專利名稱：基于在線溫度及鐵含量檢測(cè)的煉鋼過程和終點(diǎn)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種冶金行業(yè)煉鋼爐冶煉的控制系統(tǒng)，特別涉及一種基于在線溫 度及鐵含量檢測(cè)的煉鋼過程和終點(diǎn)控制系統(tǒng)?？刂剖腔谠诰€溫度測(cè)量和在線鐵含量監(jiān) 測(cè)，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，能在線實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控爐溫及狗含量進(jìn)而推算出Cr含量，能對(duì) 整個(gè)煉鋼過程進(jìn)行精確的控制，并計(jì)算出終點(diǎn)溫度，準(zhǔn)確控制煉鋼終點(diǎn)，可大大減少能源消 耗、提高出鋼質(zhì)量。
背景技術(shù)：
節(jié)能降耗關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，冶金行業(yè)能耗占全國能源消費(fèi)總量的 10%以上，占本行業(yè)生產(chǎn)成本的30%左右，是典型的高能耗行業(yè)。開發(fā)與推廣冶金企業(yè)節(jié)能 技術(shù)降低能源、原材料消耗和提高產(chǎn)品合格率，對(duì)于提高冶金行業(yè)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，是非 常重要和迫切的。煉鋼的終點(diǎn)值包括溫度、壓力及鋼液成分，其中鋼液主要成分關(guān)系到鋼的成品質(zhì) 量，除狗外還有Cr、Ni、C的含量，特別是終點(diǎn)碳和終點(diǎn)溫度的命中率是提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品 質(zhì)量的關(guān)鍵。在煉鋼過程中，當(dāng)熔池中同時(shí)著鉻和碳時(shí)，鋼液中碳與鉻的競(jìng)爭(zhēng)氧化，特征表 現(xiàn)為兩者的競(jìng)爭(zhēng)氧化，這兩個(gè)的主要的氧化反應(yīng)是η [C] +η = η {CO} (式 1)K1 = Pn⑶+an[c] · an[0]m[Cr]+n[0] = (CrmOn)(式 2)K2 = a(Crm0n)+ (amKr] · an[0])將(式1)與(式2)相減，可得η [C] + (CrmOn) = m [Cr] +η {CO}(式 3)式C3)就是鋼液中碳和鉻競(jìng)爭(zhēng)氧化的表達(dá)式。若能控制熱力學(xué)條件使反應(yīng)向右進(jìn) 行，則其效果為“降碳保鉻”。相反，若在一定的熱力學(xué)條件下反應(yīng)向左進(jìn)行，則綜合效果為 “脫鉻保碳”。顯然，對(duì)于不銹鋼精煉來說，需要的是前者，即“降碳保鉻”，而“脫鉻保碳”，只 用于含鉻鐵水煉鋼前的預(yù)處理——搖包脫鉻中。如果將式(3)的平衡常數(shù)表達(dá)式作些變換，則就可以直接給出鋼液中平衡的碳活 度
_2] a[c) = V] (am[Cr] X Pnco)+ (K3 X a<Qm0n) = PcoXn\J A^(K3Xaicrm0n) 考慮到[Cr] > 9%時(shí)，m = 3,η = 4，并認(rèn)為在鋼液氧化過程中生成的氧化物Cr3O4 在渣中飽和析出，a(&3M) ^ 1則鋼液中碳的活度可表示為
_ atq = Pcovj a3[Cr]4-K3 = PcoX (a3/4[Cr] -Kl/"3)(式 4)(式4)明確表示碳與鉻競(jìng)爭(zhēng)氧化的熱力條件，即在一定的含鉻條件下，只要提高 熔池溫度，使K3增大，就可使平衡的碳活度降低；同理，降低Pro也可獲得較低的碳活度。(式4)也表明，在同樣的溫度和壓力下(K3及Pcq—定)，則其對(duì)應(yīng)的碳平衡量也越高，這就是說如果鋼液含鉻量提高，要使含碳量降至同樣的水平，就必須有更高的溫度或 更低壓力條件。競(jìng)爭(zhēng)氧化根據(jù)渣中(Cr3O4)趨于飽和時(shí)a(&3Q4) ^ 1，以及大氣壓下冶煉Pcq = 1大 氣壓的情況，由于鋼中存在在大量的鎳，這將明顯提高碳的活度而對(duì)鉻的活動(dòng)影響不大，經(jīng) 大量的實(shí)驗(yàn)得相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式0. 46[ % C] +0. 0237[ % Ni]_0. 0476[ % Cr]+21g[ % C]-1. 51g[ % Cr]-2IgPco = 24300 + T-16.7 (式 5)這樣，就可以根據(jù)相應(yīng)的C]、[% Ni]含量，求出在如此條件下，不同終點(diǎn)碳所 對(duì)應(yīng)溫度與壓力值及保持多少鉻。如熔池含鎳9 %，若希望吹煉終點(diǎn)碳為0.03%，且保持有10 %的鉻，如果Ρω 1大 氣壓，因?yàn)橐徊糠帚t轉(zhuǎn)化為Cr3O4，且渣中氧化鉻達(dá)到飽和a(&3M) ^ 1，則吹煉終點(diǎn)達(dá)到的溫 度便可代入(式幻求得0. 46X0. 03+0. 0237X9-0. 0476X 10+21g0. 03-1. 51gl0 = 24300 + T-16. 7解得T= 2155K = 1882°C由上面結(jié)果可知，真空度易測(cè)為已知量，由鎳加入量可求得熔池鎳含量，如果能在 線求出鉻含量(因部分鉻轉(zhuǎn)化為Cr3O4，所以由鉻加入量難以求出熔池鉻含量)，并且在線測(cè) 得溫度，則終點(diǎn)碳和保鉻量均可完成?？梢姛掍撨^程及終點(diǎn)與爐內(nèi)溫度和Cr]含量有著 極其密切的關(guān)系。但在爐溫測(cè)量方面，傳統(tǒng)對(duì)爐溫的判斷往往采用肉眼觀察的方法，該方法完全依 賴個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，因而精度很低，難以很好的控制冶煉過程，無法按最佳冶煉曲線進(jìn)行，特別 對(duì)終點(diǎn)也很難很好的控制，不但會(huì)消耗大量的能量，而且成品率低。目前較先進(jìn)的方法采用 高溫?zé)犭娕歼M(jìn)行投彈式測(cè)溫，雖然能獲得較為準(zhǔn)確的溫度，但是由于高溫?zé)犭娕純r(jià)格非常 昂貴，而且為一次性使用，因此只能得到幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，不可能對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行有效的 監(jiān)控，而且何時(shí)投彈測(cè)溫同樣依賴人的經(jīng)驗(yàn)，不一定得到關(guān)鍵點(diǎn)的溫度，實(shí)際降低了測(cè)溫的 有效性和精度。因此仍然沒有從根本上解決能源消耗大和成品率低的問題。傳統(tǒng)測(cè)溫方式 有以下四個(gè)缺點(diǎn)1.測(cè)溫精度低；2.無法按最佳曲線進(jìn)行冶煉；3.能源消耗大；4.成品率低；解決這幾個(gè)關(guān)鍵問題顯然有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，這幾個(gè)問題的解決須從 測(cè)溫方法著手，再配合以相應(yīng)的算法進(jìn)行有效的控制，進(jìn)而解決其他幾個(gè)問題。對(duì)于鉻含量的在線檢測(cè)技術(shù)目前沒有報(bào)道，只能離線分析，如采用火花源激發(fā)或 激光激發(fā)等光譜法等，鋼中鉻含量是終點(diǎn)的指標(biāo)之一，因此其含量也極為重要，采用離線分 析往往不能及時(shí)加入還原劑進(jìn)行保鉻，目前還原劑是硅鐵或鋁，由于成本原因常采用硅鐵， 主要反應(yīng)如下(Cr3O4)+2 [Si] = 2 (SiO2)+3 [Cr] (式 6)若渣中(Cr3O4)趨于飽和，假設(shè)生成純(SiO2)，則K' Si簡化表示一定溫度下硅與 鉻的平衡關(guān)系[0033]K' Si = a3(Cr)+a2[Si] ^ [Cr]3+[Si]2 = f(T)由上式可見硅與鉻的平衡反應(yīng)仍與溫度有密切關(guān)系，同時(shí)如果由熔池鉻含量推算 出Cr3O4的含量，可通過不斷加入硅鐵及控制溫度來保證Cr的回收率。顯然在線測(cè)量熔池Cr含量才能解決這個(gè)問題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于在線溫度及鐵含量檢測(cè)的煉鋼過程和終點(diǎn)控 制系統(tǒng)?？刂剖腔谠诰€溫度測(cè)量和在線鐵含量監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，能在線實(shí)時(shí) 連續(xù)監(jiān)控爐溫及狗含量進(jìn)而推算出Cr含量，能對(duì)整個(gè)煉鋼過程進(jìn)行精確的控制，并計(jì)算 出終點(diǎn)溫度，準(zhǔn)確控制煉鋼終點(diǎn)，可大大減少能源消耗、提高出鋼質(zhì)量。本實(shí)用新型是由在線測(cè)溫裝置、鉻含量在線檢測(cè)裝置、測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)和LED顯示 器組成，測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)是由紅外溫度檢測(cè)單元、光譜儀、檢測(cè)器和計(jì)算機(jī)組成，紅外溫度檢 測(cè)單元、光譜儀、檢測(cè)器和LED顯示器分別與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接，在線測(cè)溫裝置為紅外線非接 觸式測(cè)溫裝置，該紅外線非接觸式測(cè)溫裝置的底槍與AOD爐的副槍共用一槍，穿設(shè)在AOD爐 的副槍孔中，紅外線非接觸式測(cè)溫裝置通過光纖與紅外溫度檢測(cè)單元連接，鉻含量在線檢 測(cè)裝置的頂槍設(shè)置在AOD爐的頂部，鉻含量在線檢測(cè)裝置通過光纖與光譜儀連接；所述在線測(cè)溫裝置是由底槍和光學(xué)部分組成，底槍的直槍管中間具有通孔，垂直 于直槍管連通設(shè)有氬氣進(jìn)管，直槍管的左端口為氬氣出口，光學(xué)部分是由密封在殼體內(nèi)的 密封光窗、透鏡、帶孔反光鏡和分別設(shè)置在殼體右端及側(cè)邊的二濾光片組成，密封光窗設(shè)置 在殼體的左側(cè)，密封光窗位于直槍管的右端出口，接收由直槍管導(dǎo)來的紅外線，透鏡位于密 封光窗的后部，帶孔反光鏡斜置在透鏡后部，由帶孔反光鏡孔透過的紅外線和由帶孔反光 鏡反射的紅外線分別由兩條光纖接收；鉻含量在線檢測(cè)裝置是由頂槍、氧氣進(jìn)入管和密封光窗組成，頂槍的中心孔為光 線進(jìn)入孔和氧氣出孔，氧氣進(jìn)入管位于頂槍上部與頂槍垂直連通，密封光窗設(shè)置在頂槍的 上部，光線由頂槍的中心孔進(jìn)入，通過密封光窗后由光纖接收，頂槍設(shè)置在AOD爐的頂部；所述在線測(cè)溫裝置接受的紅外線波長為3Mffl和5Mffl。本實(shí)用新型的有益效果是1、由于現(xiàn)有測(cè)溫方法的局限，本實(shí)用新型的在線測(cè)溫裝置采用紅外線非接觸測(cè)溫 方式，其光學(xué)部分安裝于爐的副槍內(nèi)，利用副槍原有的氣路把光路也設(shè)計(jì)在槍使光路結(jié)構(gòu) 變得極為簡潔，成本較低，另外因副槍主要起攪拌作用，由副槍管不斷向爐內(nèi)吹入氬為主要 成分的氣體，氣體除起攪拌作用外還能起冷卻副槍的作用，保證在線測(cè)溫裝置能長時(shí)間穩(wěn) 定的工作。因?yàn)殚L期工作槍管內(nèi)含一定粉塵，并且測(cè)溫范圍在中高溫區(qū)(800°C-2000°C )， 所以采用3um和5um的波長較短的雙波段比色測(cè)溫法，雙波段比色測(cè)溫法以消除長期工作 時(shí)粉塵對(duì)密封光窗的污染造成的誤差，較短的波長適合較高溫度的測(cè)量。通過這些設(shè)計(jì)使 在線測(cè)溫裝置具有可靠性高、成本低和維護(hù)量小等特點(diǎn)。2、鉻含量在線檢測(cè)裝置利用直接測(cè)量溶體發(fā)射光譜的方法，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，在煉 鋼過程中鋼液的溫度往往高達(dá)1600°C左右，需通過氧槍(頂槍)向鋼液中吹氧，吹氧點(diǎn)表面 反應(yīng)激烈，溫度可達(dá)2100 2500°C，使鋼液中元素蒸發(fā)原子化并發(fā)射出原子光譜，把光導(dǎo) 纖維裝在氧槍里引出光譜信號(hào)，并由光譜儀進(jìn)行分析，但該方法目前只適用于鐵、錳，對(duì)于一些高熔點(diǎn)的元素難以測(cè)定。本實(shí)用新型之鉻含量在線檢測(cè)裝置利用直接光譜法，選鐵的 譜線(386. OOnm)進(jìn)行光譜分析，并利用全譜光和吹氧點(diǎn)溫度進(jìn)行修正(吹氧點(diǎn)溫度由光譜 儀紅外譜線部分得出)，得出鋼液中鐵的含量，再加上鋼液中主要元素Ni的含量(由鎳加 入量可求得熔池鎳含量)，并對(duì)其它含量較少的元素進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性補(bǔ)償(其它元素含量用 X]表示)，即可在線得出鉻含量，如下式[% Cr] = 1-([% Fe] + [% Ni] + [% X])這樣可以保證Cr的回收率，并很好地控制Cr終點(diǎn)值，同樣地，氧槍也是氣路光路 共用一槍由于氧槍口徑較大，所以對(duì)光路的要求較低，利用光譜分析儀得出的鐵的譜線， 并用與溫度相關(guān)紅外譜線以及全譜光進(jìn)行計(jì)算修正，可以消除長期工作時(shí)粉塵對(duì)密封光窗 的污染造成的誤差，以及溫度帶來的測(cè)量誤差。保證了測(cè)量系統(tǒng)的高可靠性、低成本、小維 護(hù)量等特點(diǎn)。綜上所述，本實(shí)用新型可極好的控制整個(gè)冶煉過程和終點(diǎn)值(終點(diǎn)值包括Cr、Ni 和C的含量，其中C含量是根據(jù)終點(diǎn)值計(jì)算出的終點(diǎn)溫度推算出來的)。極大地減少能源消 耗，更好地控制出鋼的質(zhì)量。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及原理示意圖。圖2是本實(shí)用新型之在線測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖3是本實(shí)用新型之鉻含量在線檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本實(shí)用新型是由在線測(cè)溫裝置1、鉻含量在線檢測(cè)裝置2、測(cè)量計(jì) 算系統(tǒng)3和LED顯示器4組成，測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)3是由紅外溫度檢測(cè)單元5、光譜儀6、檢測(cè)器 7和計(jì)算機(jī)8組成，紅外溫度檢測(cè)單元5、光譜儀6、檢測(cè)器7和LED顯示器4分別與計(jì)算機(jī) 8信號(hào)連接，在線測(cè)溫裝置1為紅外線非接觸式測(cè)溫裝置，該紅外線非接觸式測(cè)溫裝置的底 槍11與AOD爐9的副槍共用一槍，穿設(shè)在AOD爐9的副槍孔中，紅外線非接觸式測(cè)溫裝置 通過光纖1 與紅外溫度檢測(cè)單元5連接，鉻含量在線檢測(cè)裝置2的頂槍21設(shè)置在AOD爐 9的頂部，鉻含量在線檢測(cè)裝置2通過光纖25與光譜儀6連接。請(qǐng)參閱圖2并配合圖1所示，所述在線測(cè)溫裝置1是由底槍11和光學(xué)部分12組 成，底槍11的直槍管111中間具有通孔112，垂直于直槍管111連通設(shè)有氬氣進(jìn)管113，直 槍管111的左端口為氬氣出口，光學(xué)部分12是由密封在殼體121內(nèi)的密封光窗122、透鏡 123、帶孔反光鏡IM和分別設(shè)置在殼體121右端及側(cè)邊的二濾光片125組成，密封光窗122 設(shè)置在殼體121的左側(cè)，密封光窗122位于直槍管111的右端出口，接收由直槍管111導(dǎo)來 的紅外線，透鏡123位于密封光窗122的后部，帶孔反光鏡IM斜置在透鏡123后部，由帶孔 反光鏡1 孔透過的紅外線和由帶孔反光鏡IM反射的紅外線分別由兩條光纖1 接收。請(qǐng)參閱圖3并配合圖1所示，鉻含量在線檢測(cè)裝置2是由頂槍21、氧氣進(jìn)入管22 和密封光窗23組成，頂槍21的中心孔M為光線進(jìn)入孔和氧氣出孔，氧氣進(jìn)入管22位于頂 槍21上部與頂槍21垂直連通，密封光窗23設(shè)置在頂槍21的上部，光線由頂槍21的中心 孔M進(jìn)入，通過密封光窗23后由光纖25接收，頂槍21設(shè)置在AOD爐9的頂部。[0053]所述在線測(cè)溫裝置1接受的紅外線波長為3Mffl和5Mffl。所述的測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)3和LED顯示器4是現(xiàn)有產(chǎn)品，其具體結(jié)構(gòu)不再贅述。
權(quán)利要求1.一種基于在線溫度及鐵含量檢測(cè)的煉鋼過程和終點(diǎn)控制系統(tǒng)，其特征在于是由在 線測(cè)溫裝置(1)、鉻含量在線檢測(cè)裝置O)、測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)⑶和LED顯示器(4)組成，測(cè)量 計(jì)算系統(tǒng)C3)是由紅外溫度檢測(cè)單元(5)、光譜儀(6)、檢測(cè)器(7)和計(jì)算機(jī)(8)組成，紅外 溫度檢測(cè)單元(5)、光譜儀(6)、檢測(cè)器(7)和LED顯示器(4)分別與計(jì)算機(jī)⑶信號(hào)連接， 在線測(cè)溫裝置(1)為紅外線非接觸式測(cè)溫裝置，該紅外線非接觸式測(cè)溫裝置的底槍(11)與 AOD爐(9)的副槍共用一槍，穿設(shè)在AOD爐(9)的副槍孔中，紅外線非接觸式測(cè)溫裝置通過 光纖(126)與紅外溫度檢測(cè)單元(5)連接，鉻含量在線檢測(cè)裝置(2)的頂槍設(shè)置在 AOD爐(9)的頂部，鉻含量在線檢測(cè)裝置( 通過光纖與光譜儀(6)連接；所述在線測(cè)溫裝置⑴是由底槍(11)和光學(xué)部分(12)組成，底槍(11)的直槍管(111) 中間具有通孔(112)，垂直于直槍管(111)連通設(shè)有氬氣進(jìn)管(113)，直槍管(111)的左端 口為氬氣出口，光學(xué)部分(12)是由密封在殼體(121)內(nèi)的密封光窗(122)、透鏡(123)、帶 孔反光鏡(124)和分別設(shè)置在殼體(121)右端及側(cè)邊的二濾光片(12 組成，密封光窗 (122)設(shè)置在殼體(121)的左側(cè)，密封光窗(122)位于直槍管(111)的右端出口，接收由直 槍管(111)導(dǎo)來的紅外線，透鏡(123)位于密封光窗(122)的后部，帶孔反光鏡(124)斜置 在透鏡(123)后部，由帶孔反光鏡(124)孔透過的紅外線和由帶孔反光鏡(124)反射的紅 外線分別由兩條光纖(126)接收；所述鉻含量在線檢測(cè)裝置( 是由頂槍(21)、氧氣進(jìn)入管0 和密封光窗組成， 頂槍的中心孔04)為光線進(jìn)入孔和氧氣出孔，氧氣進(jìn)入管0 位于頂槍上部與 頂槍位1)垂直連通，密封光窗設(shè)置在頂槍的上部，光線由頂槍的中心孔 (24)進(jìn)入，通過密封光窗03)后由光纖04)接收，頂槍設(shè)置在AOD爐(9)的頂部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于在線溫度及鐵含量檢測(cè)的煉鋼過程和終點(diǎn)控制系 統(tǒng)，其特征在于所述在線測(cè)溫裝置(1)接受的紅外線波長為3Mm和5Mm。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于在線溫度及鐵含量檢測(cè)的煉鋼過程和終點(diǎn)控制系統(tǒng)，是由在線測(cè)溫裝置、鉻含量在線檢測(cè)裝置、測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)和LED顯示器組成，測(cè)量計(jì)算系統(tǒng)是由紅外溫度檢測(cè)單元、光譜儀、檢測(cè)器和計(jì)算機(jī)組成，紅外溫度檢測(cè)單元、光譜儀、檢測(cè)器和LED顯示器分別與計(jì)算機(jī)信號(hào)連接，在線測(cè)溫裝置為紅外線非接觸式測(cè)溫裝置，該紅外線非接觸式測(cè)溫裝置的底槍與AOD爐的副槍共用一槍，紅外線非接觸式測(cè)溫裝置通過光纖與紅外溫度檢測(cè)單元連接，鉻含量在線檢測(cè)裝置的頂槍設(shè)置在AOD爐的頂部，鉻含量在線檢測(cè)裝置通過光纖與光譜儀連接；能在線實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控爐溫及Fe含量進(jìn)而推算出Cr含量，對(duì)整個(gè)煉鋼過程進(jìn)行精確的控制，可大大減少能源消耗、提高出鋼質(zhì)量。
文檔編號(hào)G01N21/71GK201926508SQ201020618450
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者林曉梅, 陳戈華 申請(qǐng)人:長春工業(yè)大學(xué)