CN102776327B - 一种延长aod炉炉役的炉体倾动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种延长AOD炉炉役的炉体倾动控制方法，该方法是：在风口和渣线附区域的炉体外壳铺装温度传感器阵；由PLC通过AD模块读取传感器阵中的各点温度值，并计算各点间的温差；由PLC通过变频器控制拖动电机将炉体前倾一个步距角，等候一个控制周期，重新读取并计算传感器阵中各点间的温差，如果某两点间的温差变小，PLC将控制拖动电机将炉体继续前倾一个步距角，重复上述过程直至温差最小或达到前倾极限角而停止；反之，如果传感器阵中某两点间的温差值增加，PLC将控制拖动电机将炉体后倾一个步距角，重复上述过程直至温差最小或达到后倾极限角而停止；循环执行步骤（2）和步骤（3），实现均匀风口附近冲刷强度及渣线附近温度的目的。

Description

一种延长AOD炉炉役的炉体倾动控制方法
技术领域
本发明涉及AOD炉精炼铁合金生产工艺过程及装置，特别涉及一种延长AOD炉炉役的炉体倾动控制方法。
背景技术
据统计，我国吨钢耐火材料消耗是20—25公斤，日本是7.5公斤左右，美国是7—15公斤，与发达国家相比，我国的耐火材料消耗明显偏高，其主要原因是我国的冶炼设备内衬寿命偏低。如果能够提高炉衬寿命，可大大降低企业生产成本，提高企业生产率，有利于提高企业的综合经济效益和整体的国际竞争力。同时也应看到，冶炼设备寿命的提高，不仅直接导致耐火材料消耗量的降低，而且可以节省大量的镁、钙等稀有金属这些战略资源，也可以大量降低粘土需求量，从而保护植被和耕地，进而避免因为采矿和采土破坏资源环境。
AOD精炼技术的冶金原理是向炉内吹入O2和惰性气体(Ar、N2)的混合气体，用Ar或N2稀释由脱碳反应产生的CO气体的分压，从而促进脱碳反应的进行,并抑制钢水中铬的氧化。AOD炉由于精炼温度高，冶炼周期长，气体搅拌剧烈，钢渣冲刷严重，炉衬温度周期性变化幅度大等，炉衬工作条件十分恶劣，因而其炉役远远低于转炉和电炉。
炉役是耐火材料质量、冶炼条件及筑炉维护的综合反映，耐火材料质量是炉龄的基础。目前，提高AOD炉炉役的根本途径仍然是改善炉衬耐火材料的耐火度、高温强度、气孔率、杂质含量、砖型尺寸、内部结构、防水化性能、抗热震性、抗钢流冲刷能力及抵抗渣侵蚀能力等性能。然而，同样的耐火材料，因炉衬砌筑、烘烤及冶炼工艺的差异,也会对AOD炉衬寿命产生很大影响，因而该方面的研究成为目前的重点。
针对炉温高对炉役的影响。研究表明，当熔池温度在1700℃以上时温度每提高50℃，炉衬耐火材料的侵蚀速度就提高1倍。而AOD冶炼铬铁合金时，脱碳期熔池温度高达1800℃左右，且炉衬耐火材料在高温下的工作时间也较长。因此AOD的脱碳期熔池温度和精炼时间对炉衬寿命的影响较大。为缩短冶炼时间，避免炉衬耐火材料在高温下长时间侵蚀，间接提高炉役，文献（石知机等，炉气分析终点控制技术在马钢转炉的应用，《钢铁》.2007,42(4).-24-26；）研究了利用炉气分析判断终点，进而避免补吹，达到缩短冶炼时间的目的。
针对炉温变化大对炉役的影响。由于AOD生产的间歇式、供气元件都是气冷的、冶炼过程中炉衬温度不均匀（风眼区炉衬温度较高）和精炼期间向熔池内加入大量的造渣料及辅料等，这些都使AOD的炉温变化较大，导致炉衬耐火材料剥落而影响炉衬寿命。发明专利（刘南平等，钢包碱性炉衬的烘烤方法，专利申请号：200910312595）通过制定合理的炉衬烘烤制度，使炉衬砖能够缓缓升至高温，并保证衬砖被烤透，在出现长时间等待钢水的情况下，也对炉衬进行烘烤，以避免炉衬耐火材料在接触钢水时急热，或长时间等钢水时温降过大而造成剥落。
针对气体及钢流严重冲刷炉衬对炉役的影响。在AOD的整个冶炼过程中，都会向熔池吹入大量气体，从风口吹入的气体只有少量渗入铁水中。大部分气体都带着氧化物反冲回来并沿后侧墙向上运动，在炉内造成局部高温和涡流，形成了部分高蚀损区域。文献（张朝霞等，太钢AOD炉衬长寿技术，《耐火材料》，2006年40（5），P376~378）研究表明，在吹气时期，如果能把炉子稍稍向后倾转，迫使向上运动的气体流离开炉体后部侧墙，可以将这种侵蚀减小到最低限度。
文献（张朝霞等，影响AOD炉耐火材料寿命的因素及其分析，《太钢科技》，2004年第2期，P1~7）指出，最佳的炉体倾转角度，由炉内的装炉量、耐火材料侵蚀特征和气流速度分别确定。美国有些冶金厂在炉子上安装角度指示器和测量仪，确保在每一炉的冶炼过程中，炉子能倾转到相同的角度，这样就可以针对炉子的侵蚀特征来分区砌筑。向后倾动角度有2°的改变，就会使炉衬耐火材料的侵蚀特征发生根本性的变化，通常炉体的最佳背向倾斜角度是5～7°，最大范围为0～15°。然而，由于每炉装炉量的不同、冶炼品种不同以及冶炼工艺的差异，使事先确定的倾动角度并不能完全真实的反映炉衬实际烧蚀情况。
随着技术的不断发展，熔池的供氧强度、搅拌强度还在不断提高。这对熔池耐火材料造成了较强的冲刷，特别是AOD的后墙要承受很大的气流及钢流冲刷，这会降低AOD炉龄。文献（张飞虎等，转炉溅渣护炉技术的开发与应用，《钢铁技术》. 2007(4).-9-10,30）研究了溅渣护炉技术，通过从冶炼工艺、炉渣调节、工艺参数的调整，使得溅渣护炉技术对炉衬、炉型的维护起到了很好的效果，炉龄得到大幅提高，经济效益明显。
针对熔渣碱度波动大对炉役的影响。AOD炉衬不仅要受熔渣的侵蚀和冲刷,而且在一个精炼周期内熔渣碱度的波动范围很大。特别是在还原期,渣中SiO2含量突然升高,在氩气的搅拌下,渣中的SiO2会与碱性耐火材料炉衬中MgO和CaO发生反应,生成低熔点的钙镁橄榄(CaO·MgO·SiO2)和镁蔷薇辉石(3CaO·MgO·2SiO2)，同时破坏方镁石之间的结合。而这些低熔点产物在AOD精炼期间会发生软化和脱落，从而使炉衬寿命降低。炉渣的碱度和成分对炉衬寿命都有很大影响。文献（王贵平等，太钢AOD炉龄的提高措施，《耐火材料》，2006年02期，-24-26）试验发现,随着渣中CaF2含量的增加，炉衬寿命大大降低，而随着渣中MgO含量的增加,炉衬寿命相应提高。因此对还原渣的碱度及成分进行了调整，炉渣碱度CaO/SiO2控制在1. 8~2. 0,(CaO+MgO) /SiO2控制在2. 0~2. 4，且严格控制CaF2加入量及CaF2/CaO比值。
总之，目前提高炉役的相关技术主要集中在改善耐火材料性能、炉衬烘烤制度、炉渣碱度控制、溅渣护炉工艺及终点控制方面，尚未见到利用铺设传感器阵来在线监测炉衬烧蚀状态，并通过控制炉体倾动方向及角度来改变底枪氧、氩气流的冲刷区域及渣线位置，进而避免炉衬某一区域过度烧蚀的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种延长AOD炉炉役的炉体倾动控制方法，该方法基于温度越高耐火材料烧蚀越快及温差变化越大炉衬耐火材料越容易剥落的原理，针对AOD炉风口及渣线附近温度高、温差变化大及冲刷严重而相对其它区域耐火材料消耗速度快的问题，提出了炉体倾动的自动搜索寻优控制方法，通过在风口和渣线附近区域铺设温度传感器阵，依据温度变化情况，自动搜索确定使风口和渣线附近区域温度均匀性最好的炉体倾动方向及角度，进而改变炉体倾动方向及角度来调整底枪氧、氩气流的冲刷区域及渣线位置，来均衡风口和渣线附近区域耐火材料的消耗速度，避免同一区域因长时间冲刷或温度偏高或温差变化偏大而导致的炉衬烧蚀过快而降低炉衬整体寿命
在AOD炉冶炼过程中由于喷枪喷出气体时会形成较强的涡流，这就使得喷枪周围的耐火材料遭到强烈的冲刷，致使枪体周围形成凹坑，大大降低了炉衬寿命。当气体从炉体底部侧壁由喷枪水平吹入熔池时，由于惯性和浮力的共同作用，气体流在炉内铁水中沿水平方向运动一段距离后再向上运动，底枪数越少，气体流沿水平方向的穿透距离越大。随着气流的上升，气体对炉内铁水造成的压力会越来越低,这就使得气流周围的液体不断地被吸入，形成气液两相流，在炉内形成大量小气泡，随着气流的向上运动，形成气泡区的横截面逐渐增大，直至到达液面，气体从铁水中跑出来，此时气液两相区液面就会高于周围铁水，这部分液体在重力的作用下下落，致使整个液面产生波动，铁水波动流到达炉壁，之后沿炉子侧壁向下运动，运动到熔池下部又被气液两相流所吸引，致使炉内铁水形成大小不等的多个循环和旋涡，整个炉内铁水处于被搅拌的状态。这就会对炉壁产生冲击，损坏炉衬，减少炉衬使用寿命。
本发明之方法包括以下步骤：
（1）、在风口和渣线附区域的炉体外壳铺装温度传感器阵；
（2）、由PLC通过AD模块读取传感器阵中的各点温度值，并计算各点间的温差；
（3）、由PLC通过变频器控制拖动电机将炉体前倾一个步距角，等候一个控制周期，重新读取并计算传感器阵中各点间的温差，如果某两点间的温差变小，PLC将控制拖动电机将炉体继续前倾一个步距角，重复上述过程直至温差最小或达到前倾极限角而停止；反之，如果传感器阵中某两点间的温差值增加，PLC将控制拖动电机将炉体后倾一个步距角，重复上述过程直至温差最小或达到后倾极限角而停止；循环执行步骤（2）和步骤（3），实现均匀风口附近冲刷强度及渣线附近温度的目的。
所说的AOD炉是指采用顶底复吹氧、氩混合气体的用于精炼不锈钢或铁合金的生产装置。
所说的风口附近是以底枪风眼为底边中心的方形区域。当炉容和供氧强度增加时可以适当扩大边长。
所说的渣线是指AOD炉额定工作情况下形成的渣线。
所说的渣线附近是以渣线和倾动轴线交汇点为中心的延炉体周长方向的矩形区域。
所说的温度传感器阵是在风口和渣线附近在炉体外壳上按等距离原则铺设的热电偶温度传感器，传感器数量越多、间距越小，控制效果越好。
所说的炉体前倾是指炉体面向出钢方向，后倾是指炉体背向出钢方向。
所说的炉体前倾极限角是指受炉帽和炉口之间缝隙限制所允许的向前倾动的最大角度，通常小于15度。
所说的炉体后倾极限角是指受炉帽和炉口之间缝隙限制所允许的向后倾动的最大角度，通常与炉体前倾极限角相同。
所说的步距角是指炉体允许前倾极限角和后倾极限角之和被N平分的角度。N越大控制精度越高，但调节时间变长，通常设定为与温度传感器阵行数相同。
所说的控制周期是指炉体两次倾动操作的时间间隔。该值越小，倾动越频繁。通常炉容越大，该值越大。
所述方法是把风口和渣线附近按传感器阵行数量化成多个区间，行数越多， 量化区间划分的就越细，炉衬耐火材料消耗检测的精度越高，控制的平稳性越好，但计算量会明显增加，控制的实时性变差，同时成本提高。
本发明有益效果是：
通过在风口和渣线附近铺设温度传感器阵，其各点温度值分别表征该点附近区域的耐火材料消耗程度，解决了冶炼过程中炉衬消耗不能在线检测的难题，利用调整炉体倾动方向及角度，来调整底枪氧、氩气流的冲刷区域及渣线位置，避免同一区域因长时间冲刷或温度偏高或温差变化偏大而导致的炉衬烧蚀过快而降低炉衬整体寿命。本发明之炉体倾动自动搜索寻优控制方法，不需要建立繁琐的数学模型，也不需要事先判定倾动方向和确定倾动角度值，可以有效解决系统的时变性及不确定性对控制效果的影响，该方法计算量小，算法简单，控制的实时性好，容易实现，其部分参数通过现场实验整定后可应用于冶炼过程的自动控制。
附图说明
图1是本发明所用传感器阵在风口附近的铺设图。图中的1—风眼，2—热电偶温度传感器。
图2是本发明所用传感器阵在渣线附近的铺设图。图中的3—在额定冶炼容量下的渣线，2—热电偶温度传感器。
图3是本发明炉体倾动后渣线位置变化图。图中的3—在额定冶炼容量下的渣线，4—炉体倾动后渣线位置。
图4是本发明炉体倾动后气流冲刷位置变化图。图中的5—在正常冶炼时的气流冲刷区域，6—炉体倾动后的气流冲刷区域。
具体实施方式
本实施例包括以下步骤：如图1至图4所示；
（1）、在额定冶炼容量下的渣线与前倾方向炉体外壳中心的交汇处、正上方100mm处、正上方200mm处、正下方100mm处和正下方200mm处分别铺设五个热电偶温度传感器2，实施中为降低成本，将传感器2阵缩减为5行1列。
（2）、在底枪风眼正上方100mm处、正上方200mm处、正上方300mm处和正上方400mm处分别铺设四个热电偶温度传感器2。
（3）、由PLC通过AD模块读取传感器阵中的各点温度值，并计算各点间的温差；
（4）、由PLC通过变频器控制拖动电机将炉体前倾0.5度，等候100s，重新读取并计算传感器阵中各点间的温差，如果某两点间的温差变小，PLC将控制拖动电机将炉体继续前倾0.5度，重复上述过程直至温差最小或达到7度而停止。反之，如果传感器阵中某两点间的温差值增加，PLC将控制拖动电机将炉体后倾0.5度，重复上述过程直至温差最小或达到后倾极限角而停止。循环执行3和4的步骤，实现均匀风口区域冲刷强度及渣线附近温度的目的。

Claims (1)

1.一种延长AOD炉炉役的炉体倾动控制方法，该方法包括以下步骤：
（1）、在风口和渣线附区域的炉体外壳铺装温度传感器阵；
（2）、由PLC通过AD模块读取传感器阵中的各点温度值，并计算各点间的温差；
（3）、由PLC通过变频器控制拖动电机将炉体前倾一个步距角，等候一个控制周期，重新读取并计算传感器阵中各点间的温差，如果某两点间的温差变小，PLC将控制拖动电机将炉体继续前倾一个步距角，重复上述过程直至温差最小或达到前倾极限角而停止；反之，如果传感器阵中某两点间的温差值增加，PLC将控制拖动电机将炉体后倾一个步距角，重复上述过程直至温差最小或达到后倾极限角而停止；循环执行步骤（2）和步骤（3），实现均匀风口附近冲刷强度及渣线附近温度的目的；
所述的风口附近是以底枪风眼为底边中心的方形区域；
所说的渣线是指AOD炉额定工作情况下形成的渣线；
所说的渣线附近是以渣线和倾动轴线交汇点为中心的延炉体周长方向的矩形区域；
所说的温度传感器阵是在风口和渣线附近在炉体外壳上按等距离原则铺设的热电偶温度传感器；
所说的炉体前倾是指炉体面向出钢方向，后倾是指炉体背向出钢方向；
所说的炉体前倾极限角是指受炉帽和炉口之间缝隙限制所允许的向前倾动的最大角度；
所说的炉体后倾极限角是指受炉帽和炉口之间缝隙限制所允许的向后倾动的最大角度；
所说的步距角是指炉体允许前倾极限角和后倾极限角之和被N平分的角度；
所说的控制周期是指炉体两次倾动操作的时间间隔。
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