转炉炼钢辅助指导音频化渣系统设计_刘永波.pdf

收稿日期：作者简介：刘永波（），助理工程师；转炉炼钢辅助指导音频化渣系统设计刘永波 郝丽慧 姜海远 王时松 王 菁（.济南市电子技术研究所有限公司，.青岛特殊钢铁有限公司）摘 要 针对操作工在转炉炼钢过程中除观察窗看火之外缺乏其他有效辅助冶炼指导手段的现状，提出了利用吹炼时发出的转炉噪声来指导操作工冶炼的方案。该系统设计以 上位机为核心，采集转炉吹炼时的噪声和转炉本体氧枪枪位、氧气流量、烟罩高度等相关参数，通过多参数模型公式来计算并生成炉内化渣状态曲线，指导操作工冶炼操作，减少冶炼喷溅和返干现象的发生。关键词 转炉炼钢 喷溅 返干 转炉噪声 应用软件文献标识码：文章编号：（）（.，.，），转炉炼钢冶炼吹氧周期一般为 ，炉内反应温度为 ，冶炼过程快速而剧烈，极易发生喷溅和返干。国内转炉冶炼发生喷溅和返干的普遍概率在 以上，严重的甚至超过。喷溅和返干不仅会造成大量钢水的损失和环境污染，还会危及炉前操作工的人身安全。转炉冶炼过程中炉内温度高达 以上，缺乏有效直接检测炉内化渣情况的仪器仪表。目前普遍依靠炉前操作工的经验，通过观察转炉炉口火焰状态判断炉内化渣情况，进而控制氧枪枪位和造渣料的添加。另外，转炉 主控系统主要作用是控制转炉设备执行动作完成冶炼过程，不进行数据采集和汇总。因此，整个冶炼过程缺乏统一的数据收集，不利于冶炼工艺精细化管理。根据转炉冶炼操作需求和实际工艺管理需要，文章研发了一种可以通过转炉噪声分析在线检测转炉炉内渣况的音频化渣系统，在硬件设计的基础上开发出一套模型应用软件来管理和指导操作工精准操作，降低喷溅和返干现象发生.冶 金 能 源 的概率。音频化渣系统的总体设计.系统功能要求转炉周围环境恶劣，温度高、粉尘多。冶炼过程工艺复杂，系统设计涉及的转炉本体冶炼参数较多，要求音频化渣系统与转炉本体主控系统接口简单，不能影响主控系统工作。根据转炉冶炼工艺流程，结合现场实际经验得出音频化渣系统的功能要求如下：（）系统前端噪声采集单元需耐高温、耐粉尘；（）通讯方式简单可靠，不影响转炉本体控制系统；（）能够准确检测转炉炉内化渣情况并以在线实时曲线的方式显示；（）能够以视频方式准确检测冶炼状态，自动抓拍转炉冶炼喷溅发生时的图像，并以闭环的方式自动校正喷溅发生的声音标准；（）能够采集转炉本体的工艺参数，并形成记录和报表，可以进行条件查询。.系统检测原理利用转炉冶炼时炉内特征噪声的大小来判断炉内冶炼化渣情况。冶炼时氧枪吹出的超音速氧气流冲击熔池会发出很强的噪声，在暴露吹炼时（返干）噪声最大，在喷溅时噪声最小，转炉噪声通过烟罩和炉口缝隙传到外部。噪声会受到多种因素的影响，包括氧枪枪位高低、氧气流量大小和烟罩高低等。经过现场实测和专业经验总结得出化渣状态模型回归方程如下：（）.式中：为噪声强度，；为喷溅时的噪声强度，；为化渣液面高度，；为氧枪相对钢水液面的高度，；为转炉炉口直径，；为吹炼时实时氧气流量，；为吹炼时初始设定氧气流量，；为烟罩实时高度，；为烟罩打开最大高度，。采用化渣状态模型回归方程，结合转炉噪声、氧枪高度、氧气流量、烟罩高度等综合模型分析，能够准确反映转炉吹炼时炉内化渣液面高度情况，通过工控机应用软件编程形成化渣液面曲线给操作工提供参考和指导。.工作原理根据音频化渣系统的组成结构和功能要求，该系统以工控机为核心来实现转炉炉内化渣液面高度的显示以及数据处理。系统工作原理如图 所示。图 系统工作原理工控机利用 通讯软件，通过 网络读取转炉本体 所需的吹炼开始、氧枪高度、氧气流量、吹炼结束和造渣料下料数据等信号。当收到吹炼开始信号，工控机通过模拟量模块读取音频分析仪处理后的数字信号，进行模型计算处理，以曲线的形式显示在显示器画面上。同时采集工业相机视频信号进行图像处理，判断是否发生喷溅，当发生喷溅时，将音频信号强度送给模型进行标准校正。当检测到吹炼结束信号时，通过开关量模块打开电磁阀进行氮气吹扫采音组件，保持采音组件周围环境干净、无堵塞。音频化渣系统硬件组成系统结构主要包括声音采集处理单元、视觉采集单元和系统模型处理显示单元。.声音采集处理单元声音采集处理单元主要负责转炉吹炼噪声的采集、处理、数字化转换，由声音采集保护装置、采音组件、音频分析仪和采集控制模块组成。声音采集装置是保护采音组件免受高温、高粉尘伤害的装置，采用圆筒状双层结构设计，外层接入冷却循环水，内部采音管接入氮气，安装在转炉挡渣墙外侧，高度与转炉炉口平齐。装置冷却循环水全天候循环，保证装置内部温度低于。在吹炼结束后，电磁阀控制氮气吹扫采音管 ，清除采音管内的灰尘。采音组件是采冶 金 能 源 .集转炉噪声的传感器装置，能够同时采集喷溅和返干的双频段声音信号，通过带通滤波去掉现场杂音后将声音信号远距离传送给音频分析仪。音频分析仪设计 路可调频段输入，具备硬件 频点带通滤波，能够同时处理喷溅和返干的双频段声音信号，通过带通滤波去掉其余频段声音后，将喷溅和返干频段信号转换为对应的数字信号，由模拟量采集模块传给工控机。.视觉采集单元视觉采集单元主要负责采集转炉吹炼时的实时图像，由相机、长焦镜头、风冷护罩以及支架组成。视觉采集单元安装在主控室外侧墙上，利用压缩空气进行冷却，安装在正对炉口位置，高度与炉口平齐，采用长焦镜头来获取近距离吹炼画面。鉴于吹炼时火焰温度在 ，图像亮度变化很大，因此选择进口巴斯勒相机，型号为 ，该相机具备 万像素，工作温度可达，使用 方式通讯，软件可编程曝光度，能够满足现场使用。.系统模型处理显示单元系统模型处理显示单元主要负责音频化渣系统模型计算处理以及工艺参数显示，由工控机、显示器和显示大屏组成。系统以高性能 上位机为核心，利用 通讯软件 通过 网络读取转炉本体 所需的吹炼信号，结合音频信号通过化渣回归方程计算出转炉化渣情况，同时根据现场实时图像分析转炉喷溅情况，在发生喷溅时对声音模型进行反馈校准，最后形成化渣曲线以及工艺参数并集成显示在显示器及大屏上。音频化渣系统控制程序和软件设计.系统控制程序为方便操作工观看和减少操作量，系统软件按炉次规划界面，每一炉为一个界面，自动切换，无需人工干预。操作工日常只需观察界面渣况来指导操作，冶炼后可以翻看历史画面及报表数据来进行返回学习。当吹炼开始时，系统自动采集声音信号和氧枪、流量等参数进行模型处理运算，形成曲线或数据参数显示。系统主控流程如图 所示。图 系统主控流程.应用软件设计系统应用软件采用上位机 语言编写，工控机采用 ，提供可视化人机交互管理平台。上位机应用软件包括主界面、历史界面、报表界面、设置界面、修改密码和退出系统等主要操作选项，上位机应用软件结构如图 所示，可实现吹炼过程显示、历史数据查询、喷溅查询、报表查询和参数设置等。系统软件功能包括：（）实时曲线显示冶炼过程中炉内的化渣情况；（）实时曲线显示冶炼过程的操作状态，包括氧枪枪位、流量和压力等；（）实时曲线显示炉内氧枪的粘枪、浓度变化情况；（）实时数据显示冶炼过程中的造渣料的加入情况，包括加入时间、种类和数量；（）实时显示本炉的工艺参数，包括供氧时间、溅渣时间、出钢时间、倒炉次数、点吹次数、冶炼周期等与冶炼相关的工艺参数；（）软件对每一炉进行自动切换，无需人工干预；.冶 金 能 源 图 系统软件结构（）以上数据自动存盘并形成报表，可进行历史查询和报表查询。应用实际音频化渣系统的使用可以为操作工冶炼操作提供参考和指导，提升冶炼操作准确性，有利于过程化渣，有效减少喷溅和返干的发生，提高一次倒炉成功率（简称：一倒率），缩短冶炼周期。河北某钢厂使用音频化渣系统前后指标对比见表。表 使用音频化渣系统前后指标对比时间喷溅率 返干率 一倒率 冶炼周期 使用前.使用 个月后.通过表 可以看出，使用音频化渣系统 个月后，炼钢厂冶炼指标得到全面提升，喷溅率降低 个百分点，返干率降低.个百分点，一倒率提高.个百分点，冶炼周期缩短.。随着炉内化渣的稳定，喷溅和返干的减少，氧枪粘枪、罩沾渣和转炉炉衬的侵蚀将会大大减少，氧枪和转炉寿命都会有极大提高，钢水成分也会更加稳定，因此音频化渣系统使用后的潜在效益也十分可观。结语文章分析了转炉炼钢操作过程中缺乏操作指导的难点和不足，在大量实地调研的基础上设计出了一套利用转炉噪声来检测炉内渣况的音频化渣系统。分别对系统的硬件结构、模型原理、工作原理、上位机应用软件进行了介绍，利用噪声间接反映化渣情况的方式，为操作工提供了一种炼钢过程辅助指导系统。该系统已在炼钢厂进行了实际应用，实践结果表明，系统能够非常准确地检测出吹炼过程炉内化渣情况，很好地指导操作工更准确地控制冶炼，减少喷溅和返干的发生，提高一倒率和冶炼周期。参考文献 黄志勇，颜根发，左都伟，等.转炉炉渣喷溅的机理及预防措施 金属材料与冶金工程，（）：.王杰，曾加庆，杨利彬，等.转炉炼钢过程的精细化控制及协同优化 钢铁，（）：.张燕超，张彩军，曾凯，等.复吹转炉底吹系统优化模拟 钢铁，（）：.刘双力，齐利国.副枪技术和烟气分析技术在自动化炼钢中的实践应用 冶金能源，（）：.吕延春，王新华，秦登平，等.转炉炼钢渣磷元素的富集及影响因素 钢铁，（）：.刘忠建.在线控制炉渣技术实践 冶金丛刊，（）：.王玲，张家华，李开勇.转炉动态炼钢自动控制系统的开发及应用 山东冶金，（）：.裴恒敏，温国丰，刘新斌.音频化渣微机综合检测系统的应用与效果 炼钢，（）：.赵 艳编辑冶 金 能 源 .