转炉炼钢副枪技术

转炉副枪简介

转炉自动炼钢技术是在转炉兑铁前，根据铁水的温度、重量以及计划钢种由二级计算机计算出炼钢过程需要的吹氧量、氧枪吹炼高度、底吹量以及熔剂加入量等静态炼钢模型数据，在吹炼后期，通过副枪或其它检测手段获得钢水温度、成分等信息，再由二级计算机做出动态炼钢模型调整数据，以确保炼钢终点达到由二级计算机设定的命中区，从而实现炼钢实时动态自动控制。该技术是集自动控制、冶金机理、生产工艺、数学模型、人工智能、数字仿真、计算机等多种技术于一体的高难度复杂技术。因为转炉炼钢是一个非常复杂的多元、多相、高温状态下进行的非特性的物理、化学反应过程，存在着许多不确定的因素，且难以用准确连续的在线检测仪表检测转炉吹炼过程中钢水的工艺参数，因此采用数学模型，而控制模型是全自动炼钢关键技术的基础，全自动炼钢技术应用主要分为两大类，一是采用副枪设备技术的自动炼钢；另一类是采用炉气分析技术的自动炼钢。目前国内应用的大部分采用副枪技术，一部分钢厂由于转炉炉口限制，无法使用副枪而采用后者，一般新建炼钢多采用副枪的自动炼钢技术。它的实现过程包括静态、动态数学模型的二级计算机控制系统及副枪数据处理系统，是理论计算、专家经验和先进检测手段相结合的采用计算机以及PLC进行控制的科学炼钢方法，是伴随着计算机网络技术和计算机信息技术，以及工业控制技术和工业控制网络的发展而逐步发展起来的，是目前转炉炼钢逐步走向成熟的一项关键技术。

转炉副枪自动化炼钢是现代炼钢厂先进性的重要标志之一和

发展趋势，国外先进的炼钢厂称量系转炉副枪自动化炼钢是现代炼钢厂先进性的重要标志之一和发展趋势，国外先进的炼钢厂在转炉上都配有副枪，可保持极高的碳含量及温度命中率，从而使90%-95%的炉次都能在停吹后立即出钢，无需检验化学成分，也无需补吹、核正，大大提高了转炉产量，实现了全自动化炼钢，同时炉衬浸蚀也明显降低。目前，国内新上的大中型转炉都直接配备了副枪系统，很多已建成炼钢厂也都在进行（或计划改造）增加副枪系统，向着全自动化炼钢的方向发展。

为实现科学炼钢，达到稳定操作、降低消耗、提高产品质量的目标，首钢国在首钢第一炼钢厂1号-3号210t转炉增上了副枪设施及SDM控制模型，实现了对转炉生产过程进行自动化控制；随后，在第二炼钢厂4号、5号210t转炉的设计中直接配备了2套副枪设施及SDM控制模型，实现了炼钢过程全自动化控制，开创了国内“一键式”炼钢的先河。首钢转炉副枪自动化炼钢系统完全自主开发的硬件和软件系统，是我国首家完全自主研发、自主设计的自动化炼钢技术，标志着我国转炉炼钢核心技术进入世界先进行列。

1 副枪组成及基本功能

1.1 副枪组成

副枪系统包括副枪本体设备和副枪自动化控制系统两部分。

副枪本体设备包括副枪枪体、副枪升降小车、副枪导向小车、副枪升降传动装置、副枪旋转传动装置、顶滑轮、副枪探头、副枪探头存贮装卸机构（APC）、副枪密封刮渣装置等。

副枪自动化控制系统由副枪检测系统和副枪PLC控制系统组成。

副枪控制系统应与铁水预处理、炼钢主副原料、氧枪、复吹、精炼PLC系统相联系，实现计算机二级系统控制炼钢。

1.2 副枪的应用功能

副枪是自动化炼钢必备的重要设备，在炼钢吹炼过程后期（供氧量达到85%时），副枪开始第一次测量（测量内容包括温度、结晶定碳和采样），动态控制模型根据副枪测量结果对吹炼前静态控制模型（物料平衡、热平衡、氧平衡等）计算的数据进行校正，同时实时预测钢水的温度和碳含量。当预测值进入吹炼终点目标范围，发出提枪停吹指令。吹炼停止后，副枪开始第二次测量（内容包括温度、氧活度和取样），终点碳含量由氧活度根据碳氧平衡计算得到。副枪还具有测量钢水液面高度的功能。

1.3 副枪操作过程

副枪装置具有测温、定碳、定氧、取样、测液面高度等基本功能。这些都是通过副枪的复合探头来完成的。

在转炉副枪上使用的复合探头主要有两种，即SLS-TSC（测温、取样、定碳）探头和SLS-TSO（测温、取样、定氧）探头。

SLS-TSC探头在吹炼终点前2min左右，用装有SLS-TSC探头的副枪插入熔池内，迅速测出熔池温度和钢液凝固温度，并取出钢样（送化验室分析），将数据送入过程计算机，通过凝固温度和碳含量的关系求出碳含量，及时修正吹炼静态模型，实现动态控制，提高转炉炼钢的命中率。

经过调整吹氧量后氧枪继续进行吹炼，到达吹炼终点目标时，自动提枪停止吹炼，将SLS-TSO探头插入熔池内，测出终点钢液温度和氧活度，通过碳—氧平衡关系可精确计算出碳含量，这样可让操作工及时做出快速出钢决定，同时可提前计算出炉后加脱氧剂的数量。

SLS-TSO探头在测量结束后通过钢液/渣的界面时，钢液温度和氧活度产生跃变，利用势差值快速计算出熔池钢液位。

在两次检测过程中，可自动将试样回收，并通过探头收集溜槽将试样输送到快速分析室，根据两次分析结果分别预测（一次）和确定（二次）终点化学成分。

2 自动化炼钢模型

自动化炼钢模型一般为七个，包括：温度模型；主原料计算模型；熔剂（副原料）加入量计算模型；静态模型；动态模型；合金加入量模型；自学习模型。

静-动态控制模型（SDM）是建立在热力学和冶金学原理的基础上，可在有（或没有）副枪系统、底吹系统和废气分析系统的不同条件下进行正常工作。分为静态模型和动态模型。

2.1 静态模型

静态模型包括热平衡、氧平衡、金属平衡和物料平衡控制程序。静态模型是依据初始条件（如铁水重量、成分、温度；废钢质量、分类），要求的终点目标（如终点温度、终点成分等），以及参考炉次的参考数据，计算出本炉次的氧耗量，确定各种副原料的加入量和吹炼过程中氧枪的高度。静态模型一般进行三次计算：

1）通过铁水成分、温度（脱硫处理之后）及目标温度，先固定碱度R和矿石加入量，各种辅料的加入量和加入程序；提前两炉计算出废钢加入量，按分类比例准备废钢；

2）通过本炉实际铁水成分温度（铁水包中）以及废钢量计算出熔剂（石灰、轻烧白云石）加入量，确定实际计算碱度；

3）通过本炉铁水成分温度及废钢量、熔剂加入量、矿石加入量计算供氧量，确定副枪取样时间。

2.2 动态模型

动态模型的前提条件是采用副枪设施。动态模型的计算包括动态过程的吹氧量计算、终点的碳含量计算、终点钢水温度的计算、过程中冷却剂的加入量计算、自学习修正计算等。当转炉接近终点时（供氧量达到85%）时，供氧流量降低50%，一次副枪测得的温度和碳含量数值输送到过程计算机，过程计算机根据测到的实际数值和上述动态计算模型，计算出达到终点温度和含碳量所需的补吹量和冷却剂（矿石）的加入量，并以测得的实际值为初始值，以后每隔3s启动一次动态计算，预测熔池内的温度和目标碳含量。当温度和碳含量进入目标范围时，发出停吹命令。吹炼停止后，副枪开始第二次测量（测温、定氧、取样、测液面），终点碳含量由氧活度计算得到。

3 *钢转炉炼钢生产副枪技术方案

借鉴国内炼钢厂已有副枪设施的布置经验，根据*钢第一炼钢厂已经完成的布置实施状况，首钢国际工程公司设计团队在*钢第一炼钢厂1号-3号转炉高跨结构已经全部形成的困难条件下，设计上进