CN101592650B - 电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法，属于冶金炼钢技术领域，其利用普通气体流量计、可编程控制器(PLC)及计算机系统测定出计算碳含量的相关的参数值，并且通过数学模型进行钢水碳含量的连续计算，并在用户界面上连续显示当前钢水碳含量及计算所得的熔清样后其余各样的碳含量等相关参数，实现实时在线预报钢水碳含量。本发明方法使用方法简单，不受炉容、料情、脱碳设备配置的影响，钢水碳含量预报精度高，采用参考该方法进行电炉炼钢炉内钢水当前碳含量的判断，准确率高，且节省了炼钢时间，提高了炼钢的生产效率。

Description

电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法

技术领域

本发明涉及电炉炼钢技术，具体是运用炉内炼钢所必须的氧气、天然气等气体介质的耗用参数进行冶炼过程中钢水碳含量连续计算测定，属于冶金炼钢技术领域。

背景技术

电炉又称电弧炉，是短流程炼钢的头道工序。电炉炼钢的过程，是对加入炉内的铁水和废钢等原料，采用电极通电升温，采用炉门氧枪及多支侧壁氧枪连续吹氧和天然气的方式进行提升温度和不断降低原料中碳及其它元素含量的过程。在电炉炼钢过程中，碳、硅、磷等元素的降低速度因各自的含量而相互影响，在出钢前的冶炼终点，能否直接出钢的判断依据是钢水中的碳、磷成分含量及其温度是否满足目标要求，因此，能否准确判断冶炼过程及终点的钢水的碳含量在电炉炼钢生产中显得至关重要。

冶炼终点碳含量判断准确率提高的控制技术能加强炼钢时间的控制，缩短生产时间，减少氧气、增碳剂等生产材料的耗用量，减少钢铁料的烧损，进而提高炼钢的生产效率。目前，用于电炉炼钢钢水定碳的主要方法之一是炉内钢水取样，送化验室用专用设备对试样进行分析，测定样子中包括碳在内的各元素的含量，该方法需要人工取样、送样、制样、分析、数据网络传送等过程，需要等待较长时间，影响了电炉炼钢的生产，影响了原辅材料的消耗，且其测得的钢水碳含量的误差较大。

现有的进行钢水定碳的另一种方法是采用定碳定氧枪系统，用定碳定氧枪配好定碳定氧头后直接插入电炉炉内进行取样分析，分析速度较快，但其只适用于钢水氧含量高的情况，对碳含量中高位时无法测定，且其易损耗，入工使用难度大，使用成本高。

发明内容

本发明的主要目的是针对现有技术的不足，提供一种方便有效的连续测定电炉炼钢炉内钢水碳含量的方法，其能够较准确地预算出炼钢炉内的钢水的当前碳含量，以节省生产时间，减少氧气、增碳剂等生产材料的耗用量，减少钢铁料的烧损，提高电炉炼钢的生产效率。

为实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：一种电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将普通气体流量计安装在电炉炼钢所需的氧气、天然气等气体介质的管道上；

(2)将普通气体流量计采集的气体瞬时流量信号参数，通过可编程控制器(PLC)经工业控制网络通讯输出到计算机系统；

(3)计算机系统通过接收的气体流量参数及采集的电炉炼钢熔清样的碳含量参数，建立数学模型，进行钢水碳含量的连续计算，并在用户界面上连续显示当前钢水碳含量及计算所得的熔清样后其余各样的碳含量等相关参数。

其中，所述的步骤(3)中所用数学模型计算公式如下：

T_D＝T_R*EXP(D₁*(P_Y/10.5)*(D₂*(A_D-A_R-D₃*(C_D-C_R))+D₄*(B_D-B_R)))

其中：T_D为电炉冶炼钢水当前碳元素含量；

T_R为电炉冶炼熔清样碳元素含量；

P_Y为炉内熔清取样后直至当前时间的氧气压力平均值；

A_D为冶炼开始后直至当前时间的侧壁氧枪耗氧量；

A_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的侧壁氧枪耗氧量；

B_D为冶炼开始后直至当前时间的炉门氧枪耗氧量；

B_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的炉门氧枪耗氧量；

C_D为冶炼开始后直至当前时间的侧壁氧枪天然气消耗量；

C_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的侧壁氧枪天然气消耗量；

EXP为工业常数e的指数函数；

D₁、D₂、D₃、D₄为与脱碳速度有关的相关常数。

在具体使用中，上述的计算公式适用于快、中、慢3种速度形式，不同点在于相关的D₁取值的不同。具体的公式中所用的常数项D₁、D₂、D₃、D₄的取值分别为：①快速：D₁＝-0.001，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6；②中速：D₁＝-0.0007，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6；③慢速：D₁＝-0.00053，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6。用快、中、慢3种形式计算电炉冶炼钢水当前碳元素含量T_D时，分别的适用范围为：①快速：1.80％＞T_D≥0.60％；①中速：1.80％＞T_D≥0.60％；①慢速：1.80％＞T_D≥0.80％。

上述的电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法，其实用软件脚本编程及其使用和运行包括如下步骤：

(1)电炉炼钢开始后，脚本程序自动运行；

(2)每次取样时，炉前操作人员进行简单的确认操作；

(3)自动计算炉内熔清取样后直至当前时间的氧气压力的平均值P_Y；

(4)自动提取取熔清样时炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值1及天然气耗值1；

(5)自动提取取第2只样时炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值2及天然气耗值2；

(6)自动提取当前时间的炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值及天然气耗值；

(7)自动判断熔清样的碳含量是否小于1.80％，如果熔清样的碳含量小于该值，则用步骤(4)中的值1及其余相关值按所述公式计算当前的碳含量，并将计算出的当前碳含量值及第2只样之后所有样的碳含量计算值显示在工控画面上；如果熔清样的碳含量大于或等于该值，则用步骤(5)中的值2及其余相关值按所述公式计算当前的碳含量，并将计算出的当前碳含量值及第3只样之后所有样的碳含量计算值显示在工控画面上；

(8)电炉单炉冶炼结束时，所有的采集值及计算值复位为0。

相对于现有技术，本发明利用原有设备，通过在计算机系统的工控软件平台内编制自动运行的脚本程序，并由炉前炼钢生产操作人员进行简单操作之后，电炉炼钢炉内钢水的当前碳含量即可实时地显示在用户界面上，从而使得电炉炼钢生产操作人员对于炼钢的节奏和完成时间能够有很好的把握。经使用证明，本发明电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法使得电炉炼钢单炉冶炼时间平均缩短了1.2分钟/炉，其测定预报的炉内钢水碳含量的准确率达到90％左右，节约了氧气约150立方米/炉，节约了增碳剂约100公斤/炉，同时减少了钢铁料烧损、节省了取样器、延长了炉内耐材寿命、减轻了工人的劳动强度，进而提高了电炉炼钢的生产效率。同时，由于该方法为软件形式在计算机系统上自动运行，参考性强，使用方法简单。

附图说明

图1为本发明电炉炼钢炉炼钢的流程图；

图2为为本发明电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法的软件编程思路流程图。

具体实施方式

如图1所示，其为本发明所使用的电炉炼钢生产的流程图。其中，该电炉为由德国FUCHS公司设计制造的90T超高功率竖式电弧炉，该电弧炉通过侧壁氧枪及炉门氧枪的吹氧进行脱碳，其中侧壁氧枪使用的是RCB氧枪，RCB氧枪是集束氧枪，其工作原理是是利用周围小孔天然气与射流氧及环流氧燃烧产生的火焰对炉内废钢进行助熔。其工作氧气流量最高设计为2100Nm³/h，氧气压力设计为10～16公斤，工作天然气流量最高设计为300Nm³/h，天然气压力设计为5～6公斤。炉门氧枪氧气压力为8～12公斤，吹氧流量根据选择为2300～2700Nm³/h。炼钢炉内的碳成分来自于料包内的配碳以及铁水内的碳，一般情况下，单炉热装铁水多则碳高，热装铁水少则碳相对较低。在炉内温度达到1460℃左右时，取熔清样，生产经过一段时间后，当炉内取样碳、磷等主要元素含量达到工艺要求且温度达到1600℃左右时，即可出钢。本方法利用了电炉炼钢生产的原有设备，包括气体流量计、可编程控制器(PLC)、工业控制网络、计算机系统等。炉内取样时须炼钢生产操作人员进行简单的取样确认。

计算机系统通过接收的气体流量参数及采集的电炉炼钢熔清样的碳含量参数，建立数学模型，进行钢水碳含量的连续计算，并在用户界面上连续显示当前钢水碳含量及计算所得的熔清样后其余各样的碳含量等相关参数。

所述的数学模型计算公式如下：

T_D＝T_R*EXP(D₁*(P_Y/10.5)*(D₂*(A_D-A_R-D₃*(C_D-C_R))+D₄*(B_D-B_R)))

其中：T_D为电炉冶炼钢水当前碳元素含量；

T_R为电炉冶炼熔清样碳元素含量；

P_Y为炉内熔清取样后直至当前时间的氧气压力平均值；

A_D为冶炼开始后直至当前时间的侧壁氧枪耗氧量；

A_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的侧壁氧枪耗氧量；

B_D为冶炼开始后直至当前时间的炉门氧枪耗氧量；

B_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的炉门氧枪耗氧量；

C_D为冶炼开始后直至当前时间的侧壁氧枪天然气消耗量；

C_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的侧壁氧枪天然气消耗量；

EXP为工业常数e的指数函数；

D₁、D₂、D₃、D₄为与脱碳速度有关的相关常数。

在具体使用中，上述的计算公式分为快、中、慢3种速度的形式，不同点在于相关的D₁取值的不同。具体的公式中所用的常数项D₁、D₂、D₃、D₄的取值分别为：①快速：D₁＝-0.001，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6；②中速：D₁＝-0.0007，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6；③慢速：D₁＝-0.00053，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6。用快、中、慢3种形式计算电炉冶炼钢水当前碳元素含量T_D时，分别的适用范围为：①快速：1.80％＞T_D≥0.60％；①中速：1.80％＞T_D≥0.60％；①慢速：1.80％＞T_D≥0.80％。

上述的电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法中，通过在计算机系统内编制实用软件脚本程序而进行碳含量的自动测定，其运行包括如下步骤：

(1)电炉炼钢开始后，脚本程序自动运行；

(2)每次取样时，炉前操作人员进行简单的确认操作；

(3)自动计算炉内熔清取样后直至当前时间的氧气压力的平均值P_Y；

(4)自动提取取熔清样时炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值1及天然气耗值1；

(5)自动提取取第2只样时炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值2及天然气耗值2；

(6)自动提取当前时间的炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值及天然气耗值；

(7)自动判断熔清样的碳含量是否小于1.80％，如果熔清样的碳含量小于该值，则用步骤(4)中的值1及其余相关值按所述公式计算当前的碳含量，并将计算出的当前碳含量值及第2只样之后所有样的碳含量计算值显示在工控画面上；如果熔清样的碳含量大于或等于该值，则用步骤(5)中的值2及其余相关值按所述公式计算当前的碳含量，并将计算出的当前碳含量值及第3只样之后所有样的碳含量计算值显示在工控画面上；

(8)电炉单炉冶炼结束时，所有的采集值及计算值复位为0。

当前碳含量及样值碳含量在用户界面上显示后，电炉炼钢炉前操作人员即可对炉内钢水的当前碳含量作出准确、直观分析，提前做好出钢准备，相对提前出钢，节省了冶炼时间，减少了钢铁料的烧损及钢水的过氧化概率，节约了氧气、增碳剂、取样器等原辅材料，并相对减轻了工人的劳动强度。

以下给出一些具体实施例：

实施例1：沙钢集团润忠炼钢厂一车间90T电炉炼钢生产，2009年炉号2348炉，钢种C70DA，熔清样碳元素含量为0.82％，取熔清样时侧壁氧枪耗氧量为1823立方米，炉门氧枪耗氧量为831立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为291立方米，取第2只样也是终点样时侧壁氧枪耗氧量为2003立方米，炉门氧枪耗氧量为921立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为313立方米，实际第2只样碳含量值为0.61％，本方法计算得到的计算值为0.63％；

实施例2：沙钢集团润忠炼钢厂一车间90T电炉炼钢生产，2009年炉号2351炉，钢种C70DA，熔清样碳元素含量为1.15％，取熔清样时侧壁氧枪耗氧量为2097立方米，炉门氧枪耗氧量为1123立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为300立方米，取第2只样时侧壁氧枪耗氧量为2332立方米，炉门氧枪耗氧量为1260立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为326立方米，实际第2只样碳含量值为0.83％，本方法计算得到的计算值为0.84％；取第3只样也是终点样时侧壁氧枪耗氧量为2516立方米，炉门氧枪耗氧量为1357立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为343立方米，实际第3只样碳含量值为0.65％，本方法计算得到的计算值为0.64％；

实施例3：沙钢集团润忠炼钢厂一车间90T电炉炼钢生产，2009年炉号2382炉，钢种C80DA，熔清样碳元素含量为1.02％，取熔清样时侧壁氧枪耗氧量为1891立方米，炉门氧枪耗氧量为1070立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为334立方米，取第2只样也是终点样时侧壁氧枪耗氧量为2232立方米，炉门氧枪耗氧量为1231立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为367立方米，实际第2只样碳含量值为0.66％，本方法计算得到的计算值为0.66％；

实施例4：沙钢集团润忠炼钢厂一车间90T电炉炼钢生产，2009年炉号2384炉，钢种C80DA，熔清样碳元素含量为1.41％，取熔清样时侧壁氧枪耗氧量为1885立方米，炉门氧枪耗氧量为815立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为407立方米，取第2只样时侧壁氧枪耗氧量为2082立方米，炉门氧枪耗氧量为937立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为429立方米，实际第2只样碳含量值为1.07％，本方法计算得到的计算值为1.07％；取第3只样也是终点样时侧壁氧枪耗氧量为2408立方米，炉门氧枪耗氧量为1108立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为459立方米，实际第3只样碳含量值为0.70％，本方法计算得到的计算值为0.70％；

实施例5：沙钢集团润忠炼钢厂一车间90T电炉炼钢生产，2009年炉号2419炉，钢种C70DA，熔清样碳元素含量为1.67％，取熔清样时侧壁氧枪耗氧量为1526立方米，炉门氧枪耗氧量为869立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为292立方米，取第2只样时侧壁氧枪耗氧量为1735立方米，炉门氧枪耗氧量为963立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为312立方米，实际第2只样碳含量值为1.34％，本方法计算得到的计算值为1.35％；取第3只样时侧壁氧枪耗氧量为1961立方米，炉门氧枪耗氧量为1061立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为331立方米，实际第3只样碳含量值为1.03％，本方法计算得到的计算值为1.04％；取第4只样也是终点样时侧壁氧枪耗氧量为2407立方米，炉门氧枪耗氧量为1268立方米，侧壁氧枪天然气消耗量为369立方米，实际第4只样碳含量值为0.58％，本方法计算得到的计算值为0.60％。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将普通气体流量计安装在电炉炼钢所需的气体介质的管道上以进行气体流量的测定；

(2)将所述普通气体流量计采集的气体瞬时流量信号参数，通过可编程控制器经工业控制网络通讯输出到计算机系统；

(3)计算机系统通过接收的气体流量参数及采集的电炉炼钢熔清样的碳含量参数，建立数学模型，进行钢水碳含量的连续计算，并在用户界面上连续显示当前钢水碳含量及计算所得的熔清样后其余各样的碳含量相关参数，其中所述数学模型计算公式如下：

T_D＝T_R*EXP(D₁*(P_Y/10.5)*(D₂*(A_D-A_R-D₃*(C_D-C_R))+D₄*(B_D-B_R)))

其中：T_R为电炉冶炼熔清样碳元素含量；

P_Y为炉内熔清取样后直至当前时间的氧气压力平均值；

A_D为冶炼开始后直至当前时间的侧壁氧枪耗氧量；

A_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的侧壁氧枪耗氧量；

B_D为冶炼开始后直至当前时间的炉门氧枪耗氧量；

B_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的炉门氧枪耗氧量；

C_D为冶炼开始后直至当前时间的侧壁氧枪天然气消耗量；

C_R为冶炼开始后直至熔清样取样时的侧壁氧枪天然气消耗量；

EXP为工业常数e的指数函数；

D₁、D₂、D₃、D₄为与脱碳速度有关的相关常数；

所述计算公式适用于快、中、慢三种速度的形式，这三种形式下T_D的取值适用范围分别为：(1)快速：1.80＞T_D≥0.60；(2)中速：1.80＞T_D≥0.60；(3)慢速：1.80＞T_D≥0.80；

并且，所述快、中、慢三种形式下D₁取值的不同，其D₁、D₂、D₃、D₄的具体取值为：(1)快速：D₁＝-0.001，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6；(2)中速：D₁＝-0.0007，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6；(3)慢速：D₁＝-0.00053，D₂＝0.5，D₃＝2，D₄＝2.6；

又及，所述计算机系统通过实用软件脚本编程进行钢水碳含量的测定，该测定运行的步骤如下：

(1)电炉炼钢开始后，脚本程序自动运行；

(2)每次取样时，炉前操作人员进行简单的确认操作；

(3)自动计算炉内熔清取样后直至当前时间的氧气压力的平均值P_Y；

(4)自动提取取熔清样时炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值1及天然气耗值1；

(5)自动提取取第2只样时炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值2及天然气耗值2；

(6)自动提取当前时间的炉门氧枪及侧壁氧枪的氧耗值及天然气耗值；

(7)自动判断熔清样的碳含量是否小于1.80％，如果熔清样的碳含量小于该值，则用步骤(4)中的值1及其余相关值按所述公式计算当前的碳含量，并将计算出的当前碳含量值及第2只样之后所有样的碳含量计算值显示在工控画面上；如果熔清样的碳含量大于或等于该值，则用步骤(5)中的值2及其余相关值按所述公式计算公式当前的碳含量，并将计算出的当前碳含量值及第3只样之后所有样的碳含量计算值显示在工控画面上；

(8)电炉单炉冶炼结束时，所有的采集值及计算值复位为0。

2.根据权利要求1所述的电炉炼钢炉内钢水碳含量的连续测定方法，其特征在于：所述步骤(1)中的气体介质包括氧气和天然气。

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