CN111575443B - 一种aod炉冶炼低碳合金的供气装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AOD炉冶炼低碳合金的供气装置及方法，供气装置包括有氧气源、惰性气体源、顶枪、主底枪、副底枪、控制器、第一供气管路和第二供气管路，其中顶枪设在炉体的顶部，主底枪和副底枪设在炉体的底部，氧气源通过第一供气管路分别与顶枪、主底枪和副底枪相连通，氧气源分别为顶枪、主底枪和副底枪提供氧气，其方法为：第一步、准备工作；第二步、冶炼供气过程；第三步、关机步骤。有益效果：实现AOD法脱除合金杂质过程供气流量自动调节，达到了合金冶炼无人值守；提高了生产效率、降低了冶炼成本、改善了工人工作的环境，切实地提高了冶炼低碳合金的自动化控制程度，可靠性高，实用效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种AOD炉冶炼的供气装置及方法，特别涉及一种AOD炉冶炼低碳合金的供气装置及方法。
背景技术
氩氧精炼脱碳炉简称AOD炉，冶炼低碳合金的原理是将氧气和惰性气体输入高温熔融状态的金属熔液，金属熔液中的碳、硫、磷等杂质被氧化脱除，氧化反应释放的热量可以维持脱除杂质所必须的温度。冶炼过程既要保证较高的脱除杂质的速率，又要根据反应原理使冶炼温度维持在一定的范围之内，同时还要兼顾炉体各部分的使用寿命，因此需要控制向炉内吹入的氧气和惰性气体的流量。合理的AOD炉供气方法可以精确的控制冶炼温度、缩短冶炼时间、减少添加剂消耗和减少金属入渣率。
授权专利申请(201010115072.2)提供了大氧量吹炼和在较高温度下对高碳铬铁合金熔体精炼的方法。当出现喷溅现象时通过氮气降温，温度较低时通过加入铝锭迅速增温。实现了精炼低碳铬铁的目的，但是这种供气方式始终保持较大的供气流量，冶炼温度很难控制稳定，通过氮气降温和铝锭增温也会造成额外的消耗。
文献1(冯军,林碧翠,李向东.AOD法中供气系统的分析与改进[J].冶金动力,1995(03):38-40.)提出了二阶段供气冶炼超低碳不锈钢的方案，第一阶段按照3：1的比例吹入氧气与惰性气体；第二阶段按照1：1的比例吹入氧气与惰性气体。虽然在生产实践中得到了验证，但是熔体含量的变化势必造成吹入气体的利用率降低。
授权专利申请(201310160081.7)提出了一种安装三只以上喷嘴均匀安置在AOD炉炉底，并采用三阶段喷气氧化脱碳的方式冶炼不锈钢。每个阶段采用固定的喷入氧和氩气的比例和流量来控制冶炼过程。这种方法没有按照熔体元素含量连续调整喷气流量和比例，容易造成冶炼温度不稳定和金属元素过度氧化。
综上，国内生产企业在精炼过程中的供气制度是根据取样检测的碳含量，进行分段式控制吹入炉内的氧气与惰性气体的流量和比例。这种供气方法存在脱碳速率不稳定、冶炼温度波动较大的缺点，经常造成冶炼过程的喷溅和复吹现象。因此，制定更加精确的AOD炉冶炼过程的供气方法是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的AOD炉冶炼低碳合金供气方法以及装置自动化程度低、脱碳速率不稳定、冶炼温度波动较大，经常造成冶炼过程的喷溅和复吹的问题而提供的一种AOD炉冶炼低碳合金的供气装置及方法。
本发明提供的AOD炉冶炼低碳合金的供气装置包括有氧气源、惰性气体源、顶枪、主底枪、副底枪、控制器、第一供气管路和第二供气管路，其中顶枪设在炉体的顶部，主底枪和副底枪设在炉体的底部，氧气源通过第一供气管路分别与顶枪、主底枪和副底枪相连通，氧气源分别为顶枪、主底枪和副底枪提供氧气，第一供气管路上设置有执行机构和信号采集机构，第一供气管路上的执行机构和信号采集机构均与控制器相连接，第一供气管路上的信号采集机构能够把采集的数据实时传输给控制器，控制器根据收到的信号控制第一供气管路上执行机构的工作，惰性气体源通过第二供气管路分别与顶枪、主底枪和副底枪相连通，惰性气体源为顶枪、主底枪和副底枪提供惰性气体，第二供气管路上也设置有执行机构和信号采集机构，第二供气管路上的执行机构和信号采集机构均与控制器相连接，第二供气管路上的信号采集机构能够把采集的数据实时传输给控制器，控制器根据收到的信号控制第二供气管路上执行机构的工作。
顶枪为两层套管结构，内套管通过三通连接器分别连通第一供气管路和第二供气管路，从而得到氧气和惰性气体的输入，正常冶炼时顶枪向熔池供氧气，当出现熔池温度过高，发生喷溅事故时，控制器将顶枪切换成供惰性气体，为熔池降温，抑制喷溅事故；顶枪外套管连通冷却机构，冷却机构为顶枪降温，防止顶枪熔蚀。顶枪还连接有升降机构，通过该升降机构调整顶枪的高度。
主底枪和副底枪分别从炉体底部的两侧插入炉体内，主底枪和副底枪分别与炉底平面呈60度角对称安装，主底枪和副底枪均为两层套管结构，主底枪和副底枪的内套管通过第一供气管路与氧气源相连通并向炉体底部吹入氧气，用于氧化去除杂质；主底枪和副底枪的外套管通过第二供气管路与惰性气体源相连通并向炉体底部吹入惰性气体，用来混匀熔池。
第一供气管路上的信号采集机构包括有第一温度传感器、第一压力传感器、第一气体流量传感器和第二气体流量传感器，第一温度传感器、第一压力传感器、第一气体流量传感器和第二气体流量传感器均与控制器连接，第一温度传感器、第一压力传感器、第一气体流量传感器和第二气体流量传感器能够把采集的数据实时传输给控制器，第一供气管路上的执行机构包括有第一自动调节阀和第二自动调节阀，第一自动调节阀和第二自动调节阀均与控制器相连接并由控制器控制开合，第一压力传感器和第一自动调节阀之间的第一供气管路上还依次装配有第一手动调节阀、第一过滤器和第一止回阀。
第二供气管路上的信号采集机构包括有第二温度传感器、第二压力传感器和第三气体流量传感器，第二温度传感器、第二压力传感器和第三气体流量传感器均与控制器相连接，第二温度传感器、第二压力传感器和第三气体流量传感器能够把采集的数据实时传输给控制器，第二供气管路上的执行机构包括有第三自动调节阀和快速切断阀，第三自动调节阀和快速切断阀均与控制器连接并由控制器控制开合，第二压力传感器和快速切断阀之间的第二供气管路上还依次装配有第二手动调节阀、第二过滤器和第二止回阀。
控制器连接有红外测温仪和光谱分析仪，红外测温仪用来检测冶炼温度，光谱分析仪用来检测熔池内熔液的元素含量，冶炼温度和熔液的元素含量通过数据线传输给控制器。
控制器包括有电源模块、CPU模块、模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块和触摸屏，电源模块为CPU模块、模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块以及触摸屏供电，模拟量输入/输出模块设置有四路模拟量输入端口和四路模拟量输出端口，数字量输入/输出模块设置有八路数字量输入端口和八路数字量输出端口，模拟量输入端口接收第一温度传感器和第二温度传感器采集的第一供气管路和第二供气管路中的氧气温度和惰性气体温度，数字量输入端口接收由第一压力传感器检测的第一供气管路内的压力、由第二压力传感器检测的第二供气管路内的压力、由第一气体流量传感器检测的顶枪的氧气流量、第二气体流量传感器检测的主底枪和副底枪的氧气流量、由第三气体流量传感器检测的主底枪和副底枪的惰性气体流量、由红外测温仪检测的冶炼温度以及由光谱分析仪检测的元素含量，CPU模块从模拟量输入端口和数字量输入端口接收检测数据，并将接收到的数据进行处理和运算，CPU模块将模拟量控制指令通过模拟量输出端口传送给执行机构，通过数字量输出端口向外部设备发出数字量控制信号，CPU模块通过模拟量输出端口发出指令控制第一自动调节阀、第二自动调节阀、第三自动调节阀的开度，CPU模块与触摸屏之间通过数据线连接，触摸屏用于设定参数和显示冶炼过程参数，触摸屏能够实时显示冶炼过程的供气参数，自动运行时不能修改参数，切换到手动功能时，可以对供气过程进行人工干预；当有故障时，弹出故障信息，显示故障的类型以及处理方法。
本发明提供的AOD炉冶炼低碳合金的供气方法，其方法如下所述：
第一步、准备工作：
(1)、全面检查装置，确保各部件处于正确状态，特别是第一供气管路压力正常和第二供气管路压力正常；
(2)、开启系统总电源，待系统程序载入完成后，检查触摸屏显示的各温度、压力、流量数值及指示灯是否正常；
(3)、通过触摸屏将冶炼终点的元素含量目标值输入系统；
(4)、通过触摸屏设定顶枪、主底枪和副底枪气体的初始流量值；
第二步、冶炼供气过程：
(1)、启动控制器，程序按照预定流量调节主底枪和副底枪的二个供气自动阀门，将主底枪和副底枪氧气流量调至初始值，惰性气体流量调至初始值，同时启动冷却机构；
(2)、检测系统的供气流量，当主底枪和副底枪各管路供气流量达到预设值时，倾炉装入熔融的高碳合金熔液，然后扶正炉体；
(3)、调整顶枪高度，顶枪以初始最大流量供氧气，开始冶炼；
(4)、控制器根据接收到的冶炼温度和熔池内元素含量连续调节第一自动调节阀、第二自动调节阀、第三自动调节阀的开度，主底枪和副底枪的供惰性气体流量随主底枪和副底枪供氧气流量按线性规律反向调整；
(5)、随着冶炼过程的进行，熔池内碳含量及其他杂质含量逐渐降低，当碳含量下降至2％以下时，停止顶枪供氧；
(6)、主底枪和副底枪供氧使熔池内碳元素继续氧化去除，检测熔池内各元素的含量；当熔池内各元素含量均符合产品标准时，停止主底枪和副底枪供氧，倾炉倒出合格产品；再进行关机操作；
第三步、关机步骤：
(1)、关闭第三自动调节阀，停止主底枪和副底枪供惰性气体；
(2)、关闭冷却机构；
(3)、关闭系统各仪表电源及总电源；
(4)、系统停机完毕，待下一次操作。
上述的第一温度传感器、第一压力传感器、第一气体流量传感器、第二气体流量传感器、第一自动调节阀、第二自动调节阀、第一手动调节阀、第一过滤器、第一止回阀、第二温度传感器、第二压力传感器、第三气体流量传感器、第三自动调节阀、快速切断阀、第二手动调节阀、第二过滤器、第二止回阀、红外测温仪、光谱分析仪、电源模块、CPU模块、模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块和触摸屏均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
本发明提供的装置和方法的工作原理如下所述：
1、建立温度变化速率与熔池内元素氧化速率关系的数学模型：
1.1、计算元素的反应速率
元素氧化发生在气液界面，界面上元素的传递速率可以由传质理论计算。因此，元素的氧化速率可以通过元素的传质速率来计算。
1.1.1、计算碳元素的氧化速率
由于铬铁中碳的含量很低，可以计算为稀溶液。碳在气液边界层中的扩散是影响碳元素氧化速率的主要因素。根据传质理论，碳在气液界面的传质速率计算如下：
(c[C]-c[C]s)＝Δc[O]
(铬铁液中碳浓度-铬铁液气泡界面处碳浓度)＝钢液中氧浓度-气泡界面处氧浓度＝平衡氧浓度
A-单个气泡面积，A＝2πr2；
kd-氧的传质系数，
DC-熔池中碳的扩散系数，DC＝5×10-9m2/S；
g-重力加速度，g＝9.8m/s2；
π-圆周率；
r-气泡半径，
Δc[O]平衡氧浓度，Δc[O]＝(c[O]-c[O]s)，
Δω[O]过饱和值0.015％-0.025％；
R-气体常数，R＝-8.314J·mol-1K-1；
ρ-铬铁液密度，ρ＝7×103kg/m3；
pg-标准气压；
h-熔池深度；
单位时间气泡上浮引起铬铁液体中碳含量下降为d[C]wt％，dnC与d[C]wt％的关系为：
由此可得铬铁液中碳含量变化率：
根据熔池温度、冶炼时间及铬铁液体重量，可以估计熔池内碳含量的氧化速率，从而预测熔池碳含量。
碳元素的氧化反应是放热反应，释放的热量可以计算如下：
[C]wt％是熔池中碳元素的氧化速率，
是碳氧化的反应焓。
1.1.2、计算硅元素氧化速率
硅元素的传质速率可以用下式计算：
kSi-硅的传质系数，
DSi-熔池中硅的扩散系数，DSi＝0.44×10-9m2/S；
MSi硅的摩尔质量，MSi＝28×10-3kg/mol；
则硅的氧化速率：
硅的氧化情况与碳相似，界面硅传质速率
DSi＝0.44×10-9m2/S
则硅的氧化速率：
根据熔池温度、冶炼时间及铬铁液体重量，可以估计熔池内硅含量的氧化速率，从而预测熔池硅含量。
硅元素的氧化反应是放热反应，释放的热量可以计算如下：
[Si]wt％是熔池中硅元素的氧化速率，
是硅氧化的反应焓。
1.1.3、计算铬和铁元素氧化速率
在氩氧脱碳过程中，铬和铁不断的进行氧化还原反应。铁的氧化热和铬的氧化热可以用炉渣中的FeO重量百分比和Cr2O3重量百分比来计算。
铬元素被氧化产生Cr2O3，是放热反应，释放的热量可以由下式计算：
其中，W-熔池内铬铁熔液的质量；
-炉渣占炉内物质质量的百分比；[Cr]wt％-炉渣中铬元素的百分比；
是铬氧化的反应焓。
铁元素被氧化产生FeO，是放热反应，释放的热量可以由下式计算：
[Fe]wt％-炉渣中铁元素的百分比；
是铁氧化的反应焓。
根据预测得到的熔池内碳、铬、硅等元素含量和熔池温度调节供气速率和比例，可以缩短冶炼时间，节省添加剂和吹气消耗量。
1.2、计算炉体散热量
AOD炉的炉体由炉身和炉帽两部分组成，炉身为圆柱体及一倒置的截头圆锥体，其尺寸的比例大致为：熔池深度：钢渣面直径：炉膛总高比例为：1：2：3。炉身下部侧墙的倾角为20～25°，为了方便计算，炉身按照圆柱计算。炉身部分的耐火衬分两部分：内层是工作层，由铬镁质耐火砖砌成，厚度为300-400毫米；外层为保温衬，用厚度为100-150毫米的耐火粘土砖砌筑。它在AOD炉冶炼生产低碳铬铁过程中，炉内冶炼温度1600-1800℃炉体外壁温度大约350℃，远高于现场周围环境温度(20-30℃)，炉体热损失由炉体传导热及辐射热、炉底传导热及辐射热、炉口烟气带走热量等方式散热于周围环境中。根据传导传热速率方程可以计算出冶炼炉体的散热损失。
三层炉衬热传导速率：
T1℃炉内温度，
T4℃炉外壁温度，λ1＝12.6-1.55*10-2t+6.05*10-6t2＝3.49，工作层镁砖热导率，λ2＝2-0.349*10-3t＝1.42，永久层镁铬砖热导率，λ3＝60，铁炉壳热导率，内半径r1＝0.7m，r2＝1.0m，r3＝1.06m，r4＝1.15m带入上式求得qt＝41.87ΔT
炉体热传导计算：
炉底部热传导速率：
工作层镁砖厚度δ1＝0.6m，永久层镁铬砖厚度δ2＝0.12m，铁炉壳厚度δ3＝0.1m。
δi-各层厚度
带入上式求得qd＝3.12ΔT
1.3、计算烟气损失的热量
烟气热量损失用物质的热量计算公式：
Qy＝CmT
c—物质的比热容，
m—物质的质量Kg
T—物质的温度
由气体质量计算公式：
pV＝nRT得pV＝mRT/M
得出：
m＝pVM/RT
m单位Kg为质量；
p单位为气体压强Pa；
V单位为气体体积m3。
M为气体摩尔质量
t单位℃为气体温度
用烟气流量替换气体体积，可得烟气热量损失速率为：
其中，cy表示烟气的比热容，Py表示烟气的压力，
表示烟气的流量，My表示烟气的摩尔质量，R表示气体常数，Tg表示烟气温度。
烟气的组成包含一氧化碳和惰性气体，因此可以根据碳氧化速率和吹入的惰性气体的速率计算烟气中一氧化碳和惰性气体的比例，从而计算烟气的摩尔质量和烟气的比热容；烟气的流量可以由安装在排烟管道的气体流量传感器测得；烟气的温度按照冶炼温度计算。
由于高温精炼过程的物理化学反应复杂，吹入氧气速率、加料的量、及熔池内元素的扩散速率等都会影响反应速率。所以氧气的吹入量需要根据熔池内碳含量和冶炼温度进行连续调节。根据以上计算得到冶炼过程中的放热反应和炉体热量损失，可以建立冶炼过程的热量平衡关系。根据热量平衡模型计算维持炉内碳含量氧化速率和熔池温度恒定所需的氧气消耗量，实时调节供氧速率，，而惰性气体主要作用是混匀熔液，因此保持在一个相对稳定的状态即可。从而确定精确的供气制度。冶炼过程的热量输入项和热量输出项如表1所示：表1.热量输入项和热量输出项
根据能量守恒和热量分析可以得到冶炼过程的热量平衡方程如下：
根据热量平衡方程得到吹入氧气的速率与碳含量和炉温的数学模型如下：
整理得到：
由冶炼过程的升温速率模型可见，熔池温度与吹氧速率、吹氧时间及铬铁水重量相关。冶炼过程中吹入的氧气速率随着碳、硅等杂质的减少而降低。为了加速炉内熔液混匀，并减小一氧化碳在熔池内的分压，从而促进碳元素的氧化，惰性气体的吹入速率在保持吹入气体总速率恒定的基础上，与氧气吹入速率成反比。
由此得到了AOD炉的供氧气模型，根据AOD炉的供氧气模型计算出合金产品的供氧流量。
2、使用红外测温仪检测冶炼温度，并将温度值送入控制器；使用光谱分析仪检测熔池内元素含量，并将检测值送入控制器。
3、控制器根据接收到的冶炼温度和熔池内元素含量连续调节第一自动调节阀、第二自动调节阀和第三自动调节阀的开度，调节顶枪的氧气流量、主底枪和副底枪的氧气流量以及主底枪和副底枪的惰性气体的流量。
4、随着冶炼过程的进行，熔池内碳含量及其他杂质含量逐渐降低，当碳含量下降至2％以下时，停止顶枪供氧。
5、主底枪和副底枪供氧使熔池内碳元素继续氧化，检测熔池内各元素的含量，当熔池内各元素含量均符合产品标准时，停止主底枪和副底枪供氧，倾炉倒出合金产品，结束冶炼。
本发明的有益效果：
本发明通过AOD炉冶炼过程的供气自动控制装置的使用，实现AOD法脱除合金杂质过程供气流量自动调节，达到了合金冶炼无人值守；提高了生产效率、降低了冶炼成本、改善了工人工作的环境，切实地提高了冶炼低碳合金的自动化控制程度，可靠性高，实用效果明显。
附图说明
图1为本发明所述的AOD炉冶炼低碳合金供气装置结构示意图。
图2为本发明所述的控制器内部结构示意图。
图3为本发明所述的用于计算炉体散热损失的AOD炉结构示意图。
图4为本发明所述的冶炼过程碳含量和硅含量的变化曲线示意图。
图5为本发明所述的冶炼过程中铬含量的变化曲线示意图。
图6为本发明所述的冶炼过程中熔池温度变化曲线示意图。
上图中的标注如下：
1、氧气源 2、惰性气体源 3、顶枪 4、主底枪 5、副底枪
6、控制器 7、炉体 8、第一供气管路 9、第二供气管路
10、冷却机构 11、升降机构 12、第一温度传感器 13、第一压力传感器
14、第一气体流量传感器 15、第二气体流量传感器 16、第一自动调节阀
17、第二自动调节阀 18、第一手动调节阀 19、第一过滤器
20、第一止回阀 21、第二温度传感器 22、第二压力传感器
23、第三气体流量传感器 24、第三自动调节阀 25、快速切断阀
26、第二手动调节阀 27、第二过滤器 28、第二止回阀
29、红外测温仪 30、光谱分析仪 31、电源模块 32、CPU模块
33、模拟量输入/输出模块 34、数字量输入/输出模块 35、触摸屏。
具体实施方式
请参阅图1至图6所示：
本发明提供的AOD炉冶炼低碳合金的供气装置包括有氧气源1、惰性气体源2、顶枪3、主底枪4、副底枪5、控制器6、第一供气管路8和第二供气管路9，其中顶枪3设在炉体7的顶部，主底枪4和副底枪5设在炉体7的底部，氧气源1通过第一供气管路8分别与顶枪3、主底枪4和副底枪5相连通，氧气源1分别为顶枪3、主底枪4和副底枪5提供氧气，第一供气管路8上设置有执行机构和信号采集机构，第一供气管路8上的执行机构和信号采集机构均与控制器6相连接，第一供气管路8上的信号采集机构能够把采集的数据实时传输给控制器6，控制器6根据收到的信号控制第一供气管路8上执行机构的工作，惰性气体源2通过第二供气管路9分别与顶枪3、主底枪4和副底枪5相连通，惰性气体源2为顶枪3、主底枪4和副底枪5提供惰性气体，第二供气管路9上也设置有执行机构和信号采集机构，第二供气管路9上的执行机构和信号采集机构均与控制器6相连接，第二供气管路9上的信号采集机构能够把采集的数据实时传输给控制器6，控制器6根据收到的信号控制第二供气管路9上的执行机构工作。
顶枪3为两层套管结构，内套管通过三通连接器分别连通第一供气管路8和第二供气管路9，从而得到氧气和惰性气体的输入，正常冶炼时顶枪3向熔池供氧气，当出现熔池温度过高，发生喷溅事故时，控制器6将顶枪3切换成供惰性气体，为熔池降温，抑制喷溅事故；顶枪3外套管连通冷却机构10，冷却机构10为顶枪3降温，防止顶枪3熔蚀。顶枪3还连接有升降机构11，通过该升降机构11调整顶枪3的高度。
主底枪4和副底枪5分别从炉体7底部的两侧插入炉体7内，主底枪4和副底5枪分别与炉底平面呈60度角对称安装，主底枪4和副底枪5均为两层套管结构，主底枪4和副底枪5的内套管通过第一供气管路8与氧气源1相连通并向炉体7底部吹入氧气，用于氧化去除杂质；主底枪4和副底枪5的外套管通过第二供气管路9与惰性气体源2相连通并向炉体7底部吹入惰性气体，用来混匀熔池。
第一供气管路8上的信号采集机构包括有第一温度传感器12、第一压力传感器13、第一气体流量传感器14和第二气体流量传感器15，第一温度传感器12、第一压力传感器13、第一气体流量传感器14和第二气体流量传感器15均与控制器6连接，第一温度传感器12、第一压力传感器13、第一气体流量传感器14和第二气体流量传感器15能够把采集的数据实时传输给控制器6，第一供气管路8上的执行机构包括有第一自动调节阀16和第二自动调节阀17，第一自动调节阀16和第二自动调节阀17均与控制器6相连接并由控制器6控制开合，第一压力传感器13和第一自动调节阀16之间的第一供气管路8上还依次装配有第一手动调节阀18、第一过滤器19和第一止回阀20。
第二供气管路9上的信号采集机构包括有第二温度传感器21、第二压力传感器22和第三气体流量传感器23，第二温度传感器21、第二压力传感器22和第三气体流量传感器23均与控制器6相连接，第二温度传感器21、第二压力传感器22和第三气体流量传感器23能够把采集的数据实时传输给控制器6，第二供气管路9上的执行机构包括有第三自动调节阀24和快速切断阀25，第三自动调节阀24和快速切断阀25均与控制器6连接并由控制器6控制开合，第二压力传感器22和快速切断阀25之间的第二供气管路9上还依次装配有第二手动调节阀26、第二过滤器27和第二止回阀28。
控制器6连接有红外测温仪29和光谱分析仪30，红外测温仪29用来检测冶炼温度，光谱分析仪30用来检测熔池内熔液的元素含量，冶炼温度和熔液的元素含量通过数据线传输给控制器6。
控制器6包括有电源模块31、CPU模块32、模拟量输入/输出模块33、数字量输入/输出模块34和触摸屏35，电源模块31为CPU模块32、模拟量输入/输出模块33、数字量输入/输出模块34以及触摸屏35供电。模拟量输入/输出模块33设置有四路模拟量输入端口和四路模拟量输出端口。数字量输入/输出模块34设置有八路数字量输入端口和八路数字量输出端口。模拟量输入端口接收第一温度传感器12和第二温度传感器21采集的第一供气管路8和第二供气管路9中的氧气温度和惰性气体温度。数字量输入端口接收由第一压力传感器13检测的第一供气管路8内的压力、由第二压力传感器22检测的第二供气管路9内的压力、由第一气体流量传感器14检测的顶枪3的氧气流量、第二气体流量传感器15检测的主底枪4和副底枪5的氧气流量、由第三气体流量传感器23检测的主底枪4和副底枪5的惰性气体流量、由红外测温仪29检测的冶炼温度以及由光谱分析仪30检测的元素含量。CPU模块32从模拟量输入端口和数字量输入端口接收检测数据，并将接收到的数据进行处理和运算。CPU模块32将模拟量控制指令通过模拟量输出端口传送给执行机构，通过数字量输出端口向外部设备发出数字量控制信号。CPU模块32通过模拟量输出端口发出指令控制第一自动调节阀16、第二自动调节阀17、第三自动调节阀24的开度。CPU模块32与触摸屏35之间通过数据线连接，触摸屏35用于设定参数和显示冶炼过程参数。触摸屏35能够实时显示冶炼过程的供气参数，自动运行时不能修改参数，切换到手动功能时，可以对供气过程进行人工干预；当有故障时，弹出故障信息，显示故障的类型以及处理方法。
本发明提供的AOD炉冶炼低碳合金的供气方法，其方法如下所述：
第一步、准备工作：
(1)、全面检查装置，确保各部件处于正确状态，特别是第一供气管路8压力正常和第二供气管路9压力正常；
(2)、开启系统总电源，待程序载入完成后，检查触摸屏35各温度、压力、流量数值显示及指示灯是否正常；
(3)、通过触摸屏35将冶炼终点的元素含量目标值输入系统；
(4)、通过触摸屏35设定顶枪3、主底枪4和副底枪5气体的初始流量值；
第二步、冶炼供气过程：
(1)、启动控制器6，程序按照预定流量调节主底枪4和副底枪5的二个供气自动阀门，将主底枪4和副底枪5氧气流量调至初始值，惰性气体流量调至初始值，同时启动冷却机构10；
(2)、检测系统的供气流量，当主底枪4和副底枪5各管路供气流量达到预设值时，倾炉装入熔融的高碳合金熔液，然后扶正炉体7；
(3)、调整顶枪3高度，顶枪3以初始最大流量供氧气，开始冶炼；
(4)、控制器6根据接收到的冶炼温度和熔池内元素含量连续调节第一自动调节阀16、第二自动调节阀17、第三自动调节阀24的开度，主底枪4和副底枪5的供惰性气体流量随主底枪4和副底枪5供氧气流量按线性规律反向调整；
(5)、随着冶炼过程的进行，熔池内碳含量及其他杂质含量逐渐降低，当碳含量下降至2％以下时，停止顶枪3供氧；
(6)、主底枪4和副底枪5供氧使熔池内碳元素继续氧化去除，检测熔池内各元素的含量；当熔池内各元素含量均符合产品标准时，停止主底枪4和副底枪5供氧，倾炉倒出合格产品；再进行关机操作；
第三步、关机步骤：
(1)、关闭第三自动调节阀24，停止主底枪4和副底枪5供惰性气体；
(2)、关闭冷却机构10；
(3)、关闭系统各仪表电源及总电源；
(4)、系统停机完毕，待下一次操作。
上述的第一温度传感器12、第一压力传感器13、第一气体流量传感器14、第二气体流量传感器15、第一自动调节阀16、第二自动调节阀17、第一手动调节阀18、第一过滤器19、第一止回阀20、第二温度传感器21、第二压力传感器22、第三气体流量传感器23、第三自动调节阀24、快速切断阀25、第二手动调节阀26、第二过滤器27、第二止回阀28、红外测温仪29、光谱分析仪30、电源模块31、CPU模块32、模拟量输入/输出模块33、数字量输入/输出模块34和触摸屏35均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
具体实施例如下：
将本发明提供的AOD炉冶炼低碳合金的供气装置安装到产能为5吨的AOD炉上。将3吨碳含量(wt％)为8.1％，铬含量(wt％)为69％，硫含量(wt％)为2.7％，硅含量(wt％)为1.6％，磷含量(wt％)为8.1％的高碳铬铁熔液倒入AOD炉中，初始温度为1455℃。
本发明提供的AOD炉冶炼低碳铬铁的供气方法如下所述：
第一步、准备工作：
(1)全面检查装置，确保各部件处于正确状态，特别是第一供气管路8压力正常和第二供气管路9压力正常；
(2)开启系统总电源，待系统载入正常后，检查触摸屏35各温度、压力、流量数值显示及指示灯是否正常；
(3)通过触摸屏35将冶炼终点的碳含量(wt％)设定为0.5％，冶炼温度设定1800℃；
(4)通过触摸屏35设定顶枪3初始供氧流量900m3/h，主底枪4和副底枪5供氧流量200m3/h，主底枪4和副底枪5供惰性气体流量80m3/h。
第二步、冶炼供气过程：
(1)启动控制器6，程序按照预定流量调节主底枪4和副底枪5的二个供气自动阀门，将主底枪4和副底枪5氧气流量调至预设值，惰性气体流量调至预设值，同时启动冷却机构10；
(2)检测系统的供气流量，当主底枪4和副底枪5各管路供气流量达到预设值时，将3吨碳含量(wt％)为8.1％，铬含量(wt％)为62.2％，硫含量(wt％)为2.7％，硅含量(wt％)为1.6％，磷含量(wt％)为8.1％，初始温度为1455℃的高碳铬铁熔液倒入AOD炉中，然后扶正炉体7；
(3)调整顶枪3高度，顶枪3以初始设定值流量供氧气，开始冶炼；
(4)控制器6根据接收到的冶炼温度和熔池内元素含量连续调节第一自动调节阀16、第二自动调节阀17、第三自动调节阀24的开度，主底枪4和副底枪5的供惰性气体流量随主底枪4和副底枪5供氧气流量按线性规律反向调整；
(5)随着冶炼过程的进行，熔池内碳含量及其他杂质含量逐渐降低，大约20分钟后碳含量(wt％)下降至2％，停止顶枪3供氧；
(6)主底枪4和副底枪5供氧流量150m3/h，熔池内碳元素继续氧化去除。冶炼25分钟后，碳含量(wt％)降至0.6％，按照冶炼工艺加入200kg铬矿，加入120kg硅铁，继续检测熔池内各元素的含量；10分钟后测得熔池内碳含量(wt％)为0.5％，铬含量(wt％)为60.1％，熔池温度为1783℃，熔液含量达到产品标准，停止主底枪4和副底枪5供氧，倾炉倒出合金产品。实施实例冶炼用时55分钟，消耗氧气651.4M3，消耗氮气130.8M3。
图4所示为实施实例过程中，碳含量和硅含量变化曲线图；
图5所示为实施实例过程中，铬含量变化曲线图；
图6所示为实施实例过程中，熔池温度的变化曲线图。
Claims (1)
1.一种AOD炉冶炼低碳合金的供气方法，其特征在于：其方法如下所述：
第一步、建立温度变化速率与熔池内元素氧化速率关系的数学模型：
其中，Wm为初始入炉熔体重量，Ws为炉渣重量，d[C]wt％/dt为碳含量的下降速率，d[Si]wt％/dt为硅元素的下降速率，d[Cr]wt％/dt为铬元素的下降速率，d[Fe]wt％/dt为铁元素的下降速率，
为矿渣与铬铁熔体的质量比，
为碳的氧化反应焓，
为硅的氧化反应焓，
为铬的氧化反应焓，
为铁的氧化反应焓，cm为熔体恒压比热容，cs炉渣恒压比热容，cy为烟气比热容，Py为烟道气压力，
为烟道气流量，My为烟气的摩尔质量，R为气体常数，qd为炉底的传热率，qt为炉体内衬传热速率；
整理得到：
其中，
为供氧速率，W为当前炉内的金属熔体重量，T为实时冶炼温度；
由此得到了AOD炉的供氧气模型，根据AOD炉的供氧气模型计算出合金产品的供氧流量；
第二步、准备工作：
(1)、全面检查装置，确保各部件处于正确状态，第一供气管路压力正常和第二供气管路压力正常，氧气源通过第一供气管路分别与顶枪、主底枪和副底枪相连通，惰性气体源通过第二供气管路分别与顶枪、主底枪和副底枪相连通；
(2)、开启系统总电源，待系统程序载入完成后，检查触摸屏显示的各温度、压力、流量数值及指示灯是否正常；
(3)、通过触摸屏将冶炼终点的元素含量目标值输入系统；
(4)、通过触摸屏设定顶枪、主底枪和副底枪气体的初始流量值；
第三步、冶炼供气过程：
(1)、启动控制器，程序按照预定流量调节主底枪和副底枪的二个供气自动阀门，将主底枪和副底枪氧气流量调至初始值，惰性气体流量调至初始值，同时启动冷却机构；
(2)、检测系统的供气流量，当主底枪和副底枪各管路供气流量达到预设值时，倾炉装入熔融的高碳合金熔液，然后扶正炉体；
(3)、调整顶枪高度，顶枪以初始最大流量供氧气，开始冶炼；
(4)、第一供气管路上的执行机构包括有第一自动调节阀和第二自动调节阀，第一自动调节阀和第二自动调节阀均与控制器相连接并由控制器控制开合，第二供气管路上的执行机构包括有第三自动调节阀和快速切断阀，第三自动调节阀和快速切断阀均与控制器连接并由控制器控制开合，控制器根据接收到的冶炼温度和熔池内元素含量连续调节第一自动调节阀、第二自动调节阀、第三自动调节阀的开度，主底枪和副底枪的供惰性气体流量随主底枪和副底枪供氧气流量按线性规律反向调整；
(5)、随着冶炼过程的进行，熔池内碳含量及其他杂质含量逐渐降低，当碳含量下降至2％以下时，停止顶枪供氧；
(6)、主底枪和副底枪供氧使熔池内碳元素继续氧化去除，检测熔池内各元素的含量；当熔池内各元素含量均符合产品标准时，停止主底枪和副底枪供氧，倾炉倒出合格产品；再进行关机操作；
第四步、关机步骤：
(1)、关闭第三自动调节阀，停止主底枪和副底枪供惰性气体；
(2)、关闭冷却机构；
(3)、关闭系统各仪表电源及总电源；
(4)、系统停机完毕，待下一次操作。
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