CN111500815B

CN111500815B - 一种底吹O2-CO2-CaO转炉炼钢过程动态控制方法

Info

Publication number: CN111500815B
Application number: CN202010469302.9A
Authority: CN
Inventors: 朱荣; 李伟峰; 魏光升; 董凯; 冯超; 刘润藻; 周赟; 韩宝臣; 吴学涛
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2040-05-28
Also published as: CN111500815A; WO2021237946A1; US20220325368A1

Abstract

一种底吹O₂‑CO₂‑CaO转炉炼钢过程动态控制方法，属于炼钢技术领域，适用于30‑300t底吹O₂‑CO₂‑CaO转炉炼钢过程。底吹O₂‑CO₂‑CaO转炉炼钢工艺，采用O₂作为顶吹气体，O₂+CO₂混合气作为底吹载气，将石灰粉从底吹喷枪喷入炉内，结合入炉铁水及废钢成分数据、转炉吹炼过程炉气成分数据及底吹设备工作条件，基于物料守恒对转炉炼钢过程钢液成分进行预测，并根据吹炼终点目标成分要求分阶段动态调整顶吹氧气量、底吹气配比及石灰粉流量，在降低底吹火点区温度的同时，强化转炉熔池搅拌效果，促进渣金反应平衡的进行，降低钢液的碳含量、磷含量；同时避免转炉吹炼终点的过氧化，降低脱氧合金消耗，减少钢中夹杂物数量，改善钢液质量；在高效冶金反应的基础上，再次增加金属收得率、降低生产成本、缩短冶炼周期。

Description

一种底吹O2-CO2-CaO转炉炼钢过程动态控制方法

技术领域

本发明涉及炼钢工艺技术领域，尤其涉及一种底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢过程动态控制方法。

背景技术

转炉炼钢工艺能够处理各种成分的铁水及废钢，入炉料可灵活调整，且吹炼周期短，生产能力强，因而成为全球最为广泛的炼钢方法。转炉炼钢工艺以顶吹氧气作为熔池升温及搅拌的手段，配合底吹加强熔池搅拌，为冶金反应提供更好的动力学条件，用以生产达到终点碳含量、磷含量及温度合格的钢水。然而常规转炉冶炼过程熔池搅拌不够强，冶金效果及炼钢成本仍有较大的改善空间。底吹O₂-CaO转炉炼钢工艺熔池搅拌增强，脱磷效果好，但是存在一系列的问题：1）吹炼前期底吹O₂与熔池硅锰元素反应生成氧化物进入渣中，上浮气体量大大降低，熔池搅拌弱；2）脱磷效果较好，但是CaO粉剂喷吹量不精准，有效利用率仍有待提升；3）底吹混入CO₂比例可降低底吹火点区温度，但是混入比例不精准，底吹CO₂比例混入过大则造成终点温度低，底吹CO₂比例混入过小，则起不到保护底吹枪、增强熔池搅拌的效果。

专利申请号201810013096.3公开了一种转炉炼钢工艺，该法介绍了常规转炉炼钢工艺的一种加料及顶吹氧枪相配合的转炉炼钢方式，降低了恒压变枪位供氧时金属损失的问题。该法在实际吹炼中对过程操作要求较高，熔池搅拌有限，终点钢水成分及温度不稳定。

因此，如何实现底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢过程的精准控制，延长底吹喷嘴寿命、强化熔池搅拌强度、防止钢水过氧化、减少钢种夹杂物、降低终点磷含量、缩短吹炼周期、降低生产成本，充分发挥该方法的技术优势是亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢过程动态控制方法，解决了现有常规转炉炼钢过程终点成分波动大、钢液过氧化、吹炼时间长等技术难题。底吹O₂+CO₂+CaO转炉工艺的底吹枪为同心环缝管，吹炼过程，由底吹枪中心孔向熔池吹入O₂+CO₂+CaO，由底吹枪环缝向熔池吹入CH₄，顶吹氧枪向熔池吹入高速O₂，结合入炉铁水成分数据、转炉吹炼过程炉气成分数据及底吹设备工作条件，基于物料守恒对转炉炼钢过程钢液成分进行预测，通过脱碳速度将吹炼过程划分为前期、中期后期三个阶段，并根据吹炼终点目标成分要求分阶段动态调整顶吹氧气量、底吹气配比及石灰粉流量，在强化转炉熔池搅拌效果的基础上，促进渣金反应平衡的进行；同时避免转炉吹炼终点的过氧化，降低脱氧合金消耗，减少钢中夹杂物数量，改善钢液质量，在提升渣金反应效率的基础上，缩短转炉冶炼周期，再次降低成本。

本发明时通过以下技术方案实现的：

一种底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢过程动态控制方法，其特征在于，根据脱碳速率ν_C将底吹O₂-CO₂-CaO转炉吹炼过程划分为前期、中期、后期3个阶段；数据计算模块根据入炉总装入量m_总、入炉铁水温度T_0-1、碳含量[％C]_0-1、硅含量[%Si]_0-1、废钢比为γ，废钢中碳含量[％C]_0-2、硅含量[%Si]_0-2、目标碳含量[％C]_f及目标温度T_f参数计算出吹炼耗氧量、CO₂配比及石灰粉喷入量；根据入炉料结构、熔池升温速度ν_T及脱碳速率ν_C，进而通过中心控制系统制定吹炼前期的吹炼操作工艺；吹炼过程通过脱碳速率计算模块计算出脱碳速率ν_C，并确定吹炼中期、后期的开始时间节点，CO₂计算模块通过底吹火点区温度计算模型、脱磷模型计算CO₂混入比例，进而制定中期、后期的吹炼操作工艺，降低火点区温度，加强熔池搅拌，促进熔池炉渣金属的反应平衡。

通过脱碳速率ν_C确定吹炼终点，并调整底吹气体参数，然后倒炉出钢。通过该动态控制方法，可降低火点区温度、延长底吹枪寿命，根据不同吹炼阶段增强熔池搅拌，可达到快速脱碳、高效脱磷及避免钢液过氧化、缩短吹炼时间、稳定吹炼终点钢液成分、降低生产成本的目的。

进一步地，在底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢过程，底吹枪为同心环缝管，中心管采用O₂+CO₂混合气作为载气，将石灰粉从转炉底部直接吹入熔池，环缝喷吹冷却保护气，气体可以是CH₄、CO₂、N₂、Ar。结合转炉入炉料成分和烟气成分，对吹炼过程钢液的成分及温度进行预测，根据目标钢种成分、温度要求，通过底吹火点区温度计算模型、脱磷模型计算CO₂混入量，基于熔池脱碳速度，并分阶段动态调控底吹气中的CO₂比例。

进一步地，如上所述方法控制步骤如下：

根据入炉料总量m_总、硅含量[%Si]及碱度R要求，由粉剂计算模块计算石灰粉喷入速度，通过公式

计算并调整喷吹石灰粉速度；根据顶底吹设备工作反馈参数计算转炉炉气瞬时产生量S_o-gas，同时根据炉气成分数据，计算出转炉吹炼过程脱碳速度变化，进而确定转炉的吹炼阶段及对应的钢液成分；炉气中CO₂、CO、O₂、H₂的瞬时含量分别为P_0-CO2、P_0-CO、P_0-O2、P_0-H2；顶吹氧气流量为Q_U-O2，底吹中心气为O₂+CO₂混合气，底吹环缝为CH₄，底吹总流量、CO₂及CH₄比例分别为Q_b、ε_b-CO2、ε_b-CH4；根据公式2Q_b(ε_b-CH4)= S_o-gas·P_o-H2及底吹工作参数计算及核定炉气流量S_o-gas，由脱碳速率计算模块计算脱碳速度，通过公式

计算转炉吹炼过程的脱碳速度。

进一步地，如上所述方法具体控制步骤如下：

步骤1：通过数据采集系统获取转炉入炉料结构、关键成分数据及目标参数，将之传输至数据计算模块，并通过中心控制系统制定并控制转炉吹炼前期的操作工艺；

步骤2：吹炼前期，根据步骤1制定的操作工艺，顶吹氧枪降至炉内进行吹氧，底吹枪中心管以O₂+CO₂混合气作为载气，将石灰粉吹入熔池，底吹枪环缝吹入CH₄作为保护气，通过烟气成分数据及脱碳速率计算模块得出的脱碳速度ν_C=(

)_i，确定吹炼前期的结束节点，

步骤3：吹炼中期，通过步骤2得到的脱碳速度ν_C= (

)_i，确定吹炼中期的开始时间，进而制定中期操作方案，

步骤4：吹炼后期，通过脱碳速度ν_C= (

)_i，确定吹炼后期的开始节点，根据升温速率ν_T，利用CO₂计算模块计算后期混入CO₂量，进而制定后期操作方案；

步骤5：吹炼终点，根据脱碳速率ν_C= (

)_i确定吹炼结束的时间节点；

步骤6：底吹中心孔气体切换为Ar，流量为2500-18400 Nm³/h，底吹环缝气体切换为Ar，流量为200-1790 Nm³/h，降低熔池搅拌，加速渣铁分离，倒炉出钢。

进一步地，步骤（2）所述吹炼前期的具体操作方案如下：底部石灰粉喷吹速度为300-900kg/min；顶吹氧气流量为10000-63000Nm³/h，底吹中心孔O₂+CO₂总流量为3000-18900 Nm³/h，其中CO₂比例为0-100%，底吹环缝CH₄流量为300-1890 Nm³/h，吹炼结束时间为3-6min。

进一步地，步骤（3）所述吹炼中期具体操作方案如下：底部石灰粉喷吹速度为300-900kg/min，8-10min停止喷粉；顶吹氧气流量为9000-62000 Nm³/h，底吹中心孔O₂流量为3000-18900 Nm³/h，CO₂比例为0，底吹环缝CH₄流量为300-1890 Nm³/h，吹炼中期结束时间为9-13min。

进一步地，步骤（4）所述吹炼后期具体操作方案如下：底部石灰粉喷吹速度为0kg/min；顶吹氧气流量为9000-62000 Nm³/h，底吹中心孔O₂+CO₂总流量为3000-18900 Nm³/h，其中CO₂比例为50-100%，底吹环缝CH₄流量为300-1890 Nm³/h，吹炼后期结束时间为13-18min。

本发明适用于30-300t底吹O₂-CO₂-CaO转炉冶炼过程。通过本发明延长了底吹枪寿命，同时强化转炉吹炼过程的熔池搅拌效果，进一步地促进冶金反应平衡，降低钢液中碳、磷含量，改善钢液质量，同时避免转炉吹炼终点钢液过氧化，减少脱氧合金及锰铁合金的消耗，降低生产成本，缩短转炉冶炼周期。使得终点碳含量降低0.01-0.03%，氧含量降低了200-400PPm，合金消耗量减少3～8％，磷含量降低0.005%-0.010%，转炉生产周期缩短0.5～2min，钢铁料消耗降低了10-80 kg/t，提高了钢液质量，降低了成本。

附图说明

图1为本发明一底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢过程动态控制方法的动态控制逻辑框图。

具体实施方式

1．为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

2．相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

3.实施例1:本发明应用在120t底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢工序，顶吹气体为O₂，底吹中心气体包括O₂+CO₂，底吹环缝保护气为CH₄。具体步骤如下：

1）：通过原料参数采集系统采集铁水温度为1300℃，铁水碳含量[%C]₀=4.0%、硅含量[%Si]₀=0.60%、磷含量为[%P]₀=0.109%，废钢碳含量为[%C]₀=0.10%、硅含量[%Si]₀=0.25%、磷含量为[%P]₀=0.020%，废钢比为15%，目标碳含量为0.02%，目标温度为1635℃，将之传输至喷吹参数计算模块，通过中心控制系统制定吹炼前期的操作工艺。

2）：吹炼前期，根据步骤1制定的操作工艺，顶吹氧气，底吹枪中心管以混合气O₂+CO₂为载气，将CaO粉剂喷入熔池，增强熔池搅拌，促进化渣，底吹枪环缝吹CH₄，冷却保护中心管，根据脱碳速率计算模块计算出熔池脱碳速度，确定吹炼前期的结束时间。具体操作方案如下：顶吹氧枪氧气流量为19500Nm³/h，底吹枪中心管混合气O₂+CO₂总流量7600 Nm³/h，其中CO₂混入比例为50%，石灰粉喷吹速度为300kg/min，底吹枪环缝气体CH₄流量为760 Nm³/h，吹炼前期时间为0-5min；

3）：吹炼中期，根据脱碳速度(

)_i，确定吹炼中期的开始时间为5min，顶吹氧气，底吹枪中心管以纯氧气为载气，将CaO粉剂喷入熔池，加速脱碳反应，增强熔池搅拌，环缝吹CH₄，冷却保护中心管。具体操作方案如下：顶吹氧枪氧气流量为17600Nm³/h，底吹枪中心管纯吹O₂流量7600 Nm³/h，石灰粉喷吹速度为300kg/min，吹炼时间至10min时，停止喷粉，底吹枪环缝气体CH₄流量为760 Nm³/h，吹炼中期时间为5-13min；

4）：吹炼后期，根据脱碳速度(

)_i，确定吹炼后期的开始时间为13min，顶吹氧气，底吹枪中心管喷吹混合气O₂+CO₂，降低底吹火点区温度，增强熔池搅拌，促进冶金反应平衡，环缝吹CH₄，冷却保护中心管。具体操作方案如下：顶吹氧枪氧气流量为20600Nm³/h，底吹枪中心管混合气O₂+CO₂总流量7600 Nm³/h，其中CO₂混入比例为80%，底吹枪环缝气体CH₄流量为760 Nm³/h，吹炼后期时间为13-15min；

5）：吹炼终点，测得温度为1635℃，熔池碳含量为0.02%，氧含量为800PPm，温度及成分合格。底吹中心孔气体切换为纯Ar，流量为7000 Nm³/h，底吹环缝气体切换为纯Ar，流量为600 Nm³/h，降低熔池搅拌，加速渣铁分离，然后倒炉出钢。

实施例2：本发明应用在300t底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢工序，顶吹气体为O₂，底吹中心气体包括O₂+CO₂，底吹环缝保护气为CH₄。具体步骤如下：

1）：通过原料参数采集系统采集铁水温度为1300℃，铁水碳含量[%C]₀=4.0%、硅含量[%Si]₀=0.50%、磷含量为[%P]₀=0.100%，废钢碳含量为[%C]₀=0.15%、硅含量[%Si]₀=0.20%、磷含量为[%P]₀=0.020%，废钢比为15%，目标碳含量为0.02%，目标温度为1635℃，将之传输至喷吹参数计算模块，通过中心控制系统制定吹炼前期的操作工艺。

2）：吹炼前期，根据步骤1制定的操作工艺，顶吹氧气，底吹枪中心管以混合气O₂+CO₂为载气，将CaO粉剂喷入熔池，增强熔池搅拌，促进化渣，底吹枪环缝吹CH₄，冷却保护中心管，根据脱碳速率计算模块计算出熔池脱碳速度，确定吹炼前期的结束时间。具体操作方案如下：顶吹氧枪氧气流量为47800Nm³/h，底吹枪中心管混合气O₂+CO₂总流量19000 Nm³/h，其中CO₂混入比例为40%，石灰粉喷吹速度为700kg/min，底吹枪环缝气体CH₄流量为1900 Nm³/h，吹炼前期时间为0-6min；

3）：吹炼中期，根据脱碳速度(

)_i，确定吹炼中期的开始时间为6 min，顶吹氧气，底吹枪中心管以纯氧气为载气，将CaO粉剂喷入熔池，加速脱碳反应，增强熔池搅拌，环缝吹CH₄，冷却保护中心管。具体操作方案如下：顶吹氧枪氧气流量为44000Nm³/h，底吹枪中心管纯吹O₂流量19000 Nm³/h，石灰粉喷吹速度为700kg/min，吹炼时间至9min时，停止喷粉，底吹枪环缝气体CH₄流量为1900 Nm³/h，吹炼中期时间为6-14min；

4）：吹炼后期，根据脱碳速度(

)_i确定吹炼后期的开始时间为14min，顶吹氧气，底吹枪中心管喷吹混合气O₂+CO₂，增强熔池搅拌，促进冶金反应平衡，环缝吹CH₄，冷却保护中心管。具体操作方案如下：顶吹氧枪氧气流量为50600Nm³/h，底吹枪中心管混合气O₂+CO₂总流量19000 Nm³/h，其中CO₂混入比例为70%，底吹枪环缝气体CH₄流量为1900 Nm³/h，吹炼后期时间为14-17min；

5）：吹炼终点，测得温度为1637℃，熔池碳含量为0.02%，氧含量为750PPm。底吹中心孔气体切换为纯Ar，流量为49000 Nm³/h，底吹环缝气体切换为纯Ar，流量为1300 Nm³/h，降低熔池搅拌，加速渣铁分离，然后倒炉出钢。

Claims

1.一种底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢过程动态控制方法，其特征在于，根据脱碳速率ν_C将底吹O₂-CO₂-CaO转炉吹炼过程划分为前期、中期、后期3个阶段；数据计算模块根据入炉总装入量m_总、入炉铁水温度T_0-1、碳含量[％C]_0-1、硅含量[％Si]_0-1、废钢比为γ，废钢中碳含量[％C]_0-2、硅含量[％Si]_0-2、目标碳含量[％C]_f及目标温度T_f参数计算出吹炼耗氧量、CO₂配比及石灰粉喷入量；根据入炉料结构、熔池升温速度ν_T及脱碳速率ν_C，进而通过中心控制系统制定吹炼前期的吹炼操作工艺；吹炼过程通过脱碳速率计算模块计算出脱碳速率ν_C，并确定吹炼中期、后期的开始时间节点，CO₂计算模块通过底吹火点区温度计算模型、脱磷模型计算CO₂混入比例，进而制定中期、后期的吹炼操作工艺，降低火点区温度，加强熔池搅拌，促进熔池炉渣金属的反应平衡；

在底吹O₂-CO₂-CaO转炉炼钢过程，底吹枪为同心环缝管，中心管采用O₂+CO₂混合气作为载气，将石灰粉从转炉底部直接吹入熔池，环缝喷吹冷却保护气，气体是CH₄、CO₂、N₂、Ar；结合转炉入炉料成分和烟气成分，对吹炼过程钢液的成分及温度进行预测，根据目标钢种成分、温度要求，通过底吹火点区温度计算模型、脱磷模型计算CO₂混入量，基于熔池脱碳速度，并分阶段动态调控底吹气中的CO₂比例；

控制步骤如下：

根据入炉料总量m_总、硅含量[％Si]及碱度R要求，由粉剂计算模块计算石灰粉喷入速度，通过公式v_Cao·t＝{[％Si]_0-1·(1-γ)+[％Si]_0-2·γ}·m_总·R计算并调整喷吹石灰粉速度；根据顶底吹设备工作反馈参数计算转炉炉气瞬时产生量S_o-gas，同时根据炉气成分数据，计算出转炉吹炼过程脱碳速度变化，进而确定转炉的吹炼阶段及对应的钢液成分；炉气中CO₂、CO、O₂、H₂的瞬时含量分别为P_0-CO2、P_0-CO、P_0-O2、P_0-H2；顶吹氧气流量为Q_U-O2，底吹中心气为O₂+CO₂混合气，底吹环缝为CH₄，底吹总流量、CO₂及CH₄比例分别为Q_b、ε_b-CO2、ε_b-CH4；根据公式2Q_b(ε_b-CH4)＝S_o-gas·P_o-H2及底吹工作参数计算及核定炉气流量S_o-gas，由脱碳速率计算模块计算脱碳速度，通过公式

计算转炉吹炼过程的脱碳速度；

具体控制步骤如下：

步骤2：吹炼前期，根据步骤1制定的操作工艺，顶吹氧枪降至炉内进行吹氧，底吹枪中心管以O₂+CO₂混合气作为载气，将石灰粉吹入熔池，底吹枪环缝吹入CH₄作为保护气，通过烟气成分数据及脱碳速率计算模块得出的脱碳速度

确定吹炼前期的结束节点，

步骤3：吹炼中期，通过步骤2得到的脱碳速度

确定吹炼中期的开始时间，进而制定中期操作方案，

步骤4：吹炼后期，通过脱碳速度

确定吹炼后期的开始节点，根据升温速率ν_T，利用CO₂计算模块计算后期混入CO₂量，进而制定后期操作方案；

步骤5：吹炼终点，根据脱碳速率

确定吹炼结束的时间节点；

步骤6：底吹中心孔气体切换为Ar，流量为2500-18400Nm³/h，底吹环缝气体切换为Ar，流量为200-1790Nm³/h，降低熔池搅拌，加速渣铁分离，倒炉出钢；

步骤(2)所述吹炼前期的具体操作方案如下：底部石灰粉喷吹速度为300-900kg/min；顶吹氧气流量为10000-63000Nm³/h，底吹中心孔O₂+CO₂总流量为3000-18900Nm³/h，其中CO₂比例为0-100％，底吹环缝CH₄流量为300-1890Nm³/h，吹炼结束时间为3-6min；

步骤(3)所述吹炼中期具体操作方案如下：底部石灰粉喷吹速度为300-900kg/min，8-10min停止喷粉；顶吹氧气流量为9000-62000Nm³/h，底吹中心孔O₂流量为3000-18900Nm³/h，CO₂比例为0，底吹环缝CH₄流量为300-1890Nm³/h，吹炼中期结束时间为9-13min；

步骤(4)所述吹炼后期具体操作方案如下：底部石灰粉喷吹速度为0kg/min；顶吹氧气流量为9000-62000Nm³/h，底吹中心孔O₂+CO₂总流量为3000-18900Nm³/h，其中CO₂比例为50-100％，底吹环缝CH₄流量为300-1890Nm³/h，吹炼后期结束时间为13-18min。