CN102382943B - 一种氩氧精炼低碳铬铁工艺终点碳含量和温度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氩氧精炼低碳铬铁工艺终点碳含量和温度的控制方法，该方法是把电炉粗炼好的铁水倒入AOD炉，从顶枪吹氧气进行快速脱碳，当碳含量降到一临界值后，底枪开始吹氧气和氩气混合气体进行脱碳反应，最后再用纯Ar气吹数分钟，使铁水中残余氧继续与碳反应，进一步降低碳含量，当碳含量达到预定目标时，在Ar气搅拌下加入硅铁进行还原；在深入分析冶炼过程机理的基础上，建立了低碳铬铁生产过程的部分数学模型，基于模型，采用推理控制方法准确控制熔池碳含量和温度，大大提高了终点的命中率，增加了产量，改善了铁合金质量，减少了原材料与能量消耗，降低了生产成本，提高了经济效益。

Description

一种氩氧精炼低碳铬铁工艺终点碳含量和温度的控制方法

技术领域

本发明涉及一种铁合金冶炼方法，特别涉及一种氩氧精炼低碳铬铁工艺终点碳含量和温度的控制方法。

背景技术

目前传统的中低碳铬铁的生产工艺采用三步法，如图1所示，首先利用电炉生产高碳铬铁(或硅锰合金)；之后以高碳铬铁(或硅锰合金)再作为原料利用电炉生产硅铬合金；最后把硅铬合金(或硅锰合金)作为还原剂在电炉中还原铬矿(或锰矿)，生产出中低碳铬铁和中低碳锰铁。此种方法工艺流程较长，并且每步都是独立的由固体或部分液体原料状态经电炉重新熔炼进行，因此需要三次加热过程，所需电耗高，产品单位成本也增加。

氩氧精炼法介绍

一般的吹氧脱碳，温升范围受到限制，其他的高效脱碳手段是真空熔炼，但其成本又非常高，氩氧精炼法是一种比较简单且经济的脱碳方法，氩氧精炼法(Argon Oxygen Decarburization)的简称是AOD法，是一种双联操作法。初炼炉可以是电弧炉或感应炉。初炼炉把返回钢、高碳铬铁、矿石等原材料熔化并将硫(S)、硅(Si)等元素调整到冶炼铁合金的中上限，磷(P)控制在规格允许的范围，碳(C)则根据原材料的条件来决定，可比炼钢更高一些。将初炼铁水用转移包倒入AOD炉，顶枪先吹入高压氧气进行快速脱碳，将铁水中碳含量降低到临界值后，开始用装在炉壁底侧面的气体喷枪(简称底枪)吹入氩气(Ar)和氧气(O₂)的混合气体进行铁水的进一步脱碳。脱碳期根据碳含量的变化及时调整Ar/O₂的比例，通过不断降低一氧化碳分压达到逐步降低铁水碳含量的目的。一般分为3期，其Ar/O₂比分别为1∶3、1∶1和3∶1，最后再用纯Ar气吹几分钟，使铁水中残余氧继续与碳反应，进一步降低终点碳含量。当碳含量达到预定目标时，在Ar气搅拌下加入硅铁、铝等还原剂进行还原。此时，脱碳期被氧化的铬，大部分返回熔池。精炼过程中强烈的氩气搅拌提供了优越的动力学条件，并且可降低一氧化碳分压，促进碳氧反应正向进行。氩氧精炼法原来是针对不锈钢生产而开发的炉外精炼技术，它的问世引起了高铬低碳钢冶金技术的重大进步，使不锈钢的产品质量和生产成本都得到显著的改善，从而得到广泛应用。它不仅在改变冶金热力学参数方面具有独特的优越性，而且由于气体的强烈搅拌作用，提供了良好的冶金动力学条件，促进了传质、传热反应，从而可获得更为纯洁的钢液，钢中气体、硫及有害金属和非金属夹杂物含量均明显的降低，而均匀的成分及温度又为连续铸钢创造了良好条件。氩氧精炼问世以来，其应用范围在不断扩大，由开始精炼不锈钢进而精炼高强度结构钢、碳钢、低温用钢、大锻件及厚板用钢、抗氢致诱导裂纹用钢、抗层裂钢，甚至工具用钢等。还广泛用于铸钢件生产以提高其内部及表面质量。在工艺上，近年来也作了不少改进和提高，例如采用顶底复合吹炼，用氮气代替氩气，熔炼中应用氧化镍及铬矿石，采用联合粉末喷吹工艺等。并在AOD炉上试用不锈钢脱磷技术及冶炼超低硫(S≈0.001％)钢等工艺。

氩氧精炼低碳铬铁是一个非常复杂的工业过程，冶炼的主要目标是获得温度和成分(主要指熔池碳含量)均合格的低碳铬铁水。由于高温铁水中碳含量不能在线连续检测，同时冶炼过程的边界条件变化频繁，给冶炼终点控制带来很大困难，同时，在冶炼过程中，为了保铬，需要强调铬铁合金熔体温度对碳与铬氧化反应速度的影响，应以控制铬铁合金熔体温度为目的来调整供氧流量。传统冶炼方法是根据经验观察炉口的火焰和火花、铁水的装入量和氧气的累计消耗量来估算终点的碳含量，对过程温度不进行控制，这种方式不仅延长了冶炼时间，降低了炉龄，而且反应过程中碳含量受到很多不确定因素的影响，使冶炼工艺不稳定，直接影响最终冶炼铁合金的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种氩氧精炼低碳铬铁工艺终点碳含量和温度的控制方法，该方法在深入分析冶炼过程机理的基础上，建立了低碳铬铁生产过程的部分数学模型，基于模型，采用推理控制方法较准确的控制铁水碳含量和温度，特别是铁水终点碳含量和温度，大大提高了终点的命中率。

本发明之方法是：

1、把电炉粗炼好的铁水倒入AOD炉，从顶枪吹氧气进行快速脱碳，当碳含量降到一临界值后，底枪开始吹氧气和氩气混合气体进行脱碳反应，最后再用纯Ar气吹数分钟，使铁水中残余氧继续与碳反应，进一步降低铁水碳含量，当碳含量达到预定目标时，在Ar气搅拌下加入硅铁进行还原；

2、通过控制铁水温度间接控制铁水碳含量，使铁水温度和碳含量在精炼过程的每一个时间点上都能得到较精确控制，尤其是准确控制铁水终点温度和碳含量；整个系统由计算机自动控制，系统由推理控制部分和过程部分构成，其中的推理控制部分是由推理控制器G_i(s)、信号分离器

和估计器组成，过程部分是由供氧速率U(s)对铁水碳含量的影响关系通道、供氧速率U(s)对铁水温度的影响关系通道、供氩速率D(s)对铁水碳含量以及供氩速率D(s)对铁水温度的影响关系通道组成；在推理控制部分，由于引入了氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间关系数学模型

当

可得A(s)D(s)即为供氩速率(过程不可测扰动)D(s)对铁水温度Y_s(s)的影响，实现了将供氩速率(过程不可测扰动)D(s)对铁水温度Y_s(s)的影响从Y_s(s)中分离出来，然后将信号A(s)D(s)送入估计器选择估计器

当

时，估计器的观测输出为B(s)D(s)。而B(s)D(s)为供氩速率(过程不可测扰动)对铁水碳含量的干扰，所以通过估计器的观测可以将供氩速率对铁水碳含量的影响观测出来。观测值B(s)D(s)与系统设定值R(s)比较后送入推理控制器

若所建立的4个模型

都准确，在设定值R(s)作用下的过程主要输出(铁水碳含量)Y(s)＝R(s)，在过程不可测扰动(供氩速率)D(s)作用下的过程主要输出(铁水碳含量)Y(s)＝0；所以，针对氩氧精炼低碳铬铁生产工艺过程，采用推理控制方法控制铁水终点碳含量，能实现输出对输入的完全跟踪性能，对不可测干扰的完全补偿。

推理控制部分是基于下述数学模型进行过程控制和在线求解：

(1)AOD炉冶炼低碳铬铁供氧速率与铁水碳含量之间的关系模型；

$\frac{Y\left(s\right)}{U\left(s\right)}=-\frac{0.0000055}{s}$

(2)AOD炉冶炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间的关系模型；

$\frac{Y_s\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{0.1157}{s}$

(3)AOD炉冶炼低碳铬铁供氩速率与铁水碳含量之间的关系模型；

$\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{-1.589\×{10}^{-17}s-1.635\×{10}^{-17}}{s+0.05801}$

(4)AOD炉冶炼低碳铬铁供氩速率与铁水温度之间的关系模型：

$\frac{Y_s\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{-0.02333}{s}$

其中：Y(s)-铁水碳含量；U(s)-供氧速率；Y_s(s)-铁水温度；D(s)-供氩速率。

本发明的有益效果是：

1、本发明之工艺与传统的电硅热法相比，可节省电硅热法工艺的后两部电炉生产过程，以连续流程的两步法取代电硅热的三步法，且吹入气体进行精炼，氧化反应的化学热可以为反应的继续提供所需的热量，以氧代电，减少了中间的电炉加热过程，从而实现节能的目标。

2、使用基于数学模型进行过程控制和在线求解的计算机自动控制系统，提高了终点命中率，提高了生产效率，改善了铁合金质量，减少了原材料与能量消耗，提高了AOD炉龄，降低了生产成本，提高了经济效益。

附图说明

图1是传统的中低碳铬铁的电炉生产三步法工艺示意图。

图2是本发明的推理控制系统的组成框图。

具体实施方式

本发明之方法是：

1、把电炉粗炼好的铁水倒入AOD炉，从顶枪吹氧气进行快速脱碳，当碳含量降到一临界值后，底枪开始吹氧气和氩气混合气体进行脱碳反应，最后再用纯Ar气吹数分钟，使铁水中残余氧继续与碳反应，进一步降低碳含量，当碳含量达到预定目标时，在Ar气搅拌下加入硅铁进行还原；

2、通过控制铁水温度间接控制铁水碳含量，使铁水温度和碳含量在精炼过程的每一个时间点上都能得到较精确控制，尤其是准确控制铁水终点温度和碳含量。整个系统由计算机自动控制，系统由推理控制部分和过程部分构成，如图2所示，其中的推理控制部分是由推理控制器G_i(s)、信号分离器和估计器

组成，过程部分是由供氧速率U(s)对铁水碳含量的影响关系通道、供氧速率U(s)对铁水温度的影响关系通道、供氩速率D(s)对铁水碳含量以及供氩速率D(s)对铁水温度的影响关系通道组成；在推理控制部分，由于引入了氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间关系数学模型

当

可得

A(s)D(s)即为供氩速率(过程不可测扰动)D(s)对铁水温度Y_s(s)的影响，实现了将供氩速率(过程不可测扰动)D(s)对铁水温度Y_s(s)的影响从Y_s(s)中分离出来，然后将信号A(s)D(s)送入估计器

选择估计器当

时，估计器的观测输出为B(s)D(s)。而B(s)D(s)为供氩速率(过程不可测扰动)对铁水碳含量的干扰，所以通过估计器的观测可以将供氩速率对铁水碳含量的影响观测出来。观测值B(s)D(s)与系统设定值R(s)比较后送入推理控制器

若所建立的4个模型

都准确，在设定值R(s)作用下的过程主要输出(铁水碳含量)Y(s)＝R(s)，在过程不可测扰动(供氩速率)D(s)作用下的过程主要输出(铁水碳含量)Y(s)＝0；所以，针对氩氧精炼低碳铬铁生产工艺过程，采用推理控制方法控制铁水终点碳含量，能实现输出对输入的完全跟踪性能，对不可测干扰的完全补偿。

推理控制部分是基于下述数学模型进行过程控制和在线求解：

(1)AOD炉冶炼低碳铬铁供氧速率与铁水碳含量之间的关系模型；

$\frac{Y\left(s\right)}{U\left(s\right)}=-\frac{0.0000055}{s}$

(2)AOD炉冶炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间的关系模型；

$\frac{Y_s\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{0.1157}{s}$

(3)AOD炉冶炼低碳铬铁供氩速率与铁水碳含量之间的关系模型；

$\frac{Y\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{-1.589\×{10}^{-17}s-1.635\×{10}^{-17}}{s+0.05801}$

(4)AOD炉冶炼低碳铬铁供氩速率与铁水温度之间的关系模型：

$\frac{Y_s\left(s\right)}{D\left(s\right)}=\frac{-0.02333}{s}$

其中：Y(s)-铁水碳含量；U(s)-供氧速率；Y_s(s)-铁水温度；D(s)-供氩速率。

在图2中，G_i(s)——推理控制器

$G_i\left(s\right)=1/{\hat{G}}_p\left(s\right)$

——氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水碳含量之间的关系模型

——估计器

$\hat{E}\left(s\right)=\hat{B}\left(s\right)/\hat{A}\left(s\right)$

——氩氧精炼低碳铬铁供氩速率与铁水碳含量之间的关系模型

——氩氧精炼低碳铬铁供氩速率与铁水温度之间的关系模型

——信号分离器(氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间的关系数学模型)

G_p(s)——氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水碳含量之间的关系通道

G_ps(s)——氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间的关系通道

B(s)——氩氧精炼低碳铬铁供氩速率与铁水碳含量之间的关系通道

A(s)——氩氧精炼低碳铬铁供氩速率与铁水温度之间的关系通道

R(s)——系统设定值

Y(s)——铁水碳含量

Y_s(s)——铁水温度

D(s)——供氩速率(过程不可测扰动)

U(s)——供氧速率。

Claims (1)

1.一种氩氧精炼低碳铬铁工艺终点碳含量和温度的控制方法，该方法是：

（一）、把电炉粗炼好的铁水倒入AOD炉，从顶枪吹氧气进行快速脱碳，当碳含量降到一临界值后，底枪开始吹氧气和氩气混合气体进行脱碳反应，最后再用纯Ar气吹数分钟，使铁水中残余氧继续与碳反应，进一步降低铁水碳含量，当碳含量达到预定目标时，在Ar气搅拌下加入硅铁进行还原；

（二）、通过控制铁水温度间接控制铁水碳含量，准确控制铁水终点温度和碳含量；整个系统由计算机自动控制，系统由推理控制部分和过程部分构成，其中的推理控制部分是由推理控制器G_i(s)、信号分离器

 和估计器

 组成，过程部分是由供氧速率U(s)对铁水碳含量的影响关系通道、供氧速率U(s)对铁水温度的影响关系通道、供氩速率D(s)对铁水碳含量以及供氩速率D(s)对铁水温度的影响关系通道组成；在推理控制部分，由于引入了氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间关系数学模型

 ，当  ，可得  

  ，A(s)D(s)即为供氩速率D(s)对铁水温度Y_s(s)的影响，实现了将供氩速率D(s)对铁水温度Y_s(s)的影响从Y_s(s)中分离出来，然后将信号A(s)D(s)送入估计器

 ，选择估计器

 ，当

 ，

 时，估计器的观测输出为 B(s)D(s)；而B(s)D(s)为供氩速率对铁水碳含量的干扰，所以通过估计器的观测可以将供氩速率对铁水碳含量的影响观测出来；观测值B(s)D(s)与系统设定值R(s)比较后送入推理控制器

 ，若所建立的4个模型即

 、

 、

 和

都准确，在设定值R(s)作用下的过程主要输出即铁水碳含量Y(s)=R(s)，在供氩速率D(s)作用下的过程主要输出即铁水碳含量Y(s)=0；所以，针对氩氧精炼低碳铬铁生产工艺过程，采用推理控制方法控制铁水终点碳含量，能实现输出对输入的完全跟踪性能，对不可测干扰的完全补偿； 

推理控制部分是基于下述数学模型进行过程控制和在线求解：

（1）AOD炉冶炼低碳铬铁供氧速率与铁水碳含量之间的关系模型：

（2）AOD炉冶炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间的关系模型：

（3）AOD炉冶炼低碳铬铁供氩速率与铁水碳含量之间的关系模型：

（4）AOD炉冶炼低碳铬铁供氩速率与铁水温度之间的关系模型：

   ；

G_ps(s)——氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水温度之间的关系通道；

B(s)——氩氧精炼低碳铬铁供氩速率与铁水碳含量之间的关系通道；

A(s)——氩氧精炼低碳铬铁供氩速率与铁水温度之间的关系通道；

——氩氧精炼低碳铬铁供氧速率与铁水碳含量之间的关系模型;

——氩氧精炼低碳铬铁供氩速率与铁水碳含量之间的关系模型；

——氩氧精炼低碳铬铁供氩速率与铁水温度之间的关系模型。 

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