CN105695660B - 一种动态判断转炉冶炼过程中的炉渣状态方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态判断转炉冶炼过程中的炉渣状态方法，属于冶金转炉控制技术领域。技术方案是：将实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音以及烟气中的CO、CO₂浓度信息，通过中间信息PLC传输到炉渣状态检测计算机中，利用计算机中的内置模型对这些信息进行复合动态分析，综合判断出炉渣当前时刻偏干或偏稀的状态，发出炉渣返干或喷溅的风险预警，及时处理。本发明利用生产现场已安装在120吨转炉上设备原有用途的基础上，充分考虑该型转炉冶炼过程中炉渣状态与上述设备所采集信息之间的关系因素，并将这些因素进行融合，充分发挥每种因素的特点，实现对120吨转炉炉渣状态的复合动态检测，能够在降低设备成本的前提下，实现对转炉冶炼过程中炉渣返干、喷溅的风险预警。

Description

一种动态判断转炉冶炼过程中的炉渣状态方法

技术领域

本发明涉及一种动态判断转炉冶炼过程中的炉渣状态方法，特别是公称容量为120吨转炉在正常炼钢过程中动态判断其炉渣状态的方法，属于冶金转炉控制技术领域。

背景技术

在转炉冶炼过程中，现场操作人员的最主要工作就是确保生产时刻转炉炉渣的当前状态能够满足脱磷、脱碳工艺的需要。这是由于适宜的炉渣状态(即：粘度适中)，有助于提高钢水脱磷、脱碳的效果，确保转炉终点钢水的质量；如果炉渣粘度偏小，即：炉渣状态表现为偏稀，就容易在转炉生产过程中发生喷溅事故，这种事故轻者会造成金属收得率的下降，造成经济的损失，重者更会对现场工作人员的人身安全构成威胁，导致人员伤亡事故的发生；如果炉渣粘度偏小，即：炉渣状态表现为偏干，就容易造成生产过程中“脱磷”效果不佳，或是发生“回磷”现象，从而造成转炉终点钢水的内部化学成分不符合产品质量标准的要求。正是由于炉渣状态对于转炉炼钢生产的重要性，转炉炼钢工序有“炼钢即是炼渣”的说法。因此现场操作人员在转炉生产过程中需要时刻关注炉渣的当前状态，并及时根据所掌握的炉渣工作状态信息进行相应的工艺调整，确保炉渣状态实时满足钢水冶炼的需要。但是，在实际生产过程中，操作人员对炉渣状态的判断，往往存在滞后性。这是由于钢水冶炼环节是在转炉这样一个相对封闭的腔体内进行，导致操作人员无法在转炉冶炼过程中直接观察炉渣的状态。

公称容量为120吨的中型转炉(以下简称：120吨转炉)是目前我国钢铁企业使用最多的一种类型的转炉，占国内转炉总运转量的70％以上。受炉型的限制，很多大型检测设备，诸如：机械式副枪等无法在该型转炉上安装使用，导致这种转炉的智能控制水平较低，炉渣状态的控制能力较差，进而影响了钢水质量的稳定性。目前，对于120吨转炉而言，现场判断其炉渣状态较为常用的方法还是依赖操作人员的工作经验，通过判断转炉冶炼过程中的火焰颜色来判断炉渣的状态，但这种式较为粗放，且受人为影响因素较大，导致操作人员无法及时准确判断出当前时刻的炉渣状态。此外，转炉现场目前还有一种较为常用的判断炉渣状态的方法，即：音频化渣方法。该方法的主要工作原理是利用声纳设备采集从转炉内部反馈出的噪音，并对其强度变化趋势进行分析，从而得出炉内当前时刻炉渣的状况。该种方法可以较为量化的反映出转炉内炉渣的状态，提升操作人员对炉渣的判断水平；但是，该种方法还存在着以下一些问题：(1)该方法只是简单的对转炉内噪音的音频强度的变化趋势进行分析，而没有具体量化为炉内渣层的实际情况，因此该方法并不能较为彻底的反映出炉渣状态，还需要加入人工经验；(2)由于转炉现场的设备众多，多种噪音源会干扰声纳设备的实际运行效果，导致声纳设备的实际工作效果大打折扣；(3)由于炉渣在不同粘度下的状态差异很大，单纯依靠声纳化渣设备还是无法准确的判断出当前时刻炉渣状态。

发明内容

本发明目的是提供一种动态判断转炉冶炼过程中的炉渣状态方法，充分考虑该型转炉冶炼过程中外界多种因素对炉渣状态的影响和转炉炉渣状态的改变对其它设备参数的影响，并将多种因素进行融合，充分发挥每种因素的特点，实现对120吨转炉炉渣状态的复合动态检测，确保炉渣检测结果的及时性和准确性，解决背景技术存在的问题是。

本发明的技术方案是：一种动态判断转炉冶炼过程中的炉渣状态方法，包含如下工艺步骤：

①安装在120吨转炉上的氧枪重力传感器检测氧枪重量，氧气流量传感器转炉冶炼过程中的氧气流量，氧枪吊运绞盘编码器检测氧枪的吹炼高度，即：氧枪喷头到钢水液面的高度，烟气流量传感器用于检测烟道内的烟气流量，炉音声纳设备收集检测转炉内噪音，激光炉气分析仪分析烟气中的CO和CO₂浓度；

②上述实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音以及烟气中的CO、CO₂浓度信息，将这些信息通过中间信息PLC传输到炉渣状态检测计算机中，利用计算机中的内置模型对这些信息进行复合动态分析，综合判断出炉渣当前时刻偏干或偏稀的状态，发出炉渣返干或喷溅的风险预警，及时处理。

本发明在降低设备成本的前提下，确保现场操作人员能够及时采取预防措施，避免上述现象的发生，最终达到稳定120吨转炉生产，确保钢水质量的目的。

本发明具体步骤如下：

步骤1：在120吨转炉上安装检测设备，即：分别在转炉氧枪的氧气输送管道上安装氧气流量传感器，在氧枪吊装绞盘上安装重力传感器和编码器，在烟道上安装烟气流量传感器和激光炉气分析仪，在转炉口安装炉音声纳设备；然后将上述设备所实时采集到的氧气流量、氧枪重量、烟气流量、烟气中的CO体积百分含量和CO₂体积百分含量、炉内噪音信息通过RS232\485方式传输到中间通讯PLC，再通过工业以太网TCP/IP协议传输到计算机中，完成相关数据的采集工作；整个数据采集周期设定为1-2秒钟；

步骤2：在120吨转炉开始冶炼前，手动将计算机的工作模式调整为冶炼前控制模式；并将转炉内炉底到炉口的高度H_Bof以及加入到转炉中的铁水质量W_iron和废钢质量W_fg数据输入计算机中；

步骤3：在冶炼前控制模式下，计算机自动实时采集重力传感器、编码器、氧气流量传感器、烟气流量传感器、激光炉气分析仪、炉音声纳设备所实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音以及烟气中CO和CO₂体积百分含量信息，并利用计算机内置模型对上述数据进行分析，得出上述数据的稳定结果；

步骤4：在120吨转炉开始冶炼后，手动将计算机的工作模式调整为冶炼后控制模式，利用炉渣状态检测计算机中的内置模型，继续实时记录重力传感器、氧气流量传感器、编码器、烟气流量传感器、声纳设备、激光炉气分析仪所实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音音频强度以及烟气中CO和CO₂浓度信息，并实时计算出冶炼后阶段当前时刻的氧枪稳定质量、氧气稳定流量、烟气稳定流量、CO稳定体积百分含量、CO₂稳定体积百分含量、炉内噪音稳定音频强度；

步骤5：计算机利用内置模型对120吨转炉冶炼过程中氧枪的粘渣质量进行分析；

步骤6：计算机对转炉冶炼过程中的氧利用系数进行分析；

步骤7：计算机利用内置模型，对已分析出的转炉冶炼阶段当前时刻转炉冶炼阶段当前时刻氧枪粘渣质量氧利用系数(dC/dt)^τ、炉渣表面到炉口的垂直距离判断出当前时刻炉渣偏干或偏稀的状态；

步骤8：计算机在判断出120吨转炉冶炼过程中当前时刻炉渣状态后，根据炉渣当前状态，提醒现场操作人员及时操作措施，避免相关渣况趋势的进一步发展，确保生产的稳定和钢水的质量；

步骤9：当120吨转炉的当前炉次冶炼结束后，手动将计算机的工作模式调整为冶炼前控制模式；此时，计算机将停止内置模型对炉渣状态的预测工作；之后，计算机将根据生产计划，重新从步骤2开始，等待下一个炉次的炉渣状态预测工作。

步骤七判断出当前时刻炉渣偏干或偏稀的方法是：

(1)当满足以下几种条件中的一种或几种时，计算机将认为当前时刻炉渣可能偏干，即存在返干的风险：

①如果当前时刻氧枪粘渣质量超过550kg时，表明氧枪表面附着的炉渣较多，则计算机评估炉渣状态为偏干；

②如果当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ达到75％以上时，表明氧气利用率较高，导致炉渣中的FeO含量较低，则计算机评估炉渣状态为偏干；

(2)当满足以下几种条件中的一种或几种时，计算机将认为当前时刻炉渣偏稀，即存在喷溅的风险：

①如果当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ低于55％时，表明氧气利用率较低，导致炉渣中的FeO含量较高，则计算机对炉渣状态的评估为偏稀；

②如果当前时刻转炉冶炼阶段当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值达到85％以上时，表明炉渣已接近炉口，则计算机对炉渣状态的评估为偏稀；

(3)当同时满足以下条件时，计算机将认为当前时刻炉渣状态正常：

①当前时刻氧枪粘渣质量不超过550kg；

②当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ在55％和75％范围内；

③当前时刻转炉冶炼阶段当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值不超过85％。

本发明的有益效果：本发明利用生产现场已安装在120吨转炉上的氧枪重力传感器、氧气流量传感器，氧枪吊运绞盘编码器，以及烟气流量传感器、声纳设备、激光炉气分析仪，在上述设备原有用途的基础上，充分考虑该型转炉冶炼过程中炉渣状态与上述设备所采集信息之间的关系因素，并将这些因素进行融合，充分发挥每种因素的特点，实现对120吨转炉炉渣状态的复合动态检测，从而扩充了上述设备的应用范围，实现了对该型转炉炉渣状态的在线检测，能够在降低设备成本的前提下，实现对转炉冶炼过程中炉渣返干、喷溅的风险预警。其中，炉渣喷溅预警准确率达到93％以上，炉渣返干预警准确率达到95％以上，同时炉渣喷溅和返干的预警时间由约为1.5s提高到15秒以上，从而有效确保了现场操作人员能够及时采取预防措施，避免炉渣喷溅或返干事故的发生，最终达到了稳定120吨转炉生产，确保该型转炉所产钢水质量的目的。

附图说明

图1为实现120吨转炉冶炼过程中动态判断炉渣状态方法的设备构成图；

图中：炉渣状态检测计算机1、中间通讯PLC 2、氧气流量传感器3、重力传感器4、编码器5、烟气流量传感器6、激光炉气分析仪7、炉音声纳设备8。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明做进一步详细说明：

一种动态判断转炉冶炼过程中的炉渣状态方法，包含如下工艺步骤：

①安装在120吨转炉上的氧枪重力传感器检测氧枪重量，氧气流量传感器转炉冶炼过程中的氧气流量，氧枪吊运绞盘编码器检测氧枪的吹炼高度，即：氧枪喷头到钢水液面的高度，烟气流量传感器用于检测烟道内的烟气流量，炉音声纳设备收集检测转炉内噪音，激光炉气分析仪分析烟气中的CO和CO₂浓度；

②上述实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音以及烟气中的CO、CO₂浓度信息，将这些信息通过中间信息PLC传输到炉渣状态检测计算机中，利用计算机中的内置模型对这些信息进行复合动态分析，综合判断出炉渣当前时刻偏干或偏稀的状态，发出炉渣返干或喷溅的风险预警，及时处理。

本发明在降低设备成本的前提下，确保现场操作人员能够及时采取预防措施，避免上述现象的发生，最终达到稳定120吨转炉生产，确保钢水质量的目的。

本发明具体步骤如下：

步骤1：在120吨转炉上安装检测设备，即：分别在转炉氧枪的氧气输送管道上安装氧气流量传感器，在氧枪吊装绞盘上安装重力传感器和编码器，在烟道上安装烟气流量传感器和激光炉气分析仪，在转炉口安装炉音声纳设备；然后将上述设备所实时采集到的氧气流量、氧枪重量、烟气流量、烟气中的CO体积百分含量和CO₂体积百分含量、炉内噪音信息通过RS232\485方式传输到中间通讯PLC，再通过工业以太网TCP/IP协议传输到计算机中，从而完成相关数据的采集工作；整个数据采集周期可设定为1-2秒钟；

步骤2：在120吨转炉开始冶炼前，手动将计算机的工作模式调整为冶炼前控制模式；并将转炉内炉底到炉口的高度H_Bof以及加入到转炉中的铁水质量W_iron和废钢质量W_fg数据输入计算机中；

步骤3：在冶炼前控制模式下，计算机自动实时采集重力传感器、编码器、氧气流量传感器、烟气流量传感器、激光炉气分析仪、炉音声纳设备所实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音以及烟气中CO和CO₂体积百分含量信息，并利用计算机内置模型对上述数据进行分析，得出上述数据的稳定结果；其中，针对氧枪质量的主要判断方法是：

(1)当编码器所反馈的氧枪高度结果在不断变化时，计算机将停止记录当前时刻重力传感器所反馈的氧枪质量结果。

(2)当编码器所反馈的氧枪高度结果保持不变时，计算机将不断记录重力传感器实时反馈的氧枪质量结果，并结合滤波原理实时计算出冶炼前阶段当前时刻的氧枪稳定质量；

式中：τ为当前时刻；

为转炉冶炼前阶段上一时刻的氧枪稳定质量，单位：kg，当τ＝0时，为0kg；

为转炉冶炼前阶段当前时刻的氧枪稳定质量，单位：kg；

为重力传感器当前时刻反馈结果，单位：kg；

a_gun、b_gun为相关系数，其中：a_gun＝0.1～0.2，b_gun＝0.8～0.9，确保a_gun+b_gun＝1.0。

此外，针对其它数据的处理方法是：

(1)针对氧气流量：

式中：为转炉冶炼前阶段当前时刻的氧气稳定流量，单位：m³/s；

为转炉冶炼前阶段上一时刻的氧气稳定流量，单位：m³/s，当τ＝0时，为0m³/s；

Q_氧气 ^τ为氧气流量传感器当前时刻反馈结果，单位：m³/s。

a_氧气、b_氧气为相关系数，其中：a_氧气＝0.1～0.2，b_氧气＝0.8～0.9，确保a_氧气+b_氧气＝1.0。

(2)针对烟气流量：

式中：为转炉冶炼前阶段当前时刻的烟气稳定流量，单位：m³/s；

为转炉冶炼前阶段上一时刻的烟气稳定流量，单位：m³/s，当τ＝0时，为0m³/s；

Q_烟气 ^τ为烟气流量传感器当前时刻反馈结果，单位：m³/s。

a_烟气、b_烟气为相关系数，其中：a_烟气＝0.1～0.2，b_烟气＝0.8～0.9，确保a_烟气+b_烟气＝1.0。

(3)针对烟气中的CO体积百分含量：

式中：为转炉冶炼前阶段当前时刻的烟气中CO体积百分含量；

为转炉冶炼前阶段上一时刻的烟气中CO体积百分含量；

η_CO ^τ为激光炉气分析仪当前时刻反馈的烟气中CO体积百分含量结果；

a_co、b_co为相关系数，其中：a_co＝0.1～0.2，b_co＝0.8～0.9，确保a_co+b_co＝1.0。

(4)针对烟气中的CO₂体积百分含量：

式中：为转炉冶炼前阶段当前时刻的烟气中CO₂体积百分含量；

为转炉冶炼前阶段上一时刻的烟气中CO₂体积百分含量；

为激光炉气分析仪当前时刻反馈的烟气中CO₂体积百分含量结果。

为相关系数，其中：确保

(5)针对炉内噪音音频强度

式中：为转炉冶炼前阶段当前时刻炉内噪音的稳定音频强度，单位：KHz；

为转炉冶炼前阶段上一时刻炉内噪音的音频强度，单位：KHz；

S^τ为激光炉气分析仪当前时刻炉内噪音的音频强度，单位：KHz。

a_S、b_S为相关系数，其中：a_S＝0.1～0.2，b_S＝0.8～0.9，确保a_S+b_S＝1.0。

此外，计算机将实时记录下的结果，为后续工作做好准备。

步骤4：在120吨转炉开始冶炼后，手动将计算机的工作模式调整为冶炼后控制模式，利用炉渣状态检测计算机中的内置模型，继续实时记录重力传感器、氧气流量传感器、编码器、烟气流量传感器、声纳设备、激光炉气分析仪所实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音音频强度以及烟气中CO和CO₂浓度信息，并实时计算出冶炼后阶段当前时刻的氧枪稳定质量、氧气稳定流量、烟气稳定流量、CO稳定体积百分含量、CO₂稳定体积百分含量、炉内噪音稳定音频强度；

即：

式中：为转炉冶炼阶段当前时刻的氧枪稳定质量，单位：kg；

为转炉冶炼阶段上一时刻的氧枪稳定质量，单位：kg，当τ＝0时，为转炉冶炼前阶段最后时刻的结果；

W_gun ^τ为重力传感器的反馈结果，单位：kg；

为转炉冶炼阶段当前时刻的氧气稳定流量，单位：m³/s；

为转炉冶炼阶段上一时刻的氧气稳定流量，单位：m³/s，当τ＝0时，为转炉冶炼前阶段最后时刻的结果；

Q_氧气 ^τ为氧气流量传感器当前时刻反馈结果，单位：m³/s；

为转炉冶炼阶段当前时刻的烟气稳定流量，单位：m³/s；

为转炉冶炼阶段上一时刻的烟气稳定流量，单位：m³/s，当τ＝0时，为转炉冶炼前阶段最后时刻的结果；

Q_烟气 ^τ为烟气流量传感器当前时刻反馈结果，单位：m³/s；

为转炉冶炼阶段当前时刻烟气内的CO稳定体积百分含量，单位：％；

为转炉冶炼阶段上一时刻烟气内的CO稳定体积百分含量，单位：％；当τ＝0时，为转炉冶炼前阶段最后时刻的结果；

η_CO ^τ为激光炉气分析仪当前时刻反馈的烟气中CO体积百分含量，单位：％；

为转炉冶炼阶段当前时刻烟气内的CO₂稳定体积百分含量，单位：％；

为转炉冶炼阶段上一时刻烟气内的CO₂稳定体积百分含量，单位：％；当τ＝0时，为转炉冶炼前阶段最后时刻的结果，单位：％；

为激光炉气分析仪当前时刻反馈的烟气中CO₂体积百分含量，单位：％；

为转炉冶炼阶段当前时刻炉内噪音稳定音频强度，单位：KHz；

为转炉冶炼阶段上一时刻炉内噪音稳定音频强度，单位：KHz，当τ＝0时，为转炉冶炼前阶段最后时刻的结果；

a_gun、b_gun、a_氧气、b_氧气、a_烟气、b_烟气、a_CO、b_CO、a_S、b_S为上述各关系式的相关系数，其中：a_gun＝0.1～0.2、b_gun＝0.8～0.9、a_氧气＝0.1～0.2、b_氧气＝0.8～0.9、a_烟气＝0.1～0.2、b_烟气＝0.8～0.9、a_CO＝0.1～0.2、b_CO＝0.8～0.9、 a_S＝0.1～0.2、b_S＝0.8～0.9，确保a_gun+b_gun＝1.0、a_氧气+b_氧气＝1.0、a_烟气+b_烟气＝1.0、a_co+b_co＝1.0、a_S+b_S＝1.0。

步骤5：计算机利用内置模型对120吨转炉冶炼过程中氧枪的粘渣质量进行分析；

其中，模型中的相关系数通过统计回归方法获得；具体分析方法是：根据转炉冶炼阶段当前时刻氧枪稳定质量转炉冶炼前阶段最后时刻氧枪稳定质量并结合冶炼过程中氧气稳定流量和编码器所反馈的氧枪吹炼高度的实时变化所造成的惯性因素对氧枪重量所造成的影响，最终得到冶炼阶段氧枪的实际沾渣量，即：

式中：为转炉冶炼阶段当前时刻氧枪的实际粘渣质量，单位：kg；

为转炉冶炼阶段当前时刻氧枪稳定质量，单位：kg；

为冶炼前阶段最后时刻的氧枪稳定质量，单位：kg；

H_gun ^τ为利用编码器得到的氧枪吹炼高度，单位：m；

为当前时刻氧气的稳定流量，单位：m³/s。

步骤6：计算机对转炉冶炼过程中的氧利用系数进行分析；具体方法是：

(1)利用转炉冶炼过程中当前时刻的烟气稳定流量以及烟气内的CO稳定体积百分含量CO₂稳定体积百分含量计算出当前时刻的脱碳系数，即：

式中：(dC/dt)^τ为转炉冶炼过程中当前时刻的脱碳系数，单位：kg/s；

为转炉冶炼过程中当前时刻的烟气稳定流量，单位：m³/s；

为转炉冶炼过程中当前时刻烟气内的CO稳定体积百分含量，单位：％；

为转炉冶炼过程中当前时刻烟气内的CO₂稳定体积百分含量，单位：％。

(2)利用转炉冶炼过程中当前时刻的氧气稳定流量和已计算得到的当前时刻的脱碳系数(dC/dt)^τ，得到氧利用系数，即：

式中：(dC/dO)^τ为转炉冶炼过程中当前时刻的氧利用系数；

(dC/dt)^τ为转炉冶炼过程中当前时刻的脱碳系数，单位：kg/s；

为转炉冶炼过程中当前时刻的氧气稳定流量，单位：m³/s；

步骤6：计算机利用内置模型计算出炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值；

其中，模型中的相关系数通过统计回归方法获得。具体计算方法为：

(1)计算出转炉内钢水的深度，即：

H_Steel＝0.0107·(W_iron+W_fg)+0.3033

式中：W_iron为转炉冶炼前阶段倒入转炉中的铁水质量，单位：ton；

W_fg为转炉冶炼前阶段倒入转炉中的废钢质量，单位：ton；

H_steel为转炉冶炼阶段铁水和废钢转化为钢水后在转炉内的高度，单位：m。

(2)根据声呐信号，计算出转炉冶炼阶段当前时刻炉渣厚度，即：

式中：为转炉冶炼阶段当前时刻的炉渣厚度，单位：m；

为转炉冶炼阶段炉内噪音的稳定音频强度，单位：KHz。

(3)结合转炉内炉底到炉口的高度信息，计算出转炉冶炼阶段的当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值，即：

式中：为转炉冶炼阶段当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值；

为转炉冶炼阶段当前时刻的炉渣厚度，单位：m；

H_steel为转炉冶炼阶段铁水和废钢转化为钢水后在转炉内的高度，单位：m；

H_Bof为转炉内炉底到炉口的高度，单位：m。

步骤7：计算机利用内置模型，对已分析出的转炉冶炼阶段当前时刻转炉冶炼阶段当前时刻氧枪粘渣质量氧利用系数(dC/dt)^τ、炉渣表面到炉口的垂直距离判断出当前时刻炉渣偏干或偏稀的状态；

判断出当前时刻炉渣偏干或偏稀的方法是：

(4)当满足以下几种条件中的一种或几种时，计算机将认为当前时刻炉渣可能偏干，即存在返干的风险：

①如果当前时刻氧枪粘渣质量超过550kg时，表明氧枪表面附着的炉渣较多，则计算机评估炉渣状态为偏干；

②如果当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ达到75％以上时，表明氧气利用率较高，导致炉渣中的FeO含量较低，则计算机评估炉渣状态为偏干。

(5)当满足以下几种条件中的一种或几种时，计算机将认为当前时刻炉渣偏稀，即存在喷溅的风险：

①如果当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ低于55％时，表明氧气利用率较低，导致炉渣中的FeO含量较高，则计算机对炉渣状态的评估为偏稀；

②如果当前时刻转炉冶炼阶段当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值达到85％以上时，表明炉渣已接近炉口，则计算机对炉渣状态的评估为偏稀

(6)当同时满足以下条件时，计算机将认为当前时刻炉渣状态正常：

①当前时刻氧枪粘渣质量不超过550kg；

②当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ在55％和75％范围内；

③当前时刻转炉冶炼阶段当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值不超过85％。

步骤8：计算机在判断出120吨转炉冶炼过程中当前时刻炉渣状态后，根据炉渣当前状态，及时向现场操作工发出提示。

即：(1)当计算机判断出当前时刻炉渣状态为正常时，将向现场操作工发出绿色报警灯提示；(2)当计算机判断出前时刻炉渣状态为偏干，即存在返干风险时，将向现场操作工发出蓝色报警灯提示，并发出报警声音；(3)当计算机判断出前时刻炉渣状态为偏稀，即存在喷溅风险时，将向现场操作工发出红色报警灯提示，并发出报警声音。通过上述工作，提醒现场操作人员及时操作措施，避免相关渣况趋势的进一步发展，确保生产的稳定和钢水的质量。

步骤9：当120吨转炉的当前炉次冶炼结束后，手动将计算机的工作模式调整为冶炼前控制模式；此时，计算机将停止内置模型对炉渣状态的预测工作；之后，计算机将根据生产计划，重新从步骤2开始，等待下一个炉次的炉渣状态预测工作。

以下是本发明具体实施例

实例一：

在转炉冶炼前阶段，向炉渣状态检测炼计算机1中输入转炉内炉底到炉口的高度H_Bof为8.5m，加入到转炉中的铁水质量W_iron为105ton，加入到转炉中的废钢质量W_fg为10ton。此外，设定a_gun＝0.1、b_gun＝0.9、a_氧气＝0.1、b_氧气＝0.9、a_烟气＝0.1、b_烟气＝0.9、a_CO＝0.1、b_CO＝0.9、a_S＝0.1、b_S＝0.9。

炉渣状态检测计算机1通过中间通讯PLC 2按照1s的采集周期，分别检测、分析出与判断炉渣状态相关的数据为：

通过氧气流量传感器3反馈、分析得到转炉冶炼阶段当前时刻氧气稳定流量为5.83m³/s；

通过重力传感器反馈、分析得到转炉冶炼前阶段最后时刻氧枪稳定质量为13662kg，转炉冶炼阶段当前时刻氧枪稳定质量为14185kg；

通过编码器5得到转炉冶炼阶段当前时刻氧枪吹炼高度H_gun ^τ为1.18m；

通过烟气流量传感器6得到转炉冶炼阶段当前时刻烟气稳定流量为9.19m³/s；

通过激光炉气分析仪7得到转炉冶炼阶段当前时刻CO的稳定体积百分含量为60％，CO₂的稳定体积百分含量为16.9％；

通过炉音声纳设备8得到转炉冶炼阶段当前时刻炉内噪音稳定音频强度为2.65KHz。

按照周期为1s向炉渣状态检测计算机1中输入当前120吨转炉冶炼阶段的氧气稳定流量氧枪稳定质量氧枪吹炼高度H_gun ^τ、烟气稳定流量CO的稳定体积百分含量CO₂的稳定体积百分含量通过炉渣状态检测计算机1中内置模型的计算，可知：

冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量为：

冶炼阶段当前时刻的脱碳系数为：

(dC/dt)^τ＝12×9.19×(60％+16.9％)/22.4＝3.8kg/s

冶炼阶段当前时刻的氧利用系数为：

(dC/dO)^τ＝100×3.8/5.83＝65.18％

转炉内钢水的深度为：

H_Steel＝0.0107×(105+10)+0.3033＝1.5338m

当前时刻炉渣厚度为：冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量

因此，转炉冶炼阶段的当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值为：

根据上述计算结果可知：冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量为418.4kg，小于550kg；冶炼阶段当前时刻的氧利用系数(dC/dO)^τ为65.18％，在55％和75％之间；转炉冶炼阶段的当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值75.06％，小于85％。因此，炉渣状态检测计算机1判定当前时刻炉渣状态为正常。此时，炉渣状态检测计算机1将向现场操作人员发出绿色报警灯提示。

实例二：

在转炉冶炼前阶段，向炉渣状态检测炼计算机1中输入转炉内炉底到炉口的高度H_Bof为8.5m，加入到转炉中的铁水质量W_iron为110ton，加入到转炉中的废钢质量W_fg为8ton。此外，设定a_gun＝0.15、b_gun＝0.85、a_氧气＝0.15、b_氧气＝0.85、a_烟气＝0.15、b_烟气＝0.85、a_CO＝0.15、b_CO＝0.85、a_S＝0.15、b_S＝0.85。

炉渣状态检测计算机1通过中间通讯PLC 2按照1.5s的采集周期，分别检测、分析出与判断炉渣状态相关的数据为：

通过氧气流量传感器3反馈、分析得到转炉冶炼阶段当前时刻氧气稳定流量为5.90m³/s；

通过重力传感器反馈、分析得到转炉冶炼前阶段最后时刻氧枪稳定质量为13600kg，转炉冶炼阶段当前时刻氧枪稳定质量为13902kg；

通过编码器5得到转炉冶炼阶段当前时刻氧枪吹炼高度H_gun ^τ为1.23m；

通过烟气流量传感器6得到转炉冶炼阶段当前时刻烟气稳定流量为9.21m³/s；

通过激光炉气分析仪7得到转炉冶炼阶段当前时刻CO的稳定体积百分含量为51％，CO₂的稳定体积百分含量为12.3％；

通过炉音声纳设备8得到转炉冶炼阶段当前时刻炉内噪音稳定音频强度为1.22KHz。

按照周期为1.5s向炉渣状态检测计算机1中输入当前120吨转炉冶炼阶段的氧气稳定流量氧枪稳定质量氧枪吹炼高度H_gun ^τ、烟气稳定流量CO的稳定体积百分含量CO₂的稳定体积百分含量通过炉渣状态检测计算机1中的内置模型的计算，可知：

冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量为：

冶炼阶段当前时刻的脱碳系数为：

(dC/dt)^τ＝12×9.21×(51％+12.3％)/22.4＝3.12kg/s

冶炼阶段当前时刻的氧利用系数为：

(dC/dO)^τ＝100×3.12/5.90＝52.88％

转炉内钢水的深度为：

H_Steel＝0.0107×(110+8)+0.3033＝1.566m

当前时刻炉渣厚度为：冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量

因此，转炉冶炼阶段的当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值为：

根据上述计算结果可知：冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量为182.5kg，小于550kg；冶炼阶段当前时刻的氧利用系数(dC/dO)^τ为52.88％，小于55％；转炉冶炼阶段的当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值为86.67％，大于85％。因此，炉渣状态检测计算机1判定当前时刻炉渣状态为偏稀，存在喷溅的风险，此时，炉渣状态检测计算机1将向现场操作人员发出红色报警灯提示，并发出报警声音，从而提醒现场操作工及时做好工艺调整工作，避免转炉喷溅趋势的进一步发展。

实例三：

在转炉冶炼前阶段，向炉渣状态检测炼计算机1中输入转炉内炉底到炉口的高度H_Bof为8.5m，加入到转炉中的铁水质量W_iron为106ton，加入到转炉中的废钢质量W_fg为10ton。此外，设定a_gun＝0.2、b_gun＝0.8、a_氧气＝0.2、b_氧气＝0.8、a_烟气＝0.2、b_烟气＝0.8、a_CO＝0.2、b_CO＝0.8、a_S＝0.2、b_S＝0.8。

炉渣状态检测计算机1通过中间通讯PLC 2按照2s的采集周期，分别检测、分析出与判断炉渣状态相关的数据为：

通过氧气流量传感器3反馈、分析得到转炉冶炼阶段当前时刻氧气稳定流量为5.85m³/s；

通过重力传感器反馈、分析得到转炉冶炼前阶段最后时刻氧枪稳定质量为13510kg，转炉冶炼阶段当前时刻氧枪稳定质量为14320kg；

通过编码器5得到转炉冶炼阶段当前时刻氧枪吹炼高度H_gun ^τ为1.05m；

通过烟气流量传感器6得到转炉冶炼阶段当前时刻烟气稳定流量为9.15m³/s；

通过激光炉气分析仪7得到转炉冶炼阶段当前时刻CO的稳定体积百分含量为82％，CO₂的稳定体积百分含量为10.5％；

通过炉音声纳设备8得到转炉冶炼阶段当前时刻炉内噪音稳定音频强度为6.10KHz。

按照周期为2s向炉渣状态检测计算机1中输入当前120吨转炉冶炼阶段的氧气稳定流量氧枪稳定质量氧枪吹炼高度H_gun ^τ、烟气稳定流量CO的稳定体积百分含量CO₂的稳定体积百分含量通过炉渣状态检测计算机1中内置模型的计算，可知：

冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量为：

冶炼阶段当前时刻的脱碳系数为：

(dC/dt)^τ＝12×9.15×(82％+10.5％)/22.4＝4.53kg/s

冶炼阶段当前时刻的氧利用系数为：

(dC/dO)^τ＝100×4.53/5.85＝77.44％

转炉内钢水的深度为：

H_Steel＝0.0107×(106+10)+0.3033＝1.545m

当前时刻炉渣厚度为：冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量

因此，转炉冶炼阶段当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值为：

根据上述计算结果可知：冶炼阶段当前时刻的氧枪粘渣量为756.3kg，大于550kg；冶炼阶段当前时刻的氧利用系数(dC/dO)^τ为77.44％，大于75％；转炉冶炼阶段的当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值为63.05％，小于85％。因此，炉渣状态检测计算机1判定当前时刻炉渣状态为偏干，存在返干的风险，此时，炉渣状态检测计算机1将向现场操作人员发出蓝色报警灯提示，并发出报警声音，从而提醒现场操作工及时做好工艺调整工作，避免转炉返干趋势的进一步发展。

Claims (1)

1.一种动态判断转炉冶炼过程中的炉渣状态方法，其特征在于包含如下工艺步骤：

①安装在120吨转炉上的氧枪重力传感器检测氧枪重量，氧气流量传感器检测转炉冶炼过程中的氧气流量，氧枪吊运绞盘编码器检测氧枪的吹炼高度，即：氧枪喷头到钢水液面的高度，烟气流量传感器用于检测烟道内的烟气流量，炉音声纳设备收集检测转炉内噪音，激光炉气分析仪分析烟气中的CO和CO₂浓度；

②上述实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音以及烟气中的CO、CO₂浓度信息，将这些信息通过中间信息PLC传输到炉渣状态检测计算机中，利用计算机中的内置模型对这些信息进行复合动态分析，综合判断出炉渣当前时刻偏干或偏稀的状态，发出炉渣返干或喷溅的风险预警，及时处理；

具体步骤如下：

步骤1：在120吨转炉上安装检测设备，即：分别在转炉氧枪的氧气输送管道上安装氧气流量传感器，在氧枪吊装绞盘上安装重力传感器和编码器，在烟道上安装烟气流量传感器和激光炉气分析仪，在转炉口安装炉音声纳设备；然后将上述设备所实时采集到的氧气流量、氧枪重量、烟气流量、烟气中的CO体积百分含量和CO₂体积百分含量、炉内噪音信息通过RS232\485方式传输到中间通讯PLC，再通过工业以太网TCP/IP协议传输到计算机中，完成相关数据的采集工作；整个数据采集周期设定为1-2秒钟；

步骤2：在120吨转炉开始冶炼前，手动将计算机的工作模式调整为冶炼前控制模式；并将转炉内炉底到炉口的高度H_Bof以及加入到转炉中的铁水质量W_iron和废钢质量W_fg数据输入计算机中；

步骤3：在冶炼前控制模式下，计算机自动实时采集重力传感器、编码器、氧气流量传感器、烟气流量传感器、激光炉气分析仪、炉音声纳设备所实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音以及烟气中CO和CO₂体积百分含量信息，并利用计算机内置模型对上述数据进行分析，得出上述数据的稳定结果；

步骤4：在120吨转炉开始冶炼后，手动将计算机的工作模式调整为冶炼后控制模式，利用炉渣状态检测计算机中的内置模型，继续实时记录重力传感器、氧气流量传感器、编码器、烟气流量传感器、声纳设备、激光炉气分析仪所实时输出的氧枪质量、氧气流量、烟气流量、炉内噪音音频强度以及烟气中CO和CO₂浓度信息，并实时计算出冶炼后阶段当前时刻的氧枪稳定质量、氧气稳定流量、烟气稳定流量、CO稳定体积百分含量、CO₂稳定体积百分含量、炉内噪音稳定音频强度；

步骤5：计算机利用内置模型对120吨转炉冶炼过程中氧枪的粘渣质量进行分析；

步骤6：计算机对转炉冶炼过程中的氧利用系数进行分析；

步骤7：计算机利用内置模型，对已分析出的转炉冶炼阶段当前时刻氧枪粘渣质量氧利用系数(dC/dt)^τ、炉渣表面到炉口的垂直距离判断出当前时刻炉渣偏干或偏稀的状态；

步骤8：计算机在判断出120吨转炉冶炼过程中当前时刻炉渣状态后，根据炉渣当前状态，提醒现场操作人员及时操作措施，避免相关渣况趋势的进一步发展，确保生产的稳定和钢水的质量；

步骤9：当120吨转炉的当前炉次冶炼结束后，手动将计算机的工作模式调整为冶炼前控制模式；此时，计算机将停止内置模型对炉渣状态的预测工作；之后，计算机将根据生产计划，重新从步骤2开始，等待下一个炉次的炉渣状态预测工作；

步骤7判断出当前时刻炉渣偏干或偏稀的方法是：

(一)当满足以下几种条件中的一种或几种时，计算机将认为当前时刻炉渣可能偏干，即存在返干的风险：

①如果当前时刻氧枪粘渣质量超过550kg时，表明氧枪表面附着的炉渣较多，则计算机评估炉渣状态为偏干；

②如果当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ达到75％以上时，表明氧气利用率较高，导致炉渣中的FeO含量较低，则计算机评估炉渣状态为偏干；

(二)当满足以下几种条件中的一种或几种时，计算机将认为当前时刻炉渣偏稀，即存在喷溅的风险：

①如果当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ低于55％时，表明氧气利用率较低，导致炉渣中的FeO含量较高，则计算机对炉渣状态的评估为偏稀；

②如果当前时刻转炉冶炼阶段当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值达到85％以上时，表明炉渣已接近炉口，则计算机对炉渣状态的评估为偏稀；

(三)当同时满足以下条件时，计算机将认为当前时刻炉渣状态正常：

①当前时刻氧枪粘渣质量不超过550kg；

②当前时刻氧利用系数(dC/dt)^τ在55％和75％范围内；

③当前时刻转炉冶炼阶段当前时刻炉渣表面到炉底的高度与转炉内炉底到炉口的高度的比值不超过85％。