智能化煉鋼模型在轉爐煉鋼的開發與應用

闞永海

（天津天鋼聯合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

目前我國轉爐煉鋼生產對于操作人員所具備的生產操作經驗依賴較大，受操作人員思維慣性以及反應能力有限等一系列因素制約，轉爐煉鋼生產效率和污染物排放控制有待進一步改進。在采用渣料減量化冶煉、石灰石復合造渣、鐵礦石熔融還原以及留碳作業后，進一步增加了生產人員依靠經驗進行操作的難度，因此需要建立一種充分考慮各種工藝參數和原材料狀況，解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型，以擺脫操作人員思維限制，降低煉鋼過程中的渣量、氣體和粉塵排放，實現智能化、環境友好型煉鋼。

1 原料條件及參數選取與確定

轉爐煉鋼入爐鐵水主要成分見表1。入爐鐵水硅含量波動較大，范圍在 0.11%～1.13%，平均約為0.52%，轉爐冶煉過程溫度有較大富余；鐵水平均磷含量約為0.158%，鐵水磷含量較高，因此，轉爐冶煉過程脫磷難度大幅增加，脫磷也成為轉爐煉鋼的最主要難點之一。

在建立靜態模型之前，要先對轉爐冶煉過程中的一些條件取經驗值處理：

（1）渣中鐵珠量以渣量的8%計算；

（2）金屬中碳在氧化過程中生成CO和CO2，其中碳氧化為CO的比例為90%，碳氧化為CO2比列為10%；

（3）轉爐冶煉噴濺鐵損為鐵水量的1%；

（4）冶煉過程中爐襯受鐵水侵蝕，爐襯侵蝕量為鐵水量的0.50%；

（5）氧槍噴出氧氣純度 98.5%，余下以 1.5%N2計算；

（6）轉爐煙塵量為鐵水量的1.60%，煙塵中FeO的比例為77%，Fe2O3的比例為20%；

（7）爐氣平均溫度為1450℃，爐氣中自由氧含量為 0.50%；

（8）終點鋼水錳含量，一般為鐵水中錳含量的30%～40%，現在取值為 0.1%；

（9）轉爐去硫率一般為30%～50%，取平均值40%；

（10）冶煉鋼種的碳含量與脫氧劑等增碳量之差為終點含碳量。

原料平均比熱容見表2。

入爐鐵水各成分氧化放熱效應見表3。

表1 轉爐煉鋼入爐鐵水成分和溫度

2 渣料減量化冶煉脫磷階段計算思想

轉爐雙渣-留渣脫磷工藝將轉爐冶煉過程分為兩個階段，脫磷階段和脫碳階段，在脫磷階段結束后要倒出脫磷渣，因此需要對兩個階段分別進行物料和熱平衡計算，確定不同時期的合理配料。冶煉初始鐵水條件按鐵水成分平均值計算，脫磷階段鐵水和爐渣成分設定值及上爐留渣爐渣成分見表4和表5。

表2 原料平均比熱容

表3 入爐鐵水各成分氧化放熱

表4 初始鐵水和盜爐鐵水成分

倒爐時各元素氧化量、耗氧量及氧化產物量見表6。

2.1 造渣料計算

2.2 熱量計算

初始鐵水溫度條件下，爐渣物理熱：

鋼水和爐渣理論升溫為：

轉爐剩余熱量為：

加入廢鋼、白云石后，轉爐富余熱量為：

故礦石加入量為：

3 渣料減量化冶煉脫碳階段計算思想

終點鋼水和終渣成分目標值設定見表7。

表6 倒爐時各元素化量、耗氧量及氧化產物量

表7 終點鋼水和終渣成分目標值/%

脫磷階段結束后，半鋼中各元素氧化量、耗氧量及氧化物產量見表8。

3.1 造渣料計算

終渣中SiO2含量：

表8 脫磷階段結束后半鋼各元素養護量、耗氧量及氧化產物量

需要加入CaO量：

終渣總量：

白云石加入量：

石灰加入量：

3.2 熱量計算

脫碳階段各元素氧化放熱總量[2]為：

鋼水和爐渣理論升溫為：

轉爐剩余熱量為：

加石灰、白云石后，轉爐富余熱量為：

轉爐富余熱量用添加石灰石的方式中和，石灰石加入量為：

4 渣料減量化冶煉供氧制度計算思想

4.1 碳氧反應速度曲線

在實際生產中，碳與氧的反應是復雜多變的，同時受到多種不同因素的影響，包括氧氣壓力的調整、氧槍槍位的變化、鐵礦石的加入量、各種造渣輔料的裝入，以及噴濺的干擾等，但在不同的供氧強度下，脫碳反應的變化規律基本相似，理論研究過程中可對圖進行線性形式表示，脫碳過程可分為3個階段，其過程脫碳速度曲線可以用“臺階”形簡化表示，見圖1。

（1）第一階段碳氧反應速度可描述為：

vc=-dc/dt=K1t式中，t為供氧時間；K1為根據鋼水硅的總量、熔池溫度以及供氧強度等因素所確定的非常數（見圖2）。

在第Ⅰ期，供氧剛開始階段，硅、錳首先進行氧化反應，氧槍提供的氧氣中只有少量用于氧化碳，脫碳反應因此受到一定的限制。當熔池溫度升高、供氧強度也增大、鐵水里的碳濃度也就越高，K1值隨之越大，但是提水中硅、錳含量越高，K1值就越小。由圖可知，鋼水中硅的總量w[Si]+0.25w[Mn]＞1.5%時，脫碳速度初始接近于零。

圖1 吹煉過程脫碳速度變化曲線

圖2 硅、錳含量與脫碳速度關系

（2）第Ⅱ期，氧槍提供的氧氣全部用于氧化碳，脫碳速度為：

vc=dc/dt=K2式中，K2為脫碳系數，根據氧槍槍位和供氧強度確定的常數，氧槍槍位H和氧氣流量vo2變化時，K2與和槍位H和氧氣流量vo2線性相關。

根據全鐵水冶煉實驗得出：

式中，vO2為標準狀態下的供氧強度，m3/(ht)；H為氧槍高度，cm。

所以，第Ⅱ期脫碳反應速度大部分取決于供氧強度，在一定的供氧強度下次階段的脫碳速度可以認為是一定值，但是，冶煉過程氧槍槍位的變化會影響氧氣的利用率（ηo2）。

（3）第Ⅲ期脫碳速度：

vc=-dc/dt=K3C式中，K3為由氧槍高度以及供氧強度所決定的常數。

前文已經指出，碳氧反應的限制性環節在于[C]、[O]向反應區的擴散傳質過程，當其他的動力學和熱力學條件相同時，[C]、[O]的移動快慢只與其濃度有關，而在真個吹煉過程中，供氧強度基本保持不變，吹煉到后期，碳含量降低，[C]在遷移擴散速度降低成為反應的限制性環節，此階段的碳氧反應速率與剛水中碳含量成正比。在冶煉中期，供氧強度越大，碳氧化的效率就越高，圖1中B點出現的時間也就越早，K3值就越小。

4.2 吹煉終點時間和脫碳速度在碳氧反應過程中的數學模型

在第Ⅰ期，ΔC1即鐵水中碳濃度降低量可表示為：

吹煉中期（Ⅱ期）鐵水中碳濃度降低量ΔC2可表示為：

設定入爐鐵水初始含碳量為C0，冶煉中期結束時鐵水中的碳的濃度為C2：

聯立三式可得：

從而求解出t2：

吹煉后期，鐵水中碳含量決定了脫碳的速度，兩者為正比例關系，則系數K3為：

代入可得：

分離變量后定積分：

進一步運算得：

轉爐吹煉時間的經驗模型即為反應式，在冶煉不同的鋼種時，其可以通過模擬來計算在不同鐵水成分，不同目標碳含量條件下，轉爐冶煉的終點時間te。在反應式中，入爐鐵水成分初始始碳含量為

C0；鋼種要求目標碳含量為Ce。t1、C2和為多爐試驗和現場實測數據選取的經驗參數。在正常情況下，C2一般取 0.6%～0.7%，t1一般取 7～10min，一般為 0.2%～0.4%/min。

4.3 基于氧利用效率的轉爐耗氧量預算機理

轉爐冶煉過程氧氣消耗主要有以下幾個方面：鐵水中元素氧化耗氧、爐襯中碳氧化耗氧、鐵水氧化耗氧、廢鋼耗氧、各種原輔料帶入氧量、爐氣中鐵氧量等。計算公式如下：

式中，QO2為總耗氧量；Q鐵水為鐵水中不同元素氧化反應耗氧量；Q爐襯為爐襯中的碳氧化的耗氧量；Q廢鋼為廢鋼中不同元素氧化的耗氧量；Q爐氣為爐氣帶走的氧量；Q自由氧為自由氧；Q輔料為造渣料帶入的氧；Q返礦為返礦帶入的氧。

反應式中，鐵水中各元素的氧化耗氧量根據入爐鐵水成分與冶煉鋼種的成分差進行計算；根據終點渣中FeO，Fe2O3含量計算鐵元素氧化耗氧量；爐襯中碳氧化的耗氧量按照0.5kg/100 kg鐵水計算；爐氣耗氧量以及自由氧含量均取經驗值，分別為0.37 kg/100 kg鐵水和 0.063 kg/100 kg 鐵水；輔料以及礦石帶入的氧量可通過計算輔料及礦石的成分，其中，輔料以CO2的形式帶入氧，礦石以礦石中鐵氧化物分解產生的分解氧，輔料及返礦的裝入量由現場的轉爐智能煉鋼模型計算得出。轉爐智能煉鋼用戶界面見圖3。

圖3 轉爐智能煉鋼用戶界面

5 實驗結果

通過模型的合理化布料指導，轉爐終點雙命中率由原來的65%穩定提升到85%以上。加之基礎操作方面的細致培訓工作，轉爐操槍工操作過程吹煉平穩，爐口冒渣及鋼水噴濺情況均有所好轉，噴濺率有原來的12%降低到8%以下，煤氣回收率得到了明顯提升。

6 結論

通過對煉鋼渣料減量化冶煉、石灰石替代石灰、鐵礦石熔融還原以及留碳作業技術研究，建立一種充分考慮各種工藝參數和原材料狀況，解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型。通過的模型指導，降低生產成本15元/t以上，減少CO2排放量28.77 kg/t，年排放量減少約 11.5 萬 t，實現了智能化、環境友好型煉鋼。