CN101463408A - 氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法，建立终点碳及终点温度控制数学模型，达到了控制的最佳效果。建模步骤为：(a)从基础自动化级中读取转炉中钢水的C、Mn、Si、Cr、Ni、P化学成分以及初始炉况的温度；(b)根据数据和数学模型，利用最小二乘法依次求出反应速度常数Ki、钢液中各组分的活性系数Fi、渣液向反应时钢水中各组元的传质系数Ni、平衡常数Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂，根据工况计算出的各值写入生产过程自动化中的数据库；(c)根据模型求出反应表面单位时间的直接氧化放热；(d)根据炉内的热量衡，求出Δt时间步长内钢水温度变化及钢水中各个元素的浓度变化。本发明提高了炉龄，减少了铬的吹损，达到了除碳保铬的作用。

Description

氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法

技术领域

本发明属于生产不同钢种的冶金炉外精炼技术领域，特别涉及一种氧氩脱碳转炉(AOD)终点温度和终点碳控制方法。

背景技术

氧氩脱碳转炉(AOD)工艺的基本原理是，在常压下向钢液吹氧脱碳的同时加入氢气或氮气，降低一氧化碳分压以实现去碳保铬。AOD冶炼中，终点碳和终点温度的命中率是影响AOD冶炼的关键。只有控制好终点碳和终点温度，才能提高炉龄，减少铬的损失。

目前，大多数AOD工厂中对于终点碳控制，一般借助于经验公式进行预测，并通过取样分析加以确定，终点温度往往取决于终点碳和多次摇炉测温确定。由于不能做到通过吹气量和气体比例的调整控制，因此其自动化程度低，经验操作的因素大，容易造成工艺不稳定，不但浪费气体，而且降低了铬的回收率，炉衬损耗严重，炉龄下降。

发明内容

本发明的任务是提供一种氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法，它解决了目前AOD终点碳控制和终点温度确定的自动化程度低，容易造成工艺不稳定，不能提高铬回收率，以及不利于转炉维护的问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法，其特征在于，建立终点碳及终点温度控制数学模型，建模分为下列步骤：

(a)从基础自动化级L1中读取初始条件下AOD炉中钢水的C、Mn、Si、Cr、Ni、P化学成分以及初始炉况的温度；

(b)根据通过L1检测出的数据和生产过程自动化L2的数学模型，利用最小二乘法依次求出反应速度常数Ki、钢液中各组分的活性系数Fi、渣液向反应时钢水中各组元的传质系数Ni、平衡常数Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂，根据此时的炉况、原料成分、温度条件因素，将此工况计算出的Ki、Fi、Ni、Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂值写入L2中的数据库，如果在L2的数据库中已存有相同或相似工况，则从L2的数据库中调入，不需要重新计算；

(c)根据L2中的模型求出反应表面单位时间的直接氧化放热；

(d)根据炉内的热量衡，求出Δt时间步长内钢水温度变化及钢水中各个元素的浓度变化；

(e)根据通过L1检测出的数据和L2的数学模型，利用最小二乘法依次求出钢水诸成分的传质速率J，并且存入L2数据库中，以备以后调用；

(f)求出Δt步长后钢液各组元的浓度值，此时由人机界面监控，当达到目标值时，则该生产过程结束。

本发明利用氩氧在不锈钢中溶解和脱离的理论、数值分析中最小二乘法理论、冶金物化理论以及大量数据，建立了终点碳及终点温度控制数学模型，通过调整O₂、Ar、N₂气比例控制碳的最终浓度和最终温度，达到了控制的最佳效果。在冶炼过程中，每一时间点上，通过模型计算寻找一个能使温度保持一定值的条件及成本最低的氩气和氧气的配比和流量。按本发明的控制方法，大大地提高了AOD的炉龄，减少了铬的吹损，所建模型的可移植性强。

本发明的生产控制主要分为基础自动化级L1和生产过程自动化L2两部分。基础自动化级L1主要实现对设备的顺序控制、逻辑控制及简单的数学模型计算，并按照过程控制级的控制命令进行相关参数的闭环控制。过程控制级主要负责控制和协调生产设备能力，实现对生产的直接控制，针对生产任务下达生产目标，通过数据模型优化和控制生产过程的参数以及复杂的数学模型计算。

本发明的模型主要用在生产过程自动化L2之中，通过与基础自动化级L1的通讯联接，在钢水冶炼过程中达到了除碳保铬的作用。

具体实施方式

按本发明的一种氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法，建立终点碳及终点温度控制数学模型，建模分为下列步骤：

(a)从基础自动化级L1中读取初始条件下AOD炉中钢水的C、Mn、Si、Cr、Ni、P化学成分以及初始炉况的温度。

(b)根据通过L1检测出的数据和生产过程自动化L2的数学模型，利用最小二乘法依次求出反应速度常数Ki、钢液中各组分的活性系数Fi、渣液向反应时钢水中各组元的传质系数Ni、平衡常数Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂，根据此时的炉况、原料成分、温度条件因素，将此工况计算出的Ki、Fi、Ni、Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂值写入L2中的数据库，如果在L2的数据库中已存有相同或相似工况，则从L2的数据库中调入，不需要重新计算。

(c)根据L2中的模型求出反应表面单位时间的直接氧化放热。

(d)根据炉内的热量衡，求出Δt时间步长内钢水温度变化及钢水中各个元素的浓度变化。

(e)根据通过L1检测出的数据和L2的数学模型，利用最小二乘法依次求出钢水诸成分的传质速率J，并且存入L2数据库中，以备以后调用。

(f)求出Δt步长后钢液各组元的浓度值，此时由人机界面监控，当达到目标值时，则该生产过程结束。

本发明利用数学模型、最小二乘法以及生产实际测出的实际数据依次求出反应速度常数k_j、钢液中各组分的活性系数Fi、渣液向反应时钢水中各组元的传质系数Ni、平衡常数Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂，其数学模型分别为：

气液界面发生下列化学反应：

2C+O₂→2CO+ΔT₁

Si+O₂→SiO₂+ΔT₂

2M_n+O₂→2M_nO+ΔT₃

4Cr+3O₂→2Cr₂O₃+ΔT₄

${\mathrm{\λ}}_j=\frac{k_j{c}_j}{\mathrm{\Σ}{k}_j{c}_j}$

其中c_j为各元素摩尔浓度，ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃、ΔT₄为反应过程中自由能变化量，λ_j为被分配于j元素反应氧所占比例。

各元素的质量变化表达式为：

$S=\frac{{\mathrm{EQ}}_0}{\mathrm{F\ξ}}$

其中S为供氧速度，Q₀为吹氧气量，ζ为氧气利用率，E、F为系数。

贡献于Cr₂O₃中C、Si、Mn的传质速率的计算模型J_B为：

${\mathrm{Cr}}_i={\mathrm{Cr}}_s-A\frac{K_B}{K_{\mathrm{Cr}}}\{C_s-\frac{P_{\mathrm{BO}}{f}_{\mathrm{Cr}}^a{\mathrm{Cr}}_i^a}{K_{\mathrm{BCr}}{d}_{\mathrm{BO}}^e{f}_B}\}$

$B=\frac{P_{\mathrm{BO}}{f}_{\mathrm{Cr}}^a{\mathrm{Cr}}^a}{K_{\mathrm{BCr}}{d}_{\mathrm{BO}}^e{f}_B}$

J_B＝K_C[C_s-B]

其中B代表C、Si、Mn其中的一个元素，A、a表示系数，i表示反应界面，s表示钢水，K_BCr为平衡常数，K_C、K_Cr为传质系数，J_B为钢水中各个元素成分的传质速率。

不锈钢钢液中各成分浓度变化率为：

$\frac{W_m\mathrm{dB}}{100M_B\mathrm{dt}}=-C{\mathrm{\δ}}_{B}S-\mathrm{\Σ}\stackrel{\‾}{J_B}$

其中δ_B代表C、Si、Mn其中的一个元素反应的氧所占的比例，W_m为供钢量，M_B代表B元素的分子量，

为除了B元素以外其它元素传质速率的总和。

按本发明的控制方法，建立钢液的温度控制的数学模型，其模型为：

其中Q_i为反应表面单位时间的直接氧化放热，Q_sm为单位时间内钢渣反应所供给的热量，Q_sr为单位时间内通过炉渣表面的辐射热损失，Q_g为气体带走的热量，Q_m为炉壳对环境散热，Q_se为单位时间内加入合金的熔化热。

当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变换、变型都将落在本发明权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法，其特征在于，建立终点碳及终点温度控制数学模型，建模分为下列步骤：

(a)从基础自动化级L1中读取初始条件下AOD炉中钢水的C、Mn、Si、Cr、Ni、P化学成分以及初始炉况的温度；

(b)根据通过L1检测出的数据和生产过程自动化L2的数学模型，利用最小二乘法依次求出反应速度常数Ki、钢液中各组分的活性系数Fi、渣液向反应时钢水中各组元的传质系数Ni、平衡常数Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂，根据此时的炉况、原料成分、温度条件因素，将此工况计算出的Ki、Fi、Ni、Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂值写入L2中的数据库，如果在L2的数据库中已存有相同或相似工况，则从L2的数据库中调入，不需要重新计算；

(c)根据L2中的模型求出反应表面单位时间的直接氧化放热；

(d)根据炉内的热量衡，求出Δt时间步长内钢水温度变化及钢水中各个元素的浓度变化；

(e)根据通过L1检测出的数据和L2的数学模型，利用最小二乘法依次求出钢水诸成分的传质速率J，并且存入L2数据库中，以备以后调用；

(f)求出Δt步长后钢液各组元的浓度值，此时由人机界面监控，当达到目标值时，则该生产过程结束。

2.根据权利要求1所述的氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法，其特征在于，利用数学模型、最小二乘法以及生产实际测出的实际数据依次求出反应速度常数k_j、钢液中各组分的活性系数Fi、渣液向反应时钢水中各组元的传质系数Ni、平衡常数Kco、Kcr₂o₃、Ksio₂，其数学模型分别为：

气液界面发生下列化学反应：

2C+O₂→2CO+ΔT₁

Si+O₂→SiO₂+ΔT₂

2M_n+O₂→2M_nO+ΔT₃

4Cr+3O₂→2Cr₂O₃+ΔT₄

${\mathrm{\λ}}_j=\frac{k_j{c}_j}{\mathrm{\Σ}{k}_j{c}_j}$

其中c_j为各元素摩尔浓度，ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃、ΔT₄为反应过程中自由能变化量，λ_j为被分配于j元素反应氧所占比例；

各元素的质量变化表达式为：

$S=\frac{{\mathrm{EQ}}_0}{\mathrm{F\ξ}}$

其中S为供氧速度，Q₀为吹氧气量，ζ为氧气利用率，E、F为系数；

贡献于Cr₂O₃中C、Si、Mn的传质速率的计算模型J_B为：

${\mathrm{Cr}}_i={\mathrm{Cr}}_s-A\frac{K_B}{K_{\mathrm{Cr}}}\{C_s-\frac{P_{\mathrm{BO}}{f}_{\mathrm{Cr}}^a{\mathrm{Cr}}_i^a}{K_{\mathrm{BCr}}{d}_{\mathrm{BO}}^e{f}_B}\}$

$B=\frac{P_{\mathrm{BO}}{f}_{\mathrm{Cr}}^a{\mathrm{Cr}}^a}{K_{\mathrm{BCr}}{d}_{\mathrm{BO}}^e{f}_B}$

J_B＝K_C[C_s-B]

其中B代表C、Si、Mn其中的一个元素，A、a表示系数，i表示反应界面，s表示钢水，K_BCr为平衡常数，K_C、K_Cr为传质系数，J_B为钢水中各个元素成分的传质速率；

不锈钢钢液中各成分浓度变化率为：

$\frac{W_m\mathrm{dB}}{100M_B\mathrm{dt}}=-C{\mathrm{\δ}}_{B}S-\mathrm{\Σ}\stackrel{\‾}{J_B}$

其中δ_B代表C、Si、Mn其中的一个元素反应的氧所占的比例，W_m为供钢量，M_B代表B元素的分子量，

为除了B元素以外其它元素传质速率的总和。

3.根据权利要求1所述的氧氩脱碳转炉终点温度和终点碳控制方法，其特征在于，建立钢液的温度控制的数学模型，其模型为：

其中Q_i为反应表面单位时间的直接氧化放热，Q_sm为单位时间内钢渣反应所供给的热量，Q_sr为单位时间内通过炉渣表面的辐射热损失，Q_g为气体带走的热量，Q_m为炉壳对环境散热，Q_se为单位时间内加入合金的熔化热。