AOD轉爐自動化過程控制

張燕連

摘要：AOD爐主要應用在鐵合金的爐外精煉上，AOD爐可利用較為廉價的原料（如高碳鉻鐵等），冶煉優質鐵合金時，其成本會大大降低，節約資源;工藝操作簡單，在冶煉鉻鐵合金時，鉻的回收率高達約97%，國內外鐵合金總產量中有70%以上是通過AOD爐冶煉出。本文依據具體工程實踐，詳細介紹了AOD爐主要的檢測與控制系統的設計和PLC監控系統的設計，為AOD轉爐的設計和應用提供了工程設計經驗。

一、AOD爐概述

我國冶煉低碳鉻鐵的工藝分為傳統三步法和氬氧吹煉法（AOD爐）。傳統的冶煉工藝是根據硅和氧的結合能力大于碳和氧的結合能力，通過硅鐵去還原鉻礦中的Cr2O3，實現脫除鉻鐵產品中的碳含量，最終完成對中低鉻鐵產品質量的控制。

AOD爐主要應用在鐵合金的爐外精煉上，國內外鐵合金總產量中有70%以上是通過AOD爐冶煉出。AOD爐可以有一臺電爐和一臺AOD爐進行雙聯操作。首先通過電爐將高碳鉻鐵熔化，同時將主要質量指標鉻等的元素含量處理至鐵合金的控制標準內，而其中的碳含量一般控制在1.0%以內，因此，AOD工藝的原料可選擇較廉價的高碳鉻鐵。高碳鉻鐵在電爐熔化后，此時，提高爐度至1600～1650℃，進行換渣脫硫處理，然后通過鋼包轉移到AOD爐，進行AOD爐冶煉。在AOD爐中，頂槍吹送氧氣、側槍吹送一定比例的氬氧混合氣體，開始高碳鐵水吹煉。頂槍吹送氧氣的主要作用是與高碳鐵水中的碳反應，從而實現鐵水脫碳。側吹惰性氣體氬氣在AOD爐中有兩個作用：降低爐內氣體中CO的分壓，促進脫碳;其次對熔液中的鉻與氧氣的反應起抑制作用，完成低碳鉻鐵合金的脫碳保鉻。

二、AOD爐工藝系統

（1）吹煉期側壁噴吹系統：

在噴吹過程中，側壁噴吹系統通過安裝在側壁的風口向轉爐熔池中噴入工藝和惰性氣體。每個風口由兩個環形噴嘴組成，內側噴嘴用于工藝和惰性氣體，外側環形噴嘴用于冷卻。工藝氣體為氧氣，惰性氣體為氮氣和氬氣，冷卻氣體為氮氣和氬氣。在通常情況下，氮氣作為冷卻氣體，如果氮氣故障，氬氣會自動開啟。

側吹氧氣設置1個流量調節回路，氮氣、氬氣共用1個流量調節回路，氧氣、氮氣、氬氣匯總后，分支為若干支路送入爐體噴吹風口。

（2）吹煉期噴槍噴吹和噴槍提升系統：

噴槍噴吹系統通過一個噴槍向熔池上方的規定距離進行氧氣的噴吹脫碳和氮氣濺渣護爐。

噴槍固定在一個噴槍車上，噴槍車沿著垂直安裝的導軌運行。噴槍提升系統有一個提升驅動，提升驅動由一個變頻控制的鼠籠型電機組成（VVVF/矢量控制）。

（3）還原期側吹系統

還原期側吹閥站氮氣/氬氣/無油無水壓縮空氣與頂槍用、吹煉期側吹用氮氣/氬氣/無油無水壓縮空氣共用總管，從總管分出1根支管至獨立氣體閥站，閥站分為6根支管，每根支管都設有流量調節回路，以精確調節每根支管的流量。

（4）噴槍冷卻系統：

頂部噴槍的冷卻水回路安裝在靠近氧槍和冷卻水軟管平臺上，供給噴槍冷卻水回路的冷卻水來自水泵站。噴槍冷卻水系統配有監測冷卻水系統的“泄露監測系統”，主要功能是當噴槍發生泄露時，通知操作員，使操作員在鋼包出鋼時防止水進入。

（5）轉爐傾動系統：

轉爐配有一個傾動系統，包括一個齒輪箱潤滑系統。一個額外的液壓系統用于鎖定轉爐。在工藝階段之外，轉爐可以進行手動操作，配有一個氣動電機用于應急傾動。

三、AOD_L轉爐冶煉工藝步驟

（1）準備階段：當前爐次出鋼結束，讀入本爐爐次布告，裝入不銹鋼母液，啟動模型預測計算。計算本爐次吹煉所需的原副料的種類數量并啟用這些料批。L1將材料投料實際發送給L2，根據L1送來的測量數據起動模型，模型動態計算預定的側吹氣體的種類及數量;操作工可以根據需要對各種計算值進行人工修正。AOD爐L2將母液裝入等運轉狀況發送給L3和連鑄L2計算機等。

（2）吹煉階段：吹煉開始按選定的吹煉數據，對氧槍位置，吹氧流量、惰性氣體、側吹惰性氣體以及原副料的種類和數量等進行自動運轉控制。當各原副料投放后，起動預測計算模型進行修正;在收到定周期測量值后，起動動態計算，計算氧槍氧流量、惰性氣體以及側吹惰性氣體種類和流量。計算剩余處理時間，進行自動停吹判別。一旦實時推算出鋼水溫度和碳含量達到停吹范圍，計算機向基礎自動化發出停吹指令;AOD爐L2將吹煉運轉狀況發送給L3和連鑄L2計算機等。

此階段，頂槍主要吹送氧氣，主要用于脫碳。側吹吹入混合氣體（氬氣和氧氣），惰性氣體氬氣不參與爐內的化學反應，但會減低爐內CO分壓力且產生的攪拌作用，抑制了熔池中鉻被氧化，從而可以達到脫碳保鉻。隨著側吹氣體的不斷進行，在鐵水內的氬氣的分壓慢慢增大，當PCO + PAr>1標準大氣壓時，氬氣開始溢出，鐵水中的脫碳反應會持續進行，直到C含量<0.004%。

在吹煉前期，鐵水含碳量高，通過頂槍吹送的氧氣快速脫碳。頂吹氧氣的速度較快，槍口處的氧氣會形成高速氣流柱，會對熔池表面沖擊成一個氣流坑，這樣，增加了氧氣和鐵水的接觸面積，因此，碳和氧氣迅速反應。同時氧氣會大量吸附在表面的氣流坑山上，與部分鉻發生氧化反應生成Cr2O3。這部分Cr2O3會隨著鐵水的攪動被卷入爐渣中，造成一部分鉻元素的損耗。此外氣流坑處的氧氣較多，也會與鐵水中的[C]、[Cr]、[Fe]、[Si]等元素發生反應。此時，發生在熔池內的主要化學反應如下：

[C]+ [O]=CO （1-1）

2[Cr]+ 3[O]= Cr2O3 （1-2）

[Si]+ 2[O]= Si O2 （1-3）

[Fe]+ [O]= FeO （1-4）

在吹煉前期階段，熔池溫度不高，被爐渣卷入鐵水中的Cr2O3基本不與鐵水中的[C]反應。單冶煉進行了一段時間，由于碳的氧化反應會釋放出大量的熱，造成爐內溫度升高，Cr2O3和[C]開始發生著劇烈的化學反應。化學反應式為：

[Cr2O3]+3[C]=2[Cr]+3CO （1-5）

吹煉進入低碳階段，熔液中[Si]基本被完全氧化。由側槍吹入的O2和Ar混合氣體，其中O2分別與鐵水中的[C]、[Cr]、[Fe]等發生反應，惰性氣體Ar由下到上對熔液進行攪拌并在溢出時帶走鐵水中部分雜質。由于氧化反應會釋放大量熱能，使得熔液溫度持續增高。此時[C]開始與Cr2O3發生還原反應，生成CO氣體，進一步減低了碳含量。在吹煉階段中，AOD爐內的化學反應主要是碳和鉻之間結合氧氣強弱反應。此外，側槍會按冶煉階段比例吹送氧氬混合氣體，控制熔池內冶煉溫度，促進脫碳保鉻的進行。在低碳期，大部分的冶煉反應是在鐵水和氣泡表面進行的，其化學反應為：

[Fe]+ [O]= FeO （1-6）

[C]+ [O]=CO （1-7）

2[Cr]+ 3[O]= Cr2O3 （1-8）

[Cr2O3]+3[C]=2[Cr]+3CO （1-9）

（3）還原階段：吹止后，投入還原劑進行鉻的還原，起動預測計算模型進行修正。在收到周期測量值和實驗室的數據后，模型起動動態計算，計算側吹惰性氣體種類和流量。還原后，根據模型計算的結果，進行合金調整，完成后，轉爐將進行出鋼處理。將出鋼開始等運轉狀況發送給L3和連鑄L2計算機等。

（4）出鋼處理完成后，操作工將根據需要進行鋼包吹氬處理，使鋼包鋼水達到溫度均勻，雜質上浮的效果。L2計算機接受L1發送的生產實績并將生產實績、爐次分派等運轉狀況發送給L3計算機。

四、AOD_L轉爐基礎級控制系統架構

基礎級控制系統包括另個部分，PLC和HMI（即操作員站）。所有的現場電氣和儀表裝置都與PLC系統的I/O模塊連接，I/O模塊以遠程I/O站的方式設置，遠程站與CPU通過PROFIBUS-DP或者PROFINET通訊，這樣可以節約大量接線電纜和施工費用。

CPU采用西門子S7-400系列CPU，噴吹/傾動系統設置1臺CPU，下掛的遠程I/O站有：氧槍冷卻系統遠程站，氧氣閥站遠程站，惰性氣體遠程閥站（即側吹氣體閥站），傾動驅動遠程站。噴吹安全系統設置1臺CPU。傾動安全系統設置1臺CPU。加料系統設置1臺CPU。共設置4臺CPU，CPU通過以太網接入1臺交換機。遠程I/O站使用西門子ET200M或者ET200S系列模塊。如果用ET200M，PLC柜內需要設置I/O端子排;如果使用ET200S，PLC柜內不需要額外設置I/O端子排，現場電纜可直接接入ET200S模塊。

1臺AOD轉爐共設置2個操作員站，2臺操作員站可以同時控制和監測整個設備，操作員站通過以太網也接入這臺交換機。當其中1臺操作員站故障時，另1臺操作員站也能監控，保證工藝連續控制的高可靠性。

操作員站使用西門子WINCC過程控制系統，這套系統是一套先進的監控與數據采集系統，支持PLC并能夠在微軟Windows操作系統運行。

五、AOD_L轉爐冶煉優點

應用AOD爐冶煉鉻鐵合金有以下優點：

（1）AOD爐冶煉可利用較為廉價的原料（如高碳鉻鐵等），冶煉優質鐵合金時，其成本會大大降低，節約資源。

（2）AOD爐的雙聯操作提高了電爐的實際生產能力，相當于兩臺電爐冶煉，節約能源。

（3）AOD爐工藝操作簡單，在冶煉鉻鐵合金時，鉻的回收率高達約97%。

（4）側吹氬氣的強攪拌作用，會降低鐵水中的雜質磷，硫含量，可應用鐵合金脫磷技術及冶煉超低硫合金產品。

（5）鐵水經AOD爐后，鐵合金中的平均氧含量比單用電爐冶煉的低40%，氫含量比單用電爐冶煉低25～65%，氮含量低30%～50%。

參考文獻

[1]郭軍，聞昕舒，趙一鵬，等.中國鐵合金行業技術進步現狀及預測.鐵合金，2014，，45（2）：57-64.

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[3]高澤平，賀道中.爐外精煉[M]. 北京：冶金工業出版社，2009.

（作者單位：中冶東方工程技術有限公司自動化所）