爐氣分析在國外轉爐動態(tài)控制中的應用

爐氣分析在國外轉爐動態(tài)控制中的應用

近年來，人們對鋼的要求不斷提高，轉爐精煉也是一個非常復雜的過程。通過手動體驗控制和傳統(tǒng)的靜態(tài)模型，很難實現(xiàn)所需的控制水平。目前,日本和歐美一些大型企業(yè)在靜態(tài)模型的基礎上,輔以副槍、爐氣分析、光學探頭和爐渣在線檢測等技術,成功地實行了轉爐的全程動態(tài)控制自動化煉鋼。其中尤以爐氣分析動態(tài)控制技術發(fā)展最快、效果最好。特別是最近十幾年,由于連鑄工藝和CC-DR(連鑄和直接軋制)工藝的發(fā)展,需要磷含量較低的鑄坯,這就對轉爐提出了更加嚴格的磷含量控制標準,而副槍測量不能滿足磷和錳含量的控制要求。再者,人們一直想在轉爐生產(chǎn)中實現(xiàn)全程動態(tài)控制,并對生產(chǎn)中的噴濺進行預報。這一切都促進了爐氣分析在轉爐生產(chǎn)中的應用。1基于質譜儀的爐氣分析動態(tài)控制技術早在20世紀60年代,國外已在轉爐爐氣動態(tài)控制上進行了大量的研究,利用轉爐冶煉過程中檢測到的爐氣成分、溫度和流量等信息,對轉爐進行動態(tài)控制。由于當時使用的爐氣分析設備(紅外分析儀)延時時間過長,分析精度不高,而且冶煉水平有限,終點控制精度難以提高;再加上副槍技術的發(fā)展,使爐氣分析動態(tài)控制在隨后一段時間里發(fā)展緩慢。進入20世紀90年代,基于爐氣分析的轉爐動態(tài)控制再次引起了人們的關注,用于爐氣分析的設備已經(jīng)普遍由質譜儀替代了紅外分析儀。質譜儀的響應時間和精度大幅度提高,而且還能適應惡劣的煉鋼環(huán)境。表1為美國Gerkin-Elmer公司制造的MG-1200質譜儀的技術參數(shù)。轉爐爐氣分析動態(tài)控制技術得以重新引起人們的關注主要源于以下原因:①副槍命中率的提高有一定的限度,而爐氣分析技術不斷進步,控制精度不斷提高;②轉爐副槍工藝只能提供吹煉過程中瞬時的碳含量和溫度,并不能提供連續(xù)的信息,嚴格來說,副槍仍然是一種靜態(tài)控制手段,只不過距終點的時間很短,實質上轉爐生產(chǎn)的大部分時間仍是在靜態(tài)模型的指導下進行的。而質譜儀獲得的爐氣信息是爐內狀態(tài)的間接信息,它雖然沒有直接信息的可靠性高,但給出的是煉鋼過程的閉環(huán)連續(xù)信息,而全程動態(tài)控制需要的正是這種信息。迄今為止,國外許多大型鋼廠都采用了爐氣分析或爐氣分析加副槍的動態(tài)模型控制轉爐生產(chǎn),碳溫命中率均超過90%;歐美、日本、韓國和我國臺灣地區(qū)的鋼鐵廠都有基于質譜儀的爐氣分析動態(tài)模型的應用實例,比較典型的有:韓國PoscoKwangyang廠將VG公司生產(chǎn)的Prima600S磁扇式質譜儀用于轉爐生產(chǎn),碳溫命中率超過95%,預測噴濺的成功率為81%;日本新日鐵公司的170t轉爐使用美國Gerkin-Elmer公司制造的MG-1200質譜儀,也有很好的應用效果。此外,爐氣分析在爐外精煉領域也獲得了很大的成功。2引入爐氣分析方法由于引入爐氣分析后獲得的信息量增加,可在以下幾個方面對傳統(tǒng)轉爐靜態(tài)模型進行改進:①在靜態(tài)模型的熱平衡計算中,二次燃燒率[CO2/(CO+CO2)]為設定值,使用爐氣分析后它可使用測量數(shù)據(jù),因而可獲得一個較符合實際的數(shù)值;②在靜態(tài)模型的物料平衡計算中,爐氣中CO與CO2的比值為假定值,現(xiàn)在也可由爐氣分析獲得一個與實際情況更加吻合的數(shù)值;③在靜態(tài)模型中,渣中的氧化鐵含量為設定值,引入爐氣分析后,通過對渣中的氧累積量進行動態(tài)計算,可對該值進行更精確的設定;④在靜態(tài)模型中,爐氣量和爐氣溫度都取經(jīng)驗值,引入爐氣分析后,這些值可直接獲得?？傊?轉爐生產(chǎn)應用爐氣分析后,通過上述改進措施,能提高傳統(tǒng)靜態(tài)模型的準確度,為爐氣分析動態(tài)模型打下良好的基礎。3應用3.1最終碳報告3.1.1碳積分模型結束(1)煙氣流量檢測根據(jù)質譜儀測定的煙氣中CO和CO2的含量及煙氣流量,利用反應過程中的碳平衡,可計算出熔池中每秒鐘的脫碳速度:dC/dt=12/22.4×Q煙×[φ(CO)+φ(CO2)](kg/s)(1)式中Q煙——煙氣流量,m3/s;φ(CO),φ(CO2)——煙氣中CO和CO2的含量,%。對脫碳速度積分可得到熔池累積脫碳量為:C累=∫t0(dC/dt)dt(kg)(2)=∫0t(dC/dt)dt(kg)(2)(2)初始碳含量根據(jù)熔池每秒鐘的累積脫碳量,可以計算出吹煉過程中熔池碳含量:C鋼=0.1×(C初-C累)/W鋼(1%)(3)式中C初——熔池初始碳含量,kg;W鋼——熔池中的鋼水量,t。(3)模型延遲時間由于轉爐爐氣的傳輸及爐氣成分分析需要一定的時間,所以用于動態(tài)控制的爐氣信息有一定的滯后性,在動態(tài)控制模型中必須對延遲時間進行標定,以保證模型計算結果的實時性。延遲時間是指爐氣從爐口傳輸?shù)饺狱c的時間t1,質譜儀的分析時間t2,以及傳輸?shù)侥Ｐ椭钡接嬎愠鼋Y果所用時間t3之和。通常t3可忽略,t2由質譜儀參數(shù)確定,一般該分析時間不到3s;而t1的設定需要根據(jù)爐氣采樣點的位置進行試驗,一般情況下延遲時間在20s。(4)初始誤差的矯正碳積分模型在預報終點鋼水碳含量時使用了熔池初始碳含量參數(shù)。國內外大量的文獻資料表明,直接對碳含量進行積分運算,雖然每次的計算誤差不大,但累積的誤差卻很大,再加上初始條件產(chǎn)生的誤差,難以滿足轉爐生產(chǎn)控制要求。國外采用的解決辦法是嚴格控制原材料重量、成分及溫度的誤差,并在模型中進行誤差分析;另一種方法是在轉爐冶煉后期采用終點碳指數(shù)方程。但是,因為國內的原材料條件較差,鐵水成分和溫度及廢鋼種類變化很大。鐵水成分和溫度的偏差,以及廢鋼中碳含量的波動,再加上稱量的誤差,使熔池中初始碳含量的計算出現(xiàn)很大誤差(有時可達±0.50%),而轉爐終點碳含量的控制精度為±0.01%。因而若不能消除初始條件的誤差,想達到如此高的控制精度,幾乎是不可能的。熔池碳含量初始誤差的矯正原理可建立在轉爐冶煉中熔池的脫碳特征曲線基礎上。通?？蓪⑷鄢氐拿撎歼^程劃分為3個階段(如圖1所示)即硅、錳氧化期(1區(qū))、主脫碳期(2區(qū))和脫碳后期(3區(qū))。對同一座轉爐,在相似的冶煉條件下,其特征曲線應該是近似的,因此,根據(jù)計算得出的脫碳曲線或脫碳氧效率曲線,對照脫碳特征曲線的變化,在不同時期采用各種數(shù)值算法對熔池成分進行矯正,可消除初始條件帶來的部分誤差。3.1.2指數(shù)衰減關系考慮到從吹煉初期到終點全程采用碳積分模型會產(chǎn)生較大的累積誤差,在轉爐冶煉后期使用終點碳指數(shù)模型(類似副槍動態(tài)模型)。假定轉爐冶煉后期脫碳速度與熔池碳含量呈指數(shù)衰減關系,即:dC/dt=k1×(1-e-k2[C(t)-C0])(4)式中k1,k2——模型中需要確定的參數(shù);C0——熔池最低碳含量,kg。在轉爐冶煉后期,利用連續(xù)檢測的爐氣成分數(shù)據(jù),用數(shù)學方法求解指數(shù)方程中的系數(shù),并確定熔池碳含量。但這種方法僅適用于碳含量較低的鋼種,對碳含量高的鋼種誤差太大;此外,這種指數(shù)方程也只是一種近似計算方程,與實際冶煉情況還有些差異。3.2噴灑預測3.2.1氮氣量和空氣氧累積量的測定利用爐氣分析進行噴濺預報,其基本原理是通過精確計算轉爐中的氧累積量來預報渣中的氧勢,從而對噴濺進行預報。質譜儀直接測得的氮氣量可用來精確計算轉爐爐口吸入的空氣量,進而精確計算轉爐爐氣中的氧氣量。根據(jù)物質守恒原理可計算轉爐和渣中的氧累積量。渣中氧量是表征渣氧化程度的參數(shù),該參數(shù)不僅可用來預報噴濺,還可對終點磷含量和錳含量等進行預報。3.2.2氧累積量的計算轉爐冶煉過程中的氧累積量(Os)代表轉爐渣的氧化程度,轉爐中氧累積量=氧輸入量(吹氧量+熔劑產(chǎn)生的氧量)-氧輸出量(爐氣中的氧量)。把每一瞬間轉爐中氧累積量的變化定義為dOs/dt。計算轉爐中氧累積量時需將dOs/dt的積分減去硅、磷氧化后以SiO2,P2O5形式進入渣所消耗的氧量。之所以要減去SiO2,P2O5的耗氧量,是因為以SiO2形式存在的氧不作為渣的氧勢參與碳氧反應,而固定在P2O5中的氧幾乎是恒定不變的。由下述兩方程可計算出爐中的氧累積量:dOs/dt=[QO2+(ai+bi)Wi+1/2VH2]-(1/2VCO+VCO2)(5)Os=∫tdOs×dt?K1×ω[Si]×WΟs=∫tdΟs×dt-Κ1×ω[Si]×W鐵-K2×ω[P]×W鐵(6)式(5)和式(6)中,QO2為氧流量,m3;ai為熔劑產(chǎn)生氧量的系數(shù);bi為熔劑產(chǎn)生CO2的系數(shù);Wi為熔劑加入量,kg;i(下角標)為熔劑的種類;VH2,VCO,VCO2為轉爐類產(chǎn)生的H2,CO和CO2量,%;W鐵為鐵水量,kg;ω[Si],ω[P]為鐵水中的硅含量和磷含量,%;K1為硅轉化成SiO2的系數(shù);K2為磷轉化成P2O5的系數(shù)。3.2.3氧氣積聚量與污泥中的氧氣勢之間的關系(1)生產(chǎn)中的氧累積量隨比變化的變化由日本新日鐵公司的試驗結果可知,根據(jù)爐氣成分并用以上方程計算的氧累積量的變化與生產(chǎn)中用渣分析法得到的渣中氧累積量的變化十分吻合。圖2是其試驗結果?？梢婎A報的氧累積量的變化能反映渣中氧累積量的變化,氧累積量與FeO+Fe2O3+MnO是相對應的。(2)氧累積量操作曲線的確定由新日鐵的試驗結果可知,以成功吹煉爐次的歷史數(shù)據(jù)作為參考,確定一個最佳的氧累積量操作曲線,完全可以模擬吹煉反應過程并用來控制生產(chǎn),使后續(xù)爐次獲得良好的吹煉結果。圖3是利用氧累積量控制噴濺、指導生產(chǎn)的示意圖。3.2.4噴噴噴水質的控制通過爐氣分析數(shù)據(jù)可得知轉爐渣中氧累積量的變化,將此變化繪成曲線圖可用來預報噴濺的發(fā)生。要對噴濺進行控制,可采用提高槍位或降低氧流量的方法,減小熔池攪拌強度、增加氧累積量;反之則減少氧累積量。另據(jù)有關文獻報道,加入焦炭粉、鋁粉等抑制劑也有良好的控制噴濺效果。3.2.5脫碳氧效率監(jiān)控在應用爐氣分析進行噴濺預報時,除了常用的計算渣中氧累積量的方法外,各廠家還有其它判斷方法,比如:①利用脫碳氧效率曲線對噴濺進行預報根據(jù)日本福山第二煉鋼廠的生產(chǎn)實踐和模型應用實踐來看,在發(fā)生噴濺前,往往伴隨著脫碳氧效率降低的情況,這是由于氧與鋼水中的碳反應,生成CO并富集在爐渣中。噴濺的同時,富集的氣體被排出爐外。鑒于此,可對吹煉中的脫碳氧效率進行監(jiān)視,當脫碳氧效率降低到規(guī)定值以下時便采取防范措施。這種方法的預報準確率可達81%。該廠規(guī)定:當dω(C)/dω(O2)>0.8kg/m3時,發(fā)出噴濺預報。②有文獻報道,爐氣溫度的突變與噴濺有關,可建立廢氣溫度監(jiān)控程序,作為噴濺的輔助判斷依據(jù)。③在德國幾奧吉斯馬林許特廠,從記錄的爐氣信息發(fā)現(xiàn),爐氣中CO2含量急劇下降,通常預示著噴濺的來臨。理論分析表明,這是由于爐內金屬-爐渣面上升后CO二次燃燒變?yōu)镃O2的可能性極小。4應用效果4.1碳溫清除率高應用爐氣分析進行轉爐終點控制能提高終點命中率,特別是碳的終點命中率。如韓國PoscoKwangyang廠采用爐氣分析控制轉爐生產(chǎn),碳溫命中率超過95%。又如日本福山第二煉鋼廠,冶煉鋼種很多,同時實施了大約1/4的脫磷鐵水無渣吹煉工藝,轉爐吹煉形式也很多。在引進爐氣分析控制后,終點命中率得到了明顯的提高,無倒爐出鋼比達100%;并且無倒爐出鋼中大約1/5不進行終點取樣而快速出鋼。瑞典SSABTumnplatAB廠轉爐車間采用的MEFCON系統(tǒng)也是一個基于質譜儀爐氣分析的動態(tài)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)具有很高的碳命中率(見表2)。4.2爐氣分析系統(tǒng)與副槍系統(tǒng)配合使用由于副槍是消耗性材料,采用副槍測溫定碳,需要消耗大量的副槍及副槍探頭,累積消耗費用和維護費用很高。而采用爐氣分析測溫定碳,不用消耗原材料,維護也很方便。在采用爐氣分析+副槍的動態(tài)控制中,爐氣分析系統(tǒng)與副槍系統(tǒng)配合使用,可減少副槍點測的次數(shù),降低副槍頭的消耗。待有了一定的生產(chǎn)經(jīng)驗后,在生產(chǎn)情況正常、冶煉一般鋼種時,可依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和自學習經(jīng)驗,做到完全取消副槍點測,從而大大降低生產(chǎn)成本。4.3提高爐氣回收的速度利用質譜儀測得的爐氣成分數(shù)據(jù),不僅可用來控制轉爐生產(chǎn),還可用來提高轉爐煤氣的回收率。這是因為:①質譜儀的采樣點位于轉爐頂部和廢氣冷卻系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)的前面,加上質譜儀分析數(shù)據(jù)速度快的特點,這樣可使煤氣回收站的操作者至少提前20s獲得爐氣信息,及時開始回收煤氣。在爐氣流量為150000m3/h的情況下,可增加回收1640m3的轉爐煤氣。瑞典SSABTumnplatAB廠轉爐車間的實踐也證實:采用質譜儀分析轉爐爐氣,可提高煤氣回收率2%～5%。日本千葉廠第三煉鋼車間230t轉爐采用爐氣分析系統(tǒng)后,吹煉初期和末期廢氣回收時間總共延長了2min;②利用質譜儀測得的爐氣成分,可控制轉爐煙罩的升降,以便調整吸入的空氣量和爐氣成分,使爐氣成分滿足回收要求,進一步提高煤氣回收率。4.4降低氧化鐵含量,降低加料制度用動態(tài)模型對噴濺進行預報和控制,可有效地提高金屬的收得率;此外,通過計算渣成分并對吹氧制度和加料制度進行調整,可控制渣中的氧化鐵含量,使終渣氧化鐵含量降至下限;另外,后吹率的減少也導致渣中氧化鐵含量的降低,可進一步提高金屬收得率。4.5鐵合金用量的優(yōu)化用噴濺預報模型可精確計算轉爐內的總氧量(該總氧量主要包括渣中和鋼中的氧),從而精確控制鐵合金的用