基于CO氣體濃度分析預防AOD爐噴濺

林曉梅, 呂熠棟, 劉永利, 李慧然

(長春工業大學電氣與電子工程學院,吉林長春 130012)

0 引 言

噴濺是AOD爐煉鋼時經常會遇到的一種情況,是指大量的含有粒狀鐵的泡沫渣從爐口溢出,而且遇到的噴濺往往也表現不一樣。但不管怎樣,只要有噴濺發生,就會造成諸如環境污染、產量降低和設備損壞,以及煉鋼成本增加等,嚴重時會造成設備故障和危及人的生命安全。因此,噴濺一直以來都是令廣大AOD爐煉鋼人員頭痛的一個問題。因此,預防和減少噴濺,同時還不影響AOD爐正常生產具有十分重大的意義。為了預防和減少噴濺,國內外大多數煉鋼公司采用聲納化渣技術、音平控渣技術、加料法、測定并控制爐內液面的高度等方法和技術。雖然取得了一定的成就,但還是不能完全預防噴濺發生,所以,有必要提出一種新的更好的方法來預防噴濺發生。文中基于AOD爐CO氣體濃度的分析[1],從根本上預防了噴濺發生。

1 噴濺產生原因

噴濺的分類方法有很多。根據噴濺產生的原因進行歸納總結[2],噴濺大致可分為:金屬噴濺(或返干性噴濺)、泡沫性噴濺及爆發性噴濺。

雖然噴濺在AOD爐煉鋼過程中很常見,但僅僅靠吹入的氧氣流股要把金屬和熔渣吹出爐口以外是不可能的,這是因為鐵水和爐渣的密度都較大,因此,要產生噴濺必然有外部力量共同參與作用,這個外部力量就是熔池中碳氧反應時生成的大量CO氣體。

爆發性噴濺產生的原因主要是熔池內碳氧反應不均衡發展,瞬時產生大量的CO氣體。正常情況下,碳均勻氧化生成CO氣體并均勻排出,不致產生猛烈的噴濺,但碳氧反應對溫度的變化非常敏感,在1 470℃以下,碳氧反應受到抑制,而在1 470℃以上時,則能順利進行,如果操作不當(如二批渣料加得不合適等),就會使熔池溫度驟降到1 470℃以下,供氧生成的FeO聚積,而后隨著溫度升高至1 470℃以上,則會發生激烈的碳氧反應,從而造成噴濺。

泡沫性噴濺產生的原因主要是爐渣泡沫化嚴重時,使渣層變厚,阻礙CO氣體順暢排出而造成。究其原因,除了碳氧反應不均衡外,還與爐熔比的大小、渣量多少及熔渣泡沫化程度等有關。

金屬噴濺產生的原因主要是渣中TFe過低,熔渣流動性不好,氧氣流直接接觸金屬液面,碳氧反應生成的CO氣體排出時帶動金屬液滴飛出爐外而形成。金屬噴濺也往往與操作不當有很大關系,如長時間槍位過低、二批料加入過早、爐渣未化透就急于降槍脫碳等,都有可能產生金屬噴濺。

2 基于CO氣體濃度預防噴濺原理

2.1 質譜技術基本原理

爐氣分析技術[3],即在煙道上安裝在線分析儀,通過實時分析煙氣中各氣體成分(包括CO,CO2,N2,Ar2,O2,H2,He等)的含量和溫度等信息,以此來實時探測爐內動態變化情況,進行連續動態控制的一種分析技術。質譜技術作為一種分析手段,具有靈敏度好、分辨率高、分析速度快等優點,在傳統的有機物質分析、同位素、地球科學、考古學、環境科學、生物醫學等方面有著較為廣泛的應用,使之成為當今最有發展前景的分析技術[4]。作為質譜技術的一個分支,飛行時間質譜技術在爐氣分析領域更是有著無以倫比的優勢。飛行時間質譜技術是利用動能相同而質荷比不同的離子在恒定電場中運動,經過恒定距離所需時間不同的原理對物質成分和結構進行檢測的一種質譜分析方法。質譜分析法[5]是通過對樣品離子的質量和強度的測定來進行定量分析和結構分析的一種分析方法。質量是物質的固有特征之一,不同的物質有不同的質量譜質譜,利用這一性質,可以進行定性分析(包括分子質量和相關結構信息);譜峰強度也與它代表的化合物含量有關,可以用于定量分析。按照離子的質量對電荷的比值(即質荷比)的大小依次排列所構成的圖譜,稱為質譜,從本質上看,質譜不是光譜,而是帶電離子的質量譜。

質譜儀測定爐氣中CO和CO2及爐氣流量,利用反應過程的碳平衡,爐氣中CO與脫碳速度有下列關系[6]:

吸入的空氣量少且是一定的,爐氣流量是一定的,因此式(1)反應生成的CO2基本上是個常量。從式中可以看出,在AOD爐冶煉過程中,CO濃度變化與脫碳速度成正比[7-9]。

圖1 飛行質譜儀的工作原理

2.2 利用CO濃度曲線預防噴濺發生的原理

噴濺一般發生在冶煉的前期和中期,反映在dC/dt曲線表現為其值急劇下降;其下降原因可以解釋為爐氣中的CO減少,則渣中CO富集,爐渣泡沫化嚴重;或渣中FeO含量太高。

3 討 論

在實際生產過程中,用飛行質譜儀所測的6種氣體(H2,CO,N2,O2,Ar,CO2)數據如圖2～圖5所示。

圖中曲線代表CO濃度曲線,其中圖2噴濺更為嚴重。

圖2 爐氣H2濃度曲線圖

圖3 爐氣CO濃度曲線圖

圖4 爐氣N2濃度曲線圖

圖5 爐氣O2濃度曲線圖

在實際生產過程中,利用了CO濃度曲線值改變氧槍的高度來預防噴濺所得的曲線圖,如圖6和圖7所示。

圖6 爐氣Ar濃度曲線圖

圖7 爐氣CO2濃度曲線圖

從圖6和圖7中可以得出以下結論:在AOD爐吹煉過程中,根據CO濃度值小于0.54且下降斜率小于-0.003時,把氧槍緩慢地降低高度,使下降斜率大于-0.003時,再緩慢地提高氧槍的高度,這一原則可以很好地預防噴濺發生。

把利用CO濃度來預防AOD爐噴濺的技術應用到實際生產過程中,所得的統計圖如圖8所示。

圖8 應用前后AOD爐噴濺的變化

統計結果表明,預測噴濺成功率達到85%以上,AOD爐噴濺發生率由原來的21%降低到目前的4.3%。

4 結 語

(1)在AOD爐冶煉期間,爐氣成分中的CO呈現有規律的變化,這些變化規律間接反映了爐渣的狀況。

(2)利用CO濃度曲線值可有效地對噴濺與異常爐況進行預報和控制。

(3)利用CO濃度曲線值對噴濺與異常爐況進行預報時,可從CO濃度曲線值和該曲線上升或下降的斜率來判斷。

文中利用CO濃度曲線來預防噴濺取得了很好的效果,不僅有效預防了噴濺的發生,穩定了吹煉過程,還提高了AOD爐終點命中率。

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