CN103898273B - 一种提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电弧炉炼钢领域，是一种提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法。该方法利用二氧化碳气体与钢水碳元素反应的吸热原理，按照电弧炉冶炼工艺最优化要求，通过动态控制底吹气体中Ar（N2）与气态或固态CO2的混合比例与流量，降低电弧炉底吹透气砖的侵蚀速度，同时保证透气砖不被堵塞，提高电弧炉底吹透气砖的工作寿命。所述方法通过电弧炉炉底吹控制系统实现，所述电弧炉炉底吹气体系统包括：CO2气源装置、CO2流量控制器、Ar（N2）气源装置、Ar（N2）流量控制器、底吹压力传感器、底吹透气砖，底吹控制数据库、时间-电耗控制器、主控制系统。本发明的优点是在保证电弧炉底吹搅拌效果的同时，降低侵蚀速度，提高电弧炉底吹透气砖工作寿命30%。

Description

一种提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法
技术领域
本发明属于电弧炉炼钢领域。主要涉及一种通过动态控制CO2与Ar(N2)混合喷吹提高电弧炉底吹透气砖寿命的技术，该技术适用于所有配置有底吹Ar(N2)气体搅拌功能的直流或交流电弧炉。
背景技术
电弧炉是短流程炼钢流程的核心设备，但是熔池搅拌能力弱，冶炼时间较长等问题制约了电弧炉炼钢技术的进一步发展。电弧炉底吹惰性气体搅拌技术能加速炉内钢液流动，提高熔池中钢液的化学成分和温度的均匀，实现冶炼成本将大幅下降。
电弧炉底吹透气砖长期处于1600℃以上的高温钢水环境中，受到钢水流动的冲刷和热侵蚀，直接造成透气砖的寿命较低，制约了电弧炉底吹惰性气体搅拌技术的推广应用。
单纯的依靠材料性能改善和制作工艺提升等传统方法，电弧炉底吹透气砖寿命已经基本达到极限，仍不能满足电弧炉炼钢生产的需要，本发明提供一种动态控制CO2和Ar(N2)混合喷吹提高电弧炉底吹透气砖寿命的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法，该方法通过向电弧炉底吹气体(Ar或N2)中混入一定比例的CO2(气态或固态)，利用CO2(气态或固态)与高温钢水中的碳元素结合生成CO反应过程的吸热效果，以电弧炉底吹工作压力连续在线监测为基础，动态调节混合气体中CO2的比例与流量，适度降低电弧炉底吹透气砖所处的工作温度，在减缓电弧炉底吹透气砖的侵蚀速度的同时，保证透气砖不被低温钢水堵塞，实现电弧炉底吹透气砖工作寿命的提高。该方法可提高毛细管型、狭缝型和多层套管型等多种电弧炉底吹透气砖的工作寿命，适用于任何配置有底吹Ar(N2)气体搅拌功能的直流或交流电弧炉。
电弧炉底吹透气砖失效的情况主要有两种：一种是高温钢水对电弧炉底吹透气砖的快速侵蚀失效，造成炉底厚度降低，从而发生安全事故或炉役提前结束；另一种是电弧炉底吹透气砖堵塞失效，无法正常吹气。其中电弧炉底吹透气砖的快速侵蚀为主要失效形式。
电弧炉底吹透气砖受到高温钢水的冲刷与侵蚀，包括：高温钢水热应力的化学冲刷、钢水流动的物理冲刷与熔渣不断向砖中浸润和渗透。
Q＝Q热+Q物理+Q渣
Q热——剧烈的热冲击引起的热应力、裂纹和剥落
Q物理——钢液搅拌对透气砖工作面的冲刷与侵蚀
Q渣——熔渣的侵蚀
在同样的底吹气体流量下，电弧炉底吹透气砖的侵蚀速度随着钢水温度升高而加快，如果使用某种方法降低电弧炉底吹透气砖附近的钢水温度，则可降低电弧炉底吹透气砖的侵蚀速度。
将CO2(气态或固态)通过电弧炉底吹透气砖吹入熔池，根据热力学分析，在炼钢温度下，当钢水中含有较高的[C]时，CO2与钢水中的[C]发生如下反应：
CO2(g)+[C]＝2CO(g)ΔGΘ(J/mol)＝137890-126.52T式1
由式1中可知，在炼钢温度下CO2脱碳是吸热反应，电弧炉炼钢底吹CO2(气态或固态)能够降低透气砖附近的钢水温度，可以减缓透气砖的侵蚀。
电弧炉炼钢底吹气体流量小，过高的冷却强度可能会造成炉底透气砖堵塞失效。本发明申请人进行了电弧炉底吹100％CO2(气态或固态)的工业实验，在实验过程中化学反应吸热效果强烈，电弧炉底吹透气砖很快发生了堵塞失效。
为了充分发挥电弧炉底吹CO2(气态或固态)反应吸热降温的优势，同时防止透气砖堵塞失效情况的发生，本发明提出一种动态控制CO2和Ar(N2)混合喷吹提高电弧炉底吹透气砖工作寿命的方法。
电弧炉底吹透气砖与高温钢水接触，无法直接测量温度。研究表明：在相同的底吹气体流量下，底吹工作压力可反映出电弧炉底吹透气砖透气孔的通畅程度，可以作为指示电弧炉底吹透气砖冷却效果的指标。
本发明中根据电弧炉冶炼工艺需要，选择预先制定的电弧炉底吹流量曲线和安全工作压力曲线，以冶炼时间或冶炼电耗为标准，分别确定当前电弧炉底吹混合气体的流量值和安全工作压力值，并根据电弧炉底吹工作压力数据与安全工作压力值的对比结果，实时调节CO2和Ar(N2)的混合比例，分别控制CO2和Ar(N2)的流量。当底吹工作压力高于安全工作压力范围时，显示电弧炉底吹透气砖将出现堵塞迹象，这时需要降低底吹混合气体中CO2的比例来降低冷却强度，重新恢复电弧炉底吹透气砖的透气性；反之，当底吹工作压力低于安全工作压力范围时，电弧炉底吹透气砖冷却强度不足，透气砖侵蚀速度有加快的趋势，必须提高底吹混合气体中CO2的比例来提高冷却强度，减缓透气砖的侵蚀速度。在电弧炉冶炼后期，熔池内钢水碳含量较低，采用100％Ar(N2)气体底吹。
本发明具体实施步骤如下：
为了实现本发明的功能，所述提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法通过电弧炉炉底吹控制系统实现，所述电弧炉炉底吹气体系统包括：CO2气源装置、CO2流量控制器、Ar(N2)气源装置、Ar(N2)流量控制器、底吹压力传感器、底吹透气砖，底吹控制数据库、时间-电耗控制器、主控制系统；所述底吹控制数据库向主控制系统提供电弧炉底吹流量曲线和安全工作压力曲线，时间-电耗控制器向主控制系统提供时间信号T或电耗信号W，底吹压力传感器向主控制系统提供底吹压力信号Pf，主控制系统输出信号控制CO2流量控制器和Ar(N2)流量控制器；CO2由气源流出经过CO2流量控制器，与经过Ar(N2)流量控制器的Ar(N2)混合，一同流经底吹压力传感器，最后由底吹透气砖进入电弧炉熔池。所述CO2气源装置与CO2流量控制器连接；Ar(N2)气源装置与Ar(N2)流量控制器连接，而CO2流量控制器和Ar(N2)流量控制器分别于主控制系统连接。
所述提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法包括如下步骤：
步骤1：冶炼开始，系统初始化，按照电弧炉冶炼工艺要求，底吹控制数据库将电弧炉底吹流量曲线和安全工作压力曲线输入主控制系统，时间-电耗控制器将时间信号T或电耗信号W输入主控制系统，主控制系统确定底吹混合气体的流量设定值Q和安全工作压力P；冶炼初始化，设定CO2比例m为0％，即m＝0％。系统初始化同时确定：冶炼前期后期分段标准为冶炼时间TS或电耗WS、CO2比例调节幅度为△m％、调节前的CO2比例为m0、安全压力容差范围△P，系统循环执行时间为TC；
步骤2：电弧炉冶炼过程中，时间-电耗控制器持续将冶炼时间信号T或电耗信号W输入主控制系统，主控制系统实时更新设定调整底吹混合气体的流量设定值Q和安全工作压力P；当冶炼时间小于等于TS或电耗小于等于WS时，主控制系统判断冶炼处于前期，系统根据底吹气体压力Pf与安全工作压力P的关系，动态调节底吹混合气体中CO2比例，执行步骤3a；当冶炼时间大于TS或电耗大于WS时，主控制系统判断冶炼处于后期，系统控制100％Ar(N2)气体底吹，执行步骤3b；
步骤3a：冶炼过程处于前期，底吹压力传感器向主控制系统提供底吹压力信号Pf，主控制系统根据底吹气体压力Pf与安全工作压力P比较，以控制进入底吹供气原件的气体压力在(P-△P)～(P+△P)范围内为原则。根据以下控制策略通过所述PLC对电弧炉底吹系统，具体控制策略为：
(1)当底吹透气砖气体压力Pf>(P+△P)时，控制电弧炉底吹系统降低CO2比例△m％，即m％＝m0％-△m％；
(2)当底吹透气砖气体压力Pf为(P-△P)<＝Pf<＝(P+△P)时，控制电弧炉底吹系统维持当前CO2比例，即m％＝m0％；
(3)当底吹透气砖气体压力Pf<(P-△P)时，控制电弧炉底吹系统提高CO2气体比例△m％，即m％＝m0％+△m％；
步骤3b：冶炼过程处于后期，熔池内钢水碳含量较低，采用100％Ar(N2)气体底吹，设定提高CO2气体比例m％＝0％；
步骤4：主控制系统根据控制策略执行结果，操作CO2流量控制器将CO2体积流量气态CO2设定为Q×m％，或固态CO2质量流量为Q×m％×ρCO2，操作Ar(N2)流量控制器将Ar(N2)流量设定为Q×(1-m％)；
步骤5：经过间隔TC后，如果电弧炉处于冶炼过程中，返回到步骤2操作；如果当前冶炼炉次结束，返回到步骤1操作。
本发明的有益效果是：该方法通过利用二氧化碳与钢水碳反应的吸热效果，降低底吹供气原件附近高温钢水的侵蚀速度，同时对底吹透气砖气体压力的监控，保证透气砖不被堵塞，动态控制底吹气体中氩气与二氧化碳的比例与流量，实现底吹冶炼过程最优控制，提高底吹透气砖的寿命30％。
本发明使用的硬件设备包括：CO2流量控制器、Ar流量控制器、CO2气源装置、Ar气源装置、底吹压力检测器、底吹控制数据库、时间控制器、主控制系统、底吹透气砖。系统硬件设备如图2所示。
附图说明
图1为本发明提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法的电弧炉底吹气体比例与流量控制策略流程示意图；
图2为本发明电弧炉底吹CO2提高耐火砖寿命的控制方法的设备系统安装示意图；
图2中：1、CO2流量控制器；2、Ar(N2)流量控制器；、3CO2气源装置；4、Ar(N2)气源装置；5、底吹压力传感器；6、底吹控制数据库；7、时间-电耗控制器；8、主控制系统；9、底吹透气砖；
图3为本发明中底吹流量和底吹控制压力的确定方法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本方法的技术方案做进一步说明。图1为本发明电弧炉底吹CO2提高耐火砖寿命的控制方法的电弧炉底吹气体比例与流量控制策略流程示意图。图2为为本发明电弧炉底吹CO2提高耐火砖寿命的控制方法的设备系统安装示意图。所述电弧炉炉底吹气体系统包括：CO2气源装置、CO2流量控制器、Ar(N2)气源装置、Ar(N2)流量控制器、底吹压力传感器、底吹透气砖，底吹控制数据库、时间-电耗控制器、主控制系统；所述CO2气源装置与CO2流量控制器连接；Ar(N2)气源装置与Ar(N2)流量控制器连接，而CO2流量控制器和Ar(N2)流量控制器分别于主控制系统连接。所述底吹控制数据库向主控制系统提供电弧炉底吹流量曲线和安全工作压力曲线，时间-电耗控制器向主控制系统提供时间信号T或电耗信号W，底吹压力传感器向主控制系统提供底吹压力信号Pf，主控制系统输出信号控制CO2流量控制器和Ar(N2)流量控制器；CO2由气源流出经过CO2流量控制器，与经过Ar(N2)流量控制器的Ar(N2)混合，一同流经底吹压力传感器，最后由底吹透气砖进入电弧炉熔池。
实例1：
该发明在某钢厂150t交流电弧炉炼钢系统应用，电弧炉炉底使用的透气砖为毛细管型，冶炼过程中使用Ar气作为底吹气体，具体包括以下步骤：
在安装电弧炉炉底安装本发明需要的设备装置和控制程序，系统包括：CO2气源装置、Ar气源装置、CO2流量控制器、Ar流量控制器、底吹压力传感器、底吹透气砖，底吹控制数据库、时间-电耗控制器、主控制系统。底吹控制数据库、时间-电耗控制器、底吹压力传感器向主控制系统提供数据，主控制系统输出信号控制CO2流量控制器和Ar流量控制器。CO2由气源流出经过CO2流量控制器，与经过Ar流量控制器的Ar混合，一同流经底吹压力传感器，最后由底吹透气砖进入电弧炉熔池。
步骤1：冶炼开始，系统初始化，按照电弧炉冶炼工艺要求，底吹控制数据库将电弧炉底吹流量曲线和安全工作压力曲线输入主控制系统，时间-电耗控制器将时间信号T或电耗信号W输入主控制系统，主控制系统确定底吹混合气体的流量设定值Q和安全工作压力P，如图3中A点与B点所示。初始设定CO2比例m为0％。冶炼前期后期分段标准为冶炼时间TS＝40min、CO2比例调节幅度为△m％＝2％、调节前的CO2比例为m0、安全压力容差范围△P＝0.05Mpa，系统循环执行时间为TC为30秒。
步骤2：电弧炉冶炼过程中，时间-电耗控制器持续将冶炼时间信号T或电耗信号W输入主控制系统，主控制系统实时更新设定调整底吹混合气体的流量设定值Q和安全工作压力P，如图3中C点与D点所示。当冶炼时间小于等于40min时，主控制系统判断冶炼处于前期，系统根据底吹气体压力Pf与安全工作压力P的关系，动态调节底吹混合气体中CO2比例，执行步骤3a；当冶炼时间大于40min时，主控制系统判断冶炼处于后期，系统控制100％Ar气体底吹，执行步骤3b。
步骤3a：冶炼过程处于前期，主控制系统根据底吹气体压力Pf与安全工作压力P比较，以控制进入底吹供气原件的气体压力在(P-0.05Mpa)～(P+0.05Mpa)范围内为原则。根据以下控制策略通过所述PLC对电弧炉底吹系统，具体控制策略为：
(1)当底吹透气砖气体压力Pf>(P+0.05Mpa)时，控制电弧炉底吹系统降低CO2比例2％，即m％＝m0％-2％；
(2)当底吹透气砖气体压力Pf为(P-0.05Mpa)<＝Pf<＝(P+0.05Mpa)时，控制电弧炉底吹系统维持当前CO2比例，即m％＝m0％；
(3)当底吹透气砖气体压力Pf<(P-0.05Mpa)时，控制电弧炉底吹系统提高CO2气体比例2％，即m％＝m0％+2％。
步骤3b：冶炼过程处于后期，熔池内钢水碳含量较低，采用100％Ar气体底吹，设定提高CO2气体比例m％＝0％。
步骤4：主控制系统根据控制策略执行结果，操作CO2流量控制器将CO2流量设定为Q×m％，操作Ar流量控制器将Ar流量设定为Q×(1-m％)。
步骤5：经过间隔30s后，如果电弧炉处于冶炼过程中，返回到步骤2操作；如果当前冶炼炉次结束，返回到步骤1操作。
该方法通过利用二氧化碳与钢水碳反应的吸热效果，降低底吹供气原件附近高温钢水的侵蚀速度，同时对底吹透气砖气体压力的监控，保证透气砖不被堵塞，动态控制底吹气体中氩气与二氧化碳的比例与流量，提高底吹透气砖的寿命35％。
实例2：
该发明在某钢厂50t直流电弧炉炼钢系统应用，电弧炉炉底使用的透气砖为狭缝型，冶炼过程中使用N2气作为底吹气体，CO2气源中使用固态CO2，具体包括以下步骤：
在安装电弧炉炉底安装本发明需要的设备装置和控制程序，系统包括：CO2气源装置、N2气源装置、CO2流量控制器、N2流量控制器、底吹压力传感器、底吹透气砖，底吹控制数据库、时间-电耗控制器、主控制系统。底吹控制数据库、时间-电耗控制器、底吹压力传感器向主控制系统提供数据，主控制系统输出信号控制CO2流量控制器和N2流量控制器。CO2由气源流出经过CO2流量控制器，与经过N2流量控制器的N2混合，一同流经底吹压力传感器，最后由底吹透气砖进入电弧炉熔池。
步骤1：冶炼开始，系统初始化，按照电弧炉冶炼工艺要求，底吹控制数据库将电弧炉底吹流量曲线和安全工作压力曲线输入主控制系统，时间-电耗控制器将时间信号T或电耗信号W输入主控制系统，主控制系统确定底吹混合气体的流量设定值Q和安全工作压力P，初始设定CO2比例m为0％。冶炼前期后期分段标准为冶炼时间耗WS＝6000kwh、CO2比例调节幅度为△m％＝1.5％、调节前的CO2比例为m0、安全压力容差范围△P＝0.03Mpa，系统循环执行时间为TC为30秒。
步骤2：电弧炉冶炼过程中，时间-电耗控制器持续将冶炼时间信号T或电耗信号W输入主控制系统，主控制系统实时更新设定调整底吹混合气体的流量设定值Q和安全工作压力P。当冶炼电耗小于等于6000kwh时，主控制系统判断冶炼处于前期，系统根据底吹气体压力Pf与安全工作压力P的关系，动态调节底吹混合气体中CO2比例，执行步骤3a；当冶炼电耗大于6000kwh时，主控制系统判断冶炼处于后期，系统控制100％N2气体底吹，执行步骤3b。
步骤3a：冶炼过程处于前期，主控制系统根据底吹气体压力Pf与安全工作压力P比较，以控制进入底吹供气原件的气体压力在(P-0.03Mpa)～(P+0.03Mpa)范围内为原则。根据以下控制策略通过所述PLC对电弧炉底吹系统，具体控制策略为：
(1)当底吹透气砖气体压力Pf>(P+0.03Mpa)时，控制电弧炉底吹系统降低CO2比例1.5％，即m％＝m0％-1.5％；
(2)当底吹透气砖气体压力Pf为(P-0.03Mpa)<＝Pf<＝(P+0.03Mpa)时，控制电弧炉底吹系统维持当前CO2比例，即m％＝m0％；
(3)当底吹透气砖气体压力Pf<(P-0.03Mpa)时，控制电弧炉底吹系统提高CO2气体比例1.5％，即m％＝m0％+1.5％。
步骤3b：冶炼过程处于后期，熔池内钢水碳含量较低，采用100％N2气体底吹，设定提高CO2气体比例m％＝0％。
步骤4：主控制系统根据控制策略执行结果，操作CO2流量控制器将CO2质量流量为Q×m％×ρCO2，操作N2流量控制器将N2流量设定为Q×(1-m％)。
步骤5：经过间隔30s后，如果电弧炉处于冶炼过程中，返回到步骤2操作；如果当前冶炼炉次结束，返回到步骤1操作。
该方法通过利用二氧化碳与钢水碳反应的吸热效果，降低底吹供气原件附近高温钢水的侵蚀速度，同时对底吹透气砖气体压力的监控，保证透气砖不被堵塞，动态控制底吹气体中氩气与二氧化碳的比例与流量，提高底吹透气砖的寿命30％。

Claims (2)

1.一种提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法，其特征在于：所述提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法是在保证电弧炉底吹搅拌效果的同时，向底吹气体中混入气态或固态的CO2，监控底吹工作压力，动态控制底吹气体中Ar或N2与气态或固态的CO2的混合比例与流量，降低侵蚀速度的同时防止透气砖堵塞，提高电弧炉底吹透气砖工作寿命，包括如下步骤：
步骤1：冶炼开始，系统初始化，按照电弧炉冶炼工艺要求，底吹控制数据库将电弧炉底吹流量曲线和安全工作压力曲线输入主控制系统，时间-电耗控制器将时间信号T或电耗信号W输入主控制系统，主控制系统确定底吹混合气体的流量设定值Q和安全工作压力P；冶炼初始化，设定CO2比例m为0%，即m=0%；系统初始化同时确定：冶炼前期后期分段标准为冶炼时间TS或电耗WS、CO2比例调节幅度为△m%、调节前的CO2比例为m0、安全压力容差范围△P，系统循环执行时间为TC；
步骤2：电弧炉冶炼过程中，时间-电耗控制器持续将冶炼时间信号T或电耗信号W输入主控制系统，主控制系统实时更新设定调整底吹混合气体的流量设定值Q和安全工作压力P；当冶炼时间小于等于TS或电耗小于等于WS时，主控制系统判断冶炼处于前期，系统根据底吹气体压力Pf与安全工作压力P的关系，动态调节底吹混合气体中CO2比例，执行步骤3a；当冶炼时间大于TS或电耗大于WS时，主控制系统判断冶炼处于后期，系统控制100%Ar或N2气体底吹，执行步骤3b；
步骤3a：冶炼过程处于前期，底吹压力传感器向主控制系统提供底吹压力信号Pf，主控制系统根据底吹气体压力Pf与安全工作压力P比较，以控制进入底吹供气原件的气体压力在（P-△P）~（P+△P）范围内为原则；根据以下控制策略通过PLC对电弧炉底吹系统，具体控制策略为：
（1）当底吹透气砖气体压力Pf>（P+△P）时，控制电弧炉底吹系统降低CO2比例△m%，即m%=m0%-△m%；
（2）当底吹透气砖气体压力Pf为（P-△P）<=Pf<=（P+△P）时，控制电弧炉底吹系统维持当前CO2比例，即m%=m0%；
（3）当底吹透气砖气体压力Pf<（P-△P）时，控制电弧炉底吹系统提高CO2气体比例△m%，即m%=m0%+△m%；
步骤3b：冶炼过程处于后期，熔池内钢水碳含量较低，采用100%Ar或N2气体底吹，设定提高CO2气体比例m%=0%；
步骤4：主控制系统根据控制策略执行结果，操作CO2流量控制器将CO2体积流量气态CO2设定为Q×m%，或固态CO2质量流量为Q×m%×ρCO2，操作Ar或N2流量控制器将Ar或N2流量设定为Q×（1-m%）；
步骤5：经过间隔TC后，如果电弧炉处于冶炼过程中，返回到步骤2操作；如果当前冶炼炉次结束，返回到步骤1操作。
2.根据权利要求1所述的一种提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法，其特征在于：所述提高电弧炉底吹透气砖寿命的控制方法通过电弧炉炉底吹控制系统实现，电弧炉炉底吹控制系统包括：CO2气源装置、CO2流量控制器、Ar或N2气源装置、Ar或N2流量控制器、底吹压力传感器、底吹透气砖，底吹控制数据库、时间-电耗控制器、主控制系统；所述底吹控制数据库向主控制系统提供电弧炉底吹流量曲线和安全工作压力曲线，时间-电耗控制器向主控制系统提供时间信号T或电耗信号W，底吹压力传感器向主控制系统提供底吹压力信号Pf，主控制系统输出信号控制CO2流量控制器和Ar或N2流量控制器；CO2由气源流出经过CO2流量控制器，与经过Ar或N2流量控制器的Ar或N2混合，一同流经底吹压力传感器，最后由底吹透气砖进入电弧炉熔池。
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