一種智能降低轉爐終渣氧化性的系統及方法與流程
本發明涉及一種智能降低轉爐終渣氧化性的系統及方法，屬于轉爐煉鋼控制技術領域。
背景技術：
通常在轉爐吹煉結束后采用濺渣護爐工藝，可以大幅度提高轉爐爐襯的壽命，降低生產成本。其具體工藝為轉爐出鋼結束后在爐內留部分終渣，然后采用氧槍吹入一定壓力和流量的氮氣，將轉爐內的終渣濺起，黏貼在爐壁上，形成濺渣層，在下一爐冶煉過程中用濺渣層保護爐襯，延長爐襯的使用壽命。在某些特殊情況下，如低碳鋼、超低碳鋼的冶煉時，轉爐終渣的氧化性會比較高，這種高氧化性的爐渣具有熔化溫度低(1250～1300℃)、粘度小的特點，這種物性的熔渣濺起后不容易與轉爐爐襯相粘結，形成的濺渣層較薄；另一點就是該爐渣由于熔化溫度低，在下一爐冶煉時濺渣層會過早的熔化掉，從而起不到濺渣護爐的作用。因此，在濺渣護爐之前，有效降低爐渣中的氧化性，提高爐渣熔點和粘度，對于提升濺渣護爐效果，延長爐襯壽命具有至關重要的意義。
已有技術提升爐渣粘度和熔點的方法主要有以下幾種：①當轉爐出鋼結束之后，首先將其搖至與水平地面呈約45°位置，然后，操作工手動將大量的碳粉包擲入爐內，利用碳元素與爐渣中的氧元素進行化學反應，從而降低轉爐終渣中的氧化性。這種方法盡管能夠對降低轉爐終渣的氧化性，提高爐渣熔點和粘度起到一定的作用；但由于該方法主要是通過人工來完成，因此，現場操作人員的勞動強度較大，同時還具有一定危險性，容易對人身造成傷害；此外，所碳粉包容易被集中投擲到轉爐內的某一位置，從而導致爐渣中的氧元素分布不均勻，最終影響濺渣護爐的效果。②當轉爐出鋼結束后，首先將其搖至與水平地面呈約90°位置，然后，操作工利用現場加料設備向爐內加入大量的輕燒白云石；由于這種物質的主要成分是mgo，具有一定的堿性，因此可以利用該種物質可以對爐渣的粘度和熔點進行一定的調節；但這種方法的缺點是需要向爐內加入的輕燒白云石量十分巨大，從而增加了生產成本；同時還會增加爐內的渣量，從而對生態環保造成較大的影響。③在第二種方法的基礎上，操作工向爐內加入一定量的復合物質，即：鋁合金和輕燒白云石的混合物，從而改善轉爐終渣的粘度和熔點。該種方法盡管可以減少最終的渣量，并較好的改善爐渣的性質，但缺點是生產成本大大提高，無法在現場實現有效推廣。因此，開發出一種既能夠有效降低轉爐終渣氧化性，提高爐渣粘度和熔點，還能夠有效控制生產成本，易于現場推廣的智能方法，對于轉爐現場的穩定生產具有十分重要的意義。
如果要實現智能降低轉爐終渣氧化性的方法，首先需要對轉爐終渣中的氧含量進行較為精確的檢測，然后才能以此為依據，對脫氧劑用量進行計算，并完成及后續的加入操作。目前對爐渣中的氧含量進行檢測的方法主要還是通過檢測儀器的辦法來實現，即：操作人員首先從轉爐內取得爐渣的渣樣，再通過檢測儀器對爐渣氧含量進行檢測。這種方法盡管能夠較為精確的得到相應的計算結果，但由于過程時間較長，因此只能作為一種工藝研究的手段，而無法對現場生產進行實際的指導。也正基于此，智能降低轉爐終渣氧化性的方法無法得到有效開發。
技術實現要素：
本發明目的是提供一種智能降低轉爐終渣氧化性的系統及方法，降低轉爐終渣的氧化性，提高轉爐濺渣護爐時濺渣層的厚度，保證濺渣效果，減少爐襯侵蝕，解決已有技術存在的上述技術問題
本發明的技術方案是：
一種智能降低轉爐終渣氧化性的系統，由碳粉稱量裝置、碳粉加入裝置和過程控制裝置組成；碳粉稱量裝置，由碳粉倉、上插板閥、電振系統、稱量系統組成。這其中，碳粉倉主要用于存儲爐渣脫氧所需的碳粉；上插板閥用于控制碳粉進入電振系統中；電振系統主要用于將碳粉倉中的碳粉振動到稱量系統中；稱量系統主要對振動下來的碳粉重量進行稱重，確保所使用的碳粉能夠滿足爐渣脫氧的需要。此外，整個碳粉稱量裝置各部分的具體連接是：碳粉倉與上插板閥連接；然后，上插板閥與電振系統相連接；電振系統之后連接有稱量系統；
碳粉加入裝置由碳粉罐、下插板閥、密封蝶閥、止逆閥、噴吹氣體引入管、混合軟管、噴吹管、噴吹小車、軌道、噴吹電磁閥組成；下插板閥分別與碳粉稱量裝置中的稱量系統和密封蝶閥相連接；密封蝶閥與碳粉罐相連接；碳粉罐再與止逆閥相連接；止逆閥通過混合軟管與噴吹管相連接；噴吹管架設在噴吹小車上，并可在其帶動下插入到轉爐爐膛內；噴吹小車被安置在軌道上；此外，噴吹氣體引入管分出的兩根支管被分別與碳粉罐和混合軟管上，管道的一端安裝噴吹電磁閥；碳粉罐存儲計劃使用的碳粉；下插板閥用于控制碳粉進入碳粉罐中；密封蝶閥用于確保碳粉進入碳粉罐后，不會在外部氣體壓力的作用下，重新進入碳粉稱量裝置的諸多設備中；止逆閥用于確保碳粉能夠在外部氣體壓力的作用下能夠完全進入轉爐內，而不會被重新吹入到碳粉罐中；噴吹氣體引入管用于引入攜載碳粉所需的高壓氮氣；混合軟管用于輸送碳粉和高壓氮氣的混合物；噴吹管用于將碳粉和高壓氮氣的混合物吹入轉爐內部；噴吹小車用于控制噴吹管在轉爐內的插入深度，從而確保碳粉脫氧效果；軌道用于運輸噴吹小車；噴吹電磁閥主要用于高壓氮氣的進入。
過程控制裝置，由計算機、等待限位開關、噴吹限位開關、電振系統plc、上插板閥plc、下插板閥plc、密封蝶閥plc、噴吹電磁閥plc，噴吹小車控制plc、信號反饋plc組成。其中，等待限位開關和噴吹限位開關用于檢測噴吹小車在軌道上所處于的位置，被分別安裝在碳粉加入裝置中的軌道上，并分別置于噴吹小車的兩側，用于向噴吹小車指示等待位置和噴吹位置；電振系統plc、上插板閥plc、下插板閥plc、密封蝶閥plc、噴吹電磁閥plc、噴吹小車控制plc，分別與電振系統、上插板閥、下插板閥、密封蝶閥、噴吹電磁閥、噴吹小車相連接，用于輔助計算機，實現對電振系統、上插板閥、下插板閥、密封蝶閥、噴吹電磁閥、噴吹小車的控制；信號反饋plc分別與等待限位開關、噴吹限位開關、稱量系統相連接，用于接收相關裝置的實時反饋信號，并將其發送給計算機；此外，信號反饋plc還將實時接收轉爐生產控制系統發送過來的轉爐傾動角度信號、氧槍內的氧氣流量、煙氣流量以及直插式煙氣分析儀檢測得到的煙氣中co、co2、o2的體積百分含量，并將這些信息也發送給計算機；計算機分別與電振系統plc、上插板閥plc、下插板閥plc、密封蝶閥plc、噴吹電磁閥plc，噴吹小車控制plc、信號反饋plc連接，利用內置的控制模型，通過實時分析不同數據的變化，同時發出針對性的控制信號，從而實現對轉爐終渣脫氧的智能控制；
一種能夠智能降低轉爐終渣氧化性的方法，采用上述能夠智能降低轉爐終渣氧化性的系統自動向轉爐內加入爐渣脫氧劑，所采用的爐渣脫氧劑為碳粉，該碳粉由焦炭磨制而成，碳粉顆粒度為2～5mm；包含以下步驟：
步驟1：現場操作人員實時觀察轉爐10的生產狀態，當轉爐10開始冶煉生產時，將計算機25的工作模式調整為“冶煉開始”模式，此時計算機25將進行以下操作步驟：
①計算機25分別向上插板閥plc19、電振系統plc18、密封蝶閥plc20、下插板閥plc19和噴吹電磁閥plc17發送控制信號，將上插板閥14、電振系統2、密封蝶閥4、下插板閥15和噴吹電磁閥17關閉。此外，計算機25還將向噴吹小車控制plc23發送信號，控制噴吹小車8向等待位置運動。當噴吹小車8接觸上等待限位開關11后，該開關會通過信號反饋plc24向計算機25發出信號。計算機25在接到該信號后，會通過向噴吹小車控制plc23發送信號，停止噴吹小車8的運行；
②計算機25將實時接收信號反饋plc24反饋過來的當前時刻轉爐10的煙氣流量以及直插式煙氣分析儀檢測得到的煙氣中co、co2、o2的體積百分含量，并利用內置模型，計算得到氧槍吹入轉爐內的氧氣、以及煙氣中的co、co2、o2的體積累積量，具體是：
式中：voxg為轉爐10冶煉過程中吹入轉爐10內的總氧氣體積，m3；
vco為轉爐10冶煉過程中煙氣內的co總體積，m3；
vco2為轉爐10冶煉過程中煙氣內的co2總體積，m3；
vo2為轉爐10冶煉過程中煙氣內的殘余o2總體積，m3；
t為上述相關參數的檢測周期，通常為1～2s。
步驟2：當當前爐次冶煉結束后，現場操作人員將計算機25的工作模式調整為“冶煉結束”模式，此時計算機25將首先根據冶煉過程中的檢測結果，利用內置模型，得到轉爐終渣中所含有的游離總氧質量，并進而得到所需加入的碳粉質量，即：
mo＝1.429·(voxg-0.5·vco-vco2-vo2)
式中：mo為計算得到的轉爐終渣中所含有的游離總氧質量，kg。
mc＝0.75·mo·a
式中：mc為加入到轉爐終渣中的設定碳粉質量，kg；
a為權值，通常為1.1～1.3。
步驟3：計算機25在計算得到轉爐終渣脫氧所需的碳粉后，開始進行碳粉稱量的操作，具體操作步驟如下：
①計算機25向上插板閥plc19發出指令，控制上插板閥14打開。此時，碳粉將從碳粉倉1中流出，落到電振系統2；
②計算機25向電振系統plc18發出指令，啟動電振系統2。此時，碳粉將在電振系統2的作用下，落到稱量系統3中；
③稱量系統3不斷稱量落下來的碳粉的重量，并實時通過信號反饋plc24將其傳遞給計算機25。當計算機25檢測到當前稱量系統3中的碳粉重量與計算得到的設定碳粉質量mc之間差值在-0.1kg～﹢0.1kg時，將同時向上插板閥plc14和電振系統plc2發出指令，關閉上插板閥14和電振系統2；
④計算機25同時向下插板閥plc20和密封蝶閥plc21發出指令，將下插板閥15和密封蝶閥4同時打開，并開始記錄時間。此時，稱量好的碳粉將從稱量系統3落到碳粉罐5中。當計算機25分析出插板閥15和密封蝶閥4已經打開10s后，將再次向下插板閥plc20和密封蝶閥plc21發出指令，將下插板閥15和密封蝶閥4同時關閉；
步驟4：當完成碳粉稱量操作后，將進行碳粉加入操作，具體操作步驟為：
①計算機25實時接收信號反饋plc24反饋過來的轉爐傾動角度信號。當計算機25接收到轉爐傾動角度為-5°～﹢5°范圍內時，表明此時的轉爐10爐口已經基本水平，此時，計算機25將向噴吹小車控制plc23發送信號，控制噴吹小車8將沿軌道12向噴吹位置運動；
②當噴吹小車8與安裝在軌道12上的噴吹限位開關11接觸時，噴吹限位開關11將通過信號反饋plc24向計算機25發出反饋信號。計算機25在接收到信號后，將向噴吹小車控制plc23發出指令，停止噴吹小車8運動；
③計算機25在向噴吹小車控制plc23發出指令，停止噴吹小車8運動的同時，將同時向噴吹電磁閥plc22發出指令，從而將噴吹電磁閥17打開。此時，壓力為6bar～8bar的高壓氮氣將沿著噴吹氣體引入管6進入碳粉罐5和混合軟管7中，在與碳粉進行充分混合的同時，將碳粉沿著混合軟管7和噴吹管9帶入轉爐10內，并噴吹到轉爐終渣表面；
步驟5：計算機25在向噴吹電磁閥plc22發出指令，打開噴吹電磁閥17，向爐內噴吹碳粉的同時，開始記錄時間。當計算機25分析出已經向爐內噴吹300s后，將同時向噴吹電磁閥plc22和噴吹小車控制plc23發出指令，關閉噴吹電磁閥17，并控制噴吹小車8向等待位置方向運動。當噴吹小車8與等待限位開關11接觸時，等待限位開關11將通過信號反饋plc24向計算機25發出反饋信號；計算機25在接收到信號后，將向噴吹小車控制plc23發出指令，停止噴吹小車8運動；
通過上述步驟，完成向轉爐內的碳粉噴吹操作。
本發明的有益效果是：通過開發一種自動向轉爐內加入爐渣脫氧劑的系統，以及針對該智能系統使用方法，實現對轉爐終渣脫氧用碳粉加入實際、加入量、加入方式的智能控制，有效脫除了轉爐渣單位氧含量，改善了爐渣的粘度和熔點，提高了濺渣護爐的效果，減少了轉爐爐襯耐材的侵蝕量，提高了轉爐壽命，確保了轉爐的高效、穩定生產。同時，該方法還降低了現場操作人員的勞動強度，并確保了人生安全，在行業內有極大的推廣使用價值。
附圖說明
圖1為本發明實施例系統結構圖；
圖2為本發明實施例過程控制過程示意圖。
圖中標記為：碳粉倉1；電振系統2；稱量系統3；密封蝶閥4；碳粉罐5；噴吹氣體引入管6；混合軟管7；噴吹小車8；噴吹管9；轉爐10；等待限位開關11；軌道12；噴吹限位開關13；上插板閥14；下插板閥15；止逆閥16；噴吹電磁閥17，電振系統plc18、上插板閥plc19、下插板閥plc20、密封蝶閥plc21、噴吹電磁閥plc22，噴吹小車控制plc23、信號反饋plc24、計算機25。
具體實施方式
一種智能降低轉爐終渣氧化性的系統，由碳粉稱量裝置、碳粉加入裝置和過程控制裝置三部分組成；碳粉稱量裝置，由碳粉倉1、上插板閥14、電振系統2、稱量系統3組成，碳粉倉1與上插板閥14連接；然后，上插板閥14與電振系統2相連接；電振系統2之后連接稱量系統3；碳粉倉1用于存儲爐渣脫氧所需的碳粉；上插板閥14用于控制碳粉進入電振系統2中；電振系統2用于將碳粉倉1中的碳粉振動到稱量系統3中；稱量系統3對振動下來的碳粉重量進行稱重，確保所使用的碳粉能夠滿足爐渣脫氧的需要；
碳粉加入裝置，由碳粉罐5、下插板閥15、密封蝶閥4、止逆閥16、噴吹氣體引入管6、混合軟管7、噴吹小車8、噴吹管9、軌道12、噴吹電磁閥17組成，下插板閥15分別與稱量系統3和密封蝶閥4相連接；密封蝶閥4與碳粉罐5相連接；碳粉罐5再與止逆閥16相連接；止逆閥16通過混合軟管7與噴吹管9相連接；噴吹管9架設在噴吹小車8上，在其帶動下插入到轉爐10爐膛內；噴吹小車8被安置在軌道12上；噴吹氣體引入管6分出的兩根支管被分別與碳粉罐5和混合軟管7上，噴吹氣體引入管上安裝噴吹電磁閥17；碳粉罐5存儲計劃使用的碳粉；下插板閥15用于控制碳粉進入碳粉罐5中；密封蝶閥4用于確保碳粉進入碳粉罐5后，不會在外部氣體壓力的作用下，重新進入碳粉稱量裝置的諸多設備中；止逆閥16用于確保碳粉能夠在外部氣體壓力的作用下能夠完全進入轉爐10內，而不會被重新吹入到碳粉罐5中；噴吹氣體引入管6用于引入攜載碳粉所需的高壓氮氣；混合軟管7用于輸送碳粉和高壓氮氣的混合物；噴吹管9用于將碳粉和高壓氮氣的混合物吹入轉爐10內部；噴吹小車8用于控制噴吹管9在轉爐10內的插入深度，從而確保碳粉脫氧效果；軌道12用于運輸噴吹小車8；噴吹電磁閥17主要用于高壓氮氣的進入。
過程控制裝置，由計算機25、等待限位開關11、噴吹限位開關13、電振系統plc18、上插板閥plc19、下插板閥plc20、密封蝶閥plc21、噴吹電磁閥plc17，噴吹小車控制plc23、信號反饋plc24組成，等待限位開關11和噴吹限位開關13用于檢測噴吹小車8在軌道12上所處于的位置，被分別安裝在軌道12上，并分別置于噴吹小車8的兩側，用于向噴吹小車8指示等待位置和噴吹位置；電振系統plc18、上插板閥plc19、下插板閥plc20、密封蝶閥plc21、噴吹電磁閥plc22、噴吹小車控制plc23，分別與電振系統2、上插板閥14、下插板閥15、密封蝶閥4、噴吹電磁閥17、噴吹小車8相連接，用于輔助計算機25，實現對電振系統2、上插板閥14、下插板閥15、密封蝶閥4、噴吹電磁閥17、噴吹小車8的控制；信號反饋plc24分別與等待限位開關11、噴吹限位開關13、稱量系統3相連接，用于接收相關裝置的實時反饋信號，并將其發送給計算機；信號反饋plc24將實時接收現場轉爐生產控制系統發送過來的轉爐傾動角度信號、氧槍內的氧氣流量、煙氣流量以及直插式煙氣分析儀檢測得到的煙氣中co、co2、o2的體積百分含量，并將這些信息發送給計算機25；計算機25分別與電振系統plc18、上插板閥plc19、下插板閥plc20、密封蝶閥plc21、噴吹電磁閥plc17，噴吹小車控制plc23、信號反饋plc24連接，利用內置的控制模型，通過實時分析不同數據的變化，同時發出針對性的控制信號，從而實現對轉爐終渣脫氧的智能控制。
一種能夠智能降低轉爐終渣氧化性的方法，采用上述能夠智能降低轉爐終渣氧化性的系統自動向轉爐內加入爐渣脫氧劑，所采用的爐渣脫氧劑為碳粉，該碳粉由焦炭磨制而成，碳粉顆粒度為2～5mm；包含以下步驟：
步驟1：現場操作人員實時觀察轉爐10的生產狀態，當轉爐10開始冶煉生產時，將計算機25的工作模式調整為“冶煉開始”模式，此時計算機25將進行以下操作步驟：
①計算機25分別向上插板閥plc19、電振系統plc18、密封蝶閥plc20、下插板閥plc19和噴吹電磁閥plc17發送控制信號，將上插板閥14、電振系統2、密封蝶閥4、下插板閥15和噴吹電磁閥17關閉。此外，計算機25還將向噴吹小車控制plc23發送信號，控制噴吹小車8向等待位置運動。當噴吹小車8接觸上等待限位開關11后，該開關會通過信號反饋plc24向計算機25發出信號。計算機25在接到該信號后，會通過向噴吹小車控制plc23發送信號，停止噴吹小車8的運行；
②計算機25將實時接收信號反饋plc24反饋過來的當前時刻轉爐10的煙氣流量以及直插式煙氣分析儀檢測得到的煙氣中co、co2、o2的體積百分含量，并利用內置模型，計算得到氧槍吹入轉爐內的氧氣、以及煙氣中的co、co2、o2的體積累積量，具體是：
式中：voxg為轉爐10冶煉過程中吹入轉爐10內的總氧氣體積，m3；
vco為轉爐10冶煉過程中煙氣內的co總體積，m3；
vco2為轉爐10冶煉過程中煙氣內的co2總體積，m3；
vo2為轉爐10冶煉過程中煙氣內的殘余o2總體積，m3；
t為上述相關參數的檢測周期，通常為1～2s。
步驟2：當當前爐次冶煉結束后，現場操作人員將計算機25的工作模式調整為“冶煉結束”模式，此時計算機25將首先根據冶煉過程中的檢測結果，利用內置模型，得到轉爐終渣中所含有的游離總氧質量，并進而得到所需加入的碳粉質量，即：
mo＝1.429·(voxg-0.5·vco-vco2-vo2)
式中：mo為計算得到的轉爐終渣中所含有的游離總氧質量，kg。
mc＝0.75·mo·a
式中：mc為加入到轉爐終渣中的設定碳粉質量，kg；
a為權值，通常為1.1～1.3。
步驟3：計算機25在計算得到轉爐終渣脫氧所需的碳粉后，開始進行碳粉稱量的操作，具體操作步驟如下：
①計算機25向上插板閥plc19發出指令，控制上插板閥14打開。此時，碳粉將從碳粉倉1中流出，落到電振系統2；
②計算機25向電振系統plc18發出指令，啟動電振系統2。此時，碳粉將在電振系統2的作用下，落到稱量系統3中；
③稱量系統3不斷稱量落下來的碳粉的重量，并實時通過信號反饋plc24將其傳遞給計算機25。當計算機25檢測到當前稱量系統3中的碳粉重量與計算得到的設定碳粉質量mc之間差值在-0.1kg～﹢0.1kg時，將同時向上插板閥plc14和電振系統plc2發出指令，關閉上插板閥14和電振系統2；
④計算機25同時向下插板閥plc20和密封蝶閥plc21發出指令，將下插板閥15和密封蝶閥4同時打開，并開始記錄時間。此時，稱量好的碳粉將從稱量系統3落到碳粉罐5中。當計算機25分析出插板閥15和密封蝶閥4已經打開10s后，將再次向下插板閥plc20和密封蝶閥plc21發出指令，將下插板閥15和密封蝶閥4同時關閉；
步驟4：當完成碳粉稱量操作后，將進行碳粉加入操作，具體操作步驟為：
①計算機25實時接收信號反饋plc24反饋過來的轉爐傾動角度信號。當計算機25接收到轉爐傾動角度為-5°～﹢5°范圍內時，表明此時的轉爐10爐口已經基本水平，此時，計算機25將向噴吹小車控制plc23發送信號，控制噴吹小車8將沿軌道12向噴吹位置運動；
②當噴吹小車8與安裝在軌道12上的噴吹限位開關11接觸時，噴吹限位開關11將通過信號反饋plc24向計算機25發出反饋信號。計算機25在接收到信號后，將向噴吹小車控制plc23發出指令，停止噴吹小車8運動；
③計算機25在向噴吹小車控制plc23發出指令，停止噴吹小車8運動的同時，將同時向噴吹電磁閥plc22發出指令，從而將噴吹電磁閥17打開。此時，壓力為6bar～8bar的高壓氮氣將沿著噴吹氣體引入管6進入碳粉罐5和混合軟管7中，在與碳粉進行充分混合的同時，將碳粉沿著混合軟管7和噴吹管9帶入轉爐10內，并噴吹到轉爐終渣表面；
步驟5：計算機25在向噴吹電磁閥plc22發出指令，打開噴吹電磁閥17，向爐內噴吹碳粉的同時，開始記錄時間。當計算機25分析出已經向爐內噴吹300s后，將同時向噴吹電磁閥plc22和噴吹小車控制plc23發出指令，關閉噴吹電磁閥17，并控制噴吹小車8向等待位置方向運動。當噴吹小車8與等待限位開關11接觸時，等待限位開關11將通過信號反饋plc24向計算機25發出反饋信號；計算機25在接收到信號后，將向噴吹小車控制plc23發出指令，停止噴吹小車8運動；
通過上述步驟，完成向轉爐內的碳粉噴吹操作。
本發明檢測得到的煙氣中co、co2、o2的體積百分含量，可以利用中國發明專利《一種轉爐煉鋼過程中動態檢測爐渣中錳、磷、硫含量的方法》(專利公開號：103160640b)中的相關內容，得到煙氣中co、co2、o2的體積百分含量。
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