CN105369009B - 一种电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统及测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属电弧炉炼钢领域，涉及一种电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统及测温方法，该装置包括控制系统、供气系统和采集系统；该方法利用电弧炉炉壁喷枪喉口作为红外测温装置的测量窗口，并利用电弧炉炉壁喷枪喷吹测温气体产生的超音速气体射流，排开炉膛内的含烟炉气，穿透钢液表面的泡沫渣层，在钢液和传感器之间建立起稳定的钢液温度特征信号传输通道，实现电弧炉炼钢过程炉内钢液温度的连续或间断在线测量，本发明适用于电弧炉冶炼过程钢液温度检测，可有效测量电弧炉冶炼过程中钢液温度，测量装置响应速度快，使用寿命长，测量精度高，减少测温热电偶的使用，缩短冶炼过程人工测温时间，促进电弧炉炼钢的智能化冶炼。

Description

一种电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统及测温方法

技术领域

本发明属于电弧炉炼钢领域，特别涉及一种电弧炉炼钢过程连续或间断式在线测量钢液温度的方法。

背景技术

电弧炉炼钢是目前主要炼钢方法之一，钢液温度对冶炼过程脱磷、脱碳、质量控制及劳动安全至关重要。通常采用“一次性快速热电偶”的方式测量电弧炉内的钢液温度，该方式受测温次数限制，不能连续监控冶炼过程钢液温度的变化，不利于实现电弧炉炼钢冶炼过程的优化及终点控制。

常规的红外测温等非接触测温装置很难有效应用于电弧炉冶炼过程，主要原因在于：电弧炉冶炼过程炉渣喷溅剧烈，电弧炉炉壁、炉顶等部位挂渣后，没有可用于非接触测温的观测窗口；电弧炉炼钢过程中炉膛内炉气烟尘含量高、透光性差，光谱信号的不能稳定穿过；同时熔池表面覆盖泡沫渣，无法测量钢液温度。因此，提供测温窗口，保证高温钢液特征辐射信号传输通道的通畅是实现电弧炉冶炼过程非接触测温的关键。

本发明提出一种电弧炉炼钢过程使用炉壁喷枪在线测量钢液温度的方法，实现电弧炉冶炼过程钢液温度连续或间断式在线测量。

发明内容

本发明的目的是利用电弧炉炉壁喷枪氧气出口可长期保持畅通这一特点，通过喷吹测温气体产生的超音速气体射流，排开炉膛内的含烟炉气，穿透钢液表面的泡沫渣层，在钢液和传感器之间建立起稳定的钢液温度特征信号传输通道，从而实现电弧炉炼钢过程钢液温度连续或间断式在线测量。

本发明的技术方案是：一种电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统，其特征在于，该装置包括控制系统、供气系统和采集系统；

所述采集系统包括炉壁喷枪、连接装置、保护玻璃和红外测温传感器；

所述供气系统包括吹扫气源、测温气源、O₂源、吹扫气阀组、测温气阀组和氧气阀组；

所述控制系统包括上位机和信号转换器；

其中，所述炉壁喷枪一端设有拉乌尔喷嘴，另一端与所述连接装置的一端连接，所述炉壁喷枪的侧壁设有循环氧进口，循环水出口，和测温气进口，所述红外测温装置探头传感器设置在所述连接装置的另一端，所述透明保护玻璃设置在所述红外测温传感器与所述连接装置之间的连接处，用于保护所述红外测温传感器，所述连接装置的末端设有吹扫气进口，所述连接装置的侧壁上设有主射流进口，所述O₂源通过氧气阀组分别与所述主射流进口和循环氧进口连通，所述吹扫气源通过所述吹扫气阀组与所述吹扫气进口连通，测温气源通过所述测温气阀组与所述测温气进口连通；所述上位机通过所述信号转换器与所述红外测温装置探头传感器数据连接，所述上位机分别与所述吹扫气阀组、测温气阀组和氧气阀组控制连接。

进一步，该系统还包括集束射流组件，该组件包括天然气源、天然气阀组和连接件，所述连接件设置在所述炉壁喷枪和连接装置之间，所述连接件上设有天然气进口，所述天然气源通过所述天然气阀组与所述天然气进口连通，所述天然气阀组通过数据线与所述上位机连接。

进一步，所述保护玻璃为耐压透明石英玻璃，所述透明石英玻璃耐压值为3.0Mpa。

进一步，所述炉壁喷枪为集束射流型喷枪或超音速喷枪。

本发明的另一目的是提供使用上述电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统的测温方法,该方法具体包括以下步骤：

步骤1：电弧炉冶炼过程中，测温系统的氧气阀组通过炉壁喷枪根据工艺要求向电弧炉内正常吹氧脱碳进行冶炼；

步骤2：控制系统发出钢液温度测量信号，测温气阀组启动工作，冶炼模式结束，系统切换至间断性测温模式，确定测温时间为T_c1, T_c1=12-20s，吹扫气阀组工作，吹扫气源通过吹扫通道对保护玻璃进行吹扫，吹扫气流量为Q₁, 时间为t_1，清扫结束；

步骤3：控制系统根据电弧炉内的冶炼阶段确定测温气体的供气量；

步骤4：确定测温气体供应量和测温时间后，在上位机作用下，测温气体由测温气源通过测温气阀组经连接装置的主射流进口供应至炉壁喷枪，炉壁喷枪产生超音速测温气体射流，穿透电弧炉内钢液表面的泡沫渣层，排开炉膛内的含烟炉气，在射流冲击区出现裸露的钢液面；在裸露钢液和红外测温装置探头传感器之间形成纯净的测温气体射流通道，裸露钢液辐射的温度特征信号经测温气体射流通道、喷枪喉口和喷枪中心氧管，由红外测温传感器接收钢液温度特征信号，温度测量信号经信号转换器传输至计算机测温控制系统，经计算后得到所测钢液温度，在测温时间t_c1内进行多次测温，达到设定测温时间t_c1后，上位机停止测温气阀组供应测温气体，切换为O₂供应，测温结束，返回步骤1。

进一步，上述电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统的测温方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：冶炼开始后，控制系统发出钢液温度测量信号，系统采用连续性测温模式，确定测温时间为T_c2；

控制系统根据电弧炉内冶炼阶段确定测温气体的供气量，测温气阀组工作，按照确定后测温气体供气量向所述电弧炉进行供气，测温气体由测温气源经连接装置的主射流入口供应至炉壁喷枪，炉壁喷枪产生超音速测温气体射流，穿透电弧炉内钢液表面的泡沫渣层，排开炉膛内的含烟炉气，在射流冲击区出现裸露的钢液面；5s后超音速测温气体的射流稳定，使裸露钢液和红外测温传感器之间形成纯净的测温气体射流通道；

步骤2：红外测温传感器开始工作，接收钢液温度特征信号，温度测量信号经信号转换器传输至上位机，经上位机处理后得到所测钢液温度值；测温过程中，上位机每隔10s显示一次所测钢液的温度值；每测温10min时间，上位机启动吹扫气阀组清扫一次保护玻璃，清扫气源流量为100 Nm³/h，清扫时间为5s。

进一步，所述的测温气体包括N₂、CO₂或Ar。

进一步，所述冶炼阶段的供气量为：

1.冶炼初期（0~T₁）测温气体供应量为Q_a，Q_a=1300~1800Nm³/h；

2.冶炼中期（T₁~T₂）测温气体供应量为Q_b，Q_b=1800~3000Nm³/h；

3.冶炼后期（T₂~T_end）测温气体供应量为Q_c，T_end为冶炼终点时间，Q_c=1500~2000Nm³/h。

本发明中电弧炉炉壁喷枪冶炼模式和测温模式在计算机测温控制系统作用下可自动切换，电弧炉钢液温度在线间断性测量模式和电弧炉钢液温度在线连续性测量模式可根据生产工艺要求自行设定和切换。

本发明适用于30~200吨电弧炉炼钢过程钢液温度的测量，通过红外测温仪/红外热像仪和炉壁喷枪产生的射流气体通道测量炉内钢液的温度，氧气和测温气体（如N₂、CO₂、Ar等）的流量为500~5000m³/h。利用炉壁喷枪在电弧炉内提供纯净通畅的测温通道，实现电弧炉冶炼过程中钢液温度的非接触式测量，提高温测精度。

与传统电弧炉炼钢过程中人工测温方式和已有电弧炉炼钢钢液非接触测温方法相比，采用本发明可实现电弧炉炼钢过程中钢液温度的在线式连续或者间断式测量，并且可以长久保持钢液温度特征信号传输通道的纯净和通畅，保证电弧炉冶炼过程中钢液温度测量的准确性。

附图说明

图1为本发明带有红外测温装置的电弧炉炉壁喷枪（集束射流型）示意图。

图2为本发明带有红外测温装置的电弧炉炉壁喷枪（超音速型）示意图。

图3为用于电弧炉炼钢过程中钢液温度在线测量系统装置连接示意图。

图中：

1、控制系统，2、信号转换器， 3、吹扫气源，4、测温气源，5、O₂源，6、天然气源， 7、电弧炉，8、吹扫气阀组，9、测温气阀组，10、氧气阀组，11、天然气阀组，12、炉壁喷枪，13、红外测温传感器，14、保护玻璃，15、吹扫通道，16、连接装置，17、主射流进口，18、天然气进口，19、环氧进口，20、循环水出口，21、拉乌尔喷嘴，22、循环水进口。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示为本发明一种电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统的结构示意图，该装置包括控制系统、供气系统、采集系统和集束射流组件；

所述采集系统包括炉壁喷枪、连接装置、保护玻璃和红外测温传感器；

所述供气系统包括吹扫气源、测温气源、O₂源、吹扫气阀组、测温气阀组和氧气阀组；

所述控制系统包括上位机和信号转换器；

所述集束射流组件包括天然气源、天然气阀组和连接件；

其中，所述炉壁喷枪一端设有拉乌尔喷嘴，另一端与所述连接装置的一端连接，所述炉壁喷枪的侧壁设有循环氧进口，循环水出口，和测温气进口，所述红外测温装置探头传感器设置在所述连接装置的另一端，所述透明保护玻璃设置在所述红外测温传感器与所述连接装置之间的连接处，用于保护所述红外测温传感器，所述连接装置的末端设有吹扫气进口，所述连接装置的侧壁上设有主射流进口，所述O₂源通过氧气阀组分别与所述主射流进口和循环氧进口连通，所述吹扫气源通过所述吹扫气阀组与所述吹扫气进口连通，测温气源通过所述测温气阀组与所述测温气进口连通；所述上位机通过所述信号转换器与所述红外测温装置探头传感器数据连接，所述上位机分别与所述吹扫气阀组、测温气阀组和氧气阀组控制连接，所述连接件设置在所述炉壁喷枪和连接装置之间，所述连接件上设有天然气进口，所述天然气源通过所述天然气阀组与所述天然气进口连通，所述天然气阀组通过数据线与所述上位机连接。

如图2所示，本发明电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统，该装置包括控制系统、供气系统和采集系统；

所述采集系统包括炉壁喷枪、连接装置、保护玻璃和红外测温传感器；

所述供气系统包括吹扫气源、测温气源、O₂源、吹扫气阀组、测温气阀组和氧气阀组；

所述控制系统包括上位机和信号转换器；

其中，所述炉壁喷枪一端设有拉乌尔喷嘴，另一端与所述连接装置的一端连接，所述炉壁喷枪的侧壁设有循环氧进口，循环水出口，和测温气进口，所述红外测温装置探头传感器设置在所述连接装置的另一端，所述透明保护玻璃设置在所述红外测温传感器与所述连接装置之间的连接处，用于保护所述红外测温传感器，所述连接装置的末端设有吹扫气进口，所述连接装置的侧壁上设有主射流进口，所述O₂源通过氧气阀组分别与所述主射流进口和循环氧进口连通，所述吹扫气源通过所述吹扫气阀组与所述吹扫气进口连通，测温气源通过所述测温气阀组与所述测温气进口连通；所述上位机通过所述信号转换器与所述红外测温装置探头传感器数据连接，所述上位机分别与所述吹扫气阀组、测温气阀组和氧气阀组控制连接，所述连接件设置在所述炉壁喷枪和连接装置之间，所述连接件上设有天然气进口，所述天然气源通过所述天然气阀组与所述天然气进口连通，所述天然气阀组通过数据线与所述上位机连接，所述保护玻璃为耐压透明石英玻璃，所述透明石英玻璃耐压值为3.0Mpa，所述炉壁喷枪为集束射流型喷枪或超音速喷枪。

实例1：

本发明应用在100吨电弧炉炼钢，在电弧炉炉壁喷枪位置与水平面成60°安装，采用50%铁水比冶炼，喷头马赫数为2，气体流量为2500m³/h，压力0.8MPa，共4支炉壁喷枪（1~4号）（如图3所示），其中4号炉壁喷枪按本发明改造安装，测温气体采用N₂，透明保护玻璃采用耐压透明石英玻璃，吹扫气为空气，电弧炉炉壁喷枪采用集束射流型喷枪，红外测温装置采用红外测温仪。冶炼过程钢液温度测量采用钢液温度在线间断性测量模式，具体包括以下内容：

1、冶炼过程中，1~4号电弧炉炉壁喷枪根据工艺要求供氧进行冶炼，产生超音速氧气射流脱除钢液中的碳同时搅拌钢液，O₂流量为2500Nm³/h。

2、确定电弧炉炼钢阶段测温气体供应量Q，冶炼初期（冶炼开始~10min）测温气体供应量为1500Nm³/h，冶炼中期（10~30min）测温气体供应量为2000 Nm³/h，冶炼后期（30min~冶炼结束）测温气体供应量为1800 Nm³/h。

3、设定测温时间T_c，T_c可根据需要自行设定，间断测量模式下T_c可取20s。

4、计算机测温控制系统发出钢液温度测量信号，4号炉壁喷枪停止氧气供应，切换至测温模式。

5、供气阀组供应空气对透明石英玻璃进行吹扫，空气流量为100 Nm³/h，3s后空气停止供应，吹扫结束。

6、测温过程根据步骤2设定的测温气体流量测温。

7、3s后射流稳定，红外测温仪探头传感器通过N₂射流通道接收钢液温度特征信号，经传输线缆传输至计算机控制系统，计算机控制显示此时所测钢液温度为1350℃。

8、根据步骤3设定Tc值，每5s显示所测钢液温度，分别为1352℃、1353℃、1355℃，共显示钢液温度4次，测温20s后，计算机测温控制系统通过控制阀组停止4号炉壁喷枪N₂供应，切换为O₂供应，测温结束，4号炉壁喷枪切换至正常供氧冶炼模式。

实例2：

本发明应用在150吨电弧炉炼钢，在电弧炉炉壁喷枪位置与水平面成60°安装，采用100%固体金属料冶炼，喷头马赫数为2，气体流量为3000m³/h，压力0.8MPa，共4支炉壁喷枪（1~4号），其中4号炉壁喷枪按本发明改造安装，测温气体采用N₂，透明保护玻璃采用耐压透明石英玻璃，吹扫气为空气，电弧炉炉壁喷枪采用超音速型枪，红外测温装置采用红外热像仪。冶炼过程钢液温度测量采用钢液温度在线连续性测量模式，具体包括以下内容：

电弧炉冶炼过程中，1~3号电弧炉炉壁喷枪根据工艺要求全程供氧进行冶炼，4号电弧炉炉壁喷枪全程供应N₂在线连续测量钢液温度。

1、确定电弧炉炼钢阶段测温气体供应量Q，冶炼初期（冶炼开始~10min）测温气体供应量为1600Nm³/h，冶炼中期（10~30min）测温气体供应量为2500 Nm³/h，冶炼后期（30min~冶炼结束）测温气体供应量为2000 Nm³/h。

2、设定测温时间T_c，T_c可根据需要自行设定，间断测量模式下T_c可取10s。

3、冶炼开始后，计算机测温控制系统发出钢液温度测量信号，测温气体N₂在控制阀组作用下供应至4号电弧炉炉壁喷枪，产生超音速N₂射流，N₂流量为Q。

4、5s后超音速N₂射流稳定，在裸露钢液和红外热像仪探头传感器之间形成纯净的射流通道，红外热像仪探头传感器开始工作，接收钢液温度特征信号，将其传输至计算机测温控制系统机测温控制系统显示钢液温度。

5、测温过程根据步骤1设定的测温气体流量测温。

6、测温过程中，机测温控制系统每隔10s显示一次所测钢液温度；每测温10min时间清扫一次透明石英玻璃，清扫空气流量为100 Nm³/h，清扫时间为5s。

Claims (8)

1.一种电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统，其特征在于，该电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统包括控制系统、供气系统和采集系统；

所述采集系统包括炉壁喷枪、连接装置、保护玻璃和红外测温传感器，

所述供气系统包括吹扫气源、测温气源、O₂源、吹扫气阀组、测温气阀组和氧气阀组，

所述控制系统包括上位机和信号转换器；

其中，所述炉壁喷枪一端设有拉乌尔喷嘴，另一端与所述连接装置的一端连接，所述炉壁喷枪的侧壁设有循环氧进口，循环水出口，和测温气进口，红外测温装置探头传感器设置在所述连接装置的另一端，所述保护玻璃设置在所述红外测温传感器与所述连接装置之间的连接处，用于保护所述红外测温传感器，所述连接装置的末端设有吹扫气进口，所述连接装置的侧壁上设有主射流进口，所述O₂源通过氧气阀组分别与所述主射流进口和循环氧进口连通，所述吹扫气源通过所述吹扫气阀组与所述吹扫气进口连通，测温气源通过所述测温气阀组与所述测温气进口连通；所述上位机通过所述信号转换器与所述红外测温装置探头传感器数据连接，所述上位机分别与所述吹扫气阀组、测温气阀组和氧气阀组控制连接。

2.根据权利要求1所述的测温系统，其特征在于，该系统还包括集束射流组件，该组件包括天然气源、天然气阀组和连接件，所述连接件设置在所述炉壁喷枪和连接装置之间，所述连接件上设有天然气进口，所述天然气源通过所述天然气阀组与所述天然气进口连通，所述天然气阀组通过数据线与所述上位机连接。

3.如权利要求1所述的测温系统，其特征在于，所述保护玻璃为耐压透明石英玻璃，所述透明石英玻璃耐压值为3.0Mpa。

4.如权利要求1所述的测温系统，其特征在于，所述炉壁喷枪为集束射流型喷枪或超音速喷枪。

5.一种使用权利要求1-4任意一项所述的电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统的测温方法,其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：电弧炉冶炼过程中，测温系统的氧气阀组通过炉壁喷枪根据工艺要求向电弧炉内正常吹氧脱碳进行冶炼；

步骤2：控制系统发出钢液温度测量信号，测温气阀组启动工作，冶炼模式结束，系统切换至间断性测温模式，确定测温时间为T_c1, T_c1=12-20s，吹扫气阀组工作，吹扫气源通过吹扫通道对保护玻璃进行吹扫，吹扫气流量为Q₁，Q₁=100 Nm³/h, 时间为t₁，t₁=5s，清扫结束；

步骤3：控制系统根据电弧炉内的冶炼阶段确定测温气体的供气量：

步骤4：确定测温气体供应量和测温时间后，在上位机作用下，测温气体由测温气源通过测温气阀组经连接装置的主射流进口供应至炉壁喷枪，炉壁喷枪产生超音速测温气体射流，穿透电弧炉内钢液表面的泡沫渣层，排开炉膛内的含烟炉气，在射流冲击区出现裸露的钢液面；在裸露钢液和红外测温装置探头传感器之间形成纯净的测温气体射流通道，裸露钢液辐射的温度特征信号经测温气体射流通道、喷枪喉口和喷枪中心氧管，由红外测温传感器接收钢液温度特征信号，温度测量信号经信号转换器传输至计算机测温控制系统，经计算后得到所测钢液温度，在测温时间t_c1内进行多次测温，达到设定测温时间t_c1后，上位机停止测温气阀组供应测温气体，切换为O₂供应，测温结束，返回步骤1。

6.一种使用权利要求1-4任意一项所述的电弧炉炼钢在线测量钢液温度的测温系统的测温方法,其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1：冶炼开始后，控制系统发出钢液温度测量信号，系统采用连续性测温模式，确定测温时间为T_c2

控制系统根据电弧炉内冶炼阶段确定测温气体的供气量，测温气阀组工作，按照确定后测温气体供气量向所述电弧炉进行供气，测温气体由测温气源经连接装置的主射流入口供应至炉壁喷枪，炉壁喷枪产生超音速测温气体射流，穿透电弧炉内钢液表面的泡沫渣层，排开炉膛内的含烟炉气，在射流冲击区出现裸露的钢液面；5s后超音速测温气体的射流稳定，使裸露钢液和红外测温传感器之间形成纯净的测温气体射流通道；

步骤2：红外测温传感器开始工作，接收钢液温度特征信号，温度测量信号经信号转换器传输至上位机，经上位机处理后得到所测钢液温度值；测温过程中，上位机每隔10s显示一次所测钢液的温度值；每测温10min时间，上位机启动吹扫气阀组清扫一次保护玻璃，清扫气源流量为100 Nm³/h，清扫时间为5s。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述的测温气体包括N₂、CO₂或Ar。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述冶炼阶段的供气量为：

1.冶炼初期（0~T₁）测温气体供应量为Q_a，Q_a=1300~1800Nm³/h，

2.冶炼中期（T₁~T₂）测温气体供应量为Q_b，Q_b=1800~3000Nm³/h，

3.冶炼后期（T₂~T_end）测温气体供应量为Q_c，T_end为冶炼终点时间，Q_c=1500~2000Nm³/h。