CN114410877A

CN114410877A - 一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法

Info

Publication number: CN114410877A
Application number: CN202111656511.5A
Authority: CN
Inventors: 王杰; 杨利彬; 杨勇; 赵进宣; 汪成义; 戴雨翔; 蔡伟
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114410877B

Abstract

本发明公开了一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法，属于钢铁冶金技术领域，解决了现有方法不能根据炉内化渣等情况真正实现过程中枪位的自动、灵活、及时控制的问题。自动控制方法包括：选定自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧累积行为，进而判定渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx，比较X_FeOx与理论渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx’的大小关系，进而调整顶吹氧枪的枪位。本发明的自动控制方法通过枪位调整与冶炼过程化渣的有效结合，能够实现冶炼过程熔池的平稳控制。

Description

一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法。

背景技术

目前，以高炉-转炉为代表的长流程钢铁生产工艺仍然是主要的钢铁生产工艺。转炉作为该流程中重要的一环，对钢铁的高效、洁净、连续生产起到承上启下的决定性作用。随着自动化技术的发展，转炉自动化冶炼技术得到普遍的关注，也得到了长足的发展。

目前，关于转炉自动化的技术多聚焦基于模型算法的终点命中率控制。关于枪位控制，为实现过程自动化控制，多采用模型控制，即根据有或无优化反馈的模型进行枪位阶段性控制，所述反馈多聚焦于火焰或声纳信息。但因相关火焰或声纳信息的复杂与工况的复杂，所述枪位控制除实现按照预设模型进行机械或相对优化的阶段性调整，并不能根据炉内化渣等情况真正实现过程中枪位的自动、灵活、及时控制。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法，本发明的方法根据炉内化渣等情况真正实现过程枪位的自动、灵活、及时控制。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法，包括：选定自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧累积行为；

进而判定渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx；

比较X_FeOx与理论渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx’的大小关系，进而调整顶吹氧枪的枪位。

进一步的，自动控制方法包括：

S1、转炉冶炼开始，根据铁水成分与冶炼终点钢水成分要求，自动计算吹氧总量；

S2、降氧枪，吹氧开始，同时开始监测烟气中CO含量与吹氧时间，根据烟气中CO含量与吹氧时间进行自动控制时域判定，当烟气中CO含量与吹氧时间达到自动控制时域的起始判定值，即开始进行枪位的自动控制；

S3、进入自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧的积累量Q_i-FeO；进而得到渣中累积氧生成的FeO_x量W_FeOx；

S4、结合造渣料的成渣行为，计算渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx；

S5、根据X_FeOx与X_FeOx’的大小关系，调整顶吹氧枪的枪位；调整原则为：当X_FeOx小于X_FeOx’，则提高顶吹氧枪的枪位至X_FeOx≈X_FeOx’；当X_FeOx大于X_FeOx’，则降低顶吹氧枪的枪位至X_FeOx≈X_FeOx’。

进一步的，S2中，自动控制时域主要指包括硅、锰的元素氧化反应结束后的以碳-氧、氧-铁反应为主的熔池主反应阶段。

进一步的，S2中，当铁水中硅的质量百分含量小于0.2％，吹氧时间0～2min且烟气中CO的体积百分含量为20～30％，即判定进入自动控制时域起始；

当铁水中硅的质量百分含量为0.2％～0.6％，吹氧时间2～4min且CO的体积百分含量为10％～20％，即判定进入自动控制时域起始；

当铁水硅的质量百分含量大于0.6％，吹氧时间4～6min且CO的体积百分含量为4％～10％，即判定进入自动控制时域起始。

进一步的，S3中，瞬时解析包括：渣中瞬时氧量q_i-FeO符合下述式(1)：

q_i-FeOx＝q_O2-q_i-co (1)

其中，q_O2为瞬时供氧量，q_i-co为碳氧化反应耗氧量，q_i-FeOx＞0判定为渣中氧瞬时积累，q_i-FeOx＜0判定为渣中氧瞬时降低。

进一步的，S3中，t时间内的渣中氧的积累量Q_i-FeO符合下述式(2)：

其中，Q_i-FeOx为t时间内的渣中氧的积累量，Q_O2为t时间内的供氧量，Q_I为包括硅、锰、磷在内的铁水元素的氧化耗氧量。

进一步的，S4中，W＝∑(λ_xS_x)+∑W_I+W_FeOx+w,

其中，W为炉渣总量，S_x为造渣料x的加入量，λ_x为造渣料I的成渣效率，W_I为包括硅、锰、磷等在内的铁水元素的成渣量，W_FeOx为渣中累积氧生成的FeO_x量,w为留渣、炉衬剥落等行为增加的渣量；

其中，W_FeOx＝3.3～4.5Q_i-FeOx；X_FeOx＝W_FeOx/W。

进一步的，S5中，X_FeOx≈X_FeOx’判定原则为：

令k＝(X_FeOx’-X_FeOx)/X_FeOx’×100％，若k值在-10％～10％，则判定X_FeOx≈X_FeOx’；X_FeOx≈X_FeOx’时，保持枪位不动。

进一步的，S5中，调整顶吹氧枪的枪位的过程中，每次调整高度△h，调整后，保持t时间，然后继续判定X_FeOx与X_FeOx’的大小关系，继续调整或停止调整。

进一步的，S5中，t＝K(X_FeOx’﹣X_FeOx)/(9/7×|q_i-FeOx|×K_H)；

其中，K＝0～1，K_H＝1～10。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明的转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法通过选定自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧累积行为，进而判定渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx，比较X_FeOx与理论渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx’的大小关系，进而调整顶吹氧枪的枪位。可以实现转炉冶炼过程的枪位自动控制，尤其是自动化炼钢过程的枪位自动控制；本发明的方法通过枪位调整与冶炼过程化渣的有效结合，能够实现冶炼过程熔池的平稳控制，能够进一步实现钢-渣的最优化匹配实现杂质元素的高效去除。

b)本发明的转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法能够将人力从紧张的转炉吹炼过程中解放出来，同时能够增强转炉冶炼的平稳性，实现转炉冶炼自动化、洁净化、高效化、稳定化生产。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明提供的转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法的示意图。

图1中，K＝(X_FeOx’-X_FeOx)/X_FeOx’×100％。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明提供了一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法，自动控制方法包括：

选定自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧累积行为；

进而判定渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx；

具体的，上述自动控制方法包括：

S1、转炉冶炼开始，根据铁水成分与冶炼终点钢水成分要求，自动计算吹氧总量。

S2、降氧枪，吹氧开始，同时开始监测烟气中CO含量与吹氧时间，根据烟气中CO含量与吹氧时间进行自动控制时域判定，当烟气中CO含量与吹氧时间达到自动控制时域的起始判定值，即开始进行枪位的自动控制；具体的，自动控制时域主要指包括硅、锰等元素氧化反应结束后的以碳-氧、氧-铁反应为主的熔池主反应阶段；具体的：

当铁水中硅的质量百分含量小于0.2％，吹氧时间0～2min且烟气中CO的体积百分含量为20～30％，即判定进入自动控制时域起始；

需要说明的是，上述S2中，自动控制时域的终止判定参数为转炉供氧量占吹氧总量的比例F，F为80％～100％时，自动控制时域终止。

S3、进入自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧累积行为。

具体的，S3中，瞬时解析是基于碳-氧、铁-氧反应的转炉顶吹氧的熔池反应分配，是顶吹氧在渣中瞬时积累的判定。

具体的，S3中，瞬时解析包括：渣中瞬时氧量q_i-FeO符合下述式(1)：

q_i-FeOx＝q_O2-q_i-co (1)

其中，q_O2为瞬时供氧量，q_i-co为碳氧化反应耗氧量，基于此，q_i-FeOx＞0判定为渣中氧瞬时积累，q_i-FeOx＜0判定为渣中氧瞬时降低。

其中，q_i-FeO、q_O2、q_i-co的单位均为kg。

具体的，S3中，渣中氧累积行为判定是基于瞬时氧分配的吹氧冶炼时间内的渣中氧的分配量，t时间内的渣中氧的积累量Q_i-FeO符合下述式(2)：

其中，Q_i-FeOx和Q_O2的单位均为kg。

S4、结合造渣料的成渣行为，计算渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx。

具体的，S4中，造渣料的成渣行为系与造渣料成渣属性相关的熔池瞬时炉渣成分。

具体的，S4中，W＝∑(λ_xS_x)+∑W_I+W_FeOx+w；

其中，W为炉渣总量，S_x为造渣料x的加入量，λ_x为造渣料I的成渣效率，W_I为包括硅、锰、磷等在内的铁水元素的成渣量，W_FeOx为渣中累积氧生成的FeO_x量,w为留渣、炉衬剥落等行为增加的渣量。

其中，W、S_x、W_I、W_FeOx和w的单位均为kg。

具体的，上述S4中，Q_i-FeOx是渣中累积的氧，W_FeOx是渣中累积氧生成的FeO_x量，两者成系数关系，因为渣中铁和氧的结合是FeO和Fe₂O₃的复杂组合，所以，W_FeOx＝3.3～4.5Q_i-FeOx；

X_FeOx＝W_FeOx/W，为渣中铁的氧化物的质量分数；

X_FeOx’为渣中铁的氧化物的质量分数(理论值)。

S5、根据X_FeOx与X_FeOx’的大小关系，调整顶吹氧枪的枪位；调整原则为：

当X_FeOx小于X_FeOx’，则提高顶吹氧枪的枪位至X_FeOx≈X_FeOx’；当X_FeOx大于X_FeOx’，则降低顶吹氧枪的枪位至X_FeOx≈X_FeOx’。

具体的，上述S5中，X_FeOx≈X_FeOx’判定原则为：

具体的，上述S5中，调整顶吹氧枪的枪位的过程中，每次调整高度△h，调整后，保持t时间，然后继续判定X_FeOx与X_FeOx’的大小关系，继续调整或停止调整。

示例性的，上述S5中，以当X_FeOx小于X_FeOx’，需要提高枪位以促进化渣为例：

当出现X_FeOx小于X_FeOx’的判定，则自动进行顶吹氧枪的枪位提高，枪位的提高值为△h，保持时间t；时间t之后，若X_FeOx仍旧小于X_FeOx’，则需要继续提升顶吹氧枪的枪位，提高值仍为△h，直至X_FeOx≈X_FeOx’；对于枪位降低，道理亦然，只是调节方向相反。

具体的，上述S5中，△h为10～200mm，t＝K(X_FeOx’﹣X_FeOx)/(9/7×|q_i-FeOx|×K_H)；其中，K＝0～1，K_H＝1～10。

其中，K_H为与供氧强度、枪位相关的参数，系统自动选定。

其中，t的单位为分钟。

具体的，上述S5中，在顶吹氧枪的枪位调整的同时，需要监控自动控制时域的终止判定参数F，F为80％～100％时，即停止枪位自动控制。

与现有技术相比，本发明的转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法通过选定自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧累积行为，进而判定渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx，比较X_FeOx与理论渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx’的大小关系，进而调整顶吹氧枪的枪位；可以实现转炉冶炼过程的枪位自动控制，尤其是自动化炼钢过程的枪位自动控制；本发明的方法通过枪位调整与冶炼过程化渣的有效结合，能够实现冶炼过程熔池的平稳控制，能够进一步实现钢-渣的最优化匹配实现杂质元素的高效去除。

本发明的转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法能够将人力从紧张的转炉吹炼过程中解放出来，同时能够增强转炉冶炼的平稳性，实现转炉冶炼自动化、洁净化、高效化、稳定化生产。

实施例1

本实施例提供了一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法，包括：

(1)对120t转炉，铁水中硅的质量百分含量为0.3％；

(2)吹炼开始，计算吹氧量，5500m³；

(3)吹氧开始，枪位由模型设计固定值为1600mm，开始监测吹氧时间与烟气中CO含量；

(4)冶炼时间3min，烟气中CO的体积百分含量达到10％，进入自动控制时域起始；

(5)计算瞬时q_i-FeOx＝q_O2-q_i-co，＝-0.2，吹炼过程渣中氧瞬时降低；

计算

计算W＝∑(λ_xS_x)+∑W_I+W_FeOx+w＝50，

计算X_FeOx＝15％，查询数据库，此时X_FeOx’＝14％，

计算(14-15)/14×100＝-7.1％，X_FeOx≈X_FeOx’时，保持枪位不动。

(6)此后以F＜90％时，

计算瞬时q_i-FeOx＝q_O2-q_i-co，

计算

W＝∑(λ_xS_x)+∑W_I+W_FeOx+w，计算X_FeOx。

当F＝30％，CO＝30％；计算瞬时q_i-FeOx＝q_O2-q_i-co，＝-0.3,吹炼过程渣中渣中氧瞬时降低；

计算

计算W＝∑(λ_xS_x)+∑W_I+W_FeOx+w＝60，

计算X_FeOx＝15.3％，查询数据库，此时X_FeOX’＝17％，

计算(17-15.3)/17×100＝10％，此时，X_FeO≈X_FeO’，保持枪位不动。

继续吹氧，CO＝35％，计算瞬时q_i-FeOx＝q_O2-q_i-co，＝-0.4，吹炼过程渣中氧瞬时降低；

计算

计算W＝∑(λ_xS_x)+∑W_I+W_FeOx+w＝60，

计算X_FeOx＝14.6％，查询数据库，此时X_FeOX’＝17.2％，

计算(17.2-14.6)/17.2×100＝15.1％，此时X_FeO＜X_FeO’，枪位提高△h＝100mm，t＝1×(17.2﹣14.6)/(9/7×0.4×10)＝0.5。

(7)继续循环计算，至F＝90％，退出自动调整枪位，根据模型设计枪位进行最后吹炼，至吹氧结束。

本实施例的转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法通过选定自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧累积行为，进而判定渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx，比较X_FeOx与理论渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx’的大小关系，进而调整顶吹氧枪的枪位；本实施例的自动控制方法可以实现转炉冶炼过程的枪位自动控制，尤其是自动化炼钢过程的枪位自动控制；本发明的方法通过枪位调整与冶炼过程化渣的有效结合，能够实现冶炼过程熔池的平稳控制，能够进一步实现钢-渣的最优化匹配实现杂质元素的高效去除。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种转炉冶炼过程中顶吹氧枪供氧工艺的自动控制方法，其特征在于，包括：选定自动控制时域后，根据转炉冶炼过程中氧分配行为的瞬时解析，判定渣中氧累积行为，进而判定渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx，比较X_FeOx与理论渣中铁的氧化物的质量分数X_FeOx’的大小关系，进而调整顶吹氧枪的枪位。

2.根据权利要求1所述的自动控制方法，其特征在于，

所述自动控制方法包括：

3.根据权利要求2所述的自动控制方法，其特征在于，

所述S2中，自动控制时域主要指包括硅、锰的元素氧化反应结束后的以碳-氧、氧-铁反应为主的熔池主反应阶段。

4.根据权利要求2所述的自动控制方法，其特征在于，

所述S2中，当铁水中硅的质量百分含量小于0.2％，吹氧时间0～2min且烟气中CO的体积百分含量为20～30％，即判定进入自动控制时域起始；

5.根据权利要求2所述的自动控制方法，其特征在于，

所述S3中，瞬时解析包括：渣中瞬时氧量q_i-FeO符合下述式(1)：

q_i-FeOx＝q_O2-q_i-co (1)

6.根据权利要求5所述的自动控制方法，其特征在于，

所述S3中，t时间内的渣中氧的积累量Q_i-FeO符合下述式(2)：

7.根据权利要求6所述的自动控制方法，其特征在于，

所述S4中，W＝∑(λ_xS_x)+∑W_I+W_FeOx+w,

其中，W_FeOx＝3.3～4.5Q_i-FeOx；X_FeOx＝W_FeOx/W。

8.根据权利要求2所述的自动控制方法，其特征在于，

所述S5中，X_FeOx≈X_FeOx’判定原则为：

9.根据权利要求2-8所述的自动控制方法，其特征在于，

所述S5中，调整顶吹氧枪的枪位的过程中，每次调整高度△h，调整后，保持t时间，然后继续判定X_FeOx与X_FeOx’的大小关系，继续调整或停止调整。

10.根据权利要求9所述的自动控制方法，其特征在于，

所述S5中，t＝K(X_FeOx’﹣X_FeOx)/(9/7×|q_i-FeOx|×K_H)；

其中，K＝0～1，K_H＝1～10。