CN104131137B - 基于质谱仪的rh动态脱碳方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于质谱仪的RH动态脱碳方法及装置，能够在真空吹氧脱碳时，实时计算碳含量，在钢水碳含量达到目标碳时，实现自动提枪停止吹氧。脱碳方法包括以下步骤：炉次开始时，收集钢水的重量、初始成份、目标成份数据，在冶炼过程中，收集废气流量计采集到的废气实时流量和质谱仪得到的废气实时成份的步骤；根据钢水的相关信息、结合考虑废气的采集和分析延时、以及顶枪的提枪、停吹延时相关数据，实时计算钢水的碳含量；当当前碳含量小于或等于目标碳含量，通知PLC停止吹氧并提枪。本发明能够实现基于质谱仪的RH动态脱碳自动控制，流程控制精确，生产精度高、缩短冶炼周期，降低成本。

Description

基于质谱仪的RH动态脱碳方法及装置

技术领域

本发明属于钢铁冶炼自动控制技术领域，尤其是涉及一种基于质谱仪的RH动态脱碳方法及装置。

背景技术

RH脱碳处理包括轻处理和本处理。轻处理是指仅仅利用低真空进行脱碳，本处理利用强真空进行脱碳。如果需要冶炼低碳钢、超低碳钢时，在强真空时，还需要进行顶枪吹氧脱碳。在吹氧脱碳时，一般采用标准工艺规程定，对应的初始碳含量、目标碳含量规定吹氧脱碳的处理时间，质谱仪的数据作为操作时的参考。但我们发现，这样很难保证终点碳满足工艺要求，如果采用延长吹氧脱碳处理时间的方法，终点碳能够满足工艺要求，但带来了延长冶炼周期、精度降低、增加成本等缺点。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于质谱仪的RH动态脱碳方法，在真空吹氧脱碳时，实时计算碳含量，在钢水碳含量达到目标碳时，实现自动提枪停止吹氧。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于质谱仪的RH动态脱碳方法，包括如下步骤：

步骤1，炉次开始时，收集钢水的重量、初始成份、目标成份数据，在冶炼过程中，收集废气流量计采集到的的废气实时流量和质谱仪得到的废气实时成份；

步骤2，根据钢水的相关信息、结合考虑废气的采集和分析延时、以及顶枪的提枪、停吹延时相关数据，通过下述公式实时计算钢水的碳含量：

钢水碳含量的初始计算公式如下：

C_t=C₀-(∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st （2）

其中：C_t：t时刻的钢水碳含量，C₀：钢水的初始碳含量，CO：废气中CO的实时含量，CO₂：废气中CO₂的实时含量, F_gas：废气的实时流量，W_st：钢水的重量；CO_t：t时刻废气中CO的实时含量，CO_2t：t时刻废气中CO₂的实时含量，F_gast:t时刻废气的实时流量，t1为废气成份分析模块的废气采集和分析延时，t1的计算公式为：

t1=L/Vflowgas+VanaDelay，

其中：L：真空槽液面到废气采集装置开口位置的距离，Vflowgas：抽真空时废气的流速，VanaDelay：质谱仪废气分析用时；

步骤3，比较步骤2中计算出的当前碳含量与目标碳含量，当当前碳含量小于或等于目标碳含量，通知PLC停止吹氧并提枪；

步骤4，PLC控制顶枪停止吹氧并提枪。

作为改进，还包括以下步骤：将实时钢水碳成份传输至PLC，在上位机绘制碳含量的时间曲线。

作为改进，在步骤2的公式（2）加入其他影响因素后调整为下述公式，其他影响因素包括其他物料的含碳量和钢包析出的碳：

C_t=C₀-(Cladle+∑（W_i×Cper_i×Creap_i）+∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st + K； （3）

其中：Cladle：钢包析出的碳，且Cladle=∫₀ ^tCsepSpeeddt，CSepSpeed：钢包碳析出的速度，W_i：冶炼过程中加入物料i的重量，Cper_i：物料i的含碳量，Creapi：加入物料i碳的收得率；K：调整系数；

通过公式（3）计算钢水的碳含量。

进一步的，所述CsepSpeed根据对应钢包的历史CsepSpeed值进行计算。

进一步的，所述根据对应钢包的历史CsepSpeed值计算当前CsepSpeed的步骤具体为：取对应钢包的最近10炉次的CsepSpeed数据，除去最大值和最小值，取剩余的CsepSpeed的平均值作为本炉次计算的CsepSpeed；当历史数据不足10炉次时直接取历史炉次的CsepSpeed平均值。

进一步的，所述CsepSpeed值采用自学习方法进行调整，其调整方法包括如下步骤：

为所有的钢包建立档案数据；

为每个钢包的CSepSpeed 赋初始值；

根据对应钢包的历史CsepSpeed值计算当前CsepSpeed。

在炉次结束并得到终点分析的碳含量后，通过下述公式计算得出各炉次的CSepSpeed：

CSepSpeed=(C₀-(∑（W_i×Cper_i×Creapi）+∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st+K-Cfin)/t； (5)

其中,Cfin为脱碳终点实际分析的碳含量；

钢包重新砌筑内砖后，清除原有的记录，重新赋CSepSpeed初始值。

本发明还提供了一种基于质谱仪的RH动态脱碳装置，包括炉次数据收集模块、实时碳计算模块、PLC通信模块、控制PLC提枪模块、废气流量模块、废气成份分析模块，其中，废气流量模块用于收集废气流量计的废气实时流量，废气成份分析模块用于收集质谱仪实时分析得到的废气的成份及含量（废气中CO的实时含量和CO₂的实时含量）；炉次数据收集模块用于实时收集钢水的相关信息、废气流量模块得到的废气实时流量和废气成份分析模块得到的废气成份数据；实时碳计算模块用于根据钢水的相关信息实时计算钢水的碳含量；PLC通信模块用于在模型计算当前钢水含量达到目标碳含量时与PLC通信，通知PLC停止吹氧并提枪；控制PLC提枪模块用于控制PLC提枪并停止吹氧。

进一步的，基于质谱仪的RH动态脱碳装置还包括生产监控模块，用于在上位机实时显示炉次钢水的信息和实时钢水碳成份，并绘制碳含量的时间曲线。

与现有技术相比，本发明具有下优点和有益效果：能够利用质谱仪得到的数据实时计算钢水碳含量，实现基于质谱仪的RH动态脱碳自动控制，实现自动提枪、停吹，流程控制精确，生产精度高、缩短冶炼周期，降低成本。在碳含量计算中通过多次调整，令计算结果更为精确，本发明方法整体操作简单，通用性强。

附图说明

图1为真空冶炼设备示意图；

图2为基于质谱仪的RH动态脱碳装置结构示意图。

附图标记列表：

1-钢水包，2-真空槽，3-顶枪，4-废气流量计，5-质谱仪。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1为真空冶炼示意图，其中钢水包1用于存放需要冶炼的钢水；真空槽2用于提供钢水冶炼的反应空间；顶枪3是在冶炼过程中吹氧、CO₂等气体的枪体；废气流量计4用于实时计量抽真空过程中的废气流量；质谱仪5：用于实时分析废气的成份。

本发明公开了一种基于质谱仪的RH动态脱碳方法，包括如下步骤：

步骤1，炉次开始时，收集钢水的重量、初始成份、目标成份等相关信息；在冶炼过程中，实时收集（或周期性收集）废气流量计采集到的的废气实时流量和质谱仪得到的废气实时成份；

步骤2，根据钢水的相关信息实时计算钢水的碳含量：

步骤2.1，钢水碳含量的初始计算公式如下：

C_t=C₀-(∫₀t（(CO+CO₂)×F_gas）dt)÷W_st （1）

其中：

C_t：t时刻的钢水碳含量；

C₀：钢水的初始碳含量；

CO：废气中CO的实时含量，由质谱仪得到；

CO₂：废气中CO₂的实时含量, 由质谱仪得到；

F_gas：废气的实时流量；

W_st：钢水的重量。

步骤2.2，延时调整。

由于废气的采集和分析、以及顶枪的提枪、停吹均具有一定的延时，故计算实时碳含量并以此控制提枪需要进行调整，为了使钢水碳含量的计算结果更精确，我们将上述延时加入碳含量计算公式中计算碳含量：

一次调整后的计算公式为：

C_t=C₀-(∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st （2）

其中：

CO_t：t时刻废气中CO的实时含量；

CO_2t：t时刻废气中CO₂的实时含量；

F_gast:t时刻废气的实时流量。

t1为废气成份分析模块的废气采集和分析延时，其计算公式：

t1=L/Vflowgas+VanaDelay

其中：

L：真空槽液面到废气采集装置开口位置的距离；

Vflowgas：抽真空时废气的流速；

VanaDelay：质谱仪废气分析用时；

经过试验分析t1为12-17秒，不同的质谱仪分析时间不同，废气收集装置开口位置不同，废气采集用时也不同，t1应根据设备的本身性能进行计算；t2为顶枪的提枪、停吹等机械类操作延时，经过试验分析为10-20秒，t2的值与设备的固有属性有关；总延时为t1 +t2。

步骤2.3，其他影响因素的调整

在生产过程中，还包括其他因素对碳成份产生影响，主要包括冶炼过程中加入的合金等物料的含碳量、钢包析出的碳等，因此我们将这些参数也加入碳含量计算公式中计算碳含量，二次调整后的计算公式为：

C_t=C₀-(Cladle+∑（W_i×Cper_i×Creap_i）+∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st+K； （3）

其中：

Cladle：钢包析出的碳，钢包的内衬为碳砖或镁碳砖，不同类型的砖谈的析出的速度不同；

Cladle=∫₀ ^tCSepSpeeddt;

CSepSpeed：钢包碳析出的速度；

W_i：冶炼过程中加入物料i的重；

Cper_i:物料i的含碳量；

Creapi：加入物料i碳的收得率，即物料i中碳能进入钢水的百分比；

K：调整系数。

将Cladle的计算公式代入公式（3）后得到调整后的计算公式为：

C_t=C₀-(∫₀ ^tCSepSpeeddt+∑（W_i×Cper_i×Creapi）+∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st + K； （4）

CsepSpeed值采用自学习方法进行调整，其获得方法为：

步骤2.3.1，为所有的钢包建立档案数据，档案数据中包括CsepSpeed值；

步骤2.3.2，为每个钢包的CSepSpeed 赋初始值；

步骤2.3.3，根据对应钢包的历史CsepSpeed值计算当前CsepSpeed：取对应钢包的最近10炉次的CsepSpeed数据（当历史数据不足10炉次时取所有历史炉次数据），除去两个最大值和两个最小值（去除最大值的最小值的数量可根据需要调整），取剩余的CsepSpeed的平均值作为本炉次计算的CsepSpeed。当历史数据不足10炉次时也可以不去除最大或最小值，直接取其平均值；

步骤2.3.4，在炉次结束并得到终点分析的碳含量，通过公式（4）反推计算得出各炉次的CSepSpeed，计算公式为：

CSepSpeed=(C₀-(∑（W_i×Cper_i×Creapi）+∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st+K-Cfin)/t； (5)

其中,Cfin为脱碳终点实际分析的碳含量；

步骤2.3.4，钢包重新砌筑内砖后，清除原有的记录，重新赋CSepSpeed初始值。

步骤3，比较步骤2中计算出的当前碳含量与目标碳含量，当当前碳含量小于或等于目标碳含量，通知PLC停止吹氧并提枪。

步骤4，PLC控制顶枪停止吹氧并提枪。

作为改进，还包括以下步骤：将实时钢水碳成份传输至PLC，在上位机绘制碳含量的时间曲线。

本发明还提供了一种基于质谱仪的RH动态脱碳装置，包括炉次数据收集模块、实时碳计算模块、PLC通信模块、控制PLC提枪模块、废气流量模块、废气成份分析模块，其中，废气流量模块用于收集废气流量计的废气实时流量，废气成份分析模块用于收集质谱仪实时分析得到的废气的成份及含量（废气中CO的实时含量和CO₂的实时含量）；炉次数据收集模块用于实时收集钢水的相关信息、废气流量模块和废气成份分析模块得到的废气数据；实时碳计算模块用于根据钢水的相关信息实时计算钢水的碳含量；PLC通信模块用于在模型计算当前钢水含量达到目标碳含量时与PLC通信，通知PLC停止吹氧并提枪；控制PLC提枪模块用于控制PLC提枪并停止吹氧。

进一步的，基于质谱仪的RH动态脱碳装置还包括生产监控模块，用于在上位机实时显示炉次钢水的信息和实时钢水碳成份，并绘制碳含量的时间曲线。

实施例1：

（1）炉次号为2040586炉，真空吹氧脱碳时，炉次数据收集模块收集钢水初始成份[Ｃ]含量为0.045％，钢水重165.8吨，目标碳0.003％。

（2）炉次数据收集模块收集废气流量模块的废气实时流量和废气成份分析模块的废气成份；

（3）实时碳计算模块进行计算实时碳含量（利用公式（3）计算）；

（4）所有相关数据在生产监控模块实时显示，包括绘制碳含量的时间曲线。

（5）实时碳计算模块判断当前碳含量是否小于目标碳含量。当计算的当前碳含量小于目标碳含量时，通知PLC通信模块，提枪并停吹；否则延时2秒返回步骤（3）；

（6）PLC通信模块通知PLC停止吹氧并提枪；

（7）控制PLC提枪模块控制PLC停止吹氧并提枪；

（8）吹氧脱碳处理结束。

接收化验室分析系统的本炉次钢水终点成份，其中终点碳含量为0.0028％，模型计算的碳含量与化验室分析值误差为2ppm，满足终点碳含量的误差要求。

在其他步骤和输入参数与实施例1完全一致的情况下，利用不包括时间延时调整功能脱碳模型公式（1）计算实时碳含量，得到当前碳含量为0.0033%，与化验室分析值0.0028%比较，误差5ppm。很显然，包括时间延时调整功能的计算结果命中率更高，更接近实际值（假定化验室分析值为实际值），与不包括时间延时调整功能的计算模型相比计算精度有显著提升。

实施例2：

（1）炉次号为3040459炉，真空吹氧脱碳时，炉次数据收集模块收集钢水初始成份[Ｃ]含量为0.043％，钢水重167.5吨，目标碳0.0025％。

（2）炉次数据收集模块收集废气流量模块的废气实时流量和废气成份分析模块的废气成份；

（3）实时碳计算模块进行计算实时碳含量；

（4）所有相关数据在生产监控模块实时显示。

（5）实时碳计算模块判断当前碳含量是否小于目标碳含量。当计算的当前碳含量小于目标碳含量时，通知PLC通信模块，提枪并停吹；否则延时2秒返回步骤（3）；

（6）PLC通信模块通知PLC停止吹氧并提枪；

（7）控制PLC提枪模块控制PLC停止吹氧并提枪；

（8）吹氧脱碳处理结束。

接收化验室分析系统的本炉次钢水终点成份，其中终点碳含量为0.0024％，模型计算的碳含量与化验室分析值误差为1ppm，满足终点碳含量的误差要求。

在其他步骤和输入参数与实施例2完全一致的情况下，利用不包括时间延时调整功能脱碳模型公式（1）计算实时碳含量，得到当前碳含量为0.0031%，与化验室分析值0.0024%比较，误差7ppm。很显然，包括时间延时调整功能的计算结果命中率更高，更接近实际值（假定化验室分析值为实际值）。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于质谱仪的RH动态脱碳方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，炉次开始时，收集钢水的重量、初始成份、目标成份数据，在冶炼过程中，收集废气流量计采集到的废气实时流量和质谱仪得到的废气实时成份；

步骤2，根据钢水的相关信息、结合考虑废气的采集和分析延时、以及顶枪的提枪、停吹延时相关数据，通过下述公式实时计算钢水的碳含量：

钢水碳含量的初始计算公式如下：

C_t=C₀ - (∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+ ∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st （2）

其中：C_t：t时刻的钢水碳含量，C₀：钢水的初始碳含量，CO：废气中CO的实时含量，CO₂：废气中CO₂的实时含量, F_gas：废气的实时流量，W_st：钢水的重量；CO_t：t时刻废气中CO的实时含量，CO_2t：t时刻废气中CO₂的实时含量，F_gast:t时刻废气的实时流量，t1为废气成份分析模块的废气采集和分析延时，t2为顶枪的机械类操作延时，t1的计算公式为：

t1 = L / Vflowgas + VanaDelay，

其中：L：真空槽液面到废气采集装置开口位置的距离，Vflowgas：抽真空时废气的流速，VanaDelay：质谱仪废气分析用时；

步骤3，比较步骤2中计算出的当前碳含量与目标碳含量，当当前碳含量小于或等于目标碳含量，通知PLC停止吹氧并提枪；

步骤4，PLC控制顶枪停止吹氧并提枪。

2.根据权利要求1所述的基于质谱仪的RH动态脱碳方法，其特征在于，还包括以下步骤：将实时钢水碳成份传输至PLC，在上位机绘制碳含量的时间曲线。

3.根据权利要求1或2所述的基于质谱仪的RH动态脱碳方法，其特征在于：在步骤2的公式（2）加入其他影响因素后调整为下述公式，其他影响因素包括其他物料的含碳量和钢包析出的碳：

C_t=C₀ - (Cladle+∑（W_i×Cper_i×Creap_i）+∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+ ∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st + K； （3）

其中：Cladle：钢包析出的碳，且Cladle=∫₀ ^tCsepSpeeddt，CsepSpeed：钢包碳析出的速度，W_i：冶炼过程中加入物料i的重量，Cper_i：物料i的含碳量，Creap_i：加入物料i碳的收得率；K：调整系数；

通过公式（3）计算钢水的碳含量。

4.根据权利要求3所述的基于质谱仪的RH动态脱碳方法，其特征在于：所述CsepSpeed根据对应钢包的历史CsepSpeed值进行计算。

5.根据权利要求4所述的基于质谱仪的RH动态脱碳方法，其特征在于，所述根据对应钢包的历史CsepSpeed值计算当前CsepSpeed的步骤具体为：取对应钢包的最近10炉次的CsepSpeed数据，除去最大值和最小值，取剩余的CsepSpeed的平均值作为本炉次计算的CsepSpeed；当历史数据不足10炉次时直接取历史炉次的CsepSpeed平均值。

6.根据权利要求4或5所述的基于质谱仪的RH动态脱碳方法，其特征在于，所述CsepSpeed值采用自学习方法进行调整，其调整方法包括如下步骤：

为所有的钢包建立档案数据；

为每个钢包的CsepSpeed赋初始值；

根据对应钢包的历史CsepSpeed值计算当前CsepSpeed；

在炉次结束并得到终点分析的碳含量后，通过下述公式计算得出各炉次的CsepSpeed：

CsepSpeed= (C₀ - (∑（W_i×Cper_i ×Creap_i）+∫₀ ^t(（CO+CO₂)×F_gas）dt+ ∫₀ ^(t1+t2)(（CO_t+CO_2t)×F_gast÷e^t）dt)÷W_st + K - Cfin) / t； (5)

其中,Cfin为脱碳终点实际分析的碳含量；

钢包重新砌筑内砖后，清除原有的记录，重新赋CsepSpeed初始值。