康斯迪直流电炉熔池液位控制

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2022/08/18 10:51
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康斯迪直流电炉熔池液位控制

1Bath Level Management in the Consteel DC Electric Arc Furnace

康斯迪直流电炉熔池液位控制

在电弧炉(EAF)的操作中,钢水留钢量和留钢熔池液面高度是优化电炉效率的重要因素,对于康斯迪直流电炉的操作更是如此。一个新的熔池液面控制管理系统在纽柯Hertford(NSHC)应用,目标是改进的钢水液面的过程控制。使用这个系统无需额外的工艺处理时间,NSHC厂家的操作人员可以在整个康斯迪电炉冶炼过程中监控钢水液面情况,除了改善康斯迪电炉的操作控制外,还实现了显著的工艺收益。

纽柯NSHC钢厂2000年投资建设绿色钢铁项目,目前,该公司生产的中厚板厚度为在3/16英寸到4英寸之间(5~101mm),宽度在72英寸到125英寸之间(1830~3175mm),钢种有普碳钢、高强度钢、低合金高强度钢(HSLA),钢板可以进行正火、淬火和回火处理。自公司成立以来,已经对钢材生产线进行了几项改造投资,以达到目前的产品质量水平,包括:直接还原铁(DRI)处理系统,双真空罐脱气器(VTD),淬火和回火处理线,后面跟随着正火处理线。

为了给中板轧机提供铸坯,炼钢车间有一个255吨SMS直流电弧炉(EAF),变压器能够输出140兆瓦的有功功率。电炉升级改造的具体投资包括:4个分别布置的炉壁氧枪、倾动轮称重传感器、气动冶金辅料添加系统,以及一个通过上炉壳的6轴机器人来测温取样。所有这些升级改造都是为了创造一个安全、稳定、可靠的冶炼过程,能够生产出满足客户需求的钢水。电炉最近的一个改造升级是安装一个无人操作的测温系统CoreTemp。在电炉生产中,底电极阳极的平均寿命约为645炉,低于预期的炉数。怀疑低于预期炉底寿命的根本原因是钢与阳极接触时过热导致过早消耗。在这种情况下,CoreTemp项目的最初目标是通过测量不同于六轴机器人测温位置,得到比六轴测温机器人更多频次的测温数据,来表征康斯迪电炉的钢水的温度控制的均匀性。在项目早期阶段,这种方法来确定炉温控制已经足够了,通常炉内的出钢口处的钢水温度与炉门口附近的熔池温度相近。然而,在本次调查过程中,通过测量和控制留钢钢水液面高度,对于电炉的稳定运行和解决阳极过早磨损问题更为关键。本文详细讨论了如何实现这一测量,系统的使用,结果和进一步的行动。 

钮柯的康斯迪电炉冶炼

对于那些可能不熟悉康斯迪电炉的读者,Tenova的网站解释道:“康斯迪运输机不断地向电炉输送预热的金属料(废铁、生铁等),同时控制气体排放。”[1] 废钢装入到水平往复输送机上,输送机由一系列料盘和水冷盘连接起来,带着废钢朝着电炉方面前进,最终跌入到电炉内。康斯迪输送机由上料段携带废料进入“预热段”部分,废钢暴露在逆流流动的电炉一次烟气中,吸收烟气中的热量。NSHC钢厂的大部分金属料需要通过康斯迪运输机送入电炉,然而,很大一部分直接还原铁(DRI)由炉盖上方进入炉内。这两种金属料加料方式在电炉冶炼期间可以“连续的”进行。康斯迪系统的简单原理图如图1所示。                           

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图1  康斯迪电炉简图[2]

(从左至右:到精炼炉钢包和钢包车,电炉,预热段,一次烟气管路,振动输送装置,废钢加料段)

相比之下,常规顶装料电炉是利用料篮加料,废钢跨内的行车磁盘吊将废钢装入料篮内,或者使用磁盘吊将康斯迪加料段旁边堆放的废钢吊入到加料段上。废钢跨的废钢由自卸卡车装载运送,这样就知道了加入的废钢量。康斯迪这种装料方法有别于顶装料方式,对电炉冶炼操作具有很大的影响。料篮顶装料电炉基本操作的四个阶段:加料、熔炼、精炼和出钢。然而,在康斯迪电炉的操作中,加料与熔炼同时进行,冶炼操作的阶段为:加料和熔炼、精炼和出钢。康斯迪电炉操作的一个基本不同点就是大留钢量(~ 50-75%的熔炼钢水重量)在电炉内,料盘上放置的废钢通过预热段进入电炉上炉壳侧壁的开孔。在NSHC钢厂,这个上炉壳进料口称为“进料门”。NSHC的进料门位于导电横臂液压缸支撑结构的对面(译注:即2号电极的对面),电炉的出钢口位于偏心底部(EBT),与炉门相对。在NSHC钢厂的电弧炉、进料门和康斯迪连接小车的图片如图2a所示,而康斯迪电炉的剖面图如图2b所示。

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图2  (a)在纽柯钢厂的电炉、进料门和康斯迪连接小车图片,(b)康斯迪电炉的剖面图示意

在电炉开始冶炼时,废钢由连接小车水冷料盘以一定速率加入到留钢的熔池之中,降低了出钢条件下的留钢熔池钢水温度和氧气含量,熔池钢水温度降低到一个合理的操作范围,通常在2850°F到2900°F之间(1565~1593℃),降低康斯迪给进废钢速率,电极通电输入电能,不会造成钢水的“冻结”或过冷废钢加入速率和能量供应取得平衡。或者称为比能(千瓦时/吨/分钟),以保持熔池钢水稳定的温度。在此期间,气动喷射造渣材料,在整个熔炼过程中调节渣的化学成分。当加入电炉的废钢总重量接近所需的总重量时,康斯迪电炉进入“精炼”阶段。虽然向精炼阶段的转变可能不像顶装料篮熔炼那样明显,但康斯迪输送机将放慢废料的给进速度,同时继续通电和吹氧,将熔池钢水达到所需的出钢温度和氧含量。最后的出钢阶段顶装料和康斯迪电炉是一样的,出钢完成后填充出钢口,安全检查之后,又开始了下一炉钢的冶炼。

虽然前面对康斯迪电炉的操作描述看起来很优雅,但NSHC钢厂意识到,获得单位时间内均匀一致的废钢加入量理论上说的通,但是实际上很难做到。在顶装料的电炉操作中难以知晓实际废钢加入量,NSHC根据估计钢水量来进行废钢加料。NSHC钢厂出钢后一直执行安全检查,使用肉眼来估计留钢量的液面高度(留钢重量)。在电炉冶炼过程中,使用六轴机器人每隔一定时间通过喷水冷却的上炉壳的一个固定口进入进行温度测量,测量熔池温度,并将升温速率与消耗的总千瓦时能量进行比较,以对应接近总废钢量需要的平衡能量。此外,改造添加倾动轮轴压力传感器,这样在冶炼过程中可以连续测量炉内钢水重量的增长。这些工具并非精确,渣量和炉膛深度是变化的。加热速率采用均匀的废钢输送和均匀的热效率。电炉压力传感器系统称量整个电炉倾斜机构、炉内钢水、下炉壳和耐材、上炉壳、电极系统、冷却水重量等,其实称重是定性而不是精确定量。

随着NSHC钢厂在康斯迪电炉控制技术方面的进步,使用一种特定的能量平衡控制方法,这个方法在整个行业中都被证明是有价值的。为了进一步改善在NSHC钢厂运行历史数据发展起来的控制,电炉称重传感器数据和一定频数的测温数据结合,对“连续”熔池温度测量系统的兴趣变得显而易见。

当贺利氏公司推出CoreTemp无人光学测量系统时,它似乎是NSHC钢厂所需要的工具手段:

1. 其设备可以按需进行温度测量,~30秒测量一次。

2. 温度测量在冶炼该炉钢的早期就可以进行量测,那个时候钢水液面低于出钢口7英寸(178mm)。

3. 这种温度测量不占用操作工处理出钢口时间。

这种测温手段使NSHC钢厂具有几乎连续监测特定能源使用的一种手段。经过初步的学习曲线后,CoreTemp用于测量整个冶炼过程中的钢水温度变化,它能够测量从开始低温钢水到达到出钢要求的温度整个冶炼进程。熔池温度的测量证实了操作者可以使用各种工具熟练地保持熔池温度曲线,NSHC钢厂根据以前的经验认为在冶炼一炉钢的初期没有阳极过热的现象。不幸的是,这是操作人员非常了解的信息。NSHC钢厂其实不知道一炉钢冶炼时候在阳极附近确切的温度。目前在一炉钢冶炼过程中使用的评估方法提供了足够多的温度信息,知晓在冶炼一炉钢的初期熔池温度相对较冷,这就可以采取适当的措施。

也就是说,CoreTemp系统被证明是可靠的,操作人员很快就采用了它作为机器人温度测量的备用。然后贺利氏引入了熔池液位测量的概念,使用相同的光学测量系统。通过测量出钢水液面相对于出钢口的高度,熔池液位高度为NSHC的操作人员提供了一个可参考实现的目标。根据电炉操作者经验判断钢水液位,NSHC钢厂已经能够开发出一种改进的控制方法,将每一炉钢熔池液面误差控制在最低水平上。尽管超标的情况仍时有发生,但操作人员会意识到这一情况,并在一段时间内进行小的调整,在泡沫渣排除炉门口之前,底电极阳极磨损或其他降低电炉效率造成工艺延迟之前,恢复到所需的熔池液面水平高度。

正如这篇文章将要分享的,更大的留钢量会导致更高的生产率。大的留钢量可以在电炉开始启动时候加大废钢给进量,大的留钢提供了一个熔化废钢的蓄能器,废钢浸入熔池后立即通过传导和对流传热传热,迅速得到平熔池操作。[5~7] 

CoreTemp系统和液位测量基础

CoreTemp光学测量系统的概述如图3所示,它由位于操作台内的人机界面(HMI),控制单元、光芯电缆盘卷、喂丝送料器、导丝管、丝线矫直系统和入炉口组成。为了使进入电炉的入料口避免炉渣粘接,这里使用压缩空气吹扫入料口。

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图3  CoreTemp按需测量系统组件。注:人体大小仅为方便图示

(由左至右:人机界面,控制单元,光缆盘卷,喂丝机,喂丝导管,进料口,光缆矫直)

图3中的概览给出了系统组件的总图,NSHC钢厂电炉实际安装如图4所示。

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图4  (a)从出钢口角度看安装在出钢口上方的CoreTemp装置,(b)从喂丝机看CoreTemp安装在电炉偏心区上

图5显示了光纤导线穿过电炉EPT上的水冷件向下移动到空炉底部的照片。实际使用中,光纤电缆首先以快速通过电炉EBT水冷件板,然后在接近熔池液面的时候缓慢地送丝,以提高测量精度。

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图5  光缆送入电炉内

在测量过程中,当电缆由喂丝机送入电炉时,光学温度测量到一个转折急剧上升的信号,然后才达到稳定的温度平台,此转折拐点指出光缆尖端进入熔池钢水液面,并以EBT水冷盖板的热面作为0位参考值,用于确定进入电炉内到达钢水液面光缆长度。图6是光缆进入电炉测量轨迹的例子,以说明如何使用光缆来到熔池液面的距离。一旦知晓钢水液面和EBT水冷件热面之间的距离,将这个测量距离输入到公式1中,将该距离转换为钢水淹没出钢口的高度,单位为英寸。

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图6  钢水液面高度和钢水温度测量

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式中

C = 单位换算系数,

D1 = 常数,EBT水冷件热面到出钢口垂直距离(英尺),

D2 = 送入光缆至熔池液面高度的测量值(英尺)

θ = 光缆进入电炉的角度(°)。

初期的结果

如前所述,项目开始时的主要目标是确定熔池钢水是否在冶炼初期是否过热了,导致底电极阳极底部过早磨损。对整个冶炼过程中熔池的钢水液位趋势以及钢水温度均匀性进行了评估,通过炉门附近的测温机器人测得的温度与CoreTemp在出钢口测得的温度进行比较来实现的。对每个炉次的冶炼进行趋势分析,观察提出了三点意见:

1. 在大多数炉次冶炼中,熔池在整个熔化过程中的温度都是均匀的。

2. 在某些炉次冶炼中,偏心区的钢水温度高于炉门两侧的钢水温度,其他地方则更冷。

3. 在某些炉次中,存在一种趋于一致的效应,在这种情况下,冶炼开始时偏心区钢水温度比炉门口两侧钢水温度低,但在接近冶炼升温结束时,偏心区和炉门两侧的钢水温度达到了达到了平衡。

图7和图8分别给出了每种情况的例子。

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图7  在整个熔化冶炼过程中,偏心区测量(CoreTemp)和炉门渣门测量(使用热电偶的6轴机器人)之间的测量结果趋于一致

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图8  在升温冶炼结束时,在偏心区(CoreTemp)和炉门区(带有热电偶的6轴机器人)之间的测量数据趋于一致

一旦确定在一炉钢冶炼初期与阳极接触的钢水没有过热,注意力就会重新集中在确定CoreTemp系统是否能够在整个康斯迪给料过程中可靠地测量钢水液面。在概念验证研究中,根据前面描述的光学方法,熔池液位每4分钟自动测量一次,当操作员表示他们想要开始自动液位测量时,NSHC 1级系统会自动触发测量。许多炉次分析表明,在整个康斯迪电炉冶炼过程中钢水液面的测量确实是可能的,图9所示为冶炼实例。

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图9  示例炉次在整个冶炼过程中进行自动液位测量

在整个最初的研究中,操作人员都在操作一个较高的钢水液位(导致了在出钢后具有较高的留钢液位高度),因为这个条件有利于在偏心区测量整个康斯迪电炉冶炼过程中熔池液位高度和钢水温度。同时对应的是,炉底阳极底电极寿命达到了744炉,比典型的NSHC炉寿命多加热100炉左右。这样提供了证据说明过去的说法是正确的,增加留钢量增加钢水液面高度有利于增加直流电炉底电极的寿命。[8]

因此,NSHC管理层和操作人员改变了工艺流程,将最小留钢钢水液面高度定在出钢口以上20英寸,使用光纤电缆测量方法进行测量。该流程于2020年6月实施,并于2020年6月5日被NSHC操作者全面采用,初期有两个观察结果:

1. 随着控制的留钢量的增加,熔池留钢钢水液位上升,每炉钢的平均输入电能减少,这是改善了冶炼终点液面高度控制的结果。

2. 随着控制的钢水留钢量(重量)的增加,底电极的温度下降或是稳定的,这是改善了冶炼终点液面高度控制的结果。

图10显示了液位控制过程改变时对输入功率的影响。左边的柱状图显示了水平测量的利用率,而右边的时间序列图显示了平均每炉钢输入功率和空电炉重量的趋势。在两个图表上都画了一条垂直的黑线,以说明所有电炉操作团队完全采用熔池钢水液面测量方法的日期。注意:电炉空载重量是电炉快速回摇后,重新加料前测得的电炉重量。通过监控炉-炉的重量,可以了解在整个过程中炉内的留钢量是否在增加或减少。

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图10  (a)测量系统利用率水平,(b)平均输入电能曲线和电炉回摇后的电炉重量(包含留钢量)。注意:在2020年5月21日至2020年5月31日电炉回摇后的重量急剧改变,这是由于改变了称重传感器的通道。虽然这造成了平均偏移,但测压元件的分辨率保持不变

图10显示了几个有趣的点:

1. 在此电炉实施熔池液位控制之前,平均MWh/炉较高,且趋势忽上忽下波动大。

2. 电炉平均回摇空重开始以增加,比实施熔池液位控制之前的重量加大。

为了验证平均MWh/炉的变化是否有统计学意义,在a = 0.05水平上进行双样本t检验。试验结果如图11所示。合成的p值为0,表明平均MWh/炉2.47 MWh的变化具有统计学意义。这与其他研究的结果一致,即增加留钢钢水液面高度(重量)会导致电炉更低的电力消耗。

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图11  (a)统计软件分析的直方图,(b)双样本t检验输出

当观察底电极阳极导电金属棒温度,空电炉重量和平均直流电流时,了解一些另外的现象。在NSHC钢厂条件下,底电极阳极的最大上限温度为1125°F(607℃),一旦阳极达到这个温度,电炉就不能继续使用。大约在冶炼450炉后,下炉壳就要下线进行处理。针对这个现象,从图12的图中可以看出,电炉做了两个修改:

1. 增加了电炉的留钢量,因为可以测量冶炼结束时候熔池液面高度。

2. 降低平均直流电流。

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图12  (a) 底电极阳极导电管脚的最大温度图,(b)空电炉重量图(可推算留钢量)和平均直流电流图

这两种作用结合在一起,将底电极阳极的温度降低到1000°F(537℃)以下,并将底电极阳极的寿命延长了约300炉,这与Lee等人在1997年的发现是非常吻合的,特别是增加留钢液面是提高阳极寿命的典范,低输入电流也会降低底电极阳极管脚温度,从而延长底电极的寿命

扩展的试验结果

2020年12月,有足够的运行数据可以看出在康斯迪直流电弧炉中熔池液位控制实践的潜在长期影响,这一分析集中于三个主要的关键绩效指标(KPIs):

1. 石墨电极消耗。

2. 输入电炉的电能兆瓦时。

3. 底电极阳极寿命。

由于石墨电极的消耗由于样本量相对较小,在早期的结果中无法进行分析,所以它是第一个感兴趣的KPI,按月绘制电极消耗图,发现实施熔池液位控制后的电极消耗量有所下降,且趋于一致,如图13所示。

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图13  康斯迪电炉在分析期间(蓝色实线)和实施熔池液面控制后(橙色虚线)每月电极消耗图。注意:为了保持分析的正确性,不包括断电极

为了确定观察到的差异是否具有统计学意义,在a = 0.10显著性水平下进行曼惠特尼U检验,这是由于样本量相对较小且不相等,所以选择了该检验,而不是双样本t检验。试验结果和数据箱型图如图14所示。

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图14  (a)电极消耗的曼惠特尼U检验结果,(b)实施熔池液位控制前后的电极消耗箱线图。注:由于样本量相对较小且不等,因此选择非参数曼惠特尼U检验而不是双样本T检验

从图14中可以看到:

1. 有一些证据表明,电极消耗减少了0.146磅/吨钢水,在a = 0.10水平上具有统计学意义,因为得到的试验P值为0.081,小于0.10。

2. 自实施熔池液位控制以来,电极消耗月之间的波动变化下降了近3倍。

接下来,在大范围内研究了电炉输入电能MWh的变化,以了解其潜在的长期影响。从图15的直方图来看,槽位控制直方图向左平移,说明长期使用槽位控制时MWh较低。这需要用统计测试来验证。同样,由于实施熔池液位控制前后的时期在多次加热下的样本量存在显著差异,加上非正态分布,在α= 0.05水平上选择Mann-Whitney U-test。Minitab的测试输出也如图15所示。

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图15  (a) 使用熔池液面控制前后分析输入电能MWh柱状图,(b) 输入电能MWh的曼惠特尼U检验结果

p值为0,α小于0.05,曼惠特尼 U检验结果证实,输入电能MWh的观测差异为0.7 MWh,具有统计学意义。这一发现与其他关于在电弧炉中保持较大的留钢量的影响及其对单料篮电炉输入电功率正面影响的研究相一致。[6,7,9]将图15与图10和图11进行比较时,有趣的是,在较长一段炉役期间,输入电能MWh的下降并不像在第一个炉役所观察到的那样显著,当时实施了熔池液位控制。对此可以找到两个非排他性的解释。首先是熔池液面中间位置随时间的变化,如图16所示。虽然最低留钢熔池高度为20英寸,成功保持了大部分的时间,熔池液面高度按月从一个27英寸到19英寸,偏差8英寸或80吨钢水(熔池液面高度1英寸=约10吨钢水,NSHC钢厂电炉情况)。平均输入电能趋势与液面中间位置高度相反,这表明电炉大于20英寸的留钢量钢水液面高度有利于减少电能输入。其次,另一个潜在的原因可能是7月、8月、9月和10月定期的限电影响,这导致运行周期性停产,因此由于冷炉恢复运行,需要增加输入超过70MWh的电能热量。

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图16  月统计留钢液位高度的中位数。2019年9月,由于CoreTemp设备停机时间延长,被排除在分析之外

最后的KPI测试是阳极底电极的寿命。在实施液位控制后,由于市场条件和钢铁厂采取的其他措施,在达到最大使用寿命(即最大导电棒温度限制)之前,有几个底电极阳极棒被拆除,因此,很难对实施熔池液位控制前后的阳极寿命进行直接比较。然而,底电极阳极管脚的温度与生产的炉数呈对数函数关系,这与底电极阳极管脚的温度有很高的相关性,从而可以预测如果底电极阳极管脚如果没有被过早地停止使用,阳极管脚的寿命将会是多少。将数据转化为进行测试,对底电极寿命进行回归分析和预测。图17给出了使用熔池液位控制前后的每一炉役的底电极寿命,以及表1中的汇总统计数据。

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图17  阳极底部使用寿命柱状图。注:炉役1由于只有部分可用数据而被删除,炉役18由于很早下线熔炉导致数据不足而被删除

表1  阳极寿命的统计数据见图17(热数)

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图17和表1都表明,由于改进了熔池液面的控制,底电极阳极寿命可以延长。然而,这种关系是否100%相关还不清楚,因为用于确定这种关系的方法是预测模型,实际上的底电极阳极寿命尚不清楚。这并不完全出乎意料,因为项目下一阶段的目标是确定理想的留钢钢水液位高度,从而得到一个理想的开始液面高度,以最大化延长底电极阳极寿命。

在项目的最后几个月,实现了光缆测量线的另一个好处:能够测量比S型热电偶更高的温度。虽然很少,在某些特定情况下,康斯迪输送机可能出现堵塞现象,废钢未能进入炉内,此时继续供应能量造成熔池温度远超过预期操作范围2,850°F至2,900°F(1565~1593℃)。观察到其中一炉钢水温度超过3400°F(1871),用S型铂/铂铑热电偶无法测量,S型热电偶在高于3216°F(1769℃铂的熔点)时断路。[10,11] 检查这些炉次的数据,很明显,基于光纤的CoreTemp测量确实可以检测到这些更高的温度,如图18所示。

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图18  炉号为607540的钢水温度测量

未来工作

该项目的下一阶段涉及在一系列以周围时间单位,以不同的留钢钢水液面为目标来操作电炉,以确定在NSHC钢厂中的理想留钢液位高度,从而产生理想的热启动留钢量。例如:两周20英寸留钢液面高度,两周24英寸,两周28英寸。本研究的目标是确定在哪一个留钢液位高度(即开始通电时候留钢钢水液位高度)是最大的工艺收益,涉及到底电极阳极寿命、电极消耗、通电时间和输入电能MWh。在安装方面也有改进,增加了一个光缆切割器,增加切割机将提供以下好处:

1. 由于每次切割的位置都是相同的,所以在钢水液位测量之前芯线的起始位置更加的一致。

2. 减少了钢水液位测量之间的周期时间。

图19提供了该刀具的简单示意图。

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图19  安装在NSHC钢厂电炉上的光缆切割器模型(液压缸,可延伸保护管,切割头)

在撰写本文时,类似于图19所示的切割装置已经安装,并正在进行测试。为了确保切割装置能在电炉EBT上方的恶劣环境中生存,增加了大量的热屏蔽措施。图20给出了在NSHC钢厂电炉安装光缆芯线切割器和添加热屏蔽的图片。

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图20  在NSHC 钢厂康斯迪电炉EBT上方水冷板安装带光缆送丝系统的切割器

(图左侧:光缆矫直,切割头屏蔽保护,出钢口加引流砂盖板;右侧:矫直头部屏蔽保护) 

结论

到目前为止,康斯迪电炉中NSHC钢厂的熔池液位管理工作得出如下结论:

  1. 更大的留钢量有利于废钢的熔化,从而降低所需的输入电能(MWh)。减少了0.70 MWh到2.47 MWh的电能输入,取决于开始通电时候留钢液位高度(留钢量决定熔池液位高度)。

  2. 改善控制留钢液位高度(通电开始时候熔池留钢钢水液位),观察到石墨电极消耗中位值减少0.146磅/吨钢水。

  3. 有证据表明,在直流电弧炉中,在电弧炉中较大的留钢量可以延长底电极阳极的寿命。由于市场条件的原因,电炉开开听听,有时随着下炉壳提前下线得不到使用,因此这一指标很难衡量,因此在未来的工作中将对这一指标进行更深入的研究。

这与前人关于留钢量对直流电弧炉运行指标影响的研究结果一致。

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