CN108728607A - 一种LF炉动态底吹CO2-Ar精炼方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于炼钢技术领域，特别涉及一种LF炉动态底吹CO₂‑Ar精炼方法，适用于30‑300t LF炉精炼过程。采用CO₂和Ar作为LF炉底吹介质和炉膛保护气，结合LF炉精炼进站钢液成分数据和精炼过程炉气成分数据，基于Ar示踪守恒对精炼过程钢液成分进行预测，并根据精炼目标钢液成分参数要求分时段动态调整CO₂和Ar的底吹流量和炉膛保护气的喷吹流量，在强化钢包内熔池搅拌，实现快速深脱硫的同时，进一步降低钢液中氮含量，改善钢液质量；同时利用CO₂代替部分Ar完成精炼操作，减少了Ar消耗，降低了生产成本。使得LF炉精炼周期缩短3‑6min，脱硫率达到90％以上，钢液氮含量降低10‑30×10^‑6。

Description

一种LF炉动态底吹CO2-Ar精炼方法及装置

技术领域

本发明属于炼钢技术领域，特别涉及一种LF炉动态底吹CO₂-Ar精炼方法及装置。

背景技术

LF炉(Ladle Furnace钢包精炼炉)精炼是转炉炼钢和电弧炉炼钢流程的主要工艺环节，具备升温、脱硫、调整钢液成分、改善钢液洁净度等冶金功能，其冶炼过程主要依靠造白渣进行脱硫冶炼，同时采用底吹Ar进行熔池搅拌，改善渣-钢间脱硫反应动力学条件，均匀熔池成分和温度。且底吹Ar也有利于泡沫渣的形成，提高电弧传热效率。传统LF炉精炼为了改善钢液脱硫，一般采用加大底吹Ar流量的方法强化底吹搅拌，改善熔池反应动力学条件。然而，此方法会引发一系列问题：1)底吹Ar在熔池内形成大气泡流股，底吹强度增加后，Ar流股使钢液液面出现较大波动，极易造成钢液与电极直接接触；2)底吹Ar流量增加，实际生产中均出现了钢包内渣面被吹开的现象，钢液面与炉内气氛接触，造成钢液的二次氧化；3)由于高温电弧电离空气致使钢液易吸氮，底吹流量增加，渣层被吹开后，钢液吸氮过程会进一步加剧，影响产品质量。因此，传统LF炉精炼限制了底吹Ar的流量，精炼过程熔池搅拌强度很难进一步强化，钢包内物质和热量的传递速度慢，脱硫效率难以提高，造成精炼时间长，生产成本高；且LF炉底吹Ar精炼过程中往往会出现钢液增氮现象，缺乏有效脱除钢液中氮的冶炼手段。因此，如何强化LF炉精炼过程熔池搅拌强度，提高LF炉内物质和热量传递速度，实现快速深脱硫，同时实现LF炉精炼脱氮，改善钢液质量，是加快LF炉精炼节奏、降低生产成本的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种LF炉动态底吹CO₂-Ar精炼方法及装置，解决了现有LF炉精炼过程底吹Ar强度受限、快速深脱硫难、钢液易吸氮等技术问题。在LF炉精炼过程中，采用CO₂和Ar作为LF炉底吹介质和炉膛保护气，结合LF炉精炼进站钢液成分数据和精炼过程炉气成分数据，基于Ar示踪守恒对精炼过程钢液成分进行预测，并根据精炼目标钢液成分参数要求分时段动态调整CO₂和Ar的底吹流量和炉膛保护气的喷吹流量，在强化钢包内熔池搅拌，实现快速深脱硫的同时，进一步降低钢液中氮含量，改善钢液质量；同时利用CO₂代替部分Ar完成精炼操作，降低了Ar消耗，减少了生产成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种LF炉动态底吹CO₂-Ar精炼方法，其整体实现方式是：控制系统基于LF炉精炼进站钢液碳含量[％C]₀，确定精炼过程CO₂和Ar的底吹工艺参数，通过LF炉底吹气控制阀组向钢包内底吹CO₂和Ar；精炼过程中，控制系统依靠炉口微差压检测系统监控数据通过控制炉膛CO₂保护气喷吹流量保证精炼过程炉内微正压，避免外界空气进入炉膛，防止钢液二次氧化和吸氮；炉气成分分析系统在线分析精炼过程炉气成分，钢液成分预测模块基于Ar示踪守恒，利用炉气成分数据、进站钢液成分数据、精炼过程各气体喷吹流量数据计算预测钢液碳含量和氮含量变化，控制系统根据钢液成分预测数据动态微调CO₂和Ar底吹流量，强化熔池搅拌，改善LF炉精炼反应动力学条件，实现钢液深脱硫和脱氮。

本发明所使用设备包括控制系统、底吹气控制阀组、炉膛保护气控制阀组、炉口微压差检测系统、炉气分析系统、初始钢液成分数据采集模块、底吹流量数据采集模块、炉膛保护气流量数据采集模块和钢液成分预测模块。所述炉口微压差检测系统实时检测炉口微压差数据，并将炉口微压差数据输送至控制系统，控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量，以保证精炼过程炉膛微正压。所述钢液成分数据采集模块获取LF炉精炼进站钢液成分数据并贮存，钢液成分数据可通过两种方式进行获取：1)LF炉进站钢液取样成分化验获取数据；2)根据转炉或电弧炉冶炼终点钢液成分和出钢过程加入钢包内的合金料等进行物料平衡计算获取。所述炉气分析系统在精炼过程对炉气成分进行在线分析并获取炉气瞬时成分数据。

本发明根据Ar示踪守恒计算LF精炼炉炉气瞬时产生量Q_F-gas，同时根据炉气成分分析数据，计算出精炼过程钢液的脱氮量和碳含量变化，进而预测钢液成分。炉气中CO₂、CO、N₂、Ar的瞬时含量分别为C_g-co2、C_g-co、C_g-N2、C_g-Ar。炉膛保护气喷吹介质为CO₂气体，流量为Q_P-co2。底吹气喷吹CO₂和Ar混合气，流量为Q_B，其中CO₂和Ar的含量分别为C_B-co2和C_B-Ar。根据Q_B·C_B-Ar＝Q_F-gas·C_g-Ar计算得到炉气瞬时流量Q_F-gas；根据Q_N2＝Q_F-gas·C_g-N2计算炉气瞬时氮气量，并通过积分运算可得出精炼过程钢液脱氮量；根据计算精炼过程熔池瞬时脱碳量；综合考虑熔池脱碳量和电极增碳量，根据Δ[％C]＝W_电极-∫d[％C]dt计算精炼过程钢液碳含量变化情况。

本发明的技术方案具体包括以下步骤：

步骤1：钢液成分数据采集模块获取初炼炉(转炉或电弧炉)出钢钢液成分数据和出钢至LF炉进站间钢包内所加入冶炼材料质量及成分数据，基于物料守恒计算LF炉精炼进站钢液成分数据并将其传送至控制系统。

步骤2：前期化渣阶段：控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-50Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压。控制系统根据LF炉精炼进站钢液碳含量[％C]₀动态调整前期化渣阶段CO₂和Ar的底吹工艺参数，具体方案如下：

1)当[％C]₀≥0.40时，底吹气初始流量为10-20NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为80-99％。

2)当0.25≤[％C]₀<0.40时，底吹气初始流量为10-20NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为60-80％。

3)当[％C]₀<0.25时，底吹气初始流量为10-20NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为40-60％。

步骤3：中期脱硫阶段：控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-50Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压；控制系统基于炉气分析数据炉气分析数据同时考虑电极增碳，根据钢液成分预测模块计算得到LF炉精炼过程钢液碳含量[％C]_t，动态调整中期脱硫阶段CO₂和Ar的底吹工艺参数，具体方案如下：

1)当[％C]_t≥0.40时，底吹气初始流量为5-15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为80-99％。

2)当0.25≤[％C]_t<0.40时，底吹气初始流量为5-15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为60-80％。

3)当[％C]_t<0.25时，底吹气初始流量为5-15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为40-60％。

步骤4：后期软吹阶段：制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-100Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压；底吹气为CO₂和Ar混合气，吹气中CO₂体积流量比例为0-30％，底吹流量为0.5-5NL/min·t，至精炼结束。

步骤5：控制系统根据LF炉精炼过程炉气分析数据和各气体喷吹数据计算精炼过程钢液脱氮量。

一种LF炉动态底吹CO2-Ar精炼装置系统，其特征在于：所使用设备包括LF炉、控制系统、底吹气控制阀组、炉膛保护气控制阀组、炉口微压差检测系统、炉气分析系统、炉气取样器、Ar气源系统、CO₂气源系统；所述炉口微差压系统安装在LF炉炉盖与钢包炉连接处，通过信号传输导线与控制系统连接；所述炉气取样器通过输气管道与炉气分析系统连接；所述炉气分析系统通过信号传输导线与控制系统连接；所述Ar气源系统和CO₂气源系统通过输气管道与底吹气控制阀组连接，Ar管路与CO₂管路分别通过流量阀和压力阀单独控制，两路并联后汇总；所述底吹控制阀组通过输气管道与LF炉的底吹喷嘴连接，将CO₂-Ar混合气通过底吹喷嘴输入LF炉熔池；所述CO₂气源系统通过输气管道与炉膛保护气控制阀组连接，炉膛保护气控制阀组通过输气管道与LF炉的炉盖连接；所述控制系统通过信号传输导线分别与底吹气控制阀组和炉膛保护气控制阀组连接，通过控制底吹气控制阀组和炉膛保护气控制阀组动作，实现LF精炼过程CO₂和Ar的分时段动态喷吹。

本发明适用于30-300t LF炉精炼过程，所述炉膛微正压为10～30Pa。通过本发明可强化LF炉精炼过程钢包内熔池搅拌，实现快速深脱硫的同时，进一步降低钢液中氮含量，改善钢液质量，同时减少Ar消耗量，降低生产成本。使得LF炉精炼周期缩短3-6min，脱硫率达到90％以上，钢液氮含量降低10-30×10^-6，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明LF炉动态底吹CO₂-Ar精炼系统连接图。

图2为本发明LF炉动态底吹CO₂-Ar精炼系统的控制逻辑框图。

图1中 1、控制系统，2、炉气分析系统，3、炉口微差压检测系统，4、底吹气控制阀组，5、Ar气源，6、CO₂气源，7、炉膛保护气阀组，8、LF炉，9、炉气取样器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实例1：本发明应用在90t LF炉，底吹气体为CO₂和Ar混合气，初炼炉为90t电弧炉，终点出钢碳含量为0.10％，出钢过程加入增碳剂200kg，加入铝锭100kg。

1)：钢液成分数据采集模块获取电弧炉出钢钢液成分数据和出钢至LF炉进站间钢包内所加入冶炼材料质量及成分数据，计算得到LF炉精炼进站钢液碳含量为0.45％。

2)：前期化渣阶段：控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-10Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压10-30Pa。控制系统根据LF炉精炼进站钢液碳含量0.45％，制定前期化渣阶段CO₂和Ar的底吹工艺参数为：底吹气为CO₂和Ar混合气，初始流量为15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为90％，时间3-5min。

步骤3：中期脱硫阶段：控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-10Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压10-30Pa；控制系统基于炉气分析数据炉气分析数据同时考虑电极增碳，根据钢液成分预测模块计算得到LF炉精炼过程钢液碳含量[％C]_t，动态调整中期脱硫阶段CO₂和Ar的底吹工艺参数，精炼时间20min。具体CO₂和Ar的底吹方案如下：

1)当[％C]_t≥0.40时，底吹气初始流量为15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为90％。

2)当0.25≤[％C]_t<0.40时，底吹气初始流量为15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为70％。

3)当[％C]_t<0.25时，底吹气初始流量为15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为50％。

步骤4：后期软吹阶段：制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-10Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压；底吹气为CO₂和Ar混合气，吹气中CO₂体积流量比例为0％，底吹流量为5NL/min·t，至精炼结束。

步骤5：控制系统根据LF炉精炼过程炉气分析数据和各气体喷吹数据计算精炼过程钢液脱氮量为15×10^-6。

采用本发明，该90t LF炉精炼周期缩短5min，脱硫率达到90％以上，钢液氮含量降低10-30×10^-6，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了生产效率。

实例2：本发明应用在150t LF炉，底吹气体为CO₂和Ar混合气，初炼炉为150t转炉，终点出钢碳含量为0.06％，出钢过程加入增碳剂300kg，加入铝锭100kg，硅铁100kg。

1)：钢液成分数据采集模块获取电弧炉出钢钢液成分数据和出钢至LF炉进站间钢包内所加入冶炼材料质量及成分数据，计算得到LF炉精炼进站钢液碳含量为0.35％。

2)：前期化渣阶段：控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-15Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压10-30Pa。控制系统根据LF炉精炼进站钢液碳含量0.35％，制定前期化渣阶段CO₂和Ar的底吹工艺参数为：底吹气为CO₂和Ar混合气，初始流量为12NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为80％，时间3-5min。

步骤3：中期脱硫阶段：控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-15Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压10-30Pa；控制系统基于炉气分析数据同时考虑电极增碳，根据钢液成分预测模块计算得到LF炉精炼过程钢液碳含量[％C]_t，动态调整中期脱硫阶段CO₂和Ar的底吹工艺参数，精炼时间25min。具体方案如下：

1)当[％C]_t≥0.40时，底吹气初始流量为12NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为85％。

2)当0.25≤[％C]_t<0.40时，底吹气初始流量为12NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为70％。

3)当[％C]_t<0.25时，底吹气初始流量为12NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为50％。

步骤4：后期软吹阶段：制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-15Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压；底吹气为CO₂和Ar混合气，吹气中CO₂体积流量比例为5％，底吹流量为6NL/min·t，至精炼结束。

步骤5：控制系统根据LF炉精炼过程炉气分析数据和各气体喷吹数据计算精炼过程钢液脱氮量为25×10^-6。

采用本发明，该150t LF炉精炼周期缩短3min，脱硫率达到95％以上，钢液氮含量降低10-30×10^-6，提高了产品质量，降低了生产成本，提高了生产效率。

Claims (3)

1.一种LF炉动态底吹CO₂-Ar精炼方法，其特征在于：控制系统基于LF炉精炼进站钢液碳含量[％C]₀，确定精炼过程CO₂和Ar的底吹工艺参数，通过LF炉底吹气控制阀组向钢包内底吹CO₂和Ar；精炼过程中，控制系统依靠炉口微差压检测系统监控数据通过控制炉膛CO₂保护气喷吹流量保证精炼过程炉内微正压；炉气成分分析系统在线分析精炼过程炉气成分，钢液成分预测模块基于Ar示踪守恒，利用炉气成分数据、进站钢液成分数据、精炼过程各气体喷吹流量数据计算预测钢液碳含量和氮含量变化，控制系统根据钢液成分预测数据动态微调CO₂和Ar底吹流量，强化熔池搅拌，改善LF炉精炼反应动力学条件，实现钢液深脱硫和脱氮。

2.根据权利要求1所述的一种LF炉动态底吹CO₂-Ar精炼方法，其特征在于：根据Ar示踪守恒计算LF精炼炉炉气瞬时产生量Q_F-gas，同时根据炉气成分分析数据，计算出精炼过程钢液的脱氮量和碳含量变化，进而预测钢液成分；炉气中CO₂、CO、N₂、Ar的瞬时含量分别为C_g-co2、C_g-co、C_g-N2、C_g-Ar；炉膛保护气喷吹介质为CO₂气体，流量为Q_P-co2；底吹气喷吹CO₂和Ar混合气，流量为Q_B，其中CO₂和Ar的含量分别为C_B-co2和C_B-Ar；根据Q_B·C_B-Ar＝Q_F-gas·C_g-Ar计算得到炉气瞬时流量Q_F-gas；根据Q_N2＝Q_F-gas·C_g-N2计算炉气瞬时氮气量，并通过积分运算可得出精炼过程钢液脱氮量；根据计算精炼过程熔池瞬时脱碳量；综合考虑熔池脱碳量和电极增碳量，根据Δ[％C]＝W_电极-∫d[％C]dt计算精炼过程钢液碳含量变化情况。

3.如权利要求1所述一种LF炉动态底吹CO₂-Ar精炼方法，其特征在于具体步骤如下:

步骤1：钢液成分数据采集模块获取转炉或电弧炉出钢钢液成分数据和出钢至LF炉进站间钢包内所加入冶炼材料质量及成分数据，基于物料守恒计算LF炉精炼进站钢液成分数据并将其传送至控制系统；

步骤2：前期化渣阶段：控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-50Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压；控制系统根据LF炉精炼进站钢液碳含量[％C]₀动态调整前期化渣阶段CO₂和Ar的底吹工艺参数，具体特征方案如下：

1)当[％C]₀≥0.40时，底吹气初始流量为10-20NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为80-99％；

2)当0.25≤[％C]₀<0.40时，底吹气初始流量为10-20NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为60-80％；

3)当[％C]₀<0.25时，底吹气初始流量为10-20NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为40-60％；

步骤3：中期脱硫阶段：控制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-50Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压；控制系统基于炉气分析数据炉气分析数据同时考虑电极增碳，根据钢液成分预测模块计算得到LF炉精炼过程钢液碳含量[％C]_t，动态调整中期脱硫阶段CO₂和Ar的底吹工艺参数，具体特征方案如下：

1)当[％C]_t≥0.40时，底吹气初始流量为5-15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为80-99％；

2)当0.25≤[％C]_t<0.40时，底吹气初始流量为5-15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为60-80％；

3)当[％C]_t<0.25时，底吹气初始流量为5-15NL/(min·t)，底吹气中CO₂体积流量比例为40-60％；

步骤4：后期软吹阶段：制系统根据炉口微压差数据控制炉膛保护气控制阀组动作，在线调控炉膛保护气流量0-100Nm³/h，以保证精炼过程炉膛微正压；底吹气为CO₂和Ar混合气，吹气中CO₂体积流量比例为0-30％，底吹流量为0.5-5NL/min·t，至精炼结束；

步骤5：控制系统根据LF炉精炼过程炉气分析数据和各气体喷吹数据计算精炼过程钢液脱氮量。