用多石墨中空棒做电极的连铸中间包直流等离子加热装置的制造方法
【专利摘要】本发明一种多石墨中空电极连铸中间包钢液直流等离子加热方法和装置,适用于工业生产中的加热系统。如中空石墨电极等离子加热技术可以作为铁水预处理、钢包精炼和连铸中间包等离子加热器。可以合理控制中间包内的钢液温度，补偿温度波动，稳定浇铸操作，从而大幅度提高连铸机生产率。通过安装加热补偿中间包内的钢液热量的装置，可以大幅度降低中间包钢液的温度，实现恒温低温浇注，可以减少连铸坯内非金属夹杂物和中心偏析，防止浸入式水口堵塞，提高铸坯质量，提高收得率,稳定浇铸操作。中包钢液加热可以降低炼钢炉出钢温度，可以降低炼钢工艺的耐火材料和能源费用。中空石墨电极等离子加热技术将对我国冶金工业走质量效益型道路起到重要作用。
【专利说明】
用多石墨中空棒做电极的连铸中间包直流等离子加热装置
技术领域
[0001] 本发明属于科学技术及工业技术领域，具体涉及一种用多石墨中空棒做电极的连 铸中间包直流等离子加热装置和方法。
【背景技术】
[0002] 等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成。达到一 定的电离度（>1〇_4)，气体处于导电状态，由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是电 离气体内正负电荷数相等，称这种气体状态为等离子体态。等离子加热技术是通过在等离 子发生器上施加一定的电能产生弧光将气体介质充分电离，使等离子能量高度集中来进行 加热。按温度可分为高温等离子体和低温等离子体两类。
[0003] 到80年代末期，冶金工作者开始把工作重点转移到液态钢水变成固态铸坯的最后 一个容器一一中间包。温度问题是影响钢凝固过程质量、成本和生产率的重要因素，从而加 热和控制连铸中间包钢水温度技术开始应用于生产，并取得了很好的效果。中间包应用等 离子加热技术可以防止换包时钢液温度下降。中间包等离子加热可以快速对中间包内钢水 进行加热补偿，控制中间包温度波幅，实现恒速浇铸，保证铸坯质量，减少拉速变化而可能 带来的缺陷和事故。在连铸机生产过程中每炉钢开浇和浇铸末期，一般钢水温度都偏低，而 且多炉连浇时每炉钢水的温度是有差异的，在没有热补偿的情况下中间包钢水温度很难控 制在目标温度值左右，但使用了中间包等离子加热就可以使中间包浇铸温度，能控制在目 标温度的±2°C范围内，达到恒速浇铸的目的；中间包采用等离子加热技术可以降低出钢温 度15-40°C左右，提高钢水收得率，可以提高连铸机单位产量。为了确保优质铸坯，尤其是为 了减少中心偏析和非金属夹杂物，必须将钢液温度保持在最佳浇铸温度范围内。
[0004] 目前应用于中间包加热系统的主要有感应加热和等离子加热两种主要方式，感应 加热需要外部冷却液对感应线圈进行降温所以会带走很多热量，并且感应加热方式对中间 包改造量也较大。已用于工业生产的等离子加热系统的实践表明：等离子加热的热效率为 60%-70%，来自加热室耐火材料墙的间接辐射热占其中的50%以上。等离子枪是发生等离 子体的关键设备之一。
[0005] 等离子枪体按材质又分为金属等离子枪和非金属等离子枪，金属等离子枪为了保 持枪体正常工作，需要对等离子枪体进行水冷降温，水冷系统会带走部分热量，同时由于工 作时等离子枪要进入中间包内进行加热，所以不允许等离子枪体发生漏水，一旦发生漏水 就会与高温的钢液发生爆炸，所以金属等离子枪普遍存在结构复杂、使用寿命短、造价高等 缺点。
【发明内容】
[0006] 为了有效解决上述问题，本发明提供一种用多石墨中空棒做电极的连铸中间包直 流等离子加热装置和方法。
[0007] 具体技术方案如下:一种用多石墨中空棒做电极的连铸中间包直流等离子加热装 置，所述加热装置包括等离子加热单元、前端测量单元、及控制组件；
[0008] 所述前端测量单元实时测量加热空间的钢液高度及钢液温度，并反馈至所述控制 组件，所述控制组件根据反馈信息进行调节等离子加热单元。
[0009] 进一步地，所述控制组件中具有一控制模型，所述控制模型将钢液温度、钢液面上 0-12cm处的温度作为输入量输入到控制模型中，所述控制模型输出等离子气体的通入流量 及等离子加热单元的通电电流大小，实现对等离子加热单元的自动控制。
[0010] 进一步地，所述前端测量单元为一连续测温装置，所述连续测温装置包括多个测 温单元，所述测温单元被设置在中间包钢液内、或设置在中间包内壁上。
[0011] 进一步地，所述控制组件包括一等离子电源系统、水气控制装置、现场操作箱、电 极调整控制柜、操作台、主控柜；
[0012] 所述等离子电源系统的一端的正负极通过直流母线连接等离子加热单元，所述等 离子电源系统的另一端连接主控柜，所述水气控制装置、现场操作箱、电极调整控制柜及操 作台均同时连接所述主控柜。
[0013] 进一步地，所述加热装置还包括一机械臂，所述等离子加热单元为一等离子枪，并 所述等离子枪固定在机械臂上;所述电极调整控制柜连接所述机械臂。
[0014] 进一步地，所述等离子枪为一中空管形状，所述中空管外径尺寸为〇50-150mm，长 度为500-1500mm，内孔直径为
[0015] 在工作状态下，所述中空石墨管内充入等离子工作气流，所述等离子工作气流将 已经产生的电弧转移到枪和钢液之间，形成工作弧。
[0016] 进一步地，所述等离子电源系统包括一个隔离变压器和多脉波可控整流回路，所 述变压器将高压和低压进行隔离，同时将高电压的电流转换成低电压大电流，并通过多脉 波可控整流回路及控制回路将交流电转换成低压直流输出。
[0017] 本发明的有益效果为:本发明采用的空心石墨电极是中空的电极(一般石墨电极 都是实心的），生产这种产品是在电极成型时直接压制成中空的管子形状，以后的生产工序 与实心电极的生产完全相同，空心电极可以节省原料。可以利用电极的中空区形成的通道， 在石墨电极的中空部分通入等离子气体，给石墨电极降温，延长了其的使用寿命，因为不采 用水冷方式所以安全性非常高。同时通入的等离子气体还具有稳定等离子电弧，以及对钢 液的搅拌的作用。因为两个中空石墨电极等离子枪和钢渣钢液可以直接构成电气回路所以 不需要在中间包内预埋底电极，改造施工简单方便。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的结构示意图。
[0019] 图2为本发明采用单阴极和双阳极的3中空石墨电极加热结构示意图。
[0020] 图3为本发明采用双阴极和双阳极的4中空石墨电极加热结构示意图。
【具体实施方式】
[0021] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0022] 相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修 改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细 节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。
[0023] 如图1所示，为本发明实施例提供一种用多石墨中空棒做电极的连铸中间包直流 等离子加热装置，所述装置包括等离子电源系统1、水气控制装置2、现场操作箱3、电极调整 控制柜4、操作台5、主控柜6、等离子枪机械臂7、等离子枪8、直流母线9、钢液液位测量装置 10、连续测温装置11;
[0024]所述等离子电源系统1的一端的正负极分别通过两个或多个直流母线9连接两个 或多个等离子枪8,所述等离子电源系统1的另一端连接主控柜6,所述水气控制装置2、现场 操作箱3、电极调整控制柜4及操作台5均同时连接所述主控柜6,并所述水气控制装置2同时 连接等离子枪8,所述电极调整控制柜4同时连接所述等离子枪机械臂7,所述等离子枪8固 定在所述等离子枪机械臂7上。在其他实施例中，可采用1 -4支等离子枪8。
[0025] 等离子电源系统1，所述等离子电源系统1包括一个隔离变压器和多脉波可控整流 回路，所述变压器将高压和低压进行隔离，同时将高电压的电流转换成可满足工艺要求的 低电压大电流，并通过多脉波可控整流回路及控制回路将交流电转换成低压直流输出；
[0026] 水气控制装置2,所述水气控制装置包括一冷却水装置及一供气装置，所述冷却水 装置是一个高压冷却水发生装置，所述冷却水装置向水冷电缆、变压器及可控硅提供正常 压力、流量、质量和温度的冷却水，所述供气装置提供一定压力流量的工作气体，所述工作 气体为氮气和/或氩气等，并根据实际工况进行手动自动调节；
[0027] 现场操控箱3,所述现场控制箱3对控制台操作功能的补充，阴阳极两枪的控制和 显示集中在一个箱内，对机械臂的左右旋转、升降动作进行控制，用于对机械臂的控制信号 通过主控柜6及电机调整控制柜4发送到等离子机械臂7上，实现对等离子机械臂7的控制；
[0028] 电极调整控制柜4,所述电极调整控制柜4实现直接将需要对等离子枪机械臂7的 控制信号传送。
[0029] 操作台5,所述操作台包括弧电流表、弧电压表、各种操作按钮指示灯，以及用于数 据记录统计的计算机系统；
[0030] 主控柜6,所述主控柜内包含用于自动控制的PLC及I/O模块继电器端子排等，负责 将现场的数字量及模拟量信号进行采集隔离运动并进行控制；
[0031 ]等离子枪机械臂7，用来控制等离子枪8的运动；
[0032] 等离子枪8,所述等离子枪8为中空石墨电极结构；所述等离子枪8为一中空管形 状，所述中空管外径尺寸为①50-150mm，长度为500-1500mm，内孔直径为l-10mm;
[0033] 在另一实施例中所述等离子枪8所述中空管外径尺寸为〇 60mm，长度为750mm，内 孔直径为8mm，电弧电流强度为：l-8kA，电弧电压为100-400V，电流可控，电压与枪位和气氛 的关系为:枪位高，则电压高;气氛中含多原子气体，电压也高。
[0034]在工作状态下，所述中空管内充入等离子工作气流，所述等离子工作气流将已经 产生的电弧转移到枪和钢液之间，形成工作弧。
[0035]本发明所应用的等离子枪8加热技术，可实现以下优点：
[0036] 1、在浇铸周期内，中间包钢液温度可严格控制在±2°C之内，获得在长度上质量均 匀一直的连铸坯；
[0037] 2、可降低出钢温度，出钢温度降低20-40°C，从而节能，并减少耐火材料消耗；
[0038] 3、可实现低过热温度浇铸，缩短浇铸时间，提高钢坯质量(铸坯内部组织呈等轴晶 结构），减少皮下夹杂物；
[0039] 4、使用混合气体(氮气和/或氩气)作工作气体，对钢液无任何污染，还可在钢液上 形成保护气氛，有效地消除中间罐内钢水的二次氧化;这在浇注铝镇静钢时，尤为重要，同 时还可降低中间罐内氮气分压，相应地降低了钢中的氮含量。
[0040] 5、中间罐内可加入铁合金，微调钢液成分，最大地提高合金收得率；
[0041 ] 6、中间罐钢水加热属在线操作，不额外增加生产时间。
[0042] 7.石墨电极的消耗量为0.46kg/h，即0.03kg/t钢。
[0043] 8.整个加热过程钢水增碳为0_0.05ppm之间，不大于lOppm。
[0044] 9.利用等离子形成的工作弧加热具有电源利用率高，对电网有害波谱减少，电弧 稳定，多电极起弧时，每个电极皆可实现转移弧工作，热效率高。
[0045] 10.通过机械臂调整等离子枪之间的角度，角度范围为90°-270°之间，使等离子枪 形成的电弧之间相互吸引，增加电弧稳定性，热效率提高。
[0046] 在本发明的另一个实施例中，
[0047] 直流母线9,将直流电源和中空石墨电极相连接，将直流电能提供输送到等离子 枪；
[0048] 钢液液位测量装置10，用来测量中间包内的钢液高度，并根据钢液进行加热功率 的自动调节；
[0049] 连续测温装置11，连续测温系统连续检测中间包内钢液温度，与PLC系统配套，连 续反映等离子加热的实际效果，同时还具有参与等离子枪功率自动控制的功能，自动控制 精度为目标温度的± 2 °C，而手动精度为目标温度± 5 °C。
[0050] 本发明的一个实施例提供一控制模型，所述控制模型将钢液高度、钢液温度、钢液 面上0-12cm处的温度作为输入量进行计算，并输出等离子气体的通入流量及等离子加热单 元的通电电流大小，实现对等离子加热单元的自动控制。
[0051] 具体为所述连续测温装置11包括多个测温单元，所述测温单元被设置在中间包钢 液内、或设置在中间包内壁上，。具体可在钢液内表层面中心处自上至下，每隔5-8cm设置一 测温单元，所述钢液内的非中心处也设置有测温单元，所述测温单元被均匀设置钢液内，并 均处于中心处的测温单元的同一水平面上，同时进行采集钢液内的温度，并实时反馈至主 控柜6,所述连续测温装置11还包括在所述钢液面上10-12cm处的测温单元，根据测温单元 反馈的温度，调整等离子枪机械臂，使得等离子枪的加热方向针对温度低的点进行加热。
[0052] 在钢液内部的所述测温单元所测得的温度分别为......Tn，所述平 均温度为wwi;.....工)，所述温度的方差为、2=>-&)+(n-&J+……fc-,在 s2大于3 0的时候，判断中间包钢液的温度不稳定，并启动控制等离子枪进行加热，控制所述 等离子枪的电流在2000-2400A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在2 X l(T2m3/s-2.3 X l(T2m3/s;在s2大于60的时候，控制所述等离子枪的电流在2400-3000A，控制所述等离子 工作气流的通入量控制在4 X l(T2m3/s-5 X l(T2m3/s;在s2大于100的时候，控制所述等离子 枪的电流在3000-4000A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在8Xl(T 2m3/s-10X10 -2m3/s，控制2个等离子枪之间夹角为90°。本申请通过增加电流来控制等离子枪的加热弧长， 本申请所应用的加热弧长在弧长的临界值内，并所述弧长与电流的关系公式为L = 0.2141 XIth 8887;因此通过提高电流，增加了弧长，弧长得到变长后，实现加热，使得中间包钢液的 温度增加并稳定，同时通过机械臂的控制针对温度较低的方向有目的的增加，确保了增温 的效率。
[0053] 上述提出的弧长临界值为Lfg=l .2578 X IQ'692(3 ;
[0054]在本发明的另一实施例中，将所述钢液面上0-12cm处的温度T外同时作为输入量， 考虑到外界温度对钢液的温度影响，并计算所述平均温度为T, +T: +T, +T, +T,......T" +幻， 所述温度的方差为，
，在S2大于50的 时候，判断中间包钢液的温度不稳定，并启动控制等离子枪进行加热，控制所述等离子枪的 电流在2000-2400A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在2 X l(T2m3/s-2.3 X l(T2m3/s; 在s2大于90的时候，控制所述等离子枪的电流在2400-3000A，控制所述等离子工作气流的 通入量控制在4 X l(T2m3/s-5 X l(T2m3/s;在s2大于140的时候，控制所述等离子枪的电流在 3000-4000A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在8Xl(T 2m3/s-10Xl(T2m3/ s。本申请 通过增加电流来控制等离子枪的加热弧长，本申请所应用的加热弧长在弧长的临界值内， 并所述弧长与电流的关系公式为L = 0.2141 XI&8887;因此通过提高电流，增加了弧长，弧长 得到变长后，实现加热，使得中间包钢液的温度增加并稳定，同时通过机械臂的控制针对温 度较低的方向有目的的增加，确保了增温的效率。
[0055] 在本发明的另一个实施例中，本发明采用单阴极和双阳极的3中空石墨电极加热， 如图2所示，将所述钢液面上10-12cm处的温度T外同时作为输入量，考虑到外界温度对钢液 的温度影响，并计算所述平均温度为
，所述温度 的方差为
.在s2大于50的时候，判 断中间包钢液的温度不稳定，并启动控制等离子枪进行加热，控制所述等离子枪的电流在 2000-2400A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在2 X l(T2m3/s-2.3 X l(T2m3/s;在s2大 于90的时候，控制所述等离子枪的电流在2400-3000A，控制所述等离子工作气流的通入量 控制在4X l(T2m3/s-5 X l(T2m3/s ;在s2大于140的时候，控制所述等离子枪的电流在3000-4000A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在8Xl(T 2m3/s-10Xl(T2m3/s。本申请通过增 加电流来控制等离子枪的加热弧长，本申请所应用的加热弧长在弧长的临界值内，并所述 弧长与电流的关系公式为L = 0.2141 XP8887;因此通过提高电流，增加了弧长，弧长得到变 长后，实现加热，使得中间包钢液的温度增加并稳定，同时通过机械臂的控制针对温度较低 的方向有目的的增加，确保了增温的效率。
[0056] 在本发明的另一个实施例中，本发明采用双阴极和双阳极的4中空石墨电极加热， 如图3所示，将所述钢液面上10-12cm处的温度T外同时作为输入量，考虑到外界温度对钢液 的温度影响，并计算所述平均温度为
，所述温度 的方差为
.在s2大于50的时候，判 断中间包钢液的温度不稳定，并启动控制等离子枪进行加热，控制所述等离子枪的电流在 2000-2400A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在2 X l(T2m3/s-2.3 X l(T2m3/s;在s2大 于90的时候，控制所述等离子枪的电流在2400-3000A，控制所述等离子工作气流的通入量 控制在4X10- 2m3/s-5X10-2m3/s;在s2大于140的时候，控制所述等离子枪的电流在3000-4000A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在8Xl(T 2m3/s-10Xl(T2m3/s。本申请通过增 加电流来控制等离子枪的加热弧长，本申请所应用的加热弧长在弧长的临界值内，并所述 弧长与电流的关系公式为L = 0.2141 XIth8887;因此通过提高电流，增加了弧长，弧长得到变 长后，实现加热，使得中间包钢液的温度增加并稳定，同时通过机械臂的控制针对温度较低 的方向有目的的增加，确保了增温的效率。
【主权项】
1. 一种用多石墨中空棒做电极的连铸中间包直流等离子加热装置，其特征在于，所述 加热装置包括等离子加热单元、前端测量单元、及控制组件； 所述前端测量单元实时测量加热空间的钢液高度及钢液温度，并反馈至所述控制组 件，所述控制组件根据反馈信息进行调节等离子加热单元。2. 根据权利要求1所述的连铸中间包直流中空石墨等离子加热装置，其特征在于，所述 控制组件中具有一控制模型，所述控制模型将钢液温度、钢液面上〇-12cm处的温度作为输 入量输入到控制模型中，所述控制模型输出等离子气体的通入流量及等离子加热单元的通 电电流大小，实现对等离子加热单元的自动控制。3. 根据权利要求2所述的连铸中间包直流中空石墨等离子加热装置，其特征在于，所述 前端测量单元为一连续测温装置，所述连续测温装置包括多个测温单元，所述测温单元被 设置在中间包钢液内、或设置在中间包内壁上。4. 根据权利要求3所述的连铸中间包直流等离子加热装置，其特征在于，所述测温单元 被设置在钢液内表层面中心处自上至下，每隔5-8cm设置一测温单元，所述钢液内的非中心 处也设置有测温单元，所述测温单元被均匀设置钢液内，并均处于中心处的测温单元的同 一水平面上。5. 根据权利要求4所述的连铸中间包直流等离子加热装置，其特征在于，在钢液内部的 所述测温单元所测得的温度分别为T5.....Tn，所述平均温度为 =4 TfWXi. + T, I:):所述温度的方差为 ' ….(rrrv.w3 ^ η π S2大于30的时候，判断中间包钢液的温度不稳定，并启动控制等离子枪进行加热，控制所述 等离子枪的电流在2000-2400Α，控制所述等离子工作气流的通入量控制在2 X 10_2m3/s-2.3 X l(T2m3/s;在S2大于60的时候，控制所述等离子枪的电流在2400-3000A，控制所述等离子 工作气流的通入量控制在4Xl(T 2m3/S-5Xl(T2m3/ S;在S2大于100的时候，控制所述等离子 枪的电流在3000-4000A，控制所述等离子工作气流的通入量控制在8X10_ 2m3/s-10X10- 2m3/s，所述等离子加热单元的加热弧长在弧长的临界值内，并所述弧长与电流的关系公式 为 L = 0.2141XI0·8887。6. 根据权利要求2所述的连铸中间包直流等离子加热装置，其特征在于，所述控制组件 包括一等离子电源系统、水气控制装置、现场操作箱、电极调整控制柜、操作台、主控柜； 所述等离子电源系统的一端的正负极通过直流母线连接等离子加热单元，所述等离子 电源系统的另一端连接主控柜，所述水气控制装置、现场操作箱、电极调整控制柜及操作台 均同时连接所述主控柜。7. 根据权利要求6所述的连铸中间包直流等离子加热装置，其特征在于，所述加热装置 还包括一机械臂，所述等离子加热单元为至少2个等离子枪，至少2个所述等离子枪固定在 机械臂上;所述电极调整控制柜连接所述机械臂，所述机械臂可调节所述等离子枪之间的 夹角，调节范围为90°-270°。8. 根据权利要求7所述的连铸中间包直流真空石墨电极等离子加热装置，其特征在于， 所述等离子枪为一中空管形状，所述中空管外径尺寸为〇l〇〇-150mm，长度为1000-1500_， 内孔直径为1-1 Omm; 在工作状态下，所述中空管内充入等离子工作气流，所述等离子工作气流将已经产生 的电弧转移到枪和钢液之间，形成工作弧。9.根据权利要求6所述的连铸中间包真空石墨电极直流等离子加热装置，其特征在于， 所述等离子电源系统包括一个隔离变压器和多脉波可控整流回路，所述变压器将高压和低 压进行隔离，同时将高电压的电流转换成低电压大电流，并通过多脉波可控整流回路及控 制回路将交流电转换成低压直流输出。
【文档编号】B22D41/015GK106001528SQ201610552619
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】王存
【申请人】北京麦特尔科技有限公司