不锈钢是指一系列在空气、水，盐等水溶液、酸以及其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢种，历史上当钢中铬含量超过12%时，在大气中基本不生锈，所以习惯上将铬（Cr）含量超过12%的钢种统称为不锈钢[1]。由于不锈钢具有优异的性能，在特种行业有广泛的应用，所以不锈钢产业是十分重要的产业。进入21世纪以来，中国的不锈钢产业取得了长足的进步，2000年，中国不锈钢产量只占全球不锈钢产量的3%；到2015年，全球不锈钢产量为4155万吨，而中国不锈钢产量达到2156万吨，占到了全球产量的51.9%[2]，如图1所示。

  

图1 2015年全球各地区不锈钢产量占比

不锈钢产量的增长带来了大量的返回料，按照国际通行钢制品20年的生命周期，我国已经进入废钢回收期。为了充分回收不锈钢中的铬、镍（Ni）等贵金属，电炉需要进行返回吹氧法（以下简称返吹法）冶炼不锈钢。本文根据“降碳保铬”的热力学原理，通过单片机、钨铼热电偶、模数转换器等部件，设计了用于电弧炉的返回吹氧法吹氧终点自动控制系统[3]。在15 T电炉上进行试验后，终点铬收得率提高了13.84%，冶炼时间减少了24 min，取得了良好的效果。

1 返吹法的理论基础

返吹法的理论核心是“降碳保铬”，研究发现，当钢液中Cr含量≥9%时，钢液脱碳的反应式[4]如下：

 

式中：[]——钢液中组元；

（）——炉渣中组元（下同）；

2.4.1 单片机

a（i）——元素[i]在钢液中的活度。

此外，还有多学科诊疗的住院开展形式。一是进行多学科会诊；二是定期病例讨论会，疑难病例讨论，制定特殊病例的个体化多学科综合治疗方案；三是积极举办研讨会。

智能调度系统是提升电网安全、抵御风险的重要保障。充分利用信息通信技术、大数据分析决策技术，提升电网建模和分析技术，重点研发交直流大电网智能调度、经济运行与安全防御技术。

T——开尔文温度，K。

由Van’t Hoff等温方程[5]可以推导出其实际状态的吉布斯自由能函数[6]为

 

式中：ΔG——实际状态下方程的吉布斯自由能变化，J∕mol；

PCO、Pθ——CO分压力和标准大气压力，Pa；

R——气体常数，8.314 J∕（mol·K）；

那怎么办，等还是不等？真的交给运气？比较靠谱的方法我认为是斟酌考虑，比如从车流量看路况，从差不多路线的其它公交车上猜测情况，再可凭多日坐车的经验等等来判断。

为测试ATF材料的辐照性能，评价其相对传统核燃料系统的优势，并反馈优化制备技术，该所将与中广核研究院合作，利用中国绵阳研究堆开展ATF材料的辐照考核研究。

 

式中：fi——钢液中元素素[i]的活度系数；W（i）——钢液中组元[i]的质量分数，%。

 

式中:——钢液中组元[i]对组元[j]的相互作用系数。

由于返吹法在电炉中进行，是开放的环境，所以PCO∕Po=1；在冶炼过程中，炉渣中（Cr3O4）达到饱和，所以a（Cr3O4）=1，将相关数据代入（2）式得

“海峡号”主要的特点是排水量小，操纵灵活。海上航速通常是普通货轮的2至4倍。高速航行给瞭望工作带来非常不利的影响，使得航行中不易发现的小目标都成了潜在的威胁。由于“海峡号”狭长的双片体的最前端非常细薄，遇到海上坚硬漂浮物极易受到损害。例如船舶掉落水中的油桶，集装箱或者其他物品等。台湾暴雨季节经常有很多木头从山上冲下来，漂浮在水面上，风浪大时，飘荡在波峰浪谷之间不容易被发现，威胁到船舶的航行安全。

 

为了延长热点偶的使用寿命，方便更换安装，热电偶可采用分体组装式设计[11]，外边为可独立更换的金属陶瓷保护管，具体如图5所示。

 

式（6）也叫Simkovich公式[7]，从式（6）可以看到，终点铬主要与终点碳、终点温度以及钢液所含的镍有关，镍在钢液中是不氧化元素，是由配入量决定的；随着钢液温度的升高值急剧上升，如果熔池的升温速率跟不上脱碳速率，则熔池中必然造成铬的烧损，而且恶化脱碳环境，使脱碳变得困难，所以要获得理想的终点铬含量，在终点碳一定的情况下，核心是要控制好熔池的升温速率[8]。但在传统操作中，一般还是操作人员根据经验测温取样，这样不可避免地会打断冶炼节奏，使升温速率跟不上脱碳速率，所以如何保证熔池的升温速率，是保证终点铬收得率的关键。

2 返吹法吹炼终点自动控制系统的设计

2.1 系统的设计思路

返吹法吹炼终点自动控制系统（以下简称系统）的设计思路就是基于上式（6）得出，通过将控制终点铬含量改变为对终点温度的控制，通过单片机，将式（6）写入芯片，输入目标终点碳、目标终点铬和熔清镍，单片机会自动算出终点温度，若计算温度大于电炉的最高工作温度时，系统会将温度自动调整为电炉允许使用的最高温度，当实际熔池温度达到计算温度（或最高工作温度）时，系统会发出警报，提示吹炼过程结束，这样可以减少吹炼过程中的取样次数，保证熔池的升温速率，从而提高终点铬的收得率。

2.2 系统的具体设计

系统主要有热电偶、模数转换器、单片机和数模转换器、触发器等组成，具体设计如图2所示。

  

图2 返吹法吹炼终点自动控制系统设计图

2.3 系统的工作原理

当采用返回吹氧法操作，至熔清取样后，首先输入目标碳、目标铬和熔清镍，单片机会自动计算出平衡温度（当计算温度大于电炉最高工作温度时，单片机会自动将计算温度转化为最高工作温度）。通过在电炉耐火砖中埋入热电偶3，热电偶直接接触钢水，实时地将钢水温度信号通过模数转换器2传入单片机1，随着吹炼过程的进行，温度升高。当钢水温度达到计算值时，单片机发出信号，经数模转换器4，引起触发器5工作，带动警报器发出警示，提醒操作人员吹炼过程结束。系统还设计了JTAG接口7，可以与计算机相连，为智能化操作留下升级空间，同时，单片机还接有温度显示器，可以实时显示炉内钢水的温度。

这是最精彩的乐章之一，《天工开物》“簸法”一节简约、平静的内在情愫，在小说世界里转化为如此丰富喜悦的舞蹈，由此构成小说世界里沉重甚至残酷的乡村生存的另一面，即便是日常最繁重琐细的物事，诸如磨豆桨、做豆腐、烙煎饼、打凉粉，全都化成了舞蹈音符：

2.4 重要部件的设计说明

g——气态；

ΔGθ——标准状态时反应的吉布斯自由能变化，J∕mol；

单片机1是该系统的核心，选用美国Cygnal公司生产的C8051F020系列单片机。该单片机是一款高性能的数字∕模拟混合微处理器，能在-40～85℃的工作环境下工作，其具有与8051指令完全兼容的内核，且具有丰富的外围接口和片内资源[9]，如UART串口、SPI和SMBUS等接口，为控制器外围设备并与其进行数据传输提供了方便；同时其内置4352字节的片内RAM、64 K的Flash存储器，5个通用16位定时∕计数器和一个可编程计数器。阵列采用高速8051为控制器内核，运行速度快[10]，性价比高，适用于电炉冶炼环境。

2.4.2 热电偶的选用与安装

选用钨铼热电偶W-Re5∕26，其最高测量温度达1800℃，返吹法的终点温度一般在1750℃左右，满足返吹法的最高工作温度测量。其在电炉中的安装选择的位置是在1#和2#电极之间靠出钢槽的旁侧，与出钢槽中心线的夹角为30°，高度为与出钢槽齐平，热电偶伸入钢液约为40 mm，如图3所示，在这个测温点，受吹氧的影响比较小，能较好的测量钢水的实际温度。

装有热电偶的耐火砖采用定制或自制，呈5°（方便热电偶的伸缩，防止钢水进入孔洞），在砌炉时砌入至与出钢槽齐平。热电偶可伸缩，工作时深入钢水约40 mm，不用时可取出，用卤水镁砂沥青粉将孔暂时堵住，如图4所示。

当反应达到平衡时，ΔG=0，对式（5）进行数学处理可得到下式：

没有找到工作的同学都来向李丽请教，李丽说是自己运气好，可这样的借口哪能打发得了同学们，最后李丽被缠得实在没有办法了，只好说出了自己的秘密：

  

图3 热电偶安装位置

  

图4 热电偶在耐火砖的安装示意图

  

图5 分体组装式测温热电偶结构简图

3 系统的试用及效果

本厂在15 T电炉上进行了该系统的应用试验，试验钢种为GX12CrMoWVNbN10-1-1（以下简称GX12，化学成分见表1），与传统人工操作的对比见表2。

 

表1 GX12标准化学成分规范

  

化学成分成分规范C Si Mn P S Cr Ni Mo V Al总W Nb N 1.11～0.14 0.20～0.40 0.80～1.20≤0.02≤0.019.20～10.20 0.60～0.80 0.90～1.05 0.18～0.25≤0.020.95～1.05 0.05～0.08 0.04～0.06

 

表2 传统人工操作和应用该系统的结果对比

  

操作方式传统人工控制系统钢水量∕T 12 12熔清C∕%0.153 0.161终点C∕%0.089 0.084配入C∕wt%9.5 9.5熔清Cr∕wt%7.42 7.72测温次数 取样次数6 2 6 2终点铬∕wt%4.88 6.21收得率∕%51.38 65.22冶炼时间∕min 216 192

从表2中可以看到，相较于传统的人工操作返吹法，应用自动控制系统对提高终点铬的收得率、减少测温取样次数和缩短冶炼时间方面效果明显。但生产过程中也发现系统的应用存在着一定的问题，如金属陶瓷保护管容易与炉渣粘在一起，回缩时易将炉衬损坏，影响电炉使用寿命；如果不回缩的话，装料的时候，测温热电偶处容易被炉料砸坏。系统完全应用于生产，还有很多的工作要做，我们会在实践中持续完善。

4 结语

返吹法吹炼终点自动控制系统设计简单，配件经济，如果应用于实际的冶炼操作，可以产生三方面效益。

对hsPDA组和nhsPDA组早产儿的PDA生后3 d的液体入量进行单因素分析：生后第1天、第2天、第3天的液体入量均与hsPDA相关联，两组差异均有统计意义(P<0.05)。

（1）由于升温速率较常规操作更有保证，终点铬的收得率能较目前的操作提高5%以上，减少昂贵的微碳铬铁的加入量，产生合金效益。

（2）由于减少了吹炼过程中的取样测温工作，能减轻工人的操作强度，同时系统具有JTAG扩展口，可以与计算机相连，方便以后的计算机智能控制。

在2015年联合国气候峰会上联合国可持续发展目标（SDG）的签署为全球政策和市场治理翻开新的篇章，气候变化、排放达峰、绿色增长等议题已经成为了全世界的共识，世界的政策驱动点已经从纯粹的经济利益到了一个需整合经济、环境和社会利益为一体的可持续性发展时代。虽然全球政府、商界和社会都在呼吁真正的行动，但气候变化问题日渐严峻，而世界依旧缺乏一个有效的全生态性的机制来应对气候变化等环境问题。

（3）系统的测温热电偶在实际使用中容易与炉渣粘在一起，回缩时容易损坏炉衬，影响电炉使用寿命，如果不回缩，热电偶容易在装料时被炉料砸坏，影响使用系统完全应用于实践，这些还有待完善。

参考文献：

[1]肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].2版.北京：冶金工业出版社，2006：1-2.

[2]王兴艳.世界不锈钢产业发展及对我国的启示[J].冶金经济与管理，2016（05）：43-45.

[3]黄飞.一种不锈钢返吹法吹氧终点智能控制系统：中国，ZL201620525711.5[P].2016-12-07.

[4]黄希祜.钢铁冶金原理[M].4版.北京：冶金工业出版社，2014：492-495.

[5]王海荣.“物理化学”中3个方程的关联探析[J].河南教育学院学报，2010，19（01）：57-58.

[6]陈聪.选择性氧化在不锈钢去碳保铬中的应用[J].科技情报开发与经济，2005，15（07）：150-151.

[7]田建英.1Cr18Ni9Ti钢连铸生产工艺优化研究[D].西安：西安建筑科技大学，2002：14-16.

[8]黄飞.返回吹氧法冶炼GX12CrMoWVNbN10-1-1的生产实践与分析[J].上海电气技术，2017（01）：44-48.

[9]刘青青，朱清芳.基于C8051F020单片机的数据采集电路设计[J].现代电子技术，2012，35（09）：135-137.

[10]王佳顺，陆小龙，赵世平.基于C8051F020的高精度电感传感器信号采集模块[J].电子测量技术，2015，38（03）：104-107.

[11]徐红，周汉香，茅洪祥，等.中间包钢水的连续测温技术[J].炼钢，1999，15（05）：61-63.