CN114959160A - 基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法和装置 - Google Patents

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CN114959160A CN202210527297.1A CN202210527297A CN114959160A CN 114959160 A CN114959160 A CN 114959160A CN 202210527297 A CN202210527297 A CN 202210527297A CN 114959160 A CN114959160 A CN 114959160A
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Abstract

本发明提供了一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法和装置，废钢采用顶底复加两种方式，底部通过废钢料槽加入，顶部通过炉顶废钢料仓加入。所述方法首先获取铁水信息，基于废钢加入量计算模型，计算当前炉次的最大废钢装入量，若废钢料槽加入的废钢量＜计算的最大废钢装入量，启用炉顶废钢料仓；若废钢料槽加入的废钢量≥计算的最大废钢装入量，则不启用炉顶炉顶料仓。本发明针对实际生产中铁水成分波动剧烈以及废钢装入量难以对应调节的弊端，可实现转炉热效率的高效利用，不仅能在一定程度上合理控温，还可以减少物料消耗，提高产量，缩短冶炼周期，具备良好的冶金效果。

Description

基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法和装置
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，特别是指适用于小、中、大型转炉的基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法和装置。
背景技术
目前，国内粗钢生产仍以长流程为主，电炉钢占粗钢比例不足20％。长流程炼钢包括烧结-高炉-转炉-精炼-连铸等工序。炼铁厂作为钢铁冶金行业的龙头，其出产的铁水是炼钢工序的主要原料。炼铁厂的生产中面临着原料成分波动以及炉况变化的现实问题，其出产的铁水成分和温度存在较大波动性。转炉主要依靠来自铁水的物理热和化学热完成熔体的升温，除了熔体升温所需的热量，炉内的富余热量主要通过向炉内添加废钢或其他冷料的方式来抵消，以保证达到目标温度。数据统计显示，转炉系统中热量收入58.9％来源于铁水物理热，34.4％来自于铁水化学元素氧化热，可以说铁水条件决定了炉内热量收入。
现阶段，大部分钢厂始终沿用基于经验的转炉操作方式，配废钢时并未考虑铁水带入的物理热和化学热，而是基于经验配加废钢。此外，按照目前的转炉冶炼工艺顺序，装料时先加废钢后兑铁水，之后便降枪吹炼，直到冶炼结束无法再调整废钢装入量。这种废钢配加方式极易导致两种恶劣情况发生，其一，废钢装入量过少，导致炉内热量过盈，冶炼过程中需加入大量冷料平衡过盈热量，渣量增多。其二，废钢装入量过多，炉内热量不足，熔池升温会受到抑制，终点温度降低，无法达到目标温度。基于上述现实问题，本发明提出一种废钢装入量动态调整的方法，废钢加入采用顶底复加两种方式，底部通过废钢料槽加入，顶部通过废钢料仓加入，实现废钢装入量的动态调整，达到提高转炉热利用效率，增加产量，减少排放的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法和装置，针对实际生产中铁水成分波动剧烈以及废钢装入量难以对应调节的弊端，采用顶底复加两种方式向炉内添加废钢，可实现转炉热效率的高效利用，不仅能在一定程度上合理控温，还可以减少物料消耗，提高产量。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，废钢采用顶底复加两种方式，底部通过废钢料槽加入，顶部通过炉顶废钢料仓加入；所述方法包括如下步骤：
S1.首先获取铁水信息；
S2.基于废钢加入量计算模型，计算当前炉次的最大废钢装入量；
S3.若废钢料槽加入的废钢量＜计算的最大废钢装入量，启用炉顶废钢料仓；若废钢料槽加入的废钢量≥计算的最大废钢装入量，则不启用炉顶料仓。
作为本发明所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的优选方案，其中：所述炉顶废钢料仓内的废钢通过小车转运，小车上设置称量装置，以便实现精准装料。
作为本发明所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的优选方案，其中：所述炉顶废钢料仓装入废钢量≤计算的最大废钢装入量-废钢料槽加入的废钢量。
作为本发明所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的优选方案，其中：所述炉顶废钢料仓由于出口尺寸的限制，采用小粒径废钢。
作为本发明所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的优选方案，其中：所述小粒径废钢包括钢筋切头、废钢破碎料。
作为本发明所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的优选方案，其中：所述小粒径废钢粒径≤8cm。
作为本发明所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的优选方案，其中：所述炉顶废钢料仓同其他辅料料仓一样，具备仓体上下振动帮助下料的功能，以减小粒径废钢堵塞炉顶废钢料仓口的几率。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种实现上述方法的装置，所述装置包括废钢料槽和炉顶废钢料仓，废钢采用顶底复加两种方式，底部通过废钢料槽加入，顶部通过炉顶废钢料仓加入。
作为本发明所述的一种实现上述方法的装置的优选方案，其中：所述炉顶废钢料仓为进行加固处理的原有炉顶闲置或备用的辅料料仓，允许单次废钢最大承重10t，为所述炉顶废钢料仓配备升降轨道和转运小车。
作为本发明所述的一种实现上述方法的装置的优选方案，其中：所述转运小车上设置称量装置，以便实现精准装料。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法和装置，废钢采用顶底复加两种方式，底部通过废钢料槽加入，顶部通过炉顶废钢料仓加入。所述方法首先获取铁水信息，基于废钢加入量计算模型，计算当前炉次的最大废钢装入量，若废钢料槽加入的废钢量＜计算的最大废钢装入量，启用炉顶废钢料仓；若废钢料槽加入的废钢量≥计算的最大废钢装入量，则不启用炉顶料仓。本发明针对实际生产中铁水成分波动剧烈以及废钢装入量难以对应调节的弊端，可实现转炉热效率的高效利用，不仅能在一定程度上合理控温，还可以减少物料消耗，提高产量，缩短冶炼周期，具备良好的冶金效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明流程图；
图2为本发明装置示意图。
图中：1-天车，2-废钢料槽，3-转炉本体，4-废钢，5-小粒径废钢，6-上料小车，7-转运轨道，8-顶部废钢料仓，9-石灰料仓，10-轻烧白云石料仓，11-烟气通道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，废钢采用顶底复加两种方式，底部通过废钢料槽加入，顶部通过炉顶废钢料仓加入；所述方法包括如下步骤：
(1)废钢料仓设计及废钢加入方式
目前，转炉冶炼过程中，废钢仅采用底部废钢料槽加入且冶炼过程中无法再添加废钢。本发明装置如图2所示，废钢加入采用顶底复加两种方式完成单炉废钢的加入。装料时，通过废钢料槽装入部分废钢(W1)，然后兑入铁水，降枪吹氧，在冶炼过程中，以废钢代替其他冷料，根据炉体升温情况，通过炉料废钢料仓加入废钢(W2)，控制熔池稳定升温。炉顶料仓外形、材质与普通辅料料仓一致，该料仓内所需废钢通过上料小车来转运，小车装有称量装置，可实现精准上料。因炉顶废钢料仓出口尺寸的限制，对该料仓所用废钢有粒径要求，采用钢筋切头、废钢破碎料等小粒径废钢，废钢粒径≤8cm。此外，考虑到废钢可能堵塞料仓口，废钢料仓同其他辅料料仓一样，具备仓体上下振动帮助下料的功能。
(2)计算最大废钢加入量
废钢作为最佳的冷却剂，被用来调节炉内热量，以保证得到目标温度的钢水。若废钢装入过多，会导致炉内热量不足，终点温度偏低。若废钢装入过少，则会导致炉内热量过盈，冶炼过程中需加入大量冷料平衡过盈热量，渣量增多。因此，可以想象单一炉次，炉内废钢装入量逐渐增加的过程中，存在某个值，超过这个值便会导致炉内热量不足，无法达到目标钢水温度，这个可称之为最大废钢装入量。最大废钢装入量的计算遵循炉内物质守恒和能量守恒两大定律，具体计算过程如下所示：
①渣量的计算
现场冶炼时，在装料之前，铁水成分、铁水重量、冶炼终点目标等基本信息可知，模型变量由表1～表3给出。
表1金属料成分参数
Figure BDA0003644862210000041
Figure BDA0003644862210000051
表2炉渣成分数值
Figure BDA0003644862210000052
炉渣的成分主要来源于化学元素的氧化，为了估算总渣量，首先进行金属料中化学元素氧化量的计算，其计算公式如表3所示：
表3金属料化学元素氧化量
Figure BDA0003644862210000053
铁水中的化学元素，C元素氧化成CO和CO2进入烟气中，Si、Mn、P分别元素氧化成SiO2、MnO和P2O5进入渣中，铁水中的S元素很少，生产CaS进入炉渣中。其元素氧化物质的重量如下：
GSiO2＝2.14×Si5 (1)
GMnO＝1.29×Mn5 (2)
GP2O5＝2.29×P5 (3)
GCaS＝1.5×S5 (4)
理论渣量计算为：
Figure BDA0003644862210000054
实际渣量修正
Wslag＝k×Wslag (6)
考虑的实际冶炼过程中，铁水带渣、留渣以及辅料带入的的SiO2、MnO等信息尚无法获取准确信息，因此增设修正系数k，通过实际渣量与理论渣量的比值获得，取值范围为1.1～1.8。
②1kg废钢耗热量
废钢熔化耗热不仅包括熔化潜热，钢内化学元素的氧化还会释放部分热量，在炉内1kg的废钢消耗的热量称之为废钢的冷却效应，计算公式如下：
废钢的熔点：
Tscraprd＝1593-(65×C2+8×Si2+5×Mn2+30×P2+25×S2) (7)
1kg废钢融化热量：
Qscrap0＝1×(0.699×(Tscraprd-T2)+271.96+0.8639×(T4-Tscraprd)) (8)
1kg废钢中的化学元素氧化放热：
Figure BDA0003644862210000061
QscrapSi＝1×(Si2-Si4)×28314 (10)
QscrapMn＝1×(Mn2-Mn4)×7020 (11)
QscrapP＝1×(P2-P4)×18923 (12)
1kg废钢的冷却效应可表示为：
Qscrap1＝Qscrap0-QscrapC-QscrapSi-QscrapMn-QscrapP (13)
③富余热量的计算
将转炉看作一个闭合系统，计算其热量收入项和热量支出项(除废钢耗热外)，从而得到系统富余热量，进而计算废钢加入量。其中热量收入项可分为以下几项：
a.铁水物理热
铁水熔点可由公式(14)计算：
Tironrd＝1539-(100×C1+8×Si1+5×Mn1+30×P1+25×S1)-4 (14)
铁水物理热可由公式(15)计算：
Qt＝Wt×(0.745×(Tironrd-25)+217.568+0.8368×(T4-Tironrd)) (15)
b.铁水化学元素氧化热
C氧化放热
Figure BDA0003644862210000071
式中，wCO表示C元素氧化生成CO气体所占的比例，经验取值wCO＝90％；
Figure BDA0003644862210000072
表示C元素氧化生成CO气体所占的比例，经验取值
Figure BDA0003644862210000073
Si氧化放热
QTSi＝28314×(Si5) (17)
Mn氧化放热
QTMn＝7020×(Mn5) (18)
P氧化放热
QTP＝18923×(P5) (19)
Fe氧化放热
WSFeO＝Wslag×SFeO (20)
Figure BDA0003644862210000074
Figure BDA0003644862210000075
SiO2成渣放热
Figure BDA0003644862210000076
P2O5成渣放热
Figure BDA0003644862210000081
c.烟尘氧化放热
Figure BDA0003644862210000082
式中：ωyc表示烟尘量占铁水量的比重，经验取值为1.6％；ωycFeO表示烟尘中FeO质量占比，经验取值77％；
Figure BDA0003644862210000083
表示烟尘中Fe2O3质量占比，经验取值20％。
综上所述，在单炉冶炼过程中，炉内总的热量收入可表示为：
Figure BDA0003644862210000084
在转炉这个密闭系统中，其热支出可分为以下几项：
1)钢水物理热
钢水熔点可由公式(27)计算：
Tsteelrd＝1539-(65×C4+8×Si4+5×Mn4+30×P4+25×S4)-4 (27)
铁水收得钢水重量计算公式(28)：
Figure BDA0003644862210000085
式中，ωpj表示喷溅金属占铁水量的比重，经验取值1％；ωtiezhu表示渣中铁珠含量占比，经验取值8％。
钢水物理热可由公式(29)计算：
Qsteel＝Wsteei×(0.699×(Tsteelrd-25)+217+0.8368×(T4-Tsteelrd)) (29)
2)炉渣物理热
Qslag＝Wslag×(1.247×(T4-25)+209.20) (30)
3)烟尘物理热
Qycwl＝Wt×ωyc×(1.0×(Tyc-25)+209.20) (31)
式中，Tyc表示烟尘实际温度，经验取值为1450℃。
4)炉气物理热
Qlq＝Wt×ωlq×(1.136×(Tlq-25)) (32)
式中，ωlq表示炉气质量占铁水重量的比重，经验取值10.3％；Tlq表示炉气温度，经验取值为1450℃。
5)渣中铁珠物理热
Qtiezhu＝Wslag×ωtiezhu×(0.699×(Tsteelrd-25)+217.568×0.8368×(T4-Tsteelrd)) (33)
6)喷溅金属物理热
Qpj＝Wt×ωpj×(0.699×(Tsteelrd-25)+217.568×0.8368×(T4-Tsteelrd)) (34)
7)热损失
Qloss＝Q收入×γloss (35)
式中，γloss表示热损失量占炉内热量总收入的比重，取值为2％。
综上所述，除了冷料耗热，其余各项总的热量支出为：
Q支出＝Qsteel+Qslag+Qycwl+Qlq+Qtiezhu+Qpj+Qloss (36)
富余热量为：
Q富余＝Q收入-Q支出 (37)
④最大废钢装入量的计算
在不添加其他冷料的前提下，仅用废钢来调节炉内的富余热量，此时计算的废钢加入量为最大废钢装入量，其计算过程可表示为：
Figure BDA0003644862210000101
(3)炉顶废钢料仓启用及加料的判别方法
废钢加入总量受炉内热平衡的制约，炉顶废钢料仓启用的判别方法如下：
如果W1＜Wfg
启用炉顶废钢料仓，废钢料仓备料W2≤(Wfg-W1)。
如果W1≥Wfg
不启用炉顶废钢料仓，照常冶炼。
实施例
国内某厂70t转炉车间，基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，包括如下步骤：
(1)废钢料槽改装及料槽加料
将原有炉顶闲置或备用的辅料料仓进行加固处理用作废钢料仓，允许单次废钢最大承重10t。为该料仓配备升降轨道和转运小车，废钢料仓所需废钢类型以钢筋切头和破碎料为主，废钢粒径≤8cm。在上炉冶炼结束后，通过废钢料槽装入废钢，并记录废钢装入量19.5t。
(2)最大废钢加入量计算
首先获取当前炉次铁水信息以及终点信息，废钢成分信息采用随机多次检测后的平均值，具体如表4所示：
表4金属料成分参数
Figure BDA0003644862210000102
表5炉渣成分数值
Figure BDA0003644862210000103
基于炉内物料平衡和热平衡原理，计算炉内富余热量，计算结果如表6所示：
表6 最大废钢装入量计算
Figure BDA0003644862210000111
(3)炉顶废钢料仓启用及加料的判别机制
根据计算结果进行炉顶废钢料仓启用判断：
①W1＝19.5t；
②Wfg＝23.5t；
③W1＜Wfg，启用炉顶废钢料仓；
④Wfg-W1＝23.5-19.5＝4t；
⑤废钢料仓备料W2≤4t。
⑥称量小车完成精准装料，操作工人根据冶炼控温需要完成废钢加入。
(4)工业规模化应用效果
在国内某厂以45#钢作为研究对象，采用基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，终点目标要求：P≤0.02％，实施例1-5分别对应炉次B1-B5，未采用基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，终点目标要求：P≤0.02％，对比例1-5分别对应炉次A1-A5。
实施例和对比例各炉次铁水成分如表7所示，实施例和对比例各炉次冶炼参数如表8所示。
由表8可以看出，在满足终点P含量的要求的前提下，未采用基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的各对比例炉次A1-A5平均废钢比为21.6％，平均出钢量为85.1t，平均吨钢冷料消耗12.04kg/t，平均吨钢石灰消耗26.41kg/t。
采用基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的各实施例B1-B5炉次平均废钢比为27.87％，同比增加6.27％；平均出钢量为86.16t，同比增加1.06t；平均吨钢冷料消耗1.31kg/t，同比降低10.73kg/t；平均石灰消耗为19.49kg/t，同比降低6.92kg/t；冶炼效果显著。
表7 实施例和对比例各炉次铁水成分
Figure BDA0003644862210000121
表8 实施例和对比例各炉次冶炼参数
Figure BDA0003644862210000122
Figure BDA0003644862210000131
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，其特征在于，废钢采用顶底复加两种方式，底部通过废钢料槽加入，顶部通过炉顶废钢料仓加入；所述方法包括如下步骤：
S1. 首先获取铁水信息；
S2. 基于废钢加入量计算模型，计算当前炉次的最大废钢装入量；
S3. 若废钢料槽加入的废钢量＜计算的最大废钢装入量，启用炉顶废钢料仓；若废钢料槽加入的废钢量≥计算的最大废钢装入量，则不启用炉顶炉顶料仓。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，其特征在于，所述炉顶废钢料仓内的废钢通过转运小车转运，转运小车上设置称量装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，其特征在于，所述炉顶废钢料仓装入废钢量≤计算的最大废钢装入量-废钢料槽加入的废钢量。
4.根据权利要求1所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，其特征在于，所述炉顶废钢料仓由于出口尺寸的限制，采用小粒径废钢。
5.根据权利要求4所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，其特征在于，所述小粒径废钢包括钢筋切头、废钢破碎料。
6.根据权利要求4所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，其特征在于，所述小粒径废钢粒径≤8cm。
7.根据权利要求1所述的一种基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法，其特征在于，所述炉顶废钢料仓同其他辅料料仓一样，具备仓体上下振动帮助下料的功能。
8.一种实现权利要求1-7任一项所述的基于铁水条件动态调整废钢装入量的转炉炼钢方法的装置，其特征在于，所述装置包括废钢料槽和炉顶废钢料仓，废钢采用顶底复加两种方式，底部通过废钢料槽加入，顶部通过炉顶废钢料仓加入。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述炉顶废钢料仓为进行加固处理的原有炉顶闲置或备用的辅料料仓，允许单次废钢最大承重10t，为所述炉顶废钢料仓配备升降轨道和转运小车。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述转运小车上设置称量装置。
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