尤 文， 馬海濤， 趙 彬

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

目前冶煉低碳鉻鐵合金的方法主要為電硅熱法和“波倫法”（Perrin），這類方法的缺點(diǎn)是工序長、電耗高、鉻損失大。近年研究嘗試將碳含量大于8wt%、鉻含量為65wt%～80wt%的高碳鉻鐵合金熔體，直接采用精煉不銹鋼的AOD法進(jìn)行頂、底復(fù)吹氬（氮）／氧混合氣的方法精煉低碳鉻鐵合金［1］，該方法以氧代電，可大大簡化生產(chǎn)工序和降低生產(chǎn)成本，但到目前為止仍存在爐役短、降碳困難、鉻損失大和噴濺率高等問題。噴濺在轉(zhuǎn)爐、AOD爐及由氧氣助燃的電爐生產(chǎn)過程中時有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計［2］，噴濺事故占冶金行業(yè)事故的60.7%，噴濺發(fā)生率在11.6%～20%之間，而鐵合金生產(chǎn)由于原料鐵水含碳量高、冶煉溫度高、爐容比小和原料中含S等雜質(zhì)高等原因，其噴濺發(fā)生率更高，噴濺不僅干擾冶煉設(shè)備正常工作（擾亂冶煉過程的物料平衡、氧平衡與熱平衡，因噴出大量熔渣使脫硫、脫磷效果不佳，也限制了供氧強(qiáng)度）、降低鐵合金的收得率［3］（大噴時金屬損失率高達(dá)3.6%，小噴時1.2%，微噴時也有0.5%）、損失熱量、污染環(huán)境、噴濺因沖刷爐壁內(nèi)襯導(dǎo)致爐齡降低，造成粘槍、燒槍、爐口和煙罩掛渣，嚴(yán)重時損壞設(shè)備，危及生命安全［4］（噴濺導(dǎo)致的燙傷事故占爐前燙傷事故的80%以上）。因而有效抑制噴濺發(fā)生，即是穩(wěn)定氬氧精煉鐵合金工藝的必然，也是保證設(shè)備和人身安全的需要。

1 AOD爐的噴濺機(jī)理分析及定義

1.1 噴濺產(chǎn)生的機(jī)理分析及其主要特征

AOD爐內(nèi)碳氧反應(yīng)不均衡發(fā)展，瞬時產(chǎn)生大量的CO氣體，這是發(fā)生噴濺的根本原因。在AOD爐冶煉低碳鉻鐵過程中，直接供氧反應(yīng)1（C＋O→CO）和間接供氧反應(yīng)2（3C＋Cr2O3→2Cr＋3CO）是兩種主要脫碳反應(yīng)，前者為放熱反應(yīng)，后者為吸熱反應(yīng)，其反應(yīng)速度受供氧量、熔池碳含量、CO含量、渣中Cr2O3含量和溫度的共同影響。如果冶煉過程中控制不當(dāng)（比如加料），熔池驟然受到冷卻，抑制了正在激烈進(jìn)行的碳氧反應(yīng)2，供入的氧氣生成了大量Cr2O3并聚積；當(dāng)熔池溫度再度升高到一定程度，Cr2O3聚積到20%以上時，碳氧反應(yīng)2重新以更猛烈的速度進(jìn)行，在碳氧反應(yīng)1和碳氧反應(yīng)2的共同作用下，瞬間產(chǎn)生大量的CO氣體，又由于此時Cr2O3含量較高，渣液表面張力較小、泡沫化程度較高和渣層較厚，液面升高，阻礙了熔池內(nèi)熱交換，導(dǎo)致渣液液面與爐內(nèi)鐵水溫差升高，同時使CO逸出困難，此時，如果碳－氧反應(yīng)劇烈，就會產(chǎn)生泡沫性噴濺，嚴(yán)重的話會產(chǎn)生爆發(fā)性噴濺；如果爐渣中Cr2O3的含量降低，其特征與上述正好相反，嚴(yán)重的話會導(dǎo)致爐渣返干，產(chǎn)生金屬性噴濺?？梢?，爐渣中Cr2O3含量是影響噴濺發(fā)生的主要原因。此外，鐵水成分（主要是硅、硫、磷的含量）、鐵水溫度、爐子狀況（新爐還是老爐，是否補(bǔ)爐）、渣量和爐容比也是影響噴濺的原因。

噴濺發(fā)生的主要特征有：

1）爐渣中Cr2O3含量積累過高；

2）爐渣中Cr2O3含量積累過低，爐渣返干；

3）爐渣泡沫化程度較高，渣層液面升高；

4）爐內(nèi)反應(yīng)劇烈沸騰，伴隨振動和音頻噪聲；

5）爐內(nèi)排出的CO氣體含量突變；

6）渣液液面與爐內(nèi)鐵水溫差升高。

1.2 噴濺定義及類型

AOD爐（包括轉(zhuǎn)爐及其它由氧氣助燃的冶煉設(shè)備）在吹煉過程中由于氧氣流股對熔池的沖擊及脫碳反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體逸出，造成爐渣及金屬液的飛濺是難以避免的，通常這種飛濺高度不會超過爐口，稱之為內(nèi)噴。但因某種條件具備時，會因金屬液與渣液兩相間發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，爐膛內(nèi)產(chǎn)生大量的CO氣體并夾帶著爐渣和金屬液瞬間從爐口噴出，被稱之為外噴。狹義上噴濺僅指外噴，廣義上噴濺既包括內(nèi)噴，也包括外噴。轉(zhuǎn)爐和AOD爐冶煉的前、中、后期均有可能出現(xiàn)外噴，外噴是冶煉過程中的嚴(yán)重故障狀態(tài)。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢

現(xiàn)有成果主要在分析噴濺產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施方面，通過調(diào)整裝入制度、優(yōu)化供氧制度和造渣制度等強(qiáng)化約束操作規(guī)范等管理手段來降低噴濺的發(fā)生率，而這些方法僅能降低因誤操作導(dǎo)致的噴濺。而對鐵水成分的偏差、輔料成分的變化、供氧（氬）流量的波動、頂槍位置調(diào)整誤差、工藝曲線的不完善等原因引起的噴濺研究尚未深入，盡管文獻(xiàn)提出的氣體分析方法［5］為解決噴濺問題提供了一條途徑，并在韓國浦項(xiàng)和日本新日鐵進(jìn)行了應(yīng)用研究，預(yù)報準(zhǔn)確率達(dá)到了81%，但由于分析的實(shí)時性較差，目前僅用作噴濺發(fā)生時及事后分析原因，不能實(shí)現(xiàn)自動控制，而且成本較高，當(dāng)爐體容量小于20t時，爐氣分析設(shè)備成本將大大高于冶煉設(shè)備，使該方法難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。而音頻分析方法［6］由于冶煉現(xiàn)場環(huán)境干擾十分嚴(yán)重且干擾源各不相同，導(dǎo)致分析精度不高且隨環(huán)境變化而變化，具有較大的不確定性，況且，該方法在檢測到信號時噴濺已經(jīng)輕微發(fā)生，給后續(xù)壓噴帶來實(shí)效方面的困難，更不能從根本上控制噴濺發(fā)生。至于依據(jù)FeO含量調(diào)節(jié)槍位的方法，由于目前沒有相關(guān)技術(shù)在線檢測爐渣中FeO含量，使該方法現(xiàn)階段不能用于在線實(shí)時控制。美國的Ispat Inland鋼鐵廠［7］和捷克的Trinecke zelezarng鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐車間采用數(shù)學(xué)模型來預(yù)測噴濺，然后通過調(diào)整工藝和加料方法來預(yù)防噴濺，該方法主要特點(diǎn)在于冶煉前離線收集冶煉工藝數(shù)據(jù)，通過模型進(jìn)行分析噴濺的可能性，而無需冶煉時在線采集實(shí)時信息，可以避免爐氣分析的成本過高和音頻分析干擾難以濾除等困難，但該方法對物料來源及成分變化較大的企業(yè)難以適用。因而，有必要尋找一種能夠間接表征噴濺即將發(fā)生的特征信號，該信號既能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測，又能兼容煉鋼和煉鐵合金工藝，進(jìn)而利用該信號來實(shí)現(xiàn)自動控制，避免噴濺發(fā)生。

2 AOD爐噴濺風(fēng)險強(qiáng)度分級預(yù)報方法

2.1 渣液中金屬氧化物累積量的軟測量方法

前述分析結(jié)果表明，Cr2O3累積量（∑（Cr2O3））是噴濺發(fā)生的主要原因，只要控制該量在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，就可以避免噴濺發(fā)生。但目前尚無技術(shù)和儀器能夠?qū)崿F(xiàn)∑（Cr2O3）的在線測量，給實(shí)施閉環(huán)控制帶來了較大困難。因而，必須借助軟測量技術(shù)，建立∑（Cr2O3）與其它可以檢測的物理量之間的關(guān)系模型，進(jìn)而間接完成∑（Cr2O3）的計量。研究表明［8］，隨著熔渣中Cr2O3含量升高，熔渣過分發(fā)泡，渣層因膨脹增厚，其表面張力降低，阻礙著CO氣體從爐內(nèi)鐵水中經(jīng)渣層通暢排出，也阻礙了渣液與鐵水的熱交換，導(dǎo)致爐內(nèi)下層鋼水與渣液上層表面的溫差隨Cr2O3含量的增加而增大，而當(dāng)渣中Cr2O3含量降低，熔渣逐漸變得黏稠，渣層因黏稠變薄，其表面張力增高，有利于CO氣體從爐內(nèi)鐵水中經(jīng)渣層通暢排出，也加速了渣液與鐵水的熱交換，導(dǎo)致爐內(nèi)下層鋼水與渣液上層表面的溫差隨Cr2O3含量的降低而降低，可見爐內(nèi)下層鋼水與渣液上層表面的溫差能夠反映渣液泡沫化程度、渣層厚度、渣液Cr2O3含量和渣液“返干”程度，只要控制好這一溫差，就可以間接控制渣中Cr2O3的含量在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，從而避免噴濺發(fā)生。然而，由于冶煉過程十分復(fù)雜，具有非線性和不確定性，而且各變量耦合緊密，涉及到物料平衡、熱平衡、氧平衡等多種制約，要建立該溫差與∑（Cr2O3）之間的數(shù)學(xué)模型極為困難，考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中，只有∑（Cr2O3）高或者低到某種程度時才會發(fā)生噴濺，故可以用二者的關(guān)系模型替代其數(shù)學(xué)模型來實(shí)施控制。

2.2 AOD爐噴濺風(fēng)險強(qiáng)度的分級表征方法

為了表征∑（Cr2O3），把爐內(nèi)下層鋼水與渣液上層表面的溫差簡稱為溫差，把不至噴濺而正常冶煉時∑（Cr2O3）對應(yīng)的溫差稱為標(biāo)準(zhǔn)溫差，用ΔT表示。由于物料成分及計算誤差，該標(biāo)準(zhǔn)溫差不是一個常數(shù)，而是一個區(qū)間，稱為等標(biāo)準(zhǔn)溫差帶，記為（ΔT－Δ，ΔT＋Δ），其帶寬為2Δ。把∑（Cr2O3）過高導(dǎo)致即將發(fā)生泡沫性噴濺時刻對應(yīng)的溫差稱為最大臨界溫差，記為ΔTmax。把∑（Cr2O3）過低導(dǎo)致即將發(fā)生金屬噴濺時刻對應(yīng)的溫差稱為最小臨界溫差，記為ΔTmin。將溫差Δt變化區(qū)間分為下述5個子區(qū)間，即（0，ΔTmin］，（ΔTmin，ΔT－Δ］，（ΔT－Δ，ΔT＋Δ），［ΔT＋Δ，ΔTmax）和［ΔTmax，∞）。每個區(qū)間分別表征渣液泡沫化程度、“返干”程度和∑（Cr2O3），同時也代表熔池距噴濺發(fā)生的風(fēng)險強(qiáng)度。其中，（ΔT－Δ，ΔT＋Δ）區(qū)間表征∑（FeO）恰當(dāng)，不會產(chǎn)生噴濺，風(fēng)險強(qiáng)度記為0級；（ΔTmin，ΔT－Δ］表征∑（Cr2O3）較少，有可能返干，具有爆發(fā)金屬性噴濺的趨勢，風(fēng)險強(qiáng)度記為－1級；［ΔT＋Δ，ΔTmax）表征∑（Cr2O3）較高，具有爆發(fā)泡沫性噴濺的趨勢，風(fēng)險強(qiáng)度記為1級；（0，ΔTmin］表征∑（Cr2O3）過少，已經(jīng)返干或即將返干，發(fā)生或者即將發(fā)生金屬性噴濺，風(fēng)險強(qiáng)度記為－2級；［ΔTmax，∞）表征∑（Cr2O3）過高，已經(jīng)發(fā)生或者即將發(fā)生金屬性噴濺，風(fēng)險強(qiáng)度記為2級。噴濺風(fēng)險強(qiáng)度及∑（Cr2O3）與溫差的關(guān)系如圖1所示。

圖1 噴濺風(fēng)險強(qiáng)度等級（Cr2O3累積量）與溫差的關(guān)系曲線

該圖也是∑（Cr2O3）與溫差的關(guān)系模型，因ΔT，ΔTmax和ΔTmin隨爐型、爐容比和冶煉工藝要求不同而不同，需要現(xiàn)場通過實(shí)驗(yàn)整定。噴濺風(fēng)險強(qiáng)度分級也可根據(jù)預(yù)報及控制精度按溫差梯度細(xì)分，其方法相同。

2.3 渣液與鐵水溫差的測量方法

渣液與鐵水溫度的測量是由分別安裝在頂槍和底槍上的紅外測溫裝置按采樣周期在線完成，紅外光信號的引出采用新的頂槍和底槍結(jié)構(gòu)，通過頂槍和底槍上的特殊結(jié)構(gòu)在槍管內(nèi)孔引出紅外光信號，非接觸測取爐內(nèi)漂浮在鐵水上面的渣液溫度和鐵水溫度，AOD底槍紅外在線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 AOD底槍紅外在線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其冷卻借助于槍的自冷系統(tǒng)，渣液和鐵水溫度測量的同步及溫差的計算由PLC中的軟件自動實(shí)現(xiàn)，并將該溫差值與各子區(qū)間下限和上限相比較，以確定當(dāng)前溫差落入的區(qū)間。

3 基于模糊控制的噴濺抑制方法

渣液中∑（Cr2O3）可以通過調(diào)節(jié)槍位和供氧強(qiáng)度來控制，控制∑（Cr2O3）的過程也就是控制化渣過程。如果∑（Cr2O3）控制不當(dāng)，會給吹煉帶來困難。若化渣太晚，易“返干”，形成金屬性噴濺；若化渣太早，易增加渣液泡沫化程度，形成泡沫性噴濺，甚至爆發(fā)性噴濺。因此，控制噴濺的關(guān)鍵就是要控制吹煉槍位及供氧強(qiáng)度。

3.1 溫差偏高時槍位的調(diào)節(jié)和供氧強(qiáng)度控制

冶煉前期調(diào)節(jié)和控制的原則是早化渣、化好渣。吹煉前期的特點(diǎn)是硅、鉻迅速氧化、渣中SiO2濃度大，熔池溫度不高，此時要求將加入爐內(nèi)的石灰盡快地化好，以便形成堿度≮1.5～1.7的活躍爐渣，以減輕酸性渣對爐襯的侵蝕，并增加吹煉前期的脫硫與脫磷率。為此，應(yīng)采用較高的槍位，如果槍位過低，不僅因渣中Cr2O3低會在石灰表面形成高熔點(diǎn)而且致密的2CaO·SiO2，阻礙石灰的熔化，還會由于爐渣未能很好地覆蓋熔池表面而產(chǎn)生金屬噴濺，當(dāng)然，前期槍位也不宜長時間過高，否則造成Cr2O3含量過高，渣液泡沫化程度嚴(yán)重，渣層增厚，溫差增大，發(fā)生泡沫性噴濺，為此，隨著溫差增大，當(dāng)噴濺風(fēng)險強(qiáng)度等級為1級時，應(yīng)該降低槍位到低槍位，來降低Cr2O3含量，同時降低供氧強(qiáng)度，減弱碳氧反應(yīng)速度，避免噴濺。由于槍位調(diào)節(jié)Cr2O3含量具有大滯后特性，當(dāng)為－2級時，通過加料系統(tǒng)添加泡沫抑制劑，依賴化學(xué)反應(yīng)迅速降低Cr2O3含量，同時，進(jìn)一步加大供氬氣壓力和流量，以便擊碎返干層，加大鐵水?dāng)嚢枇Χ龋档凸┭鯊?qiáng)度，進(jìn)而降低反應(yīng)速率，將冶煉中產(chǎn)生的氣體通過爐口上方的除塵排氣通道排出，從而避免大噴事故的發(fā)生。

3.2 溫差偏低時槍位的調(diào)節(jié)和供氧強(qiáng)度控制

吹煉過程中期槍位控制的基本原則是：繼續(xù)化好渣、化透渣、快速脫碳、不噴濺、熔池均勻升溫。吹煉中期的特點(diǎn)是強(qiáng)烈脫碳，在這個階段中，不僅吹入的氧氣全部用于碳的氧化，而且渣中的Cr2O3也大量被消耗，渣層變薄，溫差降低，渣中∑（Cr2O3）的降低將使?fàn)t渣的熔點(diǎn)上升，流動性下降，出現(xiàn)“返干”現(xiàn)象，影響硫、磷的去除甚至于發(fā)生回磷現(xiàn)象，“飛濺”也較嚴(yán)重。為了防止中期爐渣返干，產(chǎn)生金屬性噴濺，當(dāng)噴濺風(fēng)險強(qiáng)度等級為－1級時，應(yīng)該適當(dāng)提槍，使渣中有適當(dāng)?shù)摹疲–r2O3），同時，降低供氧量，減弱碳氧反應(yīng)速度和反應(yīng)溫度，避免噴濺。由于槍位調(diào)節(jié)Cr2O3含量具有大滯后特性，當(dāng)為－2級時，還需要通過加料系統(tǒng)添加定量改善渣液氧化性和流動性的輔料（如鉻粒和螢石），依賴化學(xué)反應(yīng)迅速增加Cr2O3含量，來抑制噴濺發(fā)生。

3.3 抑制噴濺的模糊控制規(guī)則建立及執(zhí)行

在正常冶煉工藝曲線間歇期（針對間歇式供氧方式的冶煉工藝，在間歇期采樣可以保證測量精度），實(shí)時測量同一時刻爐內(nèi)漂浮在鐵水上面的渣液溫度和爐內(nèi)底層鐵水溫度，計算鐵水和渣液溫差，確定噴濺風(fēng)險強(qiáng)度等級，當(dāng)為0級時，按即定工藝曲線繼續(xù)進(jìn)行冶煉，非0級時，則轉(zhuǎn)入防止AOD爐冶煉過程出現(xiàn)噴濺的控制程序。因?yàn)榭刂茋姙R發(fā)生的主要手段是槍位、供氧強(qiáng)度、供氬強(qiáng)度和添加劑，而距離噴濺發(fā)生的程度不同，需要的控制方式和控制量大小也不盡相同［9］，為此建立各級與控制方式和控制量大小的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 抑制噴濺模糊控制規(guī)則表

表中高槍位是指比正常槍位高0.2～0.4m以上的頂槍位置；高高槍位是指比正常槍位高0.4～0.6m以上的頂槍位置；低槍位是指比正常槍位低0.2～0.4m以下的頂槍位置；降低氧氣流量是指比當(dāng)時正常冶煉工藝曲線的流量值低30%～50%；進(jìn)一步降低氧氣流量是指比當(dāng)時正常冶煉工藝曲線的流量值低50%～70%，具體參數(shù)可以根據(jù)爐型及爐容比適當(dāng)調(diào)整。PLC中的控制程序依據(jù)當(dāng)前等級，查表1獲得對應(yīng)的氧氣流量和氬氣流量，然后分別控制圖2中的氧氣和氬氣流量調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制式恒流量控制；PLC由表1同時獲得槍位信息，經(jīng)變頻器控制頂槍升降系統(tǒng)到指定位置；如果等級為±2級，PLC由表1同時獲得加料信息，PLC將控制電磁振動給料機(jī)加入定量的改善渣液氧化性和流動性的輔料，控制系統(tǒng)快速離開噴濺狀態(tài)。

4 結(jié) 語

把噴濺控制問題歸結(jié)為渣液中∑（Cr2O3）和碳－氧反應(yīng)速率控制問題，首次用渣液與鐵水溫差及其區(qū)間表征渣液中∑（Cr2O3）和噴濺風(fēng)險強(qiáng)度等級，進(jìn)而將∑（Cr2O3）測量問題簡化為渣液與鐵水溫差測量問題，從而解決了Cr2O3含量和碳－氧反應(yīng)速率不能在線測量的問題。提出的基于噴濺風(fēng)險強(qiáng)度等級來防止噴濺的控制方法，依據(jù)風(fēng)險等級，整合了槍位、氧、氬流量和噴濺抑制劑等控制量，按模糊控制思想構(gòu)建了控制規(guī)則表，依據(jù)規(guī)則表調(diào)節(jié)槍位和氣體流量來控制噴濺風(fēng)險等級在0級內(nèi)，進(jìn)而控制渣液的Cr2O3含量，保證爐渣的氧化性和流動性，從而避免噴濺發(fā)生。該方法主要優(yōu)點(diǎn)是將Cr2O3含量控制問題簡化為溫差控制問題，即解決了∑（Cr2O3）不能在線測量問題，又避免了建立溫差與Cr2O3含量的數(shù)學(xué)模型。

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