CN110570911A - 一种aod静态计算模型的编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种AOD静态计算模型的编制方法，属于AOD冶炼不锈钢技术领域。技术方案是：通过物料平衡和热平衡计算，确定主吹阶段石灰加入总量和主吹阶段供氧总量、预测还原硅用量为辅；通过模型计算，形成一种主吹结束后较理想的炉渣结构，炉渣结构中碱度合适、渣中氧化铬含量适中、渣量较少，利于动态脱碳期快速脱碳。本发明主吹结束后炉渣结构得以有效控制，能够明显缩短冶炼周期；通过冶炼周期的缩短，减少冶炼过程热损失，进而减少硅铁消耗；由于热损失减少，炉渣中二氧化硅也就减少，相应石灰和萤石用量就会减少；通过准确控制温度，避免因温度过高，而致使耐材熔损较快，进而提高炉龄。

Description

一种AOD静态计算模型的编制方法

技术领域

本发明涉及一种AOD静态计算模型的编制方法，属于AOD冶炼不锈钢技术领域。

背景技术

AOD冶炼不锈钢难度主要在冶炼末期，即动态脱碳期。在高铬低碳区域，极易造成铬的大量氧化，而脱碳难于进行。鉴于这种情况，通常采用降低氧气流量，提高冷却气Ar、N₂流量，以此降低CO分压来达到脱碳保铬目的；但在实际操作中，仅仅通过这一途径往往是不行的，还需对主吹脱碳结束后的炉渣结构进行控制。在主吹期结束后，需要形成一种碱度合适、渣中氧化铬含量适中，渣量较少的炉渣结构。

发明内容

本发明目的是提供一种AOD静态计算模型的编制方法，实现AOD冶炼能够得到理想的炉渣结构组分，建立合理、有效地静态计算模型，以利于动态脱碳期快速脱碳，解决已有技术存在的上述技术问题。

本发明所采取的技术方案是：

一种AOD静态计算模型的编制方法，包含如下步骤：

①确定各种返回废钢、合金的加入量，以及平衡动态脱碳期铬、锰、铁氧化所配加石灰和平衡还原前升温所配加石灰量；

②确定上述石灰在母液中的降温量L1，非碳、非硅合金在母液中的降温量L2，含碳、含硅物料在母液中降温量L3；

③根据主体计算公式计算主吹期间铬、锰和铁的升温值，根据铬、锰、铁的升温值，计算主吹阶段铬、锰、铁的氧化量；所述主体计算公式为：平衡主吹阶段铬、锰和铁氧化升温值=T+L1+L2+L3-t-母液中碳氧化升温值-母液中硅氧化升温值；

式中：T为主吹结束温度，℃；t为母液起始温度，℃；

④根据平衡主吹阶段铬、锰、铁的氧化量，计算平衡主吹阶段铬、锰、铁氧化所需要配加的石灰量；

⑤计算主吹阶段石灰加入总量：平衡主吹阶段铬、锰、铁氧化用石灰量，平衡动态脱碳阶段铬、锰、铁氧化用石灰量，平衡还原前硅升温阶段用石灰量，以及平衡母液中硅氧化用石灰量，和平衡返回废钢、合金中硅氧化用石灰量，合计相加就是主吹阶段的石灰加入总量；

⑥主吹阶段吹氧量：主吹阶段铬、锰、铁氧化所需要氧气，以及主吹阶段母液和所加入物料中硅、碳氧化所需要的氧气总和，为主吹阶段吹氧量；

⑦验证阶段：根据主吹阶段石灰加入总量，验证上述配料方案是否能够满足主吹结束后炉渣结构要求。

所述炉渣结构要求为：炉渣碱度3.0～4.0，氧化铬含量10～20%，渣量越少越好。不锈钢开炉阶段，采用奥钢联模型计算时，其渣量约为现在的3-4倍。渣量大只是消耗增加，冶炼难度大，而不是不能生产。

本发明的有益效果：本发明通过物料平衡和热平衡计算，确定主吹阶段石灰加入总量和主吹阶段供氧总量、预测还原硅用量为辅；通过模型计算，形成一种主吹结束后较理想的炉渣结构，炉渣结构中碱度合适、渣中氧化铬含量适中、渣量较少，利于动态脱碳期快速脱碳。

本发明主吹结束后炉渣结构得以有效控制，能够明显缩短冶炼周期；通过冶炼周期的缩短，减少冶炼过程热损失，进而减少硅铁消耗；由于热损失减少，炉渣中二氧化硅也就减少，相应石灰和萤石用量就会减少；通过准确控制温度，避免因温度过高，而致使耐材熔损较快，进而提高炉龄。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明做进一步说明

一种AOD静态计算模型的编制方法，包含如下步骤：

①确定各种返回废钢、合金的加入量，以及平衡动态脱碳期铬、锰、铁氧化所配加石灰和平衡还原前升温所配加石灰量；

②确定上述石灰在母液中的降温量L1，非碳、非硅合金在母液中的降温量L2，含碳、含硅物料在母液中降温量L3；

③根据主体计算公式计算主吹期间铬、锰和铁的升温值，根据铬、锰、铁的升温值，计算主吹阶段铬、锰、铁的氧化量；所述主体计算公式为：平衡主吹阶段铬、锰和铁氧化升温值=T+L1+L2+L3-t-母液中碳氧化升温值-母液中硅氧化升温值；

式中：T为主吹结束温度，℃；t为母液起始温度，℃；

④根据平衡主吹阶段铬、锰、铁的氧化量，计算平衡主吹阶段铬、锰、铁氧化所需要配加的石灰量；

⑤计算主吹阶段石灰加入总量：平衡主吹阶段铬、锰、铁氧化用石灰量，平衡动态脱碳阶段铬、锰、铁氧化用石灰量，平衡还原前硅升温阶段用石灰量，以及平衡母液中硅氧化用石灰量，和平衡返回废钢、合金中硅氧化用石灰量，合计相加就是主吹阶段的石灰加入总量；

⑥主吹阶段吹氧量：主吹阶段铬、锰、铁氧化所需要氧气，以及主吹阶段母液和所加入物料中硅、碳氧化所需要的氧气总和，为主吹阶段吹氧量；

⑦验证阶段：根据主吹阶段石灰加入总量，验证上述配料方案是否能够满足主吹结束后炉渣结构要求。

所述炉渣结构要求为：炉渣碱度3.0～4.0，氧化铬含量10～20%，渣量越少越好。不锈钢开炉阶段，采用奥钢联模型计算时，其渣量约为现在的3-4倍。渣量大只是消耗增加，冶炼难度大，而不是不能生产。

AOD冶炼不锈钢，主要包括以下几个阶段：主吹脱碳阶段，动态脱碳阶段，还原前升温阶段，还原阶段。其中还原前升温阶段因钢种不同，有的具有此阶段，有的钢种不具有此阶段。

1、炉渣结构对脱碳速度的影响。

1.1炉渣碱度：在冶炼不锈钢温度（1660～1700）下，二元碱度在3.0～4.0时，炉渣一般呈现半固体状态。采用高温冶炼时主吹结束时的炉渣碱度有意识设计到3.5～4.0；采用低温冶炼时主吹结束时的炉渣碱度可有意识设计到3.0～3.5。

从动力学角度分析，粘度较高的炉渣有利于气体的排出，进而可以降低CO分压，有利于脱碳进行。

从热力学角度分析，氧化铬属于一种两性氧化物，在高碱度下呈现酸性，在低碱度下呈现碱性，因而碱度不能控制过高或过低，始终让氧化铬处于一种高活度状态，以便在后期脱碳时，能够抑制铬的进一步氧化，而利于快速脱碳的目的。

在正常冶炼温度下，如果炉渣碱度偏低，就会造成既不利于气体的排出，又不利于提高氧化铬活度，相对于高碱度的炉渣结构更为有害。如果一味提高主吹结束时的炉渣碱度，就会造成氧化铬呈现酸性，同样会降低氧化铬活度，也不利于脱碳，不过相对于低碱度炉渣结构，危害性较弱。因而提出了主吹结束后适宜炉渣碱度应控制在3.0-4.0.

1.2炉渣中氧化铬含量：渣中氧化铬绝对含量高，在同样温度、碱度的情况下，炉渣中氧化铬活度也就较高，在这种情况下，有益于抑制后期脱碳阶段铬的进一步氧化，进而促进低碳区域的快速脱碳，缩短冶炼周期。但是主吹结束后也不宜形成铬的过度氧化，这样会造成还原用硅量增加，同时也造成脱碳期间渣量过大，不利于降低CO分压。根据实际操作验证，只要主吹结束后，铬的氧化量控制在1.0～1.3%之间，就可形成渣中氧化铬含量在10-20%左右的炉渣结构。同时含有适量的氧化铬还可以稠化炉渣，粘度较高的炉渣结构在吹炼过程中容易形成缝隙，利于CO的顺利排出，降低了CO分压。

1.3渣量：渣量能够对CO的排出形成一定的压力。渣量越大，形成的压力也就越大，气体越难排出；渣量越小，形成的压力也就越小，气体越易排出。因而在满足上述两个条件下的情况下，尽量降低渣量。

2、物料平衡计算：物料平衡计算主要是依据母液和废钢的成分条件以及成品成分的要求，进行合金加入量的计算。其计算过程较为简单，在这里不进行过多的描述，以下将侧重围绕热平衡计算进行详细的描述。

3、热平衡计算：热平衡计算过程是静态模型最为核心部分，关乎到冶炼是否能够顺行。其计算步骤大致如下。

3.1热参数的选择：C：120°、Si： 343°、Cr：100°、Mn：55°、Fe：40°、碳二次燃烧系数值：1.30。

这里着重描述两个可变参数，一是碳的升温值，二是碳的二次燃烧系数。其他几个参数可作为定值。由于碳的发热值受二次燃烧率，以及停炉时间、冶炼时间、炉子的公称容量、所炼钢种中铬含量的高低、是否采用顶枪操作等因素的影响，其数值变化较大，有的情况1%的碳含量升温值可达130～135°，有的情况1%的碳含量升温值只有20～30°。比如二次燃烧系数低，停炉时间较长，冶炼周期长，公称容量小，其发热值就低；反之就高。因此确立碳的升温值是模型计算是否准确极为重要的一个可变参数，需要在冶炼实际操作中摸索的一个重要可变参数。二次燃烧系数主要受顶枪抢位高低，以及顶枪是否采用多孔枪等因素影响,也属于一个重要的可变参数，对模型计算中供氧量的多少，起着关键的作用。

3.2工艺参数的设立：

下述所出现的公式中，各符号所代表的含义为：主吹结束温度T；主吹结束时碳含量C；主吹结束时硅含量S；母液重量；W；母液起始温度t；还原设定碱度B；动态脱碳阶段铬、锰、铁氧化量（动态阶段用量量-动态脱碳用氧）j；还原前硅升温用氧G；石灰降温系数h；石灰有效含量n。

（1）主吹结束时目标温度设立：主要是依据出钢温度、还原时间、还原期物料的加入量，以及还原硅的加入量而进行设定。

（2）主吹结束时的碳含量：主要是依据主吹结束时温度和主吹结束时铬氧化量，以及所冶炼钢种中的铬含量高低而进行设定；温度高、铬氧化量大、所炼钢种要求铬含量较低时，主吹结束时的碳含量就低，反之则高。根据实际生产中数据表现，比如冶炼含铬12%的钢种，主吹结束时温度在1680℃，铬氧化量在1.00%，对应主吹结束时碳含量一般在0.60%左右，铬氧化量每增加0.20%，对应碳含量减少0.05%；比如冶炼含铬18%的钢种，主吹结束时温度在1680，主吹结束时铬氧化量在1.00%，对应主吹结束时碳含量一般在0.75～0.80%左右。这个数据也需要在实际生产中摸索，以利于模型计算的准确性。

（3）主吹结束时的硅含量：一般按照0.01～0.02%考虑。

（4）还原碱度高低的设立：主要是依据所炼钢种中的铬、锰含量而定。铬、锰含量高时，还原难度较大，需要设立碱度就高；反之，就可低些。原则上是保证炉渣的充分还原。

（5）动态脱碳期间铬、锰、铁的氧化量：其表达方式可以用氧量表示，也就是用动态脱碳期总用氧量减去动态阶段脱碳的用氧量。一般情况下，高铬、高锰、低碳钢种，其动态脱碳期铬、锰、铁氧化量就大；反之，低铬、低锰、高碳钢种，其动态脱碳期铬、锰、铁氧化量就小。

（6）还原前硅升温用氧：主要是冶炼200系不锈钢，要在还原期加入含锰物料，因而需要氧气升温，升温用氧多少依据加入量大小而定。锰在氧化脱碳期一般不予加入，但有的钢厂出于其他考虑，比如200系列不锈钢，也有在脱碳期加入部分含锰返回废钢。

（7）石灰降温系数的设定：主要是依据石灰质量的好坏而定。生焼率影响较大。

3.3主吹脱碳期物料加入量对模型计算的影响。

主吹期所加入的物料一般主要是石灰、高碳铬铁、高碳镍铁、镍板、铜板、钼铁、返回废钢等。

（1）石灰在母液中的降温量：L1=Q×T/W×h。

石灰加入量Q是指平衡母液中硅氧化所用石灰、平衡含硅合金和平衡含硅返回废钢中硅氧化所用石灰、以及平衡主吹结束后动态脱碳期铬、锰、铁氧化所需石灰，平衡还原前硅升温所需石灰；此值并不包括主吹期铬、锰、铁氧化所用石灰,此部分石灰用量正是模型要计算得出的数据。

（2）镍板、铜板、钼铁等非碳、非硅合金在母液中的降温量：L2=镍板、铜板、钼铁加入量×T/W。

（3）高碳铬铁、高碳镍铁、返回废钢等含碳、含硅物料在母液中降温量：L3=物料加入量×（T-物料中碳的升温值-物料中硅的升温值-物料的起始温度值）/W。

物料中碳的升温值：（物料起始碳含量-C）×1%碳的升温值

物料中硅的升温值：（物料起始硅含量-S）×1%硅的升温值

物料起始温度值：高碳铬铁、高碳镍铁、返回废钢的烘烤温度，如果不烘烤可按室温进行计算。

3.4热平衡计算公式。

主要是计算主吹期间铬、锰、铁的氧化量，以确定平衡其氧化所需要的石灰量和吹氧量，同时可预测后期还原用硅量。

下面计算公式为整个静态模型的主体计算公式：主吹阶段铬、锰、铁氧化升温值=（T+L1+L2+L3-t-母液中碳氧化升温值-母液中硅氧化升温值）。

母液中碳氧化升温值：（母液碳含量-C）×1%碳的升温值；

母液中硅氧化升温值：（母液硅含量-S）×1%硅的升温值。

3.5主吹阶段铬、锰、铁三种元素带灰升温值。

1%锰带灰升温值=55-（10×0.2×1.25×2.14×B/n×h ×T/1000）；

1%铬带灰升温=100-（10×0.31×1.25×2.14×B/n×h×T/1000）；

1%铁带灰升温值=40-（10×0.2×1.25×2.14×B/n×h×T/1000）。

3.6主吹阶段铬、锰、铁三种元素的氧化量和升温量。

锰元素氧化量：一般按照脱碳期锰配加量的20～30%进行计算；

锰元素升温量：锰的氧化量×1%锰升温值；

铬+铁升温量：主吹阶段铬、锰、铁氧化升温值-主吹阶段锰元素升温量；

铁、铬氧化重量比：0.10～0.30；

铁、铬氧化升温比：铁、铬氧化重量比×1%铁带灰升温值/1%铬带灰升温值；

铁元素升温量：(铬+铁升温量)×铁、铬氧化升温比/（1+铁、铬氧化升温比）；

铬元素升温量：铬+铁升温量×1/（1+铁、铬氧化升温比）；

铁元素氧化量=铁元素升温量/1%铁带灰升温值；

铬元素氧化量=铬元素升温量/1%铬带灰升温值。

4、主吹阶段石灰加入总量。

平衡主吹期铬氧化配加石灰：铬氧化量×W×0.31/0.80×2.14×B/n；

平衡主吹期锰氧化配加石灰：锰氧化量×W×0.20/0.80×2.14×B/n；

平衡主吹期铁氧化配加石灰：铁氧化量×W×0.20/0.80×2.14×B/n。

主吹阶段石灰加入总量：Q+以上三种石灰合计量。Q是指平衡母液中硅氧化所用石灰、平衡含硅合金和平衡含硅返回废钢中硅氧化所用石灰、以及平衡主吹结束后动态脱碳期铬、锰、铁氧化所需石灰，平衡还原前硅升温所需石灰。

5、主吹阶段吹氧量。

主吹阶段吹氧量：母液中碳、硅氧化耗氧量+合金、废钢中碳、硅氧化耗氧量+主吹期间铬、锰、铁氧化耗氧量。

6、预测还原用硅量。

还原用硅量：还原主吹期间铬、锰、铁氧化所需硅+还原动态脱碳期间铬、锰、铁氧化所需硅。

7、计算结果的论证。

计算结束后，需对此种加料方案进行验证，以期得到较为理想的炉渣结构。验证内容主要包括：主吹结束后的炉渣碱度、渣中氧化铬含量、渣量。

主吹结束后炉渣碱度:主吹阶段石灰加入总量×n/（母液中硅氧化形成SiO2+合金中硅氧化形成SiO2+废钢中硅氧化形成SiO₂）；

主吹结束后的渣量:主吹阶段石灰加入总量+（母液中硅氧化形成SiO₂+合金中硅氧化形成SiO₂+废钢中硅氧化形成SiO₂）+（主吹阶段铬氧化量+主吹阶段锰氧化量+主吹阶段铁氧化量）/0.70；

主吹结束后渣中氧化铬含量：主吹阶段铬氧化量/0.7/主吹结束后的渣量。

如果不在要求控制范围之内，或者偏差较大，可对母液加入量、含硅合金、以及返回废钢加入量进行调整，以期达到理想范围或者偏差不大。

说明：本计算模型没有考虑白云石的加入量对模型计算的影响，主要是因为很多钢厂现在不加白云石。如果确实需要加入，可以在模型计算中把白云石中的氧化钙减去，便是石灰加入量。此模型主要计算目的：一是石灰加入量的计算；另一就是主吹阶段供氧量计算，计算供氧量是为了控制过程温度；至于还原用硅量的预测是辅助功能，帮助操作者了解成本高低。

本AOD静态计算模型的编制方法所得模型属于倒计算模式，需要先确定动态脱碳期间的铬、锰、铁氧化量，然后再计算主吹脱碳期间铬、锰、铁的氧化量；包含以步骤：

1、确立动态脱碳期间的铬、锰、铁氧化量。

根据不同钢种后期脱碳的难易程度，首先确立动态脱碳期间铬、锰、铁氧化量，其值大小对模型的计算起着至关重要作用。尤其对于高铬、低碳钢种，动态脱碳期铬、锰、铁氧化量较大，在生产实践中，应根据不同钢种成品成分的具体要求，建立动态脱碳期间铬、锰、铁氧化量的数据库，以便模型的快速计算。表达方式可用氧气量对三种元素氧化量一并表征，就是动态脱碳期间总耗氧量减去动态脱碳期间的脱碳用氧。

2、确立主吹脱碳期间铁、铬氧化的重量比和升温比。

在一般模型计算中，并不考虑冶炼过程中铁的氧化量对模型计算的影响，应该在模型的编制中充分考虑。

3确立主吹结束后的碳含量。

在一般模型计算中，只是对主吹结束后的碳含量进行估算，没有进行定量描述，实际上应结合主吹结束温度、所冶炼钢种目标铬含量、主吹期铬的氧化量等综合考虑，建立一个数据库。

4、确立1%碳的升温值。

单位碳的升温值影响因素较多，主要与停炉时间、冶炼周期、是否有顶枪、二次燃烧率、AOD公称容量、所炼钢种铬含量有关，其发热值波动非常大，发热值高的可达130-135°，发热值低的也就20-30°，对模型计算影响很大，为此在模型编制过程中，应着重考虑。有的资料把热损失设定为一个可变参数，同时把单位碳的升温值也设定为一个可变参数，在模型计算中用两个可变参数进行热量计算，更为复杂，本人认为可把这两个参数合二为一进行模型计算，较为方便。

5准确计算含碳、含硅物料的降温值。

对于含碳、含硅物料对模型计算的影响，可根据物料中碳、硅含量以及烘烤温度，进行定量计算，不能简单比照石灰或者废钢降温量而计算。那样会偏差很大。

6、确立石灰的降温系数。

石灰的降温量会因质量好坏波动较大，如果生焼率高，降温就大；反之就小。因此必须设立一个降温系数以进行修正。

7、还原炉渣碱度的设定。

还原碱度设立对于热平衡以及石灰量计算影响较大，设定值的大小，主要依据钢种成品铬、锰含量而定。高铬、高猛含量的钢种，由于还原难度较大，因而还原碱度设立较大；反之就小。在实践中可根据具体情况而设定。

Claims (2)

1.一种AOD静态计算模型的编制方法，其特征在于包含如下步骤：

①确定各种返回废钢、合金的加入量，以及平衡动态脱碳期铬、锰、铁氧化所配加石灰和平衡还原前升温所配加石灰量；

②确定上述石灰在母液中的降温量L1，非碳、非硅合金在母液中的降温量L2，含碳、含硅物料在母液中降温量L3；

③根据主体计算公式计算主吹期间铬、锰和铁的升温值，根据铬、锰、铁的升温值，计算主吹阶段铬、锰、铁的氧化量；所述主体计算公式为：平衡主吹阶段铬、锰和铁氧化升温值=T+L1+L2+L3-t-母液中碳氧化升温值-母液中硅氧化升温值；

式中：T为主吹结束温度，℃；t为母液起始温度，℃；

④根据平衡主吹阶段铬、锰、铁的氧化量，计算平衡主吹阶段铬、锰、铁氧化所需要配加的石灰量；

⑤计算主吹阶段石灰加入总量：平衡主吹阶段铬、锰、铁氧化用石灰量，平衡动态脱碳阶段铬、锰、铁氧化用石灰量，平衡还原前硅升温阶段用石灰量，以及平衡母液中硅氧化用石灰量，和平衡返回废钢、合金中硅氧化用石灰量，合计相加就是主吹阶段的石灰加入总量；

⑥主吹阶段吹氧量：主吹阶段铬、锰、铁氧化所需要氧气，以及主吹阶段母液和所加入物料中硅、碳氧化所需要的氧气总和，为主吹阶段吹氧量；

⑦验证阶段：根据主吹阶段石灰加入总量，验证上述配料方案是否能够满足主吹结束后炉渣结构要求。

2.根据权利要求1所述的一种AOD静态计算模型的编制方法，其特征在于：所述炉渣结构要求为：炉渣碱度3.0～4.0，氧化铬含量10～20%。