温度减去各个工序温降得到，钢包1的初始温度可通过钢厂三级系统(即钢包烘烤车间)调取；钢包1初始温度确定后，每一阶段的温降与预处理、精炼时间、在各工序间的转运时间等成比例关系。
本实施例中钢包1的温度预测模型的构建如下：
根据钢包1结构特点，建立轴对称体进行分析，钢包1的温度预测模型如下：
其中ρ为材料的密度，kg/m3；c为材料热容，W/(kg℃)；T为钢包1实时温度，℃；t 为钢包1运行时间，s；λ为材料的导热系数，W/(m℃)；r为钢包1的半径，m；z为钢包1 的高度，m；
其边界条件为：
在钢包1内部取第一类边界条件：
T|Γ＝Tw；
其中Γ为物体边界；Tw为钢包1的已知壁面温度，℃；
在钢包1外表面取第三类边界条件：
其中λ为材料的导热系数，W/(m℃)；T为钢包1实时温度，℃；Tf为环境温度，℃；h为综合换热系数，W/(m2℃)；n为边界面的法线方向。
用有限元法求解导热微分方程式，并代入以上条件式，即可得到钢包1温度场分布与时间的关系。
本实施例由步骤三中的温度预测模型可计算得到钢包1温度场分布与时间的关系，然后可根据计算出的钢包1的实时温度，根据下表中对应的钢包1状态和钢包1温度，确定出钢合金化时的钢包1内钢水温降Tall，如860℃的周转包，选择温降45℃。
其中新包指修后冷置15小时以上的钢包1，冷包指修后冷置1～15小时的钢包1；周转包指修后冷置1小时内的钢包1。
而步骤四中转炉冶炼终点钢水出钢温度计算模型如下：
T终＝Tall+TL+T热+TAr+TLF+TRH+T4
T出＝TL+T热+TAr+TLF+TRH+T4
其中T终为转炉冶炼终点钢水温度，℃；T出为钢包1内钢水的出钢温度，℃；Tall为合金化工序钢包1温降，℃；TL为某钢种的液相线温度，℃；T热为某钢种浇注需要的过热度温度，℃； TAr为吹Ar处理工序钢包1温降，℃；TLF为LF精炼工序钢包1温降，℃；TRH为RH精炼工序钢包1温降，℃；T4为钢包1调运过程温降，℃。
需要说明的是，TAr＝x1t1；TLF＝x2t2；TRH＝x3t3；T4＝x4t4；其中x1表示吹Ar处理温降系数， t1表示吹Ar处理时间；x2表示LF精炼处理温降系数，t2表示LF精炼处理时间；x3表示RH 精炼处理温降系数，t3表示RH精炼处理时间；x4表示钢包调运过程温降系数，t4表示钢包调运时间。生产实践中各阶段温降系数由钢厂实际生产过程中的温度变化值/时间变化值确定，不同钢厂不尽相同，在此不再说明。
本实施例通过对读卡器安装位置、安装密度的合理设置，使得生产过程中钢包1位置被实时监控，不会出现盲区和死角；同时由于参数的全面选择，使得钢包1的温度预测模型精确，能根据钢包1位置和钢水温度信息实时确定钢包1温度，根据不同钢包1温度得到出钢时钢水的温度损失，再动态调节转炉冶炼终点钢水温度以平衡温度损失，最终获得稳定的钢包1内钢水的出钢温度，通过确定并控制转炉终点钢水温度，以稳定不同炉次的钢水出钢温度；连续生产过程中，钢水出钢温度稳定，温度波动小，后续流程工艺稳定，产品质量稳定；其次，本实施例无需改变现有生产工艺，对钢水及设备无污染，并有助于节约钢包1在吊装、预处理、精炼、浇铸过程中多次测量温度而花费的时间，紧凑工序，增加钢包1周转率。
实施例2
本实施例的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中电子标签2的高度位于钢包1高度的1/3处；行车3上在钢包1连续运行的跨段每隔12m均匀间隔安装有读卡器。
本实施例中电子标签2为耐高温无源电子标签，具体采用一种耐高温材料封装而成，该耐高温材料包括以下质量百分比的组分：4.0％的ZrO，5％的SiO2，85％的CaO，5％的MnO，其余为不可避免的杂质。
实施例3
本实施例的一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，基本同实施例1，所不同的是，行车3上在钢包1连续运行的跨段每隔11m均匀间隔安装有读卡器。
本实施例中电子标签2为耐高温无源电子标签，具体采用一种耐高温材料封装而成，该耐高温材料包括以下质量百分比的组分：2.0％的ZrO，15％的SiO2，80％的CaO，2％的MnO，其余为不可避免的杂质。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于钢包自动定位的稳定出钢温度的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤一、在钢包(1)和行车轨道上安装电子标签(2)，多个电子标签(2)均匀间隔对称设于钢包(1)表面，电子标签(2)的高度位于钢包(1)高度的1/3～2/3处；在钢包(1)运行的各个工位和行车(3)上安装读卡器；行车(3)上在钢包(1)连续运行的跨段每隔10～12m均匀间隔安装有读卡器；电子标签(2)采用耐高温材料封装而成，该耐高温材料包括以下质量百分比的组分：1.0～4.0％的ZrO，5～20％的SiO2，70～85％的CaO，2～7％的MnO；
步骤二、钢包(1)运行时，通过读卡器对电子标签(2)的识别实现对钢包(1)的自动定位；
步骤三、根据钢包(1)的定位信息和钢水状态，建立钢包(1)的温度预测模型，计算钢包(1)的热状态；
钢包(1)的温度预测模型如下：
其中ρ为材料的密度，kg/m3；c为材料热容，W/(kg℃)；T为钢包(1)实时温度，℃；t为钢包(1)运行时间，s；λ为材料的导热系数，W/(m℃)；r为钢包(1)半径，m；z为钢包(1)高度，m；
钢包(1)温度预测模型的边界条件为：
在钢包(1)内部，取第一类边界条件：
T|Γ＝Tw；
其中Γ为物体边界；Tw为钢包(1)的已知壁面温度，℃；
在钢包(1)外表面取第三类边界条件：
其中λ为材料的导热系数，W/(m℃)；T为钢包(1)实时温度，℃；Tf为环境温度，℃；h为综合换热系数，W/(m2℃)；n为边界面的法线方向；
步骤四、根据钢包(1)的热状态，计算转炉冶炼终点钢水出钢温度；计算模型如下：
T终＝Tall+TL+T热+TAr+TLF+TRH+T4
T出＝TL+T热+TAr+TLF+TRH+T4
其中T终为转炉冶炼终点钢水温度，℃；T出为钢包(1)内钢水的出钢温度，℃；Tall为合金化工序钢包(1)温降，℃；TL为某钢种的液相线温度，℃；T热为某钢种浇注需要的过热度温度，℃；TAr为吹Ar处理工序钢包(1)温降，℃；TLF为LF精炼工序钢包(1)温降，℃；TRH为RH精炼工序钢包(1)温降，℃；T4为钢包(1)调运过程温降，℃；
其中TAr＝x1t1；TLF＝x2t2；TRH＝x3t3；T4＝x4t4；
其中x1表示吹Ar处理温降系数，t1表示吹Ar处理时间；x2表示LF精炼处理温降系数，t2表示LF精炼处理时间；x3表示RH精炼处理温降系数，t3表示RH精炼处理时间；x4表示钢包(1)调运过程温降系数，t4表示钢包(1)调运时间。
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