一种电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统及方法与流程

本发明属于钛渣电炉冶炼自动控制技术领域，具体涉及一种电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统及方法。

背景技术：

钛是一种战略资源，含钛材料在国防和国民经济的各个部门都有广泛应用。金属钛在航空、航天、航海、医疗等方面有着重要用途；钛白粉主要应用在化工、纺织、医疗、食品等领域。我国钛资源十分丰富，已探明的钛资源9.65亿吨(以TiO₂计，以下同)，占世界钛资源的38.85％，其中目前具有经济利用价值的储量6.30亿吨，占世界同类储量的45.59％。金属钛和钛白粉的生产，均需经过含钛矿物→富钛料的富集过程，高钛渣是富钛料的主要产品形式。因此，高钛渣的生产是含钛材料制备的起点和根本。

我国从上世纪50年代开始就对电炉冶炼钛渣的工艺技术进行研究和开发，钛渣冶炼终点判断就是其中一个关键技术之一。冶炼的冶炼终点，也即钛渣品味(主要是TiO₂，FeO含量)达到生产要求的时刻。目前钛渣厂对钛渣冶炼终点的判断，主要是依据连续熔炼3h以上，用电量超过额定值，熔炼进入高电流稳定期约1h，电极位置波动较小并趋于稳定等人工经验。在实际生产和理论研究中发现，根据上述生产经验来判断冶炼终点，这和现场工人的经验及工作状态有着密切的关系，存在冶炼终点命中率低，生产稳定性差等问题。另外冶炼过程钛渣品位不合格会被考核，所以为了增加钛渣品位合格率，很多时候都要停炉取样，利用化学分析方法对其进行成分分析，从而判断冶炼是否达到冶炼终点。这一过程所需时间长、手段繁琐，严重降低钛渣生产效率。

因此，如何研制出一套能够准确、快速的判断出冶炼终点，提高生产效率、产品质量的电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统及方法，以解决现钛渣厂冶炼终点判断耗时长、手段繁琐、生产稳定性差等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统，包括用于冶炼钛渣的电炉、定氧测定装置、数据采集器和运算器：所述的定氧测定装置位于所述电炉的上方，包括定氧探头、测枪和升降驱动器；该测枪竖直设置，下端与所述定氧探头连接，上端与所述升降驱动器连接；所述升降驱动器用于带动所述的测枪在竖直方向往复运动。所述的测枪为空心管，所述的数据采集器通过设置在该空心管中的导线与所述定氧探头连接，用于收集并记录所述定氧探头测定的浓氧差电势信息和温度信息，并将其传输给所述运算器；所述运算器与所述数据采集器连接，用于计算氧势，并将其与运算器的数据库中的信息相比较，以判断冶炼终点。所述的电炉顶部设有检测导管，用以供所述定氧探头进入以完成检定。

进一步，所述的定氧探头包括耐高温砂体、用于检定浓氧差电势和温度的检测头；所述的耐高温砂体呈管状，其内部穿有导线，该所述耐高温砂体的上端设置有接插件，用于与所述测枪的下端形成可拆卸连接；所述的检测头固定在该耐高温砂体的下端。

进一步，所述的检测头包括保护套、浓氧差电势检定管和温度检定管；所述的保护套呈一端敞口的筒形，其封闭端固定在所述的耐高温砂体的下端，该筒形的开口端朝下且设置有密封层，以使该筒形内部形成保护腔；所述的浓氧差电势检定管呈密封的中空试管形，在该浓氧差电势检定管中还设置有竖直的铂丝，该铂丝的下端位于该浓氧差电势检定管的中间，其上端穿出所述的浓氧差电势检定管，并与设置在耐高温砂体中的导线连接；在所述的浓氧差电势检定管内部还填充有Cr和Cr₂O₃粉末，作为负极Cr/Cr₂O₃参比电极；所述的浓氧差电势检定管嵌在所述的密封层上，所述的浓氧差电势检定管上部位于所述的保护腔中，下部位于保护腔外；所述的温度检定管为弯曲部设置在下方的U形管，该U管的一个直管的长度大于另一个，其中较长的直管为长管，较短的直管为短管；所述长管的上端位于所述的保护腔中；所述短管的上端固定于所述的密封层中；所述的U管中设置有热电偶，该热电偶的一端从短管的管壁穿出并穿入所述的浓氧差电势检定管中，与所述的铂丝连接在一起；该热电偶的另一端从长管的顶部穿出，并与设置在耐高温砂体中的导线连接。

进一步，浓氧差电势检定管的管体为ZrO₂-CaO制成，所述的温度检定管由氮化硼制成，所述的密封层由氧化铝制成；所述的保护腔中填充有耐高温水泥。

进一步，所述的数据采集器为定氧仪表分析仪；所述的运算器为计算机。

进一步，所述的测枪外部包覆有CE纸管，以保护测枪。

一种电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断方法，该方法基于上述的电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统，包括以下步骤：

1)测定温度、浓氧差电势：在传统冶炼周期结束前1h，启动升降驱动器带动测枪沿竖直方向从检测导管降入电炉中，使检测头插入熔渣表面以下200～300mm，测定10组以上的温度、浓氧差电势信息并传输给所述的数据采集器，所述的数据采集器收集并记录所述定氧探头测定的浓氧差电势信息和温度信息并传输给所述运算器。

2)计算氧势：运算器运用钛渣氧势数学模型对接收到的各组温度、浓氧差电势信息进行连续计算以得到相应个数的钛渣氧势值，作为测定点。

3)判断冶炼终点：将步骤2)得到的测定点与数据库中存储的阀值范围比较，当至少有5个测定点连续稳定在阀值范围内时，即可判断达到冶炼终点。

进一步，步骤2)中所述的钛渣氧势数学模型的公式为：

$E=\frac{RT}{F}ln\frac{P_{O_2}^{II1/4}+P_e^{1/4}}{P_{O_2}^{I1/4}+P_e^{1/4}}$

式中，E为氧浓差电势，单位为V，由浓氧差电势检定管测得；R为气体常数，8.314J/(K·mol)；T为热力学温度，单位为K，由温度检定管测得；F为法拉第常数，96485C/mol；为待测钛渣氧分压，即钛渣氧势，无量纲；为负极Cr/Cr₂O₃参比电极氧分压，由参比电极材料决定，为一定值；Pe为电子空穴导电特征氧分压。

其中，Pe的计算式为：

lgP_e＝-73.63+0.031/T。

进一步，步骤1)所述的测定预定组数的温度、浓氧差电势信息的操作为：当电炉炉内温度为1600℃～1800℃时，测定预定组数为15组；测定时启动升降驱动器带动测枪沿竖直方向将检测头插入熔渣表面以下200～300mm并保持7s～9.5s，然后启动升降驱动器带动测枪沿竖直方向向上运动，将检测头从检测导管取出；前30min每间隔6min进行一次上述操作；30min以后，每间隔3min进行一次上述操作。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、检测准确性高。本发明以组装有定氧探头的测枪为检测手段，完成钛渣冶炼后期临近冶炼终点过程数据采集、运算、储存，从而代替人工经验来判断冶炼终点，较于传统判断方法，本发明能提高冶炼终点命中率。

2、生产稳定性好，效率高。由于本发明的系统和方法，在检测时不需要停炉断电，从而保证了生产的稳定性，也提高了生产效率；同时，本发明可以准确判断冶炼终点，能够明显缩短冶炼周期，提高钛渣生产效率。

3、安全性高。由于本发明提供的系统和检测方法不需要人工进行检测，从而避免人在高温环境下作业，提高了安全性。

附图说明

图1为电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统示意图；

图2为定氧探头的结构示意图；

图3为检测头的结构示意图；

图4为实施例1中钛渣氧势和冶炼时间的关系图；

图5为实施例2中钛渣氧势和冶炼时间的关系图。

附图中：1—电炉；2—翻转臂；3—储存室；4—测枪；5—升降驱动器；7—定氧仪表分析仪；8—定氧探头；9—检测导管；10—计算机；11—保护罩；110—密封层；111—保护腔；12—温度检定管；121—热电偶；13—耐高温砂体；14—CE纸管，15—浓氧差电势检定管；151—铂丝；16—接插件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一、一种电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统，如图1所示，包括用于冶炼钛渣的电炉1、定氧测定装置、数据采集器和运算器；所述的定氧测定装置位于所述电炉1的上方，包括定氧探头8、测枪4和升降驱动器5；该测枪4竖直设置，下端与所述定氧探头8连接，上端与所述升降驱动器5连接；所述升降驱动器5用于带动所述的测枪4在竖直方向往复运动；所述的测枪4为空心管，所述的数据采集器通过设置在该空心管中的导线与所述定氧探头8连接，用于收集并记录所述定氧探头8测定的浓氧差电势信息和温度信息，并将其传输给所述运算器；所述运算器与所述数据采集器连接，用于计算氧势，并将其与运算器的数据库中的信息相比较，以判断冶炼终点；所述的电炉1顶部设有检测导管9，用以供所述定氧探头8进入以完成检定。

所述升降驱动器5的升降距离宜控制在500mm以内，保证测枪4升降运动控制精度±10mm，这有利于精确控制定氧探头8在检测时探入熔渣的深度，从而保证检定结果的准确。所述升降驱动器5可以使用各种常规的往复运行装置，如气缸、螺旋升降仪、电液伺服控制器、曲柄连杆构等等。为进一步提高控制精度，可以采用PLC控制系统对所述升降驱动器5进行控制。

作为优化，如图2所示，所述的定氧探头8包括耐高温砂体13、用于检定浓氧差电势和温度的检测头；所述的耐高温砂体13呈管状，其内部穿有导线，该所述耐高温砂体13的上端设置有接插件16，用于与所述测枪4的下端形成可拆卸连接；所述的检测头固定在该耐高温砂体13的下端。

将定氧探头8与测枪4分分两段设计便于随时更换使用时易损坏的部分(探入钛渣中的部分)，有利于降低成本，节约维修时间。

作为优化，如图3所示，所述的检测头包括保护套、浓氧差电势检定管15和温度检定管12；所述的保护套呈一端敞口的筒形，其封闭端固定在所述的耐高温砂体13的下端，该筒形的开口端朝下且设置有密封层110，以使该筒形内部形成保护腔111。这样可以使浓氧差电势检定管15和温度检定管12的连接部分置于保护腔111中避免其与熔渣直接接触，这有利于提高其使用寿命和连接的可靠性。

所述的浓氧差电势检定管15呈密封的中空试管形，在该浓氧差电势检定管15中还设置有竖直的铂丝151，该铂丝151的下端位于该浓氧差电势检定管15的中间，其上端穿出所述的浓氧差电势检定管15，并与设置在耐高温砂体13中的导线连接；在所述的浓氧差电势检定管15内部还填充有Cr和Cr₂O₃粉末，作为负极Cr/Cr₂O₃参比电极；所述的浓氧差电势检定管15嵌在所述的密封层110上，所述的浓氧差电势检定管15上部位于所述的保护腔111中，下部位于保护腔111外。在测定时，浓氧差电势检定管15与熔融态的钛渣形成原电池结构，可以精确地检测出浓氧差电势，其检测精度可以达到2mv。

所述的温度检定管12为弯曲部设置在下方的U形管，该U管的一个直管的长度大于另一个，其中较长的直管为长管，较短的直管为短管；所述长管的上端位于所述的保护腔111中；所述短管的上端固定于所述的密封层110中；所述的U管中设置有热电偶121，该热电偶121的一端从短管的管壁穿出并穿入所述的浓氧差电势检定管15中，与所述的铂丝151连接在一起；该热电偶121的另一端从长管的顶部穿出，并与设置在耐高温砂体13中的导线连接。这是为了能够同步地测定熔融态的钛渣的温度，从而结合钛渣氧势和钛渣的温度，更加精确地判断冶炼终点，此外热电偶121的测量精度较高，可达0℃～4℃，这也有利于提高测定的准确性。

此外，在密封层110下方还设置有保护罩11，该保护罩11为上端开口的筒体，开口处与密封层110连接，用于保护浓氧差电势检定管15和温度检定管12位于密封层110下方的部分，即检测部。在检测时，取掉保护罩11，存放时将保护罩11装上，这样有利于保护浓氧差电势检定管15和温度检定管12。

作为优化，所述的浓氧差电势检定管15的管体为ZrO₂-CaO制成，所述的温度检定管12由耐高温的氮化硼材料制成，所述的密封层110由氧化铝制成；所述的保护腔111中填充有耐高温水泥。

作为优化，所述的数据采集器为定氧仪表分析仪7；所述的运算器可以采用单片机模块，也可采用计算机10；使用计算机10的优点是在计算氧势的同时，可以通过显示器直观地、同步地显示出数据和图形，便于操作人员观察和判断，而且，可以把数据库直接地安装在计算机10中，便于调整；此外，还可以通过网络将计算机10与其他设备连接，这样就可以实现各系统的连锁控制和远程操作，有利于进一步提高自动化程度。

作为优化，所述的测枪4外部包覆有CE纸管14，以提高测枪4的耐高温能力，从而延长测枪4的使用寿命。

此外，本系统还可以包括设置在测枪4和电炉1之间的定氧探头8储运装置，它包括储存室3和翻转臂2；所述的储存室3为一端开口的箱体，用于存放所述的定氧探头8；该箱体与开口相对的一端固定在铰轴上，形成可转动连接；所述的翻转臂2位于所述箱体的开口的下方，其上设置有用于夹取所述定氧探头8的夹取装置；所述的翻转臂2远离所述箱体的开口的一端固定在另一铰轴上，形成可转动连接。

使用前，翻转储存室3，将定氧探头8从储存室3倒出并置于翻转臂2上，翻转臂2上的夹取装置夹住定氧探头8，并翻转成竖直位置，启动升降驱动器5带动测枪4沿竖直方向向下运动，使定氧探头8插接上测枪4上。

二、一种电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断方法，该方法基于上述的电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统，包括以下步骤：

1)测定温度、浓氧差电势：在传统冶炼周期结束前1h，启动升降驱动器5带动测枪4沿竖直方向从检测导管9降入电炉1中，使检测头插入熔渣表面以下200～300mm，测定预定组数的温度、浓氧差电势信息并传输给所述的数据采集器，所述的数据采集器收集并记录所述定氧探头8测定的浓氧差电势信息和温度信息并传输给所述运算器；

2)计算氧势：运算器运用钛渣氧势数学模型对接收到的预定组数的温度、浓氧差电势信息进行连续计算以得到相应个数的钛渣氧势值，作为测定点；还可以同步地绘制氧势-时间趋势图，这有利于观察氧势随时间变化的情况，也有利于判断氧势是否稳定。

3)判断冶炼终点：将步骤2)得到的测定点与数据库中存储的阀值范围(阀值通常为实验室多次实验测定的平均数)比较，当至少有5个测定点连续稳定在阀值范围内时，即稳定在4.538×10^-8～7.355×10^-8pa时，即可判断达到冶炼终点。

其中：步骤2)中所述的钛渣氧势数学模型的公式为：

$E=\frac{RT}{F}ln\frac{P_{O_2}^{II1/4}+P_e^{1/4}}{P_{O_2}^{I1/4}+P_e^{1/4}}$

式中，E为氧浓差电势，单位为V，由浓氧差电势检定管测得；R为气体常数，8.314J/(K·mol)；T为热力学温度，单位为K，由温度检定管测得；F为法拉第常数，96485C/mol；为待测钛渣氧分压，即钛渣氧势，无量纲；为负极Cr/Cr₂O₃参比电极氧分压，由参比电极材料决定，为一定值；Pe为电子空穴导电特征氧分压。

Pe的计算式为：

lgP_e＝-73.63+0.031/T。

作为优化，步骤1)所述的测定预定组数的温度、浓氧差电势信息的操作为：当电炉1炉内温度为1600℃～1800℃时，测定预定组数为15组；测定时启动升降驱动器5带动测枪4沿竖直方向将检测头插入熔渣表面以下200～300mm(也可以根据测得的钛渣和铁水中氧含量差和温差来调整)并保持7s～9.5s，然后启动升降驱动器5带动测枪4沿竖直方向向上运动，将检测头从检测导管9取出；前30min每间隔6min进行一次上述操作；30min以后，每间隔3min进行一次上述操作。

钛渣冶炼时，随着冶炼的进行，FeO不断被还原成金属铁。在这个过程中，钛渣氧势、温度均随着FeO的还原而不断发生变化。当接近冶炼终点时，FeO还原达到极限，钛渣氧势慢慢趋于平稳，波动极小。即当钛渣氧势趋逐渐平稳几乎不变时，冶炼也达到冶炼终点时刻。因此，氧势可以作为判断钛渣冶炼终点的一个重要依据。上述数学模型计算由计算机10完成，计算机10每隔一段时间，自动获取定氧探头8采集得到的数据，建立数学模型，进行钛渣氧势的连续计算，并将计算结果在用户界面连续显示，指导钛渣冶炼工进行冶炼终点判断，缩短冶炼时间30min左右，提高了生产效率，降低成本。

三、实施例

实施例1

采以上述电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统及方法来判断85型钛渣电炉冶炼终点：

主要原料(钛精矿)化学成分的质量百分比为47.09％TiO₂，34.64％FeO，5.89％MgO，3.53％SiO₂，1.57％CaO，1.7％Al₂O₃，5.52％Fe₂O₃，钛精矿粒度的质量百分比构成为：大于0.074mm约占4.77％，0.074～0.045mm约占37.98％，小于0.045mm约占57.25％；将上述钛精矿与焦粉和沥青按质量比100：11：7混合均匀，压球，在105℃下干燥4h后加入电炉内并捣实；通过机械装置降下石墨电极，通电。冶炼时间控制在150min左右，波动为120min～180min；

1)在传统冶炼周期结束前1h，当电炉炉内温度为1600℃～1800℃时，测定预定组数为15组；测定时启动升降驱动器5带动测枪4沿竖直方向将检测头插入熔渣表面以下200～300mm并保持7s～9.5s，然后启动升降驱动器5带动测枪4沿竖直方向向上运动，将检测头从检测导管9取出；

前30min每间隔6min进行一次上述操作；30min以后，每间隔3min进行一次上述操作。

2)运算器运用钛渣氧势数学模型对接收到的预定组数的温度、浓氧差电势信息进行连续计算以得到相应个数的钛渣氧势值，作为测定点；计算机10同步地绘制氧势-时间趋势图，并在用户界面连续显示钛渣氧势、温度的相关参数或趋势图，如图4所示；

3)将步骤2)得到的测定点与数据库中存储的阀值范围(4.538×10^-8～7.355×10^-8pa)比较，从图4可以看出，第八个数据点以后氧势稳定在4.557×10^-8pa左右不变，从而判断冶炼达到冶炼终点。

4)停止电炉冶炼，倒出铁水和钛渣，进行后续冶炼操作。

将上述冶炼之后的终渣进行化学成分分析，结果显示TiO₂，Ti₂O3总含量约为84.79％，可见本发明电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统及方法能够准确、快速的判断冶炼终点，从而得到生产所需产品。

实施例2

采以上述电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统及方法来判断74型钛渣电炉冶炼终点：

主要原料(钛精矿)化学成分的质量百分比为46.82％TiO₂，34.52％FeO，5.66％MgO，3.23％SiO₂，0.842％CaO，1.0％Al₂O₃，6.10％Fe₂O₃，钛精矿粒度的质量百分比构成为：+0.084mm约3.77％，0.084～0.042mm约35.98％，-0.042mm约60.25％；将上述钛精矿与焦粉和沥青按质量比100：11：7混合均匀，压球，在105℃下干燥4h后加入电炉内并捣实；通过机械装置降下石墨电极，通电。冶炼时间控制在150min左右，波动为120min～180min；

1)在传统冶炼周期结束前1h，当电炉炉内温度为1600℃～1800℃时，测定预定组数为15组；测定时启动升降驱动器5带动测枪4沿竖直方向将检测头插入熔渣表面以下200～300mm并保持7s～9.5s，然后启动升降驱动器5带动测枪4沿竖直方向向上运动，将检测头从检测导管9取出；

前30min每间隔6min进行一次上述操作；30min以后，每间隔3min进行一次上述操作。

2)运算器运用钛渣氧势数学模型对接收到的预定组数的温度、浓氧差电势信息进行连续计算以得到相应个数的钛渣氧势值，作为测定点；计算机10同步地绘制氧势-时间趋势图，并在用户界面连续显示钛渣氧势、温度的相关参数或趋势图，如图5所示；

3)将步骤2)得到的测定点与数据库中存储的阀值范围(4.538×10^-8～7.355×10^-8pa)比较，从图5可以看出，第十个数据点以后氧势稳定在6.775×10^-8pa左右不变，从而判断冶炼达到冶炼终点。

4)停止电炉冶炼，倒出铁水和钛渣，进行后续冶炼操作。

将上述冶炼之后的终渣进行化学成分分析，结果显示TiO₂、Ti₂O₃总含量约为73.79％，可见本发明电炉冶炼钛渣的冶炼终点判断系统及方法能够准确、快速的判断冶炼终点，从而得到生产所需产品。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。