基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種真空吹氧脫碳精煉的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 真空吹氧脫碳（Va州um(kygenDecarburization，V0D)，主要是利用真空條件促 進(jìn)碳氧反應(yīng)并減低鉛元素氧化的原理來進(jìn)行脫碳冶煉的。置于真空罐內(nèi)鋼包中的不鎊鋼鋼 水利用頂吹氧槍吹氧來獲得氧，氧溶解于鋼液并和鋼液中碳反應(yīng)，沒有反應(yīng)的溶解氧在后 續(xù)的深真空處理階段可W持續(xù)與鋼液中碳反應(yīng)，從而可W獲得很低的碳含量。V0D法是生產(chǎn) 不鎊鋼尤其是超低碳、氮不鎊鋼的理想方法。
[0003] 通過合理的吹氧控制，實(shí)現(xiàn)有效脫碳，并控制合金元素鉛的氧化，減少還原消耗， 縮短冶煉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化冶煉是V0D精煉的控制目標(biāo)。因V0D爐在真空精煉處理過程中不 便于取樣，冶金工作者陸續(xù)開發(fā)了多種V0D脫碳停氧控制法：（1)計(jì)算法。主要采用理論 計(jì)算結(jié)合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來計(jì)算所需的供氧量，按供氧量來確定吹氧結(jié)束時(shí)間。該種方法只適用 于具體的設(shè)備，各廠家有不同的計(jì)算方法，且難W實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。（2)真空度及廢氣溫度控 制法。即利用壓力、溫度變化的特征作為V0D停氧控制的依據(jù)，該在早期有過應(yīng)用。（3)氣 體紅外分析判定法。利用紅外氣體分析儀來分析V0D精煉廢氣中C0、C〇2及〇2的成分，依 據(jù)氣體中C0含量變化特征并參考真空度變化來控制停氧時(shí)刻。該種方法可W較為準(zhǔn)確地 確定停氧時(shí)間，并且不受具體設(shè)備的限制。（4)氣相定碳法。通過氣體成分中C0和C〇2含 量分析，結(jié)合氣體流量檢測(cè)計(jì)算脫碳量，達(dá)到脫碳量后即停止吹氧。當(dāng)廢氣流量不易測(cè)量或 不易準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)，可采用惰性氣體示蹤方法。廢氣分析通常采用紅外分析及質(zhì)譜儀，采用紅 外分析系統(tǒng)時(shí)，可用標(biāo)氣法來測(cè)量流量，該種方法在美國(guó)一些鋼廠用來控制終點(diǎn)碳。（5)氧 濃差電池法。依據(jù)廢氣氧勢(shì)連續(xù)測(cè)量變化特征，反映吹氧的終始點(diǎn)，并能夠反映不正常的爐 況。此方法測(cè)量準(zhǔn)確，反應(yīng)迅速，連續(xù)顯示，操作方便，便于自動(dòng)化控制，曾用于國(guó)內(nèi)多家鋼 廠，取得了較好的控制效果。
[0004] 質(zhì)譜儀爐氣分析因?yàn)槟軌蛱峁┛焖?、?zhǔn)確、多種氣體成分連續(xù)變化的詳細(xì)信息，是 紅外等其他測(cè)量手段所無法比擬的(紅外分析滯后時(shí)間較長(zhǎng)，分析氣體種類有限)，目前在 煉鋼過程應(yīng)用日漸普遍，利用爐氣分析系統(tǒng)開發(fā)先進(jìn)的V0D過程控制，冶金效果較人工經(jīng) 驗(yàn)控制模式有較大改善。
[0005] V0D精煉脫碳控制的關(guān)鍵是控制吹氧量及停吹時(shí)間。吹氧量不夠，則不能滿足終點(diǎn) 碳要求；過度的吹氧則會(huì)造成鋼液中合金元素鉛過度氧化，鋼液過熱W及還原劑消耗急劇 增加，也不利于提高鋼水質(zhì)量。目前，生產(chǎn)上利用質(zhì)譜儀分析的廢氣成分變化特征結(jié)合人工 經(jīng)驗(yàn)可W輔助判定停氧時(shí)間。但是由于人工經(jīng)驗(yàn)帶有很大的主觀性，造成不同操作人員的 差異，而且爐氣取樣分析也可能因各爐次條件不同而存在較大的變化，也不利于過程穩(wěn)定 控制。對(duì)于V0D精煉過程控制而言，更需要量化的信息，并可W連續(xù)跟蹤過程脫碳及碳含量 變化，從而可W精確控制吹氧及終點(diǎn)碳含量，W實(shí)現(xiàn)優(yōu)化冶煉的目標(biāo)。
[0006] 日本專利第JP61195913A號(hào)和第JP62263916A號(hào)公開了一種V0D吹氧量分段計(jì)算 的脫碳控制方法。后者同時(shí)給出相關(guān)參數(shù)更為詳細(xì)的計(jì)算方法，并給出了真空脫碳處理時(shí) 間的計(jì)算方法。在實(shí)際應(yīng)用中，VOD處理起始的鋼液碳含量為終點(diǎn)目標(biāo)碳的幾十倍，僅利用 模型是難W實(shí)現(xiàn)整個(gè)脫碳過程都較為準(zhǔn)確的跟蹤和控制的，越往脫碳后期，計(jì)算碳含量的 相對(duì)偏差越大，因此難W實(shí)現(xiàn)精確控制。在超低碳不鎊鋼冶煉過程中為了嚴(yán)格控制碳含量 則經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)吹氧過度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方 法，可有效控制吹氧量及停吹時(shí)間，W滿足終點(diǎn)碳要求和避免鋼液中合金元素鉛過度氧化、 鋼液過熱W及還原劑消耗急劇增加，W利于提高鋼水質(zhì)量。
[0008] 本發(fā)明的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，包括W下步 驟：
[0009] 在抽真空及前處理并氧槍吹氧開始后，計(jì)算吹氧階段廢氣參數(shù)信息，包括爐內(nèi)氣 體發(fā)生量和爐內(nèi)氣體成分；
[0010] 基于爐內(nèi)廢氣參數(shù)信息，計(jì)算吹氧脫碳速率；
[0011] 跟蹤計(jì)算鋼液碳含量；
[0012] 對(duì)吹氧脫碳速率修正系數(shù)和鋼液碳含量修正計(jì)算判定；
[0013] 頂槍吹氧結(jié)束判定；
[0014] 計(jì)算真空階段的廢氣相關(guān)參數(shù)信息，包括吸入空氣量和廢氣流量計(jì)算、爐內(nèi)氣體 發(fā)生量和爐內(nèi)氣體成分計(jì)算；
[0015] 計(jì)算真空處理脫碳速率；
[0016] 計(jì)算鋼液碳含量；
[0017] 深真空自由脫碳處理停止判定；
[0018] 后續(xù)處理至V0D處理結(jié)束。
[0019] 所述計(jì)算吹氧階段的廢氣相關(guān)參數(shù)信息包括：計(jì)算吸入空氣量qieak(Nm3/h)和廢 氣流量(Nm3/h)、計(jì)算爐內(nèi)氣體發(fā)生量(Nm3/h)、W及計(jì)算爐內(nèi)氣體成分；
[0020] 所述廢氣流量qwf和吸入空氣量Qieak利用W下公式計(jì)算得到： 分=----
[0021] '扛 …專,1'r-妥V:巳,|f每|'化|《- ! (，___(-'?!>
[002引式中，QAt為鋼包底吹氮?dú)饬髁浚∟mVh)，gy,為鋼液脫氮反應(yīng)生成氣體流量巧鋼液 吸氮反應(yīng)，則為負(fù)值)W及吹入氮?dú)饬髁康目偤停∟mVh)，Cf為空氣中Ar的含量，Ca,為質(zhì)譜 儀分析的廢氣中Ar的含量，C:為空氣中N,含量，C,、，為質(zhì)譜儀分析的廢氣中N,含量； [0023] 爐攤發(fā)化巧C(NmVh)剩jimK公乂UTm:判；
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，其特征在于，包括以 下步驟： 在抽真空及前處理并氧槍吹氧開始后，計(jì)算吹氧階段廢氣參數(shù)信息，包括爐內(nèi)氣體發(fā) 生量和爐內(nèi)氣體成分； 基于爐內(nèi)廢氣參數(shù)信息，計(jì)算吹氧脫碳速率； 跟蹤計(jì)算鋼液碳含量； 對(duì)吹氧脫碳速率修正系數(shù)和鋼液碳含量修正計(jì)算判定； 頂槍吹氧結(jié)束判定； 計(jì)算真空階段的廢氣相關(guān)參數(shù)信息，包括吸入空氣量和廢氣流量計(jì)算、爐內(nèi)氣體發(fā)生 量和爐內(nèi)氣體成分計(jì)算； 計(jì)算真空處理脫碳速率； 計(jì)算鋼液碳含量； 深真空自由脫碳處理停止判定； 后續(xù)處理至VOD處理結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，其 特征在于，所述計(jì)算吹氧階段的廢氣相關(guān)參數(shù)信息包括：計(jì)算吸入空氣量和廢氣流量、計(jì)算 爐內(nèi)氣體發(fā)生量、以及計(jì)算爐內(nèi)氣體成分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，其 特征在于，所述廢氣流量q#和吸入空氣量qleak利用以下公式計(jì)算得到：
式中，為鋼包底吹氦氣流量（Nm3/h)，l為鋼液脫氮反應(yīng)生成氣體流量以及吹入氮 氣流量的總和（Nm3/h)，Cf為空氣中Ar的含量，(^為質(zhì)譜儀分析的廢氣中Ar的含量，CJ 為空氣中N2含量，為質(zhì)譜儀分析的廢氣中隊(duì)含量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控 制方法，其特征在于，爐內(nèi)氣體發(fā)生m(%)利用以1f公式汁詳?shù)玫剑?br>5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，其 特征在于，所述爐內(nèi)氣體成分利用以下公式計(jì)算得到：
式中，c'i為氣體i計(jì)算的中間值，C7為爐內(nèi)氣體j的含量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，其 特征在于，吹氧脫碳速率根據(jù)以下公式計(jì)算得到： 若處于高碳區(qū)，即有：
式中，CK]為當(dāng)前鋼液碳含量，C|rlu為高碳區(qū)臨界碳含量，qro為非吹氧反應(yīng)生成的C0氣 體流量（Nm3/h)，P°為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101325Pa)，R為氣體常數(shù)（8.314J/mol/K)，M。為碳原子 的摩爾質(zhì)量（kg/mol)，T°為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度（273. 15K)，f,為吹氧脫碳速率修正系數(shù)。同時(shí)計(jì) 算脫碳速率常數(shù)：^ < /q"r|，n為指數(shù)系數(shù)； 若處于中碳區(qū)域，即，ci(iSc'l(lu，有：
式中，c|t.h為低碳區(qū)臨界碳含量。同時(shí)計(jì)算脫碳速率常數(shù)
平衡碳含量； 若處于低碳區(qū)域，即*有：
式中，CK]為當(dāng)前的鋼液碳含量，為當(dāng)前吹氧條件下的平衡碳含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，其 特征在于，所述鋼液碳含量根據(jù)以下公式計(jì)算得到： C[c]=(C[c]m-rc A t_r' c A t) / (m+ A m)； 式中，m為當(dāng)前時(shí)刻前一步長(zhǎng)的鋼液重量（kg), Am為At時(shí)間內(nèi)的鋼液質(zhì)量變化(kg)，r。為吹氧脫碳速率（kg/s)，r'。為其他反應(yīng)區(qū)域的脫碳速率（kg/s)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，其 特征在于，所述吹氧脫碳速率常數(shù)修正判定計(jì)算： 若吹氧脫碳速率< 小于平均脫碳速率的一半，且本爐次至此尚未進(jìn)行脫碳速率修正， 取此處作為修正計(jì)算的臨界點(diǎn)，并計(jì)算脫碳速率常數(shù)修正系數(shù)：
式中，為吹氧起始的碳含量，Cfcl為臨界點(diǎn)的碳含量，m°為起始的鋼液重量，nf為臨 界點(diǎn)處的鋼液重量。計(jì)算修正系數(shù)后返回步驟（C)，重新進(jìn)行計(jì)算至當(dāng)前時(shí)刻。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，其 特征在于，所述鋼液碳含量修正判定計(jì)算： 若，鋼液碳含量處于低碳區(qū)域，且吹氧脫碳速率大于臨界點(diǎn)前的平均吹氧脫碳速率，即
，其中^為臨界點(diǎn)前由爐氣推算的平均的脫碳速率，則將鋼液碳含量重 置為低碳區(qū)臨界碳含量，即=qt1l ◎
10. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法， 其特征在于，計(jì)算真空階段的廢氣相關(guān)參數(shù)信息包括： 時(shí)間為t=t+At，獲取當(dāng)前最新的爐氣取樣分析動(dòng)態(tài)信息，包括C0、C02、02、N2、Ai^PH2， 共6種氣體； 若采用底吹氬氣，吸入空氣量和廢氣流量計(jì)算為：
若采用底吹氮?dú)?，吸入空氣量和廢氣流量計(jì)算為：
所述計(jì)算真空處理脫碳速率根據(jù)以下公式計(jì)算得到：
式中，#為j反應(yīng)區(qū)的脫碳反應(yīng)速率（kg/sXkjSj反應(yīng)區(qū)的脫碳表觀傳質(zhì)系數(shù)（m/s)， A」為j反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)面積（m2)，Pm為鋼液密度（kg/m3)'#為j反應(yīng)區(qū)的碳平衡含量；這 里的反應(yīng)區(qū)域包括：鋼液表面的爐漁與鋼液的界面反應(yīng)區(qū)、鋼液表面反應(yīng)區(qū)、鋼包底部吹入 氣體和鋼液的界面反應(yīng)區(qū)?？偟拿撎妓俾蕿?br>所述鋼液碳含量根據(jù)以下公式計(jì)算得到：cAt)/〇n+Am)。
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于爐氣分析模型的真空吹氧脫碳精煉的脫碳控制方法，包括：在抽真空及前處理并氧槍吹氧開始后，計(jì)算吹氧階段廢氣參數(shù)信息，包括爐內(nèi)氣體發(fā)生量和爐內(nèi)氣體成分；基于爐內(nèi)廢氣參數(shù)信息，計(jì)算吹氧脫碳速率；跟蹤計(jì)算鋼液碳含量；對(duì)吹氧脫碳速率修正系數(shù)和鋼液碳含量修正計(jì)算判定；頂槍吹氧結(jié)束判定；計(jì)算真空階段的廢氣相關(guān)參數(shù)信息，包括吸入空氣量和廢氣流量計(jì)算、爐內(nèi)氣體發(fā)生量和爐內(nèi)氣體成分計(jì)算；計(jì)算真空處理脫碳速率；計(jì)算鋼液碳含量；深真空自由脫碳處理停止判定；以及后續(xù)處理至VOD處理結(jié)束。本發(fā)明可以將因環(huán)境變化對(duì)爐氣檢測(cè)信息的干擾降低，更為有效地用于模型計(jì)算及過程監(jiān)控，對(duì)過程吹氧及真空處理時(shí)間的準(zhǔn)確控制。
【IPC分類】C21C7-068
【公開號(hào)】CN104775006
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410010822
【發(fā)明人】李青, 郭亞芬, 李實(shí)
【申請(qǐng)人】寶山鋼鐵股份有限公司, 寶鋼不銹鋼有限公司
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2014年1月9日