分享：新型全集成式小吨位AOD智能炼钢系统

文章介绍了一种适用于氩氧脱碳工艺炉(AOD)的新型智能炼钢系统，满足了小型不锈钢生产厂对产品品质、冶炼成本、生产管理的更高追求。新系统中集成式自动配气系统降低了传统手动操作的误差；稳定了风枪气流控制，并可以根据冶炼钢种自动选择风枪环缝气压控制参数，更利于延长风枪寿命及炉衬寿命。智能炼钢系统同时整合了脱碳模型、数据库信息处理、炉体倾转控制、化学分析数据的采集等功能，辅助提高终点碳和终点温度的命中率，减少复吹以降低精炼气体及合金消耗。与传统AOD炼钢相比，新型智能炼钢系统可降低吨钢成本约40元。

氩氧脱碳工艺(简称AOD)自1967年由普莱克斯开发并商业化以后，国际上约80%的不锈钢都由AOD生产。近40年来，为了增加AOD的生产效率及产量，不锈钢厂和设备供应商及学术界都在致力于AOD控制模型的开发。目前，国内小型不锈钢生产厂通常基于投资成本、生产管理条件限制，不能充分应用现代化自动控制技术，生产实践中应用不锈钢冶炼自动控制模型的则更少，绝大多数情况下仅依靠炼钢技术人员的个人经验判断冶炼进程，因此造成了产品质量的波动以及生产成本居高不下。

当前，冶金产业智能制造即将全面升级，因而亟需研究开发自动化程度高、集成炼钢模型且便于生产管理的新型智能炼钢系统。

研究开发目标

新型智能炼钢系统的研究开发目标：使系统的操作更简便；把操作员的工作集成在一个系统中(包括吹炼、合金添加、数据管理)；提高自动化程度，减少操作员误操作，提高生产稳定性和可靠性；改善操作员之间的工作连续性，标准化最优冶炼操作；优化工艺效率；自动采集和管理数据，冶金技术人员可打印报表并进行离线优化分析；使用更先进可靠的元件，减少控制系统的维护工作；实现现有系统的整合，成为单一操作站(包括加料系统、炉子倾动设备、氧枪操作、烟气除尘系统、采样平台控制、温度测量、化学分析的数据传输)。其中，优化工艺效率包括：温度——设定冶炼温度目标值，防止温度过高；脱碳——最大化脱碳效率；还原合金——使金属氧化最小化；惰性气体成本——使氮气用量最大化，降低氩气用量；耐火材料消耗——增加风枪的保护控制，管理钢渣组分；合金成本——最低成本控制程序，包括钢渣和还原合金的计算。

系统运行环境

新型智能炼钢系统(简称NIRS系统)为AOD炼钢法提供全面的硬件和软件解决方案，系统基于Microsoft Windows操作系统平台，由多个软件程序组成：易操作的图形操作界面；钢种、原料、冶炼信息数据库；最低成本加料计算向导集成于图形用户界面；可供客户订制格式的电子版冶炼日志，包括用气量、加料量、温度测量、采样分析、操作日志等。PLC执行自动气体流量控制(例如连续的流量比例变化)、炉子倾动、加料系统和辅助设备。PLC控制器同时嵌入了冶金动力学模型，实时预测熔池中的组分、渣含量、钢水质量和温度。智能炼钢系统的实时全自动模型会迅速响应预设数据并更新数据。静态程序预先定义吹炼和加料步骤，在事件发生时需要重新计算设定吹炼和加料程序。在全自动模式下，智能炼钢系统可以按照程序编写的规则连续选择控制设定值。而在手动模式下，由操作员来选择控制设定值。无论在哪种模式下，动力学模型都会连续预测当前熔池的情况，自动和手动模式可以任意切换。实时模型内嵌入动力学模型计算脱碳量和脱氮量。热平衡的计算需要考虑对于周围环境的热辐射损失、炉壳热量损失、气体带走的热量损失、加料造成的热量损失以及由于炉衬耐火材料老化而导致的热量损失。利用Microsoft Windows网络平台，智能炼钢系统可以与其他信息系统进行信息交互，例如：化学分析系统、烟气分析系统、上下游工艺流程、库存管理系统和中央数据库。

脱碳动态模型

对于不锈钢，当氧气注入到熔池中时，形成氧化铬。脱碳是在碳与氧化铬反应形成金属铬和一氧化碳时发生的。脱碳反应通过式(1)来描述：

还可以通过对同一方程的更详细描述式(3)来计算给定温度和铬水平的平衡碳含量：

可以看出，为了生产低碳不锈钢，要么需要提高系统的温度，要么降低一氧化碳的分压。电弧炉生产不锈钢就是采用温度控制法进行冶炼的，但其冶炼所需的高温对耐火材料伤害极大而且产量也不高。目前，主流的不锈钢冶炼通过降低一氧化碳分压，采用稀释或改变炉内真空度等方法。因此，智能炼钢系统研发时集成了先进的脱碳模型，归纳后如公式(4)：

其中，%C为脱碳平衡值，K为平衡系数，f为活度系数，A为反应侧面积，W为熔池重量，NInert为吹入惰性气体的物质的量(摩尔数)，PSystem为系统压力，m为反应侧碳的质量传递，V为熔池体积，对于AOD炉通常β取经验常数0.15。

自动控制功能

新型智能炼钢系统(NIRS系统)自动控制功能包括：氧气、氮气、氩气流量精确控制；风枪环缝压力的设定；熔池温度管理；加料计算及最低加料成本管理；开放式的数据库连接ODBC，可实现与其他系统的数据连接，如上料系统、称重系统、热电偶测温装置、化学分析光谱仪以及L2/MES等。

系统应用

智能风枪操作

大部分AOD炼钢在氧气风枪操作上都会有些问题：风枪易损、气流不稳定、风枪头部温度过高。AOD风枪的环缝气流会在金属液中生成一个蘑菇头。蘑菇头的大小对风枪的保护起着至关重要的作用。蘑菇头太小，不能保护风枪，风枪头部会过热。蘑菇头太大，射流会受到阻碍，被反弹回炉壁，对炉墙造成冲刷，加快对耐火材料的侵蚀；也有可能当风枪露出钢液时，由于蘑菇头的重力对风枪造成机械损坏。

由于熔炉中复杂的动力学反应，长久以来，合适控制蘑菇头的大小和形状一直是一个不能得到很好解决的问题。影响蘑菇头形成的因素包括：射入气体的量和种类、溶池和钢渣的温度和组分、当前蘑菇头的形状和大小、钢液流动状况、风枪砖的结构、炉子的耐火材料以及其他一些原因。一般来讲，影响蘑菇头的最大因素是环缝冷却气的流量。在高流量射氧时，风枪端的温度比较高，需要更多的冷却气来保护。氧气流量低时，冷却气则不能通入太多。

NIRS系统具有自动控制环缝气流量的功能，主要基于氧气的射入流量和当前处于哪个工艺阶段(脱碳、还原、加热或搅拌)选择对应的控制方式及环缝气流量。

对于合理的蘑菇头控制方法，环缝保护气的流量会因为生产的合金种类的不同而不同。例如，生产低碳合金时的冷却气流量就会比生产镍基合金时高。这在开始冶炼选择钢种时，NIRS系统就会自动反应并做出调整，无需操作员去单独设定。

提高产量和效率

新型智能炼钢系统(NIRS系统)的应用使AOD炼钢的产量得以提高，主要体现在：(1)原本受制于氧气流量的脱碳效率由于氧气流量的改善而得到了提高。(2)更高的吹氧流量提高了加热时的升温率，同时减少了在脱碳初期硅氧化的时间。(3)总耗气量的减少增加了金属收得率。(4)氧气和惰性气体流量比的实时调整技术提高了脱碳效率，减少了对还原合金的需求。(5)更精确的碳含量和温度预测减少了再次吹炼和采样耗费的时间，温度预测误差在15℃范围内，碳含量预测误差基本控制在20%以内。

但是，AOD的出钢量及出钢时间并不是完全由AOD自身操作来决定的，有时候会受到其他因素的影响。例如：物料的控制、化学分析时间、吊车的移动时间、物流情况、生产安排、下游工艺(例如钢包精炼、铸造)的限制、信息的传输时间等都会产生影响。尽管采用了NIRS系统会使得吹炼的时间有所减少，但由于其他因素的限制，总的来说，AOD的产量不会有特别大的改变，然而由于NIRS系统的应用将促进生产效率的提高，因此工厂的总产量最终将会得以提高。

另外，由于NIRS系统操作方便，操作员甚至可以在脱碳和还原阶段投入更多的精力到其他工序中，等炉子自动倾动至采样位置后再回到NIRS系统进行操作，因此NIRS系统大大节约了AOD操作的人力成本。

减少氩气用量

最小化氩气用量是减少AOD炼钢运行成本非常重要的一部分。由于氩气通常要比氮气和氧气贵得多，因此AOD冶炼研究中出现了很多关于如何最大化氮气甚至是二氧化碳用量的技术。而氧气相比于氮气，仅仅只是AOD冶炼成本结构中很小的一部分，不用太多考虑。

冶炼的钢种、工艺需求(吹炼步骤和加料)、起始钢水成分和最终的氮含量决定了有多少氩气量可以用氮气来代替。在标准的AOD冶炼工艺中，氮气和氩气的切换点更多地靠经验来决定。而NIRS系统不断地、动态地在计算这个点，这种计算主要是基于作为组分的氮的溶解性、剩余的冶炼时间和剩余工艺所需要的气体量。相比于靠个人经验来判断而言，NIRS系统的动态计算能更多地使用氮气，同时节省更多的氩气。除此之外，NIRS系统还配备了独立的低流量氮气回路，允许氮气和氩气同时按比例吹入溶池。NIRS系统有效减少了氩气的用量，提高了氮组分的精确度，有时候甚至可以省去额外的对氮含量的化学分析。

总而言之，NIRS系统对各钢种AOD冶炼的氩气消耗量都能够起到节省作用，见表2。

结束语

新开发的AOD智能炼钢系统把动力学模型和先进的过程控制技术引入到AOD炼钢厂，特别是针对小吨位(容量从5到25 t)AOD冶炼设计的炼钢模型使不锈钢铸件厂应用NIRS系统的过程中明显减少还原合金、冶炼时间、氩气用量和耐火材料的消耗，使炼钢厂吨钢成本节省达40元之多。

文章来源——金属世界