基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统，是由在线测温装置、铬含量在线检测装置、测量计算系统和LED显示器组成，测量计算系统是由红外温度检测单元、光谱仪、检测器和计算机组成，红外温度检测单元、光谱仪、检测器和LED显示器分别与计算机信号连接，在线测温装置为红外线非接触式测温装置，该红外线非接触式测温装置的底枪与AOD炉的副枪共用一枪，红外线非接触式测温装置通过光纤与红外温度检测单元连接，铬含量在线检测装置的顶枪设置在AOD炉的顶部，铬含量在线检测装置通过光纤与光谱仪连接；能在线实时连续监控炉温及Fe含量进而推算出Cr含量，对整个炼钢过程进行精确的控制，可大大减少能源消耗、提高出钢质量。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种冶金行业炼钢炉冶炼的控制系统，特别涉及一种基于在线温 度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统。控制是基于在线温度测量和在线铁含量监 测，与传统的测量方法相比，能在线实时连续监控炉温及狗含量进而推算出Cr含量，能对 整个炼钢过程进行精确的控制，并计算出终点温度，准确控制炼钢终点，可大大减少能源消 耗、提高出钢质量。
技术介绍
节能降耗关系到国家经济的可持续发展，冶金行业能耗占全国能源消费总量的 10%以上，占本行业生产成本的30%左右，是典型的高能耗行业。开发与推广冶金企业节能 技术降低能源、原材料消耗和提高产品合格率，对于提高冶金行业的经济和社会效益，是非 常重要和迫切的。炼钢的终点值包括温度、压力及钢液成分，其中钢液主要成分关系到钢的成品质 量，除狗外还有Cr、Ni、C的含量，特别是终点碳和终点温度的命中率是提高生产率和产品 质量的关键。在炼钢过程中，当熔池中同时着铬和碳时，钢液中碳与铬的竞争氧化，特征表 现为两者的竞争氧化，这两个的主要的氧化反应是η +η = η {CO} (式 1)K1 = Pn⑶+an · anm+n = (CrmOn)(式 2)K2 = a(Crm0n)+ (amKr] · an)将(式1)与(式2)相减，可得η + (CrmOn) = m +η {CO}(式 3)式C3)就是钢液中碳和铬竞争氧化的表达式。若能控制热力学条件使反应向右进 行，则其效果为“降碳保铬”。相反，若在一定的热力学条件下反应向左进行，则综合效果为 “脱铬保碳”。显然，对于不锈钢精炼来说，需要的是前者，即“降碳保铬”，而“脱铬保碳”，只 用于含铬铁水炼钢前的预处理——摇包脱铬中。如果将式(3)的平衡常数表达式作些变换，则就可以直接给出钢液中平衡的碳活 度_2] a (am X Pnco)+ (K3 X a<Qm0n) = PcoXn\J A^(K3Xaicrm0n) 考虑到 > 9%时，m = 3,η = 4，并认为在钢液氧化过程中生成的氧化物Cr3O4 在渣中饱和析出，a(&3M) ^ 1则钢液中碳的活度可表示为_ atq = Pcovj a34-K3 = PcoX (a3/4 -Kl/"3)(式 4)(式4)明确表示碳与铬竞争氧化的热力条件，即在一定的含铬条件下，只要提高 熔池温度，使K3增大，就可使平衡的碳活度降低；同理，降低Pro也可获得较低的碳活度。(式4)也表明，在同样的温度和压力下(K3及Pcq—定)，则其对应的碳平衡量也越高，这就是说如果钢液含铬量提高，要使含碳量降至同样的水平，就必须有更高的温度或 更低压力条件。竞争氧化根据渣中(Cr3O4)趋于饱和时a(&3Q4) ^ 1，以及大气压下冶炼Pcq = 1大 气压的情况，由于钢中存在在大量的镍，这将明显提高碳的活度而对铬的活动影响不大，经 大量的实验得相应的经验公式0. 46 +0. 0237_0. 0476+21g-1. 51g-2IgPco = 24300 + T-16.7 (式 5)这样，就可以根据相应的C]、含量，求出在如此条件下，不同终点碳所 对应温度与压力值及保持多少铬。如熔池含镍9 %，若希望吹炼终点碳为0.03%，且保持有10 %的铬，如果Ρω 1大 气压，因为一部分铬转化为Cr3O4，且渣中氧化铬达到饱和a(&3M) ^ 1，则吹炼终点达到的温 度便可代入(式幻求得0. 46X0. 03+0. 0237X9-0. 0476X 10+21g0. 03-1. 51gl0 = 24300 + T-16. 7解得T= 2155K = 1882°C由上面结果可知，真空度易测为已知量，由镍加入量可求得熔池镍含量，如果能在 线求出铬含量(因部分铬转化为Cr3O4，所以由铬加入量难以求出熔池铬含量)，并且在线测 得温度，则终点碳和保铬量均可完成。可见炼钢过程及终点与炉内温度和Cr]含量有着 极其密切的关系。但在炉温测量方面，传统对炉温的判断往往采用肉眼观察的方法，该方法完全依 赖个人的经验，因而精度很低，难以很好的控制冶炼过程，无法按最佳冶炼曲线进行，特别 对终点也很难很好的控制，不但会消耗大量的能量，而且成品率低。目前较先进的方法采用 高温热电偶进行投弹式测温，虽然能获得较为准确的温度，但是由于高温热电偶价格非常 昂贵，而且为一次性使用，因此只能得到几个关键点的温度，不可能对整个过程进行有效的 监控，而且何时投弹测温同样依赖人的经验，不一定得到关键点的温度，实际降低了测温的 有效性和精度。因此仍然没有从根本上解决能源消耗大和成品率低的问题。传统测温方式 有以下四个缺点1.测温精度低；2.无法按最佳曲线进行冶炼；3.能源消耗大；4.成品率低；解决这几个关键问题显然有巨大的经济效益和社会效益，这几个问题的解决须从 测温方法着手，再配合以相应的算法进行有效的控制，进而解决其他几个问题。对于铬含量的在线检测技术目前没有报道，只能离线分析，如采用火花源激发或 激光激发等光谱法等，钢中铬含量是终点的指标之一，因此其含量也极为重要，采用离线分 析往往不能及时加入还原剂进行保铬，目前还原剂是硅铁或铝，由于成本原因常采用硅铁， 主要反应如下(Cr3O4)+2 = 2 (SiO2)+3 (式 6)若渣中(Cr3O4)趋于饱和，假设生成纯(SiO2)，则K' Si简化表示一定温度下硅与 铬的平衡关系K' Si = a3(Cr)+a2 ^ 3+2 = f(T)由上式可见硅与铬的平衡反应仍与温度有密切关系，同时如果由熔池铬含量推算 出Cr3O4的含量，可通过不断加入硅铁及控制温度来保证Cr的回收率。显然在线测量熔池Cr含量才能解决这个问题。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控 制系统。控制是基于在线温度测量和在线铁含量监测，与传统的测量方法相比，能在线实时 连续监控炉温及狗含量进而推算出Cr含量，能对整个炼钢过程进行精确的控制，并计算 出终点温度，准确控制炼钢终点，可大大减少能源消耗、提高出钢质量。本技术是由在线测温装置、铬含量在线检测装置、测量计算系统和LED显示 器组成，测量计算系统是由红外温度检测单元、光谱仪、检测器和计算机组成，红外温度检 测单元、光谱仪、检测器和LED显示器分别与计算机信号连接，在线测温装置为红外线非接 触式测温装置，该红外线非接触式测温装置的底枪与AOD炉的副枪共用一枪，穿设在AOD炉 的副枪孔中，红外线非接触式测温装置通过光纤与红外温度检测单元连接，铬含量在线检 测装置的顶枪设置在AOD炉的顶部，铬含量在线检测装置通过光纤与光谱仪连接；所述在线测温装置是由底枪和光学部分组成，底枪的直枪管中间具有通孔，垂直 于直枪管连通设有氩气进管，直枪管的左端口为氩气出口，光学部分是由密封在壳体内的 密封光窗、透镜、带孔反光镜和分别设置在壳体右端及侧边的二滤光片组成，密封光窗设置 在壳体的左侧，密封光窗位于直枪管的右端出口，接收由直枪管导来的红外线，透镜位于密 封光窗的后部，带孔反光镜斜置在透镜后部，由带孔反光镜孔透过的红外线和由带孔反光 镜反射的红外线分别由两条光纤接收；铬含量在线检测装置是由顶枪、氧气进入管和密本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于在线温度及铁含量检测的炼钢过程和终点控制系统，其特征在于：是由在线测温装置（１）、铬含量在线检测装置（２）、测量计算系统（３）和ＬＥＤ显示器（４）组成，测量计算系统（３）是由红外温度检测单元（５）、光谱仪（６）、检测器（７）和计算机（８）组成，红外温度检测单元（５）、光谱仪（６）、检测器（７）和ＬＥＤ显示器（４）分别与计算机（８）信号连接，在线测温装置（１）为红外线非接触式测温装置，该红外线非接触式测温装置的底枪（１１）与ＡＯＤ炉（９）的副枪共用一枪，穿设在ＡＯＤ炉（９）的副枪孔中，红外线非接触式测温装置通过光纤（１２６）与红外温度检测单元（５）连接，铬含量在线检测装置（２）的顶枪（２１）设置在ＡＯＤ炉（９）的顶部，铬含量在线检测装置（２）通过光纤与光谱仪（６）连接；所述在线测温装置（１）是由底枪（１１）和光学部分（１２）组成，底枪（１１）的直枪管（１１１）中间具有通孔（１１２），垂直于直枪管（１１１）连通设有氩气进管（１１３），直枪管（１１１）的左端口为氩气出口，光学部分（１２）是由密封在壳体（１２１）内的密封光窗（１２２）、透镜（１２３）、带孔反光镜（１２４）和分别设置在壳体（１２１）右端及侧边的二滤光片（１２５）组成，密封光窗（１２２）设置在壳体（１２１）的左侧，密封光窗（１２２）位于直枪管（１１１）的右端出口，接收由直枪管（１１１）导来的红外线，透镜（１２３）位于密封光窗（１２２）的后部，带孔反光镜（１２４）斜置在透镜（１２３）后部，由带孔反光镜（１２４）孔透过的红外线和由带孔反光镜（１２４）反射的红外线分别由两条光纤（１２６）接收；所述铬含量在线检测装置（２）是由顶枪（２１）、氧气进入管（２２）和密封光窗（２３）组成，顶枪（２１）的中心孔（２４）为光线进入孔和氧气出孔，氧气进入管（２２）位于顶枪（２１）上部与顶枪（２１）垂直连通，密封光窗（２３）设　置在顶枪（２１）的上部，光线由顶枪（２１）的中心孔（２４）进入，通过密封光窗（２３）后由光纤（２４）接收，顶枪（２１）设置在ＡＯＤ炉（９）的顶部。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈戈华，林晓梅，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：实用新型
国别省市：82