CN104775006A - 基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，包括：在抽真空及前处理并氧枪吹氧开始后，计算吹氧阶段废气参数信息，包括炉内气体发生量和炉内气体成分；基于炉内废气参数信息，计算吹氧脱碳速率；跟踪计算钢液碳含量；对吹氧脱碳速率修正系数和钢液碳含量修正计算判定；顶枪吹氧结束判定；计算真空阶段的废气相关参数信息，包括吸入空气量和废气流量计算、炉内气体发生量和炉内气体成分计算；计算真空处理脱碳速率；计算钢液碳含量；深真空自由脱碳处理停止判定；以及后续处理至VOD处理结束。本发明可以将因环境变化对炉气检测信息的干扰降低，更为有效地用于模型计算及过程监控，对过程吹氧及真空处理时间的准确控制。

Description

基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法

技术领域

本发明涉及一种真空吹氧脱碳精炼的控制方法。

背景技术

真空吹氧脱碳（Vacuum Oxygen Decarburization，VOD），主要是利用真空条件促进碳氧反应并减低铬元素氧化的原理来进行脱碳冶炼的。置于真空罐内钢包中的不锈钢钢水利用顶吹氧枪吹氧来获得氧，氧溶解于钢液并和钢液中碳反应，没有反应的溶解氧在后续的深真空处理阶段可以持续与钢液中碳反应，从而可以获得很低的碳含量。VOD法是生产不锈钢尤其是超低碳、氮不锈钢的理想方法。

通过合理的吹氧控制，实现有效脱碳，并控制合金元素铬的氧化，减少还原消耗，缩短冶炼时间，实现优化冶炼是VOD精炼的控制目标。因VOD炉在真空精炼处理过程中不便于取样，冶金工作者陆续开发了多种VOD脱碳停氧控制法:（1）计算法。主要采用理论计算结合经验系数来计算所需的供氧量，按供氧量来确定吹氧结束时间。这种方法只适用于具体的设备，各厂家有不同的计算方法，且难以实现准确控制。（2）真空度及废气温度控制法。即利用压力、温度变化的特征作为VOD停氧控制的依据，这在早期有过应用。（3）气体红外分析判定法。利用红外气体分析仪来分析VOD精炼废气中CO、CO₂及O₂的成分，依据气体中CO含量变化特征并参考真空度变化来控制停氧时刻。这种方法可以较为准确地确定停氧时间，并且不受具体设备的限制。（4）气相定碳法。通过气体成分中CO和CO₂含量分析，结合气体流量检测计算脱碳量，达到脱碳量后即停止吹氧。当废气流量不易测量或不易准确测量时，可采用惰性气体示踪方法。废气分析通常采用红外分析及质谱仪，采用红外分析系统时，可用标气法来测量流量，这种方法在美国一些钢厂用来控制终点碳。（5）氧浓差电池法。依据废气氧势连续测量变化特征，反映吹氧的终始点，并能够反映不正常的炉况。此方法测量准确，反应迅速，连续显示，操作方便，便于自动化控制，曾用于国内多家钢厂，取得了较好的控制效果。

质谱仪炉气分析因为能够提供快速、准确、多种气体成分连续变化的详细信息，是红外等其他测量手段所无法比拟的（红外分析滞后时间较长，分析气体种类有限），目前在炼钢过程应用日渐普遍，利用炉气分析系统开发先进的VOD过程控制，冶金效果较人工经验控制模式有较大改善。

VOD精炼脱碳控制的关键是控制吹氧量及停吹时间。吹氧量不够，则不能满足终点碳要求；过度的吹氧则会造成钢液中合金元素铬过度氧化，钢液过热以及还原剂消耗急剧增加，也不利于提高钢水质量。目前，生产上利用质谱仪分析的废气成分变化特征结合人工经验可以辅助判定停氧时间。但是由于人工经验带有很大的主观性，造成不同操作人员的差异，而且炉气取样分析也可能因各炉次条件不同而存在较大的变化，也不利于过程稳定控制。对于VOD精炼过程控制而言，更需要量化的信息，并可以连续跟踪过程脱碳及碳含量变化，从而可以精确控制吹氧及终点碳含量，以实现优化冶炼的目标。

日本专利第JP61195913A号和第JP62263916A号公开了一种VOD吹氧量分段计算的脱碳控制方法。后者同时给出相关参数更为详细的计算方法，并给出了真空脱碳处理时间的计算方法。在实际应用中，VOD处理起始的钢液碳含量为终点目标碳的几十倍，仅利用模型是难以实现整个脱碳过程都较为准确的跟踪和控制的，越往脱碳后期，计算碳含量的相对偏差越大，因此难以实现精确控制。在超低碳不锈钢冶炼过程中为了严格控制碳含量则经常会出现吹氧过度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，可有效控制吹氧量及停吹时间，以满足终点碳要求和避免钢液中合金元素铬过度氧化、钢液过热以及还原剂消耗急剧增加，以利于提高钢水质量。

本发明的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，包括以下步骤：

在抽真空及前处理并氧枪吹氧开始后，计算吹氧阶段废气参数信息，包括炉内气体发生量和炉内气体成分；

基于炉内废气参数信息，计算吹氧脱碳速率；

跟踪计算钢液碳含量；

对吹氧脱碳速率修正系数和钢液碳含量修正计算判定；

顶枪吹氧结束判定；

计算真空阶段的废气相关参数信息，包括吸入空气量和废气流量计算、炉内气体发生量和炉内气体成分计算；

计算真空处理脱碳速率；

计算钢液碳含量；

深真空自由脱碳处理停止判定；

后续处理至VOD处理结束。

所述计算吹氧阶段的废气相关参数信息包括：计算吸入空气量q_leak（Nm3/h）和废气流量q_off（Nm3/h）、计算炉内气体发生量（Nm3/h）、以及计算炉内气体成分；

所述废气流量q_off和吸入空气量q_leak利用以下公式计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}-q_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{N_2}^{\mathrm{air}}}{C_{\mathrm{Ar}}-C_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{N_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}-q_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}/C_{N_2}}{C_{N_2}^{\mathrm{air}}{C}_{\mathrm{Ar}}/C_{N_2}-C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

式中，q_Ar为钢包底吹氩气流量（Nm³/h），为钢液脱氮反应生成气体流量（若钢液吸氮反应，则为负值）以及吹入氮气流量的总和（Nm³/h），为空气中Ar的含量，C_Ar为质谱仪分析的废气中Ar的含量，为空气中N₂含量，为质谱仪分析的废气中N₂含量；

炉内气体成分利用以下公式计算得到：

$C_{\mathrm{Ar}}^{\′}=\max [C_{\mathrm{Ar}}{q}_{\mathrm{off}}-C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{N_2}^{\′}=\max [C_{N_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{N_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{O_2}^{\′}=\max [C_{O_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{O_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\′}=\max [C_{{\mathrm{CO}}_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}}-2\max (C_{O_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}}-C_{O_2}{q}_{\mathrm{off}},0),0];$

$C_j^{\mathrm{in}}=\frac{C_j^{\′}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i^{\′}},i,j=\mathrm{CO},{\mathrm{CO}}_2,O_2,N_2,\mathrm{Ar};$

式中，C′_i为气体i计算的中间值，为炉内气体j的含量；

吹氧脱碳速率根据以下公式计算得到：

若处于高碳区，即有

$r_C^{*}=\max [q_{\mathrm{off}}^{\mathrm{in}}(C_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{in}}+C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{in}})-q_{\mathrm{CO}},0]\frac{f_r{P}^0{M}_C}{{3600\mathrm{RT}}^0}$

式中，C_[C]为当前钢液碳含量，为高碳区临界碳含量，q_CO为非吹氧反应生成的CO气体流量（Nm³/h），P⁰为标准大气压（101325Pa），R为气体常数（8.314J/mol/K），M_C为碳原子的摩尔质量（kg/mol），T⁰为标准状态温度（273.15K），f_r为吹氧脱碳速率修正系数。同时计算脱碳速率常数：n为指数系数；

若处于中碳区域，即有

$r_C=k_{C_0}{C}_{\left[C\right]}^n;$

式中，为低碳区临界碳含量。同时计算脱碳速率常数： 为平衡碳含量；

若处于低碳区域，即有

$r_C=k_{C_1}(C_{\left[C\right]}-C_{\left[C\right]}^{\mathrm{eq}});$

式中，C_[C]为当前的钢液碳含量，为当前吹氧条件下的平衡碳含量；

所述钢液碳含量根据以下公式计算得到：

C_[C]=(C_[C]m-r_CΔt-r′_CΔt)/(m+Δm)；

式中，m为当前时刻前一步长的钢液重量（kg），Δm为Δt时间内的钢液质量变化（kg），r_C为吹氧脱碳速率（kg/s），r′_C为其他反应区域的脱碳速率（kg/s）；

所述吹氧脱碳速率常数修正判定计算：

若吹氧脱碳速率小于平均脱碳速率的一半，且本炉次至此尚未进行脱碳速率修正，取此处作为修正计算的临界点，并计算脱碳速率常数修正系数：

$f_r=\frac{C_{\left[C\right]}^0{m}^0-C_{\left[C\right]}^{*}{m}^{*}-{\∫}_{t_0}^t{r}_C^{\′}\mathrm{dt}}{{\∫}_{t_0}^t{r}_C^{*}\mathrm{dt}}$

式中，为吹氧起始的碳含量，为临界点的碳含量，m⁰为起始的钢液重量，m^*为临界点处的钢液重量。计算修正系数后返回吹氧操作起始，重新进行计算至当前时刻；

所述钢液碳含量修正判定计算：

若，钢液碳含量处于低碳区域，且吹氧脱碳速率大于临界点前的平均吹氧脱碳速率，即其中为临界点前由炉气推算的平均的脱碳速率，则将钢液碳含量重置为低碳区临界碳含量，即

所述顶枪吹氧结束判定是依据计算的钢液碳含量；

当时间t=t₁深真空自由脱碳处理开始；

当时间为t=t+Δt，计算真空阶段的废气相关参数信息包括：

时间为t=t+Δt，获取当前最新的炉气取样分析动态信息，包括CO、CO₂、O₂、N₂、Ar和H₂，共6种气体。

若采用底吹氩气，吸入空气量和废气流量计算为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}}{C_{\mathrm{Ar}}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}{C_{\mathrm{Ar}}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

若采用底吹氮气，吸入空气量和废气流量计算为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{N_2}}{C_{N_2}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{N_2}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{N_2}({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}{C_{N_2}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{N_2}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

所述计算真空处理脱碳速率根据以下公式计算得到：

$r_C^j=k_j{A}_j{\mathrm{\ρ}}_m(C_{\left[C\right]}-C_{\left[C\right]}^{\mathrm{eq},j})$

式中，为j反应区的脱碳反应速率（kg/s），k_j为j反应区的脱碳表观传质系数（m/s），A_j为j反应区的反应面积（m²），ρ_m为钢液密度（kg/m³），为j反应区的碳平衡含量；这里的反应区域包括：钢液表面的炉渣与钢液的界面反应区、钢液表面反应区、钢包底部吹入气体和钢液的界面反应区。总的脱碳速率为：

$r_C^{\′}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{r}_C^j;$

所述钢液碳含量根据以下公式计算得到：

C_[C]=(C_[C]m-r′_CΔt)/(m+Δm)。

本发明的有益效果是：本发明利用炉气检测信息进行转换和推算，可以将因环境变化对炉气检测信息的干扰降低，并获得更为有用的量化信息：炉内气体发生量、炉内气体成分和脱碳速率等，从而更为有效地用于模型计算及过程监控；此外，与过程机理及平衡分析的结合，可以充分合理地利用炉气检测信息，实现对过程脱碳及碳含量的连续跟踪，对过程吹氧及真空处理时间的准确控制，并达到缩短冶炼时间、降低消耗，实现优化的冶炼控制。

附图说明

图1是本发明一个实施例的VOD精炼过程脱碳控制方法的流程图；

图2是图1实施例的方法中废气流量计算结果的曲线图；

图3是图1实施例的方法中质谱仪取样分析的气体成分的曲线图；

图4是图1实施例的方法中推算的炉内气体成分的曲线图；以及

图5是图1实施例的方法中VOD炉脱碳过程计算结果的曲线图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来作最宽泛的理解。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。

本发明提供一种基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，可有效控制吹氧量及停吹时间，以满足终点碳要求和避免钢液中合金元素铬过度氧化、钢液过热以及还原剂消耗急剧增加，以利于提高钢水质量。

本发明利用炉气检测信息进行转换和推算，可以将因环境变化对炉气检测信息的干扰降低，并获得更为有用的量化信息：炉内气体发生量、炉内气体成分和脱碳速率等，从而更为有效地用于模型计算及过程监控。此外，与过程机理及平衡分析的结合，可以充分合理地利用炉气检测信息，实现对过程脱碳及碳含量的连续跟踪，对过程吹氧及真空处理时间的准确控制，并达到缩短冶炼时间、降低消耗，实现优化的冶炼控制。

利用质谱仪实时分析的VOD处理过程废气成分信息，并基于炉气分析模型，实现对VOD炉精炼过程脱碳及钢液碳含量的连续跟踪，精确控制吹氧量及真空处理时间，从而稳定操作，提高冶炼质量，降低消耗，并合理缩短冶炼时间。

如图1流程图所示，本发明一个实施例的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，按如下步骤实现对VOD精炼过程碳含量的跟踪，以及吹氧及真空处理时间的控制：

（a）VOD处理炉次开始

时间t=0；

（b）VOD过程抽真空及前处理操作

进行VOD吹氧的前处理操作；

（c）VOD过程氧枪吹氧及吹氧脱碳开始

时间t=t₀；

（d）计算吹氧阶段的废气相关参数信息：

时间t=t+Δt，获取当前最新的炉气取样分析动态信息，包括CO、CO₂、O₂、N₂、Ar和H₂，共6种气体；计算吸入空气量q_leak（Nm³/h）和废气流量q_off（Nm³/h）：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}-q_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{N_2}^{\mathrm{air}}}{C_{\mathrm{Ar}}-C_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{N_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}-q_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}/C_{N_2}}{C_{N_2}^{\mathrm{air}}{C}_{\mathrm{Ar}}/C_{N_2}-C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

式中，q_Ar为钢包底吹氩气流量（Nm³/h），为钢液脱氮反应生成气体流量（若钢液吸氮反应，则为负值）以及吹入氮气流量的总和（Nm³/h），为空气中Ar的含量，C_Ar为质谱仪分析的废气中Ar的含量，为空气中N₂含量，为质谱仪分析的废气中N₂含量。

计算炉内气体成分，如下：

$C_{\mathrm{Ar}}^{\′}=\max [C_{\mathrm{Ar}}{q}_{\mathrm{off}}-C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{N_2}^{\′}=\max [C_{N_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{N_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{O_2}^{\′}=\max [C_{O_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{O_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\′}=\max [C_{{\mathrm{CO}}_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}}-2\max (C_{O_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}}-C_{O_2}{q}_{\mathrm{off}},0),0];$

$C_j^{\mathrm{in}}=\frac{C_j^{\′}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i^{\′}},i,j=\mathrm{CO},{\mathrm{CO}}_2,O_2,N_2,\mathrm{Ar};$

式中，C′_i为气体i计算的中间值，为炉内气体j的含量；

（e）计算吹氧脱碳速率：

若处于高碳区，即有

$r_C^{*}=\max [q_{\mathrm{off}}^{\mathrm{in}}(C_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{in}}+C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{in}})-q_{\mathrm{CO}},0]\frac{f_r{P}^0{M}_C}{{3600\mathrm{RT}}^0}$

式中，C_[C]为当前钢液碳含量，为高碳区临界碳含量，q_CO为非吹氧反应生成的CO气体流量（Nm³/h），P⁰为标准大气压（101325Pa），R为气体常数（8.314J/mol/K），M_C为碳原子的摩尔质量（kg/mol），T⁰为标准状态温度（273.15K），f_r为吹氧脱碳速率修正系数。同时计算脱碳速率常数：n为指数系数；

若处于中碳区域，即有

$r_C=k_{C_0}{C}_{\left[C\right]}^n;$

式中，为低碳区临界碳含量。同时计算脱碳速率常数： 为平衡碳含量；

若处于低碳区域，即有

$r_C=k_{C_1}(C_{\left[C\right]}-C_{\left[C\right]}^{\mathrm{eq}});$

式中，C_[C]为当前的钢液碳含量，为当前吹氧条件下的平衡碳含量；

（f）计算钢液碳含量：

C_[C]=(C_[C]m-r_CΔt-r′_CΔt)/(m+Δm)；

式中，m为当前时刻前一步长的钢液重量（kg），Δm为Δt时间内的钢液质量变化（kg），r_C为吹氧脱碳速率（kg/s），r′_C为其他反应区域的脱碳速率（kg/s）；

（g）吹氧脱碳速率常数修正判定计算：

若吹氧脱碳速率小于平均脱碳速率的一半，且本炉次至此尚未进行脱碳速率修正，取此处作为修正计算的临界点，并计算脱碳速率常数修正系数：

$f_r=\frac{C_{\left[C\right]}^0{m}^0-C_{\left[C\right]}^{*}{m}^{*}-{\∫}_{t_0}^t{r}_C^{\′}\mathrm{dt}}{{\∫}_{t_0}^t{r}_C^{*}\mathrm{dt}}$

式中，为吹氧起始的碳含量，为临界点的碳含量，m⁰为起始的钢液重量，m^*为临界点处的钢液重量。计算修正系数后返回步骤（c），重新进行计算至当前时刻；

（h）钢液碳含量修正判定计算：

若，钢液碳含量处于低碳区域，且吹氧脱碳速率大于临界点前的平均吹氧脱碳速率，即其中为临界点前由炉气推算的平均的脱碳速率，则将钢液碳含量重置为低碳区临界碳含量，即

（i）顶枪停氧即吹氧结束判定

依据计算的钢液碳含量，若停止吹氧，进入下一步，否则转回步骤（d）；

（j）深真空自由脱碳处理开始

时间t=t₁；

（k）计算真空阶段的废气相关参数信息：

时间为t=t+Δt，获取当前最新的炉气取样分析动态信息，包括CO、CO₂、O₂、N₂、Ar和H₂，共6种气体；若采用底吹氩气，吸入空气量和废气流量计算为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}}{C_{\mathrm{Ar}}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}{C_{\mathrm{Ar}}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

若采用底吹氮气，吸入空气量和废气流量计算为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{N_2}}{C_{N_2}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{N_2}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{N_2}({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}{C_{N_2}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{N_2}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

计算炉内气体发生量和炉内气体成分，计算方法同步骤（d）；

（l）计算真空处理脱碳速率

$r_C^j=k_j{A}_j{\mathrm{\ρ}}_m(C_{\left[C\right]}-C_{\left[C\right]}^{\mathrm{eq},j})$

式中，为j反应区的脱碳反应速率（kg/s），k_j为j反应区的脱碳表观传质系数（m/s），A_j为j反应区的反应面积（m²），ρ_m为钢液密度（kg/m³），为j反应区的碳平衡含量。这里的反应区域包括：钢液表面的炉渣与钢液的界面反应区、钢液表面反应区、钢包底部吹入气体和钢液的界面反应区。总的脱碳速率为

$r_C^{\′}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{r}_C^j;$

（m）计算钢液碳含量

C_[C]=(C_[C]m-r′_CΔt)/(m+Δm)；

（n）深真空自由脱碳处理停止判定：

根据计算的钢液碳含量判定真空脱碳处理是否结束，若结束，进入下一步，否则转入步骤（k）重复计算；

（o）后续处理至VOD处理结束。

图2为利用炉气信息推算的VOD炉内气体的发生量。较之实测废气流量，其变化特征与过程操作更为一致，且波动幅度小，因此适用于过程监控及脱碳计算和控制。图3为质谱仪分析的气体成分，图4为利用检测信息推算的炉内气体成分。可以看出，炉内气体成分与取样点处的气体成分存在一定的差别，因为消除了吸入空气及其对炉气的氧化，更能反映冶炼过程的特征。图5为利用炉气推算的脱碳速率以及钢碳含量的变化。可以看出，若直接利用炉气进行钢液碳含量的推算，则仅适用于较高的碳含量区域，随着脱碳的持续进行，碳含量计算将出现异常，而利用炉气分析模型计算的钢液碳含量则没有此种现象发生，因此可以进行全过程的碳含量跟踪计算。但是，若不进行脱碳的总体平衡修正，在脱碳中后期碳含量的变化趋势不尽理想，如图中出现了因为碳含量因局部修正造成的转折点，这也会对最终的碳含量预报结果造成影响。而实际运行的结果因为考虑了脱碳速率的修正，整个脱碳过程碳含量变化平滑连续，实现了从高碳直至低碳区域都较理想的跟踪，且终点碳预报也更为准确，由此实现了对VOD过程吹氧及真空处理时间的合理控制，降低了过程消耗，缩短了冶炼时间，起到了优化冶炼的作用。

本发明通过利用实时的质谱仪炉气分析信息进行转换和推算，得出更为有效的量化信息，用于过程跟踪。利用废气信息，结合过程机理及平衡分析，实现对VOD吹氧及真空处理过程碳含量的连续跟踪，从而实现VOD过程吹氧及脱碳的精确控制，以达到优化冶炼的目标。本发明的创造性在于突破了经验操作方法的局限性，利用质谱仪炉气信息开发了用于VOD精炼过程脱碳及碳含量连续跟踪的模型，从而实现对过程吹氧量及处理时间的准确控制；其突出的优点在于炉气信息与过程机理及平衡分析的有机结合，从而可以充分合理地利用废气检测信息，以达到VOD炉吹氧及脱碳精确控制的目标。

综上所述，本发明对于采用质谱仪废气分析的VOD炉可以比较方便的推广应用。结合废气分析模型及相关过程模型，可以更为精确地对VOD吹氧及脱碳过程进行控制，稳定过程操作，降低过程消耗，并合理地缩短冶炼时间，从而起到优化冶炼的作用。

应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在抽真空及前处理并氧枪吹氧开始后，计算吹氧阶段废气参数信息，包括炉内气体发生量和炉内气体成分；

基于炉内废气参数信息，计算吹氧脱碳速率；

跟踪计算钢液碳含量；

对吹氧脱碳速率修正系数和钢液碳含量修正计算判定；

顶枪吹氧结束判定；

计算真空阶段的废气相关参数信息，包括吸入空气量和废气流量计算、炉内气体发生量和炉内气体成分计算；

计算真空处理脱碳速率；

计算钢液碳含量；

深真空自由脱碳处理停止判定；

后续处理至VOD处理结束。

2.根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，所述计算吹氧阶段的废气相关参数信息包括：计算吸入空气量和废气流量、计算炉内气体发生量、以及计算炉内气体成分。

3.根据权利要求2所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，所述废气流量q_off和吸入空气量q_leak利用以下公式计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}-q_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{N_2}^{\mathrm{air}}}{C_{\mathrm{Ar}}-C_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{N_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}-q_{N_2}{C}_{\mathrm{Ar}}/C_{N_2}}{C_{N_2}^{\mathrm{air}}{C}_{\mathrm{Ar}}/C_{N_2}-C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

式中，q_Ar为钢包底吹氩气流量（Nm³/h），为钢液脱氮反应生成气体流量以及吹入氮气流量的总和（Nm³/h），为空气中Ar的含量，C_Ar为质谱仪分析的废气中Ar的含量，为空气中N₂含量，为质谱仪分析的废气中N₂含量。

4.根据权利要求2所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控

5.根据权利要求2所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，所述炉内气体成分利用以下公式计算得到：

$C_{\mathrm{Ar}}^{\′}=\max [C_{\mathrm{Ar}}{q}_{\mathrm{off}}-C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{N_2}^{\′}=\max [C_{N_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{N_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{O_2}^{\′}=\max [C_{O_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{O_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}},0];$

$C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\′}=\max [C_{{\mathrm{CO}}_2}{q}_{\mathrm{off}}-C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}}-2\max (C_{O_2}^{\mathrm{air}}{q}_{\mathrm{leak}}-C_{O_2}{q}_{\mathrm{off}},0),0];$

$C_j^{\mathrm{in}}=\frac{C_j^{\′}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{C}_i^{\′}},i,j=\mathrm{CO},{\mathrm{CO}}_2,O_2,N_2,\mathrm{Ar};$

式中，C′_i为气体i计算的中间值，为炉内气体j的含量。

6.根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，吹氧脱碳速率根据以下公式计算得到：

若处于高碳区，即有：

$r_C^{*}=\max [q_{\mathrm{off}}^{\mathrm{in}}(C_{\mathrm{CO}}^{\mathrm{in}}+C_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{in}})-q_{\mathrm{CO}},0]\frac{f_r{P}^0{M}_C}{{3600\mathrm{RT}}^0}$

式中，C_[C]为当前钢液碳含量，为高碳区临界碳含量，q_CO为非吹氧反应生成的CO气体流量（Nm³/h），P⁰为标准大气压（101325Pa），R为气体常数（8.314J/mol/K），M_C为碳原子的摩尔质量（kg/mol），T⁰为标准状态温度（273.15K），f_r为吹氧脱碳速率修正系数。同时计算脱碳速率常数：n为指数系数；

若处于中碳区域，即有：

$r_C=k_{C_0}{C}_{\left[C\right]}^n;$

式中，为低碳区临界碳含量。同时计算脱碳速率常数： 为平衡碳含量；

若处于低碳区域，即有：

$r_C=k_{C_1}(C_{\left[C\right]}-C_{\left[C\right]}^{\mathrm{eq}});$

式中，C_[C]为当前的钢液碳含量，为当前吹氧条件下的平衡碳含量。

7.根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，所述钢液碳含量根据以下公式计算得到：

C_[C]=(C_[C]m-r_CΔt-r′_CΔt)/(m+Δm)；

式中，m为当前时刻前一步长的钢液重量（kg），Δm为Δt时间内的钢液质量变化（kg），r_C为吹氧脱碳速率（kg/s），r′_C为其他反应区域的脱碳速率（kg/s）。

8.根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，所述吹氧脱碳速率常数修正判定计算：

若吹氧脱碳速率小于平均脱碳速率的一半，且本炉次至此尚未进行脱碳速率修正，取此处作为修正计算的临界点，并计算脱碳速率常数修正系数：

$f_r=\frac{C_{\left[C\right]}^0{m}^0-C_{\left[C\right]}^{*}{m}^{*}-{\∫}_{t_0}^t{r}_C^{\′}\mathrm{dt}}{{\∫}_{t_0}^t{r}_C^{*}\mathrm{dt}}$

式中，为吹氧起始的碳含量，为临界点的碳含量，m⁰为起始的钢液重量，m^*为临界点处的钢液重量。计算修正系数后返回步骤（c），重新进行计算至当前时刻。

9.根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，所述钢液碳含量修正判定计算：

若，钢液碳含量处于低碳区域，且吹氧脱碳速率大于临界点前的平均吹氧脱碳速率，即其中为临界点前由炉气推算的平均的脱碳速率，则将钢液碳含量重置为低碳区临界碳含量，即

10.根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，计算真空阶段的废气相关参数信息包括：

时间为t=t+Δt，获取当前最新的炉气取样分析动态信息，包括CO、CO₂、O₂、N₂、Ar和H₂，共6种气体；

若采用底吹氩气，吸入空气量和废气流量计算为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}}{C_{\mathrm{Ar}}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{\mathrm{Ar}}({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}{C_{\mathrm{Ar}}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{\mathrm{Ar}}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

若采用底吹氮气，吸入空气量和废气流量计算为：

$\left\{\begin{array}{c}{q}_{\mathrm{off}}=\frac{q_{N_2}}{C_{N_2}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{N_2}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\\ q_{\mathrm{leak}}=\frac{q_{N_2}({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}{C_{N_2}-({0.5C}_{\mathrm{CO}2}+C_{O2}-{0.5C}_{H2})C_{N_2}^{\mathrm{air}}/C_{O_2}^{\mathrm{air}}}\end{array}\right.$

所述计算真空处理脱碳速率根据以下公式计算得到：

$r_C^j=k_j{A}_j{\mathrm{\ρ}}_m(C_{\left[C\right]}-C_{\left[C\right]}^{\mathrm{eq},j})$

式中，为j反应区的脱碳反应速率（kg/s），k_j为j反应区的脱碳表观传质系数（m/s），A_j为j反应区的反应面积（m²），ρ_m为钢液密度（kg/m³），为j反应区的碳平衡含量；这里的反应区域包括：钢液表面的炉渣与钢液的界面反应区、钢液表面反应区、钢包底部吹入气体和钢液的界面反应区。总的脱碳速率为

$r_C^{\′}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{r}_C^j;$

所述钢液碳含量根据以下公式计算得到：

C_[C]=(C_[C]m-r′_CΔt)/(m+Δm)。