CN108647407B - 一种转炉炼钢烟气分析定碳方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转炉炼钢烟气分析定碳方法，属于钢铁冶金领域。本方法包括步骤为：首先，依据质量守恒原理，结合转炉冶炼过程中检测设备获取的烟气CO、CO₂百分含量和烟气流量计算出熔池脱碳速率；其次，将熔池混匀度的概念引入到终点碳曲线拟合指数模型；然后，根据冶金熔渣分子理论结合生产钢种特性，获取冶炼终渣成分和冶炼终点钢水温度，计算出冶炼熔池极限碳含量W[C]₀；最终，得到转炉炼钢烟气分析定碳模型。本方法中的模型引入熔池混匀度概念，充分考虑了氧枪枪位、顶吹氧气流量以及底吹气体流量操作工艺参数对转炉熔池脱碳过程的影响；并根据实际冶炼钢种利用熔渣活度计算得出熔池极限碳含量w[C]₀，准确性更高。

Description

一种转炉炼钢烟气分析定碳方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，特别是指一种转炉炼钢烟气分析定碳方法。

背景技术

氧气转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法，我国转炉产钢量占总产钢量的90％以上，脱碳反应贯穿转炉炼钢过程的始终。转炉吹炼是否到达冶炼终点的一个关键指标就是转炉炼钢熔池钢水碳含量是否满足出钢要求；在这方面，目前各钢厂大中型转炉广泛采用副枪技术来获得冶炼终点的钢水碳含量。然而，采用副枪不能连续获得转炉熔池内如脱碳速率等关键冶炼信息，并且副枪技术运行成本较高。随着计算机和各类检测技术的不断进步，转炉烟气分析技术由于不受转炉炉口尺寸大小限制的优势，能连续监测炉内炼钢反应进程，且对转炉节约成本、缩短冶炼周期以及冶炼终点碳-温预测等具有重要指导意义，因此近年来重新得到人们重视。

目前，大多数转炉烟气分析控制模型采用过程碳积分模型或终点碳曲线拟合模型。由于国内废钢管理过于粗放，废钢原料初始成分没有准确的信息，加上分析检测和称量误差等引起的铁水碳含量的误差，使得基于碳质量守恒的积分模型中初始碳含量的计算误差较大(有时可达±0.50％),而中低碳钢终点碳含量的控制精度要求为±0.02％。因此,只有消除初始碳含量的误差才能达到高精度控制。转炉冶炼终点碳曲线拟合模型重点关注吹炼后期，当前常见的终点碳曲线拟合模型有三次方模型和指数模型，这两种转炉冶炼终点碳曲线拟合模型虽然避开了初始碳含量难以精准确定的问题，但是并未考虑实际吹炼过程氧枪枪位、顶吹氧气流量以及底吹气体流量等操作工艺参数对转炉熔池脱碳速率的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种转炉炼钢烟气分析定碳方法。该方法是在指数定碳模型的基础上引入了熔池混匀度的概念，完善了对冶炼过程熔池脱碳行为的表征，提高了计算的精度。所谓熔池混匀度，是指某一时刻转炉顶吹射流、底吹流股和熔池CO气泡对熔池的搅拌混匀强度，用来表征顶吹射流、底吹流股和熔池CO气泡对熔池脱碳反应的影响。通过水模型实验验证表明：一定范围内，枪位、顶吹气量、底吹气量和熔池CO气泡与熔池搅拌混匀强度成线性关系。该方法充分考虑了枪位、顶吹流量及底吹流量等操作工艺参数对熔池搅拌的影响，明显提高了在转炉冶炼末期碳含量预测的精确度。避免了基于碳质量守恒的积分模型对初始碳含量难以精准确定的问题，同时又改进了终点碳曲线拟合模型未考虑吹炼过程氧枪枪位、顶吹氧气流量以及底吹气体流量等操作工艺参数对转炉熔池脱碳速率的影响。

该方法包括以下步骤：

S1：依据质量守恒原理，结合转炉冶炼过程中检测设备获取的烟气CO、CO₂百分含量和烟气流量计算出熔池脱碳速率；

S2：将熔池混匀度的概念引入到终点碳曲线拟合指数模型；

S3：根据冶金熔渣分子理论结合生产钢种特性，获取冶炼终渣成分和冶炼终点钢水温度，计算出冶炼熔池极限碳含量W[C]₀；

S4：得到转炉炼钢烟气分析定碳模型，得到转炉冶炼终点碳含量，实现对转炉冶炼终点钢水含碳量的预测。

其中：

S1中熔池脱碳速率是根据转炉冶炼过程碳平衡，结合烟气中CO、CO₂百分含量和烟气流量计算得出，具体公式为：

式中，

表示脱碳速率，％·s^-1；Q_gas表示烟气流量，Nm³·s^-1；

分别表示烟气中CO、CO₂百分含量，％；W_steel表示钢液总质量，kg。

S4中转炉炼钢烟气分析定碳方法数学模型计算公式如下:

式中，w[C]₀表示转炉熔池极限碳含量，％；h表示氧枪枪位，m；α表示常系数；h_min表示转炉冶炼过程氧枪的最低操作枪位，m；Q_top表示顶吹氧气流量，Nm³·s^-1；Q_topmax表示转炉冶炼过程最大顶吹氧流量，Nm³·s^-1；Q_bottom表示底吹气体流量，Nm³·s^-1；Q_bottommax表示转炉冶炼过程最大底吹气体流量，Nm³·s^-1；

表示熔池脱碳速率；αk₁和k₂分为待定参数，在转炉冶炼后期，可通过非线性拟合的方法利用脱碳速率结合枪位、顶吹流量和底吹流量来求解。

S3中冶炼熔池极限碳含量W[C]₀表示转炉冶炼过程钢水所能达到的最低碳含量，根据熔渣分子理论求解W[C]₀如下所示：

式中，a_FeO表示熔渣中FeO的活度，T表示冶炼终点出钢的平均温度。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明引入熔池混匀度概念，充分考虑了氧枪枪位、顶吹氧气流量以及底吹气体流量操作工艺参数对转炉熔池脱碳过程的影响；且根据实际冶炼钢种利用熔渣活度计算得出熔池极限碳含量w[C]₀，准确性更高。

附图说明

图1为本发明一种转炉炼钢烟气分析定碳方法的数学模型计算流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种转炉炼钢烟气分析定碳方法。

该方法包括以下步骤：

S1：依据质量守恒原理，结合转炉冶炼过程中检测设备获取的烟气CO、CO₂百分含量和烟气流量计算出熔池脱碳速率；

S2：将熔池混匀度的概念引入到终点碳曲线拟合指数模型；

S3：根据冶金熔渣分子理论结合生产钢种特性，获取冶炼终渣成分和冶炼终点钢水温度，计算出冶炼熔池极限碳含量W[C]₀；

S4：得到转炉炼钢烟气分析定碳模型，得到转炉冶炼终点碳含量，实现对转炉冶炼终点钢水含碳量的预测。

如图1所示，在实际应用中，该方法的定碳模型的生成包括以下步骤：

(1)采集转炉炼钢历史生产数据，包含钢种、原材料等基础数据以及氧枪枪位、氧气流量等工艺参数过程数据，然后，对生产数据进行预处理，去除数据表中由于生产事故或人为等原因产生的异常数据；

(2)根据冶炼末期枪位、顶吹流量、底吹流量，烟气中CO、CO₂百分含量和烟气流量，历史生产数据中终渣成分、终点出钢的平均温度，建立定碳模型；

(3)按照建立的定碳模型，重新开始吹炼，并对生产数据进行采集；

(4)计算判断终点碳含量是否合格，如不合格，将生产数据迭代至S1，以对定碳模型进行校准。

上述S1中熔池脱碳速率是根据转炉冶炼过程碳平衡，结合烟气中CO、CO₂百分含量和烟气流量计算得出，具体公式为：

式中，

表示脱碳速率，％·s^-1；Q_gas表示烟气流量，Nm³·s^-1；

分别表示烟气中CO、CO₂百分含量，％；W_steel表示钢液总质量，kg。

在转炉吹炼后期，熔池的脱碳速率逐渐变慢，钢液碳含量降低变缓逐渐接近稳定状态，当碳含量降低到一定程度时，脱碳速率与碳含量w[C]之间有如下式：

整理得：

式中，w[C]₀表示熔池极限碳含量，％；k₁表示脱碳速率系数，k₂表示氧气脱碳利用系数。

将熔池混匀度概念引入冶炼终点碳曲线拟合指数模型，通过水模型实验验证表明：在一定范围内，枪位、顶吹气量、底吹气量和熔池CO气泡对熔池搅拌混匀强度成线性关系。其表达式如下：

式中：η表示熔池混匀度，取值范围内0～100％；h表示氧枪枪位，m；α表示常系数；h_min表示转炉冶炼过程氧枪的最低操作枪位，m；Q_top表示顶吹氧气流量，Nm³·s^-1；Q_topmax表示转炉冶炼过程最大顶吹氧流量，Nm³·s^-1；Q_bottom表示底吹气体流量，Nm³·s^-1；Q_bottommax表示转炉冶炼过程最大底吹气体流量，Nm³·s^-1；ε_co表示转炉熔池内CO气体所占的百分含量，％。需要说明的是，转炉吹炼冶炼末期脱碳反应速率相对偏小，因此忽略该时期熔池内CO气泡对熔池搅拌脱碳速率的影响。

在式(3)中将k₁替换为k₁η，整理可得：

式中，αk₁和k₂分为待定参数。在转炉冶炼后期，可通过非线性拟合的方法利用脱碳速率结合枪位、顶吹流量和底吹流量来求解。

上述S4中转炉炼钢烟气分析定碳方法数学模型计算公式即为式(5)所示。

熔池极限碳含量w[C]₀表示转炉冶炼过程钢水所能达到的最低碳含量，根据熔渣分子理论求解w[C]₀如下所示：

转炉吹炼末期C与Fe元素的选择性氧化反应如式(6)所示：

[C]+(FeO)＝CO_g+[Fe] (6)

在转炉吹炼末期，认为反应接近平衡状态，f_C≈f_O≈1，a_Fe＝1，P_co/P^θ＝1，由此，式(7)可化简为：

将生产钢种的冶炼终渣成分和冶炼终点钢水温度代入公式(8)中求出w[C]₀，进而代入转炉炼钢烟气分析定碳模型，可得到转炉冶炼终点碳含量，实现对转炉冶炼终点钢水含碳量的预测。

本发明的具体实施例如下：

以某钢厂210吨转炉生产SPHC钢种时为实施载体，当转炉吹炼接近终点时，通过检测设备获取氧枪枪位、顶吹氧气流量、底吹气体流量、烟气CO和CO₂百分含量以及烟气流量，根据冶金熔渣分子理论和历史数据，计算得到炉渣中FeO的活度为0.241。出钢平均温度为1686℃时，C、Fe元素选择性氧化的熔池极限碳含量w[C]₀为0.033％。表1为SPHC钢的终渣成分，表2为本发明实施后的实验结果。从实验结果来看，该模型提供的转炉冶炼末期碳含量预报误差在±0.02％之间时有较高的命中率。

表1 SPHC钢的终渣成分，％

渣组元	CaO	MgO	MnO	SiO<sub>2</sub>	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	FeO
							平均值	46.67	11.14	4.89	17.65	2.57	12.82

表2本发明实施后的试验结果

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种转炉炼钢烟气分析定碳方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：依据质量守恒原理，结合转炉冶炼过程中检测设备获取的烟气CO、CO₂百分含量和烟气流量计算出熔池脱碳速率；

S2：将熔池混匀度的概念引入到终点碳曲线拟合指数模型；

S3：根据冶金熔渣分子理论结合生产钢种特性，获取冶炼终渣成分和冶炼终点钢水温度，计算出冶炼熔池极限碳含量W[C]₀；

S4：得到转炉炼钢烟气分析定碳模型，得到转炉冶炼终点碳含量，实现对转炉冶炼终点钢水含碳量的预测；

所述S1中熔池脱碳速率根据转炉冶炼过程碳平衡，结合烟气中CO、CO₂百分含量和烟气流量计算得出，具体公式为：

式中，

表示脱碳速率，％·s^-1；Q_gas表示烟气流量，Nm³·s^-1；

分别表示烟气中CO、CO₂百分含量，％；W_steel表示钢液总质量，kg；

所述S2中将熔池混匀度的概念引入到终点碳曲线拟合指数模型的具体方式为：

熔池混匀度的公式如下：

终点碳曲线拟合指数模型如下：

将熔池混匀度η对脱碳速率系数K₁进行修正，得到ηK₁代替碳曲线拟合模型中的K₁，整理得到所述S4中转炉炼钢烟气分析定碳模型计算公式如下:

式中，w[C]₀表示转炉熔池极限碳含量，％；h表示氧枪枪位，m；α表示常系数；h_min表示转炉冶炼过程氧枪的最低操作枪位，m；Q_top表示顶吹氧气流量，Nm³·s^-1；Q_topmax表示转炉冶炼过程最大顶吹氧流量，Nm³·s^-1；Q_bottom表示底吹气体流量，Nm³·s^-1；Q_bottommax表示转炉冶炼过程最大底吹气体流量，Nm³·s^-1；表示熔池脱碳速率；αk₁和k₂为待定参数，在转炉冶炼后期，通过非线性拟合

的方法利用脱碳速率结合枪位、顶吹流量和底吹流量来求解。

2.根据权利要求1所述的转炉炼钢烟气分析定碳方法，其特征在于：所述S3中冶炼熔池极限碳含量W[C]₀表示转炉冶炼过程钢水所能达到的最低碳含量，根据熔渣分子理论求解W[C]₀如下所示：

式中，a_FeO表示熔渣中FeO的活度，T表示冶炼终点出钢的平均温度。

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