尚世震，李旭，張帥，馬超

（1. 鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021； 2. 海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009； 3. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠 （以下簡稱“一分廠”）板坯鑄機改造后，澆注周期從27 min降至24 min。為實現(xiàn)爐機匹配生產(chǎn)，要求提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率，縮短冶煉周期。冶煉周期與一次拉碳合格率、吹氧時間等參數(shù)密切相關(guān)，而化渣操作對此起到?jīng)Q定作用。 一分廠原轉(zhuǎn)爐冶煉過程中依靠人工經(jīng)驗化渣操作，隨意性強，穩(wěn)定性差。 聲吶化渣系統(tǒng)和煤氣分析儀均能夠指導化渣操作，提高爐渣判斷的準確性，但是聲吶化渣曲線受現(xiàn)場噪音、爐口與煙罩距離、氧槍槍位和加料批次的影響，會出現(xiàn)局部曲線失真[1]；而煤氣分析儀是在煤氣柜入口處采集數(shù)據(jù)，形成的CO 曲線數(shù)據(jù)會比實際生產(chǎn)滯后8～12 s，不能實時反饋生產(chǎn)情況。 只有將聲吶化渣系統(tǒng)和煤氣分析儀兩者結(jié)合使用才能既可以實時判斷爐內(nèi)反應情況,又可以顯示爐內(nèi)反應趨勢，實現(xiàn)曲線修正判斷功能，提供直觀的操作工藝曲線，以便更好地進行化渣操作，提高轉(zhuǎn)爐一次拉碳合格率，縮短冶煉周期，提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率[2]。

1 聲吶化渣系統(tǒng)和煤氣分析儀設備介紹

1.1 聲吶化渣系統(tǒng)

1.1.1 系統(tǒng)組成

聲吶化渣系統(tǒng)由機械設備、 電氣設備和系統(tǒng)軟件三部分組成。

（1）機械設備包括水箱、底座、底座焊接板、集音管和電磁閥，如圖1 所示。

圖1 聲吶化渣系統(tǒng)機械設備Fig. 1 Mechanical Equipment of Sonar Slag Melting System

（2）電氣設備包括高靈敏采音模塊，信號調(diào)理模塊，溫、濕度傳感器，多頻段音頻分析儀，攝像系統(tǒng)和工控機。

（3）系統(tǒng)的軟件為windows10，操作軟件為Visual C++編程軟件，帶有自學習功能。

1.1.2 工作原理

聲吶化渣系統(tǒng)工作原理見圖2。

圖2 聲吶化渣系統(tǒng)工作原理Fig. 2 Working Principle for Sonar Slag Melting System

在距轉(zhuǎn)爐爐口高約0.5 m 的位置安裝集音管，采集爐口附近發(fā)出的音頻，音頻來源主要是超音速氧氣流股的氣體動力學聲音及其與鐵水、渣液和固體顆粒碰撞時發(fā)出的聲音[3]。 集音管采集的音頻通過多頻段音頻分析儀過濾和篩選等二次處理，形成最接近轉(zhuǎn)爐冶煉過程的音頻曲線，利用泡沫渣的衰減值公式計算爐內(nèi)音頻強度，繪制聲吶化渣曲線。

1.2 煤氣分析儀工作原理

一分廠轉(zhuǎn)爐煙氣凈化系統(tǒng)（一次除塵系統(tǒng)）為雙文濕法煙氣凈化系統(tǒng)，煤氣分析儀位于其末端。轉(zhuǎn)爐吹煉過程中發(fā)生化學反應，生成的CO、CO2等氣體經(jīng)過一次除塵系統(tǒng)，通過盲板閥后進入煤氣柜前。煤氣分析儀采集并分析轉(zhuǎn)爐煙氣中的CO含量，分析后的數(shù)值反饋回現(xiàn)場操作畫面，形成煙氣中CO 數(shù)值變化曲線。 該曲線與吹煉過程中C、O 反應時間和反應速率呈規(guī)律性變化，據(jù)此判斷爐內(nèi)反應情況和爐渣熔化情況。

2 聲吶化渣系統(tǒng)結(jié)合煤氣分析儀的使用

2.1 聲吶化渣渣厚曲線

聲吶化渣界面由渣厚線和四條標準線構(gòu)成，四條標準線分別為爐渣返干線、爐渣返干預警線、噴濺預警線、噴濺線，其中爐渣返干預警線上的數(shù)值為爐渣返干線上的數(shù)值×0.9，爐渣噴濺預警線上的數(shù)值為爐渣噴濺線上的數(shù)值×0.9。 渣厚線處在這四條線之間，若與爐渣返干預警線相交且靠近爐渣返干線，表明爐渣處于返干狀態(tài)；若與噴濺預警線相交且靠近噴濺線，則表明爐渣處于活躍狀態(tài)，熔化良好。

冶煉前期4 min 內(nèi)采集70 個以上有效聲吶信號，據(jù)此確定渣厚曲線起始點并計算曲線平臺。

2.1.1 正常爐渣渣厚曲線

正常爐渣渣厚曲線見圖3。 由圖3 看出，冶煉過程中，前期成渣快速，渣厚曲線快速提升；中后期波動較小，曲線接近或略超噴濺預警線，全程化渣較好且爐渣較活躍。

圖3 正常爐渣渣厚曲線Fig. 3 Slag Thickness Curves of Normal Slag

2.1.2 爐渣返干渣厚曲線

（1）冶煉前期爐渣返干渣厚曲線

冶煉前期爐渣返干渣厚曲線見圖4。由圖4 看出，冶煉5～7 min 處于爐渣返干期，渣厚曲線處在爐渣返干預警線和爐渣返干線之間。 如果前期氧槍槍位過低，未能及時調(diào)整氧槍高度提高爐內(nèi)FeO 含量，進入C、O 劇烈反應期后，爐內(nèi)FeO 消耗過大，爐渣會出現(xiàn)短暫的返干現(xiàn)象，7 min 后采取提槍操作，減少氧氣對熔池的強烈攪拌和沖擊，鋼液中C、O 反應下降，爐內(nèi)FeO 含量提高，爐渣活躍度增加，曲線上升。

圖4 冶煉前期爐渣返干渣厚曲線Fig. 4 Slag Thickness Curves of Redried Slag during Early Stage of Smelting

（2）冶煉全程爐渣返干渣厚曲線

冶煉全程爐渣返干渣厚曲線見圖5。 冶煉過程中，由于未及時按渣厚曲線調(diào)整氧槍槍位，造成操作異常，冶煉全程爐渣返干，轉(zhuǎn)爐終點結(jié)果異常，磷含量超標，終點溫度低于目標值，造成后期嚴重過吹。

圖5 冶煉全程爐渣返干渣厚曲線Fig. 5 Slag Thickness Curves of Redried Slag during Entire Process of Smelting

2.1.3 爐渣噴濺渣厚曲線

爐渣噴濺渣厚曲線見圖6[4]。

圖6 爐渣噴濺渣厚曲線Fig. 6 Slag Thickness Curves during Slag Splashing

冶煉過程中，隨著渣厚曲線高度的提升，逐漸接近爐渣噴濺預警線，如果未及時采取降低氧槍槍位操作，爐渣中會產(chǎn)生大量的FeO 并富集，造成爐渣異?；钴S，渣厚曲線逐一穿過噴濺預警線、噴濺線，造成跑渣。

冶煉期間導致有些爐次渣厚曲線波動較大的主要原因是過程渣控制不平穩(wěn)，造成爐渣返干、噴濺交替發(fā)生。

2.2 煤氣分析儀CO 曲線

2.2.1 正常爐渣時的CO 曲線

正常爐渣時的CO 曲線見圖7，呈現(xiàn)凸起狀山包型，曲線平穩(wěn)爬升直至最高點，隨著時間的推移，C、O 反應劇烈程度減弱，出現(xiàn)明顯的拐點，曲線呈現(xiàn)下降趨勢。

圖7 正常爐渣時的CO 曲線Fig. 7 CO Curves for Normal Slag

2.2.2 爐渣返干時的CO 曲線

爐渣返干時的CO 曲線見圖8[5]。 冶煉前期槍位偏低，爐內(nèi)C、O 快速反應進入劇烈期，F(xiàn)eO 含量消耗速率大于生成速率。當FeO 含量低于10%時，爐內(nèi)出現(xiàn)爐渣返干現(xiàn)象，曲線斜率較大，拐點提前出現(xiàn)。 由于爐渣返干后，適當采取弱吹模式，C、O反應劇烈程度減弱，CO 含量急劇下降，渣中FeO富集后，氧槍槍位下降，C、O 再次劇烈反應，此時曲線會出現(xiàn)多個拐點。

圖8 爐渣返干時的CO 曲線Fig. 8 CO Curves for Redryied Slag

2.2.3 爐渣噴濺時的CO 曲線

爐渣噴濺時的CO 曲線見圖9。 冶煉前期CO曲線緩慢上升，曲線斜率較小，槍位偏高，隨著槍位下降，出現(xiàn)一個反應平臺，然后會出現(xiàn)急劇上升，此時C、O 急劇反應，爐渣異?；钴S，出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象。

圖9 爐渣噴濺時CO 曲線Fig. 9 CO Curves for Splashed Slag

2.3 聲吶化渣系統(tǒng)和煤氣分析儀結(jié)合使用

正常爐渣時聲吶與CO 曲線結(jié)合圖像見圖10。兩者結(jié)合后能更準確、更全面地反映冶煉期間爐渣的實時狀態(tài)，又可以顯示爐渣的發(fā)展趨勢，避免原有單一曲線使用時的不足，有效地提高氧槍操作精度和準確性。

圖10 正常爐渣時聲吶與CO 曲線結(jié)合圖像Fig. 10 Images of Sonar Combined with CO Curves for Normal Slag

3 優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉工藝參數(shù)

3.1 優(yōu)化噴濺、返干指數(shù)

隨著轉(zhuǎn)爐爐齡的增加，轉(zhuǎn)爐的實時爐容比逐漸變大，噴濺指數(shù)下降，爐渣返干指數(shù)會陡然上升，因此需要依據(jù)爐役不同時期微調(diào)噴濺和返干指數(shù)，保證與爐體化渣的時效性，見表1 所示。

表1 優(yōu)化后的噴濺、返干指數(shù)Table 1 Splashing Index and Redrying Index after Optimization

3.2 優(yōu)化物料加入方式

聲吶化渣曲線前4 min 主要是音頻采集和回歸曲線計算過程，不是真實的爐渣狀態(tài)，4 min 后開始加料。原隨機加料方式由于加料頻次過多，對音頻信號影響較大，干擾整個過程的槍位操作。因此，優(yōu)化物料加入方式，見表2 所示，減少加料次數(shù)對聲吶曲線造成的擾動[6]。

表2 優(yōu)化后加料方式Table 2 Feeding Mode after Optimization

3.3 優(yōu)化氧槍槍位

優(yōu)化后氧槍槍位曲線見圖11。

圖11 優(yōu)化后氧槍槍位曲線Fig. 11 Oxygen Lance Position Curves after Optimization

由圖11 可以看出，槍位采取高-低-高-低小幅度的升降模式。實際操作中，爐渣返干期間抬槍幅度每次不大于0.4 m，停留5～10 s。 通過聲吶信號反饋重新規(guī)劃曲線，決定是否再進行抬槍操作。為了避免降槍過快爐渣溢出或再次造成爐渣返干，降槍幅度不大于0.2 m。

4 取得的效果

聲吶化渣系統(tǒng)和煤氣分析儀結(jié)合使用，并優(yōu)化轉(zhuǎn)爐工藝參數(shù)后，轉(zhuǎn)爐冶煉過程化渣效果得到明顯改善，表3 為優(yōu)化前后指標對比。

表3 優(yōu)化前后指標對比Table 3 Comparison of Indexes before and after Optimization

由表3 得出，工藝優(yōu)化后，一次拉碳合格率提高了9.6%，減少了補吹量，有利于提高鋼水純凈度；跑渣率降低了2.5%，既提高了轉(zhuǎn)爐鋼水收得率又減少了可視化污染；化渣合格率提高了35%，提高了轉(zhuǎn)爐冶煉過程控制的穩(wěn)定性，提高了氧氣利用率。生產(chǎn)中降低了轉(zhuǎn)爐冶煉熔時，轉(zhuǎn)爐冶煉周期降低2 min/爐，提高了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了爐機匹配。

5 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠針對90 t 轉(zhuǎn)爐冶煉過程中依靠人工經(jīng)驗化渣，影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率的問題，采用了聲吶化渣系統(tǒng)和煤氣分析儀相結(jié)合使用的方法，并對噴濺指數(shù)、加料方式和氧槍槍位等工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，一次拉碳合格率提高了9.6%，跑渣率降低了2.5%，化渣合格率提高了35%，提高了轉(zhuǎn)爐冶煉過程控制的穩(wěn)定性，提高了氧氣利用率，降低了轉(zhuǎn)爐冶煉熔時，轉(zhuǎn)爐冶煉周期降低2 min/爐，提高了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了爐機匹配，滿足煉鋼生產(chǎn)的要求。