CN101818231A - 防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其是基于红外在线检测渣液表面与炉内铁水温差，用该温差表征渣液中Cr₂O₃含量，依据炉渣和铁水温差量化区间来控制顶吹顶枪枪位及高压力氩(氮)/氧混合气的氩(氮)/氧气混合比，来调节碳-氧反应速度和渣中Cr₂O₃含量，当温差大于最大临界温差或小于最小临界温差时再添加压喷剂或改善渣液流动性的辅料，进而实现预防喷溅发生的自动控制；本发明把喷溅控制问题归结为渣液中∑(Cr₂O₃)和碳-氧反应速率控制问题，首次用渣液与铁水温差及其区间表征渣液中∑(Cr₂O₃)、渣液泡沫化和“返干”程度，将∑(Cr₂O₃)测量问题简化为渣液与铁水温差测量问题，解决了Cr₂O₃含量和碳-氧反应速率不能在线测量的问题。

Description

防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法

技术领域

本发明涉及一种用AOD炉精炼中低碳铬铁合金的生产工艺过程，特别涉及一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法。

背景技术

低碳铬铁合金是冶炼特种钢和超低碳结构钢的重要原料，它的碳含量越低和铬含量越高，其经济价值和使用价值就越高。目前冶炼低碳铬铁合金的方法主要为三步法和“波伦法”(Perrin)，其主要步骤为先生产碳含量(wt.％)大于8％的高碳铬铁合金，再以这种高碳铬铁合金为原料生产硅铬合金，再以硅铬合金为原料生产低碳铬铁合金，由此可获得碳含量(wt.％)低于0.5％的低碳铬铁合金。这类方法的缺点是工序长，电耗高，铬损失大。

近年研究尝试将碳含量(wt.％)大于8％、铬含量(wt.％)为60％～65％的高碳铬铁合金熔体，直接采用精炼不锈钢的AOD法进行顶、底复吹氩(氮)/氧混合气的方法来精炼获得低碳铬铁合金，习惯上称为一步半法。该方法以氧代电，可大大简化生产工序和降低生产成本，但到目前为止仍存在工艺不稳定、降碳困难、铬损失大和喷溅等问题。喷溅在转炉、AOD炉及电炉生产过程中时有发生，据有关文献统计喷溅事故占冶金行业事故的60.7％，喷溅发生率在11.6％-20％之间，而铬铁合金生产由于比炼钢温度高、炉容比小和原料中含S等杂质高等原因，其喷溅发生率更高，因而有效抑制喷溅发生，既是稳定氩氧精炼铬铁合金工艺的必然，也是保证设备和人身安全的需要。

在吹炼过程中由于氧气流股对熔池的冲击及脱碳反应产生的CO气体逸出，造成炉渣及金属液的飞溅是难以避免的，通常这种飞溅高度不会超过炉口，但因某种条件具备时，会因金属液与渣液两相间发生剧烈的氧化反应，炉膛内产生大量的CO气体并夹带着炉渣和金属液瞬间从炉口喷出，被称之为喷溅。喷溅可分为爆发性喷溅、金属喷溅和泡沫性喷溅(习惯上称为大喷、小喷和微喷)。转炉和AOD炉冶炼的前、中、后期如果操作不当均会出现喷溅。喷溅不仅干扰冶炼设备正常工作(扰乱冶炼过程的物料平衡、氧平衡与热平衡，因喷出大量熔渣使脱硫、脱磷效果不佳，也限制了供氧强度)、降低钢铁的收得率(大喷时金属损失率高达3.6％，小喷时1.2％，微喷时也有0.5％)、损失热量、污染环境、喷溅因冲刷炉壁内衬导致炉龄降低、造成粘枪、烧枪、炉口和烟罩挂渣、严重时损坏设备，危及生命安全(喷溅导致的烫伤事故占炉前烫伤事故的80％以上)。

采用氩氧精炼方法冶炼中、低碳铬铁合金当前遇到的主要困难是：大量吹氧会与碳发生剧烈的氧化反应，产生大量反应气体易使粘度较大的铬铁合金熔体沸腾而导致其熔体和渣液迅速膨胀，发生“喷溅”事故。而降低吹氧量和降低吹氧压力虽可以避免和减轻其“飞溅”，但却难以冲入粘度较大的渣液和铬铁合金熔体中，使降碳变得困难。因而，在实现脱碳保铬的前提下，如何避免喷溅的发生，对保证产品质量、提高金属收益率、环保降耗及设备和人身安全都具有重要的现实意义。

熔池内碳氧反应不均衡发展，瞬时产生大量的CO气体，这是发生喷溅的根本原因。在转炉和AOD炉炼钢过程中，直接供氧反应1：C+O→CO和间接供氧反应2：[C]+(FeO)＝{CO}+[Fe]是两种主要脱碳反应，前者为放热反应，后者为吸热反应，其反应速度受供氧量、熔池碳含量、CO含量、渣中(FeO)含量和温度的共同影响。如果冶炼过程中控制不当(比如加料)，熔池骤然受到冷却，抑制了正在激烈进行的碳氧反应2，供入的氧气生成了大量(FeO)并聚积；当熔池温度再度升高到一定程度(一般在1470℃以上)，(FeO)聚积到20％以上时，碳氧反应2重新以更猛烈的速度进行，在碳氧反应1和碳氧反应2的共同作用下，瞬间产生大量的CO气体，又由于此时FeO含量较高，渣液张力较小、渣液泡沫化程度较高和渣层较厚，导致CO逸出困难，当CO气体积集到较大能量后，就会从炉口夺路而出，同时还挟带着一定量的铁水和熔渣，形成较大的喷溅。可见，炉渣中FeO含量多少是影响喷溅发生的主要原因。此外，铁水成分(主要是硅、硫、磷的含量)、铁水温度、炉子状况(是新炉还是老炉，是否补炉)、渣量和炉容比也是影响喷溅的原因。

同样，在转炉和AOD炉精炼铬铁合金过程中，铬铁合金熔体内及其熔体液面也会发生3个化学反应，即化学反应1：C+O→CO↑；化学反应2：2Cr+3O→Cr₂O₃；化学反应3：3C+Cr₂O₃→2Cr+3CO↑。其反应过程和上述的炼钢过程极其相似，是由于Cr₂O₃含量较高，渣液张力较小、渣液泡沫化程度较高和渣层较厚，致使CO逸出困难，导致的喷溅发生。不同的是在铬铁合金冶炼过程中，由于比炼钢温度高(最高可达到1860℃)，炉容比又小，熔体碳含量大(wt.％大于8％)，而且铬比铁容易被氧化，因而Cr₂O₃更容易积累，导致冶铬炼铁合金的喷溅发生率高于炼钢。

目前，控制渣液氧化性的方法主要是调节枪位，冶炼前期，顶吹氧气流股先与铬(铁)发生反应，生成的氧化铬(铁)再和其他杂质按亲和力大小顺序进行反应。前者称为一次反应，后者称为二次反应。如果一次反应速度大于二次反应，那么渣中氧化铬(铁)积累，渣液氧化性增强，相反则渣中氧化铬(铁)含量降低，渣液氧化性降低。当枪位较低时，氧气流股穿透深，具有较强的搅拌作用，生成的氧化铬(铁)容易与其他液相元素发生反应，且深吹流股在熔池内部产生气泡，形成了大量的C-O反应的成核点，促进了前期C-O反应的进行，因此，枪位较低时不利于渣中氧化铬(铁)的积累。冶炼中期，氧气流股淹没在乳化渣中，氧气的供给为混合供氧，此时间接供氧扩散阻力较大，有利于氧化铬(铁)的积累，又由于钢水液滴的比重比炉渣大，因此乳化液的下部钢水液滴的密度高，上部低，枪位高，则间接供氧比例大，渣中氧化铬(铁)易积累。渣返干后，熔体液面裸露在氧气流股下，由于剧烈的C-O反应，钢水液面上涨，枪位不够高时，仍然是直接氧化，渣中氧化铬(铁)无法累积，只有吊枪至足够高度，氧气流股不能直接接触钢液从而发生O₂+2CO＝2CO₂和CO₂+Fe＝FeO+CO反应，由于后者是强吸热反应，使钢液局部降温，抑制了C-O反应，此时渣中氧化铬(铁)才开始积累，随着氧化铬(铁)增加，熔渣中高熔点物质的熔点降低融化，如果降枪不及时就会引起爆发性喷溅。

综上所述，在转炉(AOD炉)炼钢或铬铁合金生产过程中，喷溅产生的内在原因是直接供氧和间接供氧量过大，使熔池内碳氧反应不均衡发展，瞬时产生大量的CO气体，而外在原因是由于Cr₂O₃或FeO含量较高，渣液张力较小、渣液泡沫化程度较高和渣层较厚，致使CO逸出困难。喷溅发生的主要特征有：1.炉渣中Cr₂O₃或FeO含量积累过高；2.炉渣中Cr₂O₃或FeO含量积累过低，炉渣返干；3.炉渣泡沫化程度较高，渣层液面升高；4.炉内反应剧烈沸腾，伴随振动和音频噪声；5.炉内排出的CO气体含量突变；6.渣液液面与炉内铁水温差升高。根据所述喷溅产生的原因及特征，目前大多从以下几方面采取预防措施：

文献(胡志刚等，150t转炉利用炉气分析进行喷溅预报及控制，《钢铁》，2004年2月，Vol.39，No.2)利用炉气分析对转炉喷溅进行了研究，并认为冶炼期间CO、CO2、N2等成分的变化规律间接反映了炉渣状况，进而采用脱碳氧效率dC/dO及氧累积量Os模型对转炉喷溅进行预报，并指导操作人员通过调整枪位来实施控制。利用炉气分析技术预测喷溅的研究起于二十世纪九十年代，并在韩国浦项(见文献：.Daniel Merriman，Mass Spectrometry for Oxygen SteelmakingControl，Stell Times，1997，(11)，P15-16)和日本新日铁(见文献：Hei-ichiro.DynamicRefining Control by Analysis of Exhaust Gas.Transaction ISIJ，1987，27(5)，P351-358)进行了应用研究，预报准确率达到了81％。但该方法因需要采样装置及质谱仪导致成本较高，并由于采样方法及分析时间的局限性，限制了预报精度提高，难以实现实时控制。

文献(周善华，电弧炉喷溅事故的致因与预防，《特钢技术》，2007年4月，Vol.13(53)，No.4)和文献三(吴建伟，对转炉吹炼过程中喷溅的控制，《河北冶金》，2008年11月，No.3)通过调整装入制度、优化供氧制度和造渣制度等强化约束操作规范等管理手段来预防喷溅的发生率。

文献(邹韬等，关于转炉炼钢过程中喷溅现象的分析，《上海金属》，2004年3月，Vol.26，No.2)利用音平检测技术对转炉喷溅进行了研究，并认为炉内吹炼噪声强度间接反映了泡沫渣厚度，分析了氧枪平均枪位与音平强度最小值之间的关系，进而利用音平化渣图像分析和指导造渣及枪位操作，来预防喷溅的发生。该方法由于依赖于音频检测，而各冶炼现场的环境干扰不同，而又十分严重，导致炉内音平测量精度难以保证，限制了它的适用性。

美国的Ispat Inland钢铁厂和捷克的Trinecke zelezarng钢铁厂转炉车间采用数学模型来预测喷溅(见文献：胡国新，转炉吹炼喷溅的预测和预防探讨，《武汉工程职业技术学院学报》，2007年9月，Vol.19，No.3；黄志勇等，转炉炉渣喷溅的机理及预防措施，《金属材料与冶金工程》，2008年5月，Vol.36，No.3；MaximShaklrow，Anatoll Boutchenkow，Prediction prevention of Slopping in a BOF，Iron&Steel Technology，2004，(1)，P38-44)，然后通过调整工艺和加料方法来预防喷溅，该方法主要特点在于冶炼前离线收集冶炼工艺数据，通过模型进行分析喷溅的可能性，而无需冶炼时在线采集实时信息，可以避免炉气分析的成本过高和音平分析干扰难以滤除等困难。但该方法对物料来源及成分变化较大的企业难以适用。

文献(王三忠，转炉炼钢喷溅的控制及预防措施，《河南冶金》，2009年8月，Vol.17，No.4)深入分析了泡沫性喷溅、爆发性喷溅和金属喷溅产生的原因及危害，指出了FeO含量对渣液张力的影响，进而提出了通过调整枪位控制渣中FeO含量来预防喷溅的措施。但由于渣中FeO含量无法在线测量，也无法确定FeO含量与枪位的关系，使该方法难以实际应用。

综上可见，目前预防喷溅方面的研究主要集中在转炉炼钢生产过程中(目前尚无文献和专利研究防止氩氧精炼铬铁合金生产过程中发生喷溅的方法)，在分析喷溅产生的原因及预防措施方面，通过调整装入制度、优化供氧制度和造渣制度等强化约束操作规范等管理手段来降低喷溅的发生率，而这些方法仅能降低因误操作导致的喷溅。而对铁水成分的偏差、辅料成分的变化、供氧(氩)流量的波动、顶枪位置调整误差、工艺曲线的不完善等原因引起的喷溅研究尚未深入，尽管文献提出的气体分析方法为解决喷溅问题提供了一条途径，但由于分析的实时性较差，目前仅用作喷溅发生时及事后分析原因，不能实现自动控制，而且成本较高，当炉体容量小于20吨时，炉气分析设备成本将大大高于冶炼设备，使该方法难以实现工程应用。而音频分析方法由于冶炼现场环境干扰十分严重且干扰源各不相同，导致分析精度不高且随环境变化而变化，具有较大的不确定性，况且，该方法在检测到信号时喷溅已经轻微发生，给后续压喷带来实效方面的困难，更不能从根本上控制喷溅发生。至于依据FeO含量调节枪位的方法，由于目前没有相关技术在线检测炉渣中FeO含量(冶炼铬铁合金时，Cr₂O₃也无法在线测量)，使该方法现阶段不能用于在线实时控制。因而，有必要在转炉炼钢和氩氧精炼铁合金生产过程中，寻找一种能够间接表征喷溅即将发生的特征信号，而该信号又能够实现在线检测，进而利用该信号来实现自动控制，避免喷溅发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，该方法能间接表征喷溅即将发生的特征信号，而该信号又能够实现在线检测，进而利用该信号来实现自动控制，避免喷溅发生。

由于氩氧精炼铬铁合金过程中铁水Si、P含量较高，渣中SiO₂、P₂O₅含量也高，渣量较大，随着熔渣中Cr₂O₃含量升高，熔渣过分发泡，渣层因膨胀增厚，其表面张力降低，阻碍着CO气体从炉内铁水中经渣层通畅排出，也阻碍了渣液与铁水的热交换，导致渣液上层表面与炉内下层铁水的温差随Cr₂O₃含量的增加而增大，而当渣中Cr₂O₃含量降低，熔渣逐渐变得黏稠，渣层因黏稠变薄，其表面张力增高，有利于CO气体从炉内铁水中经渣层通畅排出，也加速了渣液与铁水的热交换，导致渣液上层表面与炉内下层铁水的温差随Cr₂O₃含量的降低而降低，可见渣液上层表面与炉内下层铁水的温差可以表征渣中Cr₂O₃的含量。对渣中Cr₂O₃含量较高的前者状况，由于渣层较高接近炉口，憋在渣层下面的CO气体积累到一定程度，就会产生一个较大的推力，迫使熔渣从炉口喷出，形成泡沫性喷溅，严重的话，熔渣会夹带金属液也随之而出，形成爆发性喷溅。这也是泡沫性喷溅往往伴随有爆发性喷溅的原因。对渣中Cr₂O₃含量较低的后者状况，由于熔渣黏稠，渣层较薄，严重的话造成熔渣“返干”，这样熔池被氧流吹开后熔渣不能及时返回覆盖铁水液面，导致CO气体的排出带着金属液滴飞出炉口，形成金属喷溅。显然，渣量大和炉容比小时，比较容易产生喷溅，这也是氩氧精炼铬铁合金比炼钢更容易产生喷溅的原因。通过所述分析，可以得出：渣液上层表面与炉内下层铁水的温差能够反映渣液泡沫化程度、渣层厚度、渣液Cr₂O₃含量和渣液“返干”程度，只要控制住这一温差，就可以间接控制渣中Cr₂O₃的含量在恰当的范围内，从而避免喷溅发生。把渣液上层表面与炉内下层铁水的温差简称为温差，把不至喷溅而正常冶炼时Cr₂O₃含量对应的温差称为标准温差，用ΔT表示，把Cr₂O₃含量过高导致即将发生泡沫性喷溅时刻对应的温差称为最大临界温差，记为ΔT_max。把Cr₂O₃含量过低导致即将发生金属喷溅时刻对应的温差称为最小临界温差，记为ΔT_min。因ΔT、ΔT_max和ΔT_min随炉型(转炉或AOD炉)、炉容量和冶炼金属牌号不同而不同，需要现场通过实验整定。

炉渣中(Cr₂O₃)含量可以通过枪位的调节来控制，控制(Cr₂O₃)含量的过程也就是控制化渣过程。如果(Cr₂O₃)控制不当，会给吹炼带来困难，若化渣太晚，易“返干”，形成金属喷溅，若化渣太早，易增加渣液泡沫化程度，形成泡沫性喷溅，甚至爆发性喷溅，因此控制喷溅的关键就是要控制吹炼枪位。

1、温差偏高时枪位的调节和氧流量控制

冶炼前期调节和控制的原则是早化渣、化好渣。吹炼前期的特点是硅、铬迅速氧化、渣中SiO₂浓度大，熔池温度不高，此时要求将加入炉内的石灰尽快地化好，以便形成碱度≮1.5～1.7的活跃炉渣，以减轻酸性渣对炉衬的侵蚀，并增加吹炼前期的脱硫与脱磷率。为此，应采用较高的枪位，如果枪位过低，不仅因渣中(Cr₂O₃)低会在石灰表面形成高熔点而且致密的2CaO·SiO₂，阻碍石灰的熔化，还会由于炉渣未能很好地覆盖熔池表面而产生金属喷溅，当然，前期枪位也不宜长时间过高，否则造成Cr₂O₃含量过高，渣液泡沫化程度严重，渣层增厚，温差增大，发生泡沫性喷溅，为此，随着温差增大，当温差Δt落入ΔT_max＞Δt＞ΔT+Δ范围时，应该降低枪位到低枪位，来降低Cr₂O₃含量，同时降低供氧量，减弱碳氧反应速度，避免喷溅。由于枪位调节Cr₂O₃含量具有大滞后特性，故当温差大于ΔT_max，通过加料系统添加泡沫抑制剂，依赖化学反应迅速降低Cr₂O₃含量，同时进一步加大供氩(氮)气压力和流量，以便击碎返干层，加大铁水搅拌力度，降低供氧量进而降低反应速率，将冶炼中产生的气体通过炉口上方的除尘排气通道排出，从而避免大喷事故的发生。

2、温差偏低时枪位的调节和氧流量控制

吹炼过程中期枪位控制的基本原则是：继续化好渣、化透渣、快速脱碳、不喷溅、熔池均匀升温。吹炼中期的特点是强烈脱碳，在这个阶段中，不仅吹入的氧气全部用于碳的氧化，而且渣中的Cr₂O₃也大量被消耗，渣层变薄，温差降低，渣中∑(Cr₂O₃)的降低将使炉渣的熔点上升，流动性下降，出现“返干”现象，影响硫、磷的去除甚至于发生回磷现象，“飞溅”也较严重，为了防止中期炉渣返干，产生金属喷溅，当温差落入ΔT_min＜Δt＜ΔT+Δ区间时，应该适当提枪，使渣中有适当的∑(Cr₂O₃)，同时降低供氧量，减弱碳氧反应速度和反应温度，避免喷溅。由于枪位调节Cr₂O₃含量具有大滞后特性，故当温差小于ΔT_min，通过加料系统添加定量改善渣液氧化性和流动性的辅料(如铬粒和萤石)，依赖化学反应迅速增加Cr₂O₃含量，同时降低供氧量，减弱碳氧反应速度，来抑制喷溅发生。

本发明还可以采取的措施是：通过控制排气及除尘装置的引风机转速，使炉口的压力呈低于常压的负压状态，这样即可以避免烟尘外泄，污染环境，还有助于含有CO的烟尘迅速排除，避免积累在炉内，增加炉内压力，给控制喷溅发生带来困难。此外，做好热平衡，力求做到热量略富裕，这样既能保住终点碳，又不因为热量太富裕冷却料用量大喷溅难控制；还可以采用留渣操作，溅渣护炉时不要把炉渣溅干，在炉内留1/3左右的炉渣，剩余的炉渣在下炉吹炼时有利于前期快速成渣，同时减少了冷却剂的加入量和炉渣的泡沫化程度，并将泡沫化高峰前移，从而达到控制喷溅的目的。

总之，冶炼的任务是调整好炉渣的氧化性和流动性，去除硫、磷，使熔池温度均匀，稳定火焰，保证金属液成分满足工艺要求，以及降低终渣的∑(Cr₂O₃)含量，提高金属和合金收得率并减轻对炉衬的侵蚀，便于准确地控制终点。本发明提出的基于等温差带调节枪位来控制喷溅的方法，就是根据渣液上层表面与炉内下层铁水的温差，通过调节枪位来保证该温差在等宽带内，进而控制渣液的Cr₂O₃含量，来保证炉渣的氧化性和流动性，从而避免喷溅发生。

综上所述，本发明之方法基于红外在线检测渣液表面与炉内铁水温差，用该温差表征渣液中Cr₂O₃含量，依据炉渣和铁水温差量化区间来调节顶吹顶枪枪位及高压力氩(氮)/氧混合气的氩(氮)/氧气混合比，来降低碳-氧反应速度和渣中Cr₂O₃含量，当温差大于最大临界温差或小于最小临界温差时再添加压喷剂或改善渣液流动性的辅料，进而实现预防喷溅发生的自动控制。本发明的方法是：

1)、先对兑入精炼炉的铁水按正常生产工艺曲线进行冶炼，并实时测量同一时刻炉内漂浮在铁水上面的渣液温度和铁水温度，计算渣液和铁水温差，用该温差Δt表征渣液中的Cr₂O₃含量，把Cr₂O₃含量过高导致即将发生泡沫性喷溅时刻对应的温差称为最大临界温差，记为ΔT_max。把Cr₂O₃含量过低导致即将发生金属喷溅时刻对应的温差称为最小临界温差，记为ΔT_min。用ΔT代表正常冶炼时恰当的Cr₂O₃含量对应的温差，称为标准温差，由于物料成分及计算误差，该标准温差不是一个常数，而是一个区间，称为等标准温差带，记为(ΔT-Δ，ΔT+Δ)，当温差Δt落入该区间时，按既定工艺曲线继续进行冶炼，而当该温差Δt落入该区间外时，则转入防止氩氧精炼铬铁合金生产过程出现喷溅的控制程序。

2)、将温差Δt变化区间分为下述5个子区间，即(0，ΔT_min]、(ΔT_min，ΔT-Δ]、(ΔT-Δ，ΔT+Δ)、[ΔT+Δ，ΔT_max)和[ΔT_max，∞)。每个区间分别表征渣液泡沫化程度、“返干”程度和Cr₂O₃含量。同时也代表熔池距喷溅发生的程度。

3)、因为控制喷溅发生的主要手段是枪位、氧、氮流量及压力和添加剂，而距离喷溅发生的程度不同，需要的控制方式和控制量大小也不尽相同，为此建立各子区间与控制方式和控制量大小的对应关系，用表格表示，称之为抑制喷溅控制规则表，如表1所示：

表1抑制喷溅控制规则表

4)、渣液与铁水温度的测量是由分别安装在顶枪和底枪上的红外测温装置按采样时间及周期在线完成，其冷却借助于枪的自冷系统，而渣液和铁水温度测量的同步及温差的计算由PLC中的软件自动实现，并将该温差值与各子区间下限和上限相比较，以确定当前温差落入的区间。

5)、PLC中的控制程序依据当前温差Δt落入的区间，查表1获得对应的氧气流量和氩(氮)气流量，然后确定氩(氮)/氧气混合比例，按该比例分别控制氧气流量调节阀和氩(氮)气流量调节阀，实现按比例控制；PLC由表1同时获得枪位信息，经变频器控制顶枪升降系统到指定位置；如果温差落入(0，ΔT_min)或(ΔT_max，∞)区间，PLC由表1同时获得加料信息，PLC将控制电磁振动给料机，加入定量的泡沫抑制剂或改善渣液流动性的辅料，控制系统快速离开喷溅状态。

所说的精炼炉可为转炉或AOD炉或由氧气助燃的电炉。为有利于碳的氧化反应进行并控制喷溅，更为了降低本方法的顶底红外测温装置成本，推荐采用顶底复吹工艺的AOD炉或转炉作为精炼铬铁合金的精炼炉。

所说的氩(氮)/氧混合气是由氩(氮)气与氧气混合成的气体，其中的氩(氮)是指氩气或氮气。

所说的氩(氮)/氧气混合比是指氩(氮)气与氧气的混合比例。氩(氮)/氧气混合比可以在0∶10至10∶0之间有级调整。

所说的实时是指采样周期相比渣液和铁水温差变化时间足够小，并且采样时刻是在间歇式给氧的间歇期，以便在渣液液面相对平静时测量，通常采样周期的选取要小于10秒。

所说的等标准温差带(ΔT-Δ，ΔT+Δ)的带宽是2Δ，其值取决于炉型及其参数、冶炼工艺要求、物料成分(包括铁水、各种辅料及氧、氮纯度)偏差及计算误差，可以通过模型计算或现场实验整定。

所说的最大临界温差ΔT_max对应Cr₂O₃含量过高导致即将发生但还没有发生泡沫性喷溅的时刻，而最小临界温差ΔT_min对应Cr₂O₃含量过低导致即将发生但还没有发生金属喷溅的时刻，ΔT_max和ΔT_min值即与冶炼金属、辅料的成分紧密相关，又与炉体参数及环境状况相关，通常需要现场实验整定。

所说的控制程序是指依据本方法思想用梯形图语言编制的由PLC自动运行的防止氩氧精炼铬铁合金生产过程出现喷溅的应用程序。该程序做为子程序需要嵌入到正常冶炼程序中，供其按大于采样周期的时间间隔调用。

所述方法所说的调节高压力氩(氮)/氧混合气的氩(氮)/氧气混合比，是指氧气流量降低30％、氧气流量降低50％和氮气流量增加30％，百分比是指正常冶炼工艺曲线当时值的比例，通常顶吹高压力氩(氮)气的流量为0～14立方米/吨·分钟，顶枪喷口气体流速为0～400米/秒。

所述方法所说的低枪位是指比正常枪位低0.2m以下的顶枪位置；所说的高枪位是指比正常枪位高0.2m以上的顶枪位置；所说的高高枪位是指比正常枪位高0.4m以上的顶枪位置，具体参数可以根据炉型及炉容比适当调整。

所述方法所说的定量是指添加的泡沫渣抑制剂重量占精炼铁水重量的0.1％～0.2％，即1-2公斤/吨铁水，可根据炉渣的泡沫化程度在该范围内适当调整用量。

所述方法是通过顶枪的特殊结构在枪管内孔引出红外光信号，来非接触测取炉内漂浮在铁水上面的渣液温度，温度测量范围是1350℃～1850℃，误差是1℃。

所述方法是通过底枪的特殊结构在枪管内孔引入红外测温头，来非接触测取炉内铁水温度，温度测量范围是1450℃～1850℃，误差是1℃。

所述方法是在PLC的控制下，通过采样保持的方法测取同一时刻的渣液和铁水温度，并通过程序由PLC完成渣液和铁水温差的计算。

所述方法是把渣液和铁水温差Δt变化区间分为(0，ΔT_min]、(ΔT_min，ΔT-Δ]、(ΔT-Δ，ΔT+Δ)、[ΔT+Δ，ΔT_max)和[ΔT_max，∞)5个子区间，量化区间划分的越细，控制的平稳性越好，但调节时间会延长。

所述方法是炉渣和铁水温度检测的精度越高、温差区间量化的越细，控制的效果越好。该方法计算量小，算法简单，控制的实时性好，容易实现，该方法适用于AOD炉和转炉精炼不锈钢和中低碳铬铁合金的生产过程。

本发明的优点是：把喷溅控制问题转化为渣液中∑(Cr₂O₃)和碳-氧反应速率控制问题，首次用渣液与铁水温差表征渣液中∑(Cr₂O₃)、渣液泡沫化和“返干”程度，进而将喷溅控制问题简化为渣液与铁水温差和氧、氩流量比例控制问题，从而解决了Cr₂O₃含量和碳-氧反应速率不能在线测量的问题，该方法的部分参数通过模型计算和现场实验整定后可应用于AOD炉和转炉生产过程的喷溅抑制。

附图说明

图1是本发明所用顶枪测温控气系统结构图。

图2是本发明所用底枪测温控气系统结构图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明的方法是：

1)、先对兑入精炼炉的铁水按正常生产工艺曲线进行冶炼，并实时测量同一时刻炉内漂浮在铁水上面的渣液表面温度和底枪枪口处的铁水温度，计算并记录渣液和铁水温差，通过多炉次和每炉次多点测量，把正常冶炼测的的温差最小值记为ΔT-Δ，而最大值记为ΔT+Δ，把ΔT-Δ和ΔT+Δ的均值记为标准温差ΔT，进而确定(ΔT-Δ，ΔT+Δ)区间数值，通过观察火焰颜色和炉内沸腾情况等现场经验分别确定泡沫性喷溅和金属性喷溅即将发生的时刻，并记录该时刻的温差，并分别赋值给ΔT_max和ΔT_min，从而获得最大临界温差温差和最小临界温差。

2)、将温差Δt变化区间分为下述5个子区间，即(1，ΔT_min]、(ΔT_min，ΔT-Δ]、(ΔT-Δ，ΔT+Δ)、[ΔT+Δ，ΔT_max)和[ΔT_max，1800)。这里由于铬铁合金冶炼温度不会超过1850℃，而检测误差为1℃，故区间下限和上限分别取为1和1850。

3)、按抑制喷溅控制规则表的需求、炉容比及冶炼物料成分分别确定枪位、氧、氮流量和添加剂的具体参数。称之为抑制喷溅控制规则操作表，如表2所示。这里以用5吨AOD炉冶炼碳含量(wt.％)为8.3％、铬含量(wt.％)为63％的高碳铬铁合金为例，其正常枪位根据枪位模型可以算得是500mm，高枪位取700mm，高高枪位取900mm，低枪位取300mm。根据热平衡的碳氧关系模型可以确定顶枪供氧流量为1200Nm³/h，进而获得不同温差区间的供氧流量数值，这里抑制泡沫性喷溅是加入10Kg的泡沫抑制剂，而改善渣液氧化性和流动性的辅料，是加入50Kg的铬粒和萤石，其中，铬粒和萤石的比例是4∶1，如表2中所示：

表2抑制喷溅控制规则操作表

4)由PLC中编制的应用程序自动实现渣液和铁水温度测量的同步及温差的计算，并将该温差值与各子区间下限和上限相比较，以确定当前温差落入的区间。

5)PLC中的控制程序依据当前温差Δt落入的区间，查表2获得对应的氧气流量和氩(氮)气流量，然后确定氩(氮)/氧气混合比例，按该比例分别控制氧气流量调节阀和氩(氮)气流量调节阀，实现按比例控制，如图1所示；PLC由表2同时获得枪位信息，经变频器控制顶枪升降系统到指定位置；如果温差落入(1，ΔT_min)或(ΔT_max，1850)区间，PLC由表2同时获得加料信息，PLC将控制电磁振动给料机，加入40Kg的铬粒和10Kg的萤石或10Kg的泡沫抑制剂。

Claims (13)

1.一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，该方法是基于红外在线检测渣液表面与炉内铁水温差，用该温差表征渣液中Cr₂O₃含量，依据炉渣和铁水温差落入的温差量化区间来调节顶吹顶枪枪位及高压力氩或氮/氧混合气的氩或氮/氧气混合比，来控制碳-氧反应速度和渣中Cr₂O₃含量，当温差大于最大临界温差或小于最小临界温差时再添加泡沫抑制剂或改善渣液氧化性和流动性的辅料，进而实现预防喷溅发生的自动控制。

2.根据权利要求1所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，该方法的具体步骤是：

(1)、先对兑入精炼炉的铁水按正常生产工艺曲线进行冶炼，并实时测量同一时刻炉内漂浮在铁水上面的渣液温度和铁水温度，计算渣液和铁水温差，用该温差Δt表征渣液中的Cr₂O₃含量，把Cr₂O₃含量过高导致即将发生泡沫性喷溅时刻对应的温差称为最大临界温差，记为ΔT_max，把Cr₂O₃含量过低导致即将发生金属喷溅时刻对应的温差称为最小临界温差，记为ΔT_min，用ΔT代表正常冶炼时恰当的Cr₂O₃含量对应的温差，称为标准温差，由于物料成分及计算误差，该标准温差不是一个常数，而是一个区间，称为等标准温差带，记为(ΔT-Δ，ΔT+Δ)，当温差Δt落入该区间时，按既定工艺曲线继续进行冶炼，而当该温差Δt落入该区间外时，则转入防止氩氧精炼铬铁合金生产过程出现喷溅的控制程序；

(2)、将温差Δt变化区间分为五个子区间，即(0，ΔT_min]、(ΔT_min，ΔT-Δ]、(ΔT-Δ，ΔT+Δ)、[ΔT+Δ，ΔT_max)和[ΔT_max，∞)；每个区间分别表征渣液泡沫化程度、“返干”程度和Cr₂O₃含量；同时也代表熔池距喷溅发生的程度；

(3)、因为控制喷溅发生的主要手段是枪位、氧、氮流量及压力和添加剂，而距离喷溅发生的程度不同，需要的控制方式和控制量大小也不尽相同，为此建立各子区间与控制方式和控制量大小的对应关系，用表格表示，称之为抑制喷溅控制规则表；

(4)、渣液与铁水温度的测量是由分别安装在顶枪和底枪上的红外测温装置按采样周期在线完成，红外光信号的引出采用顶枪和底枪结构，其冷却借助于枪的自冷系统，而渣液和铁水温度测量的同步及温差的计算由PLC中的软件自动实现，并将该温差值与各子区间下限和上限相比较，以确定当前温差落入的区间；

(5)、PLC中的控制程序依据当前温差Δt落入的区间，查表1获得对应的氧气流量和氩或氮气流量，然后确定氩或氮/氧气混合比例，按该比例分别控制氧气流量调节阀和氩或氮气流量调节阀，实现按比例控制；PLC由表1同时获得枪位信息，经变频器控制顶枪升降系统到指定位置；如果温差落入(0，ΔT_min)或(ΔT_max，∞)区间，PLC由表1同时获得加料信息，PLC将控制电磁振动给料机，加入定量的泡沫抑制剂或改善渣液氧化性和流动性的辅料，控制系统快速离开喷溅状态。

3.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：所说的精炼炉为转炉或AOD炉或由氧气助燃的电炉。

4.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：所说的氩或氮/氧气混合比是指氩或氮气与氧气的混合比例；所述的氩或氮/氧气混合比在0∶10至10∶0之间有级调整。

5.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：所说的实时是指采样周期相比渣液和铁水温差变化时间足够小，并且采样时刻是在间歇式给氧的间歇期，以便在渣液液面相对平静时测量，通常采样周期的选取小于10秒。

6.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：所说的等标准温差带(ΔT-Δ，ΔT+Δ)的带宽是2Δ，其值取决于炉型及其参数、冶炼工艺要求、物料成分偏差及计算误差，可以通过模型计算或现场实验整定。

7.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：所说的控制程序是用梯形图语言编制的由PLC自动运行的防止氩氧精炼铬铁合金生产过程出现喷溅的应用程序；该程序做为子程序嵌入到正常冶炼程序中，供其按大于采样周期的时间间隔调用。

8.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：所说的调节高压力氩或氮/氧混合气的氩或氮/氧气混合比，是指氧气流量降低30％、氧气流量降低50％和氮气流量增加30％，百分比是指正常冶炼工艺曲线当时值的比例，通常顶吹高压力氩或氮气的流量为0～14立方米/吨·分钟，顶枪喷口气体流速为0～400米/秒。

9.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：所说的低枪位是指比正常枪位低0.2m以下的顶枪位置；所说的高枪位是指比正常枪位高0.2m以上的顶枪位置；所说的高高枪位是指比正常枪位高0.4m以上的顶枪位置，具体参数可以根据炉型及炉容比适当调整。

10.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：所说的定量是指添加的泡沫渣抑制剂重量占精炼铁水重量的0.1％～0.2％。

11.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：从顶枪的枪管内孔引出红外光信号，来非接触测取炉内漂浮在铁水上面的渣液温度，温度测量范围是1350℃～1850℃，误差是1℃。

12.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：从底枪的枪管内孔引入红外测温头，来非接触测取炉内铁水温度，温度测量范围是1450℃～1850℃，误差是1℃。

13.根据权利要求2所述的一种防止氩氧精炼铬铁合金过程中发生喷溅的控制方法，其特征在于：该方法是在PLC的控制下，通过采样保持的方法测取同一时刻的渣液和铁水温度，并通过程序由PLC完成渣液和铁水温差的计算。

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