一种电炉出铁过程中出铁量的称量方法与流程

本发明涉及铸造技术领域，特别涉及一种铸造铁水熔炼后电炉出铁量和出铁流速的测量方法。

背景技术：

电炉出铁过程中，一些铸件的出铁孕育工作要求随着出铁进行，孕育剂需要随流均匀加入铁水中，并且加入的时间不得少于整个出铁时间的70%。孕育剂所需量一般根据铸型内铁液重量而定，孕育剂的加入量及加入速度能否按比例随着出铁流量控制，直接影响孕育效果和成本。自动孕育装置能否精确控制孕育时间、孕育剂加入量及加入速度，取决于出铁重量与出铁流速的数据能否准确获得。

现有技术中，常用的出铁过程中铁水重量的称量方法主要有两种。一种方法为在电炉底部安装称重传感器，通过电炉剩余重量获取出铁重量及出铁流速。类似方法的专利如大冶特殊钢股份有限公司的《用于冶金连铸机的钢水称重机构》，申请号为201410461533.x；盐城阿萨诺称重技术有限公司的《连铸大包钢水称重装置》，申请号为200620069365.0；北京首钢国际工程技术有限公司的《铁水罐车在线铁水脱硫预处理系统》，申请号为200910081140.5；安庆帝伯格茨缸套有限公司的《一种铁水称重浇注装置》，申请号为201520543772.x等。另一种方法为在承接设备（如电动叉车）或转运设备底部安装称重传感器，直接计算出铁累计重量及出铁流速。类似方法的专利如乔治费歇尔汽车产品(昆山)有限公司的《一种铁水球化过程中叉车用称重系统》，申请号为201520257313.5。

经实际应用与测试，采用第一种方法进行称重，在电炉炉体及铁水总体重心偏离较小时，称重传感数据相对准确。但随着出铁过程总体重心偏离较大时，称重传感数据误差较大，以5吨炉为例，最大偏差为1.4吨左右，数据无法应用。第二种方法在称量中间过程中数据相对平稳，但在出铁开始与出铁结束时，以及出铁过程中铁水流速波动较大时，称重传感数据会随着铁水的冲击波动而变化较大，其数据只能做为出铁总重量计量，无法作为过程控制变量与自动孕育装置配合使用。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中出铁过程中铁水称重方法误差波动大，称量精度低的问题，提供一种电炉出铁过程中出铁量的称量方法，以便于在出铁过程中，根据电炉倾倒的角度，准确获得出铁量、出铁流速的动态数据。

本发明的目的是这样实现的，一种电炉出铁过程中出铁量的称量方法，分别包括如下过程：

a)炉膛内腔尺寸三维建模：根据原始设计图纸或直接测量方式获取炉膛内腔的三维尺寸，然后通过工程软件建立炉膛体的三维模型；

b)模拟炉膛倾倒过程中剩余体积数据获取；模拟炉膛倾倒过程中的倾角变化过程，利用三维软件，沿所述三维模型对应的出铁口对应的角点开始依次斜切三维模型，斜切面下方对应的三维模型体积为倾倒上述斜切角度后炉膛内剩余铁水的体积，斜切角度为从出铁口对应的角点1°～90°依次等角度递增取值；分别列表记录各斜切角度对应的剩余体积值；

c)炉膛倾倒角度和剩余铁水质量间曲线拟合：将b)过程获取的各斜切角度对应的剩余体积值乘以铁水密度计算剩余铁水的质量，并记录b）过程所列的表中，然后通过工程软件，分别以炉膛倾倒角度和剩余铁水质量为输入变量进行曲线拟合，择取合适的拟合曲线计算公式；

d)炉膛倾倒角度的测量：在炉膛外沿的水平位置安装倾角传感器，以实时测量炉体相对水平面的倾倒角度；

e）出铁质量的计算：将d）过程中测量的倾倒角度值代入c)过程得到的拟合曲线计算公式，分别计算不同倾倒角度时的剩余铁水质量m和出铁流速v。

本发明的电炉出铁过程中出铁量的称量方法，将三维建模与曲线拟合相结合，模拟三维建模的炉膛倾倒过程中剩余铁水量的变化，得出炉膛倾倒过程中倾倒角度与剩余铁水质量的拟合曲线公式；通过该拟合曲线公式实现电炉出铁过程中，通过对电炉倾倒角度的适时监测，计算出炉膛内剩余铁水的重量，并进一步计算出电炉出铁量和出铁流速，从而准确快捷地获得电炉出铁量和出铁流速的动态数据，指导现场的随流孕育工艺。

为提高测量精度，所述ｃ）过程中拟合曲线根据工程应用精度需求，择取二次回归拟合曲线或三次回归拟合曲线。

为提高拟合曲线的精度，所述b）过程中，所述斜切角度的递增间隔为1°。

为补偿炉膛使用周期内，炉膛内腔因加料冲击和磨损造成的内腔体积的变化，所述炉膛的使用寿命周期为n次，炉膛每熔炼使用一次，炉膛内腔容积的增大量为v，则第n次熔炼铁水时，炉膛内剩余铁水质量的修正值为m修正,m修正=（n-1）*v*（90-倾倒角度）*ρ/90，则实际剩余铁水量为m实际=m+m修正。

为保证电炉出铁时可以准确适时反应出铁量的变化参数，所述倾角传感器与数据处理模块连接，所述数据处理模块与输出模块连接，所述数据处理模块根据倾倒角度和拟合曲线的计算公式计算炉膛内剩余铁水量和适时出铁流速，所述输出模块用于输出倾倒角度、剩余铁水质量、出铁流速和出铁量。

为进一步减少测量误差，计算剩余铁水量时，单位时间1s内，所述倾角传感器每隔10ms取值一次，剔除奇异值后求平均，将该平均值代入拟合曲线计算公式获取当前剩余铁水质量。

因熔炼后的铁水流动性差，铁水从电炉的出铁口流至浇包内存在一定的时间差，因此，计算出铁速度时，当铁水开始倾倒至铁水达到铁水包的时间为▽t秒，则铁水在t称时刻的出铁速度为：（t—（▽t+1））秒的剩余铁水量-（t—▽t）秒的剩余铁水量。

附图说明

图1为炉膛的轴向剖面图。

图2为电炉倾斜出铁过程示意图。

图3为电炉倾斜出铁过程中剩余铁水重量与倾斜角度的二次回归拟合曲线图。

图4为电炉倾斜出铁过程中剩余铁水重量与倾斜角度的三次回归拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细说明本发明的方法。

本实施例的电炉出铁过程中出铁量的称量方法的具体过程为：

a)将炉膛1内腔尺寸三维建模：该电炉炉膛1的形状如图1所示，上段为长圆柱体，下段为圆台体，底部为球缺体，具体可以根据原始设计图纸或直接测量方式获取炉膛内腔的三维尺寸，然后通过工程软件建立该炉膛体的三维模型；

b)模拟炉膛倾倒过程中剩余体积数据获取；如图1所示，利用三维软件，模拟炉膛倾倒过程中的倾角变化过程，沿上述三维模型对应的出铁口对应的角点开始依次沿与水平成1°～90°的方向斜切三维模型，斜切面下方对应的三维模型体积为倾斜上述斜切角度后炉膛内剩余铁水的体积，斜切角度每次递增1°，并分别列表记录各斜切角度对应的剩余体积值如表1所述，上述斜切角度也就是炉膛倾倒时的倾斜角度；接着进行c)过程的炉膛倾倒角度和剩余铁水质量间曲线拟合：将b)过程获取的各斜切角度对应的剩余体积值乘以铁水密度的经验值计算剩余铁水的质量，本实施例铁水密度的经验值取6.9g/cm³取值，并记录在表1中，然后通过minitab工程软件，分别以炉膛倾倒角度和剩余铁水质量为输入变量进行曲线拟合，本实施例中的二次回归拟合曲线及曲线公式和三次回归拟合曲线及曲线公式如图3和图4所示，该曲线的形状与炉膛的具体形态尺寸密切相关，实际应用中可以根据设备配置及测量精度需求择取合适的拟合曲线计算公式；d)过程中，炉膛倾斜角度的测量，如图2所示，现场熔炼出铁过程中炉膛1倾倒角度的测量一般在炉膛外沿的水平位置安装倾角传感器2，以实时测量炉体相对水平面的倾倒角度；e）过程中，根据上述拟合曲线，将d）过程中测量的倾倒角度值代入拟合曲线计算公式，计算电炉出铁时不同的倾斜角度时炉膛内剩余铁水的质量，出铁流量和出铁量等参数。在电炉的实际使用寿命周期内，每次向炉膛内加料过程，炉膛内的炉衬表面会因原材料加入的冲击而凸凹不平，撞击磨损逐步加深，每次高温熔炼后，炉膛的容积会略有增大。根据以往经验数据，炉衬的安全有效使用次数n即寿命周期内，取炉膛末次使用的最大容量与首次使用的最大容量之差，除以炉衬的安全有效使用次数n，得到每熔炼一次铁水，炉膛增大容积量，该容积量再平均分配到1°—90°的均匀倾倒中，根据上述原理可以得到一个剩余铁水体积的修正参数，将该修正参加代入上述理论拟合曲线计算公式，即得到实际的剩余铁水量计算公式。修正参数的计算方法为：炉膛的使用寿命周期为n次，炉膛每熔炼使用一次，炉膛内腔容积的增大量为v，则第n次熔炼铁水时，炉膛内剩余铁水质量的修正值为m修正,m修正=（n-1）*v*（90-倾倒角度）*ρ/90，ρ为铁水密度，则实际剩余铁水量为m实际=理论剩余铁水质量+m修正。

为便于现场快速完成上述参数的计算，上述计算过程可以通过数据处理模块处理并输出，将倾角传感器2与数据处理模块连接，数据处理模块与输出模块连接，该数据处理模块根据倾斜角度和修正后拟合曲线的计算公式计算炉膛内剩余铁水量、适时出铁流速和出铁量，并通过输出模块适时输出倾倒角度、剩余铁水质量、出铁流速和出铁量等现场工艺参数。计算剩余铁水量时，单位时间1s内，倾角传感器每隔10ms读取一次倾斜角度值，1s内共取值10次，剔除奇异值后求平均倾斜角度值，将该平均值代入修正后的拟合曲线计算公式获取当前剩余铁水质量。实际出铁过程中，因熔炼后的铁水流动性差，铁水从电炉的出铁口流至浇包内存在一定的时间差，因此，计算出铁速度时，当铁水开始倾倒至铁水达到铁水包的时间为▽t秒，该▽t的取值根据电炉出铁口至铁水包的高度距离现场，根据浇注实际一般为1～3秒，实际浇注中，取值2秒，则铁水在t称时刻的出铁速度为：（t—3）秒的剩余铁水量-（t—2）秒的剩余铁水量。

通过本发明的上述电炉出铁过程中出铁量的称量方法，直接测量量与电炉的倾斜角度密切相关，不受称重重心偏离、承接设备或转运设备冲击力波动等原因影响，实现现场出铁浇注中，快捷、准确的获得电炉的倾斜角度、出铁量，出铁流速等参数，并通过输出设备直观的显示输出，测量精度高，以准确适时的获得出铁量，出铁流量的动态数据，为现场浇注过程的随流孕育工艺提供可靠的参考依据。