一种具有钢液温度控制装置的VD炉及其控制方法与流程

本发明涉及冶炼技术领域，特别是涉及一种具有钢液温度控制装置的VD炉及其控制方法。

背景技术：
VD炉(vacuumdecarburizationfurnace，真空脱气炉)可对钢液进行真空脱气处理以及在真空下对合金成分进行微调及氩气搅拌，是钢铁冶炼工艺中重要的冶炼设备。通常情况下，为了保证VD炉产出的钢液质量，在VD炉出钢时，需要采用高温出钢法(将出炉钢液温度控制在较高的温度范围)。虽然高温出钢可以保证钢液的质量，但是出炉的钢液的温度越高，带来的危害越大。例如，随着出炉的钢液温度提高，可能增大溢钢事故发生的概率，增加炼钢炉的热负荷，降低炉龄，增加冶炼成本和环境危害等。因此，将VD炉的出炉钢液温度控制在合理的范围，具有重要的意义。现有技术中，通常采用神经网络模型对VD炉的出炉钢液温度进行预测，当预测VD炉中的钢液温度达到合适的范围内时，进行出钢操作，提高了VD炉的出炉钢液温度的控制精度。但是，这种单纯采用测量数据进行温度预测的方法具有明显的滞后性，导致出炉钢液温度控制不准确。

技术实现要素：
本发明实施例中提供了一种具有钢液温度控制装置的VD炉及其控制方法，以解决现有技术中VD炉的出炉钢液温度控制不准确的问题。为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：一种具有钢液温度控制装置的VD炉，包括钢包，所述钢包的内衬和外壳之间设有空腔，所述空腔内设有进气管、出气管和两个或两个以上第一温度传感器，所述两个或两个以上第一温度传感器均匀分布在所述空腔内；所述钢包内侧的底部设有一个第一喷射管和两个或两个以上第二喷射管，所述两个或两个以上第二喷射管以所述第一喷射管为中心均匀设置，所述第一喷射管的喷射方向竖直向上，所述第二喷射管的喷射方向朝向所述钢包的侧壁，所述钢包内侧的侧壁上还设有第三喷射管，所述第三喷射管的喷射方向为水平方向，且所述第三喷射管的喷射方向与所述钢包的侧壁相切，所述第一喷射管、第二喷射管和第三喷射管内设有加热器；所述钢包的外侧还设有真空罐，所述真空罐上设有控制器以及用于检测钢包内钢液温度的第二温度传感器。优选地，所述第一喷射管内设有螺旋通气管。优选地，所述螺旋通气管的螺旋角为26°。优选地，所述第二喷射管的出口处的两端设有两个圆形喷射部，所述两个圆形喷射部之间设有矩形喷射部，所述矩形喷射部的外侧边沿设有箱矩形喷射部外侧倾斜的导流板。优选地，所述圆形喷射部的直径与所述矩形喷射部的高度之比为3:1。优选地，所述导流板与所述矩形喷射部的夹角为45°。优选地，相邻的两个所述第二喷射管的喷射覆盖面积的重合部分的扇形圆心角为10°～15°。优选地，所述第三喷射管上设有旁路喷射口，所述旁路喷射口的喷射方向竖直向上。一种具有钢液温度控制装置的VD炉的控制方法，采用上述的VD炉，所述控制方法包括：步骤S100：钢包盛放根据钢液温度设定值从LF精炼炉出炉的钢液后，将钢包放入真空罐中，使用第二温度传感器对钢液温度进行处理前测量，得到钢液处理前温度；步骤S200：使用第一温度传感器对空腔内的温度进行测量，且根据所述钢液处理前温度对所述第一温度传感器测出的温度进行标定，根据标定平均值控制进气管和出气管内气流的流量；步骤S300：控制真空罐进行抽真空，并使用第一喷射管对钢液吹氩；步骤S400：保持真空阶段，通过第一温度传感器对空腔内的温度进行实时监控，当空腔内的温度在垂直方向分布不均匀时，使用第二喷射管进行吹氩，当空腔内的温度在水平方向上分布不均匀时，使用第三喷射管进行吹氩；其中，如果空腔的平均温度变化曲线位于设定的的曲线阈值范围内，则通过改变进气管和出气管内气流的流量调整钢液的温度；如果空腔的平均温度变化曲线超出设定的的曲线阈值范围，则通过改变加热器的加热功率来调整钢液的温度；步骤S500：破真空后，通过第二温度传感器对钢液温度进行处理后测量，得到钢液处理后温度，通过钢液处理后温度对钢液温度的设定值进行调整，且进行出钢操作。优选地，所述步骤S200中，根据标定平均值控制进气管和出气管内气流的流量，具体包括：根据关系式Q1＝k*T12调整进气管和出气管内气流的流量，其中，Q1为所述气流的流量，T1为所述标定平均值，k为比例系数。优选地，所述步骤S400还包括：当第二喷射管和/或第三喷射管进行吹氩时，钢包内的吹氩总流量小于或等于第一喷射管单独吹氩时的120％，且第一喷射管的喷射流量占总流量的50％以上。优选地，所述步骤S400还包括：当使用第二喷射管和/或第三喷射管吹氩时，首先使用小于预设开度值的开度进行微量吹氩，然后逐渐增加吹氩流量，当增加至预设开度值的110％时再次降低流量，最终使得实际开度值与预设开度值相吻合。由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种具有钢液温度控制装置的VD炉及其控制方法，通过对VD炉中的温度进行主动调控，提高出炉钢液温度的控制精度和反应速度，以保证浇注温度处于最佳的目标值范围，达到降低冶炼成本，缩短冶炼的时间，提高冶炼的效率，提高能源的利用率的目的。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，对于本领域普通技术人员而言，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为本发明实施例提供的一种具有钢液温度控制装置的VD炉的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种第一喷射管的结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种第二喷射管的结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种第三喷射管的结构示意图；图中的符号表示为：1、钢包；2、真空罐；3、内衬；4、外壳；5、空腔；6、进气管；7、出气管；8、第一喷射管；9、第二喷射管；10、第三喷射管；11、第一温度传感器；12、控制器；13、第二温度传感器；14、加热器；15、螺旋通气管；16、圆形喷射部；17、矩形喷射部；18、导流板；19、旁路喷射口。具体实施方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。图1为本发明实施例提供的一种具有钢液温度控制装置的VD炉的结构示意图，如图1所示，该VD炉包括钢包1，在钢包1的内衬3和外壳4之间设有空腔5，空腔5内设有进气管6和出气管7，气流可以由进气管6流入空腔5，由出气管7流出空腔5，通过流动的气流对钢包1内的钢液进行降温处理。在本发明一种可选实施例中，进气管6设置在空腔5的顶部，出气管7设置在空腔5的底部。为了便于检测钢包1内钢液的温度，在空腔5内还设有两个或两个以上第一温度传感器11，本发明实施例对第一温度传感器11的设置位置和设置数量不做具体限制，但是为了达到更好的检测效果，在本发明一种优选实施例中将第一温度传感器11均匀分布在空腔5内，以便及时检测钢包1内各个位置的钢液的温度。在本发明实施例中，为了描述简洁，将钢包1的底部和顶部中心点之间的连线作为钢包1的中心线，将沿中心线朝向钢包1顶部的方向作为竖直向上，与中心线垂直的方向作为水平方向。为了净化钢液，钢包1内部分别设有第一喷射管8、第二喷射管9和第三喷射管10，钢包1内盛放钢液时，通过第一喷射管8、第二喷射管9和/或第三喷射管10向钢液内喷射氩气可以起到净化钢液的作用。其中，第一喷射管8设置在钢包1的底部中心位置，喷射方向竖直向上。图2为本发明实施例提供的一种第一喷射管的结构示意图，如图2所示，为了扩大第一喷射管8的喷射区域，第一喷射管8内设有螺旋通气管15，氩气在通过螺旋通气管15时形成螺旋气流，进而使第一喷射管8喷射的氩气形成螺旋气流，扩大喷射区域。在一种可选实施例中，螺旋通气管15的螺旋角可以选择20°-30°内的任意数值，在一种优选实施例中，螺旋角选择26°。在本发明实施例中，第二喷射管9的数量为两个或两个以上，喷射方向朝向钢包1的侧壁，即倾斜向上。为了提高氩气喷射的均匀度，所述两个或两个以上第二喷射管9以第一喷射管8为中心均匀设置，即所述两个或两个以上第二喷射管9相对钢包1的中心线呈中心对称设置。图3为本发明实施例提供的一种第二喷射管的结构示意图，如图3所示，为了进一步提高喷射均匀度，第二喷射管9的出口处的两端设有两个圆形喷射部16，所述两个圆形喷射部16之间设有矩形喷射部17，所述矩形喷射部17的外侧边沿设有向矩形喷射部17外侧倾斜的导流板18。在一种优选实施例中，所述圆形喷射部16的直径与所述矩形喷射部17的高度之比为3:1；所述导流板18与所述矩形喷射部17的夹角为45°；相邻的两个所述第二喷射管9的喷射覆盖面积的重合部分的扇形圆心角为10°～15°。需要指出的是，上述数据只是本发明实施例提供的一种具体实现方式，本领域技术人员可以根据实际需要进行相应调整，其均应当落入本发明的保护范围之内。例如，可以将圆形喷射部16的直径与所述矩形喷射部17的高度之比设置为2:1或4:1；将导流板18与矩形喷射部17的夹角设置为40°或50°等。在本发明实施例中，第三喷射管10设置在钢包1的内侧侧壁上，第三喷射管10的喷射方向为水平方向，且第三喷射管10的喷射方向与钢包1的侧壁相切。通过相切的设置方式，可以使第三喷射管10喷射的气流沿钢包1的侧壁旋转流动，提高喷射均匀度。图4为本发明实施例提供的一种第三喷射管的结构示意图，如图4所示，第三喷射管10上还设有旁路喷射口19，通过第三喷射口可以提高第三喷射管10的喷射区域。在本发明一种优选实施例中，所述旁路喷射口19的喷射方向竖直向上。其中，第一喷射管8、第二喷射管9和第三喷射管10内设有加热器14，当钢液的温度降低时，可以通过调整加热器14的加热功率对氩气进行加热，进而提高钢液的温度。另外，钢包1的外侧还设有真空罐2，通过真空罐2抽真空，可以将钢包1保持在真空阶段，真空罐2上还设有用于控制钢液温度的控制器12以及用于检测钢包1内钢液温度的第二温度传感器13。由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种具有钢液温度控制装置的VD炉可以通过空腔5内的气流以及第一喷射管8、第二喷射管9和/或第三喷射管10内的加热器14对钢包1内的钢液温度进行主动调控，进而提高出炉钢液温度的控制精度和反应速度，以保证浇注温度处于最佳的目标值范围，达到降低冶炼成本，缩短冶炼的时间，提高冶炼的效率，提高能源的利用率的目的。在上述装置实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种具有钢液温度控制装置的VD炉的控制方法，其主要包括以下步骤：步骤S100：钢包1盛放根据钢液温度设定值从LF精炼炉出炉的钢液后，将钢包1放入真空罐2中，使用第二温度传感器13对钢液温度进行处理前测量，得到钢液处理前温度。通常情况下，由控制器12根据钢液温度设定值对从LF精炼炉出炉的钢液温度进行控制，将从LF精炼炉出炉的钢液盛放在钢包1中，然后将钢包1放入真空罐2中进行下一步处理。其中，将钢包1放入真空罐2中时，可以使用第二温度传感器13对钢液温度进行处理前测量，此处的处理前测量是指钢液在VD炉中进行处理的处理前测量，得到钢液处理前温度。步骤S200：使用第一温度传感器11对空腔5内的温度进行测量，且根据所述钢液处理前温度对所述第一温度传感器11测出的温度进行标定，根据标定平均值控制进气管6和出气管7内气流的流量。由于空腔5内的温度可以间接反映钢液的温度，因此，使用第一温度传感器11对空腔5内的温度进行测量，即相当于使用第一温度传感器11对钢液的温度进行测量，然后根据钢液处理前温度对第一温度传感器11测量的温度进行标定，根据标定结果控制进气管6和出气管7内气流的流量，进而对钢液的温度进行调节。另外，由于第一温度传感器11的数量为多个，因此可以用多个温度传感器所测量温度的平均值来作为钢液的温度值，即根据标定平均值控制进气管6和出气管7内气流的流量。进一步地，标定平均值和气流的流量的对应关系为Q1＝k*T12，其中，Q1为气流的流量，T1为标定平均值，k为比例系数。由上式可以看出，标定平均值与气流的流量呈正比例关系，也就是说，钢液的温度越高，气流的流量越大，用于加快给钢液降温；钢液的温度越低，气流的流量越小，用于减慢给钢液降温。步骤S300：控制真空罐2进行抽真空，并使用第一喷射管8对钢液吹氩。氩为保护气，可以净化钢液，因此在控制真空罐2进行抽真空后，开始对钢液吹氩。其中，在开始吹氩时使用第一喷射管8。步骤S400：保持真空阶段，通过第一温度传感器11对空腔5内的温度进行实时监控，当空腔5内的温度在垂直方向分布不均匀时，使用第二喷射管9进行吹氩，当空腔5内的温度在水平方向上分布不均匀时，使用第三喷射管10进行吹氩；其中，如果空腔5的平均温度变化曲线位于设定的的曲线阈值范围内，则通过改变进气管6和出气管7内气流的流量调整钢液的温度；如果空腔5的平均温度变化曲线超出设定的的曲线阈值范围，则通过改变加热器14的加热功率来调整钢液的温度。由于第一温度传感器11均匀分布在空腔5内，因此通过比较不同第一温度传感器11所采集的温度值，即可判断空腔5内(钢液)的温度分布均匀度。例如，当分布在垂直方向的第一温度传感器11所采集的温度差大于设定阈值时，确定第一空腔5内的温度在垂直方向分布不均匀，此时可以通过第二喷射管9喷氩，通过第二喷射管9喷射出的倾斜向上的氩气，可以提高钢液在垂直方向的均匀度。当分布在水平方向的第一温度传感器11所采集的温度差大于设定阈值时，确定第一空腔5内的温度在水平方向分布不均匀，此时可以通过第三喷射管10喷氩，通过第三喷射管10喷射出的水平方向的氩气，可以提高钢液在水平方向的均匀度。其中，为了提高温度调控的平稳性，当第二喷射管9和/或第三喷射管10进行吹氩时，钢包1内的吹氩总流量小于或等于第一喷射管8单独吹氩时的120％，且第一喷射管8的喷射流量占总流量的50％以上；当使用第二喷射管9和/或第三喷射管10吹氩时，首先使用小于预设开度值的开度进行微量吹氩，然后逐渐增加吹氩流量，当增加至预设开度值的110％时再次降低流量，最终使得实际开度值与预设开度值相吻合。另外，如果空腔5的平均温度变化曲线位于设定的的曲线阈值范围内，则通过改变进气管6和出气管7内气流的流量调整钢液的温度；如果空腔5的平均温度变化曲线超出设定的的曲线阈值范围，则通过改变加热器14的加热功率来调整钢液的温度。加热器14的加热功率调整幅度采用比例-微分调整关系，其中比例调整关系的参照对象是空腔5内的温度变化幅度，微分调整关系的参照对象是钢包1内吹氩总流量调整幅度。步骤S500：破真空后，通过第二温度传感器13对钢液温度进行处理后测量，得到钢液处理后温度，通过钢液处理后温度对钢液温度的设定值进行调整，且进行出钢操作。每次处理完成后，使用第二温度传感器13所采集的处理前温度和处理后温度对钢液温度设定值进行二次调整。调整过程采用多变量系统，其中选择的变量可以包括：钢包1本炉被钢液浸泡时间，钢包1上炉被钢液浸泡时间，钢包1冷却时间，钢包1上炉冷却时间、VD初始温度、VD初始测温时刻至VD开始高真空时刻、VD高真空保持时间、VD开盖至开盖后测温时刻、出钢量、液相线温度、VD过程吹氩量、VD罐冷却时间和上炉使用时间等13个因素。变量选择完成后，建立第二温度传感器13的测量结果经过每个变量然后至调整目标的传递函数，将测量结果经过传递函数的计算，并进行加权平均后，得到二次调整结果。传递函数采用离散竖直模拟，然后通过线性回归方法得到。由以上技术方案可见，本发明实施例通过在VD炉精炼的前后以及抽真空过程中的温度测量，对VD炉的钢液温度进行实时监测和调整，改变了现有技术中VD炉精炼过程中钢液温度被动降低的状态，通过控制吹氩方式和空腔气流的流量，对钢液温度的降低进行主动式地干预，极大地提高了对于钢液温度调节的及时性，对于VD炉精炼过程中出现的温度波动可以迅速进行相应的调节，从而明显提高了钢液出炉温度的控制精度。需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。