CN110804684A - 一种转炉co2-o2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法 - Google Patents

一种转炉co2-o2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种转炉CO2‑O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，属于钢铁冶金技术领域。该方法通过安装于氧枪内部的红外温度传感器实现在线监测，并将监测系统转换后的数字信号传递给冶炼二级系统，冶炼二级系统根据冶炼不同时期火点区温度变化及工艺要求，动态调节CO2与O2的混合比例和氧枪枪位高度，实现冶炼二级系统联锁动态控制火点区温度和熔池升温速率。本发明适用于30‑400t转炉CO2‑O2混合喷吹冶炼，所述方法根据工艺要求动态调节火点区温度和熔池升温速率，实现熔池有效热量利用率提高、炼钢烟尘排放量减少、炉渣产生量和钢铁料消耗降低。

Description

一种转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，特别是指一种转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法。
背景技术
CO2大量排放是产生温室效应的主要原因，每生产1吨钢将排放约2吨CO2，CO2的高效利用对于减少温室气体排放具有重要意义，因此开发新技术、探索新途径，实现钢铁行业CO2排放的减少或消纳显得刻不容缓。
转炉冶炼过程中高速氧气射流与熔池接触，形成铁蒸发的高温火点区，产生大量烟尘，造成了环境污染，转炉的热损失增大，金属收得率降低，因此如何动态调节控制火点区温度对于减少炼钢烟尘的产生、提高金属收得率和热能利用率具有重要意义，但目前仍没有有效的方法实现火点区温度的连续监测，并根据火点区温度和冶炼要求实现火点区温度动态调节。
CO2与[C]反应属于吸热反应(主要受[C]浓度和温度限制)，生成1.2-2倍的CO气泡，不仅能降低火点区温度和实现质能转换，而且能增强熔池搅拌，CO2是一种最洁净的冷却剂，如何通过动态调节CO2的混合比例，实现精确有效控制火点区温度对于降低转炉冶炼成本，提高金属收得率，增强冶炼工艺灵活度具有重要意义。
中国专利CN 200910088822.9公开了一种喷吹CO2气体控制转炉炼钢熔池温度的方法，将CO2混合至O2，根据冶炼不同时期，调整CO2的混合比例，实现控制转炉炼钢熔池温度的目的，但是该方法的CO2比例调节采用静态模型，手动调节方式实现，并非实时动态调节，难以有效利用CO2或最高效利用CO2。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，动态调节转炉冶炼火点区温度和熔池升温速率，实现CO2和熔池能量高效利用，减少炼钢烟尘产生量。
该方法在氧枪内部安装红外测温仪，红外测温仪连接数据处理系统，数据处理系统连接冶炼二级系统，冶炼二级系统连接CO2流量调节阀、O2流量调节阀和氧枪控制系统，氧枪连接测温仪保护系统和氧枪冷却系统；该方法具体包括步骤如下：
S1：冶炼二级系统根据入炉金属料条件、造渣剂条件、冷却剂条件和出钢目标要求，通过物料平衡和热平衡静态模型计算造渣剂和冷却剂加入量并制定加入制度；其中，造渣剂条件和冷却剂条件包含成分、活度等指标，材料进厂后已做检验，为已知数据。
S2：转炉兑铁后，摇正转炉炉口至垂直位置，冶炼二级系统打开氧枪冷却系统后，控制氧枪控制系统下降氧枪至炉口上方一定高度后，打开测温仪保护系统，继续下降至炉口下方规定高度后打开CO2流量调节阀、O2流量调节阀和红外测温仪，利用红外测温仪测取火点区温度；
S3：冶炼开始阶段，通过红外测温仪测得火点区温度为T1，火点区温度要求控制小于T2，T1与T2的差值ΔT传入冶炼二级系统，冶炼二级系统动态调节CO2混入比例；
S4：冶炼前期0-3min为升温造渣阶段，利用红外测温仪测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2800℃，控制熔池升温速率范围10-30℃/min，冶炼二级系统根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.5-2.0％；
S5：冶炼前期3-5min为前期高效脱磷阶段，要求控制火点区温度低于2700℃，控制熔池升温速率范围5-18℃/min，冶炼二级系统根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，为前期脱磷提供“低温”热力学条件的同时，实现减少铁氧化，降低烟尘产生量，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.35-1.8％；
S6：冶炼中期5-10min为快速脱碳阶段，熔池中的[C]快速氧化，不仅造成火点区温度和熔池升温速度加快，而且会产生大量烟尘。利用红外测温仪测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2700℃(此阶段的CO产生量较大，需要控制更低的火点区温度才能有效抑制烟尘产生)，控制熔池升温速率范围24-40℃/min，冶炼二级系统根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.3-1.6％(相对冶炼前期熔池温度和[C]浓度较高，有利于提高CO2的反应率)；
S7：冶炼后期10-16min为终点调控阶段，主要任务是调控钢水成分和温度，满足出钢要求。利用红外测温仪测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2800℃(由于[C]浓度的限制，CO2反应率降低)，控制熔池升温速率范围14-30℃/min，冶炼二级系统根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例调整0.35-2.0％(此阶段熔池中的[C]浓度限制CO2与[C]的反应，CO2利用率降低，为减少[Fe]氧化，需增强熔池搅拌)；
S8：吹炼结束，冶炼二级系统控制氧枪控制系统提升氧枪至炉口下方一定高度后，关闭CO2流量调节阀、O2流量调节阀、红外测温仪，继续提升氧枪至炉口上方一定高度后关闭测温仪保护系统，氧枪提升至原始待用位后关闭氧枪冷却系统，等待下一炉操作；
S9：采用副枪或其他分析方法，分析钢水成分及温度合格后，摇转转炉出钢。
其中，S1中金属料条件包括铁水和废钢重量、温度。
氧枪的供气流量为6000-100000Nm3/h，其中O2浓度大于97％，混合比例为50-100％，CO2浓度大于90％，混合比例为0-50％，氧枪冷却系统水流量为60-600m3/h。
红外测温仪传输4-20mA电信号，红外光谱为4-30um，单激光或双激光瞄准形式，仪表外径为5-40mm，红外线轴线与氧枪喷头喷孔轴线夹角为0-70°。
测温仪保护系统确保红外测温仪温度为0-70℃，保护气介质为N2、Ar、CO2任意一种或任意两种以上的混合气体，保护气气体流量为500-10000Nm3/h，保护气管路内径为5-200mm。
数据处理系统将4-20mA电信号转换为数字信号。
该方法适用于30-400t转炉CO2-O2混合喷吹冶炼。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该方法为转炉冶炼火点区温度的在线连续测量方法；根据在线测量的火点区温度和冶炼工艺要求，实现动态调节转炉冶炼不同阶段CO2的混合比例，实现CO2和转炉热能高效利用，有效抑制转炉烟尘的产生量，提高金属收得率。
附图说明
图1为本发明的转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法系统结构示意图；
图2为本发明的非接触式红外测温仪装配示意图；
图3为图2中A向剖视图；
图4为本发明实施例中冶炼过程中氧枪枪位与CO2流量变化曲线。
其中：1：氧枪；2-1：红外测温仪；2-2：数据处理系统；3：冶炼二级系统；4-1：CO2储气罐；4-2：O2储气罐；4-3：CO2流量调节阀；4-4：O2流量调节阀；4-5：CO2-O2混气装置；5：氧枪控制系统；6：测温仪保护系统；7：氧枪冷却系统。
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CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法。
如图1、图2和图3所示，该方法中在氧枪1内部安装红外测温仪2-1，红外测温仪2-1连接数据处理系统2-2，数据处理系统2-2连接冶炼二级系统3，冶炼二级系统3连接CO2流量调节阀4-3、O2流量调节阀4-4和氧枪控制系统5，氧枪1连接测温仪保护系统6和氧枪冷却系统7；CO2流量调节阀4-3连接CO2储气罐4-1，O2流量调节阀4-4连接O2储气罐4-2，CO2流量调节阀4-3和O2流量调节阀4-4之后的管道合并到CO2-O2混气装置4-5处进行混气。
该方法在CO2-O2混合喷吹冶炼过程中，利用安装在氧枪内部的红外测温仪测量火点区温度，将电信号传递给数据处理系统，再将处理后的数字信号传递给冶炼二级系统，根据火点区温度变化情况动态调节CO2流量调节阀、O2流量调节阀和氧枪控制系统，实现动态调节火点区温度和熔池升温速率，实现高效利用转炉冶炼过程中的能量，降低钢铁料消耗，减少炼钢烟尘排放量和炉渣产生量。该方法具体步骤如下：
S1：冶炼二级系统3根据入炉金属料条件、造渣剂条件、冷却剂条件和出钢目标要求，通过物料平衡和热平衡静态模型计算造渣剂和冷却剂加入量并制定加入制度；
S2：转炉兑铁后，摇正转炉炉口至垂直位置，冶炼二级系统3打开氧枪冷却系统7后，控制氧枪控制系统5下降氧枪至炉口上方一定高度后，打开测温仪保护系统6，继续下降至炉口下方规定高度后打开CO2流量调节阀4-3、O2流量调节阀4-4和红外测温仪2-1，利用红外测温仪2-1测取火点区温度；
S3：冶炼开始阶段，通过红外测温仪2-1测得火点区温度为T1，火点区温度要求控制小于T2，T1与T2的差值ΔT传入冶炼二级系统3，冶炼二级系统3动态调节CO2混入比例；
S4：冶炼前期0-3min为升温造渣阶段，利用红外测温仪2-1测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2800℃，控制熔池升温速率范围10-30℃/min，冶炼二级系统3根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.5-2.0％；
S5：冶炼前期3-5min为前期高效脱磷阶段，要求控制火点区温度低于2700℃，控制熔池升温速率范围5-18℃/min，冶炼二级系统3根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.35-1.8％；
S6：冶炼中期5-10min为快速脱碳阶段，利用红外测温仪2-1测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2700℃，控制熔池升温速率范围24-40℃/min，冶炼二级系统3根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.3-1.6％；
S7：冶炼后期10-16min为终点调控阶段，利用红外测温仪2-1测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2800℃，控制熔池升温速率范围14-30℃/min，冶炼二级系统3根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.35-2.0％；
S8：吹炼结束，冶炼二级系统3控制氧枪控制系统5提升氧枪至炉口下方一定高度后，关闭CO2流量调节阀4-3、O2流量调节阀4-4、红外测温仪2-1，继续提升氧枪至炉口上方一定高度后关闭测温仪保护系统6，氧枪提升至原始待用位后关闭氧枪冷却系统7，等待下一炉操作；
S9：分析钢水成分及温度合格后，摇转转炉出钢。
下面结合具体实施例予以说明。
1)在本实施例中，所述方法应用于260t转炉炼钢，选用外管直径402mm的氧枪，顶吹气体为O2与CO2的混合气，气体总流量为57000Nm3/h，红外测温仪外径为15mm，喷头中心孔直径为30mm，保护气介质为N2和Ar，冶炼后期将N2切换为Ar，保护气流量为2500Nm3/h；
2)冶炼二级系统根据入炉金属料条件(铁水和废钢重量、温度)、造渣剂条件、冷却剂条件和出钢目标要求，通过物料平衡和热平衡静态模型计算造渣剂和冷却剂加入量并制定加入制度。铁水重量为249t，废钢重量为39t，石灰加入量为35kg/t，轻烧白云石14.8kg/t。铁水参数、废钢参数和造渣剂参数如表1和表2所示。
表1铁水、废钢和钢水参数
名称 C/％ Si/％ Mn/％ P/％ S/％ 温度/℃
铁水 4.2 0.43 0.14 0.07 0.018 1312
废钢 0.10 0.05 0.20 0.015 0.010 25
钢水 0.05 0.003 0.072 0.012 0.010 1670
表2造渣剂成分
名称 CaO/％ SiO<sub>2</sub>/％ MgO/％
石灰 82 4 3
轻烧白云石 50 1 35
转炉装废钢和兑铁后，摇正转炉炉口至垂直位置，冶炼二级系统打开氧枪冷却系统，待水流量大于400m3/h，且压力稳定后，控制氧枪控制系统下降氧枪至炉口上方的活动烟罩内，打开测温仪保护系统，喷吹N2，流量为800Nm3/h，继续下降氧枪至炉口下方500mm后，打开O2流量调节阀和红外测温仪，O2流量为57000Nm3/h，测温仪保护气N2流量调节至2500Nm3/h，继续降低氧枪高度至开吹枪位2.3m，加入50％造渣剂。
冶炼前期(0-3min)为升温造渣阶段，吹炼开始，红外测温仪使用双激光瞄准器，测得电信号经计算机处理系统处理后的火点区温度T1＝2980℃，超过火点区控制温度(2800℃)180℃，冶炼二级系统依据热平衡计算CO2的混合量，打开CO2流量调节阀，动态调节CO2混合比例为9.4％，连续监测过程中ΔT每变化10℃，CO2比例相应调节0.52％。(前期温度限制CO2与[C]的反应率，CO2利用率较低。)，保持火点区稳定控制在2800℃以下，控制熔池平均升温速率为19℃/min(前期[Si]、[Mn]、[P]和[Fe]元素与O2反应放热造成熔池的快速升温)。
冶炼前期(3-5min)为前期高效脱磷阶段，控制火点区温度低于2700℃，控制熔池平均升温速率10℃/min。冶炼开始3min，红外测温仪测得火点区温度T1＝2790℃，超过火点区控制温度(2700℃)90℃，冶炼二级系统依据热平衡计算CO2的混合量，动态调节CO2混合比例为12.3％，连续监测过程中ΔT每变化10℃，CO2比例相应调节0.41％(由于温度升高，CO2利用率提高。)，为前期脱磷提供“低温”热力学条件的同时，实现减少铁氧化，降低烟尘产生量。
冶炼过程进入快速脱碳阶段(5-11min)，熔池中的[C]快速氧化，不仅造成火点区温度和熔池升温速度加快，而且会产生大量烟尘，但由于温度和熔池中[C]浓度较高，有利于提高CO2的反应率。为保证出钢温度满足要求，控制火点区温度低于2700℃(此阶段的CO产生量较大，需要控制更低的火点区温度才能有效抑制烟尘产生。)，控制熔池平均升温速率30℃/min。冶炼开始5min，红外测温仪测得火点区温度T1为2690℃，低于火点区控制温度(2700℃)10℃，冶炼二级系统依据热平衡计算CO2的混合量，动态调节CO2混合比例为9.6％，连续监测过程中ΔT每变化10℃，CO2比例相应调节0.32％(相对冶炼前期熔池温度和[C]浓度较高，有利于提高CO2的反应率。)。
冶炼后期(11-15min)终点调控阶段，主要任务是调控钢水成分和温度，满足出钢要求。为保证出钢温度和成分，控制火点区温度低于2800℃，控制熔池平均升温速率22.5℃/min。冶炼开始11min，红外测温仪测得火点区温度T1为2680℃，低于火点区控制温度(2700℃)20℃，冶炼二级系统依据热平衡计算CO2的混合量，动态调节CO2混合比例为10.8％，连续监测过程中ΔT每变化10℃，CO2比例相应调节0.36％((此阶段熔池中的[C]浓度限制CO2与[C]的反应，CO2利用率降低，为减少[Fe]氧化和提高金属收得率，需增强熔池搅拌。)。
吹炼结束后，冶炼二级系统控制氧枪控制系统提升氧枪至炉口下方500mm时，关闭CO2流量调节阀、O2流量调节阀、红外测温仪，继续提升氧枪至炉口上方冷却烟罩内，关闭测温仪保护系统，继续提升氧枪至原始待用位后关闭氧枪冷却系统。
采用副枪或其他分析方法，分析钢水成分及温度合格后，摇炉出钢。
上述冶炼过程中氧枪枪位与CO2流量变化曲线如图4所示。
采用本发明所述方法后，转炉烟尘排放量减少8.2％，煤气回收量增加5.9m3/t，钢铁料消耗降低2.4kg/t。
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 (7)

1.一种转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，其特征在于：该方法在氧枪(1)内部安装红外测温仪(2-1)，红外测温仪(2-1)连接数据处理系统(2-2)，数据处理系统(2-2)连接冶炼二级系统(3)，冶炼二级系统(3)连接CO2流量调节阀(4-3)、O2流量调节阀(4-4)和氧枪控制系统(5)，氧枪(1)连接测温仪保护系统(6)和氧枪冷却系统(7)；该方法具体包括步骤如下：
S1：冶炼二级系统(3)根据入炉金属料条件、造渣剂条件、冷却剂条件和出钢目标要求，通过物料平衡和热平衡静态模型计算造渣剂和冷却剂加入量并制定加入制度；
S2：转炉兑铁后，摇正转炉炉口至垂直位置，冶炼二级系统(3)打开氧枪冷却系统(7)后，控制氧枪控制系统(5)下降氧枪至炉口上方，打开测温仪保护系统(6)，继续下降至炉口下方规定高度后打开CO2流量调节阀(4-3)、O2流量调节阀(4-4)和红外测温仪(2-1)，利用红外测温仪(2-1)测取火点区温度；
S3：冶炼开始阶段，通过红外测温仪(2-1)测得火点区温度为T1，火点区温度要求控制小于T2，T1与T2的差值ΔT传入冶炼二级系统(3)，冶炼二级系统(3)动态调节CO2混入比例；
S4：冶炼前期0-3min为升温造渣阶段，利用红外测温仪(2-1)测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2800℃，控制熔池升温速率范围10-30℃/min，冶炼二级系统(3)根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.5-2.0％；
S5：冶炼前期3-5min为前期高效脱磷阶段，要求控制火点区温度低于2700℃，控制熔池升温速率范围5-18℃/min，冶炼二级系统(3)根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.35-1.8％；
S6：冶炼中期5-10min为快速脱碳阶段，利用红外测温仪(2-1)测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2700℃，控制熔池升温速率范围24-40℃/min，冶炼二级系统(3)根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.3-1.6％；
S7：冶炼后期10-16min为终点调控阶段，利用红外测温仪(2-1)测得火点区温度T1，要求控制火点区温度低于T2＝2800℃，控制熔池升温速率范围14-30℃/min，冶炼二级系统(3)根据ΔT和热平衡动态实时调节CO2混入比例，所述ΔT值每变化10℃，CO2混合比例对应调整0.35-2.0％；
S8：吹炼结束，冶炼二级系统(3)控制氧枪控制系统(5)提升氧枪至炉口下方，关闭CO2流量调节阀(4-3)、O2流量调节阀(4-4)、红外测温仪(2-1)，继续提升氧枪至炉口上方后关闭测温仪保护系统(6)，氧枪提升至原始待用位后关闭氧枪冷却系统(7)，等待下一炉操作；
S9：分析钢水成分及温度合格后，摇转转炉出钢。
2.根据权利要求1所述的转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，其特征在于：所述S1中金属料条件包括铁水和废钢重量、温度。
3.根据权利要求1所述的转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，其特征在于：所述氧枪(1)的供气流量为6000-100000Nm3/h，其中O2浓度大于97％，混合比例为50-100％，CO2浓度大于90％，混合比例为0-50％，氧枪冷却系统(7)水流量为60-600m3/h。
4.根据权利要求1所述的转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，其特征在于：所述红外测温仪(2-1)传输4-20mA电信号，红外光谱为4-30um，单激光或双激光瞄准形式，仪表外径为5-40mm，红外线轴线与氧枪喷头喷孔轴线夹角为0-70°。
5.根据权利要求1所述的转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，其特征在于：所述测温仪保护系统(6)确保红外测温仪(2-1)温度为0-70℃，保护气介质为N2、Ar、CO2任意一种或任意两种以上的混合气体，保护气气体流量为500-10000Nm3/h，保护气管路内径为5-200mm。
6.根据权利要求1所述的转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，其特征在于：所述数据处理系统(2-2)将4-20mA电信号转换为数字信号。
7.根据权利要求1所述的转炉CO2-O2混合喷吹冶炼火点区温度动态控制方法，其特征在于：该方法适用于30-400t转炉CO2-O2混合喷吹冶炼。
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