CN103103309A - 一种辅助预报转炉炼钢终点的方法 - Google Patents

Abstract

一种辅助预报转炉炼钢终点的方法，属于钢铁冶金领域。本发明针对缺乏动态检测设备的中小型转炉，利用工业控制计算机和过程数据库，可以根据转炉吹炼初始金属料装入信息及终点钢水目标碳含量和温度计算各副原料加入量和氧耗量；根据吹炼过程信息对吹炼过程熔池碳含量和温度进行实时计算；吹炼达到终点时计算钢水Mn、P和S元素含量。将该方法应用于80t转炉生产实际，从试验结果可以看出：本发明提供的方法对转炉炼钢终点钢水成分与温度的预报值与实测值接近，可辅助操作人员准确控制转炉炼钢终点，从而不断提高转炉炼钢的终点控制水平。

Description

一种辅助预报转炉炼钢终点的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，特别是提供了一种辅助预报转炉炼钢终点的方法。该方法适用于中小型转炉生产各种高、中、低碳钢产品。

背景技术

1.转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法，其产钢量占总产钢量的60%以上，不断提高转炉炼钢终点的控制水平是冶金工作者所追求的目标。为了实现转炉炼钢终点控制高命中率的目标，转炉吹炼由以前的人工经验操作向自动化炼钢方向发展。目前，钢厂比较常用的方法是炼钢工艺数学模型结合动态检测设备，通过将检测设备采集到的冶炼过程信息反馈给炼钢数学模型，炼钢数学模型利用这些信息从而不断修正模型，达到提高终点命中率的目标。当前比较常用的检测手段有副枪、炉气分析和投弹法等。

2.大型转炉可以采用副枪、炉气分析等动态检测设备，并结合相应的数学模型来实现转炉炼钢终点的精确命中；中小型转炉受转炉炉口的限制，无法安装副枪这种动态检测设备，而国内大部分中小型转炉没有安装炉气分析检测设备。

3.对于这些缺乏动态检测设备的转炉来说，有些采用转炉投弹式检测技术，在不倒炉的情况下对转炉炼钢终点进行控制，但这种方法的设备投资费用较高；有些仍然采用人工经验判断终点，并根据倒炉取样分析得到的信息，对转炉炼钢终点进行控制，但此方法的转炉生产效率偏低，且终点命中率有限。因此，开发一种适应性强，预报准确率高的转炉炼钢终点辅助预报方法，对于提高中小型转炉炼钢的自动化控制水平具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的是，针对缺乏动态检测设备的中小型转炉，提供一种辅助预报转炉炼钢终点的方法，用于准确、快速地预报转炉炼钢终点，从而不断提高转炉炼钢的终点控制水平。

针对缺乏动态检测设备的中小型转炉，本发明可以根据转炉吹炼初始金属料装入信息及终点钢水目标碳含量和温度计算各副原料加入量和氧耗量；根据吹炼过程信息对吹炼过程熔池钢水碳含量和温度进行实时计算；吹炼达到终点时计算钢水Mn、P和S元素含量，辅助操作人员准确预报转炉炼钢终点。

本发明利用工业控制计算机和过程数据库来实现对转炉炼钢终点的辅助预报。其中，过程数据库与工业控制计算机相连接，为工业控制计算机的各模块计算提供数据支撑。一方面，过程数据库采集转炉冶炼过程数据，采集的数据项包括：冶炼初始转炉内各金属料的装入量，铁水的成分及温度，冶炼过程各副原料的加入量，氧枪枪位和氧流量等；另一方面，过程数据库记录工业控制计算机各模块的计算结果，记录的数据项包括：冶炼过程各副原料的预测加入量和加入时间，氧耗量预测值，吹炼过程熔池实时碳含量和温度的计算值，冶炼终点钢水各元素含量的预测值等。

本发明涉及的工业控制计算机的运行模块主要包括副原料计算模块、氧耗量计算模块、冶炼过程熔池碳含量和温度计算模块以及冶炼终点元素含量预报模块，关于各模块的具体介绍如下：

①副原料计算模块：此模块计算的前提是根据所冶炼钢种的目标成分确定转炉终渣成分，并获取该炉次装入金属料（铁水、废钢、生铁）成分、重量信息以及副原料成分信息。该模块依据转炉冶炼过程中熔池内的物料平衡，并作相应假设可以得到以下计算表达式。

假定终渣中CaO基本都来自石灰和轻烧白云石，则有：

w_CaO,石灰·t_石灰+w_CaO,轻烧·t_轻烧=w_CaO,终渣·t_终渣    （1）

假定渣中SiO₂主要由副原料带入以及由铁水、废钢、生铁中Si氧化得到，所以有：

（2）

假定渣中MgO主要由石灰和轻烧白云石带入，则有：

w_MgO,石灰·t_石灰+w_MgO,轻烧·t_轻烧=w_MgO,终渣·t_终渣    （3）

由式（1）、式（2）和式（3）联立得如下方程组：

式中：w_CaO,石灰、w_CaO，轻烧和w_CaO,终渣分别为石灰、轻烧白云石和终渣中CaO含量；t_石灰、t_轻烧、t_终渣、t_铁水、t_废钢和t_生铁分别为石灰、轻烧白云石、终渣、铁水、废钢和生铁的重量，单位为t；

分别为石灰、轻烧白云石和终渣中SiO₂含量；w_MgO,石灰、w_MgO,轻烧和w_MgO,终渣分别为石灰、轻烧白云石和终渣中MgO含量；w_Si,_铁水、w_Si,_废钢和w_Si,生铁分别为铁水、废钢和生铁中Si含量。在实际冶炼过程中，转炉终渣成分、入炉金属料（铁水、废钢、生铁）成分、重量信息以及副原料成分信息获取后，该模块就可以根据方程组（4）求解得出各副原料的加入量，于此同时，该模块还能根据现场吹炼实际情况提供各副原料的参考加入时间，以便操作人员的现场操作。

②氧耗量计算模块：该模块根据冶炼钢种目标成分、温度以及入炉金属料等信息，计算该炉次钢水达到吹炼终点时所需的吹氧量。计算表达式如式（5）所示：

$V_{O_2}=w_r\·V_{\mathrm{regression},O_2}+w_b\·V_{\mathrm{balance},O_2}---\left(5\right)$

式中：

为计算的氧耗量预测值，单位是Nm³；w_r、w_b分别为回归模型和氧平衡模型的权重系数；

分别为回归模型和氧平衡模型计算的氧耗量，单位是Nm³。关于回归模型和氧平衡模型的计算表达式如式（6）和式（7）所示：

${V_{\mathrm{regression},O}}_2=A_0+A_1\·F_1+A_2\·F_2+A_3\·F_3---\left(6\right)$

$V_{{\mathrm{balance},O}_2}-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{m}_i\·c_i+V_{{\mathrm{gas},O}_2}+V_{{\mathrm{CO},O}_2}-V_{{\mathrm{SinterOre},O}_2}---\left(7\right)$

式中：A₀、A₁、A₂和A₃为回归模型的拟合系数；F₁、F₂和F₃为影响吹炼过程氧耗量的主成分因子；m_i为元素i的氧化量，单位是Kg；c_i为氧化单位质量元素i所需的氧耗量,单位是Nm³/Kg；

代表炉气中未被利用的氧气，单位是Nm³；

是炉膛中CO二次燃烧所需的氧耗量，单位是Nm³；

为烧结矿提供的氧气，单位是Nm³。

③冶炼过程熔池碳含量和温度计算模块：在传统脱碳三阶段理论的基础上，同时考虑氧枪枪位、温度、氧气流量、CO搅拌和铁水Si含量等因素对脱碳速率的影响，建立了吹炼过程脱碳模型，用于实时计算吹炼过程熔池碳含量。脱碳模型计算表达式如式（8）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{i-1}-C_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{6}\·F_i\·\mathrm{\θ}\·\mathrm{\λ}\·[3({{\mathrm{\τ}}_i}^2-{{\mathrm{\τ}}^2}_{i-1})+2({{\mathrm{\τ}}_i}^3-{{\mathrm{\τ}}^3}_{i-1})]\\ C_{i-1}-C_i={\mathrm{\μ}}_2\·F_i\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{co}}\·\mathrm{\θ}\·({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\τ}}_{i-1})\\ \ln \frac{C_{i-1}-C_k}{C_i-C_k}={\mathrm{\μ}}_3\·F_i\·\mathrm{\θ}\·({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\τ}}_{i-1})\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中：μ₁、μ₂、μ₃分别为温度对脱碳第一阶段、第二阶段和第三阶段的影响系数；F_i为氧流量，单位是Nm³/S；θ定义为搅拌率，代表枪位对熔池的搅拌作用；ε_co是CO对熔池的搅拌系数；τ_i为吹氧过程时间，单位是S；λ为铁水中Si含量对脱碳的影响系数；C_k是冶炼终点熔池极限碳含量，单位为%；C_i代表第i个阶段熔池碳含量，单位为%。以热平衡原理为依据，分析转炉吹炼过程熔池每个等分时间段内的热平衡，可得到熔池温度变化模型，用于实时计算熔池内钢水的温度。熔池温度变化模型的计算表达式如式（9）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_i=Q_{i-1}+Q_{\mathrm{gain}}-Q_{\mathrm{loss}}\\ T_i=T_{i-1}+{\mathrm{\ΔT}}_i=T_{i-1}+\frac{Q_i-Q_{i-1}}{W_m\·C_m+W_s\·C_s}\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中：Q_i为第i个时间段内熔池的热量，单位是KJ；Q_gain、Q_loss分别为第i个时间段内熔池获得、损失的热量，单位是KJ；T_i为第i个时间段内熔池钢水的温度，单位是℃；W_m、W_s分别为钢液质量和熔渣质量，单位为Kg；C_m、C_s分别为钢液和熔渣的热容，单位是KJ/(Kg﹒℃)。综合所得的脱碳模型和温度变化模型，可得转炉吹炼过程模型，在实际吹炼过程中，转炉吹炼过程模型可以根据实时枪位、氧流量和过程加料等信息，实时计算熔池内钢水碳含量和温度。转炉吹炼过程模型的表达式如式（10）所示。

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{i-1}-C_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{6}\·F_i\·\mathrm{\θ}\·\mathrm{\λ}\·[3({{\mathrm{\τ}}_i}^2-{{\mathrm{\τ}}^2}_{i-1})+2({{\mathrm{\τ}}_i}^3-{{\mathrm{\τ}}^3}_{i-1})]\\ C_{i-1}-C_i={\mathrm{\μ}}_2\·F_i\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{co}}\·\mathrm{\θ}\·({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\τ}}_{i-1})\\ \ln \frac{C_{i-1}-C_k}{C_i-C_k}={\mathrm{\μ}}_3\·F_i\·\mathrm{\θ}\·({\mathrm{\τ}}_i-{\mathrm{\τ}}_{i-1})\\ Q_i=Q_{i-1}+Q_{\mathrm{gain}}-Q_{\mathrm{loss}}\\ T_i=T_{i-1}+{\mathrm{\ΔT}}_i=T_{i-1}+\frac{Q_i-Q_{i-1}}{W_m\·C_m+W_s\·C_s}\end{array}\right.---\left(10\right)$

④冶炼终点元素含量预报模块：该模块是在大量历史生产数据的基础上，通过采用数据挖掘的方法，建立吹炼终点各元素（Mn、P和S）含量的预报模型，其预报模型表达式分别如式（11）~（13）所示。通过该模块的计算可以得出终点Mn、P和S含量的预报值。

[%Mn]=B₀+B₁·F_Mn1+B₂·F_Mn2+B₃·F_Mn3+B₄·F_Mn4+B₅·F_Mn5   （11）

[%P]=C₀+C₁·F_P1+C₂·F_P2+C₃·F_P3+C₄·F_P4+C₅·F_P5     （12）

[%S]=D₀+D₁·F_S1+D₂·F_S2+D₃·F_S3+D₄·F_S4+D₅·F_S5     （13）

式中：B₀、B₁、B₂、B₃、B₄、B₅为终点Mn含量预报模型的拟合系数；F_Mn1、F_Mn2、F_Mn3、F_Mn4、F_Mn5是影响终点Mn含量的主成分因子；C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅为终点P含量预报模型的拟合系数；F_P1、F_P2、F_P3、F_P4、F_P5为影响终点P含量的主成分因子；D₀、D₁、D₂、D₃、D₄、D₅为终点S含量预报模型的拟合系数；F_S1、F_S2、F_S3、F_S4、F_S5为影响终点S含量的主成分因子。

本发明通过吹炼前期计算各副原料加入量、加入时间以及氧耗量，吹炼过程实时计算熔池内钢水碳含量与温度，吹炼终点计算终点钢水Mn、P和S含量，为缺乏动态检测设备转炉的终点预报提供了一种新途径。本发明可以实时在线分析吹炼过程钢水碳含量和温度的变化趋势，而且可以对终点钢水Mn、P和S含量进行有效的预报，在减轻操作人员工作强度的同时，既有利于提高转炉终点命中率，又有利于转炉生产效率的进一步提高。

附图说明

图1为本发明的构成示意图；

图2为本发明涉及的工业控制计算机各运行模块的计算流程图。

具体实施方式

下面以具体实施案例对本发明作进一步阐述。在具体实施过程中，本发明涉及的工业控制计算机各运行模块的计算流程包括以下几个步骤：

（1）冶炼某炉次钢水开始前，根据冶炼计划钢种确定终点钢水目标碳含量和温度，并制定初始冶炼方案；

（2）冶炼炉次开始，过程数据库系统采集并记录该炉次金属料装入信息（铁水、废钢、生铁装入量、成分及温度数据等），工业控制计算机根据过程数据库系统提供的这些数据，利用副原料计算模块计算该炉次吹炼过程各副原料的加入量及计入时间；利用氧耗量计算模块计算该炉次吹炼到终点目标碳含量和温度所需的氧耗量，为操作人员控制吹炼造渣过程提供辅助信息。

（3）吹氧开始，过程数据库系统采集并记录吹炼过程氧枪的枪位及氧流量，各副原料的加料量和氧耗量等过程数据，并将这些数据提供给工业控制计算机。工业控制计算机运行模块的冶炼过程熔池碳含量和温度计算模块利用这些过程数据实时计算吹炼过程熔池碳含量和温度，并以图形显示吹炼过程碳含量和温度的变化趋势。同时，过程数据库系统保存过程碳含量和温度的计算数值及变化趋势图，为操作人员的终点判断提供依据。

（4）吹炼接近终点时，操作人员根据转炉炼钢终点辅助预报系统提供的过程碳含量和温度值，判断是否与终点钢水目标碳含量和温度一致。如果与终点钢水目标碳含量和温度不一致，则继续吹氧操作，直至符合终点钢水目标碳含量和温度；如果与终点钢水目标碳含量和温度一致，说明此时已达到吹炼终点，可以结束熔池吹氧操作，并利用工业控制计算机运行模块的冶炼终点元素含量预报模块计算熔池钢水Mn、P和S含量，为转炉出钢过程的合金化提供参考。以上针对转炉吹炼过程各阶段，分别阐述了转炉炼钢终点辅助预报系统的运行流程，该系统可以为转炉炼钢的终点判断提供辅助参考作用。

本发明以80t转炉为实施载体，在实施过程中，当吹炼接近终点时，操作人员根据本发明计算得到的过程碳含量和温度值，判断是否与终点钢水目标碳含量和温度一致。如果与终点钢水目标碳含量和温度不一致，则继续吹氧操作，直至符合终点钢水目标碳含量和温度；如果与终点钢水目标碳含量和温度一致，说明此时已达到吹炼终点，可以结束熔池吹氧操作，并计算熔池钢水Mn、P和S含量，为转炉出钢过程的合金化提供参考。

实施过程中，以80t转炉冶炼60Si2Mn、SUP9和HRB335钢为例说明本发明的试验效果，表1为本发明实施后的试验结果。从试验结果可以看出，本发明提供的方法可对转炉炼钢终点钢水成分和温度进行准确有效地预报，进而辅助操作人员准确控制转炉炼钢终点，不断提高转炉炼钢的终点控制水平。

表1本发明实施后的试验结果

Claims (3)

1.一种辅助预报转炉炼钢终点的方法，其特征在于，针对缺乏动态检测设备的中小型转炉，本发明可以根据转炉吹炼初始金属料装入信息及终点钢水目标碳含量和温度计算各副原料加入量和氧耗量；根据吹炼过程信息对吹炼过程熔池钢水碳含量和温度进行实时计算；吹炼达到终点时计算钢水Mn、P和S元素含量，辅助操作人员准确预报转炉炼钢终点。

2.按照权利要求1所述的转炉炼钢终点辅助预报方法，其特征在于，该方法利用工业控制计算机和过程数据库来实现对转炉炼钢终点的辅助预报，其中，工业控制计算机用于实时计算并反馈吹炼过程与终点钢水Mn、P和S元素含量；过程数据库与工业控制计算机相连接，用于实时采集、记录吹炼过程数据，为工业控制计算机的运行提供数据支撑。

3.根据权利要求2所述的转炉炼钢终点辅助预报方法，其特征在于，工业控制计算机的运行模块包含副原料计算模块、氧耗量计算模块、冶炼过程熔池碳含量和温度计算模块和冶炼终点元素含量预报模块，各模块简介分别如下：

（1）副原料计算模块，根据转炉冶炼过程终渣中CaO、SiO₂和MgO成分的平衡原理，建立副原料计算模型，在获取铁水、废钢、生铁成分及重量信息的基础上，计算转炉冶炼过程石灰和轻烧白云石的加入量；

（2）氧耗量计算模块，利用主成分分析的方法建立氧耗量回归模型，根据转炉吹炼过程的氧平衡原理建立氧平衡模型，在氧耗量回归模型和氧平衡模型的基础上，分别加入相应的权重系数，建立氧耗量综合预报模型，用于在线预报转炉冶炼过程所需的氧耗量；

（3）冶炼过程熔池碳含量和温度计算模块，利用传统脱碳三阶段理论，分别考虑转炉冶炼过程枪位、氧流量、温度、熔池内CO气体搅拌对熔池脱碳速率的影响，建立冶炼过程熔池脱碳模型，实时计算熔池钢水碳含量；根据转炉冶炼过程熔池内的热平衡原理，采用等分时间段的方法建立冶炼过程熔池温度变化模型，实时计算熔池钢水温度；

（4）冶炼终点元素含量预报模块，采用数据挖掘的方法，在分析现场大量生产数据的基础上，结合主成分分析法分别建立转炉冶炼终点Mn、P、和S含量预报模型，用于在线预报转炉冶炼终点钢水Mn、P、和S含量。

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