CN111809015B - 基于转炉容积模型的转炉自动出钢方法及转炉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转炉自动出钢方法，包括：根据转炉炉型参数计算转炉容积模型h＝P(θ，V)，V＝Q(θ，h)和θ＝R(V，h)；打开出钢口，转炉倾动旋转，出钢口有炉渣流出时关闭出钢口，根据此时的转炉倾动角度θ₁计算炉内初始熔液体积V₁＝Q(θ₁，0)；转炉旋转至θ₂，该θ₂＝R(V₁，h₀)，开始出钢；根据钢包内的实时钢液体积V₂计算炉内熔液体积V_a及炉内实际液面高度h_a＝P(θ，V_a)；判断熔液液位基准阈值h_s与h_a之间的相对大小，若h_a＜h_s，转炉继续倾动，重复计算h_a，直至h_a＝h_s，转炉停止转动；出钢完毕后关闭出钢口。相应地提供了一种转炉系统。本发明能实时、连续地控制炉内熔液液面高度，操作简单、可控且可靠，在实现自动出钢的同时，有效地防止炉口溢流事故，极大地缩短出钢时间。

Description

基于转炉容积模型的转炉自动出钢方法及转炉系统

技术领域

本发明属于转炉冶炼技术领域，具体涉及一种基于转炉容积模型的转炉自动出钢方法及实现该转炉自动出钢方法的转炉系统。

背景技术

当转炉冶炼完毕后，需要通过倾动机构将炉体倾翻，使炉内钢水从炉帽下方的出钢口流出到炉下台车上的钢包内，这个操作过程被称为转炉出钢操作，工艺对出钢操作的主要要求是：(1)不允许炉渣从出钢口流出；(2)不允许炉渣或钢水从炉口流出；(3)出钢时间尽量短；(4)控制台车移动保证钢水要全部落入钢包内，即钢流的落点最好是保持在钢包中心。

目前出钢操作主要采用人工操作，通过人眼观察和操作经验来控制倾动速度、转炉角度和台车位置。人工控制转炉角度缺乏科学的操作依据，如果人工摇炉速度过快，炉渣或钢水容易从炉口溢出，引发事故；如果人工摇炉过慢，可能导致出钢口处熔液液面高度过低，浮在钢液上方的熔渣被卷入钢流中落入钢包，影响钢水质量，还会导致钢流流速过小造成出钢时间变长。人工控制台车位置主要靠肉眼观察钢流与台车上钢包中心进行对中，钢流温度高、辐射大，现场粉尘多、噪音大，人工操作环境差，易疲劳，可能引发钢水洒出钢包外的事故。

发明内容

本发明涉及一种基于转炉容积模型的转炉自动出钢方法及实现该转炉自动出钢方法的转炉系统，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明涉及一种基于转炉容积模型的转炉自动出钢方法，包括如下步骤：

S1，根据转炉炉型参数计算出转炉容积模型h＝P(θ，V)，V＝Q(θ，h)和θ＝R(V， h)，其中，θ为转炉倾动角度，V为炉内所盛装的熔液体积，h为液面高度，所述液面高度为熔液液面与出钢口之间的高度差；

S2，打开出钢口，转炉倾动旋转，检测到出钢口有炉渣流出时关闭出钢口，获取此时的转炉倾动角度θ₁，由此计算炉内初始熔液体积V₁＝Q(θ₁，0)；

S3，计算预设液面高度h₀下的初始转炉倾动角度θ₂＝R(V₁，h₀)，转炉旋转至θ₂，台车就位后打开出钢口，钢流开始流入钢包内；

S4，获取钢包内的实时钢液体积V₂，据此计算炉内熔液体积V_a＝V₁-V₂，以及计算炉内实际液面高度h_a＝P(θ，V_a)；

S5，以h_s为熔液液位基准阈值，判断h_s与h_a之间的相对大小，若h_a＜h_s，增大转炉倾动角度，并且重复S4～S5，直至h_a＝h_s，转炉停止转动；

S6，当下渣检测装置检测到钢流中渣含量超标时，关闭出钢口，转炉回位。

作为实施方式之一，S1中，具体地，获取转炉炉型参数后，通过柱面坐标体积分的方式计算出V＝Q(θ，h)的表达式，再通过反函数计算出h＝P(θ，V)以及θ＝R(V，h)的表达式。

作为实施方式之一，S5中，h_a＜h_s时，转炉的倾动速度ω∝h_s-h_a。

作为实施方式之一，所述h_s以如下公式确定：h_s＝Lsin(a-θ)-H_Δ，其中， L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角，θ为转炉的倾动角度，H_Δ为预设安全裕量。

作为实施方式之一，S4～S5中，实时监测转炉炉口溢流情况，若转炉炉口出现溢流，则对V_a和h_a的计算公式进行修正。

作为实施方式之一，修正方法包括：

获取炉口溢流瞬间的转炉倾动角度θ₃以及钢包内的钢液体积V₃，计算炉内熔液体积V₄＝Q(θ₃，H)，其中H＝Lsin(a-θ₃)，L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角；

修正后的V_a的计算公式为V_a＝V₄-(V₂-V₃)；h_a的计算公式对应修正。

作为实施方式之一，转炉出钢过程中，根据转炉的倾动角度调节台车的位置以便承接钢流，具体地，采用分段线性函数拟合台车位置与转炉倾动角度之间的关系，根据实际的转炉倾动角度计算台车位置目标值并以此对台车位置进行闭环控制。

作为实施方式之一，钢包内的实时钢液体积V₂的获取方法包括：获取流入至钢包内的钢液重量并计算出钢包内的钢液体积，和/或获取钢包内的钢液液位并计算出钢包内的钢液体积。

本发明还涉及一种实现上述转炉自动出钢方法的转炉系统，包括转炉，所述转炉配置有下渣检测装置和挡渣装置，还包括：

钢包体积测量仪，用于测量钢包内的实时钢液体积；

炉后红外相机，安装于炉后平台，用于在转炉出钢过程中拍摄转炉出钢口及炉口的红外图像；

转炉倾动角度检测装置，用于检测转炉的倾动角度；

出钢控制中心，其接收所述钢包体积测量仪、所述炉后红外相机、所述转炉倾动角度检测装置及所述下渣检测装置的反馈信息，并控制转炉倾动角度和倾动速度以及所述挡渣装置的动作。

作为实施方式之一，上述转炉系统还包括台车定位装置，所述出钢控制中心还接收所述台车定位装置的反馈信息并调节台车的位置以便承接钢流。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的转炉自动出钢方法，能实时、连续地控制炉内熔液液面高度，操作简单、可控且可靠，在实现自动出钢的同时，有效地防止炉口溢流事故，极大地缩短出钢时间；本发明实施例取代了现有的人工出钢操作方法，可节约出钢时间，提升钢水质量，减少工人劳动强度，降低了事故发生率，具有很高的实用价值。

本发明提供的转炉系统能实现转炉自动出钢，结构简单、安装方便，仪器测量方式都是采用远距离非接触式方式，操作安全可靠，设备维护简便，使用寿命长。

附图说明

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，下面描述中的附图仅仅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它的附图。

图1为本发明实施例提供的转炉自动出钢方法的实施流程示意图；

图2为本发明实施例提供的转炉系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的炉内熔液液位设定值原理图；

图4为本发明实施例提供的炉内熔液液位闭环控制原理图；

图5为本发明实施例提供的一种熔液体积与液面高度之间的关系曲线图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-图3，本发明实施例提供一种基于转炉容积模型的转炉自动出钢方法，包括如下步骤：

S1，根据转炉炉型参数计算出转炉容积模型h＝P(θ，V)，V＝Q(θ，h)和θ＝R(V， h)，其中，θ为转炉倾动角度，V为炉内所盛装的熔液体积，h为液面高度，所述液面高度为熔液液面与出钢口之间的高度差。

其中，h＝P(θ，V)表示的是不同转炉倾动角度下液面高度与熔液体积之间的对应关系；V＝Q(θ，h)表示的是不同转炉倾动角度下熔液体积与液面高度之间的对应关系；θ＝R(V，h)表示的是在既定的熔液体积条件下，想要达到某个设定液面高度时所需的转炉倾动角度。在优选的方案中，具体的计算过程包括：获取转炉炉型参数后，通过柱面坐标体积分的方式计算出V＝Q(θ，h)的表达式，再通过反函数计算出h＝P(θ，V)以及θ＝R(V，h)的表达式。附图5示出了一个具体的计算实施例，表明了V＝Q(θ，h)中，θ＝70°、75°、80°、85°、90°、95°、 100°和105°下熔液体积与液面高度之间的关系曲线。

S2，打开出钢口，转炉1倾动旋转，检测到出钢口有炉渣流出时关闭出钢口，获取此时的转炉倾动角度θ₁，由此计算炉内初始熔液体积V₁＝Q(θ₁，0)。在传统方法中，通过转炉1的铁水和溶剂装入质量来估算熔液体积，但是熔渣的密度变化范围很大，因为不同的冶炼操作会有很大区别，因此这种方法估算的体积是不准确的；有别于该传统方法，本实施例中，利用转炉容积模型来计算熔液体积，对于炉内初始熔液体积计算更为准确，保证后续的自动出钢控制的准确性和可靠性。出钢口是否有炉渣流出可通过红外检测等方式进行检测，本实施例中，采用炉后红外相机3 进行检测，进一步优选地，通过该炉后红外相机3 还检测炉口是否有溢流现象。出钢口的启闭可通过挡渣装置11控制，例如滑板挡渣装置11。

S3，计算预设液面高度h₀下的初始转炉倾动角度θ₂＝R(V₁，h₀)，转炉1旋转至θ₂，台车2就位后打开出钢口，钢流开始流入钢包内。打开出钢口开始出钢时的液面高度不能太低否则容易卷渣，也不能太高否则压强太大会造成出钢口无法打开，因此设定打开出钢口开始出钢的液面高度为h₀(该预设液面高度可根据实际情况和现场经验进行确定)，然而液面高度难以实测，实控难度大，因此本实施例中通过控制转炉倾动角度实现上述液面高度的控制，通过转炉容积模型计算出h₀对应的转炉倾动角度θ₂，同时控制转炉1倾动到该位置，易于操作，准确性高。

S4，获取钢包内的实时钢液体积V₂，据此计算炉内熔液体积V_a＝V₁-V₂，以及计算炉内实际液面高度h_a＝P(θ，V_a)。根据出钢过程中熔液体积守恒的原则，炉内熔液体积V_a与钢包内的熔液体积V₂之和应等于炉内初始熔液体积V₁；上述钢包内的实时钢液体积V₂的获取方法包括：获取流入至钢包内的钢液重量并计算出钢包内的钢液体积，和/或获取钢包内的钢液液位并计算出钢包内的钢液体积，其中，钢包内的钢液重量可采用钢包称重装置21测量，例如该钢包称重装置21包括安装在台车2上且位于座包处的压头和称重仪表，通过测量钢包内的钢水重量W来换算出钢液体积V₂＝W/ρ，ρ为钢水密度；钢包内的钢液液位可采用钢包液位计测量，通过测量钢包内钢水深度h’来换算出熔液体积V₂＝h’×S，S 为钢包截面积。

S5，以h_s为熔液液位基准阈值，判断h_s与h_a之间的相对大小，若h_a＜h_s，增大转炉倾动角度，并且重复S4～S5，直至h_a＝h_s，转炉1停止转动。

可以理解地，上述S5中，也即以h_s为设定值，h_a为实时反馈值，构建出一个闭环反馈控制系统，其中的被控对象为转炉倾动角度/转炉倾动速度，当实际液位小于设定液位时，转炉倾动角度增加(由于熔液液位是转炉出钢口中心与熔液液面之间的距离，转炉倾动角度增加时，熔液液位相应地增加)。进一步优选地，h_a＜h_s时，转炉1的倾动速度ω∝h_s-h_a，也即转炉1的倾动速度正比于目标液位与实际液位之间的液位差，这一液位差越大，转炉倾动速度越快，可提高转炉出钢响应速度和出钢效率。在其中一个实施例中，采用控制器进行上述闭环反馈控制，可以采用PID控制器、最小拍控制器、比例控制器等；如图4，D(s)表示控制器，其输出为转炉倾动速度设定值ω，G(s)表示被控对象的数学模型，其含义是转炉倾动速度对熔液液位高度的影响；以采用比例控制器为例，

D(s)＝K

ω＝Kh_e＝K(h_s-h₁)

其中，K为比例控制器赋予的比例系数，实际使用中可以先将K设置为一个较小的值，然后在保证系统稳定性的前体下，逐步调大K值来提高系统的响应速度。

优选地，上述h_s根据炉内熔液不从炉口溢出的原则来设定，熔液液位高度应该越大越好，液位高度越大，出钢口处压力越大，出钢流量越大，出钢速度越快，但液位不能超过炉口，否者炉渣会从炉口溢出。本实施例中，可将上述 h_s设定为炉口与出钢口之间的竖向间距H，但考虑到制造偏差、模型误差以及控制过程中的波动等，进一步优选为减去安全裕量H_Δ，以保证熔液不会从炉口溢出。如图3，上述H可表示为：

H＝Lsin(α-θ)

则上述h_s可表示为：

h_s＝Lsin(α-θ)-H_Δ

其中，L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角，θ为转炉1的倾动角度，H_Δ为预设安全裕量。

进一步优化上述方法，S4～S5中，实时监测转炉炉口溢流情况，若转炉炉口出现溢流，则对V_a和h_a的计算公式进行修正。如果检测到炉口溢流现象，说明当前炉内熔液液面高度达到了上述的H，而部分炉渣从炉口溢出，上述熔液体积守恒关系被破坏，即需要进行修正；优选地，修正方法包括：

获取炉口溢流瞬间的转炉倾动角度θ₃以及钢包内的钢液体积V₃，计算炉内熔液体积V₄＝Q(θ₃，H)，其中H＝Lsin(α-θ₃)，L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角；

仍然根据熔液体积守恒原则，修正后的V_a的计算公式为V_a＝V₄-(V₂-V₃)，该 V₂仍为钢包内的实时钢液体积；h_a的计算公式对应修正，即仍根据转炉容积模型h_a＝P(θ，V_a)，将其中的V_a替换为修正后的V_a即可。

另外可选地，还可对上述h_s进行修正，可通过调节上述H_Δ实现，具体为增大H_Δ，从而使h_s减小，可避免再次出现炉口溢流的现象。

如上所述，对于上述炉口溢流现象的监控，可通过炉后红外相机3 实现，该炉后红外相机3 安装在炉后平台，进一步优选为安装在炉后平台下方转炉轴线上，在出钢过程中可连续拍摄出钢口附近和炉口的红外图像。该炉后红外相机3 可采用非制冷焦平面型红外长波相机，当然其它型式的红外相机也适用于本实施例中。

S6，当下渣检测装置4检测到钢流中渣含量超标时，关闭出钢口，转炉1 回位。

进一步优化上述方法，转炉1出钢过程中，根据转炉1的倾动角度调节台车2的位置以便承接钢流；在转炉倾动角度的调节过程中，该台车2的位置需实时调节，以便保证钢水全部落入钢包内。相应地，可通过台车定位装置6精确定位台车2的位置，例如可采用激光测距仪或者格雷米线方式等；台车2的合适位置与转炉倾动角度相关，实际控制中可采用分段线性函数拟合台车位置与倾动角度的关系，再根据实际的转炉倾动角度计算台车位置目标值并以此对台车位置进行闭环控制。

本实施例提供的转炉自动出钢方法，能实时、连续地控制炉内熔液液面高度，操作简单、可控且可靠，在实现自动出钢的同时，有效地防止炉口溢流事故，极大地缩短出钢时间；本发明实施例取代了现有的人工出钢操作方法，可节约出钢时间，提升钢水质量，减少工人劳动强度，降低了事故发生率，具有很高的实用价值。

实施例二

本发明实施例提供一种实现上述转炉自动出钢方法的转炉系统，包括转炉 1，所述转炉1配置有下渣检测装置4和挡渣装置11，还包括：

钢包体积测量仪，用于测量钢包内的实时钢液体积；

炉后红外相机3 ，安装于炉后平台，用于在转炉1出钢过程中拍摄转炉出钢口及炉口的红外图像；

转炉倾动角度检测装置7，用于检测转炉1的倾动角度；

出钢控制中心5，其接收所述钢包体积测量仪、所述炉后红外相机3 、所述转炉倾动角度检测装置7及所述下渣检测装置4的反馈信息，并控制转炉倾动角度和倾动速度以及所述挡渣装置11的动作。

上述各设备在上述实施例一中已有述及，可参考上述实施例一中的相关内容，具体结构此处不作赘述；出钢控制中心5根据接收到的反馈信息，可执行上述实施例一中所提供的转炉自动控制方法，以达到控制转炉倾动角度和倾动速度以及所述挡渣装置11的动作的目的。

进一步优选地，该转炉系统还包括台车定位装置6，所述出钢控制中心5还接收所述台车定位装置6的反馈信息并调节台车2的位置以便承接钢流；同样地，具体可参考上述实施例一中的相关内容，此次从略。

本发明实施例提供的转炉系统能实现转炉自动出钢，结构简单、安装方便，仪器测量方式都是采用远距离非接触式方式，操作安全可靠，设备维护简便，使用寿命长。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于转炉容积模型的转炉自动出钢方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，根据转炉炉型参数计算出转炉容积模型h＝P(θ，V)，V＝Q(θ，h)和θ＝R(V，h)，其中，θ为转炉倾动角度，V为炉内所盛装的熔液体积，h为液面高度，所述液面高度为熔液液面与出钢口之间的高度差；

S2，打开出钢口，转炉倾动旋转，检测到出钢口有炉渣流出时关闭出钢口，获取此时的转炉倾动角度θ₁，由此计算炉内初始熔液体积V₁＝Q(θ₁，0)；

S3，计算预设液面高度h₀下的初始转炉倾动角度θ₂＝R(V₁，h₀)，转炉旋转至θ₂，台车就位后打开出钢口，钢流开始流入钢包内；

S4，获取钢包内的实时钢液体积V₂，据此计算炉内熔液体积V_a＝V₁-V₂，以及计算炉内实际液面高度h_a＝P(θ，V_a)；

S5，以h_s为熔液液位基准阈值，判断h_s与h_a之间的相对大小，若h_a＜h_s，增大转炉倾动角度，并且重复S4～S5，直至h_a＝h_s，转炉停止转动；

S6，当下渣检测装置检测到钢流中渣含量超标时，关闭出钢口，转炉回位。

2.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于：S1中，具体地，获取转炉炉型参数后，通过柱面坐标体积分的方式计算出V＝Q(θ，h)的表达式，再通过反函数计算出h＝P(θ，V)以及θ＝R(V，h)的表达式。

3.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于：S5中，h_a＜h_s时，转炉的倾动速度ω∝h_s-h_a。

4.如权利要求1或3所述的转炉自动出钢方法，其特征在于，所述h_s以如下公式确定：h_s＝Lsin(a-θ)-H_Δ，其中，L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角，θ为转炉的倾动角度，H_Δ为预设安全裕量。

5.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于：S4～S5中，实时监测转炉炉口溢流情况，若转炉炉口出现溢流，则对V_a和h_a的计算公式进行修正。

6.如权利要求5所述的转炉自动出钢方法，其特征在于，修正方法包括：

获取炉口溢流瞬间的转炉倾动角度θ₃以及钢包内的钢液体积V₃，计算炉内熔液体积V₄＝Q(θ₃，H)，其中H＝Lsin(a-θ₃)，其中，L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角；

修正后的V_a的计算公式为V_a＝V₄-(V₂-V₃)；h_a的计算公式对应修正。

7.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于：转炉出钢过程中，根据转炉的倾动角度调节台车的位置以便承接钢流，具体地，采用分段线性函数拟合台车位置与转炉倾动角度之间的关系，根据实际的转炉倾动角度计算台车位置目标值并以此对台车位置进行闭环控制。

8.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于，钢包内的实时钢液体积V₂的获取方法包括：获取流入至钢包内的钢液重量并计算出钢包内的钢液体积，和/或获取钢包内的钢液液位并计算出钢包内的钢液体积。

9.一种实现如权利要求1至8中任一项所述的转炉自动出钢方法的转炉系统，包括转炉，所述转炉配置有下渣检测装置和挡渣装置，其特征在于，还包括：

钢包体积测量仪，用于测量钢包内的实时钢液体积；

炉后红外相机，安装于炉后平台，用于在转炉出钢过程中拍摄转炉出钢口及炉口的红外图像；

转炉倾动角度检测装置，用于检测转炉的倾动角度；

出钢控制中心，其接收所述钢包体积测量仪、所述炉后红外相机、所述转炉倾动角度检测装置及所述下渣检测装置的反馈信息，并控制转炉倾动角度和倾动速度以及所述挡渣装置的动作。

10.如权利要求9所述的转炉系统，其特征在于：还包括台车定位装置，所述出钢控制中心还接收所述台车定位装置的反馈信息并调节台车的位置以便承接钢流。

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