多任務(wù)分析系統(tǒng)在VOD生產(chǎn)中的應(yīng)用

祖 峰，賀冰林，袁續(xù)陽

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

多任務(wù)分析系統(tǒng)在VOD生產(chǎn)中的應(yīng)用

祖 峰，賀冰林，袁續(xù)陽

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

介紹了多任務(wù)分析系統(tǒng)的組成、原理、功能及優(yōu)勢(shì)。詳細(xì)闡述了多任務(wù)分析系統(tǒng)在VOD生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，多任務(wù)分析系統(tǒng)提高了VOD生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性，能夠更好地判斷VOD吹氧時(shí)各階段的終點(diǎn)，縮短了氧氣吹煉時(shí)間，提高了終點(diǎn)碳的命中率，減少了金屬氧化損耗，降低了還原劑、耐火材料的消耗。

MTA；多任務(wù)分析系統(tǒng)；VOD工藝；動(dòng)態(tài)控制

1 引言

天津鋼管集團(tuán)股份有限公司天津天管特殊鋼有限公司為拓寬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)范圍，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行了改造。通過增設(shè)中頻感應(yīng)爐、VOD處理設(shè)備及兩條模鑄生產(chǎn)線，具備了冶煉超低碳不銹鋼的能力。其中，MTA系統(tǒng)是VOD真空精煉爐的關(guān)鍵設(shè)備之一。MTA是Multi-Task-Analyser的縮寫，即多任務(wù)分析系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱MTA系統(tǒng)）。通過MTA系統(tǒng)來收集數(shù)據(jù)，正確分析廢氣成分，精確測(cè)量廢氣流量，并在HMI畫面上直觀的體現(xiàn)。所有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量周期為1 s，并實(shí)時(shí)復(fù)合，這是其它系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢(shì)。操作工可以在VOD處理過程中，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)評(píng)估VOD工藝過程，充分體現(xiàn)了MTA系統(tǒng)實(shí)時(shí)、精確、動(dòng)態(tài)控制的強(qiáng)大功能，并使VOD工序中各個(gè)階段能夠獲得更大的收益。

2 MT A系統(tǒng)的組成、原理

MTA系統(tǒng)的組成包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一個(gè)電氣控制柜和一套采集現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳感器。電氣柜內(nèi)有MTA的控制單元，廢氣檢測(cè)的電器元件，24 V直流電源，一個(gè)智能AD/DA轉(zhuǎn)換器，廢氣準(zhǔn)備裝置（包括氣泵、過濾器和氣體冷卻器）和廢氣成分分析儀。

過程廢氣通過高速泵1傳送到MTA柜，柜內(nèi)廢氣在經(jīng)過過濾和冷卻傳送到分析儀。現(xiàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)匯總到MTA柜的AD/DA轉(zhuǎn)換器內(nèi)，轉(zhuǎn)換器通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到主控室的MTA-PC計(jì)算機(jī)上。具體配置見圖1。

圖1 MTA系統(tǒng)配置圖

2.1 廢氣成分分析儀

廢氣成分分析儀在MTA柜內(nèi)有一個(gè)單獨(dú)的分析儀箱，箱內(nèi)有加熱系統(tǒng)以保持恒定的溫度。在分析儀箱內(nèi)有四個(gè)分析器（紅外線C O、紅外線C O2、順磁性O(shè)2、熱傳導(dǎo)H2原理）。由于要保證分析元件的靈敏度，不能單獨(dú)更換，如有設(shè)備故障需整體更換，而且需新混合氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證其靈敏度。

2.2 過程廢氣準(zhǔn)備裝置

過程廢氣通過以下方式傳送（見圖2）：泵1從廢氣采樣探頭吸大量的冶煉廢氣到MTA柜。在采樣探頭中有一個(gè)初步的過濾器對(duì)廢氣進(jìn)行粗略的過濾。大量的廢氣對(duì)分析儀是沒有用的，泵1壓迫廢氣通過過濾器1（過濾器底部有一個(gè)廢氣排放管連到MTA柜的底部），泵2從過濾器1吸收少量的廢氣（約50l/min），然后從泵2傳到過濾器2，再到廢氣冷卻器和分析儀。經(jīng)過分析儀的廢氣分析完成通過MTA柜側(cè)面的小孔排到柜外。

圖2 廢氣準(zhǔn)備流程圖

2.3 超聲波廢氣量測(cè)量

廢氣量測(cè)量安裝在VOD的排氣煙筒上，有兩個(gè)超聲波發(fā)送/接受器。每個(gè)傳感器能夠發(fā)送和接受脈沖，脈沖由MTA柜內(nèi)測(cè)量計(jì)算單元產(chǎn)生。經(jīng)過HP電纜傳到放大器然后到煙囪上的超聲波傳感器。測(cè)量的基本原理是發(fā)送超聲波脈沖從一個(gè)發(fā)送/接受器到另一側(cè)的發(fā)送/接受器。所以一個(gè)脈沖是順著氣體流動(dòng)方向，另一個(gè)逆著氣體流動(dòng)方向。每一個(gè)脈沖就可以實(shí)時(shí)的測(cè)量出煙囪內(nèi)氣體的流速。通過流速計(jì)算出廢氣的流量。

2.4 AD/DA轉(zhuǎn)換器和軟件

所有通過傳感器獲得的模擬量收集到AD/DA轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換完成后發(fā)送到MTA計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行誤差計(jì)算、碳燃燒量計(jì)算以及氧氣分配計(jì)算。

3 MT A系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介及優(yōu)勢(shì)

MTA系統(tǒng)以在線實(shí)時(shí)的方式清晰、簡(jiǎn)潔地描繪了VOD處理流程。不管是間接的（內(nèi)部反應(yīng)的變化）還是操作人員直接的改變（氬氣攪拌、吹氧速度、壓力、槍位），每個(gè)工藝變更的效果都能很快識(shí)別顯現(xiàn)。從手動(dòng)的獨(dú)立配置到集成進(jìn)二級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的方案，MTA系統(tǒng)都可以根據(jù)需要靈活修改。另外，對(duì)于使用VOD生產(chǎn)不銹鋼來說，MTA提供了目前為止最先進(jìn)的過程控制和監(jiān)測(cè)功能。不銹鋼真空脫氣過程中，MTA為操作者提供了不同的監(jiān)視系統(tǒng)、精確的數(shù)據(jù)處理和校正系統(tǒng)。

MTA系統(tǒng)分析精度、性能方面具體特點(diǎn)如下：

（1）廢氣分析高精確度。

（2）廢氣流量的精確測(cè)量（不是直接計(jì)算）。

（3）性能可靠，維修保養(yǎng)少。

（4）適用于煉鋼車間艱苦的環(huán)境，不需要空調(diào)和潔凈的房間。

（5）提高設(shè)備的實(shí)用性和更好的靈活性機(jī)動(dòng)性，加速設(shè)備啟動(dòng)速度和達(dá)到最佳狀態(tài)速度。

（6）MTA系統(tǒng)配合適當(dāng)?shù)能浖虷MI畫面，可達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)控和控制生產(chǎn)過程的目的，具體體現(xiàn)在：VOD不銹鋼生產(chǎn)全過程動(dòng)態(tài)控制，可設(shè)定吹氧量、鋼包吹氬量、系統(tǒng)真空度；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制吹氧停止、自動(dòng)破空等功能。

MTA系統(tǒng)有降成本潛力，可以進(jìn)一步優(yōu)化VOD不銹鋼生產(chǎn)工藝過程、降低還原劑、氧氣、合金等消耗。當(dāng)然，降低消耗程度依賴于生產(chǎn)規(guī)劃、不同生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、現(xiàn)在及今后的生產(chǎn)條件和產(chǎn)量等。具體特點(diǎn)如下：

（1）可以精確控制特種鋼的產(chǎn)量。

（2）優(yōu)化溫度控制，減少熱量損失。

（3）優(yōu)化VCD過程。

（4）節(jié)約耐火材料損耗。

（5）減小 Fe、Mn、Cr的氧化物，更少的還原劑等原料消耗，提高合金元素收得率。

（6）改善脫硫環(huán)境。

（7）節(jié)能高效，例如 Ar、O2、水蒸氣等。

另外，MTA系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可以很好地檢查設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)：真空系統(tǒng)泄露速度；真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況；水冷系統(tǒng)是否泄露等。

4 MTA系統(tǒng)與傳統(tǒng)質(zhì)譜儀比較

MTA系統(tǒng)的綜合驗(yàn)證基于紅外探測(cè)、順磁和超聲波原理的廢氣測(cè)量的新系統(tǒng)，其測(cè)量精度得到了進(jìn)一步提高，而其他系統(tǒng)沒有達(dá)到這一測(cè)量精度（像質(zhì)譜儀Mass Spectrometer）。同時(shí)MTA系統(tǒng)數(shù)據(jù)的循環(huán)測(cè)量時(shí)間間隔僅為1 s，所有數(shù)據(jù)都被傳輸?shù)?級(jí)控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)中可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控，迅速反饋調(diào)整的目的。MTA系統(tǒng)與傳統(tǒng)質(zhì)譜儀的比較見表1。

表1 MTA系統(tǒng)與傳統(tǒng)質(zhì)譜儀的比較

5 MTA系統(tǒng)在VOD生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用

5.1 生產(chǎn)裝備及主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)概述

天津天管特殊鋼有限公司的VOD設(shè)備，是在原100tVD爐基礎(chǔ)上改造的，主要增加了水冷氧槍、真空加料系統(tǒng)、MTA多任務(wù)分析系統(tǒng)。在原抽氣系統(tǒng)上并聯(lián)了一臺(tái)蒸汽噴射泵，增大抽氣量，用于滿足吹氧工藝真空度需要。提供粗煉鋼水的是100t EBT超高功率電弧爐和25 t感應(yīng)爐。主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。

5.2 MTA系統(tǒng)在VOD生產(chǎn)中各階段的實(shí)際應(yīng)用

VOD工藝一般由吹氧前的準(zhǔn)備、吹氧、真空碳脫氧（即VCD處理）、還原造渣、最終調(diào)整幾步驟組成。MTA系統(tǒng)在不銹鋼生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用正是圍繞這幾個(gè)步驟進(jìn)行的。

表2 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

5.2.1 吹氧前的準(zhǔn)備

為了保證整個(gè)吹氧過程高效的同時(shí)，較少的金屬氧化損失，需要對(duì)鋼水的開吹溫度、鋼包的自由空間有嚴(yán)格的要求，以保證吹后溫度、成分等工藝需求。雖然不同的鋼種成分不同，工藝參數(shù)及工藝要求各有不同，但一般都要求鋼水開吹溫度≥1 580℃[1]，自由空間在900～1 100mm。同時(shí)為避免吹氧過程發(fā)生噴濺和還原后的成分調(diào)整任務(wù)，一般要求要求入爐鋼水Si含量≤0.15%，Mn、Cr含量在中上限。

5.2.2 吹氧

在整個(gè)真空吹氧脫碳過程中，MTA系統(tǒng)通過收集的廢氣信息及相關(guān)計(jì)算值可以監(jiān)管、優(yōu)化吹氧脫碳期的工藝控制情況。圖3為MTA系統(tǒng)HMI畫面提供的參考信息。

圖3 MTA系統(tǒng)HMI畫面提供的參考信息

如圖3所示，MTA系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到放散廢氣中的 CO、O2、Ar、CO2、H2、N2、總廢氣量、廢氣溫度、廢氣流量和廢氣壓力，及時(shí)采集到氧氣流量、氮?dú)饬髁?、氬氣流量、真空度、槍距的?shù)據(jù)信息，由數(shù)學(xué)模擬模型計(jì)算出與碳反應(yīng)的氧含量、與金屬反應(yīng)的氧含量、氧氣利用率、脫碳速度及估算出的即時(shí)鋼水碳含量，并繪制成H M I畫面直觀的動(dòng)態(tài)曲線，這樣可以預(yù)測(cè)出VOD爐內(nèi)的狀態(tài)。考慮現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)和測(cè)量值之間的延時(shí)，通過有效工藝參數(shù)的曲線和這些數(shù)據(jù)信息，結(jié)合脫碳速度值，操作人員可以快速、高效的檢測(cè)和控制吹氧脫碳工藝過程。

典型的低碳不銹鋼VOD工藝吹氧過程可分為預(yù)吹、主吹、緩吹三個(gè)階段，預(yù)吹階段主要是進(jìn)行硅的氧化，并控制較低的氧氣流量，以減少其他金屬的氧化損失；當(dāng)觀察到金屬的氧化速度急劇下降，碳的氧化速度快速上升時(shí)，說明硅的氧化已基本完畢，主要任務(wù)轉(zhuǎn)移為脫碳，這時(shí)將氧氣流量提高，以提高脫碳速度，減少金屬的氧化損失，即轉(zhuǎn)為主吹階段；當(dāng)金屬的氧化損失增加到50%以上，且CO曲線和CO2曲線完成交叉，可以轉(zhuǎn)為緩吹階段，降低氧氣流量，保證持續(xù)脫碳的同時(shí)降低金屬氧化損失；當(dāng)觀察到脫碳速度明顯降低，小于0.025kg C/min時(shí)，可以停氧提槍。圖4為典型的低碳不銹鋼MTA曲線。

圖4 典型的低碳不銹鋼MT A曲線

從圖4可以看出，整個(gè)脫碳期約35min；脫氣期開始時(shí)的碳含量0.50%C。大部分的碳在前5～25min內(nèi)脫除，在余下的處理時(shí)間內(nèi)，脫碳速度強(qiáng)烈下降。操作人員根據(jù)這些值和生產(chǎn)要求決定處理時(shí)間的長短，即可節(jié)約時(shí)間或者在要求碳含量極低時(shí)使用更長的處理時(shí)間。另外，氧氣分配計(jì)算是根據(jù)與碳、金屬反應(yīng)的氧氣和沒有發(fā)生反應(yīng)的氧氣量來進(jìn)行的，氧氣在碳和金屬間的分配對(duì)于金屬氧化的評(píng)估是重要的。這些數(shù)據(jù)使得操作人員很容易判斷出氧氣的使用率是高還是出現(xiàn)了問題。準(zhǔn)確地知道初始條件（碳分析、鋼水重量）就能計(jì)算實(shí)際VOD處理期間的碳含量。如圖4所示曲線，在抽真空后開始吹氧，氧氣的利用率一直很高，未參與反應(yīng)的氧氣量一直很低，整個(gè)處理期間都基本保持在這個(gè)水平，這表明反應(yīng)進(jìn)行的很好。隨著處理時(shí)間的延續(xù)，脫碳效率上升，金屬氧化下降。大約30min后情況出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，到達(dá)臨界碳含量—碳鉻平衡。金屬燒損一直上升到75%的數(shù)值點(diǎn)，即在這期間大部分的氧氣是與金屬反應(yīng)，大部分是鉻。通過MTA曲線可以有效的避免鉻的過度氧化，以避免鉻的氧化損失、減少還原劑消耗及避免過度氧化產(chǎn)生的高溫加劇對(duì)鋼包耐火材料的侵蝕。根據(jù)E WK廠的數(shù)據(jù)跟蹤結(jié)果，使用MTA系統(tǒng)的爐次較未使用MTA系統(tǒng)的爐次，金屬的氧化損失減少了50%[2]，在天津天管特殊鋼有限公司的生產(chǎn)實(shí)踐中，這一數(shù)據(jù)也得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

5.2.3 真空碳脫氧

真空碳脫氧即VCD處理是生產(chǎn)低碳不銹鋼的必要手段，通過在真空狀態(tài)下，利用鋼水中的氧進(jìn)一步與碳反應(yīng)，達(dá)到純凈脫氧、降低還原劑消耗、維持較低碳含量的目的。從圖4可以看出，由于在較好的條件下準(zhǔn)確停氧，在進(jìn)行VCD處理過程中，仍由部分碳參與反應(yīng)，CO含量有一個(gè)明顯的峰值，當(dāng)CO含量降低到一定水平后，就可以通過真空加料進(jìn)行還原，MTA系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的判斷出VOD爐內(nèi)的反應(yīng)情況。

5.2.4 還原造渣及最終調(diào)整

通過真空加料向VOD爐鋼包內(nèi)加入還原劑和渣料，在加料過程同時(shí)抽真空，使鋼水迅速還原和重新造渣的同時(shí)，溫度更加均勻，按工藝要求保持一定的高真空時(shí)間后，即可破空結(jié)束VOD處理。

6 結(jié)語

綜上所述，在使用MTA系統(tǒng)后，生產(chǎn)超低碳不銹鋼時(shí)，由于其可以在線實(shí)時(shí)的顯示工藝所需數(shù)據(jù)和曲線，使得操作人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地把握整個(gè)VOD生產(chǎn)過程，而且對(duì)于已知條件如槍距、氬氣流量、真空度發(fā)生變化時(shí)，能夠靈敏地將變化的效果反應(yīng)在數(shù)據(jù)和曲線上，為操作人員繼續(xù)優(yōu)化VOD處理過程提供了進(jìn)一步信息，降低了操作異常情況下的反應(yīng)和調(diào)整時(shí)間。使用MTA系統(tǒng)，可以更好地判斷VOD吹氧時(shí)各階段的終點(diǎn)，縮短吹煉時(shí)間，提高終點(diǎn)碳的命中率，降低金屬氧化損失，尤其是鉻的損失，達(dá)到控制生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)成本的目的。

[1]安杰，于丹.VOD不銹鋼鋼水的初始溫度對(duì)精煉效果的影響[J].特殊鋼，2013，34（1）：31-33.

[2] 李華.VOD工藝監(jiān)控新方法—多任務(wù)分析儀 [N].世界金屬導(dǎo)報(bào)，2004-12-07（006）.

Application of Multi-task Analyzing System to VOD Production

ZU Feng,HE Bing-lin and YUAN Xu-yang

(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

The institution,theory,functions and advantages of multi-task analyzing system are introduced.The paper expounds its practical application in Vacuum Oxygen Decarbonization(VOD)production.Multi-task analyzing system increases the stability of VOD process,judges better endpoints of VOD oxygen blowing phases,shortens oxygen blowing time,improves the hit rate of final carbon,lowers metal oxidization loss and reduces the consumption of reductant and refractory.

MTA;multi-task analyzing system;VOD process;dynamic control

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.036

2013-09-15

2013-10-12

祖峰（1981—），男，工程師，主要從事煉鋼工藝方面的研究工作。