转炉造渣的声纳监控方法.pdf_大学文库

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.03.006 第17卷第3期北京科技大学学报 Vol.17 No.3 1995年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1995 转炉造渣的声纳监控方法杨尚宝) 张叔和2) 1)北京科技大学冶金系，北京1000832)马鞍山钢铁公司，马核山243003 摘要基于声学原理所研制的转炉造渣监控系统为转炉冶炼提供了有效手段，在实际应用中取得了良好的冶金效果，通过采集炉内音强信息，该系统能自动设置炉渣喷溅和返干预警线及最佳化渣区域，并显示枪位和副原料加入情况等，以指导工人操作.该系统能提前5~10s预报喷溅和返干，其预报命中率分别为867%和94.6%.另外，该系统还有预报熔池含磷量的功能. 关键词转炉炼钢，造渣，声纳检测，计算机控制中图分类号TF703.6,TP391.42 Sonar Monitored Control Method for Slag-making in Converter Yang Shangbao"Zhang Shuohe 1)Department of Metallurgy.USTB,Beijing 100083.PRC 2)Ma'anshan Iron Steel Company.Maanshan 243003 ABSTRACT Slag-making monitored control system which based on sonic level provided a useful method for steelmaking in converter.According to the sonic level in converter,the system can decide the optimum slag-making region automatically,and show the lance hight and the information of fluxes charging in ordor to guide steelmaking operation.5 to 10 seconds be- fore slag overflow or slag over-viscous,the system can give an advance waming with the hitting ratio of 86.7%for slag overflow and 94.6%for slag over-viscous.In addition,the system has the function of predicting the content of.phosphorus in bath. KEY WORDS converter steelmaking,slag formation,sonar detection,computer control 在转炉炼钢过程中，炉渣碱度的控制可以通过配料来解决，所以，对造渣过程的控制实质上就是对炉渣氧化性的控制，在吹炼初期和中期，炉渣氧化性一般与炉渣泡沫性成正比关系，因此，通过对渣层厚度的检测可以了解转炉造渣过程的情况· 本研究采用声纳法测量炉渣厚度，用其反映转炉造渣情况，以指导转炉操作· 1理论基础 1.1选频范围 1994-04-30收稿第一作者男30岁博士

第 17 卷第 3 期 1 9 95 年 6 月北京科技大学学报 Jo 二 a l o f U n ive rs it y o f S d en ce a nd T ec h no l o g y Be ij i n g V o l . 17 N o . 3 J un . 1 9 9 5 转炉造渣的声纳监控方法杨尚宝 , ) 张叔和 2 ) l) 北京科技大学冶金系 , 北京 l (X幻83 2) 马鞍山钢铁公司 , 马鞍山 24 3( 幻3 摘要基于声学原理所研制的转炉造渣监控系统为转炉冶炼提供了有效手段 , 在实际应用中取得了良好的冶金效果 . 通过采集炉内音强信息 , 该系统能自动设置炉渣喷溅和返干预誓线及最佳化渣区域 , 并显示枪位和副原料加人情况等 , 以指导工人操作 . 该系统能提前 5一 1伪预报喷溅和返干 , 其预报命中率分别为 86 . 7% 和叭 . 6% . 另外 , 该系统还有预报熔池含磷量的功能 . 关键词转炉炼钢 , 造渣 , 声纳检测 , 计算机控制中图分类号 T F 70 3石 , 开391 . 42 S o na r M o in t o r e d C o nt r o l M e t h od fo r S l a g 一 ma ik ng i n C o n ve rte r aY n g hS a n g b a o , ) Z h a n g hS u ho 砂 l ) eD P叭~ t o f M e t a lh l 琏妙 , U S T B , B灼ing l侧洲)8 3 , P R C 2 ) M a ’ a n s h a n Iro n & S t el 6 m P an y , M a a 们` 恤 n 24 〕) )3 AB S T R A C T S l a g 一 nar k in g mo n it o l℃ d co n otr l s ys t e l l l wh ich b as ed o n s o n ic le vel Por v id ed a us e fu l r 坦 t h o d fo r s t e l r 皿 k i n g in co n ve ert r . A a 刀 dr i n g ot ht e s o in e l e v e l in co n v e rt e r , het s ys t el n ca n d面d e t h e o Pt imu m s l a g 一 arn k i n g egr io n a u to ma t ica l y , a n d s h o w ht e l a cne h ig h t a dn t h e I n fo l刀 l a iot n o f fl ux es ch a gr i n g i n o dr o r ot g u id e s te ln 卫 k i n g o P aer t i o n . 5 ot 10 5以刀 n ds be - fo er s al g o ve m o w o r s l a g o v e r 一 vis co us , t h e s ys t e m ca n g ive a n a d v a毗 aw m in g iw th ht e h it int g ar ti o o f 8 6 . 7 % fo r s l a g o v e 闭o w a n d 9 4 . 6 % fo r s al g o v e r 一 vis co us . I n a d d it io n , t h e s ys t e m h as th e fu n ct i o n o f P耐ict in g t h e co n ent t o f . P h o s Ph o usr in b a t h . K E Y W O R 】粥 e o n v e ert r s te 】r 以 k i n g , s l a g fo n l u it o n , s o an r d e t。 =t l o n , co m Pu etr co n t or l 在转炉炼钢过程中 , 炉渣碱度的控制可以通过配料来解决 , 所以 , 对造渣过程的控制实质上就是对炉渣氧化性的控制 . 在吹炼初期和中期 , 炉渣氧化性一般与炉渣泡沫性成正比关系 , 因此 , 通过对渣层厚度的检测可以了解转炉造渣过程的情况 . 本研究采用声纳法测量炉渣厚度 , 用其反映转炉造渣情况 , 以指导转炉操作 . 1 理论基础 L l 选频范围 l男 4 一叫一 30 收稿第一作者男 30 岁博士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 03. 006

·230 北京科技大学学报 1995年No.3 在转炉炉口所收集到的声音有5个声源，见表1四. 表1转炉内的燥音源及其音强声源音强LsdB 超音速流股的气体动力学燥音 149 氧气流股冲击熔池时发出的声音 107 QO气泡在熔池翻腾及其推动熔池运动的声音 95 废气逸出的声音 41 车间杂音 9p 由表1可见，CO气泡翻腾燥音及车间燥音强度也不小，因此，必须设法突出氧气流股的声音及流股冲击熔池的声音才能以它的强弱来测量渣层的厚度由图1可见，在音频为200~4500Hz范 95 A 围内能较好地突出氧气流股及其冲击熔池的音强，因此，必须根据各转炉的具体条件来选择 90 最佳音频， 985 3 12音强与渣层厚度的关系 75 声音在传播中被传播介质所吸收，其衰减 0200 45009000 程度可按下式计算： fHz P=Poexp(-aL) (1) 图1转炉内各声源的声谐式中：P一拾音处所获得的炉内燥音功率，W; 1吹炼时总噪音2脱C反应及车间杂音 P。-炉内发音点上的燥音功率，W; 3车间杂音A选频范围 L-发音点到拾音点的距离，m；x一介质的吸音系数. 在转炉冶炼初期，熔池处于暴露吹炼状态，而在中期，则处于埋没吹炼状态.因此，传播声音的介质是不同的.试验表明，渣层厚度与音强之间有密切的关系，其回归方程式为： Ls=134exp(-0.81☑(R=0.89) (2) 式中：Ls-音强水平，dBZ-渣层厚度，m. 因此，从转炉炉口所收集到的音强在一定程度上能反映出炉内熔池的渣层厚度，从而能预报炉渣返干和喷溅， 1.3音强与脱磷能力的关系由音强曲线，可以推断终点含磷量，因为每一个音强值代表着该瞬时的脱磷速度.原苏联学者IM TypkeHu!等作过过程取样分析.发现，当音强曲线上某一瞬间的音强值在最佳化渣区内时，脱磷率就大；而当音强值在返干区时，该瞬时的脱磷率则小，甚至为零.由试验数据所得的回归方程如下： d[P] dr =0.024+0.065Z,(R=0.796) (3) 式中Z代表乳化渣层在炉内的高度，可见，Z愈大则脱磷速度愈大，乳化反应愈充分

· 2 3 0 . 北京科技大学学报 1卯 5 年 N 6 . 3 在转炉炉口所收集到的声音有 5个声源 , 见表 1] . 表 1 转炉内的燥音源及其音强声源音强几 /dB l49107 ù、 à1伟一1、 Q任月少超音速流股的气体动力学燥音氧气流股冲击熔池时发出的声音 C O 气泡在熔池翻腾及其推动熔池运动的声音废气逸出的声音车间杂音由表 1 可见 , C O 气泡翻腾燥音及车间燥音强度也不小 . 因此 , 必须设法突出氧气流股的声音及流股冲击熔池的声音才能以它的强弱来测量渣层的厚度 . 9590 电 8507 、口由图 1 可见 , 在音频为 20 0 一 4 50 ZH 范围内能较好地突出氧气流股及其冲击熔池的音强 . 因此 , 必须根据各转炉的具体条件来选择最佳音频 . 八泛戈、 1 . 2 音强与渣层厚度的关系声音在传播中被传播介质所吸收 , 其衰减程度可按下式计算 : 只 = OP e x p ( 一 “ L ) ( l ) 式中 : 只一拾音处所获得的炉内燥音功率 , W ; 几一炉内发音点上的燥音功率 , W ; 4 5 0() 川1 2 9 0( X) 、ó\l、 .一、、 . 飞ù一` . ` 、ó`, 图 1 转炉内各声源的声谱吹炼时总噪音 2 脱 C 反应及车间杂音 3 车间杂音 A 选频范围 L 一发音点到拾音点的距离 , m ; : 一介质的吸音系数 . 在转炉冶炼初期 , 熔池处于暴露吹炼状态 , 而在中期 , 则处于埋没吹炼状态 . 因此 , 传播声音的介质是不同的 . 试验表明 , 渣层厚度与音强之间有密切的关系 , 其回归方程式为:l] 此 = 134 e x p ( 一 0 . 8 1 刁 (R 二 0 . 8 9 ) ( 2 ) 式中: 此一音强水平 , d ;B Z 一渣层厚度 , m . 因此 , 从转炉炉口所收集到的音强在一定程度上能反映出炉内熔池的渣层厚度 , 从而能预报炉渣返干和喷溅 . L 3 音强与脱磷能力的关系由音强曲线 , 可以推断终点含磷量 , 因为每一个音强值代表着该瞬时的脱磷速度 . 原苏联学者瓜 H T 即eK H娜1[] 等作过过程取样分析 . 发现 , 当音强曲线上某一瞬间的音强值在最佳化渣区内时 , 脱磷率就大 ; 而当音强值在返干区时 , 该瞬时的脱磷率则小 , 甚至为零 . 由试验数据所得的回归方程如下 : 旦I且一 0 . 0 2 4 + 0 . 0 6 5云 (尺一 0 . 7 9 6、 d T ( 3) 式中 Z 代表乳化渣层在炉内的高度 , 可见 , Z 愈大则脱磷速度愈大 , 乳化反应愈充分

V 61 . 17 N b . 3 杨尚宝等 : 转炉造渣的声纳监控方法 2 实现方法 2. 1 硬件配置系统硬件由拾音探头、音强检测放大、 A 妇板、微机及其外围设备等组成 , 见图 .2 鳃音强水平 A D/ 下℃ 主机检侧仪打印机图 2 声纳监控造渣系统的硬件配 t .2 2 喷溅与返干预替线的确定 200 在转炉冶炼过程中 , 安装在炉口处的拾音器所得到的炉内氧气流股的音强与渣层厚成反比 . 吹炼开始时 , 渣面实际上就是铁水液面 , 此时音强最大 , 随着泡沫的形成 , 渣面逐渐上升 , 音强降低 . 借助于大量的试验 , 就可以找到实际炉况中发生喷溅和返干的临界音强值 . 本研究针对某 50t 转炉进行实测分析 , 发现它的喷溅与返干预警线分别约在最大音强值的 20 % 和 50 % 处 , 见图 3 . 在本监控系统中 , 当音强值比喷溅预警线低时就发生喷溅报警 ; 当音强值高于返干预警线时就发生返干报警 . 供氧时间 ~ 喷截预 , 线二二二舀一一 - 一一一 ; 卢一 ~ ~ 一 .曰 . . . . 侧 . . . . . . . . . . . 目 . . . . . , 返千预警线 l 开吹期 2 起渣期扒 3 泡沫乳化期咖书阵票荞、图 3 化渣控制区域示意图 .2 3 预替线的自适应调节与相对化模型炉内氧气流股的音强与氧气流速、枪位、炉料状况、炉膛尺寸等许多因素有关 . 在这些因素中有些是可测量的 , 有些是不可测量的 , 即使是可测量的因素 , 其在不同炉次或同一炉次不同时间的变化也是相当大的 . 为了减少这些因素变化而造成的误差 , 本系统采用了负反馈模式的自适应调节方法 . 同时 , 采用了音强的相对化模型 , 即用开吹时的音强值作为 10 % , 而其它时刻的音强值都是这个值的相对值 , 这种方法消除了由于开吹氧压、枪位等不同而引起的误差

·232… 北京科技大学学报 1995年No.3 2.4最佳化渣区的确定本系统规定出1个最佳化渣区域，即炉渣泡沫化程度适当，碱度较高，流动性较好，脱碳速度适合的最佳造渣区域，音强曲线在此区域内运行则能保证完成脱碳脱磷任务· 如图3所示，最佳造渣区域可分为3个部分，它们分别代表了冶炼的3个不同时期： ①开吹期这时氧气流股裸露在外，超音速流股打在铁水面和固体造渣料上，音强值很大，这段时间需2.5~4min； ②起渣期随着氧气吹人，炉内铁水中的Si、Mn氧化使炉温升高，加上FcO的生成，使造渣料开始熔化，造成的炉渣逐渐起泡，浸没了氧化流股，音强值随之降低，这段时期大约器1~1.5min; ③泡沫渣期它是自起渣后直到冶炼结束为冶炼最主要的时期，完成了基本的脱碳脱磷任务. 最佳区域的制定为造渣提供了一个基本操作模式.音强曲线进入最佳化渣区的时间愈长愈好，曲线进入该区域的时间与全部吹炼时间之比，称为全程乳化时间率，它代表了每一炉的造渣水平与脱磷能力· 3工艺效果与讨论 3.1三级操作为找出转炉操作的较佳工艺参数，以指导转炉操作，本研究根据转炉操作的实绩将转炉操作分为A、B、C3级·在一炉钢的冶炼过程中，音强曲线都在最佳化渣区内的操作定为 A级操作（最佳操作）；部分偏离的为B级操作（一般操作）；偏离程度较大的为C级操作（较差操作）.见图4. 3.2工艺效果 (1)全程乳化时间率四表2全程乳化时间率/% 治炼低、中碳钢时，炉渣的全程乳化时间率级别低碳钢中碳钢见表2. A 81.18 81.94 由表2可知，若采用A级操作，则全程乳化 B 63.74 66.45 时间率将提高，从而有利于脱磷. C60.02 (2)预报喷溅和返干本系统的运行可预报喷溅和返干，其预报命中率分别为86.7%和94.6%. (3)吹损 A级操作的吹损比通常操作的吹损降低0.435%

· 2 32 , 北京科技大学学报 1 9 5 年 N o . 3 .2 4 最佳化渣区的确定本系统规定出 1 个最佳化渣区域 , 即炉渣泡沫化程度适当 , 碱度较高 , 流动性较好 , 脱碳速度适合的最佳造渣区域 . 音强曲线在此区域内运行则能保证完成脱碳脱磷任务 . 如图 3 所示 , 最佳造渣区域可分为 3 个部分 , 它们分别代表了冶炼的 3 个不同时期 : ① 开吹期这时氧气流股裸露在外 , 超音速流股打在铁水面和固体造渣料上 , 音强值很大 , 这段时间需 .2 5 一 4 而 n ; ② 起渣期随着氧气吹人 , 炉内铁水中的 is 、 M n 氧化使炉温升高 , 加上 F 的的生成 , 使造渣料开始熔化 , 造成的炉渣逐渐起泡 , 浸没了氧化流股 , 音强值随之降低 , 这段时期大约需 1 一 1 . 5 ihr n ; ③ 泡沫渣期它是自起渣后直到冶炼结束为冶炼最主要的时期 , 完成了基本的脱碳脱磷任务 . 最佳区域的制定为造渣提供了一个基本操作模式 . 音强曲线进人最佳化渣区的时间愈长愈好 . 曲线进入该区域的时间与全部吹炼时间之比 , 称为全程乳化时间率 , 它代表了每一炉的造渣水平与脱磷能力 . 3 工艺效果与讨论 .3 1 三级操作为找出转炉操作的较佳工艺参数 , 以指导转炉操作 , 本研究根据转炉操作的实绩将转炉操作分为 A 、 B 、 C 3级 . 在一炉钢的冶炼过程中 , 音强曲线都在最佳化渣区内的操作定为 A 级操作 (最佳操作 ) ; 部分偏离的为 B 级操作 ( 一般操作 ) ; 偏离程度较大的为 C 级操作 (较差操作 ) . 见图 .4 .3 2 工艺效果 (l) 全程耽啊酬二 , ` 。。一 ’,m 。 , o/ 、 ’ 产工 `比叮 ` 山曰 “ ’ 刊十表 2 全程乳化时间率 /% 冶炼低、中碳钢时 , . 曰产炉渣的全程乳化时间率蕊爪弄一万石石奋, 一几瓦石二一 ~ ’ 州 ` ’ ~ “ J一 J ’ 产夕 ’ ~ “ J一汗 , ` 『“ ” “ ’ , 一级别低碳钢中碳钢见表 .2 - 又, 一 -石而一一目百王页一由表 2可知 , 若采用 A 级操作 , 则全程乳化 B 63 74 “ 45 时间率将提高 , 从而有利于脱磷 . 。 , 切一 . 二 , 。、 … J . J . . J , , , 。。二 · C 印 . 02 一 ( 2) 预报喷溅和返干 — 本系统的运行可预报喷溅和返干 , 其预报命中率分别为 86 . 7 % 和 94 . 6% . ( 3) 吹损 A 级操作的吹损比通常操作的吹损降低 .0 4 35 %