转炉控制信息与在线检测技术.doc

转炉控制信息与在线检测技术(上)刘浏摘要 通过对转炉吹炼过程信息的分析，系统总结了转炉吹炼过程信息在线检测技术的发展。结合国内转炉的具体特点，提出开发和推广转炉全自动吹炼技术应该重点研究和解决的在线检测技术。关键词 转炉全自动吹炼计算机控制检测Converter control information and its on-line measurement(A) Liu Liu (Central Iron and Steel Research Institute Beijing 100081) Abstract On-line measurement for converter process is systematically summarized, based on analyzing the BOF blowing process. Combined with the feature of domestic converter, it is pointed out that the stress should be placed on the research and development of on-line measurement technology for full automatic converter blowing. Key words converter; full automatic blowing; computer control; measurement 信息是任何工业生产过程进行计算机控制的基础和保证。转炉炼钢实现全自动吹炼控制，必须注重研究和开发各种炉内信息的在线检测技术1。近几年来，为了提高冶金工厂的生产效率，提高控制的精度和命中率，格外注重对各种工艺过程信息在线检测技术的研究和开发2。针对转炉炼钢具有高温、快速、反应剧烈的特点，一般要求在线信息检测技术尽可能做到直接、准确和快速响应。但高温条件下直接测量困难较大，往往采用间接测量的方法。1转炉吹炼控制信息为实现计算机对转炉吹炼过程的全自动控制，要求及时、准确地掌握以下吹炼信息。(1)基本工艺信息包括冶炼钢种的厂内控目标成分与温度，各种添加原料的成分以及各项设备性能参数和大量的历史数据。(2)吹炼信息用以决定基本吹炼工艺和操作参数，保证吹炼结束时可大致命中终点目标所要求的信息。一般包括铁水成分(主要是Si、Mn、S、P的含量)、铁水温度、重量、加入废钢的类型、重量和要求生产的目标钢种以及冶炼结束后的控制效果(如钢水成分和温度等)。(3)过程控制信息通过对转炉吹炼过程中的各种信息进行实时在线检测，用于修正或校正吹炼轨迹，保证更精确地命中终点目标。转炉吹炼过程的控制信息，主要包括：1)对终点状态的实时在线检测。通常是测定熔池碳含量(C)和温度(T)，用于动态控制吹炼终点，确保终点C、T的控制精度和命中率。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生产计划上一炉吹炼情况计算机历史数据（提供参考炉数据）计算机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熔池副枪或投弹热电偶测温终点熔池副枪测定氧活度。氧枪高度（枪位）熔池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炉气发光强度预报熔池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判断炉内化渣状况辅原料加入量和时间炉内称重控制造渣过程枪位炉内钢绳张力或码 盘控制造渣过程顶吹供氧流量、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、压力阀门站计量仪表控制熔池搅拌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23min，水冷副枪快速插入钢水中进行测量。根据测量结果，决定后23min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2220t转炉副枪设备参数名称参数名称参数副枪长度m15.9枪位控制精度/mm10副枪直径/mm114检测周期/s120测头长度/m2冷却水流量/m3。h-150测头夹持器长度/m1.225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65。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TFe(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a4.309(常数)；b0.892(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目标项目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白云石消耗减少5kg/t提高金属收得率Fe从90.2%提高到90.5%Mn-Fe提高0.2kg/tSi-Fe提高0.25kg/tAl提高0.17kg/t提高钢水质量平均终点温度降低5.5C平均终点氧降低11010-6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Granite City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=87.5mm，长900mm的热电偶探头在终点前23min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906。转炉吹炼末期(C0.07)，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。Granite City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(C0.06)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=ab;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C0.06的低碳钢种，测定C的标准差为0.0050.007，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(i)、波长(i)、强度(Gi)和灰度(i)，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910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20002500，高温下激发出Fe和M