CN114433804A - 中间包等离子加热电弧控制方法、装置及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中间包等离子加热电弧控制方法、装置及控制系统，涉及钢铁冶金技术领域，其中方法包括：确定等离子加热电极与中间包中钢水液面的恒定距离，以及等离子加热电极的消耗速度；当接收到加热请求时，控制等离子加热电极移动到设定位置，并对中间包中的钢水进行加热；设定位置到钢水的液面的距离为恒定距离；根据中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中钢水的液位高度；根据液位高度的变化以及等离子加热电极的消耗长度，实时调整等离子加热电极的高度，以使等离子加热电极与钢水的液面保持恒定距离。本方案，能够保持钢水液面与等离子加热电极之间的距离恒定，即弧长恒定，从而使等离子电弧更加稳定。

Description

中间包等离子加热电弧控制方法、装置及控制系统

技术领域

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等离子加热电弧控制方法、装置及控制系统。

背景技术

在钢铁生产的连铸过程中，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。由于在连铸过程中，中间包内钢水的热量不可避免地会存在损失，因此需要使用等离子加热的方法，使中间包内钢水的温度稳定在目标值附近。

然而，在中间包等离子加热过程中，为了保持等离子电弧稳定，一般采用恒压或者恒阻抗模式来动态调节电极高度。但是电弧长度与电弧阻抗之间、电弧长度与电弧电压之间并不是线性关系，电弧的微小变化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。

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；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。

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，并未公开本申请的中间包等离子加热电弧控制方法。

因此，现有的等离子加热电弧控制方法，并不能很好地使等离子电弧保持稳定，故而亟需一种中间包等离子加热电弧控制的新方法。

发明内容

基于现有的等离子加热电弧控制方法，并不能很好地使等离子电弧保持稳定的问题，本发明实施例提供了一种中间包等离子加热电弧控制方法、装置及控制系统，能够有效地提高等离子电弧的稳定性。

本发明实施例提供了一种中间包等离子加热电弧控制方法，包括：

确定等离子加热电极与中间包中钢水液面的恒定距离，以及等离子加热电极的消耗速度；

当接收到加热请求时，控制等离子加热电极移动到设定位置，并对中间包中的钢水进行加热；设定位置到钢水的液面的距离为恒定距离；

根据中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中钢水的液位高度；

根据等离子加热电极的消耗速度，实时计算加热过程中等离子加热电极的消耗长度；

根据液位高度的变化以及等离子加热电极的消耗长度，实时调整等离子加热电极的高度，以使等离子加热电极与钢水的液面保持恒定距离。

优选的，确定等离子加热电极与中间包中钢水液面的恒定距离，包括：

测试等离子加热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恒定距离。

优选的，控制等离子加热电极移动到设定位置，包括：

实时采集等离子加热电极与中间包中钢水之间的电压；

控制等离子加热电极产生等离子加热电弧，以使产生的等离子加热电弧与中间包中的钢水产生电连接；

控制等离子加热电极靠近中间包中的钢水，直至电压显示等离子加热电极与中间包中的钢水短路，将此时等离子加热电极的位置设定为初始位置；

控制等离子加热电极从初始位置，向远离钢水液面的方向移动，移动距离为恒定距离，即到达设定位置。

优选的，根据中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中钢水的液位高度，包括：

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液位高度的关系式；

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液位高度。

优选的，根据中间包的尺寸和钢水的密度，建立中间包中钢水的重量与液位高度的关系式，包括：

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液位高度的关系式。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，确定等离子加热电极的消耗速度，包括：

根据等离子加热电极的材质、等离子加热电极的直径和等离子加热电极的工作电流制定对应的消耗速度关系数据库；

根据当前等离子加热电极的材质、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加热电极的消耗速度。

优选的，根据等离子加热电极的消耗速度，实时计算加热过程中等离子加热电极的消耗长度，包括：

获取等离子加热电极的消耗速度；

根据等离子加热电极的消耗速度，确定调整间隔；

计算在调整间隔内等离子加热电极的消耗长度。

第二方面，本发明实施例还提供了一种中间包等离子加热电弧控制装置，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等离子加热电弧控制方法。

第三方面，本发明实施例还提供了一种中间包等离子加热电弧控制系统，包括：

中间包，用于盛装钢水；

等离子加热电极，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加热电极和钢水，用于给等离子加热电极供电；

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；

移动组件，连接等离子加热电极，用于控制等离子加热电极移动；

电压传感器，设置在等离子加热电极与钢水之间，用于实时采集等离子加热电极与钢水之间的电压；

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；

控制装置，分别与等离子发生器、移动组件、电压传感器、温度传感器和称重装置电连接，所述控制装置为本说明书第二方面所述的控制装置。

优选的，等离子加热电极为石墨电极，采用中空结构；等离子气体为氩气，从等离子加热电极的中间通入。

本发明实施例提供了一种中间包等离子加热电弧控制方法，将等离子加热电极移动至位于钢水的液面上方的设定位置，在对钢水加热的过程中，根据中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中钢水的液位高度，并且根据液位高度的变化以及等离子加热电极的消耗长度，实时调整等离子加热电极的高度，以使等离子加热电极与钢水的液面保持恒定距离。保持钢水液面与等离子加热电极之间的距离恒定，即弧长恒定，从而使等离子电弧更加稳定。

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。

图1是本发明一实施例提供的一种中间包等离子加热电弧控制方法流程图；

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一种中间包等离子加热电弧控制系统示意图；

图中：

1、中间包；2、等离子加热电极；3、等离子发生器；4、底电极；5、移动组件； 6、电压传感器；7、电缆。

具体实施方式

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。

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，寻求外部热源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。

中间包等离子加热是通过电极放电，产生高能量等离子体，能量通过对流传递到中间包钢水中，提高钢水温度，实现电能到热能的转换。中间包等离子加热技术是一种高效、清洁的中间包加热方法，能够实现恒温、低过热度浇注，从而提高铸坯质量。

然而，现有的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。

因此，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加热电极，通过保持等离子加热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，还考虑了等离子加热电极的消耗，因此，随着钢水液位高度的缓慢变化以及等离子加热电极的消耗，等离子加热电极缓慢移动，不会出现大的波动，从而使等离子加热电弧更加稳定。

下面描述以上构思的具体实现方式。

请参考图1，本发明实施例提供了一种中间包等离子加热电弧控制方法，该方法包括：

步骤100，确定等离子加热电极与中间包中钢水液面的恒定距离，以及等离子加热电极的消耗速度；

步骤102，当接收到加热请求时，控制等离子加热电极移动到设定位置，并对中间包中的钢水进行加热；设定位置到钢水的液面的距离为恒定距离；

步骤104，根据中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中钢水的液位高度；

步骤106，根据等离子加热电极的消耗速度，实时计算加热过程中等离子加热电极的消耗长度；

步骤108，根据液位高度的变化以及等离子加热电极的消耗长度，实时调整等离子加热电极的高度，以使等离子加热电极与钢水的液面保持恒定距离。

本发明实施例中，将等离子加热电极移动至位于钢水的液面上方的设定位置，在对钢水加热的过程中，根据中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中钢水的液位高度，并且根据液位高度的变化以及等离子加热电极的消耗长度，实时调整等离子加热电极的高度，以使等离子加热电极与钢水的液面保持恒定距离，直至完成加热。保持钢水液面与等离子加热电极之间的距离恒定，即弧长恒定，从而使等离子电弧更加稳定。

下面描述图1所示的各个步骤的执行方式。

首先，针对步骤100，确定等离子加热电极与中间包中钢水液面的恒定距离，以及等离子加热电极的消耗速度。

为了提高等离子加热电极的加热效率，需要确定等离子加热电极的加热高度，即选定等离子加热电极与中间包中钢水液面的恒定距离。

在本发明实施例中，是通过实验来确定的，具体地，测试等离子加热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恒定距离。

当然，确定恒定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恒定距离，故这里不做具体限定。

另外，不光要考虑钢水液位高度的变化，还要考虑等离子加热电极的消耗。由于等离子加热电极在使用时，会产生电极的消耗，电极下端的消耗，势必会引起等离子加热电极与钢水液面的距离变化，为了使等离子加热电极和钢水液面的距离恒定不变，需要提前确定等离子加热电极的消耗速度。

在本发明实施例中，确定等离子加热电极的消耗速度，包括：

根据所述等离子加热电极的材质、所述等离子加热电极的直径和所述等离子加热电极的工作电流制定对应的消耗速度关系数据库；

根据当前所述等离子加热电极的材质、直径和工作电流，以及所述消耗速度关系数据库确定当前等离子加热电极的消耗速度。

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加热电极的消耗速度制定关系数据库。

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，等离子加热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。

可以理解，根据当前使用的等离子加热电极的材质、直径和工作电流，以及提前制定的消耗速度关系数据库确定当前等离子加热电极的消耗速度。

然后，针对步骤102，当接收到加热请求时，控制等离子加热电极移动到设定位置，并对中间包中的钢水进行加热；设定位置到钢水的液面的距离为恒定距离。

在本发明实施例中，当中间包中的钢水需要加热时，需要控制等离子加热电极的底端移动到设定位置，该设定位置到当前钢水的液面的距离应为步骤100中确定的恒定距离。

需要说明的是，等离子加热电极在不加热时，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加热电极到当前钢水液面的距离。

本发明一个实施例中，控制等离子加热电极移动到设定位置，至少可以通过如下两种方式来实现：

方式一、通过等离子加热电极和钢水短路，来确定当前钢水液面位置，进而控制等离子加热电极移动到设定位置。

方式二、首先使等离子加热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中确定的恒定距离，来控制等离子加热电极移动到设定位置。

下面对上述两种方式分别进行说明。

首先对方式一进行说明。

在该方式一中，本发明实施例具体可以包括如下步骤S1-S4：

S1：实时采集等离子加热电极与中间包中钢水之间的电压；

S2：控制等离子加热电极产生等离子加热电弧，以使产生的等离子加热电弧与中间包中的钢水产生电连接；

S3：控制等离子加热电极靠近中间包中的钢水，直至电压显示等离子加热电极与中间包中的钢水短路，将此时等离子加热电极的位置设定为初始位置；

S4：控制等离子加热电极从初始位置，向远离钢水液面的方向移动，移动距离为恒定距离，即到达设定位置。

在本发明实施例中，首先需要实时采集等离子加热电极与中间包中钢水之间的电压。然后，控制位于钢水上方的等离子加热电极产生等离子加热电弧，当等离子加热电弧与钢水形成电连接时，等离子加热电极还未与钢水液面接触，此时采集的等离子加热电极与中间包中钢水之间的电压有示数。

接着，控制等离子加热电极垂直向下移动，当采集的电压显示为0时，表明等离子加热电极与钢水之间短路，等离子加热电极的底端碰到钢水表面。将此时等离子加热电极的位置，即当前钢水液面位置作为初始位置。最后，控制等离子加热电极从初始位置，向上移动恒定距离后到达设定位置，此时等离子加热电极到钢水的距离就等于恒定距离。

上述完成了对方式一的说明，接下来对方式二进行说明。

在该方式二中，本发明实施例具体可以包括：

使等离子加热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。然后控制等离子加热电极向上移动，移动距离为当前钢水的液位高度和步骤100中确定的恒定距离之和，再控制等离子加热电极水平移动到钢水上方，即到达设定位置。

其中，当前钢水的液位高度可以人为输入，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会进行具体说明。

接下来，针对步骤104，根据中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中钢水的液位高度。

本发明一个实施例中，至少可以通过如下步骤H1-H2计算钢水的液位高度：

H1：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液位高度的关系式。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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液位高度的关系式。

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。

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。

H2：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液位高度。

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H1中钢水的重量与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液位高度。

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。

另外，根据此步骤中钢水的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中确定的恒定距离，来控制等离子加热电极移动到设定位置，完成步骤102中的方式二。

紧接着，针对步骤106，根据等离子加热电极的消耗速度，实时计算加热过程中等离子加热电极的消耗长度。

在本发明实施例中，根据等离子加热电极的消耗速度，实时计算加热过程中等离子加热电极的消耗长度，包括：获取等离子加热电极的消耗速度；根据等离子加热电极的消耗速度，确定调整间隔；计算在调整间隔内等离子加热电极的消耗长度。

举例来说，当步骤100中，确定的等离子加热电极的消耗速度为v，即单位时间内等离子加热电极的消耗长度，若加热时间段为t，那么在该时间段内等离子加热电极的消耗长度为vt。

需要说明的是，调整间隔即加热时间段需要根据等离子加热电极的消耗速度来定，若等离子加热电极的消耗速度比较快，那么调整间隔需要确定的比较小；若等离子加热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，计算在调整间隔内等离子加热电极的消耗长度。

最后，针对步骤108，根据液位高度的变化以及等离子加热电极的消耗长度，实时调整等离子加热电极的高度，以使等离子加热电极与钢水的液面保持恒定距离。

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，那么等离子加热电极就需要随钢水液面移动，以使等离子加热电弧能够稳定对钢水进行加热。

在本发明实施例中，通过步骤102，使等离子加热电极移动至位于钢水液面上方的设定位置后，此时等离子加热电极到钢水液面的距离为恒定距离。在对钢水加热的过程中，为了保持等离子加热电极和钢水液面的距离恒定不变，根据步骤104中实时计算的钢水的液位高度，实时监测钢水液位高度的变化，并根据液位高度的变化以及步骤106中实时计算的等离子加热电极的消耗长度，调整等离子加热电极的高度，以使等离子加热电极的底端与钢水的液面保持恒定距离。

举例来说，在消耗长度的一个调整间隔内，若钢水的液位高度没有变化，那么只需要控制等离子加热电极下降调整间隔内的等离子加热电极的消耗长度即可；若在消耗长度的一个调整间隔内，钢水的液位高度一直在上升，那么等离子加热电极随着钢水的液位高度上升，并且到消耗长度的调整时间时，等离子加热电极的上升高度，需要额外减去调整间隔内的等离子加热电极的消耗长度。

在本发明实施例中，中间包等离子加热采用恒弧长的方式控制，可以使等离子电弧更加稳定。本发明各实施例至少具有如下有益效果：

1、电流波动范围在8%以内，电压波动范围在5%以内，大幅提高了等离子电流电压的稳定性，同时，有效减少谐波的产生，减少对电网的冲击。

2、电流电压更稳定，减少对周围电气设备的电磁干扰，对结晶器液位控制系统的电磁干扰减小，使其液位波动满足产品要求。

3、减少加热过程中的电极消耗约10%，减少中间包钢水的碳含量增加量。

4、提高了中间包加热效率，升温速度加快，升温速率提高10%左右。

5、熔炼好的钢坯结晶均匀，提高产品质量效果显著。

本发明实施例提供了一种中间包等离子加热电弧控制装置，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等离子加热电弧控制方法。

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加热电极的消耗长度，并控制离子加热电极移动，实现本说明书任一实施例所述的中间包等离子加热电弧控制方法。

如图4所示，本发明实施例还提供了一种中间包等离子加热电弧控制系统，包括：

中间包1，用于盛装钢水；

等离子加热电极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加热电极2和钢水，用于给等离子加热电极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；

移动组件5，连接等离子加热电极2，用于控制等离子加热电极2移动；

电压传感器6，设置在等离子加热电极2与钢水之间，用于实时采集等离子加热电极2与钢水之间的电压；

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；

控制装置（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、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等离子加热电弧控制方法。

在本发明实施例中，等离子加热电极2为石墨电极，采用中空结构；等离子气体为氩气，从等离子加热电极的中间通入。当等离子加热电极2开始工作时，通过等离子加热电极2放电，电离氩气产生高能量等离子体，以对钢水进行加热。

需要说明的是，等离子加热电极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。

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。等离子发生器3用来为等离子加热电极2供电，来使等离子加热电极2产生等离子体。

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。

在本发明实施例中，移动组件5为机械臂，机械臂有多个轴，可以多轴同时动作，在自动运行前需要设定自动运行路径。

在本发明实施例中，控制装置（图中未标出）为PLC控制器，分别连接等离子发生器3、移动组件5、电压传感器6、温度传感器（图中未标出）和称重装置（图中未标出），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等离子加热电弧控制方法。

另外，由于等离子加热电极2产生的热量太大，需要对连接等离子加热电极2和等离子发生器3，底电极4和等离子发生器3的电缆7使用水冷降温。

接下来，对中间包1等离子加热电弧控制系统的工作过程，通过步骤K1-K7进行说明。

K1，通过PLC控制器（图中未标出）设定等离子发生器3提供的电流或电压，以及对移动组件5设置运行路径。

K2，温度传感器（图中未标出）将钢水温度传入PLC控制器（图中未标出）。当钢水温度低，需要加热时，PLC控制器（图中未标出）控制移动组件5按预设运行路径运行，带动等离子加热电极2移动。

K3，等移动组件5移动到设定位置，开启等离子发生器3，开冷却水，开等离子气体氩气。移动组件5继续移动，电压传感器6实时采集等离子加热电极2与中间包1钢水之间的电压。当电压为0时，表示等离子加热电极2与钢水之间短路，等离子加热电极2碰到钢水表面。将此时的移动组件5位置以及钢水液位高度存入PLC控制器（图中未标出）中，作为初始位置。

K4，根据提前设置好的钢水与等离子加热电极2之间的恒定距离，移动组件5向上移动开始提升拉弧，当两者距离等于恒定距离，移动组件5停止提升，持续为中间包1钢水加热。

K5，在加热过程中，称重装置（图中未标出）实时测量钢水重量，并传输给PLC控制器（图中未标出），PLC控制器（图中未标出）根据实时钢水重量，实时计算出钢水的液位高度变化Δh，根据钢水液位高度变化，控制移动组件5调整等离子加热电极2高度Δh。

K6，并且根据等离子加热电极2的消耗速度，计算在当前调整间隔内等离子加热电极2的消耗长度，到消耗长度的调整时间时，额外使等离子加热电极2下降与等离子加热电极2的消耗长度相同的高度，使钢水与等离子加热电极2的底端之间保持恒定距离，即恒定弧长。

K7，当钢水温度到达目标值，等离子发生器3停止输出，关氩气，移动组件5带动等离子加热电极2回到初始位置。

K8，过10分钟，关闭冷却水，加热结束。

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。

Claims (12)

1.一种中间包等离子加热电弧控制方法，其特征在于，包括：

确定等离子加热电极与中间包中钢水液面的恒定距离，以及所述等离子加热电极的消耗速度；

当接收到加热请求时，控制所述等离子加热电极移动到设定位置，并对所述中间包中的钢水进行加热；所述设定位置到所述钢水的液面的距离为所述恒定距离；

根据所述中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中所述钢水的液位高度；

根据所述等离子加热电极的消耗速度，实时计算加热过程中所述等离子加热电极的消耗长度；

根据所述液位高度的变化以及所述等离子加热电极的消耗长度，实时调整所述等离子加热电极的高度，以使所述等离子加热电极与所述钢水的液面保持所述恒定距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定等离子加热电极与中间包中钢水液面的恒定距离，包括：

测试等离子加热电极与中间包中钢水液面在不同距离时，所述中间包中钢水的加热速度；

确定加热速度最快的距离为恒定距离。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制所述等离子加热电极移动到设定位置，包括：

实时采集所述等离子加热电极与所述中间包中钢水之间的电压；

控制所述等离子加热电极产生等离子加热电弧，以使产生的等离子加热电弧与所述中间包中的钢水产生电连接；

控制所述等离子加热电极靠近所述中间包中的钢水，直至电压显示所述等离子加热电极与所述中间包中的钢水短路，将此时所述等离子加热电极的位置设定为初始位置；

控制所述等离子加热电极从所述初始位置，向远离钢水液面的方向移动，移动距离为所述恒定距离，即到达设定位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述中间包中钢水的重量，实时计算加热过程中所述钢水的液位高度，包括：

根据所述中间包内部的尺寸和所述钢水的密度，建立所述中间包中钢水的重量与液位高度的关系式；

实时获取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，实时计算加热过程中所述钢水的液位高度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述中间包的尺寸和所述钢水的密度，建立所述中间包中钢水的重量与液位高度的关系式，包括：

根据所述中间包内部的尺寸，建立所述钢水的体积与液位高度的第一方程式；

根据所述钢水的密度，建立所述钢水的体积与重量的第二方程式；

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位高度的关系式。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一方程式为：

其中，

为所述钢水的体积，h为所述钢水的液位高度，

为所述中间包内部的底部长度，

为所述中间包内部的底部宽度，

为所述中间包内部长度方向上的包壁倾角，

为所述中间包内部宽度方向上的包壁倾角。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述中间包中钢水的重量与液位高度的关系式为：

其中，M为所述中间包中钢水的重量，

为所述钢水的密度，h为所述钢水的液位高度，

为所述中间包内部的底部长度，

为所述中间包内部的底部宽度，

为所述中间包内部长度方向上的包壁倾角，

为所述中间包内部宽度方向上的包壁倾角。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述等离子加热电极的消耗速度，包括：

根据等离子加热电极的材质、等离子加热电极的直径和等离子加热电极的工作电流制定对应的消耗速度关系数据库；

根据当前等离子加热电极的材质、直径和工作电流，以及所述消耗速度关系数据库确定当前所述等离子加热电极的消耗速度。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述等离子加热电极的消耗速度，实时计算加热过程中所述等离子加热电极的消耗长度，包括：

获取所述等离子加热电极的消耗速度；

根据所述等离子加热电极的消耗速度，确定调整间隔；

计算在调整间隔内所述等离子加热电极的消耗长度。

10.一种中间包等离子加热电弧控制装置，其特征在于，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，实现如权利要求1-9中任一项所述的方法。

11.一种中间包等离子加热电弧控制系统，其特征在于，包括：

中间包，用于盛装钢水；

等离子加热电极，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；

等离子发生器，两端分别连接所述等离子加热电极和所述钢水，用于给所述等离子加热电极供电；

底电极，设置在所述中间包的底部，两端分别连接所述钢水和所述等离子发生器；

移动组件，连接所述等离子加热电极，用于带动所述等离子加热电极移动；

电压传感器，设置在所述等离子加热电极与所述钢水之间，用于实时采集所述等离子加热电极与所述钢水之间的电压；

温度传感器，设置在所述钢水中，用于实时采集所述钢水的温度；

称重装置，设置在所述中间包的底部，用于实时对所述钢水称重；

控制装置，分别与所述等离子发生器、所述移动组件、所述电压传感器、所述温度传感器和所述称重装置电连接，所述控制装置为权利要求10所述的控制装置。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述等离子加热电极为石墨电极，采用中空结构；所述等离子气体为氩气，从所述等离子加热电极的中间通入。

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