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、冶煉成本、生產(chǎn)管理的更高追求。新系統(tǒng)中集成式自動配氣系統(tǒng)降低了傳統(tǒng)手動操作的誤差；穩(wěn)定了風槍氣流控制，并可以根據(jù)冶煉鋼種自動選擇風槍環(huán)縫氣壓控制參數(shù)，更利于延長風槍壽命及爐襯壽命。智能煉鋼系統(tǒng)同時整合了脫碳模型、數(shù)據(jù)庫信息處理、爐體傾轉控制、化學分析數(shù)據(jù)的采集等功能，輔助提高終點碳和終點溫度的命中率，減少復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，不銹鋼廠和設備供應商及學術界都在致力于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)管理條件限制，不能充分應用現(xiàn)代化自動控制技術，生產(chǎn)實踐中應用不銹鋼冶煉自動控制模型的則更少，絕大多數(shù)情況下僅依靠煉鋼技術人員的個人經(jīng)驗判斷冶煉進程，因此造成了產(chǎn)品質量的波動以及生產(chǎn)成本居高不下。
當前，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
新型智能煉鋼系統(tǒng)的研究開發(fā)目標：使系統(tǒng)的操作更簡便；把操作員的工作集成在一個系統(tǒng)中(包括吹煉、合金添加、數(shù)據(jù)管理)；提高自動化程度，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，標準化最優(yōu)冶煉操作；優(yōu)化工藝效率；自動采集和管理數(shù)據(jù)，冶金技術人員可打印報表并進行離線優(yōu)化分析；使用更先進可靠的元件，減少控制系統(tǒng)的維護工作；實現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)的整合，成為單一操作站(包括加料系統(tǒng)、爐子傾動設備、氧槍操作、煙氣除塵系統(tǒng)、采樣平臺控制、溫度測量、化學分析的數(shù)據(jù)傳輸)。其中，優(yōu)化工藝效率包括：溫度——設定冶煉溫度目標值，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——使氮氣用量最大化，降低氬氣用量；耐火材料消耗——增加風槍的保護控制，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算。
系統(tǒng)運行環(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，由多個軟件程序組成：易操作的圖形操作界面；鋼種、原料、冶煉信息數(shù)據(jù)庫；最低成本加料計算向導集成于圖形用戶界面；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)行自動氣體流量控制(例如連續(xù)的流量比例變化)、爐子傾動、加料系統(tǒng)和輔助設備。PLC控制器同時嵌入了冶金動力學模型，實時預測熔池中的組分、渣含量、鋼水質量和溫度。智能煉鋼系統(tǒng)的實時全自動模型會迅速響應預設數(shù)據(jù)并更新數(shù)據(jù)。靜態(tài)程序預先定義吹煉和加料步驟，在事件發(fā)生時需要重新計算設定吹煉和加料程序。在全自動模式下，智能煉鋼系統(tǒng)可以按照程序編寫的規(guī)則連續(xù)選擇控制設定值。而在手動模式下，由操作員來選擇控制設定值。無論在哪種模式下，動力學模型都會連續(xù)預測當前熔池的情況，自動和手動模式可以任意切換。實時模型內(nèi)嵌入動力學模型計算脫碳量和脫氮量。熱平衡的計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致的熱量損失。利用Microsoft Windows網(wǎng)絡平臺，智能煉鋼系統(tǒng)可以與其他信息系統(tǒng)進行信息交互，例如：化學分析系統(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。
脫碳動態(tài)模型
對于不銹鋼，當氧氣注入到熔池中時，形成氧化鉻。脫碳是在碳與氧化鉻反應形成金屬鉻和一氧化碳時發(fā)生的。脫碳反應通過式(1)來描述：
還可以通過對同一方程的更詳細描述式(3)來計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)時集成了先進的脫碳模型，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為反應側面積，W為熔池重量，NInert為吹入惰性氣體的物質的量(摩爾數(shù))，PSystem為系統(tǒng)壓力，m為反應側碳的質量傳遞，V為熔池體積，對于AOD爐通常β取經(jīng)驗常數(shù)0.15。
自動控制功能
新型智能煉鋼系統(tǒng)(NIRS系統(tǒng))自動控制功能包括：氧氣、氮氣、氬氣流量精確控制；風槍環(huán)縫壓力的設定；熔池溫度管理；加料計算及最低加料成本管理；開放式的數(shù)據(jù)庫連接ODBC，可實現(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、化學分析光譜儀以及L2/MES等。
系統(tǒng)應用
智能風槍操作
大部分AOD煉鋼在氧氣風槍操作上都會有些問題：風槍易損、氣流不穩(wěn)定、風槍頭部溫度過高。AOD風槍的環(huán)縫氣流會在金屬液中生成一個蘑菇頭。蘑菇頭的大小對風槍的保護起著至關重要的作用。蘑菇頭太小，不能保護風槍，風槍頭部會過熱。蘑菇頭太大，射流會受到阻礙，被反彈回爐壁，對爐墻造成沖刷，加快對耐火材料的侵蝕；也有可能當風槍露出鋼液時，由于蘑菇頭的重力對風槍造成機械損壞。
由于熔爐中復雜的動力學反應，長久以來，合適控制蘑菇頭的大小和形狀一直是一個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、當前蘑菇頭的形狀和大小、鋼液流動狀況、風槍磚的結構、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，風槍端的溫度比較高，需要更多的冷卻氣來保護。氧氣流量低時，冷卻氣則不能通入太多。
NIRS系統(tǒng)具有自動控制環(huán)縫氣流量的功能，主要基于氧氣的射入流量和當前處于哪個工藝階段(脫碳、還原、加熱或攪拌)選擇對應的控制方式及環(huán)縫氣流量。
對于合理的蘑菇頭控制方法，環(huán)縫保護氣的流量會因為生產(chǎn)的合金種類的不同而不同。例如，生產(chǎn)低碳合金時的冷卻氣流量就會比生產(chǎn)鎳基合金時高。這在開始冶煉選擇鋼種時，NIRS系統(tǒng)就會自動反應并做出調整，無需操作員去單獨設定。
提高產(chǎn)量和效率
新型智能煉鋼系統(tǒng)(NIRS系統(tǒng))的應用使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的升溫率，同時減少了在脫碳初期硅氧化的時間。(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時調整技術提高了脫碳效率，減少了對還原合金的需求。(5)更精確的碳含量和溫度預測減少了再次吹煉和采樣耗費的時間，溫度預測誤差在15℃范圍內(nèi)，碳含量預測誤差基本控制在20%以內(nèi)。
但是，AOD的出鋼量及出鋼時間并不是完全由AOD自身操作來決定的，有時候會受到其他因素的影響。例如：物料的控制、化學分析時間、吊車的移動時間、物流情況、生產(chǎn)安排、下游工藝(例如鋼包精煉、鑄造)的限制、信息的傳輸時間等都會產(chǎn)生影響。盡管采用了NIRS系統(tǒng)會使得吹煉的時間有所減少，但由于其他因素的限制，總的來說，AOD的產(chǎn)量不會有特別大的改變，然而由于NIRS系統(tǒng)的應用將促進生產(chǎn)效率的提高，因此工廠的總產(chǎn)量最終將會得以提高。
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，等爐子自動傾動至采樣位置后再回到NIRS系統(tǒng)進行操作，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煉鋼運行成本非常重要的一部分。由于氬氣通常要比氮氣和氧氣貴得多，因此AOD冶煉研究中出現(xiàn)了很多關于如何最大化氮氣甚至是二氧化碳用量的技術。而氧氣相比于氮氣，僅僅只是AOD冶煉成本結構中很小的一部分，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氣來代替。在標準的AOD冶煉工藝中，氮氣和氬氣的切換點更多地靠經(jīng)驗來決定。而NIRS系統(tǒng)不斷地、動態(tài)地在計算這個點，這種計算主要是基于作為組分的氮的溶解性、剩余的冶煉時間和剩余工藝所需要的氣體量。相比于靠個人經(jīng)驗來判斷而言，NIRS系統(tǒng)的動態(tài)計算能更多地使用氮氣，同時節(jié)省更多的氬氣。除此之外，NIRS系統(tǒng)還配備了獨立的低流量氮氣回路，允許氮氣和氬氣同時按比例吹入溶池。NIRS系統(tǒng)有效減少了氬氣的用量，提高了氮組分的精確度，有時候甚至可以省去額外的對氮含量的化學分析。
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。
結束語
新開發(fā)的AOD智能煉鋼系統(tǒng)把動力學模型和先進的過程控制技術引入到AOD煉鋼廠，特別是針對小噸位(容量從5到25 t)AOD冶煉設計的煉鋼模型使不銹鋼鑄件廠應用NIRS系統(tǒng)的過程中明顯減少還原合金、冶煉時間、氬氣用量和耐火材料的消耗，使煉鋼廠噸鋼成本節(jié)省達40元之多。
文章來源——金屬世界
