炼钢生产系统温降研究与控制论文

 

　　关键词：炼钢生产,温降控制,钢水质量,生产成本

 

　　在炼钢过程中，温度把控对于保障钢水质量、稳定生产及降低成本起着重要的作用。在铁水运输、钢包转运及转炉冶炼等具体环节中，钢水温度降低现象较为常见。若钢水温度下降速度过快，将对钢水的化学构成与物理特性造成不良影响，如冶炼工作效率降低，能源消耗和生产成本的增加。

 

 

　　炼钢流程涵盖多个操作工序，不同工序对钢水温度有不同的要求。适当的钢水温度可保证转炉、连铸等工序实现高效运作，优化钢水的化学组成及钢坯内部结构，进而提升产品质量。温度管控情况的好坏，直接关系到冶炼反应的速度、钢水的脱氧效果及合金的回收率［1］。在钢铁生产企业中，保障一个合理的温度控制体系，能够减少冶炼进程中不稳定状况的出现概率，防止温度变动幅度过大造成生产中断。钢水温度下降太快，则会引起钢水成分分布不均衡，造成冶炼效率降低，对后续的连铸环节产生不良影响。温度太低的钢水浇铸过程将无法顺利进行，铸坯会产生质量缺陷并对产品的性能造成影响［2］。钢水温度太高会使氧化反应加剧，钢中的含氧量上升，增加合金和脱氧剂的消耗量，从而导致生产成本增加，并且还会加快耐材损耗，缩短转炉、钢包等设备的使用寿命。

 

 

　　2.1铁水运输过程中的温降影响

 

　　在铁水运输环节中，热传导作用和外部环境因素是温度出现变化的关键影响因素。铁水和外部环境之间存有较大的温度差异，热量会借助铁水与铁水包之间的接触、容器外壁向外散热等形式快速散失。铁水运输的时长越久，热量的损失也越明显，在温度较高的情形下，温度降低的速度更为迅速［3］。依据实际测量得出的数据可知，每当铁水运输的时间增加30min，铁水的温度下降约10℃。为减少铁水包温度损失，常采用的保温办法包括使用带有盖子的铁水包、对铁水包进行预热或加热处理等。这些办法能够切实有效地减慢热量流失的速度，保持铁水在运输期间的温度稳定。

 

　　2.2钢包在炼钢中的作用与温降控制

 

　　当钢水从转炉注入钢包后，温度会逐步降低，这一现象的主要影响因素包括钢水与钢包内壁的接触状况、钢包内衬的导热能力及钢水表面热量散发等方面。根据相关统计数据，钢包包壁散热在钢包总体热损失中所占比例约40%～50%。钢包一般会采用加盖保温技术及增加保温层等手段降低温度损耗［4］。采用纳米复合材料，使新型高热隔离特性的耐火材料应用于钢包内衬中，能有效地降低钢包内部的热量损失，钢包温度的下降速率能够降低30%~40%。

 

　　2.3炉内反应及转炉工序中的温降因素

 

　　在转炉炼钢的过程中，转炉终点温度的把控受铁水的成分、温度、装入量、炉龄，以及终点碳含量等多要素的影响。各炉之间的间隔时长、造渣材料的使用量、氧枪的位置和喷溅状况，同样对温度有着重要影响［5］。在转炉冶炼期间，向铁水中吹氧气能够把里面的有害成分去除，并释放出大量的热能。转炉的炉衬具有一定的热传导特性，炉内的热量会通过炉壁慢慢散失、温度逐步降低。随着炉衬的耐火材料慢慢老化，热量损失的情况也会增加。炉衬老化后，炉内温度会下降10~20℃。氧枪枪位控制不当或造渣材料加入时机不当会出现喷溅状况，转炉喷溅会降低反应效率，还会进一步增加热量散失。在一些特定的情形下，每次喷溅都可能使炉内温度下降超过10℃。转炉里面排放出来的气体也会带走一部分热量，进一步让温度下降的情况加剧。

 

 

　　3.1钢水质量的影响

 

　　钢水的温度长时间处于较低水平，会干扰其内部化学反应的速度，而钢水的流动特性下降，则会对冶炼效果造成不良影响。在低温条件下，钢水内部均匀程度较差，容易导致成分偏析现象，对钢水化学成分的均匀性及钢材的力学性能产生负面影响。温度偏低还会降低钢水的脱氧效果，阻碍钢水中有害元素的去除，导致产品质量下滑。例如，在进行低合金钢与高合金钢的生产作业期间，钢水温度过低会造成合金成分不均匀，钢水的化学成分不符合预先设定的标准，对最终产出产品的性能产生不利影响。

 

　　3.2炼钢成本和能源消耗的影响

 

　　温度处于较低的状态时，钢水在冶炼期间的化学反应速度会变慢，转炉吹炼时间会延长，同时还需要消耗更多的能源进行化学成分调整及脱氧工作。同时，钢水的黏稠度增大，流动性能降低，钢水在炉中的反应速率降低，设备所承受的负担加重，进一步导致冶炼时间变长、能源消耗增多，生产成本升高。

 

　　3.3设备寿命和生产效率的影响

 

　　钢水温度一旦降低就会加大转炉、钢包这类炼钢设备所承受的热负荷。耐材的损耗程度严重，其自身的使用寿命也会缩短。温度波动大时，需要频繁进行开炉和停炉操作，增加了设备的运行压力。温度不稳定还会使冶炼过程不顺畅，对钢水的流动性及冶炼效率产生影响。高温环境中冶炼反应激烈、迅速，在低温时，反应速度会有所减缓，冶炼所花费的时间就会变长，钢水处理周期延长，最终直接对产线的生产效率造成影响。长期处于温度控制不稳定状态下的设备，甚至还有可能引发意外故障或者停机降低生产效率。

 

 

　　4.1温度监测设备及其应用

 

　　现代炼钢厂一般会运用热电偶、红外测温仪及光纤温度传感器等多种类型的温度传感器。热电偶属于较为常见的一类温度传感器，被广泛应用于钢铁冶金过程中。它具备响应迅速、性能稳定、可适应高温环境等特点。其运行原理是借助两种不同材质的导体相互连接产生电动势，当温度出现改变时会引发电压变动，基于这一变动来算出温度数值。红外测温仪是借助探测目标物体的辐射能量，将其转变为温度数值的仪器。它具有非接触式测量、测量精度高、反应快捷等优势，适合用于对冶炼炉、钢水表面等高温区域实施监测。光纤温度传感器是近些年来出现的一项新技术，其具备较强的抗干扰能力，能够在极端环境下稳定运行。根据生产工艺的不同需求，不同的温度监测设备被应用于炉壁、钢包及钢水流动过程的各个关键节点，确保对温降过程的全面监控。

 

　　4.2数据采集系统的设计与优化

 

　　在炼钢过程中，温度的实时监控对保证工艺的稳定性及钢水的质量有关键作用。数据采集系统是实现监控任务的核心支撑，其主要职能在于将各类温度传感器采集到的原始温度信号，转变成为能够进行分析处理的数据，为温降的调控、工艺的优化调整提供相应的依据。传统的数据采集系统由温度传感器、信号处理单元、数据采集卡、数据存储模块及计算终端共同构成。现今的系统正逐渐朝着集成化、智能化、自动化的方向发展。不同的传感器输出的信号形式各有差异，必须统一转换成标准的格式才能够保障数据处理的精确性。所以在系统的设计环节，需要重点关注传感器与采集设备之间的适配性。在高温高压的炼钢现场，系统必须具备强大的抗干扰性能、稳定的数据传输能力，并且符合高实时性和高精度的数据采集要求。现代的数据采集系统普遍还整合了数据存储、历史追溯、异常预警等功能。近些年来所开展的优化工作，重点围绕提升数据传输的速度、提高样本采集精度、强化多传感器之间的协同能力等几个方面。运用高效的信号处理办法及数字滤波技术，能够过滤掉噪声提高数据品质。同时引入无线通信技术，可让采集系统同远程监控平台相连，实现远程实时监控和智能化管理的目标。

 

　　4.3实时温度监控与数据分析方法

 

　　实时温度监控体系须具备很强的实时特性与精确特性，并能够自动处理海量的温度相关数据。从数据分析角度来讲，常用的技术涵盖数据挖掘、机器学习及人工智能等手段，通过这些手段可以实现温度数据的走势预估、异常察觉以及故障判断。借助机器学习算法对过往的温度数据构建模型，预测炼钢进程中温度的变化走向，一旦温度变化脱离正常范畴，该系统能够即刻发出警示，避免因温度失控而引发质量、安全方面的问题。在异常察觉工作中，依据多变量统计分析办法，融合不同位置的温度数据，实现对整个炼钢流程的全面监测，及时发觉局部出现的异常起伏状况。利用大数据分析，发掘出炼钢环节中温度变动和生产效能、能源损耗等要素之间的内在联系，进而为优化生产流程、实现节能减耗提供坚实有力的支撑。

 

 

　　5.1生产管理与智能化技术的应用

 

　　在炼钢生产中，科学合理的生产管理方式可依靠精细化的调度安排和对各环节的优化控制来减少温度波动，确保各生产环节的高效运行，降低温度下降所产生的不利影响。在整个生产过程中，推行精益管理模式，依据铁水条件及实际生产过程，及时对转炉枪位和吹炼工艺做出调整，实现对炉内温度的精确把控［6］。针对每一炉钢水展开实时的监测与数据分析，依据实际情况动态地调整冶炼相关参数，减少人为因素或者设备因素所造成的温度损失。伴随智能化技术的发展与进步，自动化控制系统和物联网技术在炼钢生产中获得了广泛运用。布设温度传感器、流量计、气体分析仪等智能化装置及时获取炉内、钢包等关键位置的温度信息。借助大数据分析技术、人工智能算法，预测温度变化趋向，预先采取相应措施进行调整。利用基于物联网构建的温度监控体系能够及时传送温度信息，提升控制的精确程度。同时借助智能化手段精确把控熔炼时长、喷吹氧气的力度等各类参数，有效减缓钢水温降的速率。

 

　　5.2技术创新对温降控制的贡献

 

　　在炼钢生产系统的管控中，利用先进的冶炼工艺和配套设备能够降低钢水温降速率，进一步提升冶炼流程的效率及钢水的质量。近年来，大口径出钢技术被大量应用，大口径出钢降低了钢水在流动过程中的热量损耗。该技术能够在确保生产效率的同时，减少钢水温度的流失，为后续的连铸工艺营造更为稳定的温度条件。传统的钢包所采用的保温材料大多属于传统的耐火材料，新型纳米材料的运用，降低了包壁热量损失。纳米新材料具备较高的热隔离性能，可减少钢包的热损失。这类材料能够延长钢包的使用年限，还能够在高温环境下维持钢水温度的稳定。引入新型废气分析仪系统，实时监控冶炼过程中的气体成分变化，辅助调整炉内氧气的供应状况，优化燃烧效率。

 

　　5.3优化冶炼工艺与设备改进

 

　　在冶炼工艺方面，优化转炉吹氧工艺可以降低冶炼时长并减缓温度下降幅度。合理控制冶炼周期，妥善调节冶炼炉内的温度变化，有助于钢水在冶炼阶段维持相对平稳的温度状态。在冶炼过程中，缩短炉料的反应耗时能够提升冶炼反应效率，加快冶炼进程。科学优化铁水成分、调整温度、合理规划炉装入量、把控喷溅状况及合理运用造渣材料等措施也可以降低温度的波动幅度。在设备层面，选用高效的耐火材料、耐高温耐磨的材质，提升设备的热隔离性能。在挑选炉衬材料时，采用高性能的耐火砖和复合材料，保障炼钢过程中温度稳定性［7］。在设备优化方面，重点改进炉内气流的分布状况、吹氧系统的工作效率，优化钢水的流动性，减少钢水流动不均衡导致的温度下降过快。通过改进喷枪设计和优化吹氧方法，实现氧气在炉内的均匀分布，提高冶炼反应的速率，进而减少温度降低。

 

　　5.4连铸过程中的温控技术

 

　　在连铸工艺中，为有效减少钢水在浇注过程中的热量损失，可采用全保护浇铸技术，并不断优化水口设计与保温材料的使用。大包采用加长水口的生产方式，可减缓钢水温度下降的速率。大包加长水口能够减少钢水流动时与外界环境相接触的面积，从而减少热量的损失。中间包搭配浸入式水口的技术也是温度控制技术里面较为关键的一环。浸入式水口将水口的下部浸没在钢水中，降低钢水和空气的接触面积，减少热量的流失，降低浇铸过程中温度损失。中间包的包盖可以有效地将钢水和外界空气隔离开，维持钢水的温度稳定。运用保温材料属于常见的技术手段，能够进一步增强温度控制的效果。碳化稻壳保温技术作为一种基础的保温方式，在早期炼钢过程中就已被使用。近年来，利用现代技术对稻壳进行碳化处理后，制成的碳化稻壳材料在性能上得到了提升。其具备优良的热隔离性能，能够降低钢水在浇铸过程中的热损失。碳化稻壳的导热系数较低，因此能够增强包壳的整体保温性能，从而降低钢水温度的下降幅度。

 

 

　　综上所述，文章针对炼钢生产系统中温降情况进行了全面分析，探究了造成温降问题的原因及温降对钢水质量、生产成本、设备使用寿命造成的影响，分析了铁水运输、钢包运用、转炉工艺等多个环节中影响温降的各项要素。基于此提出了精益生产管理办法、采用大口径出钢口工艺技术、优化冶炼处理流程、推进耐材方面的创新举措及利用智能化技术与自动化控制手段等一系列温降控制办法，运用这些方法可有效降低炼钢流程中的温降状况，提高钢水的质量。

 

 

　　［1］郑传新，李泉，张弘弼.智能一键无人炼钢系统的研发与应用［J］.工业计量，2024，34（4）：66-71.

 

　　［2］鲍峰，罗辉林，柯凯.非副枪转炉智能化炼钢系统的研究及应用［J］.炼钢，2024，40（4）：21-29.

 

　　［3］王允，何水珍，杨红海.5#RH智能炼钢系统开发与应用［J］.工业加热，2024，53（4）：13-15+23.

 

　　［4］彭霞林，向往，谢森林，等.转炉智能炼钢系统的研发［J］.自动化应用，2024，65（3）：86-88.

 

　　［5］曲新鹤，胡庆祥，倪航，等.基于高温气冷堆的制氢耦合炼钢系统初步设计和能量分析［J］.清华大学学报（自然科学版），2023，63（8）：1236-1245.

 

　　［6］王启均，王昇乐，黄海，等.降低炼钢系统温降的工业实践及其举措浅谈［J］.中国金属通报，2020（9）：174-175.

 

　　［7］闫军.降低长流程炼钢系统温降的控制实践［J］.山西冶金，2020，43（3）：113-115.