CN104419799A - 一种转炉冶炼在线预测高碳钢碳含量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转炉冶炼在线预测高碳钢碳含量方法，a转炉装入碳量确定；b脱碳量在线确定；c熔池中碳含量连续确定；建立基于炉气分析技术的动态控制模型，可实时得到熔池中高碳环境下快速脱碳期碳含量的信息，可做到高碳钢吹炼一次拉碳90%以上的命中率，大幅度地降低补吹率，使钢液更纯净，减少铁损，采取炉气分析技术，与副枪相比成本低廉，缩短冶炼周期3-5min。

Description

一种转炉冶炼在线预测高碳钢碳含量方法

技术领域

本发明涉及转炉冶炼过程在线预测高碳钢碳含量的方法，特别是基于炉气分析技术的转炉在线预测高碳钢冶炼过程熔池中碳含量方法。 

背景技术

在转炉自动化炼钢核心为二级过程模型控制系统，普遍应用静态模型控制和动态模型控制两种方法。这些方法均需要准确的入炉原始数据和过程检测数据。其中原始数据由现实条件而定，因此，如何做好过程检测对于转炉吹炼的过程及终点判定便显得更为重要。转炉炼钢的重点任务之一就是如何快速、准确、低成本地得到吹炼过程中熔池碳含量的变化，尤其对于终点脱碳速度尚处于高速状态的高碳钢吹炼具有巨大的现实意义和经济价值。 

在现有技术中，申请号为CN200810055411.5的转炉炼钢钢水连续定碳方法，属冶金炼钢技术领域，用于解决利用直插式气体分析仪及计算机系统，实现实时在线预报钢水碳含量的问题。申请号CN200910076894.1的转炉炼钢全程动态监控方法，采用激光气体分析仪和料仓口投弹实现转炉炼钢全程动态控制，对钢水成分和温度进行连续预报和动态检测，辅助转炉进行终点判断。申请号CN200910010672.X的一种连续预测转炉熔池碳含量的方法，主要包括数据采集、原料控制、操作控制、工艺过程；数据采集中利用炉气流量计对炉气流量进行检测，所有检测信息通过数据通讯系统传输至 计算机；原料控制中，废钢比为8%-13%，轻型废钢与重型废钢的重量百分比控制在14%-70%；操作控制中，在吹炼结束前的2-3分钟内保持固定枪位、固定烟罩；工艺过程中，以耗氧总量75%为分界线，应用不同的公式预测碳含量。申请号CN200510123304.8的转炉炼钢过程与终点控制系统，采用炉气分析法，在烟气管道上安装激光气体分析仪及温度检测计，在除尘后的冷段管道上安装烟气流量检测计，从而获得包括烟气成分、烟气温度和烟气流量综合信息，该信息进入计算机与转炉其它信息相结合计算出转炉吹炼过程脱碳速度、脱碳量、反应变化曲线、过程中和接近终点时钢水中碳含量，以及结合转炉加入的原料、辅料、吹氧量、炉况、熔池搅拌等信息计算出吹炼中钢水温度；该结果直接反馈于转炉控制计算机，实现生产过程的氧枪枪位控制、吹氧控制、造渣控制吹炼终点提枪控制、底吹控制，转炉炼钢过程与终点的控制。申请号CN200820004432.X的在线气体分析的钢水连续定碳仪，涉及到利用烟气分析对转炉钢水碳含量的连续预报，包括激光信号发生器和接收器两部分，其上带有采样头，采样头与管道构成激光和气体传输通道。所发射的激光信号穿过烟道被信号接收器接受，该发明能直接实现钢水的连续定碳。 

以上这些方法均可归结为炉气(烟气)分析技术，但这些方法仅限于转炉出钢碳含量小于0.10%的低碳钢种有效，均未提及如何适用于高碳钢(碳含量大于0.40%以上)。 

另外比较常见的就是以副枪为代表的接触式检测技术，在此基础上，以静态模型作为全程控制的主导，结合吹炼终点前副枪检测结果而进行吹炼调整的动态控制模型在炼钢过程得以实现。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，并且由于受到炉口大小等条件的限制，一般在120吨以下的转炉上不能应用，且由于依赖检测探头，其检测成本高昂。 

再一种检测碳含量方法，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。这种方法对于目前200t以上比较稳定的大型转炉有效，且[C]<0.06%范围内的控制有一定的精确度。但这种方法用于[C]>0.06%的情况时，其测量误差很大。它的这些局限性使得其在非上述条件炉型的推广使用中面临着较大的困难。 

关于碳含量的预测可以归结为3种手段，一是以炉气(烟气)分析技术为主，但对出钢碳含量小于0.10%的低碳钢种有效；二是副枪接触式检测，其成本较高；三是利用光学感应探头采集炉口火焰的强度，经数学模型预测碳含量，不仅对炉型有要求，而且也仅限于低碳钢种(碳含量<0.06%)。 

已查得的文献材料均未详细报道或公开如何利用炉气分析在线预测高碳钢(碳含量大于0.40%以上)冶炼过程熔池中碳含量技术。在碳含量如此高时即使采取副枪检测误差也很大，多采取“高拉一点”方式，即熔池碳含量在1.0%左右时，提枪停吹检验，再依据检验结果，结合冶炼经验确定补吹氧量及时间，这一过程一般需要3-5min。若能做到在转炉吹炼过程一次性提枪停吹命中碳含量目标，不仅减轻劳动强度、大大缩短冶炼周期、降低铁耗，而且稳定钢液质量，创造现实的经济价值。 

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是采用数学模型与工艺控制过程相结合的方法，提供一种在转炉吹炼高碳钢过程中，熔池中碳含量>0.40%的情况下能够在线连续预测的方法，从而实现一次拉碳命中90%的目的。 

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 

本发明转炉冶炼在线预测高碳钢碳含量方法的操作包括如下步骤： 

a转炉装入碳量确定；转炉首先装入金属料，铁水和废钢。铁水和废钢均含有碳，转炉装入碳量按公式（1）计算，铁水、废钢信息收集由基础级完成； 

$W_C^{\mathrm{in}}=W_{\mathrm{iron}}^C+W_{\mathrm{scrap}}^C=\frac{1000}{100}\&times;(W_{\mathrm{iron}}\&times;w{\left[C\right]}_{\mathrm{iron}}+\mathrm{\&alpha;}{W}_{\mathrm{scrap}}\&times;w{\left[C\right]}_{\mathrm{scrap}})---\left(1\right)$

公式（1）中—分别为由铁水和废钢带入转炉中的碳量，kg； 

W_iron、W_scrap—分别为铁水和废钢质量，t； 

w[C]_iron、w[C]_scrap—分别为铁水和废钢中碳含量，w[C]_iron取当罐检测值、w[C]_scrap取近期1周内废钢检测平均值，%；α为修正系数，α=0.8-1.2。以上数据均由基础级采集，通过通讯系统传输给模型； 

b脱碳量在线确定；金属料装入完毕后，开始下降氧枪喷吹氧气进行吹炼。吹炼开始后脱碳产物主要以CO和CO₂气体形式从转炉内排出，排出的炉气进入烟道收集处理。从转炉中排出的脱碳量计算所需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分析(1次/3s)，包括CO、CO₂，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。 

$W_C^{\mathrm{off}}=\frac{12\&times;3}{3600\&times;22.4}\&times;\mathrm{\&beta;}\&times;(\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{off}-\mathrm{gas}}^t\&times;(x_{\mathrm{CO}}+x_{{\mathrm{CO}}_2}))---\left(2\right)$

公式(2)中为炉气流量，m³/h，x_CO为炉气中CO摩尔分数、为炉气中CO₂摩尔分数，%；β为修正系数，β=1.0-1.2； 

c熔池中碳含量连续确定；从氧枪喷吹氧气开始，炉气就源源不断产生，把公式(1)和(2)每3秒钟计算一次的结果代入公式(3)便可在线得出熔池中碳含量的连续变化。直至根据公式(3)在线计算的碳含量满足出钢目标要求，提枪停吹； 

$w{\left[C\right]}^t=\frac{(W_C^{\mathrm{in}}-W_C^{\mathrm{off}})}{\mathrm{\&gamma;}(W_{\mathrm{iron}}+W_{\mathrm{scrap}})\&times;1000\%}\&times;100\%---\left(3\right)$

公式(3)中γ为修正系数，γ=0.85-0.95。 

之所以可以利用公式(1)-(3)在线预测高碳钢冶炼时熔池中碳含量，其原理是： 

①转炉吹炼高碳钢的废钢装入量平均70kg/t-80kg/t铁水，远少于低碳钢平均130kg/t-140kg/t铁水的水平，这就意味着由废钢代入转炉的原始碳量误差要少40%-50%，即由公式(1)计算的转炉装入碳量误差要少40%-50%。 

②转炉吹炼高碳钢的吹氧平均时间为12min-13min，吹炼时间较低碳钢平均15min-17min要短，假设吹炼全程炉气散逸均匀，这就意味着由炉口散逸的炉气量较低碳钢要少约20%，即公式(2)在线计算的脱碳量误差减少20%。 

③高碳钢生产的转炉出钢碳含量允许范围一般在±0.15%左右，其许可范围远宽松于低碳钢±0.02%的要求。 

因此，利用质量守恒原理，基于炉气分析方法预测高碳钢吹炼过程中钢水碳含量是可行的。 

进一步的，为了进行工业稳定生产，更好地实现公式(3)的准确命中效果，需要制定一定的工艺制度固定一些边界条件，即对原料及其加入方式进行控制。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，尤其需要对废钢进行分类，每一类废钢入炉量的误差必须控制在≤10kg/t铁水，废钢总装入量误差控制在≤15kg/t铁水，以此减小装入误差对原始入炉碳量的影响，即减小公式(1)的计算误差。 

再进一步的，为了得到稳定的脱碳量，即减小公式(2)的计算误差，氧枪操作力求吹炼全程化渣平稳。具体要求是氧枪喷吹氧气吹炼到计算耗氧总量的90-92%时开始进入拉碳准备枪位，即氧枪枪位控制在正常吹炼枪位高度的80%左右，即开吹枪位的80%左右，进入拉碳准备枪位后不再添加任何原料，以避免因加料引起炉气成分的变化，进而影响公式(2)计算波动。逐步降低氧枪高度，一次性变化幅度≤0.3m，直至吹炼到耗氧总量的97-98%时氧枪降到拉碳枪位，即氧枪枪位控制在正常吹炼枪位高度的70%左右，当在线计算的碳含量满足出钢目标要求，提枪停吹。 

本发明利用炉气分析系统(以质谱仪为核心分析设备)对转炉炉气进行在线分析，建立基于炉气分析技术的动态控制模型。该模型对加料量、耗氧量及吹炼终点等进行判断，结合数学模型和操作工艺可实现转炉冶炼高碳碳钢碳含量在线监测碳含量，可实时得到熔池中高碳环境下快速脱碳期碳含量的信息，可做到高碳钢吹炼一次拉碳90%以上的命中率，大幅度地降低补吹率，使钢液更纯净，减少铁损，采取炉气分析技术，与副枪相比成本低廉，缩短冶炼周期3-5min。 

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明： 

针对900A、80、U71Mn、U75V等高碳钢种进行11炉次的在线控制工业生产试验，入炉原料条件如表1所示。 

表1入炉原料条件 

原料	最小值	最大值	平均值	单位
					铁水量	98	110	104	t
废钢	0	90	42	kg/t铁水
					冶金石灰	30	51	42	kg/t铁水
轻烧白云石	20	38	27	kg/t铁水
					铁水碳含量	4.0	4.6	4.3	%
铁水硅含量	0.24	0.60	0.40	%
					铁水锰含量	0.10	0.30	0.15	%
铁水磷含量	0.05	0.08	0.06	%
					铁水硫含量	0	0.03	0.02	%
铁水温度	1200	1400	1270	℃

a把表1中的铁水重量、碳含量，废钢重量、碳含量数据代入公式(1)进行转炉装入碳量计算，铁水及废钢信息由基础级传输给模型。 

$W_C^{\mathrm{in}}=W_{\mathrm{iron}}^C+W_{\mathrm{scrap}}^C=\frac{1000}{100}\&times;(W_{\mathrm{iron}}\&times;w{\left[C\right]}_{\mathrm{iron}}+\mathrm{\&alpha;}{W}_{\mathrm{scrap}}\&times;w{\left[C\right]}_{\mathrm{scrap}})---\left(1\right)$

公式(1)中—分别为由铁水和废钢带入转炉中的碳量，kg； 

W_iron、W_scrap—分别为铁水和废钢质量，t； 

w[C]_iron、w[C]_scrap—分别为铁水和废钢中碳含量，w[C]_iron取当罐检测值，w[C]_scrap取本周内废钢检测平均值，w[C]_scrap=0.65%；α=0.95。 

b开始吹炼后，炉气分析系统就开始在线实时检测炉气成分及炉气流量，将炉气中CO和CO₂及炉气流量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，计算频率为1次/3s。 

$W_C^{\mathrm{off}}=\frac{12\&times;3}{3600\&times;22.4}\&times;\mathrm{\&beta;}\&times;(\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{off}-\mathrm{gas}}^t\&times;(x_{\mathrm{CO}}+x_{{\mathrm{CO}}_2}))---\left(2\right)$

公式(2)中、x_CO、—分别为炉气流量，m³/h，炉气中CO、CO₂摩尔分数，%；β为修正系数，β=1.15。 

c随着吹炼进行，把公式(1)和(2)每3秒钟计算一次的结果代入公式(3)，可在线得出熔池中碳含量的连续变化。当公式(3)在线计算的碳含量满足出钢目标要求，提枪停吹。 

$w{\left[C\right]}^t=\frac{(W_C^{\mathrm{in}}-W_C^{\mathrm{off}})}{\mathrm{\&gamma;}(W_{\mathrm{iron}}+W_{\mathrm{scrap}})\&times;1000\%}\&times;100\%---\left(3\right)$

公式(3)中γ=0.93。 

吹炼全程化渣平稳，当吹炼到耗氧总量的92%时，进入准备枪位，不再添加任何炉料，氧流控制在3.0Nm³/(min·t)，吹炼到耗氧总量的98%时氧枪降到拉碳枪位，当模型在线判断的碳含量达到钢种吹炼要求时提枪停吹。在实施例吹炼终点出钢碳含量0.44%-0.66%范围，命中精度±0.10%内，采用本技术终点碳含量一次拉碳命中率达到91%，如表2所示。 

表2试验结果对比 

试验次数	模型预测/%	倒炉取样/%	绝对误差/%
				1	0.57	0.66	0.09
2	0.58	0.47	-0.11
				3	0.63	0.55	-0.08
4	0.55	0.65	0.1
				5	0.61	0.51	-0.1
6	0.6	0.55	-0.05
				7	0.69	0.68	-0.01
8	0.57	0.57	0
				9	0.57	0.66	0.09
10	0.57	0.62	0.05
				11	0.57	0.61	004

Claims (3)

1.一种转炉冶炼在线预测高碳钢碳含量方法，其特征在于包括如下步骤：

a转炉装入碳量确定；转炉首先装入金属料，铁水和废钢，装入碳量按公式（1）计算转炉装入碳量，

$W_C^{\mathrm{in}}=W_{\mathrm{iron}}^C+W_{\mathrm{scrap}}^C=\frac{1000}{100}\&times;(W_{\mathrm{iron}}\&times;w{\left[C\right]}_{\mathrm{iron}}+\mathrm{\&alpha;}{W}_{\mathrm{scrap}}\&times;w{\left[C\right]}_{\mathrm{scrap}})---\left(1\right)$

公式（1）中—分别为由铁水和废钢带入转炉中的碳量，kg；

W_iron、W_scrap—分别为铁水和废钢质量，t；

w[C]_iron、w[C]_scrap—分别为铁水和废钢中碳含量，w[C]_iron取当罐检测值、w[C]_scrap取近期1周内废钢检测平均值，%；α为修正系数，α=0.8-1.2；

b脱碳量在线确定；金属料装入完毕后，开始下降氧枪喷吹氧气进行吹炼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CO、CO₂进行分析，，按公式（2）计算脱碳量，计算频率为1次/3s，

$W_C^{\mathrm{off}}=\frac{12\&times;3}{3600\&times;22.4}\&times;\mathrm{\&beta;}\&times;(\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_{\mathrm{off}-\mathrm{gas}}^t\&times;(x_{\mathrm{CO}}+x_{{\mathrm{CO}}_2}))---\left(2\right)$

公式(2)中为炉气流量，m³/h，x_CO为炉气中CO摩尔分数、为炉气中CO₂摩尔分数，%；β为修正系数，β=1.0-1.2；

c熔池中碳含量连续确定；把公式(1)和(2)每3秒钟计算一次的结果代入公式(3)便可在线得出熔池中碳含量的连续变化，直至根据公式(3)在线计算的碳含量满足出钢目标要求，提枪停吹；

$w{\left[C\right]}^t=\frac{(W_C^{\mathrm{in}}-W_C^{\mathrm{off}})}{\mathrm{\&gamma;}(W_{\mathrm{iron}}+W_{\mathrm{scrap}})\&times;1000\%}\&times;100\%---\left(3\right)$

公式(3)中γ为修正系数，γ=0.85-0.95。

2.根据权利要求1所述的转炉冶炼在线预测高碳钢碳含量方法，其特征在于：所述废钢总装入量误差控制在≤15kg/t铁水。

3.根据权利要求1所述的转炉冶炼在线预测高碳钢碳含量方法，其特征在于：氧枪喷吹氧气吹炼到计算耗氧总量的90-92%时开始进入拉碳准备枪位，进入拉碳准备枪位后不再添加任何原料，逐步降低氧枪高度，一次性变化幅度≤0.3m，直至吹炼到耗氧总量的97-98%时氧枪降到拉碳枪位。