爐氣分析在國(guó)外轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)控制中的應(yīng)用

爐氣分析在國(guó)外轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)控制中的應(yīng)用

近年來(lái)，人們對(duì)鋼的要求不斷提高，轉(zhuǎn)爐精煉也是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。通過(guò)手動(dòng)體驗(yàn)控制和傳統(tǒng)的靜態(tài)模型，很難實(shí)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(chǔ)上,輔以副槍、爐氣分析、光學(xué)探頭和爐渣在線檢測(cè)等技術(shù),成功地實(shí)行了轉(zhuǎn)爐的全程動(dòng)態(tài)控制自動(dòng)化煉鋼。其中尤以爐氣分析動(dòng)態(tài)控制技術(shù)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(duì)轉(zhuǎn)爐提出了更加嚴(yán)格的磷含量控制標(biāo)準(zhǔn),而副槍測(cè)量不能滿足磷和錳含量的控制要求。再者,人們一直想在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)全程動(dòng)態(tài)控制,并對(duì)生產(chǎn)中的噴濺進(jìn)行預(yù)報(bào)。這一切都促進(jìn)了爐氣分析在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中的應(yīng)用。1基于質(zhì)譜儀的爐氣分析動(dòng)態(tài)控制技術(shù)早在20世紀(jì)60年代,國(guó)外已在轉(zhuǎn)爐爐氣動(dòng)態(tài)控制上進(jìn)行了大量的研究,利用轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中檢測(cè)到的爐氣成分、溫度和流量等信息,對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。由于當(dāng)時(shí)使用的爐氣分析設(shè)備(紅外分析儀)延時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),分析精度不高,而且冶煉水平有限,終點(diǎn)控制精度難以提高;再加上副槍技術(shù)的發(fā)展,使?fàn)t氣分析動(dòng)態(tài)控制在隨后一段時(shí)間里發(fā)展緩慢。進(jìn)入20世紀(jì)90年代,基于爐氣分析的轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)控制再次引起了人們的關(guān)注,用于爐氣分析的設(shè)備已經(jīng)普遍由質(zhì)譜儀替代了紅外分析儀。質(zhì)譜儀的響應(yīng)時(shí)間和精度大幅度提高,而且還能適應(yīng)惡劣的煉鋼環(huán)境。表1為美國(guó)Gerkin-Elmer公司制造的MG-1200質(zhì)譜儀的技術(shù)參數(shù)。轉(zhuǎn)爐爐氣分析動(dòng)態(tài)控制技術(shù)得以重新引起人們的關(guān)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(shù)不斷進(jìn)步,控制精度不斷提高;②轉(zhuǎn)爐副槍工藝只能提供吹煉過(guò)程中瞬時(shí)的碳含量和溫度,并不能提供連續(xù)的信息,嚴(yán)格來(lái)說(shuō),副槍仍然是一種靜態(tài)控制手段,只不過(guò)距終點(diǎn)的時(shí)間很短,實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的大部分時(shí)間仍是在靜態(tài)模型的指導(dǎo)下進(jìn)行的。而質(zhì)譜儀獲得的爐氣信息是爐內(nèi)狀態(tài)的間接信息,它雖然沒(méi)有直接信息的可靠性高,但給出的是煉鋼過(guò)程的閉環(huán)連續(xù)信息,而全程動(dòng)態(tài)控制需要的正是這種信息。迄今為止,國(guó)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(dòng)態(tài)模型控制轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),碳溫命中率均超過(guò)90%;歐美、日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的鋼鐵廠都有基于質(zhì)譜儀的爐氣分析動(dòng)態(tài)模型的應(yīng)用實(shí)例,比較典型的有:韓國(guó)PoscoKwangyang廠將VG公司生產(chǎn)的Prima600S磁扇式質(zhì)譜儀用于轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),碳溫命中率超過(guò)95%,預(yù)測(cè)噴濺的成功率為81%;日本新日鐵公司的170t轉(zhuǎn)爐使用美國(guó)Gerkin-Elmer公司制造的MG-1200質(zhì)譜儀,也有很好的應(yīng)用效果。此外,爐氣分析在爐外精煉領(lǐng)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(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型進(jìn)行改進(jìn):①在靜態(tài)模型的熱平衡計(jì)算中,二次燃燒率[CO2/(CO+CO2)]為設(shè)定值,使用爐氣分析后它可使用測(cè)量數(shù)據(jù),因而可獲得一個(gè)較符合實(shí)際的數(shù)值;②在靜態(tài)模型的物料平衡計(jì)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(gè)與實(shí)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(shè)定值,引入爐氣分析后,通過(guò)對(duì)渣中的氧累積量進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算,可對(duì)該值進(jìn)行更精確的設(shè)定;④在靜態(tài)模型中,爐氣量和爐氣溫度都取經(jīng)驗(yàn)值,引入爐氣分析后,這些值可直接獲得。總之,轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)應(yīng)用爐氣分析后,通過(guò)上述改進(jìn)措施,能提高傳統(tǒng)靜態(tài)模型的準(zhǔn)確度,為爐氣分析動(dòng)態(tài)模型打下良好的基礎(chǔ)。3應(yīng)用3.1最終碳報(bào)告3.1.1碳積分模型結(jié)束(1)煙氣流量檢測(cè)根據(jù)質(zhì)譜儀測(cè)定的煙氣中CO和CO2的含量及煙氣流量,利用反應(yīng)過(guò)程中的碳平衡,可計(jì)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(duì)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(jì)算出吹煉過(guò)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(shí)間由于轉(zhuǎn)爐爐氣的傳輸及爐氣成分分析需要一定的時(shí)間,所以用于動(dòng)態(tài)控制的爐氣信息有一定的滯后性,在動(dòng)態(tài)控制模型中必須對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定,以保證模型計(jì)算結(jié)果的實(shí)時(shí)性。延遲時(shí)間是指爐氣從爐口傳輸?shù)饺狱c(diǎn)的時(shí)間t1,質(zhì)譜儀的分析時(shí)間t2,以及傳輸?shù)侥Ｐ椭钡接?jì)算出結(jié)果所用時(shí)間t3之和。通常t3可忽略,t2由質(zhì)譜儀參數(shù)確定,一般該分析時(shí)間不到3s;而t1的設(shè)定需要根據(jù)爐氣采樣點(diǎn)的位置進(jìn)行試驗(yàn),一般情況下延遲時(shí)間在20s。(4)初始誤差的矯正碳積分模型在預(yù)報(bào)終點(diǎn)鋼水碳含量時(shí)使用了熔池初始碳含量參數(shù)。國(guó)內(nèi)外大量的文獻(xiàn)資料表明,直接對(duì)碳含量進(jìn)行積分運(yùn)算,雖然每次的計(jì)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(zhuǎn)爐生產(chǎn)控制要求。國(guó)外采用的解決辦法是嚴(yán)格控制原材料重量、成分及溫度的誤差,并在模型中進(jìn)行誤差分析;另一種方法是在轉(zhuǎn)爐冶煉后期采用終點(diǎn)碳指數(shù)方程。但是,因?yàn)閲?guó)內(nèi)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(dòng),再加上稱量的誤差,使熔池中初始碳含量的計(jì)算出現(xiàn)很大誤差(有時(shí)可達(dá)±0.50%),而轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)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(dá)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(zhuǎn)爐冶煉中熔池的脫碳特征曲線基礎(chǔ)上。通?？蓪⑷鄢氐拿撎歼^(guò)程劃分為3個(gè)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(duì)同一座轉(zhuǎn)爐,在相似的冶煉條件下,其特征曲線應(yīng)該是近似的,因此,根據(jù)計(jì)算得出的脫碳曲線或脫碳氧效率曲線,對(duì)照脫碳特征曲線的變化,在不同時(shí)期采用各種數(shù)值算法對(duì)熔池成分進(jìn)行矯正,可消除初始條件帶來(lái)的部分誤差。3.1.2指數(shù)衰減關(guān)系考慮到從吹煉初期到終點(diǎn)全程采用碳積分模型會(huì)產(chǎn)生較大的累積誤差,在轉(zhuǎn)爐冶煉后期使用終點(diǎn)碳指數(shù)模型(類似副槍動(dòng)態(tài)模型)。假定轉(zhuǎn)爐冶煉后期脫碳速度與熔池碳含量呈指數(shù)衰減關(guān)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(zhuǎn)爐冶煉后期,利用連續(xù)檢測(cè)的爐氣成分?jǐn)?shù)據(jù),用數(shù)學(xué)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(duì)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(jì)算方程,與實(shí)際冶煉情況還有些差異。3.2噴灑預(yù)測(cè)3.2.1氮?dú)饬亢涂諝庋趵鄯e量的測(cè)定利用爐氣分析進(jìn)行噴濺預(yù)報(bào),其基本原理是通過(guò)精確計(jì)算轉(zhuǎn)爐中的氧累積量來(lái)預(yù)報(bào)渣中的氧勢(shì),從而對(duì)噴濺進(jìn)行預(yù)報(bào)。質(zhì)譜儀直接測(cè)得的氮?dú)饬靠捎脕?lái)精確計(jì)算轉(zhuǎn)爐爐口吸入的空氣量,進(jìn)而精確計(jì)算轉(zhuǎn)爐爐氣中的氧氣量。根據(jù)物質(zhì)守恒原理可計(jì)算轉(zhuǎn)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(lái)預(yù)報(bào)噴濺,還可對(duì)終點(diǎn)磷含量和錳含量等進(jìn)行預(yù)報(bào)。3.2.2氧累積量的計(jì)算轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中的氧累積量(Os)代表轉(zhuǎn)爐渣的氧化程度,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐中氧累積量的變化定義為dOs/dt。計(jì)算轉(zhuǎn)爐中氧累積量時(shí)需將dOs/dt的積分減去硅、磷氧化后以SiO2,P2O5形式進(jìn)入渣所消耗的氧量。之所以要減去SiO2,P2O5的耗氧量,是因?yàn)橐許iO2形式存在的氧不作為渣的氧勢(shì)參與碳氧反應(yīng),而固定在P2O5中的氧幾乎是恒定不變的。由下述兩方程可計(jì)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(biāo))為熔劑的種類;VH2,VCO,VCO2為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成SiO2的系數(shù);K2為磷轉(zhuǎn)化成P2O5的系數(shù)。3.2.3氧氣積聚量與污泥中的氧氣勢(shì)之間的關(guān)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(yàn)結(jié)果可知,根據(jù)爐氣成分并用以上方程計(jì)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(yàn)結(jié)果?？梢婎A(yù)報(bào)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(duì)應(yīng)的。(2)氧累積量操作曲線的確定由新日鐵的試驗(yàn)結(jié)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(gè)最佳的氧累積量操作曲線,完全可以模擬吹煉反應(yīng)過(guò)程并用來(lái)控制生產(chǎn),使后續(xù)爐次獲得良好的吹煉結(jié)果。圖3是利用氧累積量控制噴濺、指導(dǎo)生產(chǎn)的示意圖。3.2.4噴噴噴水質(zhì)的控制通過(guò)爐氣分析數(shù)據(jù)可得知轉(zhuǎn)爐渣中氧累積量的變化,將此變化繪成曲線圖可用來(lái)預(yù)報(bào)噴濺的發(fā)生。要對(duì)噴濺進(jìn)行控制,可采用提高槍位或降低氧流量的方法,減小熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度、增加氧累積量;反之則減少氧累積量。另?yè)?jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)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(yīng)用爐氣分析進(jìn)行噴濺預(yù)報(bào)時(shí),除了常用的計(jì)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(duì)噴濺進(jìn)行預(yù)報(bào)根據(jù)日本福山第二煉鋼廠的生產(chǎn)實(shí)踐和模型應(yīng)用實(shí)踐來(lái)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(yīng),生成CO并富集在爐渣中。噴濺的同時(shí),富集的氣體被排出爐外。鑒于此,可對(duì)吹煉中的脫碳氧效率進(jìn)行監(jiān)視,當(dāng)脫碳氧效率降低到規(guī)定值以下時(shí)便采取防范措施。這種方法的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可達(dá)81%。該廠規(guī)定:當(dāng)dω(C)/dω(O2)>0.8kg/m3時(shí),發(fā)出噴濺預(yù)報(bào)。②有文獻(xiàn)報(bào)道,爐氣溫度的突變與噴濺有關(guān),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(guó)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(yù)示著噴濺的來(lái)臨。理論分析表明,這是由于爐內(nèi)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(yīng)用效果4.1碳溫清除率高應(yīng)用爐氣分析進(jìn)行轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制能提高終點(diǎn)命中率,特別是碳的終點(diǎn)命中率。如韓國(guó)PoscoKwangyang廠采用爐氣分析控制轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),碳溫命中率超過(guò)95%。又如日本福山第二煉鋼廠,冶煉鋼種很多,同時(shí)實(shí)施了大約1/4的脫磷鐵水無(wú)渣吹煉工藝,轉(zhuǎn)爐吹煉形式也很多。在引進(jìn)爐氣分析控制后,終點(diǎn)命中率得到了明顯的提高,無(wú)倒?fàn)t出鋼比達(dá)100%;并且無(wú)倒?fàn)t出鋼中大約1/5不進(jìn)行終點(diǎn)取樣而快速出鋼。瑞典SSABTumnplatAB廠轉(zhuǎn)爐車間采用的MEFCON系統(tǒng)也是一個(gè)基于質(zhì)譜儀爐氣分析的動(dòng)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(cè)溫定碳,需要消耗大量的副槍及副槍探頭,累積消耗費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用很高。而采用爐氣分析測(cè)溫定碳,不用消耗原材料,維護(hù)也很方便。在采用爐氣分析+副槍的動(dòng)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(diǎn)測(cè)的次數(shù),降低副槍頭的消耗。待有了一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)后,在生產(chǎn)情況正常、冶煉一般鋼種時(shí),可依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和自學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),做到完全取消副槍點(diǎn)測(cè),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(zhì)譜儀測(cè)得的爐氣成分?jǐn)?shù)據(jù),不僅可用來(lái)控制轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),還可用來(lái)提高轉(zhuǎn)爐煤氣的回收率。這是因?yàn)?①質(zhì)譜儀的采樣點(diǎn)位于轉(zhuǎn)爐頂部和廢氣冷卻系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)的前面,加上質(zhì)譜儀分析數(shù)據(jù)速度快的特點(diǎn),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(shí)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(zhuǎn)爐煤氣。瑞典SSABTumnplatAB廠轉(zhuǎn)爐車間的實(shí)踐也證實(shí):采用質(zhì)譜儀分析轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐采用爐氣分析系統(tǒng)后,吹煉初期和末期廢氣回收時(shí)間總共延長(zhǎng)了2min;②利用質(zhì)譜儀測(cè)得的爐氣成分,可控制轉(zhuǎn)爐煙罩的升降,以便調(diào)整吸入的空氣量和爐氣成分,使?fàn)t氣成分滿足回收要求,進(jìn)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(dòng)態(tài)模型對(duì)噴濺進(jìn)行預(yù)報(bào)和控制,可有效地提高金屬的收得率;此外,通過(guò)計(jì)算渣成分并對(duì)吹氧制度和加料制度進(jìn)行調(diào)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(dǎo)致渣中氧化鐵含量的降低,可進(jìn)一步提高金屬收得率。4.5鐵合金用量的優(yōu)化用噴濺預(yù)報(bào)模型可精確計(jì)算轉(zhuǎn)爐內(nèi)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