企業轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法研究

楊迅波

（酒鋼集團宏興股份公司煉軋廠，甘肅 嘉峪關 735100）

0 引言

鋼鐵企業普遍采用氧氣轉爐煉鋼，冶煉過程中產生大量的一氧化碳、粉塵等可燃煙氣，煙氣外溢情況較為嚴重，對周圍環境造成了污染。目前，煙氣污染的控制方法以煙氣凈化為主，將煙塵顆粒從氣流中轉移到另一種棱體中，從而避免煙氣污染。此方式會導致資源浪費，煙塵顆粒的相對運動無法達到懸浮物與煙氣分離的目的。同時，煙氣在相對運行的過程中，同樣會出現煙氣外溢的情況，污染周圍環境。針對煙氣污染的問題，研究人員設計了多種煙氣外溢控制方法。其中，基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法，與基于干擾管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法的應用較為廣泛。

基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法，主要是在轉爐周圍設置多個排煙口，排煙口以縱向補風的方式，稀釋煙氣中的碳濃度，從而達到良好的煙氣控制效果[1]?；诟蓴_管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法，主要是利用煙氣控制模型，分析出煙氣控制可能出現的干擾事件，對其進行針對性的處理[2]。并結合遺傳算法，求解出煙氣外溢干擾管理方案，從而保證煙氣外溢控制效果。以上2種方法均能夠在一定程度上控制煙氣外溢，但其治標不治本，煙氣外溢的污染仍然較大[3]。因此，文章對企業轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法進行了創新性研究。

1 企業轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法設計

1.1 提取企業轉爐煉鋼的煙氣流量變化特征

爐氣在煙道內的流動、傳熱、傳質等燃燒過程中，遵循著基本的守恒方程。煙道內煙氣流動屬于湍流流動，爐氣與卷吸空間在發生燃燒反應前，未進行分子水平混合，從而產生大量煙氣[4]。文章在轉爐內氣體流量不變的條件下，分析轉爐汽化冷卻煙道內的流動、傳熱狀態，作出針對性的煙氣外溢控制。在轉爐煉鋼的過程中，二次燃燒反應區域汽化冷卻煙道出口的煙氣溫度與濃度較高，在煙道內選擇2.0 m的位置與9.32 m的位置對煙氣流量變化進行分析。從煙道中心到管壁中心，CO濃度逐漸降低，CO2、N2濃度逐漸增加，轉爐煙氣開始外溢。此時煙道管壁附近溫度超過中心溫度150 K[5]。為了確保煙氣成分的均勻性，將煙道終點位置的煙氣成分平均值作為準確值，分析煙道內部煙氣流量變化。流量變化特征如圖1所示。

圖1 煙道內煙氣流量變化示意圖

黑色部分表示煙氣流量較高，煙道截面為2.0 m；灰白色部分表示煙氣流量較低，煙道截面為9.32 m[6]。煙道內煙氣流量顏色變化為黑色—黑灰色—深灰色—淺灰色—灰白色，煙氣流量也從1.10 kg/Nm3減少到0.189 kg/Nm3。在2.0 m截面的煙道中，二次燃燒反應完畢，氧氣在卷吸空氣的過程中被消耗掉，煙氣中包含了CO、CO2、N2，質量分數大小排序為N2＜CO2＜CO[7]。在9.32 m截面的煙道中，殘存C與Mn的少數含量，其余成分均被凈化與消耗。

1.2 控制煉鋼過程中煙氣外溢

將吹煉初期選擇的純物質作為標準態，控制煙氣活度低于低煙氣范圍內的值。通過平衡煙道內爐煙氣反應，控制煉鋼過程中煙氣外溢的濃度[8]，從而對煙氣外溢進行控制。煙氣在煙道內的脫碳高峰期，卷吸空氣量與煙氣流量之間存在的關系：

式中：Vx為煙氣流量；M為煙氣溫度；δ為煙氣燃燒系數；Va為卷吸空氣量。Va與煙氣中的C含量百分濃度存在的關系：

式中：Mt為C添加量；（%C）x為C含量百分濃度。轉爐煉鋼的過程中，將煙氣外溢濃度與溫度的控制歸結為一階常微分方程的初值問題，方程表達式為：

式中：y′為煙道終點煙氣含量的實際值；y0為煙道入口煙氣含量的實際值；f（t，y）為在t時刻的煙氣含量的實際值；y（t0）為鋼液在t0時刻的初始溫度。t0為因變量，根據轉爐煉鋼的物理變化過程，確定終點煙氣含量的標準值，公式如下：

2 實驗分析

為了驗證文章設計的方法是否滿足轉爐煉鋼煙氣外溢控制需求，文章對上述方法進行了實驗分析。最終的實驗結果以文獻[1]基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法、文獻[2]基于干擾管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法，以及文章設計的企業轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法進行對比的形式呈現。

2.1 實驗過程

此次實驗在鋼廠生產車間進行測試分析，選取實際轉爐，其進行煙氣含量控制、轉爐煉鋼終點溫度控制。并搭建了一套以煙氣信息為基礎的實驗過程，實時計算轉爐煉鋼過程中C含量、Mn含量變化情況。設定出終點成分的溫度標準值與含量標準值，從而滿足此次實驗需求。實驗根據鋼廠生產計劃，確定煉鋼鋼種與轉爐終點C、Mn的含量及溫度要求。開始煉鋼之前，啟用靜態控制，確定轉爐成分達到終點時所需的輔料重量、供氧量、冷卻劑加入量等，并選擇對應的煉鋼模式與加料模式，使整個實驗過程更加真實，實驗數據更加有效。實驗過程如圖2所示。

圖2 實驗流程圖

如圖2所示，當轉爐煉鋼的時間超過15 s之后，用t+15 s表示當前的煉鋼時刻。調用數據庫中t時刻的煉鋼煙氣成分數據，并返回與t時刻的實際煙氣數據比較，二者濃度偏差＞0.10%時，證明煙氣成分的控制值與標準值不一致。此時，返回煙氣外溢動態控制模塊，控制煙氣終點含量與溫度。重復上述步驟，最終輸出的煙氣成分濃度偏差＜0.10%，則證明煙氣外溢得到了有效的控制，直接顯示此時煙氣含量與溫度，并獲取此時熔池與爐渣的信息。在終點校正階段，動態計算出終點C、Mn所需殘余供氧量，并加入冷卻劑。碳含量與溫度滿足設定值允許誤差范圍后，倒爐取樣測溫，并得出本爐煙氣流量偏離系數，作為下一爐煙氣外溢控制的基礎數據，使各個轉爐煉鋼的煙氣均得到有效控制。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，隨機選取出5個轉爐，編號為101、125、132、155、167，并在終點位置分析C含量與Mn含量，含量越少，煙氣外溢越多。在其他條件均已知的情況下，將文獻[1]基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法的控制效果、文獻[2]基于干擾管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法的控制效果，以及文章設計的企業轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法的控制效果進行對比。實驗結果見表1。

表1 實驗結果

通過表1可知，文章設計的企業轉爐煉鋼終點溫度需要控制在1 585～1 680 ℃，C的終點含量需要控制在0.12%～0.21%的范圍內，Mn的終點含量需要控制在0.05%～0.20%的范圍內，由此確保煙氣外溢控制效果。在其他條件均一致的情況下，使用文獻[1]基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法之后，轉爐煉鋼終點溫度在1 320～1 720 ℃的范圍內變化，C含量在0.01%～0.25%的范圍內變化，Mn含量在0.01%～0.26%的范圍內變化。由此可見，該方法的終點溫度、終點含量與標準值相差甚遠，煙氣外溢控制效果不佳。使用文獻[2]基于干擾管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法之后，轉爐煉鋼終點溫度在1 550～1 700 ℃的范圍內變化，C含量在0.03%～0.25%的范圍內變化，Mn含量在0.01%～0.22%的范圍內變化。由此可見，該方法優于文獻[1]方法，但是仍存在含量、溫度低于或高于標準值的情況，亟須進一步優化。而使用文章設計的企業轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法之后，無論是終點溫度還是終點含量，均在標準值的范圍之內，煙氣外溢控制效果更佳，符合研究目的。

4 結束語

近年來，鋼鐵工業作為我國重要的基礎產業與戰略工業，正面臨著資源緊張與環境污染的壓力，亟須轉變煉鋼條件，為企業節能環保的可持續發展提供保障。針對轉爐煉鋼排除大量的污染氣體，污染環境的問題，研究了企業轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法。從煙氣流量變化特征、煙氣外溢濃度控制2個方面，降低煙氣中碳含量與錳含量的外溢濃度，轉爐終點濃度能夠滿足外溢控制需求，對于轉爐煉鋼的可持續發展具有重要作用。