CN107633124B - 一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，本发明以电弧炉炼钢过程主要元素氧化反应行为的原理为基础，结合熔池搅拌的动力学条件，对电弧炉熔池区域进行划分，使用循环运算的方法对熔池主要成分的含量进行计算，为电弧炉炼钢过程成分的实时预报提供了一个理论的直接方法。

Description

一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法

技术领域

本发明属于电弧炉炼钢领域，特别涉及一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法。

背景技术

电弧炉炼钢的过程中，要根据熔池的元素成分来对钢液进行成分、温度的调整以达到出钢要求。实际钢铁企业生产过程中，这种对熔池成分的控制是根据工人的经验判断结合终点控制来实现的，不直观。由于电弧炉炼钢流程短、节奏快，通常忽视过程成分控制，同时缺乏一个冶炼过程中成分预判的直观方法作为支撑。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种可以在电弧炉炼钢过程中实时计算成分变化的预报模型。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，包括以下步骤：

步骤一：输入初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分；作为模型的初始计算条件；其中入炉金属料成分包括C、Si、Mn、Fe，炉渣成分包括CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO、MnO、FeO、Fe₂O₃；

步骤二：用非标准态选择性氧化模型对输入的初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分进行计算，得到元素氧化反应的非标准态吉布斯自由能，非标准态选择性氧化模型为：

ΔG＝ΔG^Θ+RTlnJ

其中ΔG是反应的非标准态吉布斯自由能变化量，ΔG^Θ为标准态吉布斯自由能变化量，R是热力学常数，R＝8.314J/(mol·K)，T为反应温度，J为活度商；

步骤三：将电弧炉内分为钢液流动的A区和完全混匀的B区，A区与B区进行物质交换；其中B区内包括单位时间内流失的元素氧化生成的氧化物的C区，和单位时间内B区流向A区的物质交换量的D区；A区内包括单位时间内A区对B区的物质补充量的C’区，和单位时间内A区流向B区的物质交换量D’区；

则针对B区有如下反应：

[O]+[C]＝CO

[O]+[Si]＝(SiO₂)

[O]+[Mn]＝(MnO)

[O]+[Fe]＝(FeO)

步骤四：B区成分每个周期减少量为n_Δm，则B区成分每个周期减少量n_Δm有如下对应关系：

其中m代表当反应ΔG最小时C、Si、Mn、Fe中的一种元素；且途中各区域物质的量的对应关系有C＝n_Δm，C’＝C，D＝B×k，D’＝D；

则计算区域C’、D’的成分如下：

其中，

为组分i在A区中的物质的量，k为钢液流动系数；

步骤五、计算下一周期A、B的初始值A’、B’如下：

步骤六：根据步骤二，炉渣成分MnO、SiO₂、FeO变化量表示如下：

若冶炼过程加入含有相应炉渣成分的辅料，则辅料直接进入炉渣不参与反应计算，该元素相应的氧化物增加n_Δm。

所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，所述的步骤二包括以下计算过程：

步骤1、计算氧化反应在标准态下的吉布斯自由能改变量ΔG^Θ：

ΔG^Θ＝U+VT

其中T为温度；U、V为线性方程系数，根据现有氧化反应资料得到；

步骤2、计算成分的摩尔分数x：任取一种金属料或炉渣，设为组分H，则组分H的摩尔分数x_H为

其中n_H表示组分H的物质的量，n_i表示任一组分i的物质的量，m_B表示组分H的质量，m_i表示任一组分i的质量，M_H表示组分H的相对分子质量，M_i表示任一组分i的相对分子质量；

步骤3、计算成分的活度a：有

a_i＝x_if_i

则

其中f为活度系数，f_i为相应组分i的活度系数，e为相互作用系数，

表示物质i对自身的相互作用系数，

表示物质j对物质i的相互作用系数；

步骤4、计算化学反应的活度商J，则对于电弧炉内四个主要氧化反应：

[C]+[O]＝CO、1/2[Si]+[O]＝1/2(SiO₂)、[Mn]+[O]＝(MnO)、[Fe]+[O]＝FeO

有：

步骤5、计算主要氧化反应的非标准态吉布斯自由能改变量ΔG：

其中i＝C、Si、Mn、Fe。

所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，所述的步骤三中，所述的B区为氧枪直接喷吹的区域，电弧炉内除B区外的区域为A区。

所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，所述的步骤四中，每个周期设为1秒。

所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，还包括将以摩尔为单位表示的钢液和渣中主要成分转换为质量分数的步骤七：

钢液中某元素b质量分数计算方法b％如下：

其中，

为一个周期计算后元素b在A区的物质的量，

为一个周期计算后元素b在B区的物质的量，

为一个周期计算后任一元素i在A区的物质的量，

为一个周期计算后任一元素i在B区的物质的量，M_b为元素b的相对原子质量，M_i为任一元素i的相对原子质量；

渣中某氧化物d的质量分数d％计算方法如下：

其中M_d为氧化物d的相对分子质量，M_i为任一氧化物i的相对分子质量，

为炉渣中任一氧化物i的物质的量。

本发明的技术效果在于，以电弧炉炼钢过程主要元素氧化反应行为的原理为基础，结合熔池搅拌的动力学条件，对电弧炉熔池区域进行划分，使用循环运算的方法对熔池主要成分的含量进行计算，为电弧炉炼钢过程成分的实时预报提供了一个理论的直接方法。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明电弧炉熔池区域划分示意图；其中

A：钢液流动区、B：完全混匀区、C：周期B区减少量、D：周期B区交换量、C’：周期B区补充量、D’：周期A区交换量。

具体实施方式

一种通过计算元素氧化反应的吉布斯自由能判断元素氧化优先顺序，结合熔池搅拌动力学条件，根据吹氧量和电弧提供热量来实时计算成分变化的方法。包括以下步骤：

步骤一：输入初始入炉金属料量与成分(C、Si、Mn、Fe)、炉渣量与成分(CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO、MnO、FeO、Fe₂O₃)；作为模型的初始计算条件；

步骤二：根据所采集的炉渣成分数据和钢液成分数据计算元素氧化反应的非标准态吉布斯自由能，判断元素氧化优先顺序，非标准态吉布斯自由能计算公式为：

ΔG＝ΔG^Θ+RTlnJ

其中ΔG是反应的非标准态吉布斯自由能变化量，R是热力学常数，R＝8.314J/(mol K)，J为活度商，为便于计算，本模型以摩尔为统一计量单位。

步骤三：如图所示，本模型将钢液分为两个区域：钢液流动区和完全混匀区，钢液流动区流动缓慢(下文简称A区)，完全混匀区为氧枪直接喷吹区域，搅拌强度大，反应剧烈(下文简称B区)，A区与B区进行物质交换，B区反应均匀且充分反应，炉内除A区外均为B区，A区的大小由炉型决定，B区的大小由氧枪操作决定。C区域为B区单位时间元素氧化生成的氧化物，流向渣中，D区为单位时间B区流向A区的物质交换量，其中D区的大小由钢液流动系数k决定，C区和D区均包含在B区内。由于C区的流失，令C’区为单位时间A区对B区的物质补充量，作为D区的交换，令D’区为单位时间A区流向B区的物质交换量，C’区和D’区均包含在A区内。

则针对B区有如下反应：

[O]+[C]＝CO (1)

[O]+[Si]＝(SiO₂) (2)

[O]+[Mn]＝(MnO) (3)

[O]+[Fe]＝(FeO) (4)

令循环计算周期为1秒，则B区成分每个周期减少量n_Δm有如下对应关系：

其中m代表当反应ΔG最小的元素，即根据步骤二，是优先氧化的元素；且途中各区域物质的量的对应关系有C＝n_Δm，C’＝C，D＝B×k，D’＝D。

步骤四：为简化计算，区域名称仅代表该区域物质的量。则可以计算区域C’、D’的成分如下：

步骤五：计算下一周期A、B的初始值A’、B’如下：

其中B’的计算中，当m代表哪一种元素，则哪种元素的计算式减去n_Δm这一项。

步骤六：根据步骤二可计算炉渣成分MnO、SiO₂、FeO变化量如下：

其中m代表C、Si、Mn、Fe其中一种元素，在其他炉渣成分不变时(若冶炼过程加入辅料，则辅料直接进入炉渣不参加反应，例如加入石灰，石灰成分为CaO，则n'_CaO＝n_CaO+n_加入)，则该元素相应的氧化物增加n_Δm。

步骤七：输出钢液成分数据并进行下一秒循环计算。由于上文以摩尔为计量单位，而钢液成分通常采用质量百分数表示，因此为了直观需要，需要计算钢液和渣中主要成分的质量分数。其中钢液中某元素b质量分数计算方法如下：

渣中某氧化物d的质量分数计算方法如下：

所述的步骤二中具体计算过程如下：

1、计算氧化反应在标准态下的吉布斯自由能改变量ΔG^Θ。所有的ΔG^Θ均可以线性表示，即

ΔG^Θ＝U+VT

在一定温度范围内U、V两个系数均为定值，则自变量只有温度T，此时ΔG^Θ只与温度有关。查阅相关资料总结得出几个主要氧化反应的ΔG^Θ、U、V系数如下表。

表1

2、计算成分的摩尔分数x。任取一种金属料或炉渣，设为组分H，组分H的摩尔分数为

其中n_H表示组分H的物质的量，n_i表示任一组分i的物质的量，m_H表示组分H的质量，m_i表示任一组分i的质量，M_H表示组分H的相对分子质量，M_i表示任一组分i的相对分子质量。

3、计算成分的活度a。在此引入活度系数f和相互作用系数e，于是有

a_i＝x_if_i

则

其中

表示物质j对物质i的相互作用系数，在温度变化时存在变化，由于炼钢环境是高温，所以相互作用系数随温度变化很小，为简化计算统一取定值。

4、计算化学反应的活度商J。则对于表1的四个主要氧化反应有

5、计算主要氧化反应的非标准态吉布斯自由能改变量ΔG。即

其中i＝C、Si、Mn、Fe。

Claims (5)

1.一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：输入初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分；作为模型的初始计算条件；其中入炉金属料成分包括C、Si、Mn、Fe，炉渣成分包括CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO、MnO、FeO、Fe₂O₃；

步骤二：用非标准态选择性氧化模型对输入的初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分进行计算，得到元素氧化反应的非标准态吉布斯自由能，非标准态选择性氧化模型为：

ΔG＝ΔG^Θ+RTlnJ

其中ΔG是反应的非标准态吉布斯自由能变化量，ΔG^Θ为标准态吉布斯自由能变化量，R是热力学常数，R＝8.314J/(mol·K)，T为反应温度，J为活度商；

步骤三：将电弧炉内分为钢液流动的A区和完全混匀的B区，A区与B区进行物质交换；其中B区内包括单位时间内流失的元素氧化生成的氧化物的C区，和单位时间内B区流向A区的物质交换量的D区；A区内包括单位时间内A区对B区的物质补充量的C’区，和单位时间内A区流向B区的物质交换量D’区；

则针对B区有如下反应：

[O]+[C]＝CO

2[O]+[Si]＝(SiO₂)

[O]+[Mn]＝(MnO)

[O]+[Fe]＝(FeO)

步骤四：B区成分每个周期减少量为n_Δm，则B区成分每个周期减少量n_Δm有如下对应关系：

其中m代表当反应ΔG最小时C、Si、Mn、Fe中的一种元素；且途中各区域物质的量的对应关系有C＝n_Δm，C’＝C，D＝B×k，D’＝D；

则计算区域C’、D’的成分如下：

其中，

为组分i在A区中的物质的量，k为钢液流动系数；

步骤五、计算下一周期A、B的初始值A’、B’如下：

步骤六：根据步骤二，炉渣成分MnO、SiO₂、FeO变化量表示如下：

若冶炼过程加入含有相应炉渣成分的辅料，则辅料直接进入炉渣不参与反应计算，该元素相应的氧化物增加n_Δm。

2.根据权利要求1所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，其特征在于，所述的步骤二包括以下计算过程：

步骤1、计算氧化反应在标准态下的吉布斯自由能改变量ΔG^Θ：

ΔG^Θ＝U+VT

其中T为温度；U、V为线性方程系数，根据现有氧化反应资料得到；

步骤2、计算成分的摩尔分数x：任取一种金属料或炉渣，设为组分H，则组分H的摩尔分数x_H为

其中n_H表示组分H的物质的量，n_i表示任一组分i的物质的量，m_H表示组分H的质量，m_i表示任一组分i的质量，M_H表示组分H的相对分子质量，M_i表示任一组分i的相对分子质量；

步骤3、计算成分的活度a：有

a_i＝x_if_i

则

其中f为活度系数，f_i为相应组分i的活度系数，e为相互作用系数，

表示物质i对自身的相互作用系数，

表示物质j对物质i的相互作用系数；

步骤4、计算化学反应的活度商J，则对于电弧炉内四个主要氧化反应：

[C]+[O]＝CO、1/2[Si]+[O]＝1/2(SiO₂)、[Mn]+[O]＝(MnO)、[Fe]+[O]＝FeO

有：

步骤5、计算主要氧化反应的非标准态吉布斯自由能改变量ΔG：

其中i＝C、Si、Mn、Fe。

3.根据权利要求1所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，其特征在于，所述的步骤三中，所述的B区为氧枪直接喷吹的区域，电弧炉内除B区外的区域为A区。

4.根据权利要求1所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，其特征在于，所述的步骤四中，每个周期设为1秒。

5.根据权利要求1所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，其特征在于，还包括将以摩尔为单位表示的钢液和渣中主要成分转换为质量分数的步骤七：

钢液中某元素b质量分数计算方法b％如下：

其中，

为一个周期计算后元素b在A区的物质的量，

为一个周期计算后元素b在B区的物质的量，

为一个周期计算后任一元素i在A区的物质的量，

为一个周期计算后任一元素i在B区的物质的量，M_b为元素b的相对原子质量，M_i为任一元素i的相对原子质量；

渣中某氧化物d的质量分数d％计算方法如下：

其中M_d为氧化物d的相对分子质量，M_io 为任一氧化物io的相对分子质量，

为炉渣中任一氧化物i的物质的量。

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