AOD转炉自动化过程控制

张燕连

摘要：AOD炉主要应用在铁合金的炉外精炼上，AOD炉可利用较为廉价的原料（如高碳铬铁等），冶炼優质铁合金时，其成本会大大降低，节约资源;工艺操作简单，在冶炼铬铁合金时，铬的回收率高达约97%，国内外铁合金总产量中有70%以上是通过AOD炉冶炼出。本文依据具体工程实践，详细介绍了AOD炉主要的检测与控制系统的设计和PLC监控系统的设计，为AOD转炉的设计和应用提供了工程设计经验。

一、AOD炉概述

我国冶炼低碳铬铁的工艺分为传统三步法和氩氧吹炼法（AOD炉）。传统的冶炼工艺是根据硅和氧的结合能力大于碳和氧的结合能力，通过硅铁去还原铬矿中的Cr2O3，实现脱除铬铁产品中的碳含量，最终完成对中低铬铁产品质量的控制。

AOD炉主要应用在铁合金的炉外精炼上，国内外铁合金总产量中有70%以上是通过AOD炉冶炼出。AOD炉可以有一台电炉和一台AOD炉进行双联操作。首先通过电炉将高碳铬铁熔化，同时将主要质量指标铬等的元素含量处理至铁合金的控制标准内，而其中的碳含量一般控制在1.0%以内，因此，AOD工艺的原料可选择较廉价的高碳铬铁。高碳铬铁在电炉熔化后，此时，提高炉度至1600～1650℃，进行换渣脱硫处理，然后通过钢包转移到AOD炉，进行AOD炉冶炼。在AOD炉中，顶枪吹送氧气、侧枪吹送一定比例的氩氧混合气体，开始高碳铁水吹炼。顶枪吹送氧气的主要作用是与高碳铁水中的碳反应，从而实现铁水脱碳。侧吹惰性气体氩气在AOD炉中有两个作用：降低炉内气体中CO的分压，促进脱碳;其次对熔液中的铬与氧气的反应起抑制作用，完成低碳铬铁合金的脱碳保铬。

二、AOD炉工艺系统

（1）吹炼期侧壁喷吹系统：

在喷吹过程中，侧壁喷吹系统通过安装在侧壁的风口向转炉熔池中喷入工艺和惰性气体。每个风口由两个环形喷嘴组成，内侧喷嘴用于工艺和惰性气体，外侧环形喷嘴用于冷却。工艺气体为氧气，惰性气体为氮气和氩气，冷却气体为氮气和氩气。在通常情况下，氮气作为冷却气体，如果氮气故障，氩气会自动开启。

侧吹氧气设置1个流量调节回路，氮气、氩气共用1个流量调节回路，氧气、氮气、氩气汇总后，分支为若干支路送入炉体喷吹风口。

（2）吹炼期喷枪喷吹和喷枪提升系统：

喷枪喷吹系统通过一个喷枪向熔池上方的规定距离进行氧气的喷吹脱碳和氮气溅渣护炉。

喷枪固定在一个喷枪车上，喷枪车沿着垂直安装的导轨运行。喷枪提升系统有一个提升驱动，提升驱动由一个变频控制的鼠笼型电机组成（VVVF/矢量控制）。

（3）还原期侧吹系统

还原期侧吹阀站氮气/氩气/无油无水压缩空气与顶枪用、吹炼期侧吹用氮气/氩气/无油无水压缩空气共用总管，从总管分出1根支管至独立气体阀站，阀站分为6根支管，每根支管都设有流量调节回路，以精确调节每根支管的流量。

（4）喷枪冷却系统：

顶部喷枪的冷却水回路安装在靠近氧枪和冷却水软管平台上，供给喷枪冷却水回路的冷却水来自水泵站。喷枪冷却水系统配有监测冷却水系统的“泄露监测系统”，主要功能是当喷枪发生泄露时，通知操作员，使操作员在钢包出钢时防止水进入。

（5）转炉倾动系统：

转炉配有一个倾动系统，包括一个齿轮箱润滑系统。一个额外的液压系统用于锁定转炉。在工艺阶段之外，转炉可以进行手动操作，配有一个气动电机用于应急倾动。

三、AOD_L转炉冶炼工艺步骤

（1）准备阶段：当前炉次出钢结束，读入本炉炉次布告，装入不锈钢母液，启动模型预测计算。计算本炉次吹炼所需的原副料的种类数量并启用这些料批。L1将材料投料实际发送给L2，根据L1送来的测量数据起动模型，模型动态计算预定的侧吹气体的种类及数量;操作工可以根据需要对各种计算值进行人工修正。AOD炉L2将母液装入等运转状况发送给L3和连铸L2计算机等。

（2）吹炼阶段：吹炼开始按选定的吹炼数据，对氧枪位置，吹氧流量、惰性气体、侧吹惰性气体以及原副料的种类和数量等进行自动运转控制。当各原副料投放后，起动预测计算模型进行修正;在收到定周期测量值后，起动动态计算，计算氧枪氧流量、惰性气体以及侧吹惰性气体种类和流量。计算剩余处理时间，进行自动停吹判别。一旦实时推算出钢水温度和碳含量达到停吹范围，计算机向基础自动化发出停吹指令;AOD炉L2将吹炼运转状况发送给L3和连铸L2计算机等。

此阶段，顶枪主要吹送氧气，主要用于脱碳。侧吹吹入混合气体（氩气和氧气），惰性气体氩气不参与炉内的化学反应，但会减低炉内CO分压力且产生的搅拌作用，抑制了熔池中铬被氧化，从而可以达到脱碳保铬。随着侧吹气体的不断进行，在铁水内的氩气的分压慢慢增大，当PCO + PAr>1标准大气压时，氩气开始溢出，铁水中的脱碳反应会持续进行，直到C含量<0.004%。

在吹炼前期，铁水含碳量高，通过顶枪吹送的氧气快速脱碳。顶吹氧气的速度较快，枪口处的氧气会形成高速气流柱，会对熔池表面冲击成一个气流坑，这样，增加了氧气和铁水的接触面积，因此，碳和氧气迅速反应。同时氧气会大量吸附在表面的气流坑山上，与部分铬发生氧化反应生成Cr2O3。这部分Cr2O3会随着铁水的搅动被卷入炉渣中，造成一部分铬元素的损耗。此外气流坑处的氧气较多，也会与铁水中的[C]、[Cr]、[Fe]、[Si]等元素发生反应。此时，发生在熔池内的主要化学反应如下：

[C]+ [O]=CO （1-1）

2[Cr]+ 3[O]= Cr2O3 （1-2）

[Si]+ 2[O]= Si O2 （1-3）

[Fe]+ [O]= FeO （1-4）

在吹炼前期阶段，熔池温度不高，被炉渣卷入铁水中的Cr2O3基本不与铁水中的[C]反应。单冶炼进行了一段时间，由于碳的氧化反应会释放出大量的热，造成炉内温度升高，Cr2O3和[C]开始发生着剧烈的化学反应。化学反应式为：

[Cr2O3]+3[C]=2[Cr]+3CO （1-5）

吹煉进入低碳阶段，熔液中[Si]基本被完全氧化。由侧枪吹入的O2和Ar混合气体，其中O2分别与铁水中的[C]、[Cr]、[Fe]等发生反应，惰性气体Ar由下到上对熔液进行搅拌并在溢出时带走铁水中部分杂质。由于氧化反应会释放大量热能，使得熔液温度持续增高。此时[C]开始与Cr2O3发生还原反应，生成CO气体，进一步减低了碳含量。在吹炼阶段中，AOD炉内的化学反应主要是碳和铬之间结合氧气强弱反应。此外，侧枪会按冶炼阶段比例吹送氧氩混合气体，控制熔池内冶炼温度，促进脱碳保铬的进行。在低碳期，大部分的冶炼反应是在铁水和气泡表面进行的，其化学反应为：

[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）还原阶段：吹止后，投入还原剂进行铬的还原，起动预测计算模型进行修正。在收到周期测量值和实验室的数据后，模型起动动态计算，计算侧吹惰性气体种类和流量。还原后，根据模型计算的结果，进行合金调整，完成后，转炉将进行出钢处理。将出钢开始等运转状况发送给L3和连铸L2计算机等。

（4）出钢处理完成后，操作工将根据需要进行钢包吹氩处理，使钢包钢水达到温度均匀，杂质上浮的效果。L2计算机接受L1发送的生产实绩并将生产实绩、炉次分派等运转状况发送给L3计算机。

四、AOD_L转炉基础级控制系统架构

基础级控制系统包括另个部分，PLC和HMI（即操作员站）。所有的现场电气和仪表装置都与PLC系统的I/O模块连接，I/O模块以远程I/O站的方式设置，远程站与CPU通过PROFIBUS-DP或者PROFINET通讯，这样可以节约大量接线电缆和施工费用。

CPU采用西门子S7-400系列CPU，喷吹/倾动系统设置1台CPU，下挂的远程I/O站有：氧枪冷却系统远程站，氧气阀站远程站，惰性气体远程阀站（即侧吹气体阀站），倾动驱动远程站。喷吹安全系统设置1台CPU。倾动安全系统设置1台CPU。加料系统设置1台CPU。共设置4台CPU，CPU通过以太网接入1台交换机。远程I/O站使用西门子ET200M或者ET200S系列模块。如果用ET200M，PLC柜内需要设置I/O端子排;如果使用ET200S，PLC柜内不需要额外设置I/O端子排，现场电缆可直接接入ET200S模块。

1台AOD转炉共设置2个操作员站，2台操作员站可以同时控制和监测整个设备，操作员站通过以太网也接入这台交换机。当其中1台操作员站故障时，另1台操作员站也能监控，保证工艺连续控制的高可靠性。

操作员站使用西门子WINCC过程控制系统，这套系统是一套先进的监控与数据采集系统，支持PLC并能够在微软Windows操作系统运行。

五、AOD_L转炉冶炼优点

应用AOD炉冶炼铬铁合金有以下优点：

（1）AOD炉冶炼可利用较为廉价的原料（如高碳铬铁等），冶炼优质铁合金时，其成本会大大降低，节约资源。

（2）AOD炉的双联操作提高了电炉的实际生产能力，相当于两台电炉冶炼，节约能源。

（3）AOD炉工艺操作简单，在冶炼铬铁合金时，铬的回收率高达约97%。

（4）侧吹氩气的强搅拌作用，会降低铁水中的杂质磷，硫含量，可应用铁合金脱磷技术及冶炼超低硫合金产品。

（5）铁水经AOD炉后，铁合金中的平均氧含量比单用电炉冶炼的低40%，氢含量比单用电炉冶炼低25～65%，氮含量低30%～50%。

参考文献

[1]郭军，闻昕舒，赵一鹏，等.中国铁合金行业技术进步现状及预测.铁合金，2014，，45（2）：57-64.

[2]吴燕萍 AOD设备及工艺特点[J].中国冶金，2007，17（4）：11-13.

[3]高泽平，贺道中.炉外精炼[M]. 北京：冶金工业出版社，2009.

（作者单位：中冶东方工程技术有限公司自动化所）