用多石墨中空棒做電極的連鑄中間包直流等離子加熱裝置的制造方法
【專利摘要】本發明一種多石墨中空電極連鑄中間包鋼液直流等離子加熱方法和裝置,適用于工業生產中的加熱系統。如中空石墨電極等離子加熱技術可以作為鐵水預處理、鋼包精煉和連鑄中間包等離子加熱器。可以合理控制中間包內的鋼液溫度，補償溫度波動，穩定澆鑄操作，從而大幅度提高連鑄機生產率。通過安裝加熱補償中間包內的鋼液熱量的裝置，可以大幅度降低中間包鋼液的溫度，實現恒溫低溫澆注，可以減少連鑄坯內非金屬夾雜物和中心偏析，防止浸入式水口堵塞，提高鑄坯質量，提高收得率,穩定澆鑄操作。中包鋼液加熱可以降低煉鋼爐出鋼溫度，可以降低煉鋼工藝的耐火材料和能源費用。中空石墨電極等離子加熱技術將對我國冶金工業走質量效益型道路起到重要作用。
【專利說明】
用多石墨中空棒做電極的連鑄中間包直流等離子加熱裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于科學技術及工業技術領域，具體涉及一種用多石墨中空棒做電極的連 鑄中間包直流等離子加熱裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 等離子體是由大量自由電子和離子及少量未電離的氣體分子和原子組成。達到一 定的電離度（>1〇_4)，氣體處于導電狀態，由于電離氣體整體行為表現出電中性，也就是電 離氣體內正負電荷數相等，稱這種氣體狀態為等離子體態。等離子加熱技術是通過在等離 子發生器上施加一定的電能產生弧光將氣體介質充分電離，使等離子能量高度集中來進行 加熱。按溫度可分為高溫等離子體和低溫等離子體兩類。
[0003] 到80年代末期，冶金工作者開始把工作重點轉移到液態鋼水變成固態鑄坯的最后 一個容器一一中間包。溫度問題是影響鋼凝固過程質量、成本和生產率的重要因素，從而加 熱和控制連鑄中間包鋼水溫度技術開始應用于生產，并取得了很好的效果。中間包應用等 離子加熱技術可以防止換包時鋼液溫度下降。中間包等離子加熱可以快速對中間包內鋼水 進行加熱補償，控制中間包溫度波幅，實現恒速澆鑄，保證鑄坯質量，減少拉速變化而可能 帶來的缺陷和事故。在連鑄機生產過程中每爐鋼開澆和澆鑄末期，一般鋼水溫度都偏低，而 且多爐連澆時每爐鋼水的溫度是有差異的，在沒有熱補償的情況下中間包鋼水溫度很難控 制在目標溫度值左右，但使用了中間包等離子加熱就可以使中間包澆鑄溫度，能控制在目 標溫度的±2°C范圍內，達到恒速澆鑄的目的；中間包采用等離子加熱技術可以降低出鋼溫 度15-40°C左右，提高鋼水收得率，可以提高連鑄機單位產量。為了確保優質鑄坯，尤其是為 了減少中心偏析和非金屬夾雜物，必須將鋼液溫度保持在最佳澆鑄溫度范圍內。
[0004] 目前應用于中間包加熱系統的主要有感應加熱和等離子加熱兩種主要方式，感應 加熱需要外部冷卻液對感應線圈進行降溫所以會帶走很多熱量，并且感應加熱方式對中間 包改造量也較大。已用于工業生產的等離子加熱系統的實踐表明：等離子加熱的熱效率為 60%-70%，來自加熱室耐火材料墻的間接輻射熱占其中的50%以上。等離子槍是發生等離 子體的關鍵設備之一。
[0005] 等離子槍體按材質又分為金屬等離子槍和非金屬等離子槍，金屬等離子槍為了保 持槍體正常工作，需要對等離子槍體進行水冷降溫，水冷系統會帶走部分熱量，同時由于工 作時等離子槍要進入中間包內進行加熱，所以不允許等離子槍體發生漏水，一旦發生漏水 就會與高溫的鋼液發生爆炸，所以金屬等離子槍普遍存在結構復雜、使用壽命短、造價高等 缺點。

【發明內容】

[0006] 為了有效解決上述問題，本發明提供一種用多石墨中空棒做電極的連鑄中間包直 流等離子加熱裝置和方法。
[0007] 具體技術方案如下:一種用多石墨中空棒做電極的連鑄中間包直流等離子加熱裝 置，所述加熱裝置包括等離子加熱單元、前端測量單元、及控制組件；
[0008] 所述前端測量單元實時測量加熱空間的鋼液高度及鋼液溫度，并反饋至所述控制 組件，所述控制組件根據反饋信息進行調節等離子加熱單元。
[0009] 進一步地，所述控制組件中具有一控制模型，所述控制模型將鋼液溫度、鋼液面上 0-12cm處的溫度作為輸入量輸入到控制模型中，所述控制模型輸出等離子氣體的通入流量 及等離子加熱單元的通電電流大小，實現對等離子加熱單元的自動控制。
[0010] 進一步地，所述前端測量單元為一連續測溫裝置，所述連續測溫裝置包括多個測 溫單元，所述測溫單元被設置在中間包鋼液內、或設置在中間包內壁上。
[0011] 進一步地，所述控制組件包括一等離子電源系統、水氣控制裝置、現場操作箱、電 極調整控制柜、操作臺、主控柜；
[0012] 所述等離子電源系統的一端的正負極通過直流母線連接等離子加熱單元，所述等 離子電源系統的另一端連接主控柜，所述水氣控制裝置、現場操作箱、電極調整控制柜及操 作臺均同時連接所述主控柜。
[0013] 進一步地，所述加熱裝置還包括一機械臂，所述等離子加熱單元為一等離子槍，并 所述等離子槍固定在機械臂上;所述電極調整控制柜連接所述機械臂。
[0014] 進一步地，所述等離子槍為一中空管形狀，所述中空管外徑尺寸為〇50-150mm，長 度為500-1500mm，內孔直徑為
[0015] 在工作狀態下，所述中空石墨管內充入等離子工作氣流，所述等離子工作氣流將 已經產生的電弧轉移到槍和鋼液之間，形成工作弧。
[0016] 進一步地，所述等離子電源系統包括一個隔離變壓器和多脈波可控整流回路，所 述變壓器將高壓和低壓進行隔離，同時將高電壓的電流轉換成低電壓大電流，并通過多脈 波可控整流回路及控制回路將交流電轉換成低壓直流輸出。
[0017] 本發明的有益效果為:本發明采用的空心石墨電極是中空的電極(一般石墨電極 都是實心的），生產這種產品是在電極成型時直接壓制成中空的管子形狀，以后的生產工序 與實心電極的生產完全相同，空心電極可以節省原料。可以利用電極的中空區形成的通道， 在石墨電極的中空部分通入等離子氣體，給石墨電極降溫，延長了其的使用壽命，因為不采 用水冷方式所以安全性非常高。同時通入的等離子氣體還具有穩定等離子電弧，以及對鋼 液的攪拌的作用。因為兩個中空石墨電極等離子槍和鋼渣鋼液可以直接構成電氣回路所以 不需要在中間包內預埋底電極，改造施工簡單方便。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明的結構示意圖。
[0019] 圖2為本發明采用單陰極和雙陽極的3中空石墨電極加熱結構示意圖。
[0020] 圖3為本發明采用雙陰極和雙陽極的4中空石墨電極加熱結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本發明，并不 用于限定本發明。
[0022] 相反，本發明涵蓋任何由權利要求定義的在本發明的精髓和范圍上做的替代、修 改、等效方法以及方案。進一步，為了使公眾對本發明有更好的了解，在下文對本發明的細 節描述中，詳盡描述了一些特定的細節部分。
[0023] 如圖1所示，為本發明實施例提供一種用多石墨中空棒做電極的連鑄中間包直流 等離子加熱裝置，所述裝置包括等離子電源系統1、水氣控制裝置2、現場操作箱3、電極調整 控制柜4、操作臺5、主控柜6、等離子槍機械臂7、等離子槍8、直流母線9、鋼液液位測量裝置 10、連續測溫裝置11;
[0024]所述等離子電源系統1的一端的正負極分別通過兩個或多個直流母線9連接兩個 或多個等離子槍8,所述等離子電源系統1的另一端連接主控柜6,所述水氣控制裝置2、現場 操作箱3、電極調整控制柜4及操作臺5均同時連接所述主控柜6,并所述水氣控制裝置2同時 連接等離子槍8,所述電極調整控制柜4同時連接所述等離子槍機械臂7,所述等離子槍8固 定在所述等離子槍機械臂7上。在其他實施例中，可采用1 -4支等離子槍8。
[0025] 等離子電源系統1，所述等離子電源系統1包括一個隔離變壓器和多脈波可控整流 回路，所述變壓器將高壓和低壓進行隔離，同時將高電壓的電流轉換成可滿足工藝要求的 低電壓大電流，并通過多脈波可控整流回路及控制回路將交流電轉換成低壓直流輸出；
[0026] 水氣控制裝置2,所述水氣控制裝置包括一冷卻水裝置及一供氣裝置，所述冷卻水 裝置是一個高壓冷卻水發生裝置，所述冷卻水裝置向水冷電纜、變壓器及可控硅提供正常 壓力、流量、質量和溫度的冷卻水，所述供氣裝置提供一定壓力流量的工作氣體，所述工作 氣體為氮氣和/或氬氣等，并根據實際工況進行手動自動調節；
[0027] 現場操控箱3,所述現場控制箱3對控制臺操作功能的補充，陰陽極兩槍的控制和 顯示集中在一個箱內，對機械臂的左右旋轉、升降動作進行控制，用于對機械臂的控制信號 通過主控柜6及電機調整控制柜4發送到等離子機械臂7上，實現對等離子機械臂7的控制；
[0028] 電極調整控制柜4,所述電極調整控制柜4實現直接將需要對等離子槍機械臂7的 控制信號傳送。
[0029] 操作臺5,所述操作臺包括弧電流表、弧電壓表、各種操作按鈕指示燈，以及用于數 據記錄統計的計算機系統；
[0030] 主控柜6,所述主控柜內包含用于自動控制的PLC及I/O模塊繼電器端子排等，負責 將現場的數字量及模擬量信號進行采集隔離運動并進行控制；
[0031 ]等離子槍機械臂7，用來控制等離子槍8的運動；
[0032] 等離子槍8,所述等離子槍8為中空石墨電極結構；所述等離子槍8為一中空管形 狀，所述中空管外徑尺寸為①50-150mm，長度為500-1500mm，內孔直徑為l-10mm;
[0033] 在另一實施例中所述等離子槍8所述中空管外徑尺寸為〇 60mm，長度為750mm，內 孔直徑為8mm，電弧電流強度為：l-8kA，電弧電壓為100-400V，電流可控，電壓與槍位和氣氛 的關系為:槍位高，則電壓高;氣氛中含多原子氣體，電壓也高。
[0034]在工作狀態下，所述中空管內充入等離子工作氣流，所述等離子工作氣流將已經 產生的電弧轉移到槍和鋼液之間，形成工作弧。
[0035]本發明所應用的等離子槍8加熱技術，可實現以下優點：
[0036] 1、在澆鑄周期內，中間包鋼液溫度可嚴格控制在±2°C之內，獲得在長度上質量均 勻一直的連鑄坯；
[0037] 2、可降低出鋼溫度，出鋼溫度降低20-40°C，從而節能，并減少耐火材料消耗；
[0038] 3、可實現低過熱溫度澆鑄，縮短澆鑄時間，提高鋼坯質量(鑄坯內部組織呈等軸晶 結構），減少皮下夾雜物；
[0039] 4、使用混合氣體(氮氣和/或氬氣)作工作氣體，對鋼液無任何污染，還可在鋼液上 形成保護氣氛，有效地消除中間罐內鋼水的二次氧化;這在澆注鋁鎮靜鋼時，尤為重要，同 時還可降低中間罐內氮氣分壓，相應地降低了鋼中的氮含量。
[0040] 5、中間罐內可加入鐵合金，微調鋼液成分，最大地提高合金收得率；
[0041 ] 6、中間罐鋼水加熱屬在線操作，不額外增加生產時間。
[0042] 7.石墨電極的消耗量為0.46kg/h，即0.03kg/t鋼。
[0043] 8.整個加熱過程鋼水增碳為0_0.05ppm之間，不大于lOppm。
[0044] 9.利用等離子形成的工作弧加熱具有電源利用率高，對電網有害波譜減少，電弧 穩定，多電極起弧時，每個電極皆可實現轉移弧工作，熱效率高。
[0045] 10.通過機械臂調整等離子槍之間的角度，角度范圍為90°-270°之間，使等離子槍 形成的電弧之間相互吸引，增加電弧穩定性，熱效率提高。
[0046] 在本發明的另一個實施例中，
[0047] 直流母線9,將直流電源和中空石墨電極相連接，將直流電能提供輸送到等離子 槍；
[0048] 鋼液液位測量裝置10，用來測量中間包內的鋼液高度，并根據鋼液進行加熱功率 的自動調節；
[0049] 連續測溫裝置11，連續測溫系統連續檢測中間包內鋼液溫度，與PLC系統配套，連 續反映等離子加熱的實際效果，同時還具有參與等離子槍功率自動控制的功能，自動控制 精度為目標溫度的± 2 °C，而手動精度為目標溫度± 5 °C。
[0050] 本發明的一個實施例提供一控制模型，所述控制模型將鋼液高度、鋼液溫度、鋼液 面上0-12cm處的溫度作為輸入量進行計算，并輸出等離子氣體的通入流量及等離子加熱單 元的通電電流大小，實現對等離子加熱單元的自動控制。
[0051] 具體為所述連續測溫裝置11包括多個測溫單元，所述測溫單元被設置在中間包鋼 液內、或設置在中間包內壁上，。具體可在鋼液內表層面中心處自上至下，每隔5-8cm設置一 測溫單元，所述鋼液內的非中心處也設置有測溫單元，所述測溫單元被均勻設置鋼液內，并 均處于中心處的測溫單元的同一水平面上，同時進行采集鋼液內的溫度，并實時反饋至主 控柜6,所述連續測溫裝置11還包括在所述鋼液面上10-12cm處的測溫單元，根據測溫單元 反饋的溫度，調整等離子槍機械臂，使得等離子槍的加熱方向針對溫度低的點進行加熱。
[0052] 在鋼液內部的所述測溫單元所測得的溫度分別為......Tn，所述平 均溫度為wwi;.....工)，所述溫度的方差為、2=>-&)+(n-&J+……fc-,在 s2大于3 0的時候，判斷中間包鋼液的溫度不穩定，并啟動控制等離子槍進行加熱，控制所述 等離子槍的電流在2000-2400A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在2 X l(T2m3/s-2.3 X l(T2m3/s;在s2大于60的時候，控制所述等離子槍的電流在2400-3000A，控制所述等離子 工作氣流的通入量控制在4 X l(T2m3/s-5 X l(T2m3/s;在s2大于100的時候，控制所述等離子 槍的電流在3000-4000A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在8Xl(T 2m3/s-10X10 -2m3/s，控制2個等離子槍之間夾角為90°。本申請通過增加電流來控制等離子槍的加熱弧長， 本申請所應用的加熱弧長在弧長的臨界值內，并所述弧長與電流的關系公式為L = 0.2141 XIth 8887;因此通過提高電流，增加了弧長，弧長得到變長后，實現加熱，使得中間包鋼液的 溫度增加并穩定，同時通過機械臂的控制針對溫度較低的方向有目的的增加，確保了增溫 的效率。
[0053] 上述提出的弧長臨界值為Lfg=l .2578 X IQ'692(3 ;
[0054]在本發明的另一實施例中，將所述鋼液面上0-12cm處的溫度T外同時作為輸入量， 考慮到外界溫度對鋼液的溫度影響，并計算所述平均溫度為T, +T: +T, +T, +T,......T" +幻， 所述溫度的方差為，
，在S2大于50的 時候，判斷中間包鋼液的溫度不穩定，并啟動控制等離子槍進行加熱，控制所述等離子槍的 電流在2000-2400A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在2 X l(T2m3/s-2.3 X l(T2m3/s; 在s2大于90的時候，控制所述等離子槍的電流在2400-3000A，控制所述等離子工作氣流的 通入量控制在4 X l(T2m3/s-5 X l(T2m3/s;在s2大于140的時候，控制所述等離子槍的電流在 3000-4000A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在8Xl(T 2m3/s-10Xl(T2m3/ s。本申請 通過增加電流來控制等離子槍的加熱弧長，本申請所應用的加熱弧長在弧長的臨界值內， 并所述弧長與電流的關系公式為L = 0.2141 XI&8887;因此通過提高電流，增加了弧長，弧長 得到變長后，實現加熱，使得中間包鋼液的溫度增加并穩定，同時通過機械臂的控制針對溫 度較低的方向有目的的增加，確保了增溫的效率。
[0055] 在本發明的另一個實施例中，本發明采用單陰極和雙陽極的3中空石墨電極加熱， 如圖2所示，將所述鋼液面上10-12cm處的溫度T外同時作為輸入量，考慮到外界溫度對鋼液 的溫度影響，并計算所述平均溫度為
，所述溫度 的方差為
.在s2大于50的時候，判 斷中間包鋼液的溫度不穩定，并啟動控制等離子槍進行加熱，控制所述等離子槍的電流在 2000-2400A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在2 X l(T2m3/s-2.3 X l(T2m3/s;在s2大 于90的時候，控制所述等離子槍的電流在2400-3000A，控制所述等離子工作氣流的通入量 控制在4X l(T2m3/s-5 X l(T2m3/s ;在s2大于140的時候，控制所述等離子槍的電流在3000-4000A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在8Xl(T 2m3/s-10Xl(T2m3/s。本申請通過增 加電流來控制等離子槍的加熱弧長，本申請所應用的加熱弧長在弧長的臨界值內，并所述 弧長與電流的關系公式為L = 0.2141 XP8887;因此通過提高電流，增加了弧長，弧長得到變 長后，實現加熱，使得中間包鋼液的溫度增加并穩定，同時通過機械臂的控制針對溫度較低 的方向有目的的增加，確保了增溫的效率。
[0056] 在本發明的另一個實施例中，本發明采用雙陰極和雙陽極的4中空石墨電極加熱， 如圖3所示，將所述鋼液面上10-12cm處的溫度T外同時作為輸入量，考慮到外界溫度對鋼液 的溫度影響，并計算所述平均溫度為
，所述溫度 的方差為
.在s2大于50的時候，判 斷中間包鋼液的溫度不穩定，并啟動控制等離子槍進行加熱，控制所述等離子槍的電流在 2000-2400A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在2 X l(T2m3/s-2.3 X l(T2m3/s;在s2大 于90的時候，控制所述等離子槍的電流在2400-3000A，控制所述等離子工作氣流的通入量 控制在4X10- 2m3/s-5X10-2m3/s;在s2大于140的時候，控制所述等離子槍的電流在3000-4000A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在8Xl(T 2m3/s-10Xl(T2m3/s。本申請通過增 加電流來控制等離子槍的加熱弧長，本申請所應用的加熱弧長在弧長的臨界值內，并所述 弧長與電流的關系公式為L = 0.2141 XIth8887;因此通過提高電流，增加了弧長，弧長得到變 長后，實現加熱，使得中間包鋼液的溫度增加并穩定，同時通過機械臂的控制針對溫度較低 的方向有目的的增加，確保了增溫的效率。
【主權項】
1. 一種用多石墨中空棒做電極的連鑄中間包直流等離子加熱裝置，其特征在于，所述 加熱裝置包括等離子加熱單元、前端測量單元、及控制組件； 所述前端測量單元實時測量加熱空間的鋼液高度及鋼液溫度，并反饋至所述控制組 件，所述控制組件根據反饋信息進行調節等離子加熱單元。2. 根據權利要求1所述的連鑄中間包直流中空石墨等離子加熱裝置，其特征在于，所述 控制組件中具有一控制模型，所述控制模型將鋼液溫度、鋼液面上〇-12cm處的溫度作為輸 入量輸入到控制模型中，所述控制模型輸出等離子氣體的通入流量及等離子加熱單元的通 電電流大小，實現對等離子加熱單元的自動控制。3. 根據權利要求2所述的連鑄中間包直流中空石墨等離子加熱裝置，其特征在于，所述 前端測量單元為一連續測溫裝置，所述連續測溫裝置包括多個測溫單元，所述測溫單元被 設置在中間包鋼液內、或設置在中間包內壁上。4. 根據權利要求3所述的連鑄中間包直流等離子加熱裝置，其特征在于，所述測溫單元 被設置在鋼液內表層面中心處自上至下，每隔5-8cm設置一測溫單元，所述鋼液內的非中心 處也設置有測溫單元，所述測溫單元被均勻設置鋼液內，并均處于中心處的測溫單元的同 一水平面上。5. 根據權利要求4所述的連鑄中間包直流等離子加熱裝置，其特征在于，在鋼液內部的 所述測溫單元所測得的溫度分別為T5.....Tn，所述平均溫度為 =4 TfWXi. + T, I:):所述溫度的方差為 ' ….(rrrv.w3 ^ η π S2大于30的時候，判斷中間包鋼液的溫度不穩定，并啟動控制等離子槍進行加熱，控制所述 等離子槍的電流在2000-2400Α，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在2 X 10_2m3/s-2.3 X l(T2m3/s;在S2大于60的時候，控制所述等離子槍的電流在2400-3000A，控制所述等離子 工作氣流的通入量控制在4Xl(T 2m3/S-5Xl(T2m3/ S;在S2大于100的時候，控制所述等離子 槍的電流在3000-4000A，控制所述等離子工作氣流的通入量控制在8X10_ 2m3/s-10X10- 2m3/s，所述等離子加熱單元的加熱弧長在弧長的臨界值內，并所述弧長與電流的關系公式 為 L = 0.2141XI0·8887。6. 根據權利要求2所述的連鑄中間包直流等離子加熱裝置，其特征在于，所述控制組件 包括一等離子電源系統、水氣控制裝置、現場操作箱、電極調整控制柜、操作臺、主控柜； 所述等離子電源系統的一端的正負極通過直流母線連接等離子加熱單元，所述等離子 電源系統的另一端連接主控柜，所述水氣控制裝置、現場操作箱、電極調整控制柜及操作臺 均同時連接所述主控柜。7. 根據權利要求6所述的連鑄中間包直流等離子加熱裝置，其特征在于，所述加熱裝置 還包括一機械臂，所述等離子加熱單元為至少2個等離子槍，至少2個所述等離子槍固定在 機械臂上;所述電極調整控制柜連接所述機械臂，所述機械臂可調節所述等離子槍之間的 夾角，調節范圍為90°-270°。8. 根據權利要求7所述的連鑄中間包直流真空石墨電極等離子加熱裝置，其特征在于， 所述等離子槍為一中空管形狀，所述中空管外徑尺寸為〇l〇〇-150mm，長度為1000-1500_， 內孔直徑為1-1 Omm; 在工作狀態下，所述中空管內充入等離子工作氣流，所述等離子工作氣流將已經產生 的電弧轉移到槍和鋼液之間，形成工作弧。9.根據權利要求6所述的連鑄中間包真空石墨電極直流等離子加熱裝置，其特征在于， 所述等離子電源系統包括一個隔離變壓器和多脈波可控整流回路，所述變壓器將高壓和低 壓進行隔離，同時將高電壓的電流轉換成低電壓大電流，并通過多脈波可控整流回路及控 制回路將交流電轉換成低壓直流輸出。
【文檔編號】B22D41/015GK106001528SQ201610552619
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】王存
【申請人】北京麥特爾科技有限公司