CN102399933B - 一种转炉吹炼低碳钢氧枪自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转炉吹炼低碳钢氧枪自动控制方法，包括数据采集分析、原料控制和氧枪枪位控制步骤，其特征在于：转炉吹炼低碳钢全程，根据炉内氧积累量的变化控制氧枪枪位，从开始吹炼到总吹炼时间的20％，枪位固定为化渣枪位；总吹炼时间的20％-90％，氧枪根据判定方案做自动调整；总吹炼时间的90％-100％，枪位固定为拉碳枪位，并根据脱碳速率来判定吹炼终点，满足出钢要求则提枪停吹。采用本发明能对吹炼全程进行连续动态矫正，实现氧枪枪位自动控制。

Description

一种转炉吹炼低碳钢氧枪自动控制方法

技术领域

本发明属于转炉冶炼技术，尤其涉及一种基于炉气分析技术的转炉吹炼全程氧枪枪位的自动化控制方法。

背景技术

从转炉诞生至今，转炉冶炼的控制技术经历了从人工经验控制到计算机自动控制的过程。由于转炉冶炼反应速度快，时间短，很难采用取样分析的方法来监控炼钢过程，也无法直接观察炉内的反应过程，而只能根据火焰、声音、炉气等间接信息的变化逐步形成操作人员的经验，在吹炼过程中根据判断情况调整加料、氧枪枪位，甚至供氧强度，进而实现对终点的控制。在计算机介入冶金领域后，转炉控制技术从经验控制向自动控制转变，动态控制校正了静态控制的计算误差，提高了终点碳、温度的控制精度及命中率。

在现有技术中，一种检测转炉熔池碳含量的方法，是在吹炼过程中，一般是在接近终点时由操作人员凭经验判断炉况后倒炉取样，经光谱或化学分析后，以此检测数据作为终点目标的判定依据。这种方法因需要进行倒炉取样，不仅增加冶炼周期，一般增加2-3分钟，影响转炉前后工序的顺行，而且还会增加工人的劳动强度。

申请号为200510123304.8，名为《转炉炼钢过程与终点控制系统》的发明专利公开了一种转炉炼钢过程与终点控制系统，其特点是利用激光分析仪测定炉气中CO和CO₂的浓度，利用温度检测计和流量计测定炉气温度和流量，将测得的信息通过可编程控制器传输给计算机控制系统，经数学模型计算出熔池中碳含量的变化。该方法可行，主要缺点是分析精度不高，在转炉吹炼末期气体成分含量较小时，误差较大，且未公开吹炼全程氧枪的枪位控制方法。

采用副枪测定熔池碳含量和温度，并动态校正吹炼开始至终点所需要的供氧时间和冷却剂加入量，提高了对吹炼终点的判定。但副枪工艺只能提供吹炼过程中某一瞬时的碳含量和温度，并不能提供连续的信息。严格来说，副枪仍是一种静态控制手段，只不过检测点距终点的时间很短，实质上转炉生产的大部分时间仍是在静态模型的指导下进行的。且由于炉口的限制，原则上副枪设备适合于150t以上的转炉。采用副枪动态控制技术和吹炼过程程序控制技术，其特点为：根据吹炼初始条件和终点目标，通过静态模型制定吹炼程序，预报副枪检测时刻熔池碳含量和温度，确定副枪检测点之后的吹氧时间和各种辅料的加入量；把供氧时间分成几个氧步，针对初始条件和不同钢种要求，按设定的吹炼程序，实现全自动吹炼；采用氧枪加速仪连续检测炉渣液面高度，判断化渣状况，并通过改变枪位和供氧强度，动态调整造渣和供氧制度。该方法不但基础设施一次性投入较大，而且后期设备维护也难，若设施配套不全，完全依靠静态模型则很难实现吹炼全程合理控制氧枪枪位的目标。

再一种检测碳含量的方法，是利用光学感应探头采集炉口火焰的强度，并把采集到的信息传输至光纤谱分系统，由光纤将采集到的各分光谱信息传输至多光谱光强复合探测系统，复合探测系统测量由光纤送至的在线炉口瞬态辐射强度，最后由计算机分析获得实时数据，经数学模型依据各辐射光谱光强与熔池中碳含量的对应关系，从而可以找到能适应不同转炉的终点控制参数。但这种方法是利用光学感应探头采集炉口火焰的强度，而火焰强度的准确测定受氧枪操作、加料方式、炉体状况及烟罩情况等因素影响很大，再加上模型的误差，很难对吹炼全程实施有效的监控。

由于铁水、废钢及造渣料条件的波动使化渣过程很难有效地被监控，因而也就无法降低炉渣返干及喷溅的发生几率。这样在采用自动化手段炼钢时，氧枪的枪位自动控制就成为最大的难点。在正常吹炼情况下，要求炉渣具有一定的流动性，即通常所说的化渣良好，在吹炼过程加入的造渣料(CaO、MgO等)已全部熔于炉渣，而此时钢液中[Si]被氧化得很低(一般情况下吹炼5min后w[Si]<0.01%)，可认为[Si]全部脱除进入炉渣。因此，除温度、造渣料质量外，对化渣影响最大的因素就是渣中氧化铁的含量。若能实现对渣中氧化铁的控制，即可实现转炉吹炼全程化渣良好，进而实现模型动态控制氧枪枪位的目标。

以上几种方法都集中在转炉吹炼终点的判定及控制方面，已查得的文献材料均未详细报道或公开有关吹炼全程氧枪枪位的自动控制研究，若能做到吹炼全程氧枪枪位自动化，不但会大大降低操作工人的劳动强度，而且还会减少操作过程发生喷溅及返干的几率，减少铁损，提高终点命中率。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术所述的不足，提供一种采用数学模型与工艺控制过程相结合的方法，在转炉吹炼低碳钢过程中能提高一次拉碳命中率的全程氧枪枪位自动控制方法。

当氧枪高度改变±100mm或氧气流量(标准状态)改变±1000m³/h时，炉内氧积累速率将改变±300-600m³/h。也就是说当提高氧枪高度或减小供氧强度，从而削弱熔池的搅拌强度时，炉内氧积累量增加；反之则减少。这就证实，可通过调整吹炼条件来控制炉内氧积累量。根据炉气信息和吹炼期间加入的熔剂量，计算出渣中逐渐积累的氧量，对该参数进行动态控制，就可实现对转炉吹炼终点的预测。

本发明是这样实现的：

该转炉吹炼低碳钢氧枪自动控制方法包括：数据采集分析、原料控制和氧枪枪位控制等工艺步骤。

数据采集分析：吹炼过程所有数据由数据采集系统完成。数据采集系统由炉气流量计和炉气成分分析系统组成。利用炉气流量计对炉气流量进行在线检测。同时炉气成分分析系统对取得的炉气样气进行定时分析，并把所检测到的信息通过数据通讯系统传输至主控室的计算机，由数学模型进行分析计算。炉内氧积累量是根据氧的物料平衡连续得出，即输入量与输出量之差。在每一瞬间所计算的数值，作为转炉内氧积累量的变化。认为以（SiO₂）形式存在的氧不参与反应，不作为炉渣的氧势，所以炉内的总氧量要减去（SiO₂）中的氧量。

${\mathrm{dO}}_s=\frac{d{Q}_O}{W_{\mathrm{slag}}}=\frac{F_{\mathrm{lance}}^{O_2}+F_{O_2}^{\mathrm{air}}-1/2F_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{off}}-F_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{off}}-F_{O_2}^{\mathrm{off}}-F_{O_2}^{\mathrm{Si}}}{W_{\mathrm{slag}}}$

式中dO_S——转炉内瞬时氧积累量的变化，Nm³/(s·t)；

W_slag——造渣料总量，由模型根据铁水条件得出，t；

——氧枪供氧流量，Nm³/s；

——从炉口吸入的空气中的氧流量，Nm³/s；

——炉气中CO流量，Nm³/s；

——炉气中CO₂流量，Nm³/s；

——炉气中的O₂流量，Nm³/s；

——脱硅反应消耗的氧气流量，Nm³/s。

对式dO_s进行积分，即可得到炉内连续氧积累量的变化

$O_s={\&Integral;}_0^t\left({\mathrm{dO}}_s\right)\mathrm{dt}$

原料控制：由数学模型根据铁水条件计算造渣料、决定加入时机、批次、耗氧总量及废钢，控制轻型废钢和重型废钢的比例（轻型废钢占废钢总量的30%-70%），既确保吹炼前期熔池温降不至于过大，又保证废钢在开始吹炼12分钟前完全熔化。吹炼开始加入部分造渣料(总造渣料的1/2)，随着吹炼的进行分批次加入剩余造渣料，供氧强度为2.0-4.0Nm³/t·min；

氧枪枪位控制：通过数学模型控制耗氧总量，随着氧步的变化根据自动氧枪枪位判定方案来调整氧枪枪位，氧步即实际吹炼的氧气累积量与总耗氧量的比值：

$x=\frac{\underset{i=t}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_{\mathrm{lance}}^{O_2}}{Q_{\mathrm{sum}}^{O_2}}\&times;100\%$

式中x——氧步，%；

——t时刻氧气累积量，Nm³；

——耗氧总量，Nm³。

自动氧枪枪位判定方案需要设定自动氧枪枪位判定标准。根据氧步与枪位的函数关系由氧步标定标准氧枪的位置，围绕标准枪位进行动态上下调整：

y⁰=k₀+k₁x+k₂x²+k₃x³+k₄x⁴

y⁺¹= y⁰+a₁

y⁺²= y⁰+ a₂

y^-1= y⁰- a₃

y^-2= y⁰- a₄

式中y⁰——基准氧枪枪位，m；

k_i——修正系数，i=0-4；

a_j——修正系数，j=1-4。

当y⁰≤O_S＜y⁺¹时，枪位高度比基准枪位下降10%；

当y⁺¹≤O_S＜y⁺²时，枪位高度比基准枪位下降20%；

当y⁺²≤O_S时，枪位高度比基准枪位下降25%；

当y^-1＜O_S＜y⁰时，基准枪位；

当y^-2＜O_S≤y^-1时，枪位高度比基准枪位提高20%；

当O_S≤y^-2时，枪位高度比基准枪位提高35%；

当实际氧步x=90%时，氧枪回到拉碳枪位进行终点拉碳，烟罩保持不动，并根据脱碳速率做出吹炼终点判定(脱碳速率与碳含量按下式进行判断)，当满足要求时则提枪停吹：

w[C] =a-b·v_C+c·v_C ²-d·v_C ³

a、b、c、d为模型修正系数。

本发明的技术效果：

1 本发明通过对吹炼过程中炉内氧积累量的控制，基本消除了炉渣喷溅及返干的发生，使吹炼过程平稳，降低了对人工经验判断炉况的依赖性；

2 本发明通过控制终点枪位、固定烟罩等措施保证了炉气流量及成分的稳定，使质谱仪检测的信息稳定可靠，从而为模型计算提供数据保证；

3 本发明依据炉内氧积累量制定的过程氧枪枪位吹炼模式，结合相应的数学模型对吹炼全程进行连续动态矫正，从而最终实现了全程吹炼自动控制氧枪枪位的目标。

附图说明

附图1为本发明氧枪枪位判定图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

在实施例中入炉原料条件为废钢比8-19%(轻型废钢占废钢总量的30%-70%)，石灰用量34-54kg/t，轻烧白云石用量18-37kg/t，铁水碳含量3.63％-4.60%，铁水硅含量0.06％-0.58%，铁水锰含量0.17%-0.33%，铁水磷含量﹤0.200%，铁水硫含量﹤0.060%，铁水温度1268-1408℃。吹炼开始加入部分造渣料(总造渣料的1/2)，随着吹炼的进行分批次(剩余造渣料的1/2/次)逐步加入剩余造渣料，以平稳化渣，供氧强度为3.0Nm³/t·min；炉气成分分析系统对取得的炉气样气进行分析，次/3s；按照自动氧枪枪位判定方案进行吹炼过程中氧枪进行控制，实施例中k₀=2.55，k₁=4.37，k₂=-0.11，k₃=1.21×10^-3，k₄=-4.64×10^-6，a₁=8，a₂=12，a₃=8，a₄=12，在吹炼过程控制炉况未发生返干及喷溅现象，全程吹炼平稳。当实际氧步x=90%时，将枪位自动降到拉碳枪位1.2m进行终点拉碳，烟罩保持不动，模型根据脱碳速率判断吹炼终点(w[C] =0.049-0.0086·v_C+0.0013·v_C ²-3.4×10^-5·v_C ³)。表1为本发明实施例的原料条件，表2为本发明实施例的试验结果。从表中不难看出采用本发明方法一次拉碳命中结果在±0.01%误差范围内，终点碳含量的命中率达到87.5%；在±0.02%误差范围内，终点碳含量的命中率达到100%。

表1  本发明实施例的原料条件

表2  本发明实施例的试验结果

Claims (1)

1.一种转炉吹炼低碳钢氧枪自动控制方法，包括数据采集分析、原料控制和氧枪枪位控制步骤，其特征在于：转炉吹炼低碳钢全程，根据炉内氧积累量的变化控制氧枪枪位，从开始吹炼到总吹炼时间的20%，枪位固定为化渣枪位；总吹炼时间的20%-90%，氧枪根据判定方案做自动调整；总吹炼时间的90%-100%，枪位固定为拉碳枪位，并根据脱碳速率来判定吹炼终点，满足出钢要求则提枪停吹；通过数学模型计算耗氧总量，并根据取样系统对采集到的炉气流量和成分进行分析计算，由氧气的物料平衡得出变化的炉内氧积累量，所述炉内氧积累量变化的计算方法为：

${\mathrm{dO}}_s=\frac{{\mathrm{dQ}}_O}{W_{\mathrm{slag}}}=\frac{F_{\mathrm{lance}}^{O_2}+F_{O_2}^{\mathrm{air}}-1/2F_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{off}}-F_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{off}}-F_{O_2}^{\mathrm{off}}-F_{O_2}^{\mathrm{Si}}}{W_{\mathrm{slag}}}$

式中dO_S——转炉内瞬时氧积累量的变化，Nm³/(s·t)；

W_slag——造渣料总量，由模型根据铁水条件得出，t；

——氧枪供氧流量，Nm³/s；

——从炉口吸入的空气中的氧流量，Nm³/s；

——炉气中CO流量，Nm³/s；

——炉气中CO₂流量，Nm³/s；

——炉气中的O₂流量，Nm³/s；

——脱硅反应消耗的氧气流量，Nm³/s；

对式dO_s进行积分，即可得到炉内连续氧积累量的变化，以上数据均由取样系统提供；

$O_s={\&Integral;}_0^t\left({\mathrm{dO}}_s\right)\mathrm{dt}$

根据氧步与枪位的函数关系由氧步标定标准氧枪的位置，围绕标准枪位进行动态上下调整的，供氧强度为2.0-4.0Nm³/t·min；

y⁰=k₀+k₁x+k₂x²+k₃x³+k₄x⁴

y⁺¹=y⁰+a₁

y⁺²=y⁰+a₂

y^-1=y⁰-a₃

y^-2=y⁰-a₄

式中y⁰——基准氧枪枪位，m；

式中x——氧步，%；

——t时刻氧气累积量，Nm³；

——耗氧总量，Nm³；

k_i——修正系数，i=0-4，k₀=2.55，k₁=4.37，k₂=-0.11，k₃=1.21×10^-3，k₄=-4.64×10^-6；

a_j——修正系数，j=1-4，a₁=8，a₂=12，a₃=8，a₄=12；

当y⁰≤O_S<y⁺¹时，枪位高度比基准枪位下降10%；

当y⁺¹≤O_S<y⁺²时，枪位高度比基准枪位下降20%；

当y⁺²≤O_S时，枪位高度比基准枪位下降25%；

当y^-1<O_S<y⁰时，基准枪位；

当y^-2<O_S≤y^-1时，枪位高度比基准枪位提高20%；

当O_S≤y^-2时，枪位高度比基准枪位提高35%；

所述的脱碳速率与碳含量按下式进行判断：

w[C]=a-b·v_C+c·v_C ²-d·v_C ³

a、b、c、d为模型修正系数，具体取值为a=0.049，b=0.0086，c=0.0013，d=3.4×10^-5。

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