CN201926508U

CN201926508U - 基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统

Info

Publication number: CN201926508U
Application number: CN2010206184504U
Authority: CN
Inventors: 陈戈华; 林晓梅
Original assignee: Changchun University of Technology
Current assignee: Changchun University of Technology
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2020-11-23

Abstract

本实用新型公开了一种基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统，是由在线测温装置、铬含量在线检测装置、测量计算系统和LED显示器组成，测量计算系统是由红外温度检测单元、光谱仪、检测器和计算机组成，红外温度检测单元、光谱仪、检测器和LED显示器分别与计算机信号连接，在线测温装置为红外线非接触式测温装置，该红外线非接触式测温装置的底枪与AOD炉的副枪共用一枪，红外线非接触式测温装置通过光纤与红外温度检测单元连接，铬含量在线检测装置的顶枪设置在AOD炉的顶部，铬含量在线检测装置通过光纤与光谱仪连接；能在线实时连续监控炉温及Fe含量进而推算出Cr含量，对整个炼钢过程进行精确的控制，可大大减少能源消耗、提高出钢质量。

Description

基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种冶金行业炼钢炉冶炼的控制系统，特别涉及一种基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统。控制是基于在线温度测量和在线铁含量监测，与传统的测量方法相比，能在线实时连续监控炉温及Fe含量进而推算出Cr含量，能对整个炼钢过程进行精确的控制，并计算出终点温度，准确控制炼钢终点，可大大减少能源消耗、提高出钢质量。

背景技术

节能降耗关系到国家经济的可持续发展，冶金行业能耗占全国能源消费总量的10％以上，占本行业生产成本的30％左右，是典型的高能耗行业。开发与推广冶金企业节能技术降低能源、原材料消耗和提高产品合格率，对于提高冶金行业的经济和社会效益，是非常重要和迫切的。

炼钢的终点值包括：温度、压力及钢液成分，其中钢液主要成分关系到钢的成品质量，除Fe外还有：Cr、Ni、C的含量，特别是终点碳和终点温度的命中率是提高生产率和产品质量的关键。在炼钢过程中，当熔池中同时着铬和碳时，钢液中碳与铬的竞争氧化，特征表现为两者的竞争氧化，这两个的主要的氧化反应是：

n[C]+n[O]＝n{CO} (式1)

K₁＝Pⁿ _CO÷aⁿ _[C]·aⁿ _[O]

m[Cr]+n[O]＝(Cr_mO_n)(式2)

K₂＝a_(CrmOn)÷(a^m _[Cr]·aⁿ _[O])

将(式1)与(式2)相减，可得：

n[C]+(Cr_mO_n)＝m[Cr]+n{CO} (式3)

式(3)就是钢液中碳和铬竞争氧化的表达式。若能控制热力学条件使反应向右进行，则其效果为“降碳保铬”。相反，若在一定的热力学条件下反应向左进行，则综合效果为“脱铬保碳”。显然，对于不锈钢精炼来说，需要的是前者，即“降碳保铬”，而“脱铬保碳”，只用于含铬铁水炼钢前的预处理——摇包脱铬中。

如果将式(3)的平衡常数表达式作些变换，则就可以直接给出钢液中平衡的碳活度：

a_{[c]} = \sqrt[n]{({a^{m}}_{[Cr]} \times {p^{n}}_{CO}) \div (K_{3} \times a_{(CrmOn})} = P_{CO} \times \sqrt[n]{{a^{m}}_{[Cr]} \div (K_{3} \times a_{(CrmOn})}

考虑到[Cr]＞9％时，m＝3，n＝4，并认为在钢液氧化过程中生成的氧化物Cr₃O₄在渣中饱和析出，a_(Cr3O4)≈1则钢液中碳的活度可表示为：

(式4)

(式4)明确表示碳与铬竞争氧化的热力条件，即在一定的含铬条件下，只要提高熔池温度，使K₃增大，就可使平衡的碳活度降低；同理，降低P_CO也可获得较低的碳活度。

(式4)也表明，在同样的温度和压力下(K₃及P_CO一定)，则其对应的碳平衡量也越高，这就是说如果钢液含铬量提高，要使含碳量降至同样的水平，就必须有更高的温度或更低压力条件。

竞争氧化根据渣中(Cr₃O₄)趋于饱和时a_(Cr3O4)≈1，以及大气压下冶炼P_CO＝1大气压的情况，由于钢中存在在大量的镍，这将明显提高碳的活度而对铬的活动影响不大，经大量的实验得相应的经验公式：

0.46[％C]+0.0237[％Ni]-0.0476[％Cr]+2lg[％C]-1.5lg[％Cr]-2lgP_CO＝24300÷T-16.7 (式5)

这样，就可以根据相应的[％C]、[％Ni]含量，求出在如此条件下，不同终点碳所对应温度与压力值及保持多少铬。

如：熔池含镍9％，若希望吹炼终点碳为0.03％，且保持有10％的铬，如果P_CO 1大气压，因为一部分铬转化为Cr₃O₄，且渣中氧化铬达到饱和a_(Cr3O4)≈1，则吹炼终点达到的温度便可代入(式5)求得：

0.46×0.03+0.0237×9-0.0476×10+2lg0.03-1.5lg10＝24300÷T-16.7

解得：T＝2155K＝1882℃

由上面结果可知，真空度易测为已知量，由镍加入量可求得熔池镍含量，如果能在线求出铬含量(因部分铬转化为Cr₃O₄，所以由铬加入量难以求出熔池铬含量)，并且在线测得温度，则终点碳和保铬量均可完成。可见炼钢过程及终点与炉内温度和[％Cr]含量有着极其密切的关系。

但在炉温测量方面，传统对炉温的判断往往采用肉眼观察的方法，该方法完全依赖个人的经验，因而精度很低，难以很好的控制冶炼过程，无法按最佳冶炼曲线进行，特别对终点也很难很好的控制，不但会消耗大量的能量，而且成品率低。目前较先进的方法采用高温热电偶进行投弹式测温，虽然能获得较为准确的温度，但是由于高温热电偶价格非常昂贵，而且为一次性使用，因此只能得到几个关键点的温度，不可能对整个过程进行有效的监控，而且何时投弹测温同样依赖人的经验，不一定得到关键点的温度，实际降低了测温的有效性和精度。因此仍然没有从根本上解决能源消耗大和成品率低的问题。传统测温方式有以下四个缺点：

1.测温精度低；

2.无法按最佳曲线进行冶炼；

3.能源消耗大；

4.成品率低；

解决这几个关键问题显然有巨大的经济效益和社会效益，这几个问题的解决须从测温方法着手，再配合以相应的算法进行有效的控制，进而解决其他几个问题。

对于铬含量的在线检测技术目前没有报道，只能离线分析，如采用火花源激发或激光激发等光谱法等，钢中铬含量是终点的指标之一，因此其含量也极为重要，采用离线分析往往不能及时加入还原剂进行保铬，目前还原剂是硅铁或铝，由于成本原因常采用硅铁，主要反应如下：

(Cr₃O₄)+2[Si]＝2(SiO₂)+3[Cr] (式6)

若渣中(Cr₃O₄)趋于饱和，假设生成纯(SiO₂)，则K′_Si简化表示一定温度下硅与铬的平衡关系：

K′_Si＝a³ _(Cr)÷a² _[Si]≈[Cr]³÷[Si]²＝f(T)

由上式可见硅与铬的平衡反应仍与温度有密切关系，同时如果由熔池铬含量推算出Cr₃O₄的含量，可通过不断加入硅铁及控制温度来保证Cr的回收率。

显然在线测量熔池Cr含量才能解决这个问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统。控制是基于在线温度测量和在线铁含量监测，与传统的测量方法相比，能在线实时连续监控炉温及Fe含量进而推算出Cr含量，能对整个炼钢过程进行精确的控制，并计算出终点温度，准确控制炼钢终点，可大大减少能源消耗、提高出钢质量。

本实用新型是由在线测温装置、铬含量在线检测装置、测量计算系统和LED显示器组成，测量计算系统是由红外温度检测单元、光谱仪、检测器和计算机组成，红外温度检测单元、光谱仪、检测器和LED显示器分别与计算机信号连接，在线测温装置为红外线非接触式测温装置，该红外线非接触式测温装置的底枪与AOD炉的副枪共用一枪，穿设在AOD炉的副枪孔中，红外线非接触式测温装置通过光纤与红外温度检测单元连接，铬含量在线检测装置的顶枪设置在AOD炉的顶部，铬含量在线检测装置通过光纤与光谱仪连接；

所述在线测温装置是由底枪和光学部分组成，底枪的直枪管中间具有通孔，垂直于直枪管连通设有氩气进管，直枪管的左端口为氩气出口，光学部分是由密封在壳体内的密封光窗、透镜、带孔反光镜和分别设置在壳体右端及侧边的二滤光片组成，密封光窗设置在壳体的左侧，密封光窗位于直枪管的右端出口，接收由直枪管导来的红外线，透镜位于密封光窗的后部，带孔反光镜斜置在透镜后部，由带孔反光镜孔透过的红外线和由带孔反光镜反射的红外线分别由两条光纤接收；

铬含量在线检测装置是由顶枪、氧气进入管和密封光窗组成，顶枪的中心孔为光线进入孔和氧气出孔，氧气进入管位于顶枪上部与顶枪垂直连通，密封光窗设置在顶枪的上部，光线由顶枪的中心孔进入，通过密封光窗后由光纤接收，顶枪设置在AOD炉的顶部；

所述在线测温装置接受的红外线波长为3μm和5μm。

本实用新型的有益效果是：

1、由于现有测温方法的局限，本实用新型的在线测温装置采用红外线非接触测温方式，其光学部分安装于炉的副枪内，利用副枪原有的气路把光路也设计在枪使光路结构变得极为简洁，成本较低，另外因副枪主要起搅拌作用，由副枪管不断向炉内吹入氩为主要成分的气体，气体除起搅拌作用外还能起冷却副枪的作用，保证在线测温装置能长时间稳定的工作。因为长期工作枪管内含一定粉尘，并且测温范围在中高温区(800℃-2000℃)，所以采用3um和5um的波长较短的双波段比色测温法，双波段比色测温法以消除长期工作时粉尘对密封光窗的污染造成的误差，较短的波长适合较高温度的测量。通过这些设计使在线测温装置具有可靠性高、成本低和维护量小等特点。

2、铬含量在线检测装置利用直接测量溶体发射光谱的方法，进行在线监测，在炼钢过程中钢液的温度往往高达1600℃左右，需通过氧枪(顶枪)向钢液中吹氧，吹氧点表面反应激烈，温度可达2100～2500℃，使钢液中元素蒸发原子化并发射出原子光谱，把光导纤维装在氧枪里引出光谱信号，并由光谱仪进行分析，但该方法目前只适用于铁、锰，对于一些高熔点的元素难以测定。本实用新型之铬含量在线检测装置利用直接光谱法，选铁的谱线(386.00nm)进行光谱分析，并利用全谱光和吹氧点温度进行修正(吹氧点温度由光谱仪红外谱线部分得出)，得出钢液中铁的含量，再加上钢液中主要元素Ni的含量(由镍加入量可求得熔池镍含量)，并对其它含量较少的元素进行经验性补偿(其它元素含量用[％X]表示)，即可在线得出铬含量，如下式：

[％Cr]＝1-([％Fe]+[％Ni]+[％X])

这样可以保证Cr的回收率，并很好地控制Cr终点值，同样地，氧枪也是气路光路共用一枪由于氧枪口径较大，所以对光路的要求较低，利用光谱分析仪得出的铁的谱线，并用与温度相关红外谱线以及全谱光进行计算修正，可以消除长期工作时粉尘对密封光窗的污染造成的误差，以及温度带来的测量误差。保证了测量系统的高可靠性、低成本、小维护量等特点。

综上所述，本实用新型可极好的控制整个冶炼过程和终点值(终点值包括：Cr、Ni和C的含量，其中C含量是根据终点值计算出的终点温度推算出来的)。极大地减少能源消耗，更好地控制出钢的质量。

附图说明

图1是本实用新型的结构及原理示意图。

图2是本实用新型之在线测温装置的结构示意图

图3是本实用新型之铬含量在线检测装置结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本实用新型是由在线测温装置1、铬含量在线检测装置2、测量计算系统3和LED显示器4组成，测量计算系统3是由红外温度检测单元5、光谱仪6、检测器7和计算机8组成，红外温度检测单元5、光谱仪6、检测器7和LED显示器4分别与计算机8信号连接，在线测温装置1为红外线非接触式测温装置，该红外线非接触式测温装置的底枪11与AOD炉9的副枪共用一枪，穿设在AOD炉9的副枪孔中，红外线非接触式测温装置通过光纤126与红外温度检测单元5连接，铬含量在线检测装置2的顶枪21设置在AOD炉9的顶部，铬含量在线检测装置2通过光纤25与光谱仪6连接。

请参阅图2并配合图1所示，所述在线测温装置1是由底枪11和光学部分12组成，底枪11的直枪管111中间具有通孔112，垂直于直枪管111连通设有氩气进管113，直枪管111的左端口为氩气出口，光学部分12是由密封在壳体 121内的密封光窗122、透镜123、带孔反光镜124和分别设置在壳体121右端及侧边的二滤光片125组成，密封光窗122设置在壳体121的左侧，密封光窗122位于直枪管111的右端出口，接收由直枪管111导来的红外线，透镜123位于密封光窗122的后部，带孔反光镜124斜置在透镜123后部，由带孔反光镜124孔透过的红外线和由带孔反光镜124反射的红外线分别由两条光纤126接收。

请参阅图3并配合图1所示，铬含量在线检测装置2是由顶枪21、氧气进入管22和密封光窗23组成，顶枪21的中心孔24为光线进入孔和氧气出孔，氧气进入管22位于顶枪21上部与顶枪21垂直连通，密封光窗23设置在顶枪21的上部，光线由顶枪21的中心孔24进入，通过密封光窗23后由光纤25接收，顶枪21设置在AOD炉9的顶部。

所述在线测温装置1接受的红外线波长为3μm和5μm。

所述的测量计算系统3和LED显示器4是现有产品，其具体结构不再赘述。

Claims

1.一种基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统，其特征在于：是由在线测温装置(1)、铬含量在线检测装置(2)、测量计算系统(3)和LED显示器(4)组成，测量计算系统(3)是由红外温度检测单元(5)、光谱仪(6)、检测器(7)和计算机(8)组成，红外温度检测单元(5)、光谱仪(6)、检测器(7)和LED显示器(4)分别与计算机(8)信号连接，在线测温装置(1)为红外线非接触式测温装置，该红外线非接触式测温装置的底枪(11)与AOD炉(9)的副枪共用一枪，穿设在AOD炉(9)的副枪孔中，红外线非接触式测温装置通过光纤(126)与红外温度检测单元(5)连接，铬含量在线检测装置(2)的顶枪(21)设置在AOD炉(9)的顶部，铬含量在线检测装置(2)通过光纤与光谱仪(6)连接；

所述在线测温装置(1)是由底枪(11)和光学部分(12)组成，底枪(11)的直枪管(111)中间具有通孔(112)，垂直于直枪管(111)连通设有氩气进管(113)，直枪管(111)的左端口为氩气出口，光学部分(12)是由密封在壳体(121)内的密封光窗(122)、透镜(123)、带孔反光镜(124)和分别设置在壳体(121)右端及侧边的二滤光片(125)组成，密封光窗(122)设置在壳体(121)的左侧，密封光窗(122)位于直枪管(111)的右端出口，接收由直枪管(111)导来的红外线，透镜(123)位于密封光窗(122)的后部，带孔反光镜(124)斜置在透镜(123)后部，由带孔反光镜(124)孔透过的红外线和由带孔反光镜(124)反射的红外线分别由两条光纤(126)接收；

所述铬含量在线检测装置(2)是由顶枪(21)、氧气进入管(22)和密封光窗(23)组成，顶枪(21)的中心孔(24)为光线进入孔和氧气出孔，氧气进入管(22)位于顶枪(21)上部与顶枪(21)垂直连通，密封光窗(23)设置在顶枪(21)的上部，光线由顶枪(21)的中心孔(24)进入，通过密封光窗(23)后由光纤(24)接收，顶枪(21)设置在AOD炉(9)的顶部。

2.根据权利要求1所述的一种基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统，其特征在于：所述在线测温装置(1)接受的红外线波长为3μm和5μm。