KR脫硫攪拌槳插入精度的控制與研究

王 民, 趙甲斌, 高 文, 任燕霞, 齊 霞

(山東萊蕪鋼鐵集團有限公司設備檢修中心,山東 萊蕪271104)

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KR脫硫攪拌槳插入精度的控制與研究

王 民, 趙甲斌, 高 文, 任燕霞, 齊 霞

(山東萊蕪鋼鐵集團有限公司設備檢修中心,山東 萊蕪271104)

提高KR處理動力學條件的關鍵因素是控制攪拌槳的最佳轉(zhuǎn)速及插入深度，因每罐鐵水出鐵量不穩(wěn)定，渣量也不固定，攪拌槳的插入深度需隨著鐵水罐中鐵水液位高低的變化而變化。但目前廣泛采用的目測渣線判斷鐵水罐凈空方法誤差一般達到100～ 200 mm，影響攪拌槳插入精度，造成攪拌效果差，遠遠滿足不了品種鋼冶煉的需求。本文通過對KR脫硫攪拌槳插入精度的控制入手，研究應用的一套自動測量裝置，利用雷達料位計直接測量鐵水罐渣面、液面平均高度，通過PLC程序自動計算得出鐵水罐凈空，大大減小了對鐵水凈空的測量誤差，使得攪拌槳的插入深度更加精確，KR處理動力學條件達到最優(yōu)，攪拌效果更好。

KR；鐵水；凈空；物位計；溜槳

0 前言

噴吹脫硫由于動力學條件差，轉(zhuǎn)爐冶煉期間回硫明顯，增加LF冶煉負擔，部分鋼種要求只走RH精煉，由于硫含量不易控制，導致不能生產(chǎn)，嚴重影響品種鋼的開發(fā)。部分品種鋼生產(chǎn)要求鐵水硫含量在0.002%以下，噴吹脫硫處理時間長，鎂粒消耗高，導致生產(chǎn)成本增加。

我國武鋼20世紀70年代從日本引進KR脫硫裝置，主要生產(chǎn)硅鋼。隨著市場對品種鋼需求的擴大及更好發(fā)揮該廠RH真空精煉的優(yōu)勢，在2000年11月23日由國內(nèi)設計的第一臺140萬t的2#KR脫硫“一攪二扒”裝置在武鋼二煉鋼廠建成投產(chǎn)，目前武鋼具備KR鐵水全脫硫的能力。主要生產(chǎn)品種鋼為：硅鋼、耐火耐候鋼、電視機框架鋼、壓力容器鋼，軍工鋼等。鑒于武鋼KR鐵水脫硫工藝取得的顯著效果，目前，國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)如寶鋼、濟鋼、昆鋼、川威鋼廠等普遍采用機械攪拌法即KR(Knotted Reactor)法脫硫工藝。

1 KR脫硫基本工藝流程

KR脫硫基本工藝流程:向鐵水包中兌鐵水-鐵水包運到扒渣位并傾翻-第一次測溫取樣-第一次扒渣-鐵水包回位-鐵水包運到工作位-加脫硫劑-攪拌頭下降-攪拌漿旋轉(zhuǎn)脫硫-攪拌頭上升-第二次測溫取樣-鐵水包傾翻-第二次扒渣-鐵水包回位-鐵水包開至吊包位-兌入轉(zhuǎn)爐。

2 KR法脫硫效果的制約因素

影響KR脫硫效果的關鍵是攪拌槳的轉(zhuǎn)速與鐵水液面插入深度，必須同時滿足二級模型計算的最佳值，使KR處理的動力學條件達到最優(yōu)化。

一方面，在鐵廠出鐵過程中一般伴隨著下渣，而且每罐鐵水出鐵量不穩(wěn)定，渣量也不固定，鐵水罐中一般下面是鐵水，上面是渣。由于KR法脫硫攪拌槳的插入深度與鐵水罐中鐵水深度密切相關，因此為達到最佳攪拌效果，攪拌槳的插入深度需隨著鐵水罐中鐵水液位高低的變化而變化。

現(xiàn)有技術中，多數(shù)鋼廠首先采用目測的方法測量鐵水罐的凈空，一般在鐵水罐傾翻后進行目測渣線，然后依據(jù)鐵水罐罐深以及渣厚，得到鐵水深度，其中，渣厚為根據(jù)經(jīng)驗判斷的固定值。由于目測得到的鐵水罐凈空存在誤差，渣厚也不是固定不變的，因此這種測量方法使最終得到的鐵水深度偏差較大，一般誤差在100～200 mm，從而影響攪拌槳的插入深度，造成攪拌效果差，進而影響脫硫效果。

部分鋼廠利用攪拌槳升降時鋼絲繩張力變化的原理，由于攪拌槳下降至液面前張力基本不變，當攪拌槳接觸液面時，受到鐵水渣面阻力，鋼絲繩張力會立刻減小，此時傳感器給出張力變化信號，此時PLC記錄攪拌槳高度值，并根據(jù)大小罐的設定，通過PLC運算自動計算得出鐵水罐凈空數(shù)值。此方法一是受鐵水罐渣塊分布位置、厚度不均勻影響，導致測量誤差較大；再是受鋼絲繩張力傳感器監(jiān)測波動影響較大，經(jīng)常發(fā)生誤報或不報。

另一方面，攪拌槳由耐材砌筑而成，而且長期使用后大量粘渣，因此自重很重，經(jīng)常發(fā)生攪拌槳溜漿事故，影響脫硫，如圖1所示。

圖1 KR脫硫攪拌槳Fig.1 KR desulphurization impeller

3 攪拌槳插入深度改善措施

設計一種鐵水罐鐵水凈空的自動測量系統(tǒng)，如圖2所示，以實現(xiàn)對鐵水罐鐵水深度的精確測量，從而使得攪拌槳的插入深度達到最優(yōu)，攪拌效果達到最優(yōu)。

圖2 鐵水罐鐵水凈空自動測量系統(tǒng)Fig.2 The automatic measurement system of hot metal ladle

3.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成圖如圖2所示。鐵水罐傾翻臺車，用于放置鐵水罐；限位開關，安裝在鐵水罐傾翻臺車運行的道軌的一側(cè)；限位撞尺，安裝在鐵水罐傾翻臺車上，鐵水罐到達傾翻位時，撞尺正好接觸限位開關，使其觸點閉合，發(fā)出到位信號；物位計，固定在8 m拔渣平臺，位于鐵水罐傾翻臺車的道軌中心線的正上方，距離鐵水罐罐頂預設高度，用于測量所述鐵水罐的液面距離。物位計選型為雷達物位計，安裝位置與鐵水罐罐頂?shù)木嚯x需滿足雷達物位計最大發(fā)射角度4°的發(fā)射角度要求，應小于15 m；同時為減少鐵水罐中鐵水高溫對物位計的高溫輻射，物位計距離鐵水罐應大于3 m。因此考慮雷達物位計雷達信號到達測量表面時的覆蓋直徑，優(yōu)選預設高度為10 m；可編程邏輯控制器，物位計與控制器通過通訊電纜連接，控制器為S7-300，系原系統(tǒng)所有；聲光報警器，與控制器連接，用于物位計測量時聲光報警，提示操作。

3.2 測量原理

通過限位，控制鐵水罐傾翻臺車運行到扒渣位自動停止。第一次扒渣傾翻前，人工開啟物位計，并觸發(fā)聲光報警，第一次測量物位計距離鐵水罐中渣面的垂直距離為E1，測量完畢，報警解除，可以扒渣。

第一次扒渣完畢，鐵水包回位，人工開啟物位計，第二次測量物位計距離鐵水罐中鐵水液面的垂直距離為E2。

兩次測量E1、E2的值轉(zhuǎn)化為電流信號(4～20 mA)分別發(fā)送至PLC中。

3.3 鐵水凈空及渣厚的計算

PLC中預存物位計距離導軌基準的高度E0，大罐鐵水罐高度E,小罐鐵水罐高度E’。則：鐵水罐鐵水凈空為(E2- (E0-E))，鐵水罐的渣厚(E2-E1)。根據(jù)E2測量值的范圍可以自動判斷大罐、小罐。并遠傳至上位機上自動顯示每罐次大罐、小罐的鐵水凈空以及渣厚。

二級模型中,預存儲有鐵水罐鐵水凈空在變化區(qū)間內(nèi)與攪拌槳插入深度的對應關系，上位機用于獲取控制器輸出的當前鐵水罐鐵水凈空值，并從所述對應關系中查找到相對應的攪拌槳最優(yōu)插入深度，從而使KR脫硫攪拌效率達到最優(yōu)。

通過大罐、小罐的識別及渣厚的測量，按照一定的比重關系，該系統(tǒng)一并實現(xiàn)了鐵水罐扒渣量的自動計算。

4 攪拌槳溜漿故障分析與處理

4.1 KR脫硫攪拌槳的溜漿事故兩種情況

(1)攪拌槳自動提升至待機位停車時發(fā)生溜漿，18日5#位溜漿即是這種情況。

(2)攪拌槳下降開始時發(fā)生溜漿，17日6#位溜漿即是這種情況。

4.2 溜漿原因分析

觀察5#位攪拌槳上升停止時，電機先有停頓以至反轉(zhuǎn)，然后抱閘抱死，分析歷史趨勢上升停車時電機力矩及速度快速下降，至抱閘動作時電機力矩僅剩余為4.3%，以至無法克服攪拌槳重力電機產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，抱閘動作慢或松時將會發(fā)生下滑溜漿。因此第一種情況溜漿原因為電機制動存在缺陷。

第二種情況溜漿即攪拌槳下降開始時溜漿，分析原因為PLC程序缺陷，原設計攪拌槳下降時延時250 ms抱閘打開，未設計力矩判斷，造成下降時抱閘動作太快，力矩未建立造成溜漿。分析5#位動作歷史趨勢可以看到，下降時抱閘打開瞬間力矩反饋僅為0.85%，力矩明顯不足，容易產(chǎn)生下滑。

4.3 處理措施

修改PLC控制抱閘程序，無論上升還是下降均首先判斷變頻器力矩達到30%以上時，控制抱閘打開。

完善變頻器參數(shù)，主要修改了三個方面，一是變頻器啟動功能由斜坡啟動修改為直流勵磁啟動，優(yōu)點是電機啟動時可以達到最高啟動轉(zhuǎn)矩。二是修改變頻器停車功能由自由停車改為積分停車，優(yōu)點是攪拌槳停車是按照積分曲線柔和停車，可以杜絕攪拌槳上升停車時力矩不足的情況。三是增加變頻器直流抱閘功能，直流電流給定為30%，可以輔助抱閘制動避免產(chǎn)生因制動力不足產(chǎn)生下滑。

5 應用效果

采用直接測量鐵水罐中鐵水扒渣后的液面距離的辦法計算鐵水凈空，有效避免了渣厚對測量結(jié)果的影響。并且，由于物位計的測量精度遠高于人工目測凈空時的測量精度，因此，大大減小了對鐵水凈空的測量誤差，使得攪拌槳的插入深度更加精確，攪拌效果更好。部分實際實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

攪拌槳優(yōu)化程序后，觀察歷史趨勢，攪拌槳下降啟動時抱閘打開瞬間建立力矩為50%，上升啟動時抱閘打開瞬間建立力矩較大為170%；攪拌槳下降停止時抱閘抱死瞬間電機剩余力矩為77%，上升停止時抱閘抱死瞬間電機剩余力矩為54%。因此可以有效杜絕發(fā)生以上兩種情況的溜漿事故。

表1 鐵水罐凈空測量部分原始數(shù)據(jù)表

6 結(jié)束語

通過對KR脫硫攪拌槳插入精度的研究，對比分析了兄弟單位鐵水凈空測量方法的優(yōu)缺點，設計應用了一種鐵水罐測凈空裝置，利用超聲波物位計測量代替人工目測，通過PLC數(shù)據(jù)采集及編程，精確計算出鐵水罐鐵水凈空，誤差由100～200 mm減小至10 mm以內(nèi)，為二級模型計算攪拌槳最優(yōu)插入深度提供準確參數(shù)。同時，經(jīng)過測量可以自動計算出每罐鐵水罐渣厚，按照鐵水罐的直徑及渣的密度，計算得出每罐鐵水含渣量，為工序間原料結(jié)算提供可靠的參考依據(jù)。

通過對KR攪拌槳溜槳事故的系統(tǒng)分析，優(yōu)化PLC控制抱閘程序及變頻器參數(shù)，杜絕了溜槳事故，同時攪拌槳下降定位精度大大提高，攪拌槳實際插入深度滿足二級模型計算要求，基本使KR處理的動力學條件達到了最優(yōu)化，攪拌效果達到最佳。

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Control and research on insert precision of KR desulphurization impeller

WANG Min, ZHAO Jia-bin, GAO Wen, REN Yan-xia, QI Xia

(Equipment Maintenance Center,Shandong Laiwu Iron and Steel Group Co., Ltd., Laiwu 271104, China)

The key factor of improving the KR kinetic conditions is controlling agitator speed and depth of insertion. The insertion depth varies with the hot metal ladle molten iron liquid level, due to instability of ladle tapping and slag amount. The current method made an error of 100～200 mm, which got badly mixing effect. This paper develops an auto-measurement device, radar data bit gauge could measure hot metal ladle slag surface and surface average height, which could through the PLC program automatically calculated iron tank clearance. It greatly reduces the measurement error of molten iron net empty, the stirring paddle insertion depth is more accurate, KR kinetic conditions to achieve optimal, and mixing effect gets better.

KR;molten iron; clearanch; level meter; paddle down

2016-01-06；

2016-02-10

王民(1979-)，男，山東萊蕪鋼鐵集團有限公司設備檢修中心高級工程師，主要研究方向冶金工業(yè)電氣自動化。

TF748.2

A

1001-196X(2016)05-0048-04