CN101476014A - 一种转炉炼钢全程动态监控方法 - Google Patents

Abstract

一种转炉炼钢全程动态监控方法，属冶金炼钢技术领域。采用激光气体分析仪和料仓口投弹实现转炉炼钢全程动态控制，对钢水成分和温度进行连续预报和动态检测，辅助转炉进行终点判断。步骤为：以计算机网络监控转炉的加料和吹氧信息等信息；以激光气体分析仪为转炉冶炼过程的烟气信号采集分析装置；以安装在料仓口的投弹装置进行弹头弹射检测钢水成分和温度等信息；采集的参数均通过计算机网络传输；计算机利用以上参数，通过内建的控制模型，进行钢水成分和温度等参数的连续预报，并在用户界面显示和指导。优点在于，具有全程反馈信号，能实现转炉冶炼全程动态控制，可以连续预报钢水成分温度的变化，并且，不受炉容大小限制，结构简单，维护方便，投资小，故障率低。

Description

一种转炉炼钢全程动态监控方法

技术领域

本发明属于冶金炼钢技术领域，特别涉及一种转炉炼钢全程动态监控方法，具体的说是就是采用激光气体分析仪和料仓口投弹进行转炉炼钢全程动态控制，对钢水成分(主要包括钢水碳、硅、锰、磷和硫)和温度进行连续预报和动态检测，辅助转炉进行终点判断。

背景技术

转炉炼钢的目的是对兑入转炉的铁水和废钢等原料，采用通过氧枪连续吹氧的方式，不断降低原料中的碳含量和提升温度的过程，在转炉出钢前的冶炼终点，能否直接出钢的主要判断依据为钢水碳含量和温度是否满足目标要求；因此，能否准确判断冶炼过程和终点钢水碳含量和温度是提高转炉炼钢生产率和钢水质量的关键，冶炼终点钢水成分和温度命中率高的炼钢控制技术能减少补吹和倒炉取样的次数，可有效地缩短冶炼时间，提高转炉产量，降低生产成本，是转炉炼钢的关键技术。

目前，对于中小转炉(炉容小于180t，国内70％以上为此类炉型)用于转炉终点判断的方法为人工经验，通过观看炼钢过程中火花的颜色来判断钢水成分和温度，主要的检测手段为倒炉(将冶炼过程中保持垂直状态的转炉，转动一定的倾角)后，进行人工测温和取样后再分析成分，由于该方法需要倒炉，干扰了正常的转炉冶炼过程；此外，人工取样和等分析过程所需时间长，劳动强度大，影响了转炉的生产率，通常，每次倒炉取样或测温需要延长冶炼时间3-5分钟以上。对于大转炉(炉容在180t以上)，目前常用的检测系统为副枪，在不倒炉的条件下，在转炉冶炼临近终点的水口，采用副枪直接插入转炉炉内进行取样并分析结果指导对钢水成分和温度的判断。但副枪系统只能用在大转炉上，中小转炉由于炉口太小，副枪系统无法进行取样。

因此，目前国内中小转炉主要采用人工经验炼钢，大转炉主要在临近终点时使用副枪检测反馈信号后，进行终点动态控制，由于检测手段的差别，目前人工经验模式一次判断钢水碳含量和温度的准确率一般在50％以下，大转炉的副枪模式的准确率在85％左右。以上两类炼钢模式在冶炼过程中均不是全程动态控制，并且副枪方法不适合中小转炉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转炉炼钢全程动态监控方法，提高转炉炼钢钢水成分和温度判断的准确性，转炉炼钢终点判断的准确性。

本发明利用计算机网络监控转炉的加料和吹氧信息，利用安装在转炉烟道上的激光气体分析仪实时分析转炉烟气成分，对转炉冶炼全过程进行动态跟踪；同时，在冶炼中后期通过安装在料仓口的投弹装置进行弹头弹射检测钢水成分和温度等信息，以上信息均传输到计算机系统，由计算机系统进行数学模型计算，实时在线全程预报钢水成分和温度等信息。具体步骤如下：

a.以计算机网络监控转炉的加料和吹氧信息等信息；

b.以激光气体分析仪为转炉冶炼过程的烟气信号采集分析装置，将气体分析仪采用插入式的方法安装在转炉烟道上；

c.以安装在料仓口的投弹装置进行弹头弹射检测钢水成分和温度等信息；

d.以上三部分的采集参数，均通过计算机网络传输到计算机系统；

e.计算机系统利用以上参数，通过内建的控制模型，进行钢水成分和温度等参数的连续预报，并在用户界面进行显示和指导。

上述步骤a为建立计算机网络，通过数据采集系统检测转炉料仓开关和重量信号，以及氧枪开关、枪位和氧气流量等信号。

上述步骤b中使用激光气体分析仪，安装方法为插入式直接安装在烟道上，检测的信号为转炉烟气的CO和CO₂等成分。

上述步骤c中使用的投弹装置，安装在转炉料仓下料口处，由计算机控制，当安装在下料口处的舱门自动打开后，投弹装置进行弹射投弹，弹头进入钢水后检测钢水成分和温度，检测的信号为钢水碳含量、钢水氧含量和钢水温度。

上述步骤e中，通过计算机内建的控制模型，在计算机显示器或显示仪表上进行用户界面的显示，显示内容为转炉冶炼全过程的钢水成分变化趋势图和温度变化趋势图信息，以及对冶炼终点的判断信息。

上述步骤e中的控制模型的计算公式如下：

(1)脱碳速度计算公式：

V_c＝12/22.4×Q_offgas×(CO+CO₂)

式中，V_c为当前时刻的脱碳速度、kg/s；Q_offgas为当前时刻烟气流量、m³/s；CO和CO₂为当前时刻烟气中的CO和CO₂体积百分含量、％；

(2)从转炉氧气开吹时刻(0)到投弹检测开始时刻(t)的时间内，冶炼过程中钢水碳含量的计算公式：

$C\left(t\right)=(C_{\mathrm{ini}}-e\×{\∫}_0^t\mathrm{Vcdt})/W_{\mathrm{steel}}$

式中，C(t)为t时刻转炉钢水中的碳含量、％；

为从0到t时刻对脱碳速度的积分、kg；e为流量自动修正系数，取值在0.72-1.23之间；C_ini＝(W_tie-S_tie)×C_tie+W_fg×C_fg+W_st×C_st；W_steel＝a₀×(W_tie+W_fg+W_st)，C_ini为熔池初始条件下的总碳量、kg；W_tie为加入铁水重量、kg；S_tie为铁水含渣量、kg；C_tie为铁水碳含量、％；W_fg为加入废钢重量、kg；C_fg为废钢的碳含量、％；W_st为加入生铁块重量、kg；C_st为生铁的含碳量、％；W_steel为熔池内钢水重量kg；a₀为原料烧损系数，依据经验取值范围在0.90～0.96之间；

(3)从投弹检测开始时刻(t)到转炉出钢的时刻(t₂)内，冶炼过程中钢水碳含量的计算公式：

$C\left(t2\right)=(\mathrm{Cd}-e\×{\∫}_t^{t2}\mathrm{Vcdt})/W_{\mathrm{steel}}$

式中，C(t2)为t₂时刻转炉钢水中的碳含量、％；∫²Vcdt为从t到t₂时刻对脱碳速度的积分、kg；C_d为投弹检测的钢水碳含量、％。

(4)从转炉氧气开吹时刻(0)到投弹检测开始时刻(t)的时间内，冶炼过程中钢水温度的计算公式：

T₀₁＝C₁+(0.8×W_tie×T_tie-0.6×(W_fg+W_st)×(T_tie-28))/W_steel；

T₀₂＝C₂+f₁COSum+f₂CO₂Sum+f₃Sitie+f₄P_tie-0.007*limeWt-0.017*qinDoloWt-0.037*OreWt-0.025*doloWt；

T_steel＝b₀T₀₁+b₁T₀₂；

式中，T_steel为钢水温度、℃；C₁，C₂为常数，取值范围1520～1680；T_tie为铁水温度，℃；f₁，f₂，f₃，f₄为温度系数，取值范围0.01～0.05；COSum和CO₂Sum分别为炉气成分CO和CO₂的累计量、kg；Si_tie，P_tie分别为铁水硅含量和磷含量、％；limeWt，qinDoloWt，OreWt，doloWt分别为加入的石灰，轻烧，铁矿石和白云石重量、kg；b₀，b₁为权重系数，取值范围0.03～0.08。

(5)从投弹检测开始时刻(t)到转炉出钢的时刻(t₂)内，冶炼过程中钢水温度的计算公式：

T_steel＝T_d+g₁*O2Sum+g₂*COSum+g₃*CO₂sum-0.007*limeWt-0.017*qinDoloWt-0.037*OreWt-0.025*doloWt；

式中，T_d为投弹检测的钢水温度、℃；02Sum为t时刻到t₂时刻累计的吹氧量、kg；g₁，g₂，g₃为温度系数，取值范围0.01～0.4。

本发明利用计算机网络监控转炉的加料和吹氧信息，利用安装在转炉烟道上的激光气体分析仪实时分析转炉烟气成分，对转炉冶炼全过程进行动态跟踪；同时在冶炼中后期利用安装在料仓口的投弹装置进行弹头弹射检测钢水成分和温度等信息，由计算机系统进行数学模型计算，实时在线全程预报钢水成分和温度等信息。与现有技术相比本发明的主要特点有：

1.由于具有全程反馈信号，因此能实现转炉冶炼全程动态控制，可以连续预报钢水成分温度和炉内气氛的变化，钢水成分和温度预报精度高，能直接指导转炉冶炼操作，采用该方法进行转炉炼钢钢水终点判断，误差在±0.015％范围内，钢水碳含量的准确率可达93％以上，误差在±10℃范围内，温度预报的准确率在95％以上。

2.本方法不受炉容大小限制，对环境没有特别要求，特别是对国内转炉炉容70％以上都小于180t的现状，采用该发明，可使目前中小转炉改变目前的人工经验指导模式，实现计算机指导的有反馈的动态控制炼钢，可有效提高冶炼控制水平，改善钢水质量和提高生产效率。

3.该方法使用的激光气体分析仪系统安装方式简单，直接插入烟道内，设备简单小巧，维护方便，故障率低，投资小，分析数据的响应时间小于1秒；该系统与国外使用的质谱仪炉气分析系统不同，不需要取样系统和预处理系统，比质谱仪(反应时间约3秒)具有更快的分析速度，而质谱仪系统投资巨大，维护费高。

4.该方法使用的料仓口投弹装置和检测方法，设备简单小巧，投资小，不受炉容大小的限制，并且由于料仓入口离转炉很近，投弹检测反应速度更快；而副枪系统则占地面积大，在氧枪口旁边增开副枪口，结构复杂，维护费高，

附图说明

图1为本发明激光气体分析仪结构和安装示意图。其中，激光信号发射器1、连接法兰2、球阀3、数据接口4、连接管道5、采样头6、激光信号接收器7、电源8、转炉烟道9、激光气体分析仪10。

图2为本发明投弹装置示意图。其中，料仓1、加料管2、投弹口3、投弹装置4、弹头运行轨迹5、弹头6、转炉7、氧枪8、副枪9。

具体实施方式

本发明利用计算机网络监控转炉的加料和吹氧信息，利用安装在转炉烟道上的激光气体分析仪实时分析转炉烟气成分，对转炉冶炼全过程进行动态跟踪；同时在冶炼中后期利用安装在料仓口的投弹装置进行弹头弹射检测钢水成分和温度等信息，由计算机系统进行数学模型计算，实时在线全程预报钢水成分和温度等信息，指导转炉炼钢操作工进行终点判断，提高转炉的终点命中率。该方法包括以下几个步骤：

1.设备安装

本发明使用的计算机网络系统基于常规的windows操作系统，可兼容目前常见的计算机一级和二级系统。

本发明使用的激光气体分析仪直接插入安装在转炉的烟气回收系统的烟道上，根据满足分析仪器的安装要求和测量精度，以及转炉烟道的具体结构，安装位置应选择在烟道上直线段较长的位置，以保证仪器的测量精度，同时安装位置离转炉本体越近越好，以缩短气体分析的滞后时间。气体分析仪的响应速度≤1秒，误差≤±2％。设备结构和安装示意图见图1。

本发明使用的投弹装置安装在料仓口附件，在冶炼过程中进行弹头弹射检测钢水碳含量、氧含量和温度信息，检测数据通过安装在弹头尾部的数据线传输。安装示意图见图1。该设备的投弹成功率>96％，检测速度≤6秒。设备使用示意图见图2投弹装置示意图。(注：图上的副枪是位置示意图对比，只有180t以上转炉才有空间能安装，本发明不安装副枪。)

2.数据传输

以上各检测信号均可通过模拟量或数字信号输出到转炉操作平台的计算机系统。通讯方式可采用可选RS485\Bluetooth\RS232\GPRS。

3.用户界面的显示和指导。

计算机系统依据以上信息，利用内建的模型进行钢水成分和温度的预报和显示，并通过计算机显示器显示用户界面，对操作进行指导。对转炉炼钢终点钢水成分的判断，误差在±0.015％范围内，钢水碳含量的准确率可达93％以上；误差在±10℃范围内，温度预报的准确率在95％以上；能进行炉渣判断和喷溅预报。同时，可显示转炉冶炼全程钢水成分和温度等信息的变化趋势图。

以下给出具体实施例：

实施例1：

120t转炉炼钢生产，炉号80708562，炼钢原料：铁水100t，废钢5t，铁块10t。冶炼钢种Q345B。冶炼过程中，全程进行炉气成分分析，吹炼到第903秒时自动投弹矫正，吹炼终点本系统预报的钢水终点碳含量为0.029％，温度1606℃；倒炉取双样测双温对比检测结果为：样本一碳含量0.04％，样本二碳含量0.04％，平均值为0.040％；温度一1611℃，温度二1598℃，平均值1604.5℃。因此，碳含量误差为0.011％，温度误差为1.5℃。

实施例2：

120t转炉炼钢生产，炉号80708564，炼钢原料：铁水102t，废钢5t，铁块8t。冶炼钢种Q345B。冶炼过程中，全程进行炉气成分分析，吹炼到第923秒时自动投弹矫正，吹炼终点本系统预报的钢水终点碳含量为0.038％，温度1692℃；倒炉取双样测双温对比检测结果为：样本一碳含量0.039％，样本二碳含量0.039％，平均值为0.039％；温度一1694℃，温度二1695℃，平均值1694.5℃。因此，碳含量误差为0.001％，温度误差为2.5℃。

实施例3：

120t转炉炼钢生产，炉号80708565，炼钢原料：铁水103t，废钢4t，铁块8t。冶炼钢种SPHC。冶炼过程中，全程进行炉气成分分析，吹炼到第913秒时自动投弹矫正，吹炼终点本系统预报的钢水终点碳含量为0.04％，温度1654℃；倒炉取双样测双温对比检测结果为：样本一碳含量0.031％，样本二碳含量0.037％，平均值为0.034％；温度一1647℃，温度二1642℃，平均值1644.5℃。因此，碳含量误差为0.006％，温度误差为9.5℃。

实施例4：

120t转炉炼钢生产，炉号80708568，炼钢原料：铁水105t，废钢4t，铁块7t。冶炼钢种SPHC。冶炼过程中，全程进行炉气成分分析，吹炼到第911秒时自动投弹矫正，吹炼终点本系统预报的钢水终点碳含量为0.089％，温度1702℃；倒炉取双样测双温对比检测结果为：样本一碳含量0.09％，样本二碳含量0.094％，平均值为0.092％；温度一1694℃，温度二1692℃，平均值1693℃。因此，碳含量误差为0.003％，温度误差为9℃。

Claims (5)

1.一种转炉炼钢全程动态监控方法，其特征在于，具体步骤如下：

a.以计算机网络系统监控转炉的加料和吹氧信息信息；

b.以激光气体分析仪为转炉冶炼过程的烟气信号采集分析装置，将气体分析仪采用插入式的方法安装在转炉烟道上；

c.以安装在料仓口的投弹装置进行弹头弹射检测钢水成分和温度信息；

d.以上三部分的采集参数，均通过计算机网络传输到计算机系统；

e.计算机系统利用以上参数，通过内建的控制模型进行钢水成分和温度参数的连续预报，并在用户界面进行显示和指导。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤b中所用激光气体分析仪，其安装方式为直接插入安装在转炉的烟气回收系统的烟道上，所分析的参数为炉气中的CO和CO₂。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤c中所使用的投弹装置，其安装方式为在转炉加料仓传输管道口附件，通过在管道上开口，在冶炼过程中通过投弹装置进行弹头弹射进入转炉炉内，检测的信息为钢水碳含量、氧含量成分和温度信息，检测的数据通过安装在弹头尾部的数据线传输。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤e中，通过计算机内建的控制模型，在计算机显示器或显示仪表上进行用户界面显示，显示内容为转炉冶炼全过程的钢水成分变化趋势图和温度变化趋势图信息，以及对冶炼终点的判断信息。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：上述步骤a中所述的计算机网络系统是基于windows的操作系统，可兼容目前常见的工业控制一级和二级系统。

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