离子火焰检测技术在现代化RH精炼技术中的实际应用

许剑光

摘  要：近年来RH精炼技术在我国大量推广使用。伴随而生的火焰检测技术需求日趋增大且对检测准确性、技术可靠性要求越来高。该文首先介绍了各种火焰检测技术的优缺点和在RH精炼设备中的应用情况，然后重点探讨分析离子火焰检测技术的性能改进攻关过程以及笔者所在钢我厂的实践应用情况，对于国内使用类似设备的钢厂也具有一定的指导和借鉴作用。

关键词：离子火焰检测  RH精炼应用

中图分类号：TF769   文献标识码：A            文章编号：1672-3791（2019）06（c）-0001-02

近年来以RH精炼技术为代表的德系钢铁冶炼技术在我国黑色金属冶炼生产线上应用日趋广泛。传统的检测手段仅仅依靠第三方“视角”采集火焰光、热两大物理属性作为判断依据已难以满足需求。新一代离子火焰检测技术直接从火焰内部采集离子流进行分析得出结论信号，因此可靠性和精确度更高，可完全满足现有RH精炼炉对烘烤加热功能的使用需求。

1  RH炉火焰检测的方式、原理及优缺点

常见的检测方式：（1）紫外线非接触式火焰检测。（2）离子火焰检测。下面分别介绍两种工业燃烧器常用火焰检测的性能特点。

1.1 紫外線非接触式火焰检测技术

采用电真空紫外线光电器件作为采集探头，对火焰光谱中紫外波段（UV）进行信号收集。通过采集探头转换为有效的电信号，然后通过放大处理成常规的工业开关量信号，最后送到燃烧控制器形成动作执行。

该技术的优点：（1）与火焰非接触，故不存在探头烧损现象。（2）在有效探程内准确性比较高。

该技术的缺点：（1）探头为真空玻璃器件，在火焰或熔融钢水热辐射环境下耐温差、使用寿命短。（2）炼钢现场通常扬尘较大，玻璃管表面容易被粉尘阻挡光线，造成信号衰减不稳。（3）受到检测灵敏度的影响，探头与目标无法离开足够的检测距离以便维持设备寿命。（4）在某些开放工位布置探头并且正对瞄准目标后，第三方角度的火焰光照射同样会被探头接收并形成动作，造成信号误读误判。

1.2 离子火焰检测技术

采用耐高温材料制成采集探针直接插入火焰，采集火焰燃烧电离子信号流，并通过筛选、放大等一系列智能数码处理，变成与火焰同步产生的工业干接点信号，送到燃烧控制器形成动作执行。

在实际应用中可制成RH炉顶枪离子火检点火器、钢包（中包）预热烘烤离子火检点火器、钢坯连铸火切节能点火套件等设备。其中RH炉顶枪离子火检点火器具体结构如图1所示。

该技术的优点：（1）与火焰直接接触准确性高。（2）灵敏度高。管道内火焰强度达到20%就可以检测到稳定的离子信号。（3）整体点火设备耐温指标大幅度提高。（4）探测过程不受第三方火焰或附近熔融钢水干扰。

该技术的缺点：（1）探针与火焰长期接触有一定程度的烧损。（2）火焰受到燃气的气压波动以及钢水湍流的造成相位的变化会造成输出信号不稳定。

综上所述：离子火焰检测需要附加火焰相位跟踪电路，且进一步提高电极材料的耐高温性能就可以做成稳定和耐用的工业火焰检测控制设备。

2  离子火焰检测技术的改进研究情况

在该厂某工位RH顶枪设备火焰检测设备改造项目中，通过在相关工位引入离子火焰检测技术相关产品进行实验性应用，以提升生产安全性以及操作便捷性。

2.1 RH顶枪设备火焰检测设备存在的问题

该工位1#RH顶枪火检长期不稳定，无法提供可靠的火焰检测信号，现场作业人员无法如实判断火焰燃烧状态，长期受到技术困扰，故被迫对火检功能实施短接处理。现场处于无火焰检测、无火焰控制、无安全防护状态，存在严重安全隐患。面对这些严重影响生产的因素，笔者牵头与点火器的专业生产厂家技术人员联合分析、认真研究，总结出如下几点。

（1）点火成功率低。

因为当时总设计方（澳钢联）照搬欧洲发达国家的燃烧介质总体数据进行配套设计，未考虑笔者所在钢厂燃烧介质压力存在较大波动等实际情况，导致时有点火失败的现象。另外该成套全自动化设备操作流程已经固化配置，未有相应人工介入备份通道，点火环节一旦失灵，将会导致漏洞传递及漏洞放大现象，不可控因素进一步指向生产安全事故。

（2）火焰检测功能不稳定。

前期澳钢联总体设计这类大型的炼钢成套设备技术侧重点在于机械部分。同期国际（集成电路）离子火焰检测技术背景单薄，故直接采用场效应管来放大离子级弱信号，对环境温度的反应过于敏感，造成离子火焰检测极其不稳定。

（3）管道电极设计缺陷。

由于该设备主体采用了超大身径比管道结构（管身长9050mm，管道内径30mm），在这样极端比例下点火电弧用的高压（12000V峰峰值）电流长距离输送不能有任何的额外放电打火现象，否则前部点火区域将不再有供电用以打火。这对设计以及制造工艺要求非常高。最早某些制造商采用一根整长的耐高温细钢丝作为输送体，由于热胀冷缩，钢丝在某随机区域弯曲变形横向鼓出，造成与管壁过度接近以致高压放电，前部无法正常打火工作。后期杜拉格委托国际知名的点火设备制造商——海格文把这整长钢丝改成分段过桥方式，即把原来的9050mm长的整根钢丝改成3根3000mm左右的通过缓冲桥接来克服整根长钢丝因热胀冷缩带来的弊端。但是引来了新的矛盾：桥接部位电通性能降低，设备整体可靠性依然不高。

（4）管道弱信号接触不良。

离子火焰检测需要采集火焰在一定的电位差电场作用下产生的电离信号。该信号属于弱信号（UA级）。该路输送与点火高压平行通过上述3段过桥桥接器。点火电流使用高压电，矛盾可以忽略。火焰检测使用离子级别的信号电，这个问题便上升为主要矛盾。多次实际测试，3段过桥桥接部位产生了电阻率。根据欧姆定律推导：电势能越弱导体的电阻相对越大，所以在火检信号通过3段过桥的时经常会信号时断时续，造成火检信号不可靠，设备整体性能不稳定。