（钢铁冶金专业论文）aod不锈钢冶炼过程连续测温系统开发.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 a o d 冶炼过程中钢水温度测量是不锈钢生产过程中的一个重要环节。目前大 都采用一次性热电偶点测，但是这种测温方式存在很多问题。因此，寻找一种既 可靠又经济的连续测温方法显得至关重要。本论文基于炉壁埋入式风1 2 1 技术和可 利用的高温探测器，进行了红外光纤非接触式连续测温方法的探索与研究，开发 了连续测温系统。 连续测温系统由以下几部分组成：红外高温探测器、记录系统、冷却系统、 测温模块、过程控制计算机。热辐射体发出的红外线电磁波，进入光学系统，由 探测器接收并转换成电信号，并通过c o m l 口送往工业控制计算机进行后期处理、 显示和存储温度数值。 本文进行1 2 次热模拟实验，为了测试该套测温系统的可行性及各种性能。利 用计算机软件对连续测温系统测得的温度信号和热电偶测得的温度信号进行比较 分析。得出如下结论： ( 1 ) 连续测温系统测得的温度值与快速热电偶测得的温度值趋势一致。在固定 的实验条件下，两者的差值接近一个固定值； ( 2 ) 利用连续测温系统进行测温时，存在的烟气对测温精度造成一定的影响。 但是尽管在传递通道中的介质是多种多样的，测温现场的各种介质种类、成分和 含量几乎是不同的。然而对于一个具体的测温对象，辐射传递通道中的介质状态 在被测温度变化过程中几乎是不变的； ( 3 ) 连续测温系统测得的是钢水的辐射温度，而快速热电偶测得的是钢水的真 实温度。两者之间存在一定的拟和关系。设y 为拟和后得到的温度值，x 为测温 系统测得的温度值。r m s e 为两者的均方差。实验2 0 0 4 1 2 2 7 得到的拟合方程为： y l = 1 1 1 1 x 1 + 7 9 2 9 ，r m s e l = 1 2 3 。实验2 0 0 4 1 2 2 9 的拟合方程为： y 2 = 1 3 3 2 x 2 1 5 1 8 ，r m s e 2 = 1 8 9 9 。实验2 0 0 5 1 5 的拟合方程为： y 3 = 0 8 4 3 1 x 3 + 4 4 0 8 ，r m s e 3 = 11 8 6 ； ( 4 ) 如果工艺气体或可燃气体被喷吹进熔池，风口前直接测得的温度不能代表 熔池的平均温度，而是过程反应温度。而在吹入冷却气体时，测得的温度表示熔 池的平均温度。 关键词：a o d 红外光纤测温非接触连续测温系统 东北大学硕士学位论文 a b s t m c t a b s t r a c t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n to fm o l t e ns t e e ld u r i n ga o dr e f i n i n gp r o c e s si so n e i m p o r t a n tp a r tf o rt h es t a i n l e s ss t e e lm a k i n g c u r r e n t l y ，o n e - o f ft h e r m o c o u p l e sa r e w i d e l ya d o p t e df o r i n t e r v a lm e a s u r e m e n ti na o dt h a tc a u s e dm a n yp r o b l e m s t h e r e f o r e ，t of m dar e l i a b l ea n de c o n o m i c a lc o n t i n u o u sm e a s u r i n gm e t h o db e c o m e s v e r yi m p o r t a n t o nt h eb a s i so ft h et e c h n o l o g yo fs u b m e r g e dt u y e r e se m b e d d e di n s i d e t h el i n i n go ff i l i q l a c ea n dt h ea v a i l a b i l i t yo fh i g h - t e m p e r a t u r ed e t e c t o r s ，t h er e s e a r c ho f c o n t i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tw i t hi n f r a r e dm e t h o dh a sb e e nc a r r i e do u t ，a n dt h e c o m i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h es y s t e mo fc o n t i n u o u sm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ei sc o m p r i s e do ft h ef o l l o w i n g i t e m s ：h i g h t e m p e r a t u r ed e t e c t o r ，r e c o r d i n gs y s t e m ，c o o l i n gs y s t e m ，t h em o d u l eo f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dp r o c e s sc o m p u t e r t h ei n f r a r e de l e c t r o m a g n e t i cw a v e s t h a ta r ee m i t t e df r o mt h em o l t e ns t e e lb a t hp a s st h r o u g ht h el e n ss y s t e ma n df o c u so n t o t h ed e t e c t o r ，a n dt h ee l e c t r i cs i g n a lf r o mt h ed e t e c t o ri st r a n s m i t t e dt ot h ep r o c e s s o rb y c o m li n t e r f a c e t h e s ed a t aa r ep r o c e s s e d s a v e da n dd i s p l a y e di nt h ep r o c e s s o r t w e l v et h e r m o s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt ot e s tt h ef e a s i b i l i t ya n d o t h e rp e r f o r m a n c e sa s p e c t so ft h es y s t e m b yu t i l i z i n gt h es o f t w a r e ，t h ec o m p a r i s o no f m e a s u r e dd a t ab e t w e e nc o n t i n u o u sm e a s u r i n gs y s t e ma n dt h e r m o c o u p l eh a sb e e nm a d e ， a n dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa l ed r a w n ： ( 1 ) t h et r e n do ft h et e m p e r a t u r e sm e a s u r e db yt h ec o n t i n u o u sm e a s u r e m e n ts y s t e m a c c o r d sw i t ht h a to ft h et h e r m o c o u p l e a st h ec o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n ti sf i x e d ，t h e d i f f e r e n c eo f t h et w ot e m p e r a t u r e si sf i x e d ( 2 ) w h e nt h ec o n t i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mi sa d o p t e d ，t h es m o ga n d g a sw i l lh a v es o m ee f f e c tu p o nt h em e a s u r e m e n ta c c u r a c y d e s p i t et h ev a r i a t i o no f t h e m e d i ai nt h et r a n s m i s s i o np a t ha n dd i f f e r e n c eo ft h em e d i ac a t e g o r y ，c o n t e n ta n d p e r c e n ta g e ，f o ras p e c i f i cm e a s u r i n go b j e c t ，t h em e d i a i nt h et r a n s m i s s i o np a t ha l m o s t r e m a i n sc o n s t a n ta st e m p e r a t u r ei sc h a n g i n g ( 3 ) t h et e m p e r a t u r e sm e a s u r e db yt h ec o n t i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m a r er a d i a n tt e m p e r a t u r e s ，w h i l et h et e m p e r a t u r e sm e a s u r e db yt h et h e r m o c o u p l ea r et h e r e a lo n e s ，t h et w ov a r i a b l e ss a t i s f yaf i t t i n gr e l a t i o n s u p p o s e dya st h et e m p e r a t u r e a f t e rf i t t i n ga n dxa st h et e m p e r a t u r em e a s u r e db yt h es y s t e m ，r m s ei st h er e m a i n s q u a r e d e r r o ro ft h e m t h ef i t t i n ge q u a t i o n sf o rt h ee x p e r i m e n t s2 0 0 4 1 2 - 2 7 ， 2 0 0 4 1 2 2 9a n d2 0 0 5 1 5a r ea sf o l l o w sr e s p e c t i v e l y ：y i = 1 111 x 1 + 7 9 2 9 ，r m s e l 2 1 2 3 ， y 2 = 1 3 3 2 x 2 - 1 5 1 8 ，r m s e 2 = 1 8 9 9 ，y 3 = o 8 4 3 1 x 3 + 4 4 0 8 ，r m s e 3 2 11 8 6 v 苎型堡主鲎垒堕叁 垒旦窭型 ( 4 ) i fp r o c e s sg a so rc o m b u s t i b l e so r ei n j e c t e di n t ot h eb a t h ，i ti so b v i o u st l l a tt l l e d i r e c t l ym e a s u r e dt e m p e r a t u r ei nf r o n to ft h et u y e r ec a n ts t a n df o rt h ea v e r a g e d t e m p e r a t u r eo ft h el i q u i db a t h ，b u ti ti st h ep r o c e s sr e a c t i o nt e m p e r a t u r e o nt h eo t h e r h a n di f t h ec o o l i n gg a si si n j e c t e d ，t h em e a s u r e dt e m p e r a t u r e si st h ea v e r a g eo f t h eb a t h k e yw o r d s ：a o d ，i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，n o n - c o n t a c t ， c o n t i n u o u st e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蔫赤j 扛 日期：如f 2 善7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 不锈钢因其具有不锈、耐蚀、高寿命、可回收、低的寿命周期成本、美观等 优良性能而广泛应用于国际民生的各个领域。随着精炼技术、连续铸钢技术、新 型的热轧技术、冷轧技术、自动化控制技术、检测技术的发展，使不锈钢的品种、 质量、成本、生产规模发生了巨大的变化。 根据文献，2 0 0 0 年全球8 0 以上的不锈钢采用了普莱克斯许可的a o d 法生 产的。我国自1 9 8 3 年在太钢投产了国内第一台1 8 t a o d 炉，开辟了不锈钢生产 的新途径1 2 1 。 众所周知，“脱碳保铬”是冶炼不锈钢的关键，连续准确测得钢水温度既是 降碳的必备条件，又是保铬不可缺少的手段。本章对不锈钢的发展历程、不锈钢 炉外精炼冶炼技术的发展及其特点、红外光纤测温技术的特点及本文的研究背景、 研究方法和主要内容作一概述。 1 1 不锈钢的发展历程 回顾历史，印度寺院中的铁柱经历了1 5 0 0 多年的风吹、日晒、雨打，至今仍 然光辉夺目，完全没有生锈的痕迹，从而引起了许多研究人员的关注，有不少人 曾力图阐明这种现象的原因，其中著名的电磁学家法拉第最先将低合金钢的生锈 纳入研究课题，为今日的不锈钢研究奠定了基础。 1 9 0 6 年法国人m ，c g u i l l e t 发表了关于f e n i c r 奥氏体钢的冶金学研究，1 9 0 8 年德国人p m o m a r t z 和w b o r c h e r s 发现了钝化现象，1 9 1 1 年发表了钝化理论。 自此，不锈钢被学术界和产业界纳入了研究范畴【3 】。 不锈钢的名字起源于1 9 1 4 年英国布里阿雷用1 3 c r 钢生产刀具的刚候，两年 后引进到日本取名为不锈钢。因此其历史只有短短的9 0 年。在这短短的发展历程 中，不锈钢经发明至初期工业化及至现代化工业大生产，其产量和生产技术都有 着突飞猛进的增加和发展。 不锈钢在开发初期，主要用于军事工业。w a k r i s k y 于1 9 5 4 年发明了不锈 钢精炼中的革新技术a o d 法，德国的w i t t e n 公司开发了v o d 法【4 】。自从美国 的u n i o nc a r b i d e 公司开发了a o d 法并实现工业化以来，不锈钢产量才得到大幅 度提高，生产成本大幅度降低，致使不锈铜开始逐渐进入民用工业，并很快的以 各种产品形式进入千家万户，成为日常生活中必不可少的耐用消费品的材料。不 锈钢的发展，可以说是一个以文明和发展为开端，经过各国许许多多工作者共同 努力所取得的结晶。另外，如果纵观一下不锈钢生产技术的重大革新，则首先是 钢的精炼技术。进入4 0 年代后，采用了氧气炼钢，使大量应用废不锈钢屑成为可 东北大学硕士学位论文第一章绪论 能。从那以后经过2 0 多年的丌发，取得了使用低品位原料的技术。使得v o d 法 和a o d 法实现了工业化生产，从此以后，不锈钢的冶炼进入了大工业生产阶段。 不锈钢的连铸技术在5 0 年代前期就进行了研究，并在6 0 年代成功的实现了工业 化生产，大大提高了不锈钢的回收率，降低了生产成本。 人均不锈钢材消费量是以国民收入水平为基础，并和文化背景、生活消费方 式、产业结构等有关”】。近年来，世界不锈钢消费量在2 0 0 0 万吨左右，我国已成 为全球不锈钢生产增长最快和不锈钢消耗最大、进1 ：3 量最大的国家之一。2 0 0 2 年， 我国生产不锈钢材1 2 5 万吨，进口2 3 8 万吨( 其中含生产冷薄板原料约6 0 万吨) ， 出口4 万吨，表观消费量2 9 8 ) j - 吨，人均消费量达2 3 公斤年，而世界人均消耗 水平为3 7 公斤年。从这组数据我们可以看出，国内的不锈钢产业潜力极大i ”。 1 2 不锈钢炉外精炼技术的发展及其特点 不锈钢的主要成分是铬，其原料含碳量及含铬的高低对不锈钢的质量和生产 方法都有着极大的影响。所以，无论哪种不锈钢的生产方法都与碳的控制有关， 其主要任务就是脱碳保铬。为了适应不锈钢产量的大幅度增长，品种的小断扩大， 质量的迅速提高，冶炼已从电炉单一熔炼、精炼和合金化，发展到熔炼与精炼分 开的双联工艺、三步法、转炉顶底复合吹炼等。 a o d 法是氲氧脱碳法( a r g o no x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 的简称。它是在大气 压力下向钢水吹氧的同时，吹入惰性气体( 氩、氮气) ，通过降低一氧化碳分压 的压力以实现脱碳保铬目的的重要精炼方法。美国联合碳化物公司于1 9 5 4 年提出 此工艺f7 1 。 与传统的电炉法相比，a o d 精炼炉具有三高( 产量高、质量高、铬的收得率高) ， 三低( 成本低、投资低、劳动强度低) 等特点。作为生产不锈钢专用炉发展起来的 a o d 法，已经发展到可咀生产高温合金、工具钢及特殊性能钢等，这对于国内中 小型企业的技术改造具有较大的吸引力，但同时也存在一些问题，如a o d 炉衬寿 命较短，氩气消耗量太大等。 1 3 红外光纤测温技术的发展及现状 红外辐射这一物理现象起源于1 8 0 0 年8 1 。但直到上世 e 5 0 年代，红外技术才开 始进入广泛应用的阶段。 非接触式红外测温具有如下优点1 9 1 ： 夺它的测量不干扰被测温场，不影响温场分布，具有较高的测量准确度； 夺测温范围宽。在理论上无测量上限，可以测量相当高的温度； 夺探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量； 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 能。从那以后经过2 0 多年的开发，取得了使用低品位原料的技术。使得v o d 法 和a o d 法实现了工业化生产，从此以后，不锈钢的冶炼进入了大工业牛产阶段。 不锈铡的连铸技术在5 0 年代前期就进行j ，研究，并在6 0 年代成功的实现了工业 化生产，大大提高了不锈钢的回收率，降低了生产成本。 人均不锈钢材消费量是以国民收入水平为基础，并和文化背景、生活消费方 式、产业结构等有关”j 。近年来，世界不锈钢消费量在2 0 0 0 万吨左右，我国已成 为全球不锈钢生产增长最快和不锈钢消耗最大、进口量最大的国家之。2 0 0 2 年， 我国牛产不锈钢材1 2 5 万吨，进口2 3 8 万吨( 其中含生产冷薄板原料约6 0 万吨) ， 出口4 万吨，表列消费量2 9 8 力吨，人均消费量达2 3 公斤年，而世界人均消耗 水平为37 公斤年。从这组数据我们可以看出，国内的不锈钢产业潜力极大”j 。 1 2 不锈钢炉外精炼技术的发展及其特点 ：；1 、锈制的主要成分是铬，其原捌含碳量及含铬的高低对不锈钢的质量和生产 方法部有着极大的影u 眦所以，无论哪种不锈钢的生产方法都与碳的控制有关， 其主要任务就是脱碳保铬。为了适应不锈钢产量的大幅度增长，品种的不断扩大， 质最的迅速提高，冶炼己从电炉单一熔炼、精炼和合金化，发展到熔炼与精炼分 开的双联工艺、一步法、转炉顶底复合吹炼等。 a o d 浊是氩氧脱碳法( a r g o no x y g e nd e c a r b u r i z a t i o n ) 的简称。它是在大气 压力下向钏水吹氧的同时，吹入惰性气体( 氩、氮气) ，通过降低一氧化碳分压 的压力以实现脱碳保铬目的的重要精炼方法。美国联合碳化物公司于1 9 5 4 年提出 此= 艺”1 。 与传统的电炉法相比，a o d 精炼炉具有三高( 产量高、质量高、铬的收得率高) ， 三低f 成本低、投资低、劳动强度低) 等特点。作为生产不锈钢专用炉发展起来的 a o d 法，已经发展到可以生产高温合金、工具钢及特殊性能钢等，这对于国内中 小型企业的技术改造具有较大的吸引力，但同时电存在一些问题，如a o d 炉衬寿 命较短，氩气消耗量太大等。 1 3 红外光纤测温技术的发展及现状 红外辐射这一物理现象起源于1 8 0 0 年吼4 d _ r n i t g s o 年代，自：外技术才丌 始进入广泛应用的阶段。 非接触式红外测温具有如下优点j ： 夺它弁测量不干扰被测温场，不影响温场分布，具有较高的测量准确度i 夺测温范围宽。在理论上无测量e 限，可以测量相当高的温度； 夺探钡4 器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量； 夺探钡4 器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量； 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 夺不必接触被测物体，操作方便： 夺可以确定微小目标的温度。 随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。在某些场合， 温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视。例如在不停机的情况 下要对机械设备、电力设备、生产设备等进行温度n - n ；在不能造成产品的污染 或损坏的情况下对生产过程中或仓库里的产品温度进行测量；在医学领域内，为 了了解病人的身体状况，需对病人身体各个部分的温度进行安全的测量【10 1 。在这 种背景_ f ，使用方便，可快速对物体温度进行非接触、无损测量的红外测温技术 就得到了极大的发展。 国内外，非接触红外测温技术的发展极为迅速：日本的千野、横河、松下、 川崎、精工、北辰、米诺他等公司生产的简易辐射温度计具有较高的水平。美国 许多公司研制出各种便携式辐射温度计，如r a y t e k 公司的r a n y n g e r 系列、w a h l 公司的d h s 系列、u n i t y p u w e r s y s t e m 公司的t m 系列等j 。英国l a n d 公司 和德国的i k e 公司生产的红外测温仪都具有较高的准确度。而国内在这方面的研究 进行得相对少些。 光纤测温是七十年代发展起来的一门新兴测温技术。它采用光导纤维作为光 路，使探头与仪表分离，大大增强了仪器仪表的环境适应能力，可应用于强电磁 干扰、腐蚀性气氛和狭小空间等恶劣环境。众所周知，光在均匀的介质中是直线 传播的。为了使光线能够自由弯曲得传播，科学家们设计出像水管送水那样输送 光的光波导一光导纤维。用传递红外线的玻璃母材料做成中空的或晶体的纤维芯线， 在芯线外敷一包层，便制成红外光导纤维。 红外光导纤维的使用波段一般为l 2 5 u r n ，其主要优点是：传输损耗较低、 频带宽、抗电磁干扰、可绕性好、耐化学腐蚀、重量轻。近二三十年红外光纤才 真i f 得到发展。1 9 7 0 年，美国康宁公司研制成世界上第一根实用光纤1 1 ”。1 9 7 6 年， 日本通用电器研究所研制成世界_ 匕第一根红外光纤，响应波长为1 2 聊。发达国家 都很重视发展光纤，1 9 8 0 年以来，美国光学工程协会每年都召开红外光纤学术会 议；美国红外热成像公司、贝尔实验室、休斯公司，美国陆、海、空三军，法国 氟化玻纤公司，英国、日本都在积极地研究红外光纤，投资也在剧增。关于制备 光纤的母材料，也经历了许多探索，诸如：卤素化合物玻璃、硅基玻璃、石英玻 璃、硫属化合物玻璃、氟化物玻璃、硒化锌、卤化银、砧澳化银等。硅光纤在短 波范围颇具优点，氟化物光纤则不仅在激光能量传输、热成像、遥感等方面，而 且在红外通讯应用中，也是最有希望的材料。 光纤的性能，在很大程度上由制备红外光纤的材料决定。从物理学得知：长 波透明度来自重元素的弱键阳离子材料。“重”物质构成的玻璃( 比如a s 和s e ) 传输 1 0 c o n 以外的光，相反，大多数硅基玻璃只能传输2 ，以内的光。在选择红外光纤 母体材料是需从多方面考虑，因为具有高红外透过率的材料，其热特性和物理特 东北大学硕士学位论文第一章绪论 性( 粘滞度、化学耐久性、膨胀系数以及转变温度等) 不理想。研究者们经过折衷选 择，普遍认为重金属氟化物玻璃( h m f ) 和硫属化合物玻璃可作1 1 1 c a n 波段内的光 纤材料，两者都可以做成单模光纤和多模光纤，其中氟化锆玻璃( o ，3 5c o n ) 光纤 性能最好。硫属化合物玻璃采用a s ，g e 和s b 与氧族重元素( 比如s 、s e 或t e ) 化合而 成，美国t e x a s 公司、s c h o t t 玻璃公司以及非晶体材科公司于8 0 年代末都推出这类 玻璃。9 0 年代初，美国商用硫化物玻璃光纤在4 4 1 0 1 a n 之间的损耗为1 5 d b m ，日 本曾研制出低于1 d b m 的硫化物光纤，近年来，国外又推出使用波段为2 11 a m 硫 族化物光纤，但衰减较大，因此，目前对此类红外光纤的研究只是集中在短距离 传输。迄今公认氟化物光纤是传输损耗最低的。 目前，国外石英光纤辐射测温仪产品的下限己延伸至2 0 0 乃至1 5 0 。c ，覆盖 了整个中高温段【l ”。在低温段也有多种红外光纤辐射测温仪的研制报道。如采用 氟化物光纤( 透过范围为1 5 a n ，26 4 a m 处损耗最低为0 0 6 d b m ) ，致冷硒化铅探 测器( d = 2 ) 和锁定放大器实现了3 0 1 5 0 的温度检测。又如采用卤化物光纤f 透过 范围为2 1 8 , u r n ，1 0 6 p r n 处损耗最低o 1 d b m ) 、热电探测器及锁定放大器实现了o - - 7 0 。c 的温度检测l l 。目前，国内光纤辐射测温仪的研制多集中在7 0 0 。c 以上的高温 段。而实际上对中低温段光纤辐射测温仪的需求也很大。例如，等离子加热切削 工艺是高强度、高硬度金属加工的主要有效手段，其切削原理和加工质量与工件 温度关系密切。但由于加工过程中工件高速旋转并伴有强烈的等离子弧及强电磁 场干扰，加之测量面狭小，所以采用传统的测量方法难以准确地测出被加工件的 温度。又如，由于微波能迅速、均匀地加热物体，因而被广泛的应用于医疗、食 品加工、材料热处理等行业中，但由于强电磁场的存在，很难对其温度进行准确 的测量与控制。类似的中低温段测温难题还广泛存在于轻工、化工、大型机电设 备、高压电器的运行监护中”。 1 4 本文的研究背景、方法和内容 温度是国际单位制中七个基本物理量之一，在物理学中占有重要的地位。温 度测量在工业和科学研究中得到了广泛的应用，其测量的准确性对于生产能否正 常运行和产品质量的高低，都具有极为关键的作用。 1 4 1 研究背景 a o d 炉冶炼的热源是化学反应热，测量a o d 炉温度是a o d 生产中的一个重 要环节，是影响不锈钢成品质量和生产能否j i l 员n 进行的主要因素a 国外对炉温测量的研究开发进行地非常早。早在2 0 世纪6 0 年代后期，奥钢 联就开始为冶金炉研究和开发新型的测温技术，并于1 9 8 1 年设计出用于大型转炉 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的副枪试验系统。其后，又于1 9 8 9 1 9 9 0 年开发出用于大型转炉的低成本s l a l l t e c 系统。这两种均为非连续式。1 9 9 7 年，奥钢联开发研制成功v a i c o nt e m p 系统， 这是一套温度连续监测系统，它以冶金设备中浸入式风口的成熟技术和高温测量 传感器为基础。通过测得钢水发射的红外电磁波，从而测得温度【1 6 。 而在国内，在检测这一方面进行的工作非常少，目前国内对a o d 熔池温度的 测量都是采用热电偶进行点测。但是这种常规测温方法存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 只能实现温度的间断测量，而且人为因素的影响很大，故难以满足连续自 动控制的要求； ( 2 ) 热电偶的插入位置及插入深度均由操作工人凭借个人的经验来掌握，具有 一定的随机性，因此，测量不可避免地存在着误差，测温的稳定性和准确度均难 以保证； ( 3 ) 在操作过程中如果想要准确测得多点温度，那么测温费用高，操作人员的 劳动强度大，而且快速热电偶为一次性使用，需要消耗大量的纸浆、稀有贵金属 和保温材料，造成严重的环境污染。 另外还存在响应速度慢、高温下测温不可靠、需要经常更换等缺点，因此所 测的数据在生产中仅作参考或指导之用。 1 4 2 研究方法和内容 相比较于热电偶测温，连续测温可以实现钢水温度的连续实时测量，克服热 电偶间断测量所带来的局限性。更及时地反映冶炼过程的温度变化，为下一步的 控制提供准确的工艺参数。同时，连续测温还可提高炉龄，减少铁合金消耗量， 方便工人的操作，减轻工人的劳动强度。因此，寻找一种既可靠又经济的连续测 温方法显得至关重要。鉴于上述目的，本文确立了以a o d 炉高温钢水温度的连续 测量为主要研究目标。具体研究内容包括： ( 1 ) 查阅文献，确立设计方案。采用先进的光纤传导技术和红外测温技术，实 现非接触式测量，从而避免使用环境给测量装置带来的不利影响以及人为因素造 成的测量误差，使测量具有较高的灵敏度，并具有较好的稳定性和可靠性，而且 系统操作简单，维护方便； ( 2 ) 对高温传感器的选择。降低传感器的成本，使其具有较优良的性价比； ( 3 ) 开发连续测温装置，进行1 2 次热模拟实验，以对测温系统硬件进行调试和 试运行； ( 4 ) 测温系统软件设计、程序开发和调试； ( 5 ) 进行后期的数据拟和处理与分析。 东北大学硕士学位论文第二章a o d 炉的设备与工艺 第二章a o d 炉的设备与工艺 钢铁是现代社会中使用最多的金属材料。随着社会的发展和工业的进步，对 钢的质量要求越来越高，仅凭在转炉或电炉中进行精炼已经不能保证钢的高质量。 五、六十年代新技术革命时期出现的各种复合材料、高分子材料更形成了对金属 材料的的挑战。a o d 、d h 、a s e a s k f 、v o d 等大批炉外精炼技术的出现【1 7 j ， 大大提高了钢铁产品的质量，使得钢铁材料又具有了竞争性。 不锈钢的精炼工艺条件，在很大程度上决定于氧与碳和铬反应的热力学平衡 条件。由冶金原理可知，在大气下冶炼时，熔池温度越高，与铬平衡的碳就越低。 过去电弧炉冶炼不锈钢时，为避免钢液的大量铬氧化，常采用提高温度的方法来 实现去碳保铬目的。为此，往往把电弧炉内氧化期的钢液温度提高到1 8 0 0 以上， 冶炼时间也比较长，这就导致耐火材料损坏严重，炉衬寿命低，而且铬的收得率 不超过9 1 ，使该法受到一定限制。 而降低一氧化碳分压可以收到与提高炉温相同的效果。常用的方法有两种： 一种为稀释法，如氩氧脱碳法( a o d ) 等；另一种是真空法，如真空吹氧脱碳法 ( v o d ) 等。在这些方法中，以a o d 法和v o d 法生产不锈钢最为普及，对国内 中小型企业来讲，a o d 法比v o d 法更为实用，由于其设备简单，基建投资低， 操作方便，经济效益显著，因而近年来发展十分迅速。 a o d 最大的工艺特点就是强搅拌，这种强搅拌大大促进了熔池内的各种反应。 a o d 在不锈钢冶炼中占据这么重要的一个位置，是因为它具备以下这些特点： ( 1 ) 配料的要求很低，可以采用1 0 0 的废不锈钢或高碳铬铁与废普碳钢配料， 从而降低了成本。 ( 2 ) a o d 法的过程控制比较简单，工艺的再现性和可预测性较好，因为它可以 在大气环境下直接进行。这一点对于后期进行控制非常有利。 ( 3 ) 与其他不锈钢二次精炼技术相比，a o d 法设备简单，基建投资较少。这一 点在国内而言非常重要。 ( 4 ) a o d 法精炼效果很好。在脱硫、脱碳和去除气体方面具有优越性。 但是，a o d 精炼工艺也存在着一些问题，最突出的就是氩气消耗量大和炉衬 寿命短。氩气消耗量大将直接导致生产成本高，在早期的a o d 精炼时期，氩气费 用占了总成本的4 0 t 1 8 。此外，a o d 炉炉衬经受长时间的高温工作条件，钢液和 炉渣对炉衬进行剧烈的冲刷，此外还有风口区上部由于有气体射流的反冲作用、 钢液的剧烈冲刷和激烈进行的氧化反应而严重腐蚀。 当氩氧气体及不锈钢废钢货源充足时，采用a o d 生产不锈钢是适宜的，提高 炉龄及降低氩耗仍将是研究的主要课题。 东北大学硕士学位论文第二章a o d 炉的设备与工艺 2 1a o d 设备及工艺 2 1 1a o d 设备 为了进行正常生产，a o d 炉设备般由炉子本体、供气系统、供料系统和除 尘系统组成。接下来就从这四方面来展丌分述。 2 1 1 1 炉体 炉子本体类似于氧气转炉，由炉体、托圈、支座和倾动结构组成。如图2 1 所示，炉体由炉底、炉身和炉帽三部分组成。炉底为倒锥形，其侧壁与炉身间的 夹角为2 0 。2 5 。实践证明，这种夹角的炉底侧壁对防止气流对炉衬的冲刷有 利。 图2 1a o d 精炼炉示意图 f i g2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a o d 壁 吹入氩、氧气体的喷枪就安装在炉底侧壁风口处，其简要结构如图2 2 所示。 喷枪多为套管结构，内管为紫铜，用以通入按一定比例混合的工艺气体，外管为 不锈钢，用以通入冷却气体氩气或氮气。 东北大学硕士学位论文 第二章a o d 炉的设备与工艺 图2 2 喷枪结构示意图 f i g2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f l a n c es t r u c t u r e 炉帽的作用在于防止吹炼过程的喷溅和装入的初炼钢水进入风口。炉子最初 采用圆顶型，由于砌筑困难，后来逐步改为斜锥形，为了进一步改进砌筑条件， 目前又改为正锥形。 炉子的熔池深度、熔池面直径、炉膛有效高度之比大体为1 ：2 ：3 ，对具体炉子 来说，可能会有小的变动。 炉帽可用耐火混凝土搅打成型，也可用砖砌筑。炉身和炉底则用耐火砖砌筑， 和一般氧气转炉的炉衬砌法一样，外部砌绝热层，内部砌镁铬砖或镁白云石砖。 我国使用以上两种耐火材料的结果大概各为4 5 炉和3 0 炉的寿命。 由于a o d 炉衬寿命较低，为了使生产连续进行，需要设置几个炉体轮换使用， 一般每座a o d 设置3 个炉体，一个正常使用，一个拆修，一个干燥和烘烤以备使 用。托圈起支持、倾动和换炉体作用。托圈上设有耳轴，耳轴通过轴承将全部炉 体重量承担于两个支座之上。 2 1 1 2 供气系统 a o d 炉是氩气、氧气和氮气的使用大户，为了保证a o d 炉的正常生产，必 须有大的能够分离氩气的制氧机作为气源，否则建造a o d 炉的理想只能变成空想。 为了贮存足够的气体，需要分别配置贮存氩、氧、氮气的球罐。为了向a o d 炉输 送气体，需要铺设相应的管道和配备必要的阀门。在a o d 炉上使用着两种气体： 一种为按一定比例混合的气体，称工艺气体；另种为冷却喷枪的气体。为了按 一定的压力和比例配备混合气体和冷却气体，需要装设相应的混气包和配气包以 及流量计、压力调节阀和流量调节阀等。 a o d 精炼的核心是配气系统，在吹炼过程中，要求各个阶段吹入的气体气源 稳定、准确，并能及时改变气体配比，压力波动小。按照不锈钢的特点，一般采 用分阶段吹炼，吹炼气体为氩气和氧气，氧气为反应气体，氩气为稀释气体。操 作时，根据钢中c 、s i 、m n 含量及钢水重量计算出需要吹氧的总氧量，并初步计 算出各阶段吹炼时间。随着各个阶段钢水中的碳、铬含量及温度的不同吸入不同 比例的氩氧混合气体，在a o d 炉内进行脱碳精炼。 东北大学硕士学位论文第二章a o d 炉的设备与工艺 按照a o d 冶炼不锈钢的工艺特点，一般分为两个阶段并改变气体混合比进行 吹炼。 第一阶段吹炼时0 2 ：a r ( 或n 2 ) 为3 ：l 脱c 至0 2 0 3 。第二阶段吹炼时 0 2 ：a r 为1 ：l 脱c 至0 0 6 o 0 8 。 如冶炼超低碳不锈钢，则增加第三阶段，其0 2 ：a r 为1 ：3 ，将c 脱至 1 5 8 0 c 时，w ( c r ) 2 0 首先氧化碳，当w ( c 】) o 7 h , j ，采f f j 0 2 ：a r ( n 2 ) 连续变化方式 脱碳，当w ( c ，) o 1 0 时用纯氩吹炼，用钢中余氧及渣中的c r 2 0 3 进一步脱碳。光 东北大学硕士学位论文第二章a o d 炉的设备与工艺 制铁所采用这种方法，前期氧利用率与传统方法一致，但脱碳速度得到提高，氧 枪没有出现熔损加大问题，后期氧利用率提高6 ，结果f e s i 消耗降低t o 7 k 卧。 ( 2 ) 深脱硫工艺 按照传统的a o d 操作，脱碳终了加入f e s i 进行c r 2 0 3 的还原操作，然后扒去8 5 以上的渣子，再加入c a o 、c a f 2 2 建粉状f e s i 或c a s i 进行脱硫的精炼操作，这样对成 本、精炼时间、操作条件都十分不利。新日铁光制所采用4 ，代替f e s i 进行脱硫， 取得满意的效果。 ( 3 ) 以n 2 代a r 及供氧强度的提高 a r 作为a o d 精炼的主要气体，因其价格较高，在不锈钢精炼时用n 2 代时，代 替的比率具体情况具体分析。对于w ( ) 为4 0 0 1 0 - 6 8 0 0 x 1 0 1 6 的钢可以在脱碳一 期、二期代m ，产品w ( 】) 要求1 5 0 0 1 0 6 2 5 0 0 1 0 。6 ，脱碳期全部用n 2 代a r ， 产品w ( n 1 ) 要求3 0 0 0 1 0 ，可以全程用n 2 代a r 。 a o d 供氧强度提高：供氧强度是提高脱碳速度，缩短精炼时间，废钢加入量 多少及降低成本的关键工艺参数。供氧强度提高后，熔池温度的控制，国际上普 遍采用加入5 1 0 的清洁废钢或铁合金的办法，这样初炼炉( 电炉) 的冶炼时间及 电耗也得到了改善。 ( 4 ) a o d + n 枪( a o d c b 法) ( k c b s 法严2 1 日本大同特殊钢公司星崎工场，依据不同元素与氧反应产生的热量及相对成 本进行比较，发现只有c 生成c o 后再氧化为c 0 2 时，其反应热最高，相对成本最低。 于是发明了a o d c b 工艺，与传统工艺相比，升温速度提高了。c r e 提高了5 ，脱碳 速度由0 0 5 5 m i n 提高n