转炉控制信息与在线检测技术Word下载.docx

转炉控制信息与在线检测技术Word下载.docx

《转炉控制信息与在线检测技术Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《转炉控制信息与在线检测技术Word下载.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

2）对吹炼过程的实时在线检测。

一般采用炉气分析设备，同时分析炉气中CO、CO2、N2、Ar等气体成分，计算瞬时熔池脱碳量，脱碳速率和升温速率。

连续预报和不断校正熔池成分和温度。

3）对炉渣状况的实时在线检测。

用于判断炉渣熔化状况，预报“喷溅”或“返干”等不正常吹炼是否可能产生。

通常采用声、光等间接方法测量。

4）吹炼过程枪位变化和各种辅原料的加入情况。

　　表1给出转炉吹炼过程中产生的各种信息、信息来源、测定方法和各种信息在吹炼控制中的作用。

分析表1可以看出，转炉吹炼控制信息按性质和功能可分为静态信息和动态信息。

　　静态信息包括基本工艺信息和吹炼信息。

一般要求在吹炼前或开吹后3min内送入计算机。

动态信息指各种过程控制信息，用于对吹炼过程进行校正，迅速作出判断和预报，故必须要求进行实时在线测定，并要求信息处理时间≤10s。

表1　转炉吹炼控制信息

项目

信息

信息来源

测定方法

控制功能

基本工艺信息

治炼钢种成分

生产标准

—

基本计算条件和控制依据

各种辅原料成分

原料车间

化学分析，物理检验

控制目标

技术规程和调度

设备参数

技术规程

历史数据

计算机数据库

吹炬信息

铁水重量、成分、温度

铁水站

称重，测温，化学分析

进行静态控制，根据目标要求与吹炼条件，结合历史经验，选择确定最佳的冶炼工艺与操作参数，大体命中终点目标值

废钢分类和重量

废钢场

称量，废钢分级配料

治炼钢种，调度时间

调度室

生产计划

炉龄、枪龄、炼钢工姓名等

计算机

上一炉吹炼情况

历史数据（提供参考炉数据）

过程控制信息

终点控制

终点［C］

熔池

副枪结晶定碳

动态校正吹炼终点C含量、动态校正吹炼终点T、预报熔池含氧量、推断终点P含量

终点T

副枪或投弹热电偶测温

终点α

副枪测定氧活度α。

氧枪高度（枪位）

钢绳张力或码盘

过程控制

炉气分析CO、CO2等

炉气

质谱仪测定

连续预报和校正熔池成分、温度

火点光谱测量

O2射流冲击区

测定一定频率光的强度

根据火点温度预报熔池温度，测定熔池Mn含量，推断P含量

炉口火焰光强计

发光强度

预报熔池C含量

炉渣控制

声频

炉内噪音

噪音分析

判断炉内化渣状况

氧枪振动

炉内搅动

机械振动频率分析

预报“”喷溅”或“返干”

微波测量

炉内渣液面

微波传输距离计算

辅原料加入量和时间

炉内

称重

控制造渣过程

枪位

钢绳张力或码 

盘

顶吹供氧流量、压力

阀门站

计量仪表

控制脱碳和炉渣氧化怀

底吹气体流量、压力

控制熔池搅拌

2　转炉在线检测技术

2.1对终点的检测

2.1.1副枪检测

　　副枪是在吹炼过程中对金属熔池进行直接测量的方法。

其工艺原理是：

在吹炼终点前2～3min，水冷副枪快速插入钢水中进行测量。

根据测量结果，决定后2～3min的吹炼工艺，保证命中终点目标。

安装的组合探头不同，副枪具备的检测功能也不同[3]。

　　TSC探头可测定熔池温度（T），取金属分析样（S）和测定含碳量（[C]）；

TSO探头测定熔池温度（T），取金属分析样（S）和测定熔池氧活度（ao）；

HT探头测定熔池液面（H）和测温（T）。

　　副枪设备主要包括水冷副枪枪体和测头夹持器、组合测头、升降机构和探头装卸机械等4部分。

表2给出了BHP公司Newcastle厂220tLD转炉副枪的基本参数[4]。

表2　220t转炉副枪设备参数

名称

参数

副枪长度／m

15.9

枪位控制精度/mm

±

10

副枪直径/mm

114

检测周期/s

120

测头长度/m

2

冷却水流量/m3。

h-1

50

测头夹持器长度/m

1.225

探头更换方式

机械手

下降速度/m。

min-1

副枪测成率

≥95%

低速

8

中速

20

高速

150

　　通常，副枪采用TSC探头，对熔池温度的测量误差是±

14℃，[C]为±

0.02％，命中率达到90％以上。

但转炉吹炼后期熔池升温速度与供氧强度有较好的线性关系，可通过计算机控制吹炼后期供氧强度，使终点温度的控制误差减小到±

6℃[5]。

熔池氧活度ao与熔池温度和碳含量呈线性关系，如图1所示。

利用TSC探头可根据测定的[C]和T值，用经验公式较准确地预报熔池ao。

通过ao可估计渣中T·

Fe（炉渣中的全铁含量）和钢水氧含量，进而预报和控制终点磷含量。

图1　熔池碳含量、温度与氧活度ao的关系

a—4.309（常数）；

b—0.892（常数）

　　采用副枪测量实现了转炉吹炼的动态控制，提高终点控制精度，避免了钢渣过氧化，具有明显的经济效益，如表3所示。

表3　利用副枪进行转炉控制的经济效益[4]

目标

指标

提高生产效率

从终点至出钢时间

减少4min

后吹率

从36%下降到9%

喷溅率

从35%下降到12%

炉龄

从2000炉上升到2900炉

年产钢量

增加5万t/a

氧枪寿命

从55炉提高到250炉

降低生产成本

耐火材料消耗

从1.2kg/t下降到0.6kg/t

补炉料消耗

从1.1kg/t下降到0.4kg/t

石灰料消耗

减少5kg/t

白云石消耗

提高金属收得率

Fe

从90.2%提高到90.5%

Mn-Fe

提高0.2kg/t

Si-Fe

提高0.25kg/t

Al

提高0.17kg/t

提高钢水质量

平均终点温度

降低5.5°

C

平均终点氧

降低110×

10-6

平均终点碳

提高0.008%

终点[P]

命中率≈100%

2.1.2投弹热电偶检测

　　副枪检测技术的缺点是要求炉口尺寸≥2.0m。

因此，只适用于200t以上的大型转炉。

为解决200t以下中小型转炉动态测量的困难，美钢联GraniteCity钢厂1991年发明并采用了投弹热电偶终点检测技术[6]。

其测量装置示于图2。

　　投弹热电偶的测量原理与副枪相同。

用机械投掷的方法将直径Φ=87.5mm，长900mm的热电偶探头在终点前2～3min内投入到转炉熔池内，直接测量钢水温度。

由于投弹热电偶采用软线连结，体积小，装置简单，不再受炉口尺寸的限制，其测成率达到90％[6]。

　　转炉吹炼末期（[C]≤0.07％），熔池含碳量与冷却后烟气温度有较好的线性关系，如图3所示。

根据测定烟气温度可间接推断熔池含碳量。

根据测定熔池温度和计算含碳量调整后期供O2操作，保证终点控制精度。

GraniteCity钢厂采用投弹热电偶进行转炉动态控制，取得明显效果：

后吹率从19.7％下降到9.3％，其中由于温度不合格造成的后吹率由13.5％下降到6.2％，碳含量不合格造成的后吹率从2.4％下降到1.6％。

采用该项技术后，该厂转炉的金属收得率平均提高了0.5％，炉龄从3451炉上升到5200炉。

2.1.3利用光学原理进行间接测量的方法

（1）测量炉口火焰光强,计算熔池含碳量

　　美国伯利恒钢铁公司雀点钢厂最近发明了一种简易的终点碳含量测定方法，适用于低碳钢（[C]≤0.06％）生产的终点控制[7]。

其测定原理是根据转炉吹炼后期，炉口火焰发光强度随熔池含碳量降低而减弱的现象，建立火焰光强与熔池[C]的相关关系，预报终点[C]，如图4所示。

图2　投弹式热电偶测量装置示意图

图3废气温度与终点[C]的关系

图4　火焰光强与终点碳的预报原理

　　a是峰值光强到最低光强的下降量；

b是峰值光强；

x1为光强达到峰值时至吹炼终点的吹氧量；

x2为加废钢时的光强至峰值光强的增量，x2=a／b;

x3为光强下降到最低点不再发生变化时的吹氧量；

则终点

[C]=f（x1，x2，x3）

　　炉口火焰光强测量方法非常简单，见图5。

将光电传感器置于密封黑箱内，黑箱正面开有小孔正对炉口，火焰光通过小孔投射在光电传感器上，测定光强度，并转换为电信号送到PLC进行数据处理后，提供给过程计算机，进行过程控制。

图5　炉口火焰光强测定仪原理图

　　采用该项检测技术，对于[C]≤0.06％的低碳钢种，测定[C]的标准差为0.005％～0.007％，终点碳含量的控制精度从±

0.017％提高到±

0.012％，碳含量不合格造成后吹的比率从6.9％下降到2.9％。

（2）利用光学探头测定炉内各种信息[8]

　　最近，美国开发了一种新型的光学组合探头，可用于转炉在线测量，测量内容包括熔池温度、熔池含碳量、熔池钢水液面。

光学传感器安置在水冷顶吹氧枪中心部位，通过连续测量火点区钢水发射光线的频率（λi）、波长（υi）、强度（Gi）和灰度（εi），推断钢水温度和熔池含碳量。

温度测定原理为：

通过氧枪内置的光学传感器检测两个发光频率的光强和灰度，再利用下式计算出熔池温度。

式中　C2为常数。

　　图6给出光学测定法与热电偶测定法对熔池温度测定结果的比较。

图6　光学法测量与热电偶测温的比较

　　对熔池碳含量的测试发现炉内火焰灰度随吹炼时间有规律地变化。

吹炼前期出现1次高峰，称1次峰值。

随后灰度衰减，形成1个低谷，称1次低谷。

然后出现第2次峰值和2次低谷。

当出现第3次峰值时，即达到终点。

利用灰度变化值可与终点碳含量建立较好的线性关系，间接测定出熔池含碳量。

　　（3）用光谱测火点温度和钢水Mn含量[9～10]

　　日本新日铁公司最近开发出一种新型光学传感器探头，安装于顶吹水冷氧枪内。

通过连续检测炉内光辐射的频率、强度，可测定熔池火点温度，推算熔池温度和钢水Mn含量，见图7。

原理为在高温下吹入的纯氧与熔池反应，形成火点，温度高达2000～2500℃，高温下激发出Fe和Mn的离子光谱。

氧枪内的光传感器连续测量波长为386nm的Fe离子光谱强度和波长为403.31nm的Mn离子光谱强度，利用下式计算熔池Mn含量：

图7　光谱分析测量钢水Mn含量的检测示意图

IMn—锰离子发光强度

式中I（Mn/Fe）是测定的Mn与Fe离子光谱强度的比值，K（T）是总传质系数，η是自吸收系数。

光学法测定的Mn含量与化学分析法测定的Mn含量基本一致。

待续

（编辑魏方）

刘浏男1951年生博士教授级高级工程师主要从事炼钢、自动化控制等方面的研究工作。

作者单位：

刘浏（钢铁研究总院北京100081）