投弹式副枪技术在炼钢厂的应用

储鸿文 叶建松 金进文 杨利康 连 铸 范 佳

前言

近几年来，随着用户对钢材性能和质量的要求越来越高，钢材的应用范围越来越广，同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质量、扩大品种、节约能源和降低成本越来越重视。在这种情况下，以动态控制模型为主的自动化炼钢模式越来越受到钢铁生产企业的青睐。

1.投弹式副枪技术的发展及特点

1.1 投弹式副枪技术的发展历程

从上世纪70年代起，围绕着转炉炼钢动态控制技术研究共发展出三种控制方式：烟气分析技术、机械式副枪技术和投弹式副枪技术。由于围绕着机械式副枪、烟气分析的开发的一些技术较为成熟，因此发展速度比较快。进入20世纪90年代，随着计算机技术、远程通讯技术、耐火材料技术的长足发展，机械式副枪技术出现的安装复杂、使用及维护成本高、以及在120t以下中小型转炉受安装限制的问题，使得具有投入成本低、维护简单、占地面积小、检测速度快特点的投弹式副枪技术重新得到了快速发展，并被广泛应用到120t以下的中小转炉的生产。

1.2 投弹式副枪技术控制原理

投弹式副枪技术的硬件主要由4部分组成：①数据采集电偶，用于采集钢水成分信息，并将其转换成电信号；②负责传输电信号的导线；③中间计算机，用于分析采集到的电信号，将其转换成用户可理解的数字信号，并发送到炉前操作台的二级服务器内，此外该计算机还接收二级服务器发出的指令，从而控制电偶的投放；④二级服务器，用于接收从中间计算机上传的钢水信息以及向中间计算机发出指令，从而间接控制电偶的投放。

如图1所示，在冶炼过程中，当操作人员在二级服务器发出投放指令后，该二级服务器会将指令发送到中间计算机，中间计算机会根据指令控制设备向转炉内投入一个尾部连接着一根数据传输线（近年来，已经开发出无线热电偶）的电偶。电偶可以穿透渣层，插入钢水几十厘米的深度，开始检测钢水的温度以及碳、氧、磷含量，检测周期为50ms，并以电信号的形式沿数据传输线向中间计算机发送。热电偶和数据传输线均能够在钢水中浸泡8秒钟以上，能够保证在被烧毁之前，将准确、稳定的电信号发送给中间计算机。中间计算机会将电信号转换成为钢水的温度以及碳、氧、磷含量的数字信号，并发送给二级服务器，最终将钢水信息传递给现场操作人员。

1.3 投弹式副枪技术的特点

烟气分析、机械式副枪和投弹式副枪三种控制方式的特点比较见表1：

从表1的对比可知，投弹式副枪具有安装方便、维护成本低、占地面积小的特点，适用于安装在120t以下的中小型转炉。由于我国目前绝大部分的钢铁厂家所使用的转炉仍然是120t以下的中小型转炉，因此，投弹式副枪技术在我国会有巨大的使用空间。

表1 烟气分析、机械式副枪和投弹式副枪三种控制方式的特点对比

2.投弹式副枪技术在杭钢炼钢厂的硬件设备使用及效果

2.1 投弹式副枪技术在杭钢炼钢厂的硬件设备的使用

在杭钢安装的投弹式副枪设备被设计在4#转炉的下料口处，设计有2个弹仓、1个电偶连线装置以及1个抛升臂。炼钢检测用的电偶全部安在弹仓里面的传送带上，操作人员在使用投弹式副枪设备之前，需要首先向弹仓内人工安装电偶。在使用前，操作人员通过二级服务器的操作界面向硬件设备发出装弹指令。此时，弹仓内的传送带会自动向抛升臂安放1个电偶，随后电偶连线装置会自动将中间计算机的数据采集端口自动连接到电偶尾部的数据传输线上。当操作人员再次发出投弹指令后，抛升臂会迅速抬起，电偶会沿抛升臂滑下，通过下料口，在重力的作用下落入钢水中。

在最新安装的投弹式副枪设备更采用了新式的轨道车投掷设备，利用机械臂式轨道车更是可以适合任何转炉的使用，可通过任意转弯、上下的轨道车，将副枪探头送至转炉投掷口进行检测，极大地避免了某些转炉空间不足导致无法安装投弹式副枪的困扰。

新式投弹式副枪设备的装弹机构同样摒弃了原有的电机控制链条滚动的方式，而是使用了气缸压力带动机械臂运动来推动连带的探头托架向指定方向滚动1格，完全电脑切割的定位齿轮与机械臂精确地计算每1寸行程，确保了每个副枪探头都能准确落入指定位置。

新式装弹机构在安装仓储探头时，同样方便，仅需打开舱门，将探头平放在托架上即可，无需进行任何操作即可完成多大12个投弹式副枪探头的安装，同时考虑到人体工程学的因素，以此种装弹操作的方式，操作人员所使用的体能消耗最小，能够让操作人员更快速、方便，轻松的完成工作。

2.2 使用效果分析

投弹式副枪设备在杭钢炼钢厂4#转炉投用以来，现场跟踪统计了冶炼从低碳到中高碳一倒C-T-P检测结果各上千炉次，通过与现场倒炉取样测温的结果进行比较，具体统计结果如表2所示。

由于在检测过程中，是先向转炉内投入电偶，待得到反馈数据后，再倒炉进行取样测温，在此过程中，钢水会损失掉一部分的碳和热量，因此可以认为投弹式副枪所检测到的C-T-P结果与钢水实际C-T-P之间的偏差要更小一些。

通过上千炉的现场测试，投弹式副枪设备基本上可以检测出不同碳含量的钢种C-T-P，数据准确，精度范围也可以满足现场的需求。

3.杭钢自动化炼钢技术展望

投弹式副枪技术在杭钢生产现场的成功应用，也为杭钢今后的自动化炼钢发展打下了坚实的基础。依托投弹式副枪技术，杭钢可以开发出具有自主知识产权，满足自身特点的转炉终点动态控制模型，在倒炉前通过电偶反馈回来的钢水信息，自动判断当前时刻是否可以出钢。如果终点命中，则可以提示操作工直接出钢；若检测结果与目标值不符，该模型可以自动计算出尚需加入的散装料和吹氧量，并通过自动控制设备加料、吹氧或者向操作工提示，协助操作工操作两种操作方式进行钢水冶炼。另外，该模型还可以对投弹之后到转炉出钢前的钢水成分以及温度进行预报，从而实现高命中率下的不倒炉出钢，达到缩短冶炼周期，降低钢铁料消耗和脱氧合金消耗，提高杭钢转炉生产能力的目的。

表2 投弹式副枪在杭钢现场的一倒测试结果

此外，转炉方面还可以与精炼方面共享终点动态控制模型的预报结果，从而合理的安排精炼工序的生产，降低脱氧合金的消耗，并最终实现炼钢炼钢厂的数字化生产。

4.结论

（1）投弹式副枪技术具有一次性投入成本低、维护简单快捷、占地面积小、检测速度快、扩展性强等特点，非常适用于120t以下的中小型转炉使用。

（2）投弹式副枪技术对钢水成分的检测精度较高，完全能够满足炼钢现场的需求。

（3）依靠投弹式副枪技术，可以进一步开发具有自主知识产权，满足自身特点的转炉终点动态控制模型，从而实现转炉生产的计算机控制，达到高命中率下的不倒炉出钢，缩短冶炼周期，降低钢铁料消耗和脱氧合金消耗，提高杭钢转炉生产能力的目的。

(略)