文章介紹了一種適用于氬氧脫碳工藝爐(AOD)的新型智能煉鋼系統(tǒng)，滿足了小型不銹鋼生產(chǎn)廠對產(chǎn)品品質(zhì)、冶煉成本、生產(chǎn)管理的更高追求。新系統(tǒng)中集成式自動(dòng)配氣系統(tǒng)降低了傳統(tǒng)手動(dòng)操作的誤差；穩(wěn)定了風(fēng)槍氣流控制，并可以根據(jù)冶煉鋼種自動(dòng)選擇風(fēng)槍環(huán)縫氣壓控制參數(shù)，更利于延長風(fēng)槍壽命及爐襯壽命。智能煉鋼系統(tǒng)同時(shí)整合了脫碳模型、數(shù)據(jù)庫信息處理、爐體傾轉(zhuǎn)控制、化學(xué)分析數(shù)據(jù)的采集等功能，輔助提高終點(diǎn)碳和終點(diǎn)溫度的命中率，減少復(fù)吹以降低精煉氣體及合金消耗。與傳統(tǒng)AOD煉鋼相比，新型智能煉鋼系統(tǒng)可降低噸鋼成本約40元。

氬氧脫碳工藝(簡稱AOD)自1967年由普萊克斯開發(fā)并商業(yè)化以后，國際上約80%的不銹鋼都由AOD生產(chǎn)。近40年來，為了增加AOD的生產(chǎn)效率及產(chǎn)量，不銹鋼廠和設(shè)備供應(yīng)商及學(xué)術(shù)界都在致力于AOD控制模型的開發(fā)。目前，國內(nèi)小型不銹鋼生產(chǎn)廠通?；谕顿Y成本、生產(chǎn)管理?xiàng)l件限制，不能充分應(yīng)用現(xiàn)代化自動(dòng)控制技術(shù)，生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用不銹鋼冶煉自動(dòng)控制模型的則更少，絕大多數(shù)情況下僅依靠煉鋼技術(shù)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷冶煉進(jìn)程，因此造成了產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)以及生產(chǎn)成本居高不下。

當(dāng)前，冶金產(chǎn)業(yè)智能制造即將全面升級，因而亟需研究開發(fā)自動(dòng)化程度高、集成煉鋼模型且便于生產(chǎn)管理的新型智能煉鋼系統(tǒng)。

研究開發(fā)目標(biāo)

新型智能煉鋼系統(tǒng)的研究開發(fā)目標(biāo)：使系統(tǒng)的操作更簡便；把操作員的工作集成在一個(gè)系統(tǒng)中(包括吹煉、合金添加、數(shù)據(jù)管理)；提高自動(dòng)化程度，減少操作員誤操作，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性和可靠性；改善操作員之間的工作連續(xù)性，標(biāo)準(zhǔn)化最優(yōu)冶煉操作；優(yōu)化工藝效率；自動(dòng)采集和管理數(shù)據(jù)，冶金技術(shù)人員可打印報(bào)表并進(jìn)行離線優(yōu)化分析；使用更先進(jìn)可靠的元件，減少控制系統(tǒng)的維護(hù)工作；實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的整合，成為單一操作站(包括加料系統(tǒng)、爐子傾動(dòng)設(shè)備、氧槍操作、煙氣除塵系統(tǒng)、采樣平臺(tái)控制、溫度測量、化學(xué)分析的數(shù)據(jù)傳輸)。其中，優(yōu)化工藝效率包括：溫度——設(shè)定冶煉溫度目標(biāo)值，防止溫度過高；脫碳——最大化脫碳效率；還原合金——使金屬氧化最小化；惰性氣體成本——使氮?dú)庥昧孔畲蠡?，降低氬氣用量；耐火材料消?mdash;—增加風(fēng)槍的保護(hù)控制，管理鋼渣組分；合金成本——最低成本控制程序，包括鋼渣和還原合金的計(jì)算。

系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

新型智能煉鋼系統(tǒng)(簡稱NIRS系統(tǒng))為AOD煉鋼法提供全面的硬件和軟件解決方案，系統(tǒng)基于Microsoft Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)，由多個(gè)軟件程序組成：易操作的圖形操作界面；鋼種、原料、冶煉信息數(shù)據(jù)庫；最低成本加料計(jì)算向?qū)Ъ捎趫D形用戶界面；可供客戶訂制格式的電子版冶煉日志，包括用氣量、加料量、溫度測量、采樣分析、操作日志等。PLC執(zhí)行自動(dòng)氣體流量控制(例如連續(xù)的流量比例變化)、爐子傾動(dòng)、加料系統(tǒng)和輔助設(shè)備。PLC控制器同時(shí)嵌入了冶金動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)時(shí)預(yù)測熔池中的組分、渣含量、鋼水質(zhì)量和溫度。智能煉鋼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)全自動(dòng)模型會(huì)迅速響應(yīng)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)并更新數(shù)據(jù)。靜態(tài)程序預(yù)先定義吹煉和加料步驟，在事件發(fā)生時(shí)需要重新計(jì)算設(shè)定吹煉和加料程序。在全自動(dòng)模式下，智能煉鋼系統(tǒng)可以按照程序編寫的規(guī)則連續(xù)選擇控制設(shè)定值。而在手動(dòng)模式下，由操作員來選擇控制設(shè)定值。無論在哪種模式下，動(dòng)力學(xué)模型都會(huì)連續(xù)預(yù)測當(dāng)前熔池的情況，自動(dòng)和手動(dòng)模式可以任意切換。實(shí)時(shí)模型內(nèi)嵌入動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算脫碳量和脫氮量。熱平衡的計(jì)算需要考慮對于周圍環(huán)境的熱輻射損失、爐殼熱量損失、氣體帶走的熱量損失、加料造成的熱量損失以及由于爐襯耐火材料老化而導(dǎo)致的熱量損失。利用Microsoft Windows網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，智能煉鋼系統(tǒng)可以與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，例如：化學(xué)分析系統(tǒng)、煙氣分析系統(tǒng)、上下游工藝流程、庫存管理系統(tǒng)和中央數(shù)據(jù)庫。

脫碳動(dòng)態(tài)模型

對于不銹鋼，當(dāng)氧氣注入到熔池中時(shí)，形成氧化鉻。脫碳是在碳與氧化鉻反應(yīng)形成金屬鉻和一氧化碳時(shí)發(fā)生的。脫碳反應(yīng)通過式(1)來描述：

還可以通過對同一方程的更詳細(xì)描述式(3)來計(jì)算給定溫度和鉻水平的平衡碳含量：

可以看出，為了生產(chǎn)低碳不銹鋼，要么需要提高系統(tǒng)的溫度，要么降低一氧化碳的分壓。電弧爐生產(chǎn)不銹鋼就是采用溫度控制法進(jìn)行冶煉的，但其冶煉所需的高溫對耐火材料傷害極大而且產(chǎn)量也不高。目前，主流的不銹鋼冶煉通過降低一氧化碳分壓，采用稀釋或改變爐內(nèi)真空度等方法。因此，智能煉鋼系統(tǒng)研發(fā)時(shí)集成了先進(jìn)的脫碳模型，歸納后如公式(4)：

其中，%C為脫碳平衡值，K為平衡系數(shù)，f為活度系數(shù)，A為反應(yīng)側(cè)面積，W為熔池重量，NInert為吹入惰性氣體的物質(zhì)的量(摩爾數(shù))，PSystem為系統(tǒng)壓力，m為反應(yīng)側(cè)碳的質(zhì)量傳遞，V為熔池體積，對于AOD爐通常β取經(jīng)驗(yàn)常數(shù)0.15。

自動(dòng)控制功能

新型智能煉鋼系統(tǒng)(NIRS系統(tǒng))自動(dòng)控制功能包括：氧氣、氮?dú)狻鍤饬髁烤_控制；風(fēng)槍環(huán)縫壓力的設(shè)定；熔池溫度管理；加料計(jì)算及最低加料成本管理；開放式的數(shù)據(jù)庫連接ODBC，可實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接，如上料系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)、熱電偶測溫裝置、化學(xué)分析光譜儀以及L2/MES等。

系統(tǒng)應(yīng)用

智能風(fēng)槍操作

大部分AOD煉鋼在氧氣風(fēng)槍操作上都會(huì)有些問題：風(fēng)槍易損、氣流不穩(wěn)定、風(fēng)槍頭部溫度過高。AOD風(fēng)槍的環(huán)縫氣流會(huì)在金屬液中生成一個(gè)蘑菇頭。蘑菇頭的大小對風(fēng)槍的保護(hù)起著至關(guān)重要的作用。蘑菇頭太小，不能保護(hù)風(fēng)槍，風(fēng)槍頭部會(huì)過熱。蘑菇頭太大，射流會(huì)受到阻礙，被反彈回爐壁，對爐墻造成沖刷，加快對耐火材料的侵蝕；也有可能當(dāng)風(fēng)槍露出鋼液時(shí)，由于蘑菇頭的重力對風(fēng)槍造成機(jī)械損壞。

由于熔爐中復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，長久以來，合適控制蘑菇頭的大小和形狀一直是一個(gè)不能得到很好解決的問題。影響蘑菇頭形成的因素包括：射入氣體的量和種類、溶池和鋼渣的溫度和組分、當(dāng)前蘑菇頭的形狀和大小、鋼液流動(dòng)狀況、風(fēng)槍磚的結(jié)構(gòu)、爐子的耐火材料以及其他一些原因。一般來講，影響蘑菇頭的最大因素是環(huán)縫冷卻氣的流量。在高流量射氧時(shí)，風(fēng)槍端的溫度比較高，需要更多的冷卻氣來保護(hù)。氧氣流量低時(shí)，冷卻氣則不能通入太多。

NIRS系統(tǒng)具有自動(dòng)控制環(huán)縫氣流量的功能，主要基于氧氣的射入流量和當(dāng)前處于哪個(gè)工藝階段(脫碳、還原、加熱或攪拌)選擇對應(yīng)的控制方式及環(huán)縫氣流量。

對于合理的蘑菇頭控制方法，環(huán)縫保護(hù)氣的流量會(huì)因?yàn)樯a(chǎn)的合金種類的不同而不同。例如，生產(chǎn)低碳合金時(shí)的冷卻氣流量就會(huì)比生產(chǎn)鎳基合金時(shí)高。這在開始冶煉選擇鋼種時(shí)，NIRS系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)反應(yīng)并做出調(diào)整，無需操作員去單獨(dú)設(shè)定。

提高產(chǎn)量和效率

新型智能煉鋼系統(tǒng)(NIRS系統(tǒng))的應(yīng)用使AOD煉鋼的產(chǎn)量得以提高，主要體現(xiàn)在：(1)原本受制于氧氣流量的脫碳效率由于氧氣流量的改善而得到了提高。(2)更高的吹氧流量提高了加熱時(shí)的升溫率，同時(shí)減少了在脫碳初期硅氧化的時(shí)間。(3)總耗氣量的減少增加了金屬收得率。(4)氧氣和惰性氣體流量比的實(shí)時(shí)調(diào)整技術(shù)提高了脫碳效率，減少了對還原合金的需求。(5)更精確的碳含量和溫度預(yù)測減少了再次吹煉和采樣耗費(fèi)的時(shí)間，溫度預(yù)測誤差在15℃范圍內(nèi)，碳含量預(yù)測誤差基本控制在20%以內(nèi)。

但是，AOD的出鋼量及出鋼時(shí)間并不是完全由AOD自身操作來決定的，有時(shí)候會(huì)受到其他因素的影響。例如：物料的控制、化學(xué)分析時(shí)間、吊車的移動(dòng)時(shí)間、物流情況、生產(chǎn)安排、下游工藝(例如鋼包精煉、鑄造)的限制、信息的傳輸時(shí)間等都會(huì)產(chǎn)生影響。盡管采用了NIRS系統(tǒng)會(huì)使得吹煉的時(shí)間有所減少，但由于其他因素的限制，總的來說，AOD的產(chǎn)量不會(huì)有特別大的改變，然而由于NIRS系統(tǒng)的應(yīng)用將促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高，因此工廠的總產(chǎn)量最終將會(huì)得以提高。

另外，由于NIRS系統(tǒng)操作方便，操作員甚至可以在脫碳和還原階段投入更多的精力到其他工序中，等爐子自動(dòng)傾動(dòng)至采樣位置后再回到NIRS系統(tǒng)進(jìn)行操作，因此NIRS系統(tǒng)大大節(jié)約了AOD操作的人力成本。

減少氬氣用量

最小化氬氣用量是減少AOD煉鋼運(yùn)行成本非常重要的一部分。由于氬氣通常要比氮?dú)夂脱鯕赓F得多，因此AOD冶煉研究中出現(xiàn)了很多關(guān)于如何最大化氮?dú)馍踔潦嵌趸加昧康募夹g(shù)。而氧氣相比于氮?dú)猓瑑H僅只是AOD冶煉成本結(jié)構(gòu)中很小的一部分，不用太多考慮。

冶煉的鋼種、工藝需求(吹煉步驟和加料)、起始鋼水成分和最終的氮含量決定了有多少氬氣量可以用氮?dú)鈦泶?。在?biāo)準(zhǔn)的AOD冶煉工藝中，氮?dú)夂蜌鍤獾那袚Q點(diǎn)更多地靠經(jīng)驗(yàn)來決定。而NIRS系統(tǒng)不斷地、動(dòng)態(tài)地在計(jì)算這個(gè)點(diǎn)，這種計(jì)算主要是基于作為組分的氮的溶解性、剩余的冶煉時(shí)間和剩余工藝所需要的氣體量。相比于靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來判斷而言，NIRS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)計(jì)算能更多地使用氮?dú)?，同時(shí)節(jié)省更多的氬氣。除此之外，NIRS系統(tǒng)還配備了獨(dú)立的低流量氮?dú)饣芈罚试S氮?dú)夂蜌鍤馔瑫r(shí)按比例吹入溶池。NIRS系統(tǒng)有效減少了氬氣的用量，提高了氮組分的精確度，有時(shí)候甚至可以省去額外的對氮含量的化學(xué)分析。

總而言之，NIRS系統(tǒng)對各鋼種AOD冶煉的氬氣消耗量都能夠起到節(jié)省作用，見表2。

結(jié)束語

新開發(fā)的AOD智能煉鋼系統(tǒng)把動(dòng)力學(xué)模型和先進(jìn)的過程控制技術(shù)引入到AOD煉鋼廠，特別是針對小噸位(容量從5到25 t)AOD冶煉設(shè)計(jì)的煉鋼模型使不銹鋼鑄件廠應(yīng)用NIRS系統(tǒng)的過程中明顯減少還原合金、冶煉時(shí)間、氬氣用量和耐火材料的消耗，使煉鋼廠噸鋼成本節(jié)省達(dá)40元之多。

文章來源——金屬世界