摘要：介绍使用红外成像技术的热图像炉渣检测仪工作的基本原理及系统构成。通过分析钢包渣厚情况，找出了改进宝钢现有：300 t转炉挡渣系统的方法。

关键词：热图像；红外成像；炉渣；出钢；应用

    近10年来，刚户对高级钢特别是低磷钢的需求大大增加，如高级别管线钢、油井管钢等，这些高牌号产品对钢中磷的质量分数提出了很高的要求，常规转炉炼钢法难以实现。在宝钢股份宝钢分公司炼钢厂，为了要生产低磷、低成本和高质量的钢种，开发丁BRP工艺(Baosteel BOF Refining Process)，其转炉冶炼过程有脱磷阶段和脱碳阶段1)。转炉炼钢的问题之一是在出钢期间的转炉下渣，因为转炉渣中不稳定氧化物(如FeO、MnO)和杂质(P₂O₅)能影响钢的质量、化学成份和成本。冈而，减少转炉出钢下渣对于1个炉次巾两次出钢的BRP工艺来说尤为重要。

    数年以来，炼钢工作者已经使用和开发了不同的装置，使用诸如挡渣球和电磁感应器等来最大程度降低钢包渣。这些装置或难以维护，或效果不尽理想。常常导致操作工必须使用肉眼来观察钢流下渣情况。然而，由于烟气、灰尘等的影响操作工很难及时发现转炉出钢过程中下渣的发生。

    为此，开发使用了热图像渣检测系统(TSD系统)。该系统使用1台在长红外线(8到12个μm波长)工作的红外线(IR)摄像头，在现场监视器上可以显示红外线摄像头拍摄的实时图像给转炉倾动操作工。当出钢期间下渣时，显示画面用明显色彩改变来表示。这样可以使出钢操作工易于并能快速判断钢流中是否夹渣或是下渣。2003年12月，宝钢炼钢厂在3座300 t转炉上全部安装了AMEPA TSD系统，用于转炉炉渣下渣检测。

1  工作原理

    在TSD炉渣检测过程中，红外线传感器监测出钢钢流表面。传感器使用了在红外线的范围内熔渣的放射率较钢水高的物理原理。因此，即使钢水和熔渣有相同的温度，红外线传感器仍判定熔渣的温度较钢水高。这种原理可以检测到熔渣出现。熔渣和钢水的放射率差值越大，TSD传感器越易检测到熔渣的出现。因为大气的传输率，测量可使用3个红外线波段。图1显示了可用波段和钢水与熔渣的放射率。

图1表明，随着波长的增长，钢水和熔渣之间的放射率差值逐渐增大。因此，将波长控制在远红外线波段的TSD传感器才能可靠地监测熔渣。

2  系统构成

    为了尽可能有效适应现场环境，在远红外线波段工作的热图像传感器安装在TSD系统旁。TSD系统用复杂的数据评估算法补偿各类影响，诸如钢水温度的不同，钢种的不同，钢流情况的变化，环境温度或气候条件的变化以及会影响熔渣监测可信度的灰尘和其它影响。这些算法对于提高熔渣监测可信度是非常重要的。

    AMEPA TSD系统的构成，它主要包括主控单元、热图像传感器和外围设备等。

    热图像传感器安装在距离钢流约12 m远处，并且监测钢流表面。传感器置于带有涡流冷却且严密保护机架中。信号传感器和主控单元之间用光纤电缆联接。

    主控单元位于PLC机房。在主控单元和现场显示器上钢水用桔黄色表示，熔渣用绿色表示。

    图像处理自动追踪出钢钢流，并且计算检测到熔渣的百分比值，如果熔渣含量高于一定水平(可调节)时，将会发出报警信号。

    对于每次出钢过程，视频信号、信号趋势和特定的统计值连同炉号一起储存在数据库中。在主评估单元或从联网的办公室网络上可以直接访问此数据库以进行进一步的分析。

    现场显示器位于转炉倾动操作室。现场显示器经由光纤电缆与主控单元连接。

    在重要的系统状态信息旁边，系统显示了出钢钢流的实时状态。钢水以桔黄色显示，熔渣以绿色表示。如果熔渣含量高于特定值，系统将会产生警报，以提醒摇炉操作工抬炉。

3  系统构成使用情况与讨论

3．1  使用情况

图2显示了脱碳阶段后出钢结束时使用TSD系统的应用实例。

    图2(a)中，倾动出钢开始后0 minl6 s时，开始出现钢流，钢流颜色为红色，完全无下渣。

    图2(b)中，出钢时间2 min 34 s时，合金及辅料开始加入，可见明显的烟气、灰尘等。现场视觉条件极差。

    图2(c)中，出钢时间5 min 44 s时，钢流颜色逐渐地从红色变成黄色，熔渣指数增加。由此估计出钢钢流中的熔渣逐渐增加。

    图2(d)中，出钢时间5 min 46 s时，钢流颜色完全地由黄色变成绿色，由此估计出钢钢流由钢完全变为熔渣。玫瑰色的熔渣指数快速超过界限值，同时产生警报。

    最后，图2(e)中，出钢时问5 min 49 s时，操作工抬炉，结束出钢。

    因此，出钢钢流从钢完全转换到熔渣不超过2 s的时间，使用TSD系统检测可以帮助操作工进行判断以将下渣减到最少。

3．2  TSD系统成功率比较

    表1显示了同类生产厂的TSD系统检测下渣成功率比较情况。检测成功定义为在下渣开始时就发出了警报。

    可以看出，在宝钢300 t转炉，使用TSD系统的效果与同类厂家基本相当。

3．3  TSD系统效果与操作工目测经验判断的比较

    图3显示了出钢中有无使用TSD系统响应时间的比较。

    其中，“使用TSD”的定义为操作工出钢结束的决定是由TSD警报给出的，而“没有使用TSD”的定义为仅由操作工目测(TSD的警报被关掉)。响应时间被定义为从开始发生下渣到挡渣装置开始运动的时间。通过使用TSD系统，脱磷阶段后的平均响应时间从4．8 s减少至3．3s，脱碳阶段后的平均响应时问从3．9 s减少至2．3 s。同时，标准偏差明显下降。

    由图3可见，与操作工目测相比，TSD系统的响应时问大幅缩短，尤其是脱碳阶段后效果更为明显。脱磷阶段后的效果不及脱碳阶段后的主要原因是烟气、灰尘影响致使TSD系统的检测延迟。

3．4  脱磷阶段后回磷的比较

    有无TSD系统脱磷阶段后回磷的比较如图4所示。

    由表2可知：使用TSD系统后，钢渣中磷总量减少了19％。

3．5  熔剂消耗的比较

    渣量减少结果降低了脱碳阶段期间回磷，使降低诸如石灰、轻烧白云石等熔剂加入量成为可能。

    有无使用TSD系统脱碳阶段中不同成品磷含量的熔剂消耗的比较如表2所示。使用TSD系统，熔剂消耗减少了12％～20％。

3．6  脱碳阶段后钢包渣厚的比较

图5显示了脱碳阶段后使用TSD系统和操作工目测的钢包渣厚的比较。使用TSD系统，不仅平均渣厚从86．89 mm减少到68．50 mm，而标准偏差大体相当。钢包渣厚超过120 mm的频次也由11．66％下降为4．40％。钢包中的转炉渣常常导致真空处理和钢包炉的操作问题，但是这些问题可以通过使用TSD系统来避免。

    由于我们使用的是挡渣镖，在发现下渣的情况下其不能快速停止下渣，因此，需进一步改进。目前，挡渣系统正在计划进行改造。

3．7  Al加入量的比较

    钢包渣厚的减少可改善出钢时钢水脱氧Al的收得率。图6显示了脱碳阶段后出钢期间Al加入情况的比较，使用TSD系统，Al加入约减少了19％。

4  结  论

    在宝钢股份公司宝钢分公司炼钢厂300 t转炉安装了并使用了TSD系统，得到下列结论：

    (1)使用TSD系统，脱碳阶段后下渣检测成功率是99．3％，脱磷阶段后为88．7％；

    (2)脱磷阶段后出钢时，钢包平均渣后从86．89 mm减小到68．50 mm，标准偏差大体相当；

    (3)脱碳阶段中，使用TSD系统，尽管回磷量大体相当，熔剂消耗减少了12％～21％；

    (4)转炉脱氧Al加入量约减少了19％；

    (5)为达到更好的效果，需对宝钢现用的挡渣镖系统进行改进。

                                (宝钢股份宝钢分公司炼钢厂)