CN102791399A - 转炉喷溅预测和吹氧管优化系统 - Google Patents
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Abstract
一种炉内炼钢的方法，包括提供一向炉内钢表面吹氧的吹氧管，吹氧管连接到一个支架上并与一个加速度计连接，加速度计与数据采集模块和计算机通过信号连接，向炉内添加炼钢的材料，将吹氧管落入炉内并向材料内注入氧气，从加速度计中采集指示吹氧管振动的信号，处理振动信号以测定吹氧管振动的构成频率，比较构成频率的等级与期望的运行值，基于至少一个该构成频率来调整至少一个炼钢过程的参数。被调整的炼钢工艺参数可以是通过吹氧管内的氧气流量。
Description
技术领域
氧气顶吹转炉炼钢的控制，特别是，吹氧管氧气流量优化，喷溅预测和/或探测，以及一炉钢冶炼完成的确定。
背景技术
在氧气顶吹炼钢的过程中，炼钢炉充满了液态的含碳的铁合金，如高温金属、废钢以及熔化的CaO和MgO。水冷式吹氧管插入到炉内，通过它，氧气以超音速的速度注入。吹氧管顶端有至少一个端口，往往是多个端口，通过它的氧气射出并撞击到装料的表面。氧气与装料中的金属和碳成分发生反应，由放热反应产生热量。随着时间的推移，氧气发生化学反应，充分氧化装料中以金属形式存在的硅和铝。
此外，装料中的大部分碳被氧化，典型的成品钢的碳含量约为0.02％-0.06％左右，在这个浓度时，钢水被称为平浴。由于碳含量接近这个较低的水平，氧还与装料中的锰和铁反应。在平浴中，大部分锰被氧化，以氧化锰的形式存在于炉渣中。此外，在平浴中，铁被氧化的程度，与钢中的氧浓度接近平衡。例如，在吹氧过程结束时，钢中的氧含量可能达到约0.08％，而炉渣中被氧化的铁的浓度约28%。炉渣是由相互分散的氧化物成分组成，并可能有约40% CaO, 26% FeO, 10%SiO2, 10% MgO, 5% Al2O3, 5% MnO和其他一些微量成分组成平衡。
炉渣有利于去除钢中的磷等杂质。氧化、产生热量和提炼的过程是复杂的，通常由一个过程模型监测和控制。过程模型，试图考虑到质量平衡、热平衡，热力学反应和动力学率预测终点，并在最短的时间内，用最少的成本实现期望的结果。影响这个过程不确定因素很多，因此过程模型通常不是每次都能够实现期望的结果。因此，有时需要重新吹氧以调整钢的化学成分或温度。这是费时费力的。此外，这个过程可能会导致装料和钢水的喷出，造成产量损失，浪费成本。喷溅是装料在炉内从一边到另一边的振动。当喷溅变得严重时，装料会涌出炉子上边缘，导致钢水和炉渣喷出。
有许多因素可以影响碱性氧炉（一般被称为碱性氧气转炉）内的物料的喷溅和喷出。这些因素中包括注氧量、装料中的硅含量、吹氧管在熔池内的高度、熔池的体积与转炉内可用体积的比率、转炉内部的形状和长宽比、熔池的温度、一氧化碳（CO）化合物进一步氧化成二氧化碳的程度，吹氧管尖端口的磨损，氧气冲击力造成的空腔的形状和稳定性、金属乳化程度、氧化阶段以及炉渣的化学成分。
本领域众所周知，炉内物质的喷出问题是由于炉内喷溅造成的，在表征和缓解这个问题已经有许多尝试。据观察，约30％至约60％喷溅开始于吹氧阶段装料中的硅被氧化之后、炉渣变成液体、CO生成率接近其峰值。在Kim的美国专利号5584909中提出在CO生成率峰值阶段减少吹氧量和吹氧管的在熔池内的高度可以防止喷溅。虽然这是有效的，但它可能会延缓进程并且限制了生产率。此外，减少吹氧量与吹氧管高度的操作的时间是不确定的，不为人所熟知。
另一个缓解喷溅的方法是试图控制转炉内炉渣的化学成分。例如，当熔池被氧气喷射穿透的不够深时，会形成过多的铁氧化物。多余的铁氧化物会影响炉渣的化学成分，并可能会增加喷溅量。在Bleeck等人的美国专利号4473397中提出，喷溅开始时，往转炉中的炉渣中添加电石可以减少多余的FeO含量，从而减少喷溅度。电石试剂成本贵，并且其有效数量是不确定的。此外，最佳的添加时间不确定，因此可能在其实际起作用之前就要被消耗。由于以上或其他的原因，这种方法在本领域并不常用。
喷溅发生前通常是气体快速的产生并进入到炉渣中产生泡沫并且将炉渣涌向转炉炉体的顶部。因此，可以确信，如果炉内的炉渣能够被监测，那么喷溅的发生则可以被预测。为此，在Sakamoto等人的美国专利号4210023中提出了使用微波测量仪器来测定转炉内泡沫状炉渣的高度。在实践中，微波设备是很难在转炉内恶劣的环境下维持使用的。在Aberl等人的美国专利号5028258中提出了使用拾音装置监控转炉内发出的声音。氧气吹到炉内装料上时产生声音，其被泡沫状炉渣和吹氧管的提升高度所消弱。Aberl等人发现炉渣随着其在炉内上升的过程中变得稀薄，喷溅发生前会出现这种减轻的状态。实际中，有许多方面，可能会影响到达拾音装置的声音的速度、频率或声音强度，包括温度和产生灰尘的水平。因此，这种方法的准确性和有效性可能是不够的。此外，由于其所安装的恶劣环境，拾音装置很容易出现故障。
转炉内喷溅一方面是炉体和吹氧管的振动，原因在于喷溅过程中装料的动力。该动力可以导致炉体和吹氧管设备明显的振动。在Emoto等人的美国专利号4398948中提出，通过加速度计监测转炉内吹氧管的水平运动。炉内喷溅会导致炉渣冲击吹氧管，引起水平运动，吹氧管水平运动的加速度与炉内喷溅的程度是相关联的。虽然这种方法是简单而有效的，但一些问题是与它关联的。单轴水平加速度有时是不足以说明喷溅程度的。原因在于影响炉内吹氧管的角度和动力是不确定的。测得的喷溅量与从炉内喷出的材料量或铁元件的流失量是不相关的。因此，其不能准确测定喷溅的程度。因此，该方法不是预测喷溅，而是显示喷溅已经进行。
不希望被任何特定理论约束，申请人已确定监测吹氧管振动频率就能够判断氧气射流冲击腔。这种振动的强度随着泡沫渣上升至吹氧管而被削弱。通过监测两个频率，一个较高的用于指示氧气冲击到冲击腔内，一个较低用于指示因装料喷溅引起的吹氧管的振动，还可以收集其他有用信息。（这个概念是在2005年在北卡罗来纳州夏洛特，钢铁技术会议上由本发明人合著的题为“炉内喷溅检测”的论文中提出的）。
喷溅发生前高频振幅明显减弱而低频振幅明显增加。这是一个重要的发现，减弱的动作可以在喷溅即将发生前实施，同时，可以有效地监测喷溅的剧烈程度。但是，所参考的论文中的方法仍然存在不足之处：没有完全地表明有关喷溅强度与从炉中的喷射的材料的量以及时间的关系。有一些喷溅在所有操作中都是可接受，其用以最小化处理时间来最大化吹氧量。然而，前述论文中的方法并没有解决钢铁生产利益最大化中什么样的喷溅水平是可以接受的，同时最大限度地降低成本。此外，据申请人所知，在本领域没有发现吹氧量、吹氧管高度和喷溅之间的定量关系。
在碱性氧气转炉生产钢铁中，仍然需要一种设备和方法来监测喷溅的发生，然后调整工艺条件，以防止喷溅造成钢水从炉内喷出，同时维持装料所需的化学成分，直到转变成成品钢。在碱性氧气转炉生产钢铁中，进一步需要一种设备和方法用以更可靠地检测在冶炼过程结束时，没有过多的氧气成分进入钢中
发明内容
因此，本发明实施例提供满足至少有一个或更多本发明的下列目的。
本发明的目的是在所有三个轴上监测转炉吹氧管的振动，包括垂直轴和水平轴，并在多个频率，包括表征喷溅冲击吹氧管、氧气喷出吹氧管、以及氧气冲击到熔池表面的频率和范围。
本发明的另一个目的是反映转炉炉体周围或下方范围，以记录从炉体中喷出的材料，并进行图像分析，以确定材料的喷出量与时间的关系，以及材料喷出量与不同频率下振动增减之间的关系。
本发明的进一步目的是监测吹氧管的振动，包括氧气流过其中并且从其顶部端口喷出到气流冲击形成的腔体内，通过振动的振幅来调整流经吹氧管的氧气流量到最佳水平。
本发明的另一个目的是要监测由于氧气喷射到熔池表面后偏离引起的朝向吹氧管的回弹力作用在吹氧管上引起的振动。通过该信息确定炉渣高度的增加以及喷溅的即将发生。
本发明的又一发明目的是监测氧气冲击熔池表面引起的吹氧管的振动，以及该振动与钢中碳含量之间的关系，以此预测吹氧过程结束的时间点，继而减少再次吹氧的需要。
更具体地说，本发明通过提供一种炉内炼钢的方法来满足前述关于炼钢过程中的喷溅的需要，包括提供用于向炉内钢表面吹氧的吹氧管，吹氧管连接一个吹氧管支架，并连接一个加速度计，加速度计与数据采集模块和计算机通过信号连接；向炉内添加炼钢用材料；将吹氧管放入炉内并向炉内的材料吹氧；采集来自加速度计的表征吹氧管振动的信号，处理该振动信号来确定吹氧管构件的振动频率；比较构件频率的等级与期望的运行值；基于至少一个构件频率的等级来调整至少一个炼钢工艺参数。被调整的炼钢工艺参数可以是通过吹氧管的氧气流量。加速度计可以是三轴加速度计，或者，吹氧管具有三个单轴加速度计用于测量沿三个正交轴的加速度。
根据本发明，也提供了一个方法，用以在炼钢过程中探测喷溅事件开始发生的情况。该方法包括提供往炉内钢的表面上吹氧的吹氧管，吹氧管连接一个支架以及一个加速度计，加速度计与数据采集模块和计算机通过信号连接；往炉内添加炼钢材料，将吹氧管深入炉体并向炉内的材料注入氧；采集来自加速度计的表征吹氧管振动的信号，处理该振动信号来确定吹氧管构件的振动频率；比较振动信号的长时间平均值和短时间平均值，确定短时间平均值信号值是否降低至预设的阈值以下，如果短时间平均值信号值降低至预设的阈值以下，产生第一信号指示炉内开始喷溅。该方法可以进一步包括确定短时间平均值信号是否降低低于预设的第二阈值，如果是这样，产生第二个信号，表明炉内正在发生喷溅。该方法可以进一步包括调整至少一个炼钢工艺参数，以制止喷溅。工艺参数可以是流过吹氧管的氧气流量和/或吹氧管的位置。加速度计可以是一个三轴加速度计或如上所述的三个单轴加速度计。
根据本发明，还提供一种方法，用于检测炉内炼钢过程中氧含量的阈值。该方法包括提供往炉内钢的表面上吹氧的吹氧管，吹氧管连接一个支架和加速度计，加速度计与数据采集模块和计算机通过信号连接；往炉内添加炼钢的材料，将吹氧管放入炉内并向材料注入氧气；采集来自加速度计的表征吹氧管振动的信号，处理振动信号来确定吹氧管振动的构成频率；比较长时间平均振动信号值和短时间平均振动信号值；确定短时间平均振动信号值是否已超过钢中氧含量的预设的阈值，如果是这样，产生第一信号以指示钢中的氧含量。该方法可以进一步包括确定短时间平均振动信号值超过预设的阈值的程度，以及短时间平均振动信号值超过预设的阈值的程度与钢中氧含量之间的相关度。该方法可以进一步包括确定短时间平均信号值是否在达到预设的阈值后开始减少，如果是这样，产生第二信号以指示钢中的氧含量过多。该方法可以进一步包括当钢中的氧含量达到阈值后停止通过吹氧管吹氧。加速度计可以是三轴加速度计或如上所述的三个单轴加速度计。
根据本发明，也提供炼钢设备。该设备包括炉体，插入炉体内向炉内的钢的表面吹氧的吹氧管。吹氧管连接一个支架，该支架包括三轴加速度计，加速度计与数据采集模块和计算机通过信号连接。
需要说明的是，上述炼钢方法不是相互排斥的，所述方法可以合并，从而实现炼钢过程中的预防过度喷溅和使得钢中的氧含量在最短的时间内达到最佳状态。
附图说明
参考下列图示，其中同样的数字表示同样的部件，其中：
图1是一种碱性氧气炼钢炉，以及对该炉进行监测和控制的系统的示意图。
图2是根据本发明第一实施方式的炼钢方法的流程图。
图3是根据本发明第二实施方式的炼钢方法的流程图。
图4是根据本发明的第三实施方式的炼钢方法的流程图。
本发明将通过具体实施例进行说明，但是，需要说明的事，这并不表示要通过实施例限制本发明。相反，其目的是为了通过附加的权利要求涵盖所有在本发明的主旨和范围内的修改和替换。
具体实施方式
对于本发明的一般理解，可以参考附图。在全部附图中，同样的数字表示同一个部件。此外，在本说明书中，所有物质组成的百分比表示均为重量百分比。
请参考图1，提供了一个碱性氧气顶吹转炉5，其中注入有液态高温金属、废钢和熔剂。一个吹氧管3通过吹氧管支架4支撑着，该支架将吹氧管3深入到炉5内。氧气通过吹氧管3注入，通过吹氧管3末端22的端口（图未示出）以超音速的速度喷出，由于巨大的冲击力在装料上吹出一个空腔24。装料通过化学反应转换成钢水7和炉渣6，同时在炉5内产生热量。该过程在炉5内产生震荡。由于化学反应产生的气体使得炉渣6增加。炉渣6在炉5内移动，并可能在不确定的程度上影响吹氧管3。
在炼钢过程中，各种力都作用在吹氧管3上，从而作用在支撑着吹氧管的支架4上。转炉吹氧管上的这些力为加速度计监测，由于吹氧管和加速度计都被连接到支架4上。（另外，吹氧管3可与沿三个正交轴方向测量加速度的三个单轴加速度计相连）。这种加速度计是用来预测和测量炉5内喷溅的，通过吹氧管吹氧形成稳定的腔24，脱碳过程中适宜的氧气流量通过吹氧管3流入熔池中，从而预测吹氧的结束点。这些参数都是相关的，可以从多个信息监测吹氧管的振动强度获得。
此外，最佳氧流量可以通过使用本发明的仪器和方法来实现，从而降低喷溅的趋势、降低吹氧管顶部以及氧气喷口的磨损率以及加速脱碳过程。此外，喷溅可以被预测，喷溅的程度可以测量并且与炉5内的喷出的材料量是相关的。缓解措施可以应用，通过相应振动测量（使用加速度计1），超过一定阈值，表明早期严重的喷溅和材料抛射。可以监测处理熔池以及脱碳的终点的方式，并且可以用来知道转炉填料模型，从而防止过早关闭氧气，随后再打开，或脱碳结束后过度氧化。
吹氧管3连接支架4，吹氧管3的振动，从而有效地转移到了支架4上。支架4处于一个相对安全的环境中，远离转炉炼钢过程中产生的过多的热量和灰尘。因此，吹氧管3的振动通过安装在支架4上的加速度传感器1进行监测。传感器1是一个三轴加速度计，可监控支架4的振动，进而在所有三个正交方向上监测吹氧管3。传感器1可以是灵敏度为100 mV/g三轴集成电路的压电加速度计。根据吹氧管的质量，加速度计可有100和1000mV/g之间的灵敏度。
加速度计1通过电缆17与数据采集模块18和一台包含一个中央处理单元（图未显示）的计算机11连接。另外，加速度计1可通过无线通信与数据采集模块18和计算机11连接。加速度计1中的模拟振动信号，通过数据采集模块18进行分析和数字化并通过电缆19传达给计算机11的中央处理单元，其中，通过傅里叶变换分离至不同的频率范围。
有三个值得关注的频率范围是可识别的。首先是一低频率范围，其是由于炉内装料6/7对吹氧管的冲击而产生的。这个频率范围在4至500Hz之间。其他与炉5内的炉渣6喷溅无关的振动是可识别的，例如：由于建筑振动引起的低频噪声，以及典型的低绝缘电子仪器中的电子噪声，其大约在60Hz，这些都被从关注的频率中排除。
第二个值得关注的振动频率范围大约是500到5000Hz，通常是在大约3000至4000Hz的范围。虽然不希望被任何特定理论的约束，申请人认为，在此值得关注的频率范围的振动，对应的是吹氧管3因氧气流过并从端口喷出所造成的。影响这种振动振幅的背压所产生区域是在吹氧管末端22和氧气冲击面形成的空腔24之间。当吹氧管下形成一个稳定的腔时，背压稳定作用于吹氧管3，并在这个区域减少振动强度。如果吹氧管3太远离熔池6/7，或者如果氧气流量太低，则稳定作用减弱振动强度增加。通过关注这些低频率范围内的振动，其他高频率范围内的无关的振动被识别并排除。例如，如果吹氧管3是水冷的，冷却水流经吹氧管3可能会导致显著的振动频率，其中可能包括那些关注的范围。这些会从控制测量中被发现和排除。
第三个值得关注的频率范围，被认为是由于喷射到腔24上的氧气回波效应影响到吹氧管末端22上造成的。这第三频率范围大约500到5000Hz之间，往往是一个包括在第二频率范围内的子集。已被发现，气体的增加和泡沫高度的相应增加，会削弱对吹氧管末端22的冲击影响。因此，这第三频率范围内的幅度可以用来表明早期喷溅事件的概率增加。
各个需要关注的振幅综合为，吹氧管的一低两高频率信号。吹氧管低频振动信号的时间平均值与炉体内的喷溅程度密切相关。（图1，通过双向箭头26、28对喷溅进行了示意说明）。严重喷溅相对应于材料从炉中被喷射出来。一个摄像头9用于采集转炉周围面积的图像，以确定在氧气吹炼过程中物质相对喷射数量。例如，摄像头9可拍摄炉内喷出的物质下降到炉5体下方的凹陷区域8中，或者可以拍摄炉5体的进出口30，材料会从该进出口上涌出和流下。在这两种情况下，摄像头9与计算机11通过电缆20通信连接。计算机11对从摄像头9采集到的图像进行分析，从图像中计算材料喷射的程度。
喷出的物质通常是高温状态下的乳液状炉渣和金属，从摄像图像中看起来非常明亮。在单位时间内可测得的图像的亮度，然后与整个吹氧过程。瞬时亮度表明任何特定的喷射事件的严重性，整体的亮度表明整个吹氧过程中的喷溅量。完整的喷溅指标在低频区域的振动幅度测量与喷溅严重性相关联。最好做到按照不同条件确定每个组工艺参数，因为炉渣化学成分、总渣重量、温度、装料重量和炉内部几何形状与喷溅指数的关系可能会有所不同。
可通过多变量分析，以确定喷溅指数和物质喷射率之间的关系，以及对工艺参数的影响。这可能被纳入转炉过程模型以测量喷溅指数，并确定上述缓解措施所需的阈值。操作界面屏幕13（或远程屏幕14）显示在这个过程中的喷溅指数，如果喷溅得越来越严重，超过计算的阈值时操作者（图未显示）被提醒。缓解措施，如降低氧气流量、升高吹氧管3、增加过燃烧或添加石灰石以减弱喷溅。
第一高频吹氧管振动信号的时间平均值与吹氧管/腔系统的稳定性密切相关。再次，不希望被任何特定理论的约束，申请人发现了一种稳定的腔24，其具有足够的背压作用于吹氧管末端22导致流过吹氧管3的氧气引起的振动强度的衰减。对于一个给定的吹氧管高度、端口磨损和端口配置，有一个最佳的氧流量，创建一个稳定的腔24，创造一个最佳反应区对吹氧管末端22的磨损最小。
如果氧气流量下降为给定的条件下，腔24的作用在吹氧管末端22背压是可变的。这将可能使得炉渣6和金属7喷洒到吹氧管末端到22上，造成磨损。此外，一个不太稳定的腔24回事过氧化铁留着的碳槽6/7中，因为批量传质速率产生负面影响。这种过氧化增加过多的泡沫和随后在炉体5中产生喷溅的可能性。如果氧气流量超过最佳用量，它可能由于混乱和过度的力导致金属7飞溅和击穿反应腔24。虽然对反应速率的影响可能并不显着，在这种情况下，吹氧管末端22的磨损将最有可能过度。由于这些原因，建立最佳的氧流量是非常重要的。当吹氧管3朝熔池表面进一步降低时，最佳的氧气流将减少。当吹氧管顶端在使用中磨损，最佳氧流量将增加。然而，在所有观察到的情况下，最佳氧流量可以通过监测该频率范围的振动信号来建立。
其他因素可能影响冲击腔24稳定性的是熔池的表面张力。由于碳的去除和溶解氧增加，钢的表面张力降低，腔24相对于给定的工艺条件变得不太稳定。腔24的稳定性体现在高频率范围的振动幅度增加。这种情况发生在进程快要结束时，接近平熔池的条件。此时，喷溅已经消退，吹氧管3已被优化，重新建立起钢7中的氧含量与增加的振动强度之间的关系。当然，钢7中的碳含量与氧相关，所以用这种方法来判断结束点成为可能。吹氧管3的振动幅度有一个典型的上升，当熔池中的碳浓度大约是0.06％时，并继续进行，直到碳含量大约是0.03％。其相关性依赖于的炉内钢7的氧含量和碳含量之间的关系。这种关系往往表现在本领域的碳氧反应产物，通常有20和30之间的值。也就是说，在钢7中碳的百分数乘以PPM的钢7中的碳，根据工艺参数，通常会产生约25值加上或减去5。使用这种方法，在高频率范围的振动强度可以输入过程模型，用于预测结合其他参数，如CO/CO2的比例、温度、质量和能量平衡等确定该炉的终点。
第二高频吹氧管振动信号的时间平均值，与表明早期喷溅事件的高概率条件相关。喷溅的发生之前，炉5内的炉渣发泡程度可能会迅速增加。腔24内气体的产生速度增加，炉渣泡沫上升到吹氧管3的高度，由氧气喷射产生的回弹力作用在吹氧管末端22上的振动信号减弱。这个衰减特别是在高频率范围内是显著的。喷溅通常发生在这个过程中，氧流量进行了优化后，同时吹氧管的高度固定在所需的位置，第二高频率振幅的衰减预示着喷溅发生的可能。开始状态通过经验设定，如果信号低于阈值水平，表明早期喷溅开始，操作者被提醒，缓解措施被应用。缓解措施可能包括提高吹氧管3、减少氧气流量。一旦振动强度再次高于阈值，最佳吹氧管位置和氧流量可重新应用。
实施例
以下的例子是为了更好的说明本发明的目的，而不应解释为对其涉及的设备和方法的限制。
例1：吹氧管氧气流量优化
一个转炉炉体5内装入熔融的高温金属、废钢和助熔剂。完成向炉体5内填料后，将其旋转到垂直位置并将吹氧管3置入到炉体5内。氧气通过吹氧管3注入，由于氧气从吹氧管末端22的口中吹出所产生的冲击力在装料6/7的表面上形成的一腔24。在氧气注入过程中，去除了其中的碳，同时形成了液态的炉渣6。
一个集成压电三轴加速度计1电路被安装在吹氧管支架4上，以监测由于氧气流过吹氧管3所造成的振动，以及其他过程变量。振动转化为模拟电信号，并通过数据采集系统18和计算机11进行数字化。
数字信号处理，使用傅立叶变换来确定频率的组成。振动幅度频率范围在3600 - 4000Hz，氧气通过吹氧管末端端口流出以及被压造成的腔体24，被整合成上述范围内的振动特征。通过除以最高水平，在0到1的范围内产生的振动等级，用以使得振动等级标准化。通过观测大量热量（批次钢生成）和记录所获得的最大值来确定最大值。
操作界面14上创建一个水平条形图用以显示一个标准化的振动等级的迹象。显示屏根据振动等级范围显示红色、从绿到红的渐变，以及绿色。在最小的振动等级时，指标显示全绿色条形图。在最大的振动等级，指标显示一个全红色条形图。在这之间的等级时，条形图显示从红到绿的渐变色。
氧气流量增加或减少，使得振动减少。此操作通过操作界面14上的条形图显示。当显示绿色条形最多时，表示频率范围的振动幅度是最低的，吹氧管的氧气流量是最佳的，此时的吹氧管末端22的磨损对该批钢是最佳的。在这个例子中所描述的情况下，该流量为1100标准立方米每分钟。
如图2所示，其是本申请炼钢方法的一个具体的例子。同时参考图1，在方法100的步骤110中，提供一炉体5，包括安装在吹氧管支架4上的吹氧管3，吹氧管支架上包括一个三轴加速度计1。在步骤120中，炉体5内充满了熔化的铁水、废钢以及助熔剂。在步骤130中，吹氧管3降低深入到炉体5中，氧气被注入到这些装料的表面。在步骤140中，调整氧气初始流量。在步骤150中，指示吹氧管振动的加速度计数据信号被采集和传送到计算机11。在步骤160中，对数据进行处理，以确定吹氧管振动的构成频率。
在步骤163中，比较吹氧管振动频率水平。如果振动等级在预设所需的范围内，则不采取任何行动，并继续按照步骤150和160采集和处理振动数据。如果一个或多个振动等级超出所需的范围之外，工艺参数将被调整，以将振动等级调整到预设的范围内。工艺参数可以是步骤140中的氧气流量。额外的监测过程在步骤166中进行，如果其他参数，如通过吹氧管振动（见例4）表明的该批次的氧含量，表明该批次冶炼完成，则该过程被终止，在步骤170中。通过吹氧管3的氧气被停止，吹氧管3从炉体5中抽出。
例2：初期喷溅预报
于转炉炉体5内装入熔融的铁水、废钢和助熔剂。向炉体5内装入完装料后，将其旋转到垂直位置并将吹氧管3深入到炉体5内。氧气通过吹氧管3注入，由于氧气从吹氧管末端22的口中吹出所产生的冲击力在装料6/7的表面上形成的一腔24。在氧注入过程中，去除了其中的碳，同时形成了液态的炉渣6。
一个集成压电三轴加速度计1电路被安装在吹氧管支架4上，以监测由于氧气流过吹氧管3所造成的振动，以及其他过程变量。振动转化为模拟电信号，并通过数据采集系统18和计算机11进行数字化。
使用傅立叶变换处理数字信号来确定构成频率。频率范围在3600 - 4000Hz的振幅被集合以产生氧气流自腔体24弹回至吹氧管3的振动特征。长时间平均振动信号与短时间平均振动信号进行比较。如果短时间平均信号下降，低于预定的阈值，当出现低于长时间平均信号值的20％情况下，然后操作者将被提醒注意早期喷溅事件的条件。
这个例子是本申请炼钢的方法的另一个具体体现，如图3所示。同样参考图1，方法200包括前面如图2中描述的方法100中大致相同的步骤110-150。在步骤260中，短时间振动信号和长时间振动信号进行比较，如上所述。基于如上所述在步骤263中的比较，步骤150和步骤260可以继续；如果短时间平均信号的数值减少到低于预设的阈值时，一个信号（如界面14上的指示器，报警灯或声音）将显示炉体内的早期喷溅事件正在进行。
例3：喷溅检测
一个转炉炉体5内装入炽热的熔化的铁水、废钢和助熔剂。向炉体5内装入完装料后，将其旋转到垂直位置和吹氧管3深入到炉体5内。氧气通过吹氧管3注入，由于氧气从吹氧管末端22的口中吹出所产生的冲击力，在装料6/7的表面上形成的一腔24。在氧注入过程中，去除了其中的碳，同时形成了液态的炉渣6。
一个集成压电三轴加速度计1电路被安装在吹氧管支架4上，以监测由于氧气流过吹氧管3所造成的振动，以及其他过程变量。振动转化为模拟电信号，并通过数据采集系统18和计算机11进行数字化。
使用傅立叶变换处理数字信号来确定构成频率。频率范围在4-500Hz的振幅被集合以产生装料作用于吹氧管3的振动特征，尤其是矿渣和钢乳化液喷溅。将长时间平均振动信号与短时间平均振动信号进行比较。如果短时间平均信号的数值超过预设的阈值，当出现超过长时间平均信号值的80％情况下，则操作者被提醒喷溅事件发生。
阈值的80％通过观测凹陷来确定，并将其结果与长时间平均振动信号相关的短时间平均振动信号增加的程度相关联。
例4：终点测定
一个转炉炉体5内装入熔融的铁水、废钢和助熔剂。向炉体5内装入完装料后，将其旋转到垂直位置和吹氧管3深入到炉体5内。氧气通过吹氧管3注入，由于氧气从吹氧管末端22的口中吹出所产生的冲击力，在装料6/7的表面上形成的一腔24。在氧注入过程中，去除了其中的碳，同时形成了液态的炉渣6。
一个集成压电三轴加速度计1电路被安装在吹氧管支架4上，以监测由于氧气流过吹氧管3所造成的振动，以及其他过程变量。振动转化为模拟电信号，并通过数据采集系统18和计算机11进行数字化。
使用傅立叶变换处理数字信号来确定构成频率。频率范围在3600 - 4000Hz的振动幅度被集合用以产生腔24稳定性的振动特征，该腔形成于氧气通过吹氧管末端端口流出并作用于熔池的冲击。将长时间平均振动信号与短时间平均振动信号进行比较。一旦短时间平均振动信号超过预设阈值，操作者将被提醒注意钢7中的氧含量增加的水平接近熔池终点。短时间平均信号的变化率再次开始下降时，操作者将被提醒过吹的情况将导致钢7的氧含量过高的可能性。通过分析发现，过吹的成品钢中氧含量超过900每百万，同时碳含量小于0.024％。过度吹钢是昂贵的，因为它会导致产量损失，增加反应物的需求，增加耐火衬里的磨损，降低生产速度。如果操作者注意到表明平浴结束的信号，就可以避免过吹事件。
这个例子是本申请炼钢的方法一个具体实施例，如图4所示。同样参考图1，方法300包括如图2所示的方法100中的大致相同的步骤110 - 150。在步骤360中，如上所述，比较短时间振动信号和长时间振动信号。基于上述比较后，在步骤363中，步骤150和360步骤可以继续；或者，如果短时间平均振动信号，即表征钢的氧含量的指标，超过了预设的阈值，则提供一个信号用以提醒操作者注意钢7中的氧含量增加接近平浴终点。在步骤366中确定该批次是否完成，如果是，则该过程在步骤170结束。
例5：其他批次示例
一个转炉炉体5内装入熔融的铁水、废钢和助熔剂。向炉体5内装入完装料后，将其旋转到垂直位置和吹氧管3深入到炉体5内。氧气通过吹氧管3注入，由于氧气从吹氧管末端22的口中吹出所产生的冲击力，在装料6/7的表面上形成的一腔24。在氧注入过程中，去除了其中的碳，同时形成了液态的炉渣6。
一个集成压电三轴加速度计1电路被安装在吹氧管支架4上，以监测由于氧气流过吹氧管3所造成的振动，以及其他过程变量。振动转化为模拟电信号，并通过数据采集系统18和计算机11进行数字化。
计算机11通过通信网络或电缆15从转炉过程计算机10和可编程逻辑控制器（PLC）接收输入信号。当收到吹炼过程已经开始的指示后，存储在计算机11中的振动监测软件开始检测算法。
振动监测与分析过程直到PLC收到吹炼过程完成和停止的信号才结束。同时，检测算法和钢铁批处理过程和相关的振动记录处理也停止，并生成报告。
例如，当输送带（图未示出）开始向炉体内添加CaO，PLC10通知计算机11，检测算法被暂停，直至PLC10通知计算机11传送带已停止。与PLC10的通讯，利于准确的分析吹氧管的振动，避免由于多余的振动而导致错误的结果。
使用傅立叶变换处理数字信号来确定构成频率。频率范围在3600 - 4000Hz的振幅被孤立且被用于产生氧气流的振动特征，该氧气流通过吹氧管3末端端口流出并在由氧气冲击下形成的腔体24内造成振动负压。振动等级通过除以最高水平产生0到1范围内的振动等级来被标准化。通过观察大量热量和记录所获得的最大值来预先地确定最大值。
操作界面14上创建一个水平条形图用以显示一个标准化的振动等级的迹象。显示屏根据振动等级范围显示红色、从绿到红的渐变以及绿色。在最小的振动等级时，指标显示全绿色条形图。在最大的振动等级，指标显示一个全红色条形图。在这之间的等级时，条形图显示从红到绿的渐变色。
氧气流量增加或减少，使得振动减少。此操作通过操作界面14上的条形图显示。当显示绿色最多时，表示频率范围的振动幅度是最低的，吹氧管的氧气流量是最佳的，此时的吹氧管末端22的磨损对该批钢是最佳的。在这个例子中所描述的情况下，该流量为1100标准立方米每分钟。
频率范围在4 - 60Hz的振动幅度被孤立用以产生由装料作用在吹氧管3上的振动特征，尤其是矿渣和钢乳化液喷溅。将长时间平均振动信号与短时间平均振动信号进行比较。如果短时间平均振动信号的数值超过预设的阈值，在超过长时间平均信号的175％的情况下，则操作者被提醒喷溅事件的发生。
阈值是通过观察凹陷摄像机9获得的瞬时和综合图像的亮度来分析确定的，其亮度与和长时间平均信号相关的短时间平均信号之间是相互关联的。
当操作员被提醒喷溅事件的发生时，吹氧管3被提升，同时降低氧气流量作为补救措施。
吹氧管振动频率范围为3600 - 4000Hz，用于优化吹氧管的稳定性，也被用来表明氧气吹炼过程的结束点。一旦吹炼过程已完成80％，没有任何进一步的喷溅的机会。吹氧管的氧气流量进行优化。在这个频率范围内，将长时间平均振动信号与短时间平均信号进行比较。在没有短时间平均振动信号超过预设阈值时，表示接近平浴条件。过程模型指示PLC10完成吹氧，该批钢材7被视为处理完成。经过分析发现，钢中的碳含量过高，不符合规格。目标是碳含量低于0.05％，实际碳含量为0.06％。吹氧管被重新插入到炉体内，进一步吹氧，以改变其化学成分。这种重吹是昂贵和费时的，如果将吹氧管振动信号分析纳入到流程模型，这原本是可以避免的，。吹氧管振动分析表明，尚未达到终点。
因此，本发明提供了设备和控制在基本氧气转炉炼钢的方法。这样的描述是本发明的基本概念，对本领域技术人员而言，它详细披露上述具体实施方式，其并没有限制本发明。本领域技术人员对其的各种明显的修改，改进和替换均在本发明的主旨和范围内。此外，该过程中的顺序，或使用数字，字母或其他的名称，均不是对权利要求的限制。
Claims (14)
1.一种炉内炼钢的方法，该方法包括：
a．提供一个向炉内钢表面吹氧的吹氧管，吹氧管连接到一个支架上并与一个加速度计连接，加速度计与数据采集模块和计算机通过信号连接；
b．向炉内添加炼钢的材料；
c．将吹氧管落入炉内并向材料内注入氧气；
d．从加速度计中采集指示吹氧管振动的信号；
e．处理振动信号以测定吹氧管振动的构成频率；
f．比较构成频率的等级与期望的运行值；以及
g．基于至少一个该构成频率来调整至少一个炼钢过程的参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：至少一个被调整的炼钢工艺参数是通过吹氧管内的氧气流量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的加速度计是三轴加速度计。
4.一种炉内炼钢的方法，该方法包括：
a．提供一个向炉内钢表面吹氧的吹氧管，吹氧管连接到一个支架上并与一个加速度计连接，加速度计与数据采集模块和计算机通过信号连接；
b．向炉内添加炼钢的材料；
c．将吹氧管落入炉内并向材料内注入氧气；
d．从加速度计中采集指示吹氧管振动的信号
e．处理振动信号以测定吹氧管振动的构成频率；
f．比较振动信号的长时间平均值和其短时间平均值；
g．确定短时间平均信号值是否降低超过第一预设阈值；以及
h．如果短时间平均信号值降低至第一预设阈值以下，产生第一信号以指示炉内喷溅事件的开始。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述的加速度计是三轴加速度计。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：进一步包括确定短时间平均信号值是否升高超过第二预设阈值，产生第二信号以指示炉内的喷溅事件的发生。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：进一步包括调整至少一个炼钢工艺参数以停止喷溅事件。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：其中至少一个炼钢工艺参数是流过吹氧管的氧气流量。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：其中至少一个炼钢工艺参数是吹氧管在炉内的位置。
10.一种炉内炼钢的方法，该方法包括：
a．提供一个向炉内钢表面吹氧的吹氧管，吹氧管连接到一个支架上并与一个加速度计连接，加速度计与数据采集模块和计算机通过信号连接；
b．向炉内添加炼钢的材料；
c．将吹氧管落入炉内并向材料内注入氧气；
d．从加速度计中采集指示吹氧管振动的信号；
e．处理振动信号以测定吹氧管振动的构成频率；
f．比较振动信号的长时间平均值和其短时间平均值；
g．确定短时间平均振动信号值是否超过钢内氧气水平的预设阈值；以及
h．如果短时间平均振动信号值超过预设阈值，产生第一信号以指示钢内氧含量。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：进一步包括确定短时间平均振动信号值超过预设阈值的程度，以及短时间平均振动信号值超过预设阈值的程度与钢中氧含量的相关性。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：进一步包括确定短时间平均信号值是否在达到预设阈值后开始降低，如果短时间平均信号值在达到预设阈值后开始降低，则产生第二信号以指示钢中的氧含量过高。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：进一步包括当达到氧气水平的预设阈值后停止通过吹氧管注入氧气。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述的加速度计是三轴加速度计。
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