CN111809016B - 转炉自动出钢方法及转炉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转炉自动出钢方法，包括：转炉倾动，对炉口和炉内进行3D扫描，基于扫描数据建立三维模型，计算获得炉口圆心坐标和熔液液面数据；监视炉口以防止炉口溢流；根据转炉炉型以及所述炉口圆心坐标计算获得出钢口中心的坐标以及出钢口中心与熔液液面之间的距离h₁；以h_s为熔液液位目标值，判断h_s与h₁之间的相对大小，若h₁＜h_s，重复S1～S3，直至h₁＝h_s，转炉停止转动；若炉口出现溢流情况，对h_s进行修正；当下渣检测装置检测到钢流中渣含量超标时，关闭出钢口，转炉回位。相应地提供了一种转炉系统。本发明能实时、连续地控制炉内熔液液面高度，操作简单、可控且可靠，在实现自动出钢的同时，有效地防止炉口溢流事故，极大地缩短出钢时间。

Description

转炉自动出钢方法及转炉系统

技术领域

本发明属于转炉冶炼技术领域，具体涉及一种转炉自动出钢方法及实现该转炉自动出钢方法的转炉系统。

背景技术

当转炉冶炼完毕后，需要通过倾动机构将炉体倾翻，使炉内钢水从炉帽下方的出钢口流出到炉下台车上的钢包内，这个操作过程被称为转炉出钢操作，工艺对出钢操作的主要要求是：(1)不允许炉渣从出钢口流出；(2)不允许炉渣或钢水从炉口流出；(3)出钢时间尽量短；(4)控制台车移动保证钢水要全部落入钢包内，即钢流的落点最好是保持在钢包中心。

目前出钢操作主要采用人工操作，通过人眼观察和操作经验来控制倾动速度、转炉角度和台车位置。人工控制转炉角度缺乏科学的操作依据，如果人工摇炉速度过快，炉渣或钢水容易从炉口溢出，引发事故；如果人工摇炉过慢，可能导致出钢口处熔液液面高度过低，浮在钢液上方的熔渣被卷入钢流中落入钢包，影响钢水质量，还会导致钢流流速过小造成出钢时间变长。人工控制台车位置主要靠肉眼观察钢流与台车上钢包中心进行对中，钢流温度高、辐射大，现场粉尘多、噪音大，人工操作环境差，易疲劳，可能引发钢水洒出钢包外的事故。

发明内容

本发明涉及一种转炉自动出钢方法及实现该转炉自动出钢方法的转炉系统，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明涉及一种转炉自动出钢方法，包括如下步骤：

S1，转炉倾动，对炉口和炉内进行3D扫描，基于扫描数据建立三维模型，并计算获得炉口圆心坐标和熔液液面数据；监视炉口以防止炉渣从炉口溢出；

S2，根据转炉炉型以及所述炉口圆心坐标计算获得出钢口中心的坐标以及出钢口中心与熔液液面之间的距离h₁；

S3，以h_s为熔液液位目标值，判断h_s与h₁之间的相对大小，若h₁＜h_s，重复S1～S3，直至h₁＝h_s，转炉停止转动；若炉口出现溢流情况，对h_s进行修正；

S4，当下渣检测装置检测到钢流中渣含量超标时，关闭出钢口，转炉回位。

作为实施方式之一，S3中，h₁＜h_s时，转炉的倾动速度ω∝h_s-h₁。

作为实施方式之一，S1中，通过3D扫描仪对炉口和炉内进行扫描；

通过点云模板匹配和空间点聚类算法过滤出炉口点云数据，再通过圆拟合方式回归出炉口圆心坐标；

通过点云模板匹配和空间点聚类算法过滤出熔液液面点云数据，通过平面拟合方式计算出熔液液面方程ax+by+cz+d＝0，其中，x、y和z表示空间坐标系，a、b和c为平面方程系数。

作为实施方式之一，所述h_s以如下公式确定：h_s＝Lsin(α-θ)-H_Δ，其中，L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角，θ为转炉的倾动角度，H_Δ为预设安全裕量。

作为实施方式之一，S3中，对h_s进行修正时，通过调节所述H_Δ实现。

作为实施方式之一，转炉出钢过程中，根据转炉的倾动角度调节台车的位置以便承接钢流，具体地，采用分段线性函数拟合台车位置与转炉倾动角度之间的关系，根据实际的转炉倾动角度计算台车位置目标值并以此对台车位置进行闭环控制。

作为实施方式之一，通过炉口红外相机监视炉口。

本发明还涉及一种实现如上所述的转炉自动出钢方法的转炉系统，包括转炉，所述转炉配置有下渣检测装置和挡渣装置，还包括：

炉口3D扫描仪，安装于炉后平台，用于在转炉出钢过程中对炉口和炉内进行3D扫描并基于扫描数据建立三维模型；

炉口红外相机，安装于炉后平台，用于在转炉出钢过程中拍摄炉内及炉口的红外图像；

转炉倾动角度检测装置，用于检测转炉的倾动角度；

出钢控制中心，其接收所述炉口3D扫描仪、所述炉口红外相机、所述转炉倾动角度检测装置及所述下渣检测装置的反馈信息，并控制转炉倾动角度和倾动速度以及所述挡渣装置的动作。

作为实施方式之一，该转炉系统还包括台车定位装置，所述出钢控制中心还接收所述台车定位装置的反馈信息并调节台车的位置以便承接钢流。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的转炉自动出钢方法，能实时、连续地控制炉内熔液液面高度，操作简单、可控且可靠，在实现自动出钢的同时，有效地防止炉口溢流事故，极大地缩短出钢时间；本发明实施例取代了现有的人工出钢操作方法，可节约出钢时间，提升钢水质量，减少工人劳动强度，降低了事故发生率，具有很高的实用价值。

本发明提供的转炉系统能实现转炉自动出钢，结构简单、安装方便，仪器测量方式都是采用远距离非接触式方式，操作安全可靠，设备维护简便，使用寿命长。

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，下面描述中的附图仅仅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它的附图。

图1为本发明实施例提供的转炉自动出钢方法的实施流程示意图；

图2为本发明实施例提供的转炉系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的炉内熔液液位设定值原理图；

图4为本发明实施例提供的炉内熔液液位闭环控制原理图。

具体实施方式

下面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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-图3，本发明实施例提供一种转炉自动出钢方法，包括如下步骤：

S1，转炉1倾动，对炉口和炉内进行3D扫描，基于扫描数据建立三维模型，并计算获得炉口圆心坐标和熔液液面数据；监视炉口以防止炉渣从炉口溢出。其中，优选地，通过炉口3D扫描仪2完成上述3D扫描操作，该炉口3D扫描仪2安装在炉后平台，进一步优选为安装在炉后平台下方转炉轴线上；在其中一个实施例中，该炉口3D扫描仪2可采用TOF原理的物体轮廓仪等3D扫描设备，可由市面购得，其具体结构此处不作赘述。可以理解地，转炉出钢开始后，转炉1先旋转至扫描起始位置后，才能被炉口3D扫描仪2扫描到；具体的炉口3D扫描仪2的安装位置可由本领域技术人员根据实际情况和生产经验进行确定，显然应避免在上述扫描起始位置时炉口即出现溢流的情况。

对于上述的三维模型的建立，由于炉口3D扫描仪2的工作原理是距离测量，其输出为空间点云集合的坐标，优选地，可采用点云模板匹配和聚类算法进行计算，具体地，由于炉口一般为圆形平面或者说近圆形平面，可通过点云模板匹配和空间点聚类算法过滤出炉口点云数据，再通过圆拟合方式回归出炉口圆心坐标；同样地，由于熔液液面为水平平面，可通过点云模板匹配和空间点聚类算法过滤出熔液液面点云数据，通过平面拟合方式计算出熔液液面方程ax+by+cz+d＝0，其中，x、y和z表示空间坐标系，a、b和c为平面方程系数。

S2，根据转炉炉型以及所述炉口圆心坐标计算获得出钢口中心的坐标以及出钢口中心与熔液液面之间的距离h₁；可以理解地，上述出钢口中心也即形成于转炉1内壁上的钢流出口的中心，一般而言，转炉1采用圆形出钢口，当然方形出钢口等也是可行的，上述出钢口中心即为对应出钢口的几何形状的中心。

在上述计算过程中，考虑到转炉本体是刚性炉体，炉口与出钢口之间的相对位置不会变化，满足Z₁＝O₁+W，其中，Z₁为出钢口中心坐标，O₁为炉口中心坐标，W为平移矩阵，该W与炉型相关，由转炉制造图可以计算得出，则在知悉炉口中心坐标O₁的情况下，出钢口中心坐标Z₁也就易于计算得知了。

对于上述“出钢口中心与熔液液面之间的距离”，由于熔液液面是水平的，因此出钢口中心到熔液液面的距离也即炉内熔液液面的高度，以下简称液面高度；该液面高度h₁决定了出钢口的钢流流量，并且能够表征熔液能否从炉口溢出的状况，由于出钢口中心坐标Z₁已计算得知，熔液液面方程表达式也已知悉，通过距离公式即可计算得到上述液面高度h₁。可以理解地，当转炉1持续地倾动时，上述熔液液面方程表达式也是持续变化的，则上述液面高度h₁也是持续变化的。

S3，以h_s为熔液液位目标值，判断h_s与h₁之间的相对大小，若h₁＜h_s，重复S1～S3，直至h₁＝h_s，转炉1停止转动；若炉口出现溢流情况，对h_s进行修正。

可以理解地，上述S3中，也即以h_s为设定值，h₁为实时反馈值，构建出一个闭环反馈控制系统，其中的被控对象为转炉倾动角度/转炉倾动速度，当实际液位小于设定液位时，转炉倾动角度增加(由于熔液液位是转炉出钢口中心与熔液液面之间的距离，转炉倾动角度增加时，熔液液位相应地增加)。进一步优选地，h₁＜h_s时，转炉1的倾动速度ω∝h_s-h₁，也即转炉1的倾动速度正比于目标液位与实际液位之间的液位差，这一液位差越大，转炉倾动速度越快，可提高转炉出钢响应速度和出钢效率。在其中一个实施例中，采用控制器进行上述闭环反馈控制，可以采用PID控制器、最小拍控制器、比例控制器等；如图4，D(s)表示控制器，其输出为转炉倾动速度设定值ω，G(s)表示被控对象的数学模型，其含义是转炉倾动速度对熔液液位高度的影响；以采用比例控制器为例，D(s)＝K

ω＝Kh_e＝K(h_s-h₁)

其中，K为比例控制器赋予的比例系数，实际使用中可以先将K设置为一个较小的值，然后在保证系统稳定性的前体下，逐步调大K值来提高系统的响应速度。

优选地，上述h_s根据炉内熔液不从炉口溢出的原则来设定，熔液液位高度应该越大越好，液位高度越大，出钢口处压力越大，出钢流量越大，出钢速度越快，但液位不能超过炉口，否者炉渣会从炉口溢出。本实施例中，可将上述h_s设定为炉口与出钢口之间的竖向间距H，但考虑到制造偏差、模型误差以及控制过程中的波动等，进一步优选为减去安全裕量H_Δ，以保证熔液不会从炉口溢出。如图3，上述H可表示为：

H＝Lsin(α-θ)

则上述h_s可表示为：

h_s＝Lsin(α-θ)-H_Δ

其中，L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角，θ为转炉1的倾动角度，H_Δ为预设安全裕量。

进一步地，当需要对上述h_s进行修正时，通过调节所述H_Δ实现。当出现炉口溢流现象时，说明上述h_s设定值过大或者实际反馈的液位值h₁偏小，无论何种原因，都可以通过调节上述H_Δ实现修正，具体为增大H_Δ，从而使h_s减小，则实际炉内液位也会减小，避免了再次出现炉口溢流的现象。一般而言，在开始出钢操作时，转炉倾动角度不会过大，不会出现h₁＞h_s的情况，若在上述出钢方法中，出现h₁＞h_s的情况，也可依据上述修正方法进行处理，可通过减小H_Δ，从而使h_s增大；显然地，在出现炉口溢流现象时，通过控制转炉倾动角度减小即可。

在优选的方案中，对于上述炉口溢流现象的监控，可通过炉口红外相机3实现，该炉口红外相机3同样安装在炉后平台，进一步优选为安装在炉后平台下方转炉轴线上，在出钢过程中可连续拍摄炉内和炉口的红外图像。该炉口红外相机3可采用非制冷焦平面型红外长波相机，当然其它型式的红外相机也适用于本实施例中。

S4，当下渣检测装置6检测到钢流中渣含量超标时，关闭出钢口，转炉1回位。下渣检测装置6可采用红外式下渣检测仪或电磁线圈式下渣检测仪；出钢口可通过挡渣装置11关闭，例如采用滑板挡渣装置11或者挡渣棒等。

一般地，通过上述挡渣装置11也可控制出钢口的开启，例如可以在达到上述h₁＝h_s时，转炉1停止转动，此时开启出钢口，开始出钢；当然也可在转炉倾动角度的调节过程中即开启出钢口。

进一步优化上述方法，转炉出钢过程中，根据转炉1的倾动角度调节台车8的位置以便承接钢流，如上所述，在h₁＝h_s时再开启出钢口的情况下，该台车8的位置调节一次完成即可，而在转炉倾动角度的调节过程中即开启出钢口的情况下，该台车8的位置则需实时调节，以便保证钢水全部落入钢包内。相应地，可通过台车定位装置7精确定位台车8的位置，例如可采用激光测距仪或者格雷米线方式等；台车8的合适位置与转炉倾动角度相关，实际控制中可采用分段线性函数拟合台车位置与倾动角度的关系，再根据实际的转炉倾动角度计算台车位置目标值并以此对台车位置进行闭环控制。

本实施例提供的转炉自动出钢方法，能实时、连续地控制炉内熔液液面高度，操作简单、可控且可靠，在实现自动出钢的同时，有效地防止炉口溢流事故，极大地缩短出钢时间；本发明实施例取代了现有的人工出钢操作方法，可节约出钢时间，提升钢水质量，减少工人劳动强度，降低了事故发生率，具有很高的实用价值。

实施例二

如图2，本发明实施例提供一种实现上述转炉自动出钢方法的转炉系统，包括转炉1，所述转炉1配置有下渣检测装置6和挡渣装置11，还包括：

炉口3D扫描仪2，安装于炉后平台，用于在转炉出钢过程中对炉口和炉内进行3D扫描并基于扫描数据建立三维模型；

炉口红外相机3，安装于炉后平台，用于在转炉出钢过程中拍摄炉内及炉口的红外图像；

转炉倾动角度检测装置，用于检测转炉1的倾动角度；

出钢控制中心4，其接收所述炉口3D扫描仪2、所述炉口红外相机3、所述转炉倾动角度检测装置及所述下渣检测装置6的反馈信息，并控制转炉倾动角度和倾动速度以及所述挡渣装置11的动作。

上述各设备在上述实施例一中已有述及，可参考上述实施例一中的相关内容，具体结构此处不作赘述；出钢控制中心4根据接收到的反馈信息，可执行上述实施例一中所提供的转炉自动控制方法，以达到控制转炉倾动角度和倾动速度以及所述挡渣装置11的动作的目的。

进一步优选地，该转炉系统还包括台车定位装置7，所述出钢控制中心4还接收所述台车定位装置7的反馈信息并调节台车8的位置以便承接钢流；同样地，具体可参考上述实施例一中的相关内容，此次从略。

本发明实施例提供的转炉系统能实现转炉自动出钢，结构简单、安装方便，仪器测量方式都是采用远距离非接触式方式，操作安全可靠，设备维护简便，使用寿命长。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种转炉自动出钢方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，转炉倾动，对炉口和炉内进行3D扫描，基于扫描数据建立三维模型，并计算获得炉口圆心坐标和熔液液面数据；监视炉口以防止炉渣从炉口溢出；

S2，根据转炉炉型以及所述炉口圆心坐标计算获得出钢口中心的坐标以及出钢口中心与熔液液面之间的距离h₁；

S3，以h_s为熔液液位目标值，判断h_s与h₁之间的相对大小，若h₁＜h_s，重复S1～S3，直至h₁＝h_s，转炉停止转动；若炉口出现溢流情况，对h_s进行修正；

所述h_s以如下公式确定：h_s＝Lsin(α-θ)-H_Δ，其中，L为沿炉帽倾斜方向炉口与出钢口之间的距离，α为炉帽与炉身之间的夹角，θ为转炉的倾动角度，H_Δ为预设安全裕量；对h_s进行修正时，通过调节所述H_Δ实现；

S4，当下渣检测装置检测到钢流中渣含量超标时，关闭出钢口，转炉回位。

2.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于：S3中，h₁＜h_s时，转炉的倾动速度ω∝h_s-h₁。

3.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于：S1中，通过3D扫描仪对炉口和炉内进行扫描；

通过点云模板匹配和空间点聚类算法过滤出炉口点云数据，再通过圆拟合方式回归出炉口圆心坐标；

通过点云模板匹配和空间点聚类算法过滤出熔液液面点云数据，通过平面拟合方式计算出熔液液面方程ax+by+cz+d＝0，其中，x、y和z表示空间坐标系，a、b和c为平面方程系数。

4.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于：转炉出钢过程中，根据转炉的倾动角度调节台车的位置以便承接钢流，具体地，采用分段线性函数拟合台车位置与转炉倾动角度之间的关系，根据实际的转炉倾动角度计算台车位置目标值并以此对台车位置进行闭环控制。

5.如权利要求1所述的转炉自动出钢方法，其特征在于：通过炉口红外相机监视炉口。

6.一种实现如权利要求1至5中任一项所述的转炉自动出钢方法的转炉系统，包括转炉，所述转炉配置有下渣检测装置和挡渣装置，其特征在于，还包括：

炉口3D扫描仪，安装于炉后平台，用于在转炉出钢过程中对炉口和炉内进行3D扫描并基于扫描数据建立三维模型；

炉口红外相机，安装于炉后平台，用于在转炉出钢过程中拍摄炉内及炉口的红外图像；

转炉倾动角度检测装置，用于检测转炉的倾动角度；

出钢控制中心，其接收所述炉口3D扫描仪、所述炉口红外相机、所述转炉倾动角度检测装置及所述下渣检测装置的反馈信息，并控制转炉倾动角度和倾动速度以及所述挡渣装置的动作。

7.如权利要求6所述的转炉系统，其特征在于：还包括台车定位装置，所述出钢控制中心还接收所述台车定位装置的反馈信息并调节台车的位置以便承接钢流。

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