全自動煉鋼化驗技術應用現狀及發展趨勢

王炳琨，陳　瑩，何文英

（鞍鋼股份有限公司質量檢驗中心，遼寧鞍山114021）

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全自動煉鋼化驗技術應用現狀及發展趨勢

王炳琨，陳瑩，何文英

（鞍鋼股份有限公司質量檢驗中心，遼寧鞍山114021）

摘要：介紹了傳統煉鋼化驗技術、全自動煉鋼化驗技術以及其他爐前快速分析技術，闡述了全自動煉鋼化驗的技術優勢、關鍵技術點和不足之處，總結了國內外全自動煉鋼化驗室應用現狀，對全自動煉鋼化驗技術的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：煉鋼；化驗技術；全自動；無人操作

王炳琨，碩士，工程師，2015年畢業于遼寧科技大學工業分析專業。E-mail:king586@163.com

隨著煉鋼技術的發展，煉鋼對鋼質成分的控制能力顯著提高，煉鋼多工位同時連續作業都需要在線檢驗數據的指導，造成檢驗量大幅增加，同時，煉鋼生產對煉鋼在線檢驗的工作質量水平要求也越來越高。傳統的煉鋼在線檢驗工藝已不能適應目前的煉鋼生產，逐漸出現了全自動煉鋼化驗技術、以副槍技術為代表的爐前在線檢測技術［1-2］和激光誘導擊穿光譜分析［3-4］，其中以全自動煉鋼化驗技術發展最為迅速。

從20世紀80年代中下期開始［5-6］，世界各大鋼鐵企業開始采用火花源發射光譜儀、X熒光儀進行工藝管理分析的自動化，包括試樣的切割、研磨、運送、分析、分析值的判斷和傳送、裝置校正的全自動化。此后該自動化系統不斷擴大，逐漸發展為現在較為完善的從取樣、樣品發送、樣品接收、樣品處理、樣品分析、結果發送等一系列過程的自動化處理系統，實現了實驗室的全自動化“無人”操作，生產效率得到大幅度提高。

據統計截至2014年初，全世界共有24個國家建立了全自動煉鋼化驗室，其中德國和美國最多。國內鋼鐵企業自1994年寶鋼三期電爐引進全自動分析系統并成功運行后，逐步進入了全自動分析時代［7］。據統計，目前國內各鋼廠共建有26個主要的全自動煉鋼化驗室。鞍鋼目前的煉鋼在線化驗室仍使用傳統的人工制樣分析方法，極大地制約了煉鋼在線生產，有待進一步改進。

1　傳統煉鋼化驗室工藝現狀

傳統的煉鋼化驗室一般采用風動管道傳送樣品，制樣設備和分析設備也全部采用手動喂樣方式，分析完成后人工手動發送數據。這種手動方式不僅分析時間較長，而且數據的準確度、穩定性較差，難以滿足鋼水冶煉的要求。因此，傳統煉鋼化驗室分析方式已無法滿足高端產品研發所需的生產工藝要求，主要存在以下三個方面問題：

(1)傳統的煉鋼化驗室各個環節尤其是制樣環節受人為因素影響較大，無法完全消除人為因素帶來的系統偏差。

(2)大多數煉鋼化驗室的檢測工作同時對應鋼廠多個工位，如果多工位樣品同時到達會出現樣品排隊現象，樣品分析時間不能完全滿足工藝要求，很難保證每個樣品的分析時限和精度。

(3)新品種的開發及工藝優化調整對分析精度、穩定性、元素種類等提出了更高的要求，傳統煉鋼化驗室現有的工藝流程和技術水平很難滿足要求。

2　全自動煉鋼化驗技術

全自動煉鋼化驗室就是將傳統的煉鋼在線檢驗工藝，通過機械、電氣、計算機、自動控制和自動化的技術整合，形成從煉鋼現場發送樣品開始，經過風動送樣、樣品接收、編碼識別、任務分配、制樣、樣品質量識別、分析、數據處理和網絡傳輸，全部實現自動化運行的煉鋼化驗室。從20世紀80年代開始迅速發展，共經歷了5個發展階段［8］，是分析化學、機械工程、電氣工程、自動化、計算機等學科的大集成，自動化程度高。

2.1系統組成

全自動煉鋼化驗系統結構如圖1所示［9］。

圖1　全自動煉鋼化驗系統結構示意圖

全自動系統一般由下面幾部分組成：

(1)風動送樣及樣品輸送系統。現場工人將樣品置于專門設計的樣品盒中，通過壓縮空氣在風動管道內進行發送。機械手將樣品從樣盒中取出。

(2)樣品制備和分配系統。機械手根據樣品形狀自動選擇制樣設備，并將樣品送入相應的制樣設備進行制樣。

(3)樣品質量自動識別系統。利用照相原理對拋光后的樣品表面缺陷進行識別。根據試樣表面的缺陷情況，自動設計、控制光譜儀各激發點的位置，避免因微小缺陷而引起的數據波動，提高檢驗效率，得到穩定可靠的檢驗數據。

(4)樣品分析系統。包括全自動分析系統和手動分析系統。全自動直讀光譜儀分析鋼樣品，全自動X熒光光譜儀分析鐵樣品和爐渣樣品，氣體元素分析仍采用傳統手工制樣分析方法。

(5)樣品標記及歸檔系統。對分析后的樣品自動進行標記和歸檔。

(6)計算機系統。完成檢驗數據的處理、儲存、傳輸、調閱和編輯以及對實驗室的分析全過程進行實時監控，實現高水平的維護，通過聲音提示，控制分析工作質量。

2.2處理流程

全自動煉鋼化驗室一般包括自動鋼樣、自動鐵樣和自動渣樣制樣分析系統。實驗室選擇的配置不同，生產試樣的處理流程也會有所不同。以寶鋼新二煉鋼化驗室的自動分析系統為例，寶鋼新二煉鋼化驗室主要承擔寶鋼二煉鋼以及電爐煉鋼工藝過程中鋼水成分、鐵水成分以及爐渣成分的檢測工作。寶鋼新二煉鋼化驗室生產流程如圖2所示［10］。

圖2　寶鋼新二煉鋼化驗室生產流程圖

煉鋼現場操作人員將試樣放入樣盒，選擇試樣信息后發送樣盒，經風動管道送達化驗室，控制計算機根據試樣類型選擇試樣輸出位置。需自動加工的樣品經傳送裝置傳送至加工設備，控制計算機根據試樣信息選擇試樣加工設備和加工程序，選擇分析儀器。樣品加工完成后，通過傳送裝置傳送至分析設備，分析設備根據試樣信息選擇分析程序分析試樣，并將分析結果發送至結果管理計算機，同時控制計算機通過傳送裝置和試樣編號歸檔系統處理檢畢試樣，結果管理計算機根據試樣信息傳送結果。

2.3影響系統運行關鍵點

2.3.1樣品形狀的選擇

在鋼鐵生產中，常見的鋼鐵樣品形狀為圓柱圓錐樣、球拍樣、雙厚度樣和氣體棒樣［11-12］。球拍樣和雙厚度樣只能采用直讀光譜法進行多成分分析，對于該樣品的碳、硫、氧、氮成分分析需要采用手動鉆屑或沖粒進行制樣，用紅外碳硫儀和氧氮分析儀檢測。雙厚度扁平樣舌頭部位沖孔顆粒分析碳硫、氮的代表性較差，而且取成率不高［10］。氣體棒樣只能采取手動制樣進行氣體氮分析，不能進行其他成分分析［13］,所以最好采用圓柱圓錐樣品和氣體棒樣相結合的方式來滿足光譜和氣體分析，但運行成本相對較高。因此在建立全自動系統之前首先應慎重選擇試樣的形狀，因為這不僅決定了整個系統的工藝流程、加工設備的硬件構造、還決定了檢測結果的準確性，同時也關系著系統的運行成本。

2.3.2自動分析儀的質量控制

全自動煉鋼化驗室采用全新智能化試樣加工和分析設備，對分析工藝技術要求較高。儀器狀態的控制、分析曲線的飄移、控樣的校正和數據的處理等檢驗工藝環節均在自動化方式下運行，每一個技術上的疏漏都可能引發生產事故，因此為了確保分析儀器狀態的控制以及數據的準確性，首先應對自動分析儀建立重復性和準確度的過程質量監控體系，同時定期對設備進行檢定，確保設備處于正常工作狀態；其次，應建立抽查制度，定期對生產樣品進行留樣再測比對，確保分析數據準確。一旦發現自動化系統數據不穩定，或其中某個設備出現問題導致全自動化部分或整體無法工作，可靈活選擇樣品分析流程，確保樣品順利檢測，保證煉鋼順行。

2.3.3維護和維修的問題

全自動煉鋼化驗室采用全新智能化試樣加工和分析設備，對設備點檢、維護和維修要求較高。平時需要高水平的設備點檢、維護工作，能夠及時發現和預判故障，減少停機頻率；故障時需要高水平的維修工作，能夠及時地處理故障，減少停機時間，特別是對從事設備點檢、維護和維修工作的員工，提出了更高的要求。

為了確保全自動煉鋼化驗室的正常運轉，一些供應商負責為鋼廠提供有償服務。如德國Herzog公司即有三種服務模式：①駐點服務模式：為保證自動化分析系統正常連續的運行，Herzog派1人至用戶現場駐點進行自動化設備專業維保，建立巡視點檢制，負責設備的24 h運行保駕服務，及時處理各種設備問題；②定期維護保養模式：Herzog公司派專業技術人員到用戶自動化實驗室對設備進行定期維護保養；③常規維修模式：Herzog公司在收到用戶書面確認后48 h內到達現場維修。

2.4技術優勢

與傳統煉鋼化驗技術相比，全自動煉鋼化驗技術有以下技術優勢：

(1)檢驗準確度高。能夠實現各種先進檢驗手段智能化、綜合性應用，提高分析精準度，滿足煉鋼生產需求，促進實現目標值冶煉。

(2)分析速度快。自動系統樣品在系統內無間斷地自動流通，每個區域同時作業，樣品不需要等待，單個樣品的分析時間可控制在2～3 min［14］，比手動分析每個試樣平均可以節約4 min以上。

(3)杜絕人為因素干擾。從樣品到達化驗室開始的整個分析流程，不需要人工干預，避免了因分析人員分析手法的不同而造成的分析結果的偏差。

(4)有效控制取樣質量。采用全新智能化試樣加工和分析設備，以樣品質量自動識別系統來統一取樣的質量標準，徹底消除取樣質量對準確度的影響，才能最大限度的保證煉鋼在線檢驗數據的準確度；同時減少因取樣質量問題而進行的重復分析，保證煉鋼在線檢驗及時性。

(5)樣品實時監控。示蹤管理系統可以對每個樣品的分析過程進行記錄，樣品全程可追溯。

(6)可以節約人力成本，整合現有分析資源；同時還可以通過集中，實現檢測統一化、管理規范化。

(7)可靠性高，兼容性好。自動分析系統可完成多種形態樣品的儀器分析方式，從樣品加工、傳輸、自動分析，有多種不同組合線路。

2.5技術的缺陷和不足

2.5.1系統對耗材質量要求嚴格

全自動煉鋼化驗系統所用耗材如：樣盒等的質量要求嚴格，樣盒必須滿足在風動送樣管道中運行時不能開蓋，同時滿足送入自動開蓋器后開蓋自如的要求。進口樣盒對風動設備和管道要求非常高，必須與進口樣盒相配套。進口樣盒和風動管道的價格約為國產樣盒和風動管道的5倍多，而且進口樣盒更換也比國產樣盒頻繁，系統運行的耗材費用昂貴。首鋼采用自行研究設計的國產樣盒代替進口樣盒［15］，解決了國產風動管道進口樣盒運行時開蓋率高的問題，并自主設計了系統設備實時監控系統及數據處理系統，并且運行良好。

2.5.2多種鋼種同時分析切換不利

對于冶煉產品相對穩定、各鋼種成分簡單的鋼種如：碳鋼采用全自動分析系統具有優勢，而對于冶煉產品復雜，同時冶煉碳鋼、不銹鋼以及其他合金鋼時，由于樣品硬度不同會造成制樣系統的差異性，同時不同成分自動分析儀分析的控樣也會存在相互干擾，全自動分析系統在使用上會存在切換不利等因素，這種情況不建議采用全自動分析系統。

2.5.3氣體分析未實現自動化

全自動化煉鋼化驗室已經可以實現直讀光譜及熒光光譜分析的“無人”操作，但是氣體分析仍未實現自動化，雖然目前已有報道［16］稱已經實現直讀光譜法分析鋼中低含量碳，同時也有報道［17-18］稱已經實現光譜、熒光、氣體的全自動化分析，但從各大鋼廠的應用上看氣體分析仍然是采用手動制樣進行分析。實現氣體分析的全自動分析突破口有兩個：一個是采用直讀光譜儀進行鋼中氣體分析。由于鋼中氣體含量低且影響因素較多，因此目前的直讀光譜儀對氣體元素的分析精度與專用的氣體分析儀(碳硫儀、氮氧儀)還有一定的差距［18］；另一個是實現現有氣體分析設備與自動化系統的對接。由于氣體分析制樣復雜，分析過程繁瑣，元素含量低、精度要求高等特點，實現氣體分析的全自動并大規模應用還需要一定的時間。

3　其他爐前快速分析技術

3.1爐內信息的在線檢測技術

爐內信息的在線檢測技術主要包括副槍檢測技術、投彈熱電偶檢測以及利用光學原理進行間接測量的方法等。其中副槍檢測技術是采用TSC探頭對爐內熔池溫度()、含碳量()進行測定并取金屬分析樣(S)的一種技術，是目前比較常見的一種終點定碳技術。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠即采用該技術進行定碳、測溫。也有報道［19］稱可以實現鋼水直接定氮、定氧、定氫技術、鐵水直接定碳、定硫、定硅技術，但實際應用并不廣泛。

爐內信息的在線檢測技術可快速進行爐溫及碳的測定，因此對于轉爐煉鋼有重要作用。但該技術無法實現其他元素的分析，同時對于精煉工位及連鑄工位的冶煉指導能力有限。

3.2激光誘導擊穿光譜技術

激光誘導擊穿光譜分析(LIBS)是近年來備受關注并迅速發展的一種基于激光與材料相互作用的原子發射光譜分析新技術。通過對激光聚焦于樣品表面產生的等離子體光譜信號進行分光與檢測，得到待測樣品中元素的種類和含量信息。國外早在2002年即有相關的論文［20］及報道［21］，該技術可以實現煉鋼爐內成分及溫度的實時監測，優于傳統的檢測技術(手動取樣或使用副槍)。但由于必須近距離檢測及其它一些原因，應用于實際生產過程中還需要進行摸索，目前該技術還沒有在國內各鋼廠使用的報道。

4　全自動煉鋼化驗室應用現狀

4.1國內外自動化快速分析實驗室

自20世紀90年代以來，世界各大鋼廠如：德國蒂森、德國蘭格(安賽樂)、韓國浦項和日本新日鐵等鋼鐵公司，普遍采用全自動煉鋼化驗這一先進技術。據統計截至2014年初，全世界各大鋼廠先后共建有112個全自動煉鋼化驗室，其中德國和美國最多共46個。國外全自動煉鋼化驗室應用情況見表1。

表1　國外全自動煉鋼化驗室應用情況

隨著煉鋼精煉技術的發展，國內各大鋼鐵企業也相繼認識到傳統的煉鋼在線檢驗越來越不能適應煉鋼生產的需求，為了解決煉鋼在線化驗制約煉鋼生產的問題，從1994年開始，國內各大鋼鐵企業積極研究論證全自動煉鋼化驗對煉鋼在線檢驗的意義。國內主要鋼鐵企業全自動煉鋼化驗室投產情況見表2。

表2　國內主要鋼鐵企業全自動煉鋼化驗室

各鋼鐵企業根據自身煉鋼生產的實際，選取不同流程配置，在自動化廠家提供的設備配置基礎上，對其中的某些環節進行優化改進，形成了具有自身獨特特點的全自動煉鋼化驗系統。

4.2國內外主要供應商

目前，全自動快速分析室的供應商主要有德國Herzog和FLSmidth W uppertal GmbH兩個公司。其中Herzog公司在該領域處于領先地位，在國內外占有較大的份額。

近十年，國內的一些制造商逐步對設備進行自動化升級，并將其并入自動化快速分析系統中，實現了爐前在線分析的部分自動化，其中上海美諾福公司自2003年起開始研發爐前快速分析系統，并且也已經實現光譜、熒光、氣體的全自動化分析［14］，在國內處于領先水平。有部分國內鋼廠已采用了美諾福的自動化煉鋼分析技術，如福建福欣不銹鋼項目等。

5　全自動煉鋼化驗技術展望

自20世紀90年代以來，國內外各大鋼鐵企業一直在不斷探索煉鋼化驗技術的自動化，到目前為止已經有20余年，全自動化煉鋼化驗室的各項技術從最初的研發到目前的大規模應用已經日趨成熟，同時也存在一些缺陷和不足。如何真正實現鋼鐵成分的全元素自動分析是目前全自動煉鋼化驗急需解決的問題，一種途徑是徹底解決低含量氣體元素的自動分析；第二種途徑是與爐前在線檢測技術和激光誘導擊穿光譜技術相結合，互相補充，共同實現煉鋼在線的全元素分析，更好地為煉鋼生產服務。

6　結語

鋼鐵工業的快速發展對冶煉過程檢測領域快速、準確提出了更高要求。鋼鐵冶金技術的創新、冶煉時間的縮短、新品種的不斷開發對檢測的精度和速度要求也不斷提高，傳統的煉鋼化驗技術已經不能滿足鋼鐵工業的快速發展，全自動煉鋼化驗技術應運而生。隨著越來越多的鋼鐵企業意識到全自動煉鋼化驗技術的重要性，并相繼對現有化驗室進行改造建設，全自動煉鋼化驗技術得到全面飛速的發展，技術水平越來越成熟。雖然也存在一些缺陷，但全自動煉鋼化驗技術已成為煉鋼在線檢驗的發展趨勢，是未來高水平爐前化驗室的首選。

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(編輯賀英群)

修回日期：2015-10-10

App lication Status and Developm ent Trend of Test Technology for Fully Autom atic Steelm aking

W ang Bingkun，Chen Ying，He W enying
(Quality Inspection Center of Angang Steel Co.,Ltd.,Anshan 114021,Liaoning,China)

Abstract：The test technologies for traditional steelmaking,fully automatic steelmaking and other fast analysis technics on the spot were introduced.The advantages,disadvantages and key points of the test technology for fully automatic steelmaking were discussed.At last the application status of the test technologies for fully automatic steelmaking at abroad and home based on laboratory test was summarized and then the development trend of the test technology for fully automatic steelmaking was forecasted.

Key words：steelmaking；test technology；fullautomation；unmanned operation

中圖分類號：TH843

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）01-0006-06