聲吶化渣結(jié)合煤氣分析儀應(yīng)用實(shí)踐

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(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009； 3. 鞍鋼集團(tuán)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(jī)改造后，澆注周期從27 min降至24 min。為實(shí)現(xiàn)爐機(jī)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(yàn)化渣操作，隨意性強(qiáng)，穩(wěn)定性差。 聲吶化渣系統(tǒng)和煤氣分析儀均能夠指導(dǎo)化渣操作，提高爐渣判斷的準(zhǔn)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(shí)際生產(chǎn)滯后8～12 s，不能實(shí)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(shí)時判斷爐內(nèi)反應(yīng)情況,又可以顯示爐內(nèi)反應(yīng)趨勢，實(shí)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(jìn)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(shè)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(jī)械設(shè)備、 電氣設(shè)備和系統(tǒng)軟件三部分組成。

（1）機(jī)械設(shè)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(jī)械設(shè)備Fig. 1 Mechanical Equipment of Sonar Slag Melting System

（2）電氣設(shè)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(jī)。

（3）系統(tǒng)的軟件為windows10，操作軟件為Visual C++編程軟件，帶有自學(xué)習(xí)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(xué)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(jì)算爐內(nèi)音頻強(qiáng)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(xué)反應(yīng)，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(jìn)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(yīng)時間和反應(yīng)速率呈規(guī)律性變化，據(jù)此判斷爐內(nèi)反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)線構(gòu)成，四條標(biāo)準(zhǔn)線分別為爐渣返干線、爐渣返干預(yù)警線、噴濺預(yù)警線、噴濺線，其中爐渣返干預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(diǎn)并計(jì)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(yù)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(yù)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(jìn)入C、O 劇烈反應(yīng)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(qiáng)烈攪拌和沖擊，鋼液中C、O 反應(yīng)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(diǎn)結(jié)果異常，磷含量超標(biāo)，終點(diǎn)溫度低于目標(biāo)值，造成后期嚴(yán)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(yù)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，造成爐渣異常活躍，渣厚曲線逐一穿過噴濺預(yù)警線、噴濺線，造成跑渣。

冶煉期間導(dǎo)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(diǎn)，隨著時間的推移，C、O 反應(yīng)劇烈程度減弱，出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，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(yīng)進(jìn)入劇烈期，F(xiàn)eO 含量消耗速率大于生成速率。當(dāng)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(diǎn)提前出現(xiàn)。 由于爐渣返干后，適當(dāng)采取弱吹模式，C、O反應(yīng)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(yīng)，此時曲線會出現(xiàn)多個拐點(diǎn)。

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(yīng)平臺，然后會出現(xiàn)急劇上升，此時C、O 急劇反應(yīng)，爐渣異常活躍，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(zhǔn)確、更全面地反映冶煉期間爐渣的實(shí)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(zhǔn)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(shí)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(jì)算過程，不是真實(shí)的爐渣狀態(tài)，4 min 后開始加料。原隨機(jī)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(shí)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(jìn)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(biāo)對比。

表3 優(yōu)化前后指標(biāo)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)了爐機(jī)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(yàn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了爐機(jī)匹配，滿足煉鋼生產(chǎn)的要求。