CN114150102B - 基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法，包括以下步骤：a.建立多参数耦合数据库；b.计算顶吹搅拌强度、底吹搅拌强度、氧枪冲击深度和氧枪冲击面积；c.计算熔池动态特征指数；d.对熔池碳含量进行测定，并计算对应的熔池脱碳速率；e.构建熔池脱碳速率与熔池动态特征指数之间的匹配关系数学模型；f.实时计算熔池动态特征指数，得到熔池脱碳速率的预测值；g.计算烟气瞬时发生量；h.根据烟气瞬时发生量对烟道风机的转速进行实时调控。本发明在构建熔池脱碳速率与熔池动态特征指数之间的匹配关系数学模型的基础上，实现抽风量与熔池生成的气体量的同步联动，使转炉烟气空气燃烧系数趋近于零，大大提高了回收煤气的品质。

Description

基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法，可提高回收煤气的热值，属于金属的冶炼技术领域。

背景技术

复吹转炉炼钢过程与煤气回收是相互协同的高温多相的冶金过程。受熔池运动、元素浓度的影响脱碳速率呈现“低-高-低”的非线性变化特点，低脱碳速率期的过剩氧气、抽入空气与炉气中CO反应降低了回收煤气的热值。现有技术对转炉熔池碳含量的预报多采用静态模型或终点预报，以炉口安装压差计实现转炉空气抽入量的控制。在正常生产条件下，大多数转炉烟道风机恒速运行，并未与熔池脱碳速率和烟气发生量动态匹配，难以提高回收煤气的品质。

中国专利《一种转炉煤气回收的方法》(申请号02154179.5)公开了一种转炉煤气回收的方法，其解决采取引风机恒速或炉口采用微负压控制的方式使烟气燃烧过剩系数α未得到有效控制，使煤气中的CO气体燃烧后体积成倍增大、烟尘氧化后粒度细微较难净化，所回收的煤气单位发热值低，回收量少等问题。技术措施为：当开始对转炉进行吹氧冶炼时，首先将裙罩与转炉炉口进行密闭接触，并同时控制风机转速在额定转速的78～82％范围内运行，在此转速下运行1.5～2.5分钟；然后提升风机转速到额定值，即到达最大转速：在转炉吹氧结束前1.5～2.5分钟时，降低风机转速到额定转速的78～82％范围内运行，同时将裙罩提升到最高点；吹氧结束后，进一步降低风机转速到额定转速的58～62％内运行。

中国专利《一种连续预测转炉熔池碳含量的方法》(申请号200910010672.X) 公开了一种连续预测转炉熔池碳含量的方法，主要包括数据采集、原料控制、操作控制、工艺过程；数据采集中利用炉气流量计对炉气流量进行检测，所有检测信息通过数据通讯系统传输至计算机，经以下两个数学模型 w(C)＝0.1×(∑C_ori-∑C_de)/W_m(1)，

进行分析计算；原料控制中，废钢比为8％～13％，轻型废钢与重型废钢的重量百分比控制在14～ 70％；操作控制中，在吹炼结束前的2～3分钟内保持固定枪位、固定烟罩；工艺过程中，当吹氧量占总吹氧量的比值小于或等于75％时，熔池中碳含量满足公式(1)，当吹氧量占总吹氧量的比值大于75％时，熔池中碳含量满足公式(2)。本发明通过数学模型与工艺控制过程相结合，实现连续预测转炉熔池碳含量的目的。

中国专利《一种转炉冶炼在线预测高碳钢碳含量方法》(申请号 201310399078.0)公开了一种基于炉气分析技术的动态控制模型，可实时得到熔池中高碳环境下快速脱碳期碳含量的信息，可做到高碳钢吹炼一次拉碳90％以上的命中率，大幅度地降低补吹率。

以上煤气回收方法均未实现烟道风机抽风量与转炉熔池反应生成的气体量的同步联动，而且转炉熔池碳含量的预测是基于炉气参数而前推，属于因果错位，导致预测结果存在较大的误差，风机转速控制精度低，不利于回收煤气热值的提高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法，以提高回收煤气的品质。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法，所述方法包括以下步骤：

a.收集复吹转炉设备参数、工艺参数、原辅料参数，建立多参数耦合数据库，收集的参数包括：顶吹氧气流量Q_T；底吹气体流量Q_B；钢水重量W；氧枪喷孔直径d；氧枪距离钢水页面高度X；钢水熔池深度L；氧枪的枪孔夹角ξ；氧枪的氧气射流出口线速度v_氧；氧枪喷嘴前气体压力P₀；氧枪出口处氧气的密度ρ_出；钢液体积V_钢液；炉气温度T_炉气；

b.计算顶吹搅拌强度ε_顶、底吹搅拌强度ε_底、氧枪冲击深度h和氧枪冲击面积a：

ε_顶＝0.0453×Q_T×d/(W×X)×v_氧×cosξ

ε_底＝(28.5×Q_B×T/W)×lg(1+L/1.48)

h＝34×P₀×d/(X)^1/2+3.8

a＝0.25×π×(1.26×(ρ_出/(ρ_钢×g))^1/6×(v_氧×d)^1/3×(X/z)^1/2)²

式中g为重力加速度；z为常数；T为绝对温度；ρ_钢为钢液密度；

c.计算不同参数耦合吹炼时的熔池动态特征指数B：

B＝(a×h/V_钢液)×((ε_顶+0.1×ε_底)/ε_顶)；

d.对不同熔池动态特征指数B的吹炼时段的熔池碳含量进行测定，并计算对应的熔池脱碳速率：

E＝(D_前-D_后)/(t_后-t_前)

式中，E为熔池脱碳速率；D_前为前取样点碳含量；D_后为后取样点碳含量； t_后为后取样时间；t_前为前取样时间；

e.构建熔池脱碳速率E与熔池动态特征指数B之间的匹配关系数学模型F：

采用曲线拟合方法获取熔池脱碳速率E随熔池动态特征指数B变化的曲线：

E＝F(B)

f.在复吹转炉炼钢过程中，控制系统实时计算熔池动态特征指数B，并根据熔池脱碳速率E随熔池动态特征指数B变化的曲线得到对应的熔池脱碳速率 E的预测值E_预；

g.根据熔池脱碳速率E的预测值E_预计算烟气瞬时发生量I：

I＝E_预×W×1000×22.4×T_炉气/(12×(25+273))；

h.控制系统根据烟气瞬时发生量，以转炉吹炼全过程烟气空气燃烧系数趋近零为目标对煤气回收系统烟道风机的转速进行实时调控。

上述基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法，所述曲线拟合方法为插值拟合法或多项式拟合法。

本发明在构建熔池脱碳速率与熔池动态特征指数之间的匹配关系数学模型的基础上，实现烟道风机抽风量与转炉熔池反应生成的气体量的同步联动，使转炉吹炼全过程中烟气空气燃烧系数趋近于零，大大提高了回收煤气的品质。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1本发明实施前后煤气回收量对比图。

文中各符号为：

Q_T-顶吹氧气流量；

Q_B-底吹气体流量；

W-钢水重量；

d-氧枪喷孔直径；

X-氧枪距离钢水页面高度；

L-钢水熔池深度；

ξ-氧枪的枪孔夹角；

v_氧-氧枪的氧气射流出口线速度；

P₀-氧枪喷嘴前气体压力(滞止压力)；

ρ_出-氧枪出口处氧气的密度；

V_钢液-钢液体积；

T_炉气-炉气温度；

ε_顶-顶吹搅拌强度；

ε_底-底吹搅拌强度；

h-氧枪冲击深度；

a-氧枪冲击面积；

g-重力加速度；

z-常数；

T-绝对温度；

ρ_钢-钢液密度；

B-熔池动态特征指数；

D-熔池碳含量；

E-熔池脱碳速率；

D_前-前取样点碳含量；

D_后-后取样点碳含量；

E_预-熔池脱碳速率E的预测值；

I-烟气瞬时发生量。

具体实施方式

本发明提供了一种基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法，该方法首先采集吹炼参数与实测数据，建立熔池运动特征与脱碳速率、烟气发生量的关系，在转炉正常吹炼过程中，结合烟道系统及风机调节特性联动匹配，在冶炼全程精准控制转炉炉口微正压，减少转炉炉口空气抽入量，降低烟气空气燃烧系数，提高回收煤气的品质(热值)。

本发明的工艺步骤如下：

a.收集复吹转炉设备参数、工艺参数、原辅料参数建立多参数耦合数据库，收集的参数包括：

Q_T-顶吹氧气流量，m³/min；

Q_B-底吹气体流量，m³/min；

W-钢水重量，t；

d-氧枪喷孔直径，m；

X-氧枪距离钢水页面高度，m；

L-钢水熔池深度，m；

ξ-氧枪的枪孔夹角，°；

v_氧-氧枪的氧气射流出口线速度，m/s；

P₀-氧枪喷嘴前气体压力(滞止压力)，kg/cm²；

ρ_出-氧枪出口处氧气的密度，g/cm³；

V_钢液-钢液体积，m³；

T_炉气-炉气温度，K；

b.基于多参数耦合数据库的参数，可以计算得到如下参数：

顶吹搅拌强度ε_顶：

ε_顶＝0.0453×Q_T×d/(W×X)×v_氧×cosξ   (1)

底吹搅拌强度ε_底：

ε_底＝(28.5×Q_B×T/W)×lg(1+L/1.48)   (2)

氧枪冲击深度h：

h＝34×P₀×d/(X)^1/2+3.8   (3)

氧枪冲击面积a：

a＝0.25×π×(1.26×(ρ_出/(ρ_钢×g))^1/6×(v_氧×d)^1/3×(X/z)^1/2)²   (4)

式中：g为重力加速度，9.8，m/s²；z为常数，取6～9；T为绝对温度，K；ρ_钢为钢液密度，g/cm³；

c.计算多参数耦合数据库内不同参数耦合吹炼时的熔池动态特征指数B：

B＝(a×h/V_钢液)×((ε_顶+0.1×ε_底)/ε_顶)   (5)

B为无量纲数；

d.对不同熔池动态特征指数B的吹炼时段的熔池碳含量D进行测定，并计算对应的熔池脱碳速率：

E＝(D_前-D_后)/(t_后-t_前)

式中，E为熔池脱碳速率，单位为％/t钢；D_前为前取样点碳含量，单位为％； D_后为后取样点碳含量，单位为％；t_后为后取样时间，单位为min；t_前为前取样时间；

e.构建熔池脱碳速率E与熔池动态特征指数B之间的匹配关系数学模型F：

采用曲线拟合的方法获取熔池脱碳速率E随熔池动态特征指数B变化的曲线：

E＝F(B)   (6)

f.在复吹转炉炼钢过程中，控制系统实时计算熔池动态特征指数B，并根据熔池脱碳速率E随熔池动态特征指数B变化的曲线得到对应的熔池脱碳速率 E的预测值E_预；

g.根据熔池脱碳速率E的预测值E_预计算烟气瞬时发生量：

I＝E_预×W×1000×22.4×T_炉气/(12×(25+273))   (7)

式中，I为烟气瞬时发生量，m³/min；

h.控制系统根据烟气瞬时发生量，以转炉吹炼全过程烟气空气燃烧系数趋近零为目标对煤气回收系统烟道风机的转速进行实时调控。

本发明在构建熔池脱碳速率E与熔池动态特征指数B之间的匹配关系数学模型的基础上，实现烟道风机抽风量与转炉熔池反应生成的气体量的同步联动，使转炉吹炼全过程中烟气空气燃烧系数趋近于零，大大提高了回收煤气的热值。熔池动态特征指数B是我们通过大量实验，结合转炉冶金本质与数据分析而得到的，利用熔池动态特征指数对熔池脱碳速率进行预测是本发明与传统方法的主要区别。熔池特征指数B是一个无量纲值，与熔池的湍动能、冲击深度、冲击面积等参数有关。实验表明，虽然熔池特征指数B是由氧枪冲击面积a、氧枪冲击深度h、钢液体积V_钢液、顶吹搅拌强度ε_顶和底吹搅拌强度ε_底这五个参数计算得出的，但无论这五个参数如何变化，只要计算出的熔池特征指数B相同，熔池脱碳速率E就基本不变，因此可以通过计算熔池特征指数B来预测熔池脱碳速率E，进而得到烟气瞬时发生量，这种算法计算量小，控制精度高，可以满足煤气回收系统的风机的实时控制要求。

采用本对烟道风机进行控制时，首先需要对熔池碳含量D(波动范围为 0.01％～0.50％)进行实测，实测次数越多，风机的控制精度越高。

转炉炉口须保持微正压，风机转速的控制需考虑烟道管路中煤气流动速度、阻力损失、加料以及因烟道管路长度造成的滞后问题，通过控制转炉烟道的风机转速实现抽风量的无级调节，使转炉吹炼全过程中风机的抽风量与转炉炉内的烟气瞬时发生量I相同或接近。

以下通过实施例对本发明作进一步说明。

对120吨复吹转炉设备参数、工艺操作参数、原辅料参数进行采集得到多参数耦合数据库，并对整个炉役期内每个抽检炉次吹炼0min，3min，5min，9min，终点的五个时刻的熔池碳含量进行取样检测。根据多参数耦合数据库中的参数，利用公式(1)～公式(5)计算熔池动态特征指数B，得到不同顶底耦合复吹下的熔池动态特征指数集，采用插值拟合法或多项式拟合法进行曲线拟合，获取熔池脱碳速率E随熔池动态特征指数B变化的曲线E＝F(B)。

转炉吹炼时，将烟罩降低到最低处，根据设备参数、工艺操作参数、原辅料参数计算得到熔池特征指数B，根据E＝F(B)计算得到熔池脱碳速率E的预测值E_预，并运用公式(7)计算出对应的烟气瞬时发生量I，将转炉煤气回收烟道风机的转速与计算的烟气瞬时发生量I匹配，保持转炉吹炼全过程炉口微正压操作。

在脱碳量不变的情况下，提高回收煤气的热值会使煤气回收量降低，通过初步试验，采用本方法后转炉煤气回收量由原来的平均154m³/t钢降低到 131m³/t钢(参看图1)，煤气热值由1268Kcal/m³提高至1517Kcal/m³，热值提升19.64％。

在实际应用中通过不断优化数据库和数学模型，可提高风机匹配精确度，从而进一步提高回收煤气的品质。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡根据本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法，其特征是，所述方法将烟道风机抽风量与转炉熔池反应生成的气体量同步联动，使转炉吹炼全过程中烟气空气燃烧系数趋近于零，提高回收煤气的热值，通过计算熔池特征指数 B 来预测熔池脱碳速率E，进而得到烟气瞬时发生量，对烟道风机进行控制时，首先需要对熔池碳含量 D进行实测，所述熔池碳含量 D的波动范围为0.01％～0.50％，实测次数越多，风机的控制精度越高，操作按以下步骤进行：

a.收集复吹转炉设备参数、工艺参数、原辅料参数，建立多参数耦合数据库，收集的参数包括：顶吹氧气流量 Q_T；底吹气体流量 Q_B；钢水重量 W；氧枪喷孔直径 d；氧枪距离钢水页面高度 X；钢水熔池深度 L；氧枪的枪孔夹角ξ；氧枪的氧气射流出口线速度 v _氧；氧枪喷嘴前气体压力 P₀；氧枪出口处氧气的密度ρ_出；钢液体积 V _钢液；炉气温度 T _炉气；

b.计算顶吹搅拌强度ε_顶、底吹搅拌强度ε_底、氧枪冲击深度 h 和氧枪冲击面积 a：

ε_顶=0.0453×Q_T×d/(W×X)×v _氧×cosξ

ε_底=(28.5×Q_B×T/W)×lg(1+L/1.48)

h=34×P₀×d/（X）^1/2+3.8

a=0.25×π×(1.26×(ρ出/(ρ_钢×g))^1/6×(v _氧×d)^1/3×(X/z)^1/2)²

式中 g 为重力加速度；z 为常数；T 为绝对温度；ρ_钢为钢液密度；

c.计算不同参数耦合吹炼时的熔池动态特征指数 B：

B=(a×h/V _钢液)×((ε_顶+0.1×ε_底)/ε_顶) ；

d.对不同熔池动态特征指数 B 的吹炼时段的熔池碳含量进行测定，并计算对应的熔池脱碳速率：

E=（D _前-D _后）/（t _后-t _前）

式中，E 为熔池脱碳速率；D _前为前取样点碳含量；D _后为后取样点碳含量；t _后为后取样时间；t _前为前取样时间；

e.构建熔池脱碳速率 E 与熔池动态特征指数 B 之间的匹配关系数学模型 F：

采用曲线拟合方法获取熔池脱碳速率 E 随熔池动态特征指数 B 变化的曲线：

E = F（B）

f.在复吹转炉炼钢过程中，控制系统实时计算熔池动态特征指数 B，并根据熔池脱碳速率 E随熔池动态特征指数 B 变化的曲线得到对应的熔池脱碳速率 E 的预测值 E_预；

g.根据熔池脱碳速率 E 的预测值 E 预计算烟气瞬时发生量 I：

I=E_预×W×1000×22.4×T _炉气/(12×(25+273)) ；

h.控制系统根据烟气瞬时发生量，以转炉吹炼全过程烟气空气燃烧系数趋近零为目标对煤气回收系统烟道风机的转速进行实时调控。

2. 根据权利要求 1 所述的一种基于复吹转炉熔池动态脱碳速率的烟道风机控制方法，其特征是，所述曲线拟合方法为插值拟合法或多项式拟合法。

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