转炉炉气分析与“投弹”检测相结合在自动化炼钢技术中的应用

转炉炼钢的目的是对兑入转炉的铁水和废钢等原料，采用通过氧枪连续吹氧和加入渣料造渣的方式，不断氧化[Si]、[Mn]和去除[P]、[S]等杂质，并降低熔池中的碳含量和提升熔池温度的过程。能否实现直接出钢的主要条件为冶炼终点时钢水成分和温度是否满足目标要求；因此，冶炼终点钢水成分和温度命中率高的炼钢控制技术能减少补吹和倒炉取样的次数，可有效地缩短冶炼时间，提高转炉产量，降低生产成本，是转炉炼钢的关键技术。

目前，国内中小转炉占70％以上，大部分都是依靠人工经验来判断转炉终点的方法，即通过观看炼钢过程中火花的颜色来判断钢水成分和温度。国内大转炉一般采用副枪矫正模型炼钢，在冶炼后期使用副枪探头检测反馈信号，进行终点动态矫正。

炉气分析是利用安装在转炉烟道上的气体分析仪实时分析转炉烟气成分，提高过程监控能力和预报钢水成分的一种自动化炼钢技术。国外转炉一般使用质谱仪炉气分析模型系统进行终点预报和过程控制，主要目标为降低副枪探头消耗和判断炉况；国内有些中小转炉引进了国外的质谱仪炉气分析系统，在应用中存在设备昂贵、维护复杂和消耗高，以及国外模型与国内拉碳工艺差别较大的一些问题。

本文在邯钢120t转炉上使用自主开发的直插式气体分析仪、投弹检测技术和自动化炼钢模型，进行了中小转炉的全程过程控制自动化炼钢的尝试，并取得了较好的控制效果和经济效益。

一、自动化炼钢主要监控设备

（一）直插式炉气分析系统

本系统使用直插式炉气分析仪进行炉气成分监控，实现转炉炉况的全程动态监控，该系统与国外引进的质谱仪炉气分析系统不同，不需要取样系统和预处理系统，设备和安装方式简单，直接插入转炉烟道内，可以在室外工况下全天候运行，基本不需要维护。此外，该系统比质谱仪（分析响应时间约3s)具有更快的分析速度，响应时间小于1s；并且，分析的数据基本没有漂移现象，不需要类似质谱仪的定期矫正和标气标定。

（二）投弹矫正系统

在冶炼过程中或临近终点，大转炉一般使用副枪进行温度和成分的点测进行模型的矫正，由于副枪体积庞大，一般中小转炉无法安装；此外，副枪系统结构复杂，副枪探头价格昂贵，使用和维护成本较高。本系统针对中小转炉的特点，使用料仓口投弹检测系统，通过从料仓口投放多种弹头，进行钢水成分和温度的检测，实现不倒炉条件下钢水成分和温度的矫正，弹头种类按照所需功能的不同可以分为：测温弹头、高碳定碳测温弹头和低碳定氧测温弹头等类型。该系统结构简单，维护方便，具有副枪的不倒炉直接检测的优点，同时又不受炉容大小的限制，并且由于料仓入口离转炉很近，投弹检测反应速度很快。

该系统的测成率大于96%，检测时间小于6s。

二、自动化控制流程

（一）数据传输

本系统的数据传输基于转炉一级控制系统的计算机网络，通过建立工艺数据库和二级计算机网络，采集转炉炉体、气体阀门开关和流量、料仓电称、氧枪枪位、炉气成分等参数，并利用三级网络系统传输生产指令、钢种计划和取样化验信息。在冶炼中后期进行料仓口投弹检测钢水成分和温度等信息，以上信息均进入实时数据库系统，数学模型基于以上数据库的实时更新进行动态计算、界面监控和显示，在线全程预报钢水成分和温度等信息，并进行炉况判断。

（二）转炉炼钢自动化流程

本项目按照常规中小转炉的炼钢工艺特点，把一个转炉冶炼周期划分为以下几个流程：冶炼准备与兑铁、吹氧冶炼（投弹检测、倒炉取样、补吹）、合金化和出钢。炼钢自动化控制模型按照以上流程设计，通过计算机网络监测系统时间、转炉倾角、氧枪位置和氧氮开关等参数，能自动判断转炉处于什么阶段，实现自动化流程控制。当模型判断一个冶炼周期从“冶炼准备”开始，到“出钢”状态结束后，自动进入下一个冶炼周期后，新的炉号、枪龄和炉龄等信息自动生成。

实现转炉炼钢流程自动化后，无需人工干扰，计算机能对转炉冶炼过程进行自动监控，当一炉冶炼完毕进入下一个冶炼周期后，计算机自动将本炉炉号、冶炼参数等相关信息存储进数据库，同时监控下一炉的开始。

三、自动化炼钢模型的主要功能

（一）辅料配料和吹氧方案计算

在冶炼准备阶段，自动化炼钢模型需要从生产调度系统接受冶炼任务，当明确本炉次的冶炼钢种后，模型可检索生产标准数据库，确定本炉次的冶炼成分和温度的目标要求和上下限控制范围。同时，通过监控天车的运行方式和天车称的质量变化，采集本炉次铁水和废钢质量，确定炉料结构，并检索铁水成分和温度等相关信息。

当冶炼准备基本完成后，根据模型采集的生产信息，进行本炉次的辅料配料计算和制定吹氧方案；制定吹氧方案时，按照冶炼钢种的不同，冶炼模式共分为9类。

配料和吹氧方案计算模式见图1。图1中最上部分为转炉冶炼状态条，显示当前转炉冶炼处于什么状态，该进度条还具有菜单功能，图1中a区为原料信息和冶炼标准区，为配料和吹氧计算提供相关参数；b区为模型计算的本炉次的总配料单和吹氧量；C区为依据生产计划按吹氧时间分解的配料单和吹氧制度；d区为转炉设备参数监控画面，能动态显示转炉各项参数。