意大利特诺恩好伙伴公司电弧炉用eoqs钢冷连轧系统

意大利特诺恩好伙伴公司电弧炉用eoqs钢冷连轧系统

意大利特诺恩合作公司成功开发了采用if-sop系统的电弧炉。该系统是实现电弧炉排出烟气实时测量及其能源优化利用的电弧炉动态过程控制系统。该EFSOP系统遵守着控制行业的一句名言，即“没有准确的测量就没有准确的控制”原则。意大利特诺恩好伙伴的EFSOP系统具有很多优点，如节省能源、提高生产率、环保性能好，已在很多国家推广应用。1用测量电弧炉的过程控制系统图1示出智能炼钢工艺框图，它包括以下几部分。(1)EFSOP系统：它是连续实时测量电弧炉排出烟气和自动闭环控制喷入的天然气、氧气和碳的基础平台。(2)iEAF：智能电弧炉，它是基于实时测量和分析、能量平衡和动态特性的动态过程控制的综合自动化系统。(3)Recovery：电弧炉排出烟气余热能量回收系统，回收的能量被用来生产蒸汽，供VD/VOD炉用和发电[22。直到1990年为止，电能还是电弧炉炼钢的主要能源。在过去的20年中，在电弧炉中，利用各种化学辅助能源来补充电能是有很多优点的。通过特诺恩公司电弧炉烟尘控制过程积累的丰富知识，利用连续测量电弧炉排出烟气的成分来控制化学能源优化使用。虽然在1980—1990年，有很多公司试图开发精萃的电弧炉排出烟气采样系统，可是都没有像今天特诺恩好伙伴的EFSOP系统那样成功地达到了商业运行。特诺恩好伙伴公司开发了EFSOP系统，该系统是基于测量电弧炉排出烟气成分和温度的过程控制系统，即将测量数据收入到计算机中，后者使炉子操作最佳，它能降低炼钢成本、减少及杜绝炼钢对环境的污染。在电弧炉炼钢过程中，典型的化学能源来自炉内的燃烧化学反应。氧气来自氧枪、氧-燃烧嘴、氧化铁还原，以及漏泄空气。化学能源包括碳（煤、石墨）、氧化铁、直接还原铁（DRI）和生铁的还原、炉料中的碳氢化合物、电极损耗以及天然气。热回收效率占排出热量的25%到接近100%。根据炼钢厂实测统计数据表明：输入到电弧炉中的总能量，只有40%用于炼钢，其他都损失掉了。由于在不同的炼钢阶段出现低的燃烧效率和低的传热效率，这就给EFSOP系统提供了改进电弧炉炼钢工艺和减少对环境污染的良好机会。图2示出了EFSOP系统的关键组成部分，该系统包括特殊设计的能够承受电弧炉第4孔苛刻高温环境的废气采样分析系统、带有专用仿真和控制软件及数据采样的控制计算机[23。通过精心设计，获得专利的水冷探测传感器已实用化，其安全使用寿命为5年。该水冷探测传感器被安装在电弧炉水冷弯管区段的入口处。被采样的气体有CO、CO2、H2、O2等。这里的最佳设计是基于实时地检测排出烟气成分和温度，以及以下工艺参数：(1）高浓度CO和高浓度H2，或在炉内未充分燃烧物；(2）化学能源在电弧炉内利用率差；(3）碳和氧之间不平衡；(4）检测排出烟气系统有无爆炸危险；(5）通风排气系统出现过分抽气，则需要重新调整抽气系统。(6）实时地准确测量排出气体成分，以实现氧气和甲烷输入的动态控制，以便保证排出气体充分燃烧。如果没有排出气体的测量分析，只能根据静态工艺信息和非常粗糙的工艺模型来操作和控制电弧炉，则效果很差。2智能电弧炉的基本模型智能电弧炉是为了使电弧炉进行动态控制和优化而设计的革新的自动化系统。该系统基于实时测量电弧炉排出烟气成分和温度、动态控制输入量以及依靠在线工艺过程模型而工作。该智能电弧炉体现了特诺恩公司设计的基于EFSOP实时排出烟气分析系统的电弧炉动态优化控制思想。从一些有用的传感器提供的信息（一次排出烟气成分和温度）来看，动态过程模型被用来确定重要炼钢信息，如氧化速率、脱碳速率。这些直接计算结果可分别用来建立熔池和渣的动态工艺模型。这些信息对于改进工艺过程和确定实时过程控制信息是非常重要的。电弧炉车间通常装备有各种不同的自动化系统，如电极升降自动调节系统、化学燃料控制系统，以及排烟除尘控制系统等。但是，都没有找到一个统一的综合控制系统来全盘控制电弧炉和它的辅助机械。而智能电弧炉在一个综合自动化系统平台下合并炉子及其辅助机械的所有控制系统和自动化系统，因而能使炉子操作控制的所有方面协调工作。从各种传感器提供的不同反馈信号（如排出烟气分析数据、电气谐波信号、电弧电流和电弧电压信号），通过可利用的控制参数（如烧嘴氧气和燃气流速、氧枪、碳喷射器，和电极自动调节器信号）来驱动动态过程控制系统。该智能电弧炉已经考虑到市场上许多不同电弧炉工艺的需要，其基础模型可用于任何电弧炉上，然后再加上用户对电弧炉改造要求的专用模型。由此可见，该系统可用于任何型式电弧炉上，不管它是常规的料筐加料方式、还是连续加料的竖炉、还是康斯迪电弧炉、还是加直接还原铁（DRI）的加料操作电弧炉，基本模型结构是类似的。该自动化硬件、软件，和通讯模块都是根据用户已有的自动化系统和网络来设计的。在概念上，智能电弧炉的组成像是一座金字塔，其每层都形成不同复杂程度的智能结构，特别是智能电弧炉的传感器和仪表、动态过程控制模型以及智能电弧炉控制和优化模型。2.1电弧炉烟气压力检测在过去，电弧炉的自动化和控制系统在恶劣的高温环境下，受到传感器寿命的限制，因而可靠性差。可是采用EFSOP的电弧炉排出烟气分析系统作为基础平台，新型传感器和仪表形成智能电弧炉的基础。新开发的传感器已经在电弧炉上获得了广泛的应用，它提高了电弧炉炼钢质量和能量平衡的准确度。它们包括：测量电弧炉排出烟气的红外气体高温计和测量电弧炉排烟管道中气体静态压力的压力探测传感器。这些用于EFSOP系统上的各种传感器通过工业试验证明它们是非常可靠的，基本上不需要维修。电弧炉排出的烟气流速利用固定在排气管道中的流量传感器来测定。在EFSOP分析仪的一次采样点和二次分析仪的采样点的碳势平衡是利用炉子排出烟气的流速来计算的。2.2从碳、氧到炉秆和水的模型智能电弧炉是借助于测量排出烟气成分和其他参数来确定关于炼钢工艺过程的重要动态信息。因此，特诺恩公司开发了3个动态过程模型，如图3所示。3个模型中的每一个都表示电弧炉中的物相：(1)描述电弧炉炉膛内气相模型；(2)描述电弧炉钢液的液相的熔池/渣模型；(3)描述固体炉料的固相熔化模型。通过烧嘴和固定在炉墙上的喷射器向炉中喷射的氧气和燃气的速率和排出气体的流速、温度和成分作为动态模型的输入量。有了这些输入量，碳和氧的质量平衡就依靠碳和氧的反应速率动态地计算出来。图3中示出了氧化速率和脱碳速率。“脱碳标签用语”说明进入电弧炉炉膛内的所有碳源（除了甲烷），包括喷射进的碳、炉料中的碳氢化合物中的碳、电极损耗下来的碳、氧化铁还原同渣反应生成的碳以及从熔池中释放出的碳。同样地，氧化速率用语说明所有的进入到炉中的氧，包括由于炉料燃烧或者喷入的碳燃烧形成的氧，炉料中的碳氢化合物燃烧形成的氧。另外，利用空气进入到炉膛中的速率来计算氮平衡，利用计算流入到炉膛中的水的速率来计算氢的含量。泄漏水的速率应包括所有泄漏源，即从电极喷淋冷却流到炉中的水，炉料中的碳氢化合物燃烧生成物，炉料中的水或雪，水冷炉壁和水冷炉盖泄漏到炉中的水的速率。炉膛空间模型的另一个组成部分是能量平衡，输入能量和材料平衡是用来计算炉膛空间的能量损失。纯能量可分为炉子损失能量、用来加热和熔化固体炉料（废钢、直接还原铁、热装铁水等）的能量以及熔池/渣之间的热交换能量。熔池/渣模型是利用氧化速率、脱碳速率和炉膛空间质量和能量平衡所提供的能量损失来建立的。这些信息使得它能实时地动态计算熔池和渣的温度和成分。熔化模型是借助于炉膛空间模型和熔池/渣模型计算出来的。给出了纯能量（电能和化学能）之后，利用熔化模型就能够计算出加热（固体炉料升温）和熔化（从固体炉料到成为液态钢水）的能量。这样一来，就可以进行炉料熔化计算，这种动态加热计算就能够依次地按照炉料熔化速率进行。2.3电弧炉加热进程与电能消耗钟之间的不协调输入到电弧炉中的化学能是根据氧气、燃气、碳和石灰等数量的标准模式确定的。这些标准模式是用来确定供给炉子的单位电能消耗（kW·h/t）函数的制约点。这就是这台炉子所依据的电能消耗钟，用此来编制供电程序和根据此程序来编制除尘系统程序。从电弧炉运行的经济观点看，上述理论策略表示出：多输入电弧炉中电能不符合电弧炉工艺改革的进步。近年来，这种加热进程和电能消耗钟之间的不协调已经成为炼钢者的最大忧虑，这是因为电弧炉的工艺进步更多地是依靠化学能而不是电能。就是说，今天供给电弧炉的加热能量是合成能量（电能和化学能），而不单单是电能。即使采用电能和化学能的合成能量来炼钢，但是没有通过排出烟气成分的分析和温度所得到的知识，也建立不了正确的能源供给模型。3用于电弧炉的模型在智能电弧炉金字塔的顶层是控制和优化模型。许多电弧炉优化模型已经被开发及被用于电弧炉的控制和优化，它们是：(1)水检测模型；(2)二次燃烧优化模型；(3)电气程序优化模型；(4)精炼开始检测模型；(5)泡沫渣优化模型；(6)终点检测模型。3.1漏泄水的产生对炉前操作手来说，最感兴趣的是能够预报炉内是否出现漏水。在电弧炉排出烟气中含有少量的水是正常的。流入电弧炉炉膛空间的水一般都是水冷炉盖和水冷炉壁渗漏水的结果。这些渗漏的出现导致一个安全问题，甚至有可能产生爆炸危险。泄漏到炉膛中的水是炉膛空间质量和能量不平衡的产物。由模型提供的该值包括所有泄漏到炉膛中的水（甲烷燃烧生成的水除外）。建立漏泄水的“指纹”是可能的。从“指纹”的偏差信号得知是否漏水了。建立水检测模型的目的就是用它来区别正常进水和危险漏水，如出现后者，则报警给操作手。3.2氧-燃烧敞射式反应器在电弧炉中，二次燃烧的优越性在过去的10多年中已经被广大的炼钢工作者所接受，并实际应用。其工作原理是：进入到电弧炉炉膛中的富氧同炉中的一氧化碳（CO）充分燃烧。最简单的设计方法是在加热过程中计算二次燃烧效率。这个计算是用来确定需要的富氧数量。因此，标准的氧气设定值就需要重新调整。该方法根据电能消耗钟（kW·h/t）重新设计氧-燃烧嘴喷射量。在改进EFSOP方法的基础上，智能电弧炉二次燃烧控制模型被设计出来了，用它来控制和优化电弧炉的二次燃烧，其设计依据是权衡能量回收效益和氧气消耗成本之间的关系。3.3电弧炉电气模型这个模型是用来动态调整在加热过程中的电气工作点，以保证将电能高效率地传输到炉子中去。该模型是根据电弧炉的电气特性设计出来的。它具有将电能传输到熔池中的预报功能。这个模型的控制作用是通过动态三角形电气图形的直接不平衡来显示电流和电压数值。每相的电弧长度被显示及被调节，它与工艺过程函数（水冷炉壁和水冷炉盖温度、谐波量水平、氧和碳喷射量等）有关。作为工艺过程函数，电弧电流是被调节对象[117。3.4智能电弧炉精制开始检测的过程在最后一筐炉料加完并完全熔化之后，操作开关则从“熔化模式”转换到“精炼模式”。在熔化期间，烧嘴是被用来加热和熔化炉料的。当转换到精炼期之后，烧嘴则在低火燃烧状态下工作或者停止工作。当电弧炉墙上装备有固定式烧嘴时，该烧嘴吹氧速率从亚音速（烧嘴模式）转换到超音速（氧枪模式）。当没有明显显示转换开关从“熔化模式”转换到“精炼模式”时，操作手只能根据炼钢过程数据，如：从渣门通过视觉观察炉况、聆听电弧声音，以及根据电弧稳定性情况判断。智能电弧炉精炼开始检测模型的作用是确定精炼期的理想转换点。而且“百分数熔化”是关键指示器。另外，也可从电极调节器上看出，例如从TDR-H型电极调节器的谐波分析器的显示值上很容易看出是哪一期。从工艺过程角度看，熔池呈平熔池状，即到达精炼期。3.5熔池/渣模型电弧炉泡沫渣执行很多种功能，诸如：将钢水同空气隔离，以减少热损失、吸收钢水中的氧气、覆盖电弧，促进电能高效率地转换成热能，向熔池中输送、保护炉墙和炉盖，免受热辐射，以及保护熔池中钢水不拾取不希望的气体（氮气和氢气）。为了优化泡沫渣性能和发泡能力，保持渣希望的化学成分和温度是必须的。与理想的化学成分和温度之偏差太大也不能泡沫化。在精炼期，根据熔池/渣模型也能动态求渣的成分。其它显示，例如：根据电弧稳定性和电气谐波量大小来控制泡沫渣制作，据此来调节氧气、碳和石灰的合适喷射量。3.6出钢指标测定经验告诉我们：操作电弧炉炼钢的最有效方法是成分和温度都同时达到指标，才能结束炼钢。这个模型是用于精炼期，控制钢水温度和含碳量同时达到出钢指标。智能电弧炉终点（炼钢结束）优化模型的计算是期望含碳量和钢水温度同时达标，据此，增加或减少碳的喷射量和重新调整电极调节器工作点。如果钢水温度在碳终点指标之前达到终点指标，这时需要脱氧或重新增加碳；相反，如果希望的碳终点指标在钢水温度终点指标之前达到指标，则需要快速增加能量，提高钢水温度。4蒸发式水冷系统典型的排烟系统排出的能量大约占输入到电弧炉中总能量的30%～32%（平均230kW·h/t）。这种电弧炉排烟系统的能量损失可分为化学的和可见的热量损失。回收有关化学能量损失（即在电弧炉内没有充分燃烧）已在EFSOP系统中论述了。下面将讨论从电弧炉排出烟尘的可见能量的回收。可见的能量可以通过管对管热量回收系统成功地回收炉子排出的废热烟气中的能量，该设计类似于常规的水冷排烟管道系统，但是，其主要区别是水冷回路不同。这里的蒸发式水冷技术是能够恰到好处地将废热烟气能量转变成有用的蒸汽。常规的冷却系统工作在一般大气压下、在50～70℃温度范围内，可是，特诺恩的热量回收系统工作在很高的温度和压力下。该工作温度/压力组合系数取决于该工厂需要的蒸汽参数。通常典型值是在1.3MPa/192℃和2.8MPa/230℃。较高的压力是为了蒸汽透平机用。将几乎沸腾的水利用废热烟气的能量将其汽化。汽化的物理过程需要很多能量，相当于升高水温20℃的能量。该系统设计是用于水的辅助汽化，典型的不超过正常工作条件下汽化能量的5%～12%，这就意味着在该冷却系统中有剩余能量。图4示出了水和蒸汽冷却能力的比较。该技术已被用于氧气顶吹转炉和大型步进梁式加热炉上。特别说明一下：为什么生产蒸汽对电弧炉来说是最灵活的热能回收方法，因为蒸汽在钢厂中有很多用途，比如炼钢过程用蒸汽、加热、压缩机操作和发电。蒸汽温度能在宽广的范围内调节变化。蒸汽也容易运输，水是廉价的和无毒的。该技术已被市场证明是有效益的。对于电弧炉而言，热能回收有更大效益。在电弧炉中，排出烟气温度大约在600℃左右，在这个温度下热辐射传递具有最高效率，因为管道具有辐射热传递功能。由于电弧炉具有很高的废烟气负载，所以其废热锅炉的设计必须很仔细。这在废物煅烧焚化炉上可找到答案。4.1蒸发蒸汽的产生对于电弧炉的热回收实践必须涉及炼钢工艺循环问题。图5示出了在电弧炉4炉次中蒸汽生产量对时间关系曲线。由图5可看出:短时间生产的蒸汽量峰值75