CN103382514A - 一种在线预测rh精炼过程中钢水成分的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种在线预测RH精炼过程中钢水成分的系统及方法，属于冶金精炼的生产控制领域，系统包括信息获取模块、脱气判断模块、气体含量比较模块、气体含量显示模块、脱碳判断模块、脱碳模块、温度实时获取模块、碳含量比较模块、碳含量显示模块、合金化判断模块、合金化模块、硅、锰含量修正模块、合金成分含量比较模块、合金含量显示模块、钢水成分显示模块。方法：脱气处理包括对钢水中氢、氮、氧的脱除，达到对应钢种的目标成分含量要求；脱碳处理达到对应钢种的碳含量要求为止；合金化处理到需要微调的合金成分满足目标成分要求范围时结束；本发明能够对钢水中的气体、碳、硅、锰、铬、钛含量进行准确预报。

Description

一种在线预测RH精炼过程中钢水成分的系统及方法

技术领域

本发明属于冶金精炼的生产控制领域，更具体地讲，涉及一种在线预测RH精炼过程中钢水成分的系统及方法。

背景技术

RH真空处理工艺以其操作简便、处理量大、生产效率高的特点不断发展,在原有脱氢的基础上又开发了脱碳、脱氧、吹氧升温、喷粉脱硫和成分控制等功能，使其发展成为多功能的真空精炼方法。RH真空精炼的发展更好地满足了现代钢铁生产钢铁行业对钢材质量的要求，是提高产品质量、降低生产成本、提高炼钢生产能力、保证连铸顺行、优化炼钢生产工艺的重要手段。为了提高钢材质量就必须保证钢水精炼过程成分的准确控制，而RH精炼是进入浇铸前的最后一道改善钢水质量的生产工序，因此精炼过程中必须保证钢水质量的准确控制，建立模型准确的预报精炼过程中钢水的成分是保证钢水质量的关键。

现有的RH成分预报模型中，不能充分考虑影响钢水成分的因素，不能保证成分预报的高精度，同时钢水成分的预报不够全面，使得模型不能全面应用于多种钢种的生产。很多模型预报系统只是对脱碳和合金化后的成分进行预报，而不能将脱气、脱碳、合金化组成一体，实现对钢水成分的全面预报。文献“RH-MFB脱碳过程模型与工艺优化”（唐山：河北理工大学硕士论文，刘泊松，2005）只描述了RH精炼过程中脱碳的预报，脱碳机理描述的不够详尽。而文献“RH精炼控制模型系统的设计与实现”（冶金自动化，2008,32(1):12-16，林云等）中没有考虑真空脱气、没有精确分析真空脱碳的位置、以及钢液中硅、锰的变化，也没有考虑温度在精炼中的变化，不能够保证钢水成分预报的准确性，并且该系统需要配有质谱仪、红外分析仪在线检测CO、CO₂的变化，成本较高，国内很多钢厂无法达到如此条件。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种能够指导多钢种生产的、功能更全面的、更高精度的在线预测RH精炼过程中钢水成分的的系统及方法。

本发明的技术方案是这样实现的，在线预测RH精炼过程中钢水成分的系统，包括：信息获取模块，用来获取钢水量、钢水成分、对应钢种目标成分、合金成分，对应成分的合金收得率以及对应的料仓号；脱气判断模块，判断钢水是否需要进行脱气处理，若需要，则传递指令给脱气模块以进行脱气处理，若不需要，则传递指令给气体含量显示模块；脱气模块，根据钢水入站成分及钢种的冶炼目标要求对钢水进行脱气处理；气体含量比较模块，将脱气过程中钢水实时气体含量与对应钢种的目标气体含量进行比较，当满足钢种的目标气体含量时系统自动停止脱气处理并输出钢水的气体含量；气体含量显示模块，用于显示实时的气体含量值；脱碳判断模块，判断钢水是否需要进行脱碳处理，若需要，则传递指令给脱碳模块以进行脱碳处理，若不需要，则传递指令给碳含量显示模块；脱碳模块，根据钢水入站成分及对应钢种的冶炼目标要求对钢水进行脱碳处理；温度实时获取模块，在脱碳过程中为脱碳模块实时提供钢水温度值，以保证脱碳模块的准确计算；碳含量比较模块，将脱碳过程中钢水实时碳含量与对应钢种的目标碳含量进行比较，当满足对应钢种的目标碳含量时系统自动停止脱碳处理并输出钢水的碳含量；碳含量显示模块，用于显示输出的钢水的实时碳含量；合金化判断模块，判断钢水是否需要进行合金化处理，若需要，则传递指令给合金化模块以进行钢水的合金化处理，若不需要，则传递指令给合金含量显示模块；合金化模块，根据钢水入站成分及钢种的冶炼目标要求对钢水进行合金化处理；硅、锰含量修正模块，根据钢水中酸溶铝的含量修正硅、锰含量；合金成分含量比较模块，将脱碳过程中钢水实时碳含量与对应钢种的目标碳含量进行比较，当满足对应钢种的目标碳含量时系统自动停止合金化处理并输出钢水的合金成分含量；合金含量显示模块，用于显示输出的钢水的合金含量；钢水成分显示模块，合金化处理结束后，根据钢种要求显示出钢水中氢、氮、氧、碳、硅、锰、铬、钛8种成分的组合或全部含量。

本发明用于在线预测RH精炼过程中钢水成分的方法包括如下步骤：

步骤1：采集初始信息；

初始信息包括钢水量、钢水成分、对应钢种目标成分、合金成分、对应合金成分的收得率及对应的料仓号、钢水初始温度；

步骤2：判断是否需要进行脱气处理，如果需要进行脱气处理，转去执行步骤3，如果不需要进行脱气处理，转去执行步骤4；

步骤3：钢水的脱气处理，包括对钢水中氢、氮、氧的脱除；

步骤3-1：脱氢处理；

步骤3-1-1：判断是否需要进行脱氢处理，若需要进行，转去执行步骤3-1-2，若不需要，转去执行步骤4；

步骤3-1-2：实时计算出钢水中的氢含量；

步骤3-1-3：判断步骤3-1-2中所计算出的氢含量是否满足小于目标氢含量的要求，若满足，转去执行步骤3-1-4，若不满足，仍继续进行脱氢处理，转去执行步骤3-1-2.；

步骤3-1-4：输出钢水中的氢含量值；

步骤3-2：脱氮处理；

步骤3-2-1：判断是否需要进行脱氮处理，若需要进行，转去执行步骤3-2-2，若不需要，转去执行步骤4；

步骤3-2-2：实时计算出钢水中的氮含量；

步骤3-2-3：判断步骤3-2-2中所计算出的氮含量是否满足小于目标氮含量的要求，若满足，转去执行步骤3-2-4，若不满足，仍继续进行脱氮处理，转去执行步骤3-2-2.；

步骤3-2-4：输出钢水中的氮含量值；

步骤3-3：脱氧处理；

步骤3-3-1：判断是否需要进行脱氧处理，若需要进行，转去执行步骤3-3-2，若不需要，转去执行步骤5；

步骤3-3-2：实时计算出钢水中的氧含量；

步骤3-3-3：判断步骤3-3-2中所计算出的氧含量是否满足小于目标氧含量的要求，若满足，转去执行步骤3-3-4，若不满足，仍继续进行脱氧处理，转去执行步骤3-3-2；

步骤3-3-4：输出钢水中的氧含量值。

步骤4：判断钢水是否需要进行脱碳处理，如果需要，执行步骤5，如果不需要，转去执行步骤8；

步骤5：实时计算钢水中的碳含量；

步骤6：判断步骤5中所计算出的碳含量是否满足小于目标碳含量的要求，若满足，转去执行步骤7，若不满足，仍继续脱碳处理，并且根据实时温度值实时改变脱碳速率，执行步骤5；

步骤7：输出钢水中的碳含量值；

步骤8：判断钢水是否需要进行合金化处理，如果需要，执行步骤9，如果不需要，转去执行步骤12；

步骤9：确定需要微调的合金元素及合金加入量并计算出钢水终点成分；

步骤10：判断需要微调的成分是否满足目标成分要求范围，若满足，转去执行步骤12，若不满足，则转去执行步骤11；

步骤11：修正合金收得率，修正后转去执行步骤10；

合金收得率采用参考炉次法及元素守恒计算得出，收得率修正过程如下：

将计算加入的合金量及加入合金后取样测出的钢水成分计算出的本炉次的合金收得率跟步骤1采集到的初始收得率作比较，若相同则仍使用初始收得率，若不同，则使用所述计算出的合金收得率继续计算合金的加入量并将此收得率存入数据库供下一炉次调用；

步骤12：输出钢水中合金成分含量；

步骤13：输出钢水终点成分；

步骤14：结束。

步骤5所述的实时计算钢水中的碳含量，公式如下：

$\lg \frac{1}{K_{\mathrm{CO}}}=\lg \frac{C_S{O}_S}{P_{\mathrm{CO}}}=-(\frac{1160}{T_t}+2.003)---\left(1\right)$

式中，K_CO为反应界面上的碳氧平衡常数；C_S为反应界面处的碳含量，ppm；O_S为反应界面处的氧含量，ppm；T_t为钢水的实时温度，℃，其计算公式为：

T_t＝T₀+ΔT_c-ΔT_lin-ΔT_g-ΔT_rad-ΔT_zks-ΔT_alloy

（2）

式中，T_t为钢水的实时温度，℃；T₀为钢水的初始温度，℃；ΔT_c、ΔT_lin、ΔT_g、ΔT_rad、ΔT_zks、ΔT_alloy分别为脱碳反应的热效应、包衬散热、氩气热损、真空室内钢水辐射散热、真空室内衬散热、添加的合金热损引起的钢水温度的变化量，℃。

本发明的有益效果：本发明将现有技术中的RH脱气、脱碳、合金化预报系统作为组成所述控制系统的3个模块，能够对钢水中的气体、碳、硅、锰、铬、钛含量进行准确预报，弥补了现有技术方案不能全面预报钢水成分的缺陷。所述系统能够对钢水成分预报中的温度进行实时计算，全面的分析脱碳速率，且回归计算了合金化过程中硅、猛的变化，从而能够准确预报钢水中的硅、锰含量。总之，使用本发明的系统及方法预测钢水成分时，能够全面预测RH精炼过程中钢水的成分，并能最终保证钢水成分预测的合理性和准确性，自动化程度高，降低了劳动强度。

附图说明

图1为本发明一种实施方式在线预测RH精炼过程中钢水成分的系统的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式在线预测RH精炼过程中钢水成分的系统的方法的流程图；

图3为本发明一种实施方式在RH精炼过程中硅变化量与酸溶铝的关系图；

图4为本发明一种实施方式在RH精炼过程中锰变化量与酸溶铝的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如附图1所示，本实施方式的在线预测RH精炼过程中钢水成分的系统包括：信息获取模块1，用来获取钢水量、钢水成分、钢种目标成分、合金成分、对应成分的合金收得率以及对应的料仓号；脱气判断模块2，判断钢水是否需要进行脱气处理，若需要，系统传递指令给脱气模块以进行脱气处理，若不需要，系统传递指令给气体含量显示模块；脱气模块3，根据钢水入站成分及钢种的冶炼目标要求对钢水进行脱气处理；气体含量比较模块4，将脱气过程中钢水实时气体含量与对应钢种的目标气体含量进行比较，当满足钢种的目标气体含量时系统自动停止脱气处理并输出钢水的气体含量；气体含量显示模块5，用于显示实时的气体含量值；脱碳判断模块6，判断钢水是否需要进行脱碳处理，若需要，则传递指令给脱碳模块以进行脱碳处理，若不需要，系统传递指令给碳含量显示模块；脱碳模块7，根据钢水入站成分及对应钢种的冶炼目标要求对钢水进行脱碳处理；温度实时获取模块8，在脱碳过程中为脱碳模块实时提供钢水温度值，以保证脱碳模块的准确计算；碳含量比较模块9，将脱碳过程中钢水实时碳含量与对应钢种的目标碳含量进行比较，当满足对应钢种的目标碳含量时系统自动停止脱碳处理并输出钢水的碳含量；碳含量显示模块10，用于显示输出的钢水的实时碳含量；合金化判断模块11，判断钢水是否需要进行合金化处理，若需要，系统传递指令给合金化模块以进行钢水的合金化处理；合金化模块12，根据钢水入站成分及钢种的冶炼目标要求对钢水进行合金化处理，根据合金的计算结果反算修正合金的收得率为下一次的准确计算做准备；硅、锰含量修正模块13，根据钢水中酸溶铝的含量，采用Origin拟合修正硅、锰含量；合金成分含量比较模块14，将脱碳过程中钢水实时碳含量与对应钢种的目标碳含量进行比较，当满足对应钢种的目标碳含量时系统自动停止合金化处理并输出钢水的合金成分含量；合金含量显示模块15，用于显示输出的钢水的合金含量；钢水成分显示模块16，合金化处理结束后根据钢种要求输出钢水中氢、氮、氧、碳、硅、锰、铬、钛8种成分的组合或全部含量。

一种在线预测RH精炼过程中钢水成分的方法，如图2所示，包括如下步骤，

步骤1：采集初始信息；

设置为自动采集初始信息，包括钢水量、钢水成分、对应钢种目标成分、合金成分、对应合金成分的收得率及对应的料仓号、钢水初始温度；

步骤2：判断是否需要进行脱气处理，如果需要进行脱气处理，转去执行步骤3，如果不需要进行脱气处理，转去执行步骤4；

步骤3：钢水的脱气处理，包括对钢水中氢、氮、氧的脱除；

步骤3-1：脱氢处理；

步骤3-1-1：判断是否需要进行脱氢处理，若需要进行，转去执行步骤3-1-2，若不需要，转去执行步骤4；

步骤3-1-2：实时计算出钢水中的实时氢含量；

钢水脱除氢或氮时，通过式（1）对钢水中的氢或氮含量进行实时预报：

${\left[X\right]}_t={\left[X\right]}_0\·{10}^{-{\mathrm{\β}}_{X}t/\left(2.3H\right)}---\left(1\right)$

式中：

[X]_t为脱气过程中氢或氮的实时含量，%；[X]₀为氢或氮的初始含量，%；β_X为氢或氮的表面更新率；t为脱气时间，s；H为真空室钢液高度，m。

表面更新率β_X由式（2）得出：

β_X＝2（D_Xπt_X）^1/2     （2）

式中：

D_X为氢或氮的传质系数，m²·s^-1，t_X为氢或氮的表面更新时间，s。

步骤3-1-3：判断步骤3-1-2中所计算出的氢含量是否满足小于目标氢含量的要求，若满足，转去执行步骤3-1-4，若不满足，仍继续进行脱氢处理，转去执行步骤3-1-2.

步骤3-1-4：输出钢水中的氢含量值；

步骤3-2：脱氮处理；

步骤3-2-1：判断是否需要进行脱氮处理，若需要进行，转去执行步骤3-2-2，若不需要，转去执行步骤4；

步骤3-2-2：实时计算出钢水中的实时氮含量；

氮含量的计算过程同步骤3-1-2.

步骤3-2-3：判断步骤3-2-2中所计算出的氮含量是否满足小于目标氮含量的要求，若满足，转去执行步骤3-2-4，若不满足，仍继续进行脱氮处理，转去执行步骤3-2-2；

步骤3-2-4：输出钢水中的氮含量值；

步骤3-3：脱氧处理；

步骤3-3-1：判断是否需要进行脱氧处理，若需要进行，仍继续进行脱氧处理，转去执行步骤3-3-2，若不需要，转去执行步骤4；

步骤3-3-2：实时计算出钢水中的实时氧含量；

钢水中的实时氧含量根据脱氧速率的变化通过四阶龙格-库塔方法实时计算得出。通过式（3）预报钢水中的脱氧速率：

$-\frac{d{\left[O\right]}_t}{\mathrm{dt}}=k_1{\left[O\right]}_t-k_2---\left(3\right)$

式中：

为RH脱氧过程中的脱氧速率，ppm/min；[O]_t为t时刻钢水中的全氧含量，ppm；k₁为夹渣物的上浮去除速率，1/min；k₂为钢液中二次氧化速率，ppm/min。

式（3）中夹杂物的上浮去除速率k₁式（4）得出：

$k_1=-\frac{1}{t}\ln \frac{{\left[O\right]}_t-{\left[O\right]}_{\∞}}{{\left[O\right]}_0-{\left[O\right]}_{\∞}}---\left(4\right)$

式中：

[O]_t为钢液中的实时全氧含量，ppm；[O]₀为钢液中的初始溶解氧含量，ppm；[O]_∞为钢水处理结束时的理想全氧含量，ppm；t为RH处理时间，min。

实际计算中通过对式（4）计算的多组k₁值进行回归，得到夹杂物的上浮去除速率与钢水搅拌强度的关系为式（5）：

k₁＝0.235ε^0.643       5

式中：ε为搅拌强度，W/t。

搅拌强度ε由式（6）得出：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{7240Q{\left(Q{D}^{-2}\right)}^2}{W_m}---\left(6\right)$

Q为循环流量，t/min；D为浸渍管直径，m；W_m为处理钢水量，t。

其中钢水的循环流量Q由式（7）得出：

Q＝11.4G^1/3D^4/3[ln(P₁/P₂)]^1/3     （7）

式中：

G为吹氩流量，L/min；P₁为大气压力，Pa；P₂为真空室压力，Pa。

式（3）中钢液的二次氧化速率k₂由式（8）得出：

$k_2=\frac{48}{54}\mathrm{\α}\·k_3---\left(8\right)$

式中：

k₃为钢液中酸溶铝的氧化速率，ppm/min；α为钢渣界面反应生成的Al₂O₃夹杂物在钢液中的残留比例。

α可通过铝平衡的方法计算，见式（9）：

$\mathrm{\α}=\frac{{\left[\mathrm{Al}\right]}_t-{\left[\mathrm{Al}\right]}_s}{\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{Al}\right]}_1-\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{Al}\right]}_2}---\left(9\right)$

式中：

[Al]_t为RH处理结束时钢中的全铝含量，%；[Al]_s为RH处理结束时钢中的酸溶铝含量，%；Δ[Al]₁为将RH脱碳结束后钢水中[O]₀全部脱除消耗的铝量，%；Δ[Al]₂为钢中加铝后到RH处理结束钢中酸溶铝的损失量，%。

酸溶铝的氧化速率k₃由式（10）得出：

k₃＝a·(%SiO₂)+b·((%FeO)+(%MnO))+c·(%Cr₂O₃)      （10）

式中：

a、b、c分别为渣中(%SiO₂)、((%FeO)+(%MnO))、(%Cr₂O₃)对钢水中酸溶铝的氧化速率，ppm/min；(%SiO₂)为渣中SiO₂的含量，%；((%FeO)+(%MnO))为渣中(FeO+MnO)的含量，%；(%Cr₂O₃)为渣中Cr₂O₃的含量，%。

a由钢液中硅的增加量或者渣中SiO₂的减少量确定，钢水中硅的增加量为Δ[%Si]时所引起的酸溶铝的变化量为

，则a的表达式为（11）：

$a=\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{Al}\right]}_{s_1}/(t\·(\%{\mathrm{SiO}}_2))---\left(11\right)$

式中：

为钢水中硅的增加量为Δ[%Si]时所引起的酸溶铝的变化量，ppm；t为钢液中硅的增加量为Δ[%Si]时所需要的时间，min。

b由钢液中锰的增加量或者渣中MnO的减少量确定，钢液中锰的增加量为Δ[%Mn]时所引起的酸溶铝的变化量为

，则b的表达式为（12）：

$b=\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{Al}\right]}_{s_2}/(t\·(\%\mathrm{FeO})+(\%\mathrm{MnO}))---\left(12\right)$

式中：

b为渣中((%FeO)+(%MnO))对钢水中酸溶铝的氧化速率，ppm/min；

为钢水中锰的增加量为Δ[%Mn]时所引起的酸溶铝的变化量，ppm；t为钢液中锰的增加量为Δ[%Mn]时所需要的时间，min。

c由钢液中铬的增加量或者渣中Cr₂O₃的减少量确定，钢液中铬的增加量为Δ[%Cr]时所引起的酸溶铝的变化量为

，则c的表达式为（13）：

$c=\mathrm{\Δ}{\left[\mathrm{Al}\right]}_{s_3}/(t\·(\%{\mathrm{Cr}}_2{O}_3))---\left(13\right)$

式中：

c为渣中(%Cr₂O₃)对钢水中酸溶铝的氧化速率，ppm/min；

为钢水中铬的增加量为Δ[%Cr]时所引起的酸溶铝的变化量，ppm；t为钢液中铬的增加量为Δ[%Cr]时所需要的时间，min。

步骤3-3-3：判断步骤3-3-2中所计算出的氧含量是否满足小于目标氧含量的要求，若满足，转去执行步骤3-3-4，若不满足，仍继续进行脱氧处理，转去执行步骤3-3-2.

步骤3-3-4：输出钢水中的氧含量值；

步骤4：判断钢水是否需要进行脱碳处理，如果需要，执行步骤5，如果不需要，转去执行步骤8.

步骤5：实时计算出钢水中的实时碳含量；

脱碳过程中钢水中的实时碳含量根据脱碳速率的变化通过四阶龙格-库塔方法实时计算得出。

通过式（14）对钢水处理过程中的脱碳速率进行实时计算：

ΣQ_C＝α_CO×Q_co+α_sur×Q_sur+α_Ar×Q_Ar+α_dro×Q_dro+α_Ar,p×Q_Ar,p     （14）

式中：

ΣQ_C为钢水的总的脱碳速率，ppm/min；Q_co为钢液内部CO气泡脱碳速率，ppm/min；Q_sur为真空室内钢液自由表面脱碳速率，ppm/min；Q_Ar为真空室内Ar气泡表面脱碳速率，ppm/min；Q_dro为真空室内飞溅液滴脱碳速率，ppm/min；Q_Ar,p为上升管内Ar气泡表面脱碳速率，；α_CO、α_sur、α_Ar、α_dro、α_Ar,p分别表示它们对脱碳速率的贡献率。

（1）钢水内部CO气泡脱碳速率可由式（15）求得：

$Q_{\mathrm{co}}=-\frac{d{C}_V}{\mathrm{dt}}=K_V(K_{\mathrm{CO}}{C}_i{O}_{\mathrm{CO}}-P_{\mathrm{CO}})---\left(15\right)$

钢水中CO分压由式（16）求得：

P_co＝P₀+ρgh+(2σ/r)        （16）

式中：

C_V为真空室中钢液的碳含量，ppm；P_CO为钢水中CO分压，Pa；K_CO为反应界面上[C]+[O]=CO碳氧反应的平衡常数；K_V为模型参数；C_i、O_CO为钢水和气相界面处的碳、氧浓度，ppm；h为钢水表面到气泡位置的深度，m；P₀真空室内气压，Pa；ρ为钢水密度，kg/m³；σ为表面张力，N/m；r为CO气泡直径，m。

式（15）中反应界面上的碳氧平衡常数K_CO可由式（17）得出：

$\lg \frac{1}{K_{\mathrm{CO}}}=\lg \frac{C_S{O}_S}{P_{\mathrm{CO}}}=-(\frac{1160}{T_t}+2.003)---\left(17\right)$

式中：

C_S为反应界面处的碳含量，ppm；O_S为反应界面处的氧含量，ppm；T_t为钢水的实时温度，℃。

其中钢水的实时温度由式（18）计算得出：

T_t＝T₀+ΔT_c-ΔT_lin-ΔT_g-ΔT_rad-ΔT_zks-ΔT_alloy          （18）

式中：

T_t为钢水的实时温度，℃；T₀为钢水的初始温度，℃；ΔT_c、ΔT_lin、ΔT_g、ΔT_rad、ΔT_zks、ΔT_alloy分别为脱碳反应的热效应、包衬散热、氩气热损、真空室内钢水辐射散热、真空室内衬散热、添加的合金热损引起的钢水温度的变化量，℃。

（2）真空室内钢水自由表面脱碳速率可由式（19）求得：

$Q_{\mathrm{sur}}=-\frac{d{C}_V}{\mathrm{dt}}=\frac{1000M_C{k}_C{k}_L\mathrm{\ρ}{A}_V(C_V{O}_i{K}_{\mathrm{CO}}-P_{\mathrm{CO}})}{w(100M_C{k}_C{Q}_i{K}_{\mathrm{CO}}+k_L\mathrm{\ρR}{T}_t)}---\left(19\right)$

式中：

w为真空室内钢水量，t；M_C为碳的原子质量；k_C为界面上化学反应速率常数，m/s；k_L为钢水中碳传质系数，m/s；A_V为真空室内有效自由表面积，m²；P_CO为真空室中的CO分压，Pa；T_t为钢水的实时温度，℃；w为真空室中钢液重量，t；O_i为液滴自由表面氧含量×10^-6；R为理想气体常数，8.314J·(mol·K)^-1。

式（19）中钢水的实时温度由式（18）计算得出。

（3）真空室内氩气泡表面脱碳速率可由式（20）求得：

$Q_{\mathrm{Ar}}=-\frac{d{C}_V}{\mathrm{dt}}=\frac{-\frac{G_s}{0.024}{C}_V{O}_V{K}_{\mathrm{CO}}f}{\frac{w}{100M_C}(C_V{O}_V{K}_{\mathrm{CO}}f-P)}---\left(20\right)$

式中：

G_s为氩气循环速率，L/min；f为脱碳效率，

P_CO,i为气泡表面上的CO分压，Pa；O_V为真空室中钢液的氧含量，ppm；P为大气压力，Pa。

（4）真空室内飞溅液滴脱碳速率可由式（21）求得：

$Q_{\mathrm{dro}}=\mathrm{Nq}=N[1-\frac{6}{{\mathrm{\π}}^2}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{n^2}\exp (-\frac{n^2{\mathrm{\π}}^2{D}_C\mathrm{\θ}}{R^2})](C_V-C_S)---\left(21\right)$

式中：

N为当前时刻液滴的数量；D_C为碳的传质系数，cm/s；θ为液滴在真空室内的停留时间，s。

（5）上升管内氩气泡表面脱碳速率可由式（22）得出：

$Q_{\mathrm{Ar},p}=-\frac{d{C}_V}{\mathrm{dt}}=\frac{P_V}{P}\frac{-\frac{G_s}{0.024}{C}_V{O}_V{K}_{\mathrm{CO}}f}{\frac{w}{100M_C}(C_V{O}_V{K}_{\mathrm{CO}}f-P)}---\left(22\right)$

式中：

P_V为真空室内压力，Pa；M_C为碳的原子质量。

步骤6：判断步骤5中所计算出的碳含量是否满足小于目标碳含量的要求，若满足，转去执行步骤7，若不满足，则继续进行脱碳处理，转去执行步骤5；

步骤7：输出钢水中的碳含量值；

步骤8：判断钢水是否需要进行合金化处理，如果需要，执行步骤9，如果不需要，转去执行步骤12；

步骤9：确定需要微调的合金元素及合金加入量并计算出钢水终点成分；

根据钢水初始成分及目标成分对钢水所需的合金化成分进行判断，并通过式（23）对合金化后的钢水成分进行预报：

$\left[m_j\right]={\left[m_j\right]}_0+\mathrm{\Δ}\left[m_j\right]+\frac{\mathrm{\Σ}(g_i\·c_{i,j})\×f_i}{W_m+\mathrm{\Σ}{g}_i}\×100\%---\left(23\right)$

式中：

[m_j]为终点钢液中j元素的含量，%；[m_j]₀为初始钢液中j元素的含量，%；Δ[m_j]为RH精炼时j元素的变化量，当j为硅、锰时Δ[m_j]分别为硅、锰的变化量，当j为其他元素时Δ[m_j]为零，%；g_i为合金i的加入量，kg；c_i,j为合金i中元素j的含量，%；f_j为元素j的收得率；W_m为钢包中钢水重量，kg。

当合金元素为硅、锰时，式（23）中Δ[m_j]的计算如下：

本发明实施例通过分析生产数据用Origin拟合硅的变化量与钢液中酸溶铝量关系如图3所示，并得到拟合方程为：

Δ[%Si]＝-0.03659+2.15336[%Al]_s-35.00126[%Al]_s ²+221.98359[%Al]_s ³     （24）

式中：

Δ[%Si]为精炼过程中硅的变化量，%；[%Al]_s为钢水中的实时酸溶铝含量，%。

RH处理过程中，钢水中的酸溶铝含量是不断变化的，通过对生产数据的统计分析得出其变化规律可由式（25）表示：

${[\%\mathrm{Al}]}_s={[\%\mathrm{Al}]}_{s_0}-0.00038t---\left(25\right)$

式中：

为钢水中的初始酸溶铝含量，%；t为RH精炼时间，min。

本发明实施例通过分析生产数据用Origin拟合锰的变化量与钢液中酸溶铝量关系如图4所示，并得到拟合方程为：

Δ[%Mn]＝0.02396-0.84873[%Al]_s+8.33233[%Al]_s ²      （26）

式中：

Δ[%Mn]为精炼过程中锰的变化量，%。

将式（24）、（25）、（26）代入式（23）中即可得出钢水中硅、锰的最终含量。

步骤10：判断需要微调的成分是否满足目标成分要求范围，若满足，转去执行步骤12，若不满足，则转去执行步骤11；

步骤11：修正合金收得率，修正后转去执行步骤10；

合金收得率采用参考炉次法及元素守恒计算得出，收得率修正过程如下：

将计算加入的合金量及加入合金后取样测出的钢水成分计算出的本炉次的合金收得率跟步骤1采集到的初始收得率作比较，若相同则仍使用初始收得率，若不同，则使用所述计算出的合金收得率继续计算合金的加入量并将此收得率存入数据库供下一炉次调用。

步骤12：输出钢水中合金成分含量；

步骤13：输出钢水终点成分；

步骤14：结束；

通过对现场的跟踪调试，本系统选用表1中的钢种对钢水脱气和脱碳结果进行在线验证，结果如表1所示：

表1

表2示出了钢水合金化后的终点成分预报验证结果。

表2

从表1和表2的结果可以看出对应钢种使用本发明的系统及方法预测钢水成分时，预报值与实际值相比，误差非常低，保证了钢水成分预测较高的精确度且能够全面预测RH精炼过程中钢水的成分。

Claims (4)

1.一种在线预测RH精炼过程中钢水成分的系统，其特征在于包括：

信息获取模块(1)：用来获取钢水量、钢水成分、对应钢种目标成分、合金成分，对应成分的合金收得率以及对应的料仓号；

脱气判断模块(2)：判断钢水是否需要进行脱气处理，若需要，传递指令给脱气模块以进行脱气处理，若不需要，传递指令给气体含量显示模块；

脱气模块(3)：根据钢水入站成分及钢种的冶炼目标要求对钢水进行脱气处理；

气体含量比较模块(4)：将脱气过程中钢水实时气体含量与对应钢种的目标气体含量进行比较，当满足钢种的目标气体含量时系统自动停止脱气处理并输出钢水的气体含量；

气体含量显示模块(5)：用于显示实时的气体含量值；

脱碳判断模块(6)：判断钢水是否需要进行脱碳处理，若需要，则传递指令给脱碳模块以进行脱碳处理，若不需要，传递指令给碳含量显示模块；

脱碳模块(7)：根据钢水入站成分及对应钢种的冶炼目标要求对钢水进行脱碳处理；

温度实时获取模块(8)：在脱碳过程中为脱碳模块实时提供钢水温度值，以保证脱碳模块的准确计算；

碳含量比较模块(9)：将脱碳过程中钢水实时碳含量与对应钢种的目标碳含量进行比较，当满足对应钢种的目标碳含量时系统自动停止脱碳处理并输出钢水的碳含量；

碳含量显示模块(10)：用于显示输出的钢水的实时碳含量；

合金化判断模块(11)：判断钢水是否需要进行合金化处理，若需要，传递指令给合金化模块以进行钢水的合金化处理，若不需要，传递指令给合金含量显示模块；

合金化模块(12)：根据钢水入站成分及钢种的冶炼目标要求对钢水进行合金化处理

硅、锰含量修正模块(13)：根据钢水中酸溶铝的含量修正硅、锰含量；

合金成分含量比较模块(14)：将脱碳过程中钢水实时碳含量与对应钢种的目标碳含量进行比较，当满足对应钢种的目标碳含量时系统自动停止合金化处理并输出钢水的合金成分含量；

合金含量显示模块(15)：用于显示输出的钢水的合金含量；

钢水成分显示模块(16)：合金化处理结束后，根据钢种要求显示出钢水中氢、氮、氧、碳、硅、锰、铬、钛8种成分的组合或全部含量。

2.根据权利要求1所述的在线预测RH精炼过程中钢水成分的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集初始信息；

初始信息包括钢水量、钢水成分、对应钢种目标成分、合金成分、对应合金成分的收得率及对应的料仓号、钢水初始温度；

步骤2：判断是否需要进行脱气处理，如果需要进行脱气处理，转去执行步骤3，如果不需要进行脱气处理，转去执行步骤4；

步骤3：钢水的脱气处理，包括对钢水中氢、氮、氧的脱除；

步骤4：判断钢水是否需要进行脱碳处理，如果需要，执行步骤5，如果不需要，转去执行步骤8；

步骤5：实时计算钢水中的碳含量；

步骤6：判断步骤5中所计算出的碳含量是否满足小于目标碳含量的要求，若满足，转去执行步骤7，若不满足，仍继续进行脱碳处理，并且根据实时温度值实时改变脱碳速率，执行步骤5；

步骤7：输出钢水中的碳含量值；

步骤8：判断钢水是否需要进行合金化处理，如果需要，执行步骤9，如果不需要，转去执行步骤12；

步骤9：确定需要微调的合金元素及合金加入量并计算出钢水终点成分；

步骤10：判断需要微调的成分是否满足目标成分要求范围，若满足，转去执行步骤12，若不满足，则转去执行步骤11；

步骤11：修正合金收得率，修正后转去执行步骤10；

合金收得率采用参考炉次法及元素守恒计算得出，收得率修正过程如下：

将计算加入的合金量及加入合金后取样测出的钢水成分计算出的本炉次的合金收得率跟步骤1采集到的初始收得率作比较，若相同则仍使用初始收得率，若不同，则使用所述计算出的合金收得率继续计算合金的加入量并将此收得率存入数据库供下一炉次调用；

步骤12：输出钢水中合金成分含量；

步骤13：输出钢水终点成分；

步骤14：结束。

3.根据权利要求2所述的在线预测RH精炼过程中钢水成分的方法，其特征在于：所述步骤3，包括如下步骤：

步骤3-1：脱氢处理；

步骤3-1-1：判断是否需要进行脱氢处理，若需要进行，转去执行步骤3-1-2，若不需要，转去执行步骤5；

步骤3-1-2：实时计算出钢水中的氢含量；

步骤3-1-3：判断步骤3-1-2中所计算出的氢含量是否满足小于目标氢含量的要求，若满足，转去执行步骤3-1-4，若不满足，仍继续进行脱氢处理，转去执行步骤3-1-2.；

步骤3-1-4：输出钢水中的氢含量值；

步骤3-2：脱氮处理；

步骤3-2-1：判断是否需要进行脱氮处理，若需要进行，转去执行步骤3-2-2，若不需要，转去执行步骤5；

步骤3-2-2：实时计算出钢水中的氮含量；

步骤3-2-3：判断步骤3-2-2中所计算出的氮含量是否满足小于目标氮含量的要求，若满足，转去执行步骤3-2-4，若不满足，仍继续进行脱氮处理，转去执行步骤3-2-2.；

步骤3-2-4：输出钢水中的氮含量值；

步骤3-3：脱氧处理；

步骤3-3-1：判断是否需要进行脱氧处理，若需要进行，转去执行步骤3-3-2，若不需要，转去执行步骤5；

步骤3-3-2：实时计算出钢水中的氧含量；

步骤3-3-3：判断步骤3-3-2中所计算出的氧含量是否满足小于目标氧含量的要求，若满足，转去执行步骤3-3-4，若不满足，仍继续进行脱氧处理，转去执行步骤3-3-2；

步骤3-3-4：输出钢水中的氧含量值。

4.根据权利要求2所述的在线预测RH精炼过程中钢水成分的方法，其特征在于：步骤5所述的实时计算钢水中的碳含量，公式如下：

$\lg \frac{1}{K_{\mathrm{CO}}}=\lg \frac{C_S{O}_S}{P_{\mathrm{CO}}}=-(\frac{1160}{T_t}+2.003)---\left(1\right)$

式中，K_CO为反应界面上的碳氧平衡常数；C_S为反应界面处的碳含量，ppm；O_S为反应界面处的氧含量，ppm；T_t为钢水的实时温度，℃，其计算公式为：

T_t＝T₀+ΔT_c-ΔT_lin-ΔT_g-ΔT_rad-ΔT_zks-ΔT_alloy

（2）

式中，T_t为钢水的实时温度，℃；T₀为钢水的初始温度，℃；ΔT_c、ΔT_lin、ΔT_g、ΔT_rad、ΔT_zks、ΔT_alloy分别为脱碳反应的热效应、包衬散热、氩气热损、真空室内钢水辐射散热、真空室内衬散热、添加的合金热损引起的钢水温度的变化量，℃。

Images