AOD轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化過程控制

張燕連

摘要：AOD爐主要應(yīng)用在鐵合金的爐外精煉上，AOD爐可利用較為廉價(jià)的原料（如高碳鉻鐵等），冶煉優(yōu)質(zhì)鐵合金時(shí)，其成本會(huì)大大降低，節(jié)約資源;工藝操作簡(jiǎn)單，在冶煉鉻鐵合金時(shí)，鉻的回收率高達(dá)約97%，國(guó)內(nèi)外鐵合金總產(chǎn)量中有70%以上是通過AOD爐冶煉出。本文依據(jù)具體工程實(shí)踐，詳細(xì)介紹了AOD爐主要的檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和PLC監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為AOD轉(zhuǎn)爐的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

一、AOD爐概述

我國(guó)冶煉低碳鉻鐵的工藝分為傳統(tǒng)三步法和氬氧吹煉法（AOD爐）。傳統(tǒng)的冶煉工藝是根據(jù)硅和氧的結(jié)合能力大于碳和氧的結(jié)合能力，通過硅鐵去還原鉻礦中的Cr2O3，實(shí)現(xiàn)脫除鉻鐵產(chǎn)品中的碳含量，最終完成對(duì)中低鉻鐵產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

AOD爐主要應(yīng)用在鐵合金的爐外精煉上，國(guó)內(nèi)外鐵合金總產(chǎn)量中有70%以上是通過AOD爐冶煉出。AOD爐可以有一臺(tái)電爐和一臺(tái)AOD爐進(jìn)行雙聯(lián)操作。首先通過電爐將高碳鉻鐵熔化，同時(shí)將主要質(zhì)量指標(biāo)鉻等的元素含量處理至鐵合金的控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，而其中的碳含量一般控制在1.0%以內(nèi)，因此，AOD工藝的原料可選擇較廉價(jià)的高碳鉻鐵。高碳鉻鐵在電爐熔化后，此時(shí)，提高爐度至1600～1650℃，進(jìn)行換渣脫硫處理，然后通過鋼包轉(zhuǎn)移到AOD爐，進(jìn)行AOD爐冶煉。在AOD爐中，頂槍吹送氧氣、側(cè)槍吹送一定比例的氬氧混合氣體，開始高碳鐵水吹煉。頂槍吹送氧氣的主要作用是與高碳鐵水中的碳反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)鐵水脫碳。側(cè)吹惰性氣體氬氣在AOD爐中有兩個(gè)作用：降低爐內(nèi)氣體中CO的分壓，促進(jìn)脫碳;其次對(duì)熔液中的鉻與氧氣的反應(yīng)起抑制作用，完成低碳鉻鐵合金的脫碳保鉻。

二、AOD爐工藝系統(tǒng)

（1）吹煉期側(cè)壁噴吹系統(tǒng)：

在噴吹過程中，側(cè)壁噴吹系統(tǒng)通過安裝在側(cè)壁的風(fēng)口向轉(zhuǎn)爐熔池中噴入工藝和惰性氣體。每個(gè)風(fēng)口由兩個(gè)環(huán)形噴嘴組成，內(nèi)側(cè)噴嘴用于工藝和惰性氣體，外側(cè)環(huán)形噴嘴用于冷卻。工藝氣體為氧氣，惰性氣體為氮?dú)夂蜌鍤?，冷卻氣體為氮?dú)夂蜌鍤狻Ｔ谕ǔＧ闆r下，氮?dú)庾鳛槔鋮s氣體，如果氮?dú)夤收?，氬氣?huì)自動(dòng)開啟。

側(cè)吹氧氣設(shè)置1個(gè)流量調(diào)節(jié)回路，氮?dú)?、氬氣共?個(gè)流量調(diào)節(jié)回路，氧氣、氮?dú)?、氬氣匯總后，分支為若干支路送入爐體噴吹風(fēng)口。

（2）吹煉期噴槍噴吹和噴槍提升系統(tǒng)：

噴槍噴吹系統(tǒng)通過一個(gè)噴槍向熔池上方的規(guī)定距離進(jìn)行氧氣的噴吹脫碳和氮?dú)鉃R渣護(hù)爐。

噴槍固定在一個(gè)噴槍車上，噴槍車沿著垂直安裝的導(dǎo)軌運(yùn)行。噴槍提升系統(tǒng)有一個(gè)提升驅(qū)動(dòng)，提升驅(qū)動(dòng)由一個(gè)變頻控制的鼠籠型電機(jī)組成（VVVF/矢量控制）。

（3）還原期側(cè)吹系統(tǒng)

還原期側(cè)吹閥站氮?dú)?氬氣/無(wú)油無(wú)水壓縮空氣與頂槍用、吹煉期側(cè)吹用氮?dú)?氬氣/無(wú)油無(wú)水壓縮空氣共用總管，從總管分出1根支管至獨(dú)立氣體閥站，閥站分為6根支管，每根支管都設(shè)有流量調(diào)節(jié)回路，以精確調(diào)節(jié)每根支管的流量。

（4）噴槍冷卻系統(tǒng)：

頂部噴槍的冷卻水回路安裝在靠近氧槍和冷卻水軟管平臺(tái)上，供給噴槍冷卻水回路的冷卻水來(lái)自水泵站。噴槍冷卻水系統(tǒng)配有監(jiān)測(cè)冷卻水系統(tǒng)的“泄露監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，主要功能是當(dāng)噴槍發(fā)生泄露時(shí)，通知操作員，使操作員在鋼包出鋼時(shí)防止水進(jìn)入。

（5）轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)：

轉(zhuǎn)爐配有一個(gè)傾動(dòng)系統(tǒng)，包括一個(gè)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)。一個(gè)額外的液壓系統(tǒng)用于鎖定轉(zhuǎn)爐。在工藝階段之外，轉(zhuǎn)爐可以進(jìn)行手動(dòng)操作，配有一個(gè)氣動(dòng)電機(jī)用于應(yīng)急傾動(dòng)。

三、AOD_L轉(zhuǎn)爐冶煉工藝步驟

（1）準(zhǔn)備階段：當(dāng)前爐次出鋼結(jié)束，讀入本爐爐次布告，裝入不銹鋼母液，啟動(dòng)模型預(yù)測(cè)計(jì)算。計(jì)算本爐次吹煉所需的原副料的種類數(shù)量并啟用這些料批。L1將材料投料實(shí)際發(fā)送給L2，根據(jù)L1送來(lái)的測(cè)量數(shù)據(jù)起動(dòng)模型，模型動(dòng)態(tài)計(jì)算預(yù)定的側(cè)吹氣體的種類及數(shù)量;操作工可以根據(jù)需要對(duì)各種計(jì)算值進(jìn)行人工修正。AOD爐L2將母液裝入等運(yùn)轉(zhuǎn)狀況發(fā)送給L3和連鑄L2計(jì)算機(jī)等。

（2）吹煉階段：吹煉開始按選定的吹煉數(shù)據(jù)，對(duì)氧槍位置，吹氧流量、惰性氣體、側(cè)吹惰性氣體以及原副料的種類和數(shù)量等進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)控制。當(dāng)各原副料投放后，起動(dòng)預(yù)測(cè)計(jì)算模型進(jìn)行修正;在收到定周期測(cè)量值后，起動(dòng)動(dòng)態(tài)計(jì)算，計(jì)算氧槍氧流量、惰性氣體以及側(cè)吹惰性氣體種類和流量。計(jì)算剩余處理時(shí)間，進(jìn)行自動(dòng)停吹判別。一旦實(shí)時(shí)推算出鋼水溫度和碳含量達(dá)到停吹范圍，計(jì)算機(jī)向基礎(chǔ)自動(dòng)化發(fā)出停吹指令;AOD爐L2將吹煉運(yùn)轉(zhuǎn)狀況發(fā)送給L3和連鑄L2計(jì)算機(jī)等。

此階段，頂槍主要吹送氧氣，主要用于脫碳。側(cè)吹吹入混合氣體（氬氣和氧氣），惰性氣體氬氣不參與爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，但會(huì)減低爐內(nèi)CO分壓力且產(chǎn)生的攪拌作用，抑制了熔池中鉻被氧化，從而可以達(dá)到脫碳保鉻。隨著側(cè)吹氣體的不斷進(jìn)行，在鐵水內(nèi)的氬氣的分壓慢慢增大，當(dāng)PCO + PAr>1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，氬氣開始溢出，鐵水中的脫碳反應(yīng)會(huì)持續(xù)進(jìn)行，直到C含量<0.004%。

在吹煉前期，鐵水含碳量高，通過頂槍吹送的氧氣快速脫碳。頂吹氧氣的速度較快，槍口處的氧氣會(huì)形成高速氣流柱，會(huì)對(duì)熔池表面沖擊成一個(gè)氣流坑，這樣，增加了氧氣和鐵水的接觸面積，因此，碳和氧氣迅速反應(yīng)。同時(shí)氧氣會(huì)大量吸附在表面的氣流坑山上，與部分鉻發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cr2O3。這部分Cr2O3會(huì)隨著鐵水的攪動(dòng)被卷入爐渣中，造成一部分鉻元素的損耗。此外氣流坑處的氧氣較多，也會(huì)與鐵水中的[C]、[Cr]、[Fe]、[Si]等元素發(fā)生反應(yīng)。此時(shí)，發(fā)生在熔池內(nèi)的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

[C]+ [O]=CO （1-1）

2[Cr]+ 3[O]= Cr2O3 （1-2）

[Si]+ 2[O]= Si O2 （1-3）

[Fe]+ [O]= FeO （1-4）

在吹煉前期階段，熔池溫度不高，被爐渣卷入鐵水中的Cr2O3基本不與鐵水中的[C]反應(yīng)。單冶煉進(jìn)行了一段時(shí)間，由于碳的氧化反應(yīng)會(huì)釋放出大量的熱，造成爐內(nèi)溫度升高，Cr2O3和[C]開始發(fā)生著劇烈的化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)式為：

[Cr2O3]+3[C]=2[Cr]+3CO （1-5）

吹煉進(jìn)入低碳階段，熔液中[Si]基本被完全氧化。由側(cè)槍吹入的O2和Ar混合氣體，其中O2分別與鐵水中的[C]、[Cr]、[Fe]等發(fā)生反應(yīng)，惰性氣體Ar由下到上對(duì)熔液進(jìn)行攪拌并在溢出時(shí)帶走鐵水中部分雜質(zhì)。由于氧化反應(yīng)會(huì)釋放大量熱能，使得熔液溫度持續(xù)增高。此時(shí)[C]開始與Cr2O3發(fā)生還原反應(yīng)，生成CO氣體，進(jìn)一步減低了碳含量。在吹煉階段中，AOD爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)主要是碳和鉻之間結(jié)合氧氣強(qiáng)弱反應(yīng)。此外，側(cè)槍會(huì)按冶煉階段比例吹送氧氬混合氣體，控制熔池內(nèi)冶煉溫度，促進(jìn)脫碳保鉻的進(jìn)行。在低碳期，大部分的冶煉反應(yīng)是在鐵水和氣泡表面進(jìn)行的，其化學(xué)反應(yīng)為：

[Fe]+ [O]= FeO （1-6）

[C]+ [O]=CO （1-7）

2[Cr]+ 3[O]= Cr2O3 （1-8）

[Cr2O3]+3[C]=2[Cr]+3CO （1-9）

（3）還原階段：吹止后，投入還原劑進(jìn)行鉻的還原，起動(dòng)預(yù)測(cè)計(jì)算模型進(jìn)行修正。在收到周期測(cè)量值和實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)后，模型起動(dòng)動(dòng)態(tài)計(jì)算，計(jì)算側(cè)吹惰性氣體種類和流量。還原后，根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行合金調(diào)整，完成后，轉(zhuǎn)爐將進(jìn)行出鋼處理。將出鋼開始等運(yùn)轉(zhuǎn)狀況發(fā)送給L3和連鑄L2計(jì)算機(jī)等。

（4）出鋼處理完成后，操作工將根據(jù)需要進(jìn)行鋼包吹氬處理，使鋼包鋼水達(dá)到溫度均勻，雜質(zhì)上浮的效果。L2計(jì)算機(jī)接受L1發(fā)送的生產(chǎn)實(shí)績(jī)并將生產(chǎn)實(shí)績(jī)、爐次分派等運(yùn)轉(zhuǎn)狀況發(fā)送給L3計(jì)算機(jī)。

四、AOD_L轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)架構(gòu)

基礎(chǔ)級(jí)控制系統(tǒng)包括另個(gè)部分，PLC和HMI（即操作員站）。所有的現(xiàn)場(chǎng)電氣和儀表裝置都與PLC系統(tǒng)的I/O模塊連接，I/O模塊以遠(yuǎn)程I/O站的方式設(shè)置，遠(yuǎn)程站與CPU通過PROFIBUS-DP或者PROFINET通訊，這樣可以節(jié)約大量接線電纜和施工費(fèi)用。

CPU采用西門子S7-400系列CPU，噴吹/傾動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)CPU，下掛的遠(yuǎn)程I/O站有：氧槍冷卻系統(tǒng)遠(yuǎn)程站，氧氣閥站遠(yuǎn)程站，惰性氣體遠(yuǎn)程閥站（即側(cè)吹氣體閥站），傾動(dòng)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程站。噴吹安全系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)CPU。傾動(dòng)安全系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)CPU。加料系統(tǒng)設(shè)置1臺(tái)CPU。共設(shè)置4臺(tái)CPU，CPU通過以太網(wǎng)接入1臺(tái)交換機(jī)。遠(yuǎn)程I/O站使用西門子ET200M或者ET200S系列模塊。如果用ET200M，PLC柜內(nèi)需要設(shè)置I/O端子排;如果使用ET200S，PLC柜內(nèi)不需要額外設(shè)置I/O端子排，現(xiàn)場(chǎng)電纜可直接接入ET200S模塊。

1臺(tái)AOD轉(zhuǎn)爐共設(shè)置2個(gè)操作員站，2臺(tái)操作員站可以同時(shí)控制和監(jiān)測(cè)整個(gè)設(shè)備，操作員站通過以太網(wǎng)也接入這臺(tái)交換機(jī)。當(dāng)其中1臺(tái)操作員站故障時(shí)，另1臺(tái)操作員站也能監(jiān)控，保證工藝連續(xù)控制的高可靠性。

操作員站使用西門子WINCC過程控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)是一套先進(jìn)的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，支持PLC并能夠在微軟Windows操作系統(tǒng)運(yùn)行。

五、AOD_L轉(zhuǎn)爐冶煉優(yōu)點(diǎn)

應(yīng)用AOD爐冶煉鉻鐵合金有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）AOD爐冶煉可利用較為廉價(jià)的原料（如高碳鉻鐵等），冶煉優(yōu)質(zhì)鐵合金時(shí)，其成本會(huì)大大降低，節(jié)約資源。

（2）AOD爐的雙聯(lián)操作提高了電爐的實(shí)際生產(chǎn)能力，相當(dāng)于兩臺(tái)電爐冶煉，節(jié)約能源。

（3）AOD爐工藝操作簡(jiǎn)單，在冶煉鉻鐵合金時(shí)，鉻的回收率高達(dá)約97%。

（4）側(cè)吹氬氣的強(qiáng)攪拌作用，會(huì)降低鐵水中的雜質(zhì)磷，硫含量，可應(yīng)用鐵合金脫磷技術(shù)及冶煉超低硫合金產(chǎn)品。

（5）鐵水經(jīng)AOD爐后，鐵合金中的平均氧含量比單用電爐冶煉的低40%，氫含量比單用電爐冶煉低25～65%，氮含量低30%～50%。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：中冶東方工程技術(shù)有限公司自動(dòng)化所）