轉爐煙氣分析動態控制及技術應用

劉莫巖

（鞍山寶得鋼鐵有限公司，遼寧 鞍山 114000）

轉爐煙氣分析動態控制及技術應用

劉莫巖

（鞍山寶得鋼鐵有限公司，遼寧 鞍山 114000）

由人工經驗控制到動態智能控制是轉爐煉鋼自動化的發展方向，而利用質譜儀在線分析轉爐煙氣進行動態控制是實現轉爐煉鋼技術自動化最有效的途徑；介紹煙氣分析動態控制煉鋼技術在寶得鋼廠120噸轉爐的開發應用情況，對提高轉爐終點命中率，實現煉鋼自動化，特別是對國內中小型轉爐具有借鑒作用。

轉爐；煙氣分析動態控制煉鋼技術；寶得鋼廠

0 前言

2013年，隨著寶得公司內部設備的大更新，我煉鋼廠新上了一座120噸轉爐，具有動態延期控制技術。在經過一段時間的生產檢驗之后，發現只要對該項技術進行稍微地改變與提升，就能勝任更復雜的需求，確保高質量的鋼鐵冶煉。在轉爐吹煉的過程中，寶得鋼廠采取的工作方式能夠快速完成爐氣成分分析，并且只需要了解爐氣的成分變化就可以根據一定的計算公式來計算得到脫碳速率以及鋼產品當中碳的含量，對實現自動化生產有較高的幫助作用。

1 系統組成

整個系統由三部分組成：（1）負責轉爐爐氣采集，處理的低碳維護量的LOMAS系統；（2）在線分析質譜儀；（3）轉爐煙氣分析動態控制系統；

1.1 LOMAS煙氣采集和處理系統

在煙氣當中有大量氣體，該系統能夠實現對這些氣體的分析，確保了解煙氣中的組成。LOMAS系統為了確保探測到準確的氣體成分，在系統內部安排了兩個甚至更多的氣體探頭，并且有專門的儀器來分析氣體成分。分析工作主要利用了系統中的兩個探頭，對裝置內的煙氣進行周期性的取樣，并且預留了一個探頭來起到備用的作用，確保煙氣檢測處理工作的不斷進行。

1.2 在線分析質譜儀

在LOMAS系統完成對煙氣的分析工作之后，主要由在線分析質譜儀來承擔對煙氣成分的分析工作，在計算機軟件的有效支持下，在線分析質譜儀的工作效率較高，在短時間內就能完成整個分析工作，并且還能在高效率的同時保證較好的工作精度。在不少于1.5秒的時間內，就能完成整個煙氣的分析工作。在一些情況中，還能承擔起對轉爐煙氣成分的實時檢測工作，對CO、CO2等氣體的含量與比例進行實時檢測，為后期工作提供大量的數據支持。

1.3 轉爐煙氣分析動態控制系統

為了實現準確又高效的轉爐煙氣分析檢測工作，總系統一般由靜態與動態兩個部分構成。（1）靜態控制模型。在一個靜態控制模型中，系統要通過分析任務所要達成的目標來靈活決定不同原料之間的比例，并且以此為基礎來確定整個冶煉方案。煙氣動態分析生產方式最關鍵的一點就是需要及時處理大量的信息，這樣的環境對傳統的轉爐生產模型提出了更高層次的要求，為此生產單位一般會對模型進行深度改進，確保能夠承擔繁重的生產任務。（2）動態控制模型。在動態控制模型當中，如何實現對轉爐的動態控制是整個工作的基礎，并且能夠給予靜態模型一定的補償，確保其內部物質的平衡。在物理學物料平衡原理支持下，能夠建立起對靈活的轉爐生產平衡體系，對分析結果進行及時的矯正與修改，確保轉爐生產出正確的產品，高質量的產品。

2 爐氣分析技術應用

目前，轉爐爐氣的主要利用價值就是回收其尚未徹底燃燒的CO，而為保證煤氣的發熱值，對于吹煉前后期CO含量較低的煤氣，往往棄之不用，不僅浪費資源也對環境造成污染，而且大量有用信息得不到有效利用。而質譜儀則可對這部分有用信息加以利用，為現場人員提供充分的操作依據。

2.1 返干時CO和CO2的變化規律

如果吹煉過程中出現異常現象，如噴濺或返干，CO和CO2含量將出現相應的異常變化。另外收放喉口、氧槍操作和添加輔助料也會對CO和CO2含量的變化產生影響，低槍位操作時候過去，使得從氧槍噴出的氧氣主要用于脫碳，致使CO增多，從爐口吸入的空氣量便減少，這一點可由N2含量下降到最低點得到證實。同時，用于爐內二次燃燒的氧量也減少，CO2含量下降，因為渣中的FeO參與脫碳反應而被大量消耗，低槍位操作又使渣中FeO得不到應有的補充，渣中FeO減少使爐渣變得粘稠，甚至僵硬，這一點可根據生產過程中取樣時，有時副槍全被戳折而得到證實。

值得注意的是，要分清由于氧槍操作上的人為變化而引起CO含量突變與返干時特征的區別，即CO曲線漸變與突變的區別。在總吹時間3/4處，CO曲線垂直上升，這是因為此時降槍導致脫碳速率加大而引起CO含量突升。可見，正確判斷爐內的冶煉狀況，要參考合理的操作制度。

2.2 噴濺時CO和CO2變化規律

當CO含量突降時，往往意味著噴濺的來臨。研究認為，當CO含量低時，說明大量的CO留存在爐渣中，當積累到一定程度，就會以突然噴發的形勢并攜帶一定量的爐渣，從爐口噴出，即為噴濺。爐渣發生噴濺時的爐氣中CO和CO2含量有一個突降、突升的變化，此時噴濺嚴重。當爐渣變得粘稠，致使大量的CO不易排出，而風機轉速一定,N2含量的突升說明轉爐內排出的氣體劇減，需要從爐口吸入空氣進行補充。此時脫碳的反應仍然連續高速地激烈進行，源源不斷生產的CO大量積累在乳化系中，當粘稠的爐渣中所積累的CO由量變到質變時，則發生噴濺。另外，為解決返干而進行提槍操作會使返干的爐渣上層富集大量的FeO，若爐渣渣層過厚，富集FeO的上層爐渣變稀而下層仍然處于返干狀態，這一點可由取樣時，取樣勺只能達到爐渣層一定深度便再也探不進而得到證實。脫碳反應在氧氣流股和被攪亂的富含FeO的爐渣雙重氧化作用下，局部瞬時產生的大量CO便從爐口噴出，一旦發現CO含量升高，同時CO2、N2含量下降時，則意味著渣中CO（FeO）減少，爐渣極可能已發生返干，應立即提槍化渣。

3 爐氣分析技術存在的問題

（1）爐氣分析法是利用爐氣成分的信息，由數學模型計算溫度，沒有副槍直接測量的數據可靠性高，在單純使用爐氣分析進行動態控制的情況下，溫度命中率主要取決于諸如廢鋼量、鐵水重量及成分、造渣料的重量及成分等輸入數據的準確和穩定，通過熱量平衡進行計算。大部分爐氣分析模型對于溫度的預測仍然依靠靜態模型。

（2）爐氣分析法屬于間接測量方法，其精準度受諸多原因影響，如稱量設備的精度，吹煉操作，爐氣分析設備的分析精度，對爐氣流量校正計算的準確性，爐氣分析系統的響應時間，模型本身精度等，這些都對預報及控制效果有較大影響。

（3）用于爐氣分析的質譜儀主要依賴進口，由于國內生產秩序和原料條件差，導致生產環境和樣氣比較惡劣。從國外引進的氣體分析設備往往容易在取樣系統及分析設備本身出現問題，且國內裝有質譜儀的鋼廠，普遍缺乏專業的設備維護隊伍，因而時常因為設備不能正常運行而影響生產。

4 結束語

綜上所述，隨著我國煉鋼行業的不斷發展，自動化控制技術也將成為煉鋼過程中的主流技術之一。在這樣的大背景下，寶得鋼廠通過引進120噸轉爐，結合自動化程度較高的煙氣分析動態控制煉鋼技術，實現了煉鋼效率與質量的雙重提升。并且結合自身生產實際對該套系統進行了一定程度地改良，不僅提升了對生產過程中碳元素濃度以及溫度的掌控力，還有效降低了發生安全事故的概率。對發展與發揚全自動化煉鋼生產工作的優勢起到了關鍵性的作用。整套設備僅僅耗費了2000萬元資金，并且日常維護簡單，設備安全性強，長期運行也不會發生安全事故，在我國各中小型煉鋼企業中有較強的適用性。為了推動自動化生產的深入進行，應當予以推廣。

［1］張啟忠.100t豎式電爐煉鋼技術及應用[J].價值工程,2013(35).

［2］張德合.解析轉爐全封閉智能煉鋼技術的開發和應用[J].企業技術開發（下半月）,2014(17).

湯靜］