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1、转炉终点控制技术,提纲,1 转炉炼钢的终点控制2 数学模型在转炉终点控制中的应用3 某钢厂终点控制模型介绍,1 转炉炼钢的终点控制,1.1 终点控制的内容1.2 终点控制的意义 1.3 终点控制的发展 1.4人工终点控制1.5自动终点控制,终点成分控制是指控制转炉炼钢过程的进行时间，以保证钢水温度和成分在吹炼结束时符合要求的操作技术。实质是对转炉冶炼过程的控制。具体的目标是： C 达到所冶炼钢种的要求，由吹入的氧气量决定； S、P 低于规格的下限。Cu由兑入的铁水成分决定。 温度 保证下步工序：如炉外精炼和浇注的顺利进行； 氧化性冶炼沸腾钢还保证钢水的氧化性。,1.1 终点控制的内容,终点控制
2、的主要环节： 原材料准备的精料控制，即所谓的起控制 炉料和供氧量的静态控制，即吹炼过程的始态控制 吹炼过程主要冶金反应的标准轨道跟踪，即吹炼过程中的动态控制。 吹炼中间对钢水直接检测和后期修正 出钢时进行反馈计算，为最后补救措施和以后炉次的控制打下基础 作为补救措施的炉外微调控制。,1.1 终点控制的内容,控制的策略是逐步逼近，即通过原料的精、准、稳保证一定精度的炉料和供氧量静态模型控制；再通过吹炼过程动态模型来提高控制的精度；最后通过中间检测和后期修正模型来达到高精度的终点目标命中率；对于少数未达到高精度终点目标命中的炉次采用微调来挽救。 首先是加强原材料的管理，实现精料方针，提高入炉原材料
3、的质量和稳定程度，准确了解入炉的有关信息 其次测量仪表要齐全、可靠，能满足数学模型所要求的精度 然后实现操作规范化，严格按操作规程炼钢 最后采用高质量的控制模型。,1.1 终点控制的内容,炼钢终点控制是转炉吹炼的重要操作: (1) 作业率和节奏的影响。由于要附加调整作业而使效率降低，质量降低，并使各种原料的单耗增加; 由于钢出格而影响后面的工序;(2 )金属收得率影响。由于产生了不良的或废钢坯而降低成品率;(3 )成本的影响。缩短炉体耐火材料、钢包和结晶器的寿命；(4 )质量的影响。影响钢水的质量；(5 ) 管理水平的影响。促进全厂的管理水平的提高。 因此，转炉炼钢的基本任务就是要进行终点控制
4、。,1.2 终点控制的意义,1.3 终点控制的发展,A、人工控制人工观察和取样观察、分析。 B、自动控制 1）静态控制 机理模型增量模型统计模型神经网络 2）动态控制 废气检测副枪检测生强检测炉子测重检测光强和火焰强度检测 C、全自动控制,1.4 终点的人工控制,终点的经验控制主要是在常规吹炼条件下，借助一些常规监测手段，对终点(终碳)进行人工控制。经验控制常采用“拉碳”和“增碳”两种操作方法，常用的辅助手段为测温定碳和炉前取样快速分析。 (1)“拉碳”法 采用“高拉碳”操作冶炼高碳钢，如美国普韦洛厂用氧气转炉生产的高碳钢占全部产量的61，均采用“高拉碳”法的工艺进行生产。采用“高拉碳”法生产
5、高碳钢是因所用铁水含硫量只有0.020.03，磷含量全部在0.0480.080之间。用这样的铁水炼钢，成品中硫和磷含量几乎无需考虑。“高拉碳”法冶炼高碳钢，渣中氧化铁低，金属收得率略高，氧气和脱氧剂消耗略低，终点钢水中气体含量较低。,(2)“增碳”法 这种方法在操作上易于掌握，但在其后的增碳过程中，应着重把握两个环节：一是增碳剂的质量，二是增碳剂的收得率。在“增碳”法中，要求所用增碳剂具有很高的纯度、很低的硫含量，以免对钢水造成污染。 某些炼钢能力大于炼铁能力的企业为了用有限的铁水生产更多的钢，多吃废钢降低铁耗，往往采用“增碳”法终点控制。欧洲大多数钢厂都把终点含碳量控制在0.07左右，然后在
6、钢包内用石油焦增碳操作来冶炼中高碳钢。一般而言，“拉碳”法具有终点钢水氧含量和终渣(FeO)较低、终点钢中含锰量较高、氧气消耗较少等优点；“增碳”法省去倒炉、取样及随后的补吹时间，因而具有生产率高、终渣(FeO)高、化渣好、脱磷率高、热收入较多以及有利于增加废钢用量等特点。,1.4 终点的人工控制,1.5终点的自动控制,自20世纪60年代开始，国外逐步采用计算机技术对转炉吹炼进行控制，20世纪70年代从静态控制向动态控制发展。国内除一些大型企业的少数转炉采用动态控制外，大多数钢厂转炉的装备、控制水平还较低，处于经验控制向自动控制的过渡阶段。 目前转炉终点控制技术经过静态、动态控制阶段后，目前已
7、进入全自动吹炼控制阶段，其基本方法主要为副枪法、烟气分析法或副枪与烟气分析结合法，国外部分钢厂转炉控制情况如表1.1所示。由于气体快速分析与高精度分析技术的突破，目前美国、欧洲、韩国、日本等国的转炉有逐步采用烟气分析技术代替副枪法控制转炉终点碳的趋势。,国外部分国家转护控制技术情况,国内概况长期以来，国内一直推动转炉终点控制技术的进步，一方面采用厂校(院、所)合作的方式进行相关技术的开发应用，另一方面引进国外先进技术和设备。但总体来看，除少数企业的一些大型转炉外，国内在转炉终点控制方面与国外差距仍很大。如与日本钢厂相比，我国多数转炉主要差距表现为出钢温度高、钢中O高和渣中(TFe)高，严重影响
8、转炉的脱磷效果，也使脱氧剂消耗增大。无论是在洁净钢或高品质钢生产方面，还是在连铸连轧生产工艺要求钢水质量稳定方面，均已越来越不能满足后续工序及市场的要求。提高炼钢终点的控制精度和命中率，已成为当前国内炼钢生产中亟待解决的技术问题。,1.5.1 副枪测定控制法,副枪于1964年由美国伯利恒钢铁公司首先开发，此后，经过日本几大钢铁公司的多年研究，使得副枪动态控制技术逐渐成熟，并得到了迅速推广使用。日本住友金属公司、新日铁、川崎、NKK公司在1974年前后都相继安装了副枪，并形成了一套完整的副枪检测和动态控制方法。从七十年代末开始，世界上其他一些国家的大型转炉上也开始安装副枪动态控制系统。 原理：副
9、枪在吹炼过程中对金属熔池进行直接测量。利用副枪进行钢液碳温预报，其基本原理是：在吹炼终了前23min，用副枪测取钢水的碳含量及温度等信息，然后用专门的副枪动态模型估计出此后一段时间内钢液的C 含量和温度。副枪动态模型也有助于操作者决定最后阶段的吹炼工艺，比如所需的吹氧量和所需的冷料，保证命中终点目标。由于副枪在吹炼过程中只在某一时刻进行一次分析，因此属于间断式预报方法。 效果：温度的测量误差是士10，为0.015% ，双命率达到 80%以上，国内外主要的大型转炉都实现了副枪动态控制炼钢。近年，在副枪动态模型的基础上，引入了人工智能 ，进一步提高命中率。,副枪测量的转炉终点控制系统,1.5.2
10、气相(质谱仪)定碳判定终碳法,原理：通过连续测定转炉炉气的成份和流量，根据相关模型，对转炉钢液碳含量和温度进行预报。 效果：中低碳钢温度是士10， 为0.015% ，双命率达到 85%以上，喷溅预报准确率大于80%，终渣FeO%均值12%（复吹）。,炉气分析系统三部分组成 1）、气体取样部分： 主要有取样探头、输送管道和冷却除尘设备组成，为分析仪提供气体。2）、气体分析仪 完成炉气成分的分析工作，应用于转炉炉气分析的单指标分析仪器主要有红外分析仪和激光气体分析仪，其分析的主要成分为C0, CO2和02等; 多指标分析仪器则主要为气相色谱仪和质谱仪，其分析的主要成分为Co, CO2,O2, N2
11、. HZ, Ar和He等。3）、控制计算机 接收炉气成分和流量数据，有相应模型进行计算并输出预报和控制信息。,红外分析仪,原理： 利用气体在红外光谱区的特征吸收，通过测量混合气体对特定波长光的吸收强度进行成分的定量分析。检测成分： CO. CO2. CH4. NH3，SO2和NO2特点： 仪器的响应时间较长(国外最好2-3秒，国内10-15秒)，测量精度一般，早期的转炉控制中采用。,激光分析仪,原理： 从激光发生器发射激光到接受器上，采用近红外光谱范围内的单吸收光谱技术，测量气体成分。检测成分： CO，CO2，O2特点： 响应时间小于2秒，可直接测量，分析气体成分较少。,气相色谱仪,原理： 是
12、将样气由载气定量带入色谱柱分离，各种成分依次被热导检测器检出。检测成分: 按H2, N2, CO和CO2顺序检测特点:实现了用一台仪器分析多种成分的目标，测量精度较好,测定的组分数较多时，分离和分析的时间需要数分钟，系统的滞后严重。 发展成组合式分析系统当测定组分数小于4种的工艺过程，采用组合式分析系充，其实时性远优于工业气相色谱仪;而成本又低于质谱仪。,质谱仪,原理： 质谱仪以物质离子的质荷比作为判据进行定性和定量分析。检测成分： 万能仪器特点： 分析速度极快、可同时分析的组分多，而且分析的精度很高。按离子质量分离方法分成: 磁扇式质谱仪、四极质谱仪和飞行时间质谱仪。,2 数学模型在转炉终点
13、控制中的应用,2.1 转炉静态模型,2.1.1 静态控制的种类 1) 理论模型 2) 统计模型 3) 增量模型,2.1.2 理论模型,建立在基本的热力学原理和质量能量守恒上的。,渣量的计算模型,式中：（FeO）渣中氧化铁（Feo和Fe2O3）含量/%；E金属中杂质氧化时生成的氧化物形成的渣量/kg；10-2gimi炉渣中（石灰、固体氧化物、辅助熔剂）不计氧化铁时，非金属物料形成的渣量/kg；go其它来源（炉衬、混铁炉或高炉炉渣等）/kg。（FeO）=12+0.9/C,脱磷计算模型,单渣制度下冶炼终期（冶炼普通生铁）Lp为60-90 双渣制度下吹炼第一期终（高磷生铁），用普通生铁时，Lp为100
14、-120；用高磷生铁时Lp为150-200。,渣中全铁含量的计算模型,物料平衡和热量平衡,Si平衡 P平衡 Mn平衡 C平衡 铁平衡 热平衡 渣平衡 石灰平衡 氧平衡,2.1.3 增量模型的建立,拟建立的转炉静态模型由两个方程组成:矿石(废钢)方程控制终点温度,供氧方程控制终点含碳量。此静态模型为增量模型,即根据本炉次与参考炉次在入炉料和目标值等方面的偏差来确定控制量。,静态模型中的氧耗量增量方程可以用下式表示:静态模型中的废钢用量增量方程可表示为:,通过对比分析,增量模型取前几炉的平均值作为本炉的参考值较好,即本炉次回归时都采用前几炉的平均值作为比较的基础。所以氧耗量和废钢用量的表达式为:,
15、变量名称、表示符号与单位,2.1.4 神经网络模型,2.1.5 统计模型,2.2.1 动态控制的设计思想,2 .2 转炉动态控制模型,转炉静态模型控制和动态控制比较,转炉炼钢过程温度控制目的： 首先，保证吹炼中的反应要按标准情况进行，因为熔池钢渣之间的一切反应都显著地随温度而异；其次，保证连铸时的浇铸温度适当。浇铸温度适当与否对钢坯的质量影响很大，与钢坯的裂纹、表面气泡、结晶形成、缩孔以及非金属夹杂物等都有关系。钢的凝固温度主要随碳含量而异，因此终点熔池温度的控制目标取决于所要求的含碳量，同时还要考虑到浇铸方法和脱氧方式、钢包内夹杂物的浮起时间以及钢包的加热状况等因素，来决定出钢温度。终点成分
16、和终点温度的控制，主要通过由物料平衡和热平衡的计算来决定，并辅以一定的经验指导，由对成分和温度进行实际的分析和测量等手段进行动态控制，目前已经可以实现计算机自动控制 。,终点温度控制,温度预报数学模型其中：由于在转炉热平衡系统中，铁氧化热、渣吸热、转炉热损等项难以用一个有效的办法进行准确的计算或直接得到，基本上都是通过大量的冶炼数据，并对这些项进行处理而总结出的一些统计规律，其它文献也基本都是采用类似的方法。,1) 碳平衡模型利用炉气的流量和CO、CO2 成份，就可以计算出熔池的瞬时脱碳速度：t 时刻熔池C浓度可表示为：,碳预报模型,2)碳指数模型 公式变形可得：以上模型虽然看似简单，但是其系数的确定确是非常烦琐的事情，需要综合考虑各项影响因素，并需要通过大量的数据总结出统计经验系数，而对系数的选取根据冶炼情况的不同也有较大差异，故在研究中需要根据实际情况收集整理数据，而得出适合本课题的系数。,3）有效氧数学模型通过对顶吹氧气、转炉炉气成份和流量的分析，利用质量守恒原理，可以计算出任意时间熔池消耗的有效氧量，再利用上述模型即可计算出终点碳的含量。在实际应用过程中发现，该模型在废钢熔化过程能更精确的预测碳含量，但是由于模型中废钢和冷料的熔化速度不能直接测量，而绝大部分是通过经验获得，所以其准确性也是不尽相同。,
