CN106872371A

CN106872371A - 一种钢水成分连续检测系统及方法

Info

Publication number: CN106872371A
Application number: CN201710123846.8A
Authority: CN
Inventors: 余杨
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2017-06-20
Also published as: CN115494010A

Abstract

本发明公开了钢水成分连续检测系统及方法，该系统包括设置于转炉炉体A上的检测探道和分析单元，所述检测探道内设置有光源探头，用于获取钢水光源E的信息；钢水光源E的信息中所包含的原子特征光谱复合光被分析单元分解为原子复合光谱G，将原子复合光谱G与计算机中元素数据库进行分析和计算；分析单元将钢水光源E的信息还原为温度光谱M，将温度光谱M与计算机中温度数据库内的温度数据进行对比和分析。本发明实现钢水温度/关键化学元素成分及含量的连续、实时、准确在线检测、显示和控制。本发明设计紧凑，组装迅速方便，设备投资低廉，工作可靠，不仅能适用于大、小型不同吨位转炉，而且从原理上讲，适用于任何不同吨位的各种冶金炉以及混铁炉和连铸机中间罐等。

Description

一种钢水成分连续检测系统及方法

技术领域

本发明专利属于冶炼生产检测设备技术领域，涉及一种钢水成分连续检测系统及方法。

背景技术

现代炼钢过程中必须进行钢水冶炼终点控制，即顶底复吹转炉炼钢吹炼终点(吹氧结束)时使金属的化学成分和温度同时达到计划钢种出钢要求而进行的控制。为实现钢水冶炼终点控制要求，就必须测量钢水温度、化学元素成分及含量，从而实现转炉炼钢终点钢水温度和关键化学元素成分及含量的准确在线检测和控制。当今为了缩短炼钢周期和提高生产率，在转炉冶炼作业生产中，测量钢水温度、化学元素成分及含量一般采用副枪装置+探头快速分析(仅适用于150t吨位以上大型转炉)以及转炉烟气分析方法。

副枪是指氧气顶吹转炉除供氧的氧枪之外，另外装备的一支类似于氧枪可以升降并直接插入熔池内的金属枪。副枪的端部可插装各种功能不同的探头，用以测定冶炼过程中炉内温度、成分等信息，再通过计算机将获得的各种信息进行分析和处理后传送至转炉主控室。由于副枪设备的不同布置，需作横移或旋转，高速升降、探头装卸以及探头仓装料等复合系列动作，机械设备和电气控制复杂、故障率高、投资昂贵。在高位工作环境中，副枪为细长水冷件易变形弯曲，这给探头自动准确接插、副枪各动作精准定位和可靠性，以及设备维护和维修等均带来诸多困难。另外，副枪对转炉钢水的测量是间断和不连续的，这就大大降低转炉动态控制中碳和温度同时达到出钢要求的命中率。此外，根据不同的检测目的，在炼钢生产中，副枪需插装和消耗大量不同功能的昂贵检测探头，并按副枪运行周期进行测量及探头取样分析和数据传送，这些不仅增加了生产成本、需设定副枪相应操作工岗位，而且延长了炼钢冶炼周期，降低了生产率。多年来，世界各国钢厂都在寻求一种可适用于大、小型不同吨位转炉及各类冶金炉，简便可靠，设备和检测成本低廉，能动态显示钢水温度、化学元素成分及含量，从而实现转炉炼钢终点钢水温度和关键化学元素成分及含量的连续、实时、准确无探头在线检测和控制的方法。

奥钢联的VAI-CON Chem测量系统作了这方面的尝试，该系统采用激光感应钢水等离子体光谱线和红外辐射法，连续测试熔池内钢水的化学成分和温度。该检测系统除测量计算机和光纤外，还采用激光系统、透镜和反光镜系统、紫外和红外光谱仪、摄像机等，不仅设备复杂昂贵，精密测量光学元件难以适应炼钢车间高温、烟雾、金属粉尘、震动以及强磁等各种恶劣环境，现场抗干扰较差，而且测量设备安装在冶金炉壳上，工作环境恶劣，影响测量设备寿命。此外，为了便于激光探入，钢水发射光源探测通道为水平设置，如果探测通道惰气(Ar/N₂)因事故停吹，钢水就会发生沿水平光源探测通道外溢事故，以上种种不足可能就是VAI-CON Chem钢水成分连续测量系统至今仍未在各国炼钢厂广泛应用的主要原因。

另外一种型式的钢水成分无探头在线检测系统为转炉烟气分析系统，由烟气取样和气体处理系统、质普分析仪、校验设备以及控制和通讯设备等组成。通过采用质普仪对转炉吹炼中的烟气成分实行连续检测、分析，将烟气分析数据作为动态控制模型的基础，分析结果用于转炉吹炼终点的确定、脱碳速率计算、钢水和渣成分预测、熔池温度预测等。具体检测方法是使用质普仪测量烟气中(如N2)的含量，用于预测钢水中剩余碳含量、终点时磷和锰的含量，也可以用来预测钢水温度。由于炉气取样水冷探头安装在转炉汽化烟道中，烟道内高温、多粉尘并有腐蚀性气体，探头的工作环境非常恶劣，长期运行中极易发生堵塞，直接影响检测和分析结果。另外，烟气分析系统一般安装在靠近取样头的转炉一次除尘烟道上方高位平台的分析小屋里，小屋必须保证隔热、防尘并设有空调通风等设施。考虑到维护人员的安全，分析小屋内还设有CO和O2浓度自动报警仪。转炉烟气分析系统预测的精度同时取决于底吹状况、氧枪高度、渣化学成分、造渣料加入制度、吹炼过程平稳性以及计算和控制模型等多因素影响。此外，该系统检测的转炉钢水温度、化学元素成分及含量均以收集的烟气(如N2)含量进行间接预测，不是直接检测，因此转炉出钢钢水终点温度、化学成分和含量检测精度和命中率较低，检测设备投资和维护工作量较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钢水成分连续检测系统及方法。该系统可适用于大、小不同型吨位转炉及各类冶金炉，简便可靠，设备和检测成本低廉，能动态和精确显示钢水温度、化学元素成分及含量，从而实现转炉炼钢终点钢水温度和关键化学元素成分及含量的连续、实时、准确无探头在线检测、显示及控制。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：包括设置于转炉炉体A上的检测探道和分析单元，检测探道与炉体内部空间相通；所述检测探道内设置有光源探头，用于获取钢水光源E的信息；

钢水光源E的信息中所包含的原子特征光谱复合光被分析单元分解为原子复合光谱G，将原子复合光谱G与计算机中元素数据库进行分析和计算，实现关键化学元素成分及含量的连续、实时、准确在线检测、显示和控制；

分析单元将钢水光源E的信息还原为温度光谱M，将温度光谱M与计算机中温度数据库内的温度数据进行对比和分析，实现钢水温度的连续、实时、准确在线检测、显示和控制。

进一步，所述分析单元包括光源接收器、分光仪、工业相机I、工业相机II和测量计算机，所述分光仪与工业相机I连接，工业相机I与测量计算机连接；所述光源接收器与工业相机II连接，工业相机II与测量计算机连接；所述光源接收器、分光仪分别与光源探头连接。

进一步，所述光源探头为一个探头，光源探头获得的钢水光源E的信息被分成两路传输至分析单元，一路进入到光源接收器中，另一路进入到分光仪中。

进一步，所述光源探头包括探头I和探头II，所述探头I经光纤电缆I与分光仪连接，所述探头II经光纤电缆II与光源接收器连接。

进一部，检测系统还包括光纤电缆接口，光纤电缆接口用于连接转炉钢水检测探道内部光纤电缆与外部光纤电缆I和光纤电缆II。光纤电缆接口可使转炉钢水检测探道内部光纤电缆与外部光纤电缆I和光纤电缆II能快速连接和脱开。

进一步，所述检测探道向上与钢水液面D倾斜一角度θ插入炉体内。

进一步，所述检测探道的入口处位置高于钢水液面D。

进一步，所述检测探道伸入到炉内的端部设置有喷嘴，检测探道的入口处设置有惰气喷吹入口。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：一种钢水成分连续检测方法，其特征在于：光源探头获取钢水光源E的信息；

由于采用以上技术方案，本发明具有以下优点：

本发明设计紧凑，组装迅速方便，设备投资低廉，工作可靠，不仅能适用于大、小型不同吨位转炉，而且从原理上讲，适用于任何不同吨位的各种冶金炉，包括LD、OBM、AOD、EOF、EAF、铁水包、各类二次精炼设备(如：LF、CAS-OB、VOD和RH)，以及混铁炉和连铸机中间罐等。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为一种钢水成分无探头连续检测系统图；

图2为钢水某一温度下，原子复合光谱示意图；

图3为钢水某一温度下，n个元素成分示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例，图1中的一种钢水成分连续检测系统，主要由探测喷嘴1、检测探道2、光源探头I3、光源探头II4、惰气喷吹入口5、光纤电缆接口6、光纤电缆I7、光纤电缆II8、光源接收器9、工业相机I10、分光仪11、工业相机II12、温度数据库13、元素数据库14及测量计算机15组成。

图1中A为炼钢转炉炉体、B为吹氧(O₂)氧枪、D为钢水液面、E为钢水光源、θ为检测探道2与钢水液面D倾斜角度，Ar/N₂为惰性气体，G为原子复合光谱，M为钢水温度光谱。

检测探道2安装固定在炼钢转炉炉体A上，检测探道的上部内装光源探头I3和光源探头II4，并分别与光纤电缆I7和光纤电缆II8连接，光纤电缆I7和光纤电缆II8的另一端分别与光源接收器9和分光仪11连接。检测探道2上端在炼钢转炉炉体A外部，分别设有Ar/N₂惰气喷吹入口5和光纤电缆接口6，惰气喷吹入口5与检测探道2通道孔相通，光纤电缆接口6用于光纤电缆的快速连接和分离。检测探道2下端设有探测喷嘴1，探测喷嘴1与转炉炉体熔池钢水相通。工业相机I10和工业相机II12用电缆与测量计算机15连接，分别将所测量的钢水温度光谱M和原子复合光谱G电信号输入测量计算机15，并与储存在测量计算机15内的温度数据库13和元素数据库14进行分析、计算和比对。

钢水成分无探头连续检测系统的工作原理：利用检测探道2通道孔上部内装光源探头I3和光源探头II4，同步抓取经转炉炉体熔池喷吹空腔所发射的钢水光源E信息。钢水光源E信息通过二路各自独立的光纤电缆I7和光纤电缆II8传导，光纤电缆I7与光源接收器9连接，光纤电缆II8与分光仪11连接。光源接收器9将钢水光源E信息的光谱还原，用工业相机I10进行连续拍摄和光电转化，将钢水温度光谱M相应电信号输入测量计算机15，并与储存在测量计算机15内的温度数据库13进行对比和分析。分光仪11将钢水光源E信息中所包含的钢水化学元素及含量，即原子特征光谱复合光分解为光谱线，并用工业相机II12进行直接拍摄及光电转化，用分析软件将钢水所测原子复合光谱G与反映光谱波长强度与元素含量关系的元素数据库14通过测量计算机15进行分析和计算。通过以上二路光源信息的传导和处理，即可实现本检测系统对转炉炼钢终点钢水温度和关键化学元素成分及含量的连续、实时、准确在线检测、显示和控制。

图2钢水某一温度下，原子复合光谱示意图中的x坐标为光谱波长，单位为纳米(nm)，对应钢水元素成分；y坐标为光谱波长对应的原子发射强度，单位为a.u.，反映钢水元素成分的浓度或含量。

图3钢水某一温度下，n个元素成分示意图中的X坐标代表钢水成分中所有化学元素，如：Fe、C、Mn、N等；Y坐标代表相应化学元素的含量，如：YFe、YN、YC、YMn、Yn等；Z坐标(指向垂直纸面)代表元素分档温度。其中图2中y坐标的光谱波长对应的原子发射强度与图3中Y坐标的化学元素的含量存在对应的函数关系。

不同元素由于原子结构不同，经激发所产生的光谱线具有特征性，所以称为特征光谱。每种物质的原子都有自己的能级结构，原子通常处于基态，当受到外部激发(加热)后，可由基态迁到能量较高的激发态。由于激发态的不稳定，处于高能级的原子很快就返回基态，此时发射出包含不同波长(频率)的光，这些光经色散元件(分光仪11)，即可将光源发出的复合光分解成按波长顺序排列的谱线，得到每种物质对应的特征光谱。而特征光谱是由物质中所含元素的成分、多少和结构决定的，根据待测元素原子的浓度不同，发射强度不同，可实现元素浓度的定量测定。因此，分析和对比物质的特征光谱，就可以了解物质的组成和各成分的含量，这就是本测量系统思路的理论基础。

具体来说，含有多种不同元素成分的钢水激发光源将产生有每种元素特定波长组成的复合光，通过分光仪11将这些波长分开，就能测定存在哪一种元素和这些波长中每一种波长的强度，这些强度和相应的元素的浓度成一定的函数关系，也就是对应了相应的元素的含量关系，同时利用电子接收系统(工业相机II12)进行信息光电转化，将元素特征光谱颜色图像信息转化为有序的原子复合光谱G电信号，再用测量计算机15对比和处理这些电信号，这样就可以测出钢水中相关元素及含量(浓度)。

温度数据库13和元素数据库14是实现本测量系统思路的关键所在，其目的是利用计算机分析软件将钢水光源E复合光忠实呈现的钢水温度光谱M和元素成分原子复合光谱G与温度数据库13和元素数据库14进行精准对比和计算，从而在线实时分析、判定和显示冶炼作业钢水温度、所含元素及对应元素含量。

温度数据库13：钢水温度热能量光谱与钢水成分和含量无关，钢水温度范围：1500℃～1750℃，如果精度0.5℃，可分为500档。在一充满惰气(如氩气)的加热容器中，在某一温度范围内(如：1500℃～1750℃)，按一定档次范围(如：0～500档)逐档以设定温度精度(如：0.5℃)加热容器中样品钢水，同时用工业相机拍摄相应各档次温度热能量光谱，并转化为对应电信号储存于测量计算机15数据库中，即获得温度数据库13。

元素数据库14：通过元素加热试验，找出图2中y坐标的光谱波长对应的原子发射强度与图3中Y坐标的化学元素的含量存在对应的函数关系。每种元素含量也按区间分档，根据具体元素含量分档(如：100档)，如碳元素：0.05％～5％，即5～500当量，当量差0.01％，可分495档。在一充满惰气(如氩气)的加热容器中，在某一温度将某种定量元素按各分档含量加热，使该档含量元素熔化或汽化，可得到该定量元素在各分档含量与特征波长相应原子发射强度的对应值，同时用工业相机拍摄该定量元素在各分档含量与特征波长相应原子发射强度，并转化为对应电信号储存于测量计算机15数据库中，即获得元素数据库14。

每次从光源取复合光是随机的，但每次光源取光在温度数据库13和元素数据库14中都有与之接近的光谱对应，通过计算机分析、对比和计算，显示所测钢水温度和成分。误差取决于样本分级的多少，误差在能接受的范围内即可。

为了采集连续和清晰的、含有复杂成分的钢水发射光源信息，通过检测探道2上端惰气喷吹入口5向熔池内吹入惰性气体(Ar/N₂)，可清晰地检测到探测喷嘴1端部前方钢水表面上形成的脉动球形空腔高保真钢水光源E原色光谱。检测探道2上端惰气喷吹入口5与检测探道2内装光纤和光源探头I3及光源探头II4的通道相通，吹入的惰性气体一方面使钢水检测部位排渣纯净，使其钢水光源E清晰，另方面也可吹扫冷却检测探道2内装光纤和光源探头I3及光源探头II4。与此同时，还可减轻探测喷嘴1受到的钢水侵蚀。由探测喷嘴1喷入熔池的惰性气体，在钢水熔池内上浮并扩散至冶炼钢液面D上方的炉内空间里。

钢水检测探道2向上与钢水液面D倾斜一角度θ插入熔池，防止因事故停吹，钢水沿钢水探测通道2外溢事故发生。

光源接收器9、工业相机I10、分光仪11、工业相机II12以及测量计算机15等检测和分析设备通过光纤电缆接口6及光纤电缆7和光纤电缆8连接(其中工业相机I10和工业相机II12分别与测量计算机15用电缆连接)，可方便地设置在就近的转炉主控制室里面，工作环境理想，便于操作和维护。光纤电缆接口6固定在钢水检测探道2上，光纤电缆接口6使转炉钢水检测探道2内部光纤电缆与外部光纤电缆I7和光纤电缆II8能快速连接和脱开，便于光源探头I3和光源探头II4等检测设备的安装、维护和更换。

本发明设计紧凑，组装迅速方便，设备投资低廉，工作可靠，可实现对转炉炼钢终点钢水温度和关键化学元素成分及含量的连续、实时、准确在线检测、显示和控制。不仅能适用于大、小型不同吨位转炉，而且从原理上讲，适用于任何不同吨位的各种冶金炉，包括LD、OBM、AOD、EOF、EAF、铁水包、各类二次精炼设备(如：LF、CAS-OB、VOD和RH)，以及混铁炉和连铸机中间罐等。由于取代了传统和昂贵的转炉副枪探头机械装置和控制系统，不仅显著降低钢水检测设备投资以及操作、维护和维修成本，能准确控制钢水终点状态，而且大大缩短炼钢冶炼周期，还可免去生产中副枪检测探头消耗，经济和优化炼钢过程所添加的各种物料和合金，有效降低炼钢成本和提高产量。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变或组合，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：包括设置于转炉炉体A上的检测探道(2)和分析单元，检测探道与炉体内部空间相通；所述检测探道内设置有光源探头，用于获取钢水光源E的信息；

钢水光源E的信息中所包含的原子特征光谱复合光被分析单元分解为原子复合光谱G，将原子复合光谱G与元素数据库(14)进行分析和计算，实现关键化学元素成分及含量的连续、实时、准确在线检测、显示和控制；

分析单元将钢水光源E的信息还原为温度光谱M，将温度光谱M与温度数据库(13)内的温度数据进行对比和分析，实现钢水温度的连续、实时、准确在线检测、显示和控制。

2.根据权利要求1所述的一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：所述分析单元包括光源接收器(9)、分光仪(11)、工业相机I(12)、工业相机II(10)和测量计算机(15)，所述分光仪与工业相机I连接，工业相机I与测量计算机连接；所述光源接收器与工业相机II连接，工业相机II与测量计算机连接；所述光源接收器、分光仪分别与光源探头连接。

3.根据权利要求2所述的一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：所述光源探头为一个探头，光源探头获得的钢水光源E的信息被分成两路传输至分析单元，一路进入到光源接收器中，另一路进入到分光仪中。

4.根据权利要求2所述的一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：所述光源探头包括光源探头I(4)和光源探头II(3)，所述光源探头I经光纤电缆I(8)与分光仪连接，所述光源探头II经光纤电缆II(7)与光源接收器连接。

5.根据权利要求3所述的一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：检测系统还包括光纤电缆接口(6)，光纤电缆接口用于连接转炉钢水检测探道(2)内部光纤电缆与外部光纤电缆I(8)和光纤电缆II(7)。

6.根据权利要求1所述的一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：所述检测探道(2)向上与钢水液面D倾斜一角度θ插入炉体内。

7.根据权利要求2所述的一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：所述检测探道(2)的入口处位置高于钢水液面D。

8.根据权利要求3所述的一种钢水成分连续检测系统，其特征在于：所述检测探道伸入到炉内的端部设置有喷嘴(1)，检测探道(2)的入口处设置有惰气喷吹入口(5)。

9.一种钢水成分连续检测方法，其特征在于：光源探头获取钢水光源E的信息；