闞永海

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津301500）

0 引言

目前我國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)對(duì)于操作人員所具備的生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)依賴較大，受操作人員思維慣性以及反應(yīng)能力有限等一系列因素制約，轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)效率和污染物排放控制有待進(jìn)一步改進(jìn)。在采用渣料減量化冶煉、石灰石復(fù)合造渣、鐵礦石熔融還原以及留碳作業(yè)后，進(jìn)一步增加了生產(chǎn)人員依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作的難度，因此需要建立一種充分考慮各種工藝參數(shù)和原材料狀況，解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型，以擺脫操作人員思維限制，降低煉鋼過程中的渣量、氣體和粉塵排放，實(shí)現(xiàn)智能化、環(huán)境友好型煉鋼。

1 原料條件及參數(shù)選取與確定

轉(zhuǎn)爐煉鋼入爐鐵水主要成分見表1。入爐鐵水硅含量波動(dòng)較大，范圍在 0.11%～1.13%，平均約為0.52%，轉(zhuǎn)爐冶煉過程溫度有較大富余；鐵水平均磷含量約為0.158%，鐵水磷含量較高，因此，轉(zhuǎn)爐冶煉過程脫磷難度大幅增加，脫磷也成為轉(zhuǎn)爐煉鋼的最主要難點(diǎn)之一。

在建立靜態(tài)模型之前，要先對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的一些條件取經(jīng)驗(yàn)值處理：

（1）渣中鐵珠量以渣量的8%計(jì)算；

（2）金屬中碳在氧化過程中生成CO和CO2，其中碳氧化為CO的比例為90%，碳氧化為CO2比列為10%；

（3）轉(zhuǎn)爐冶煉噴濺鐵損為鐵水量的1%；

（4）冶煉過程中爐襯受鐵水侵蝕，爐襯侵蝕量為鐵水量的0.50%；

（5）氧槍噴出氧氣純度 98.5%，余下以 1.5%N2計(jì)算；

（6）轉(zhuǎn)爐煙塵量為鐵水量的1.60%，煙塵中FeO的比例為77%，F(xiàn)e2O3的比例為20%；

（7）爐氣平均溫度為1450℃，爐氣中自由氧含量為 0.50%；

（8）終點(diǎn)鋼水錳含量，一般為鐵水中錳含量的30%～40%，現(xiàn)在取值為 0.1%；

（9）轉(zhuǎn)爐去硫率一般為30%～50%，取平均值40%；

（10）冶煉鋼種的碳含量與脫氧劑等增碳量之差為終點(diǎn)含碳量。

原料平均比熱容見表2。

入爐鐵水各成分氧化放熱效應(yīng)見表3。

表1 轉(zhuǎn)爐煉鋼入爐鐵水成分和溫度

2 渣料減量化冶煉脫磷階段計(jì)算思想

轉(zhuǎn)爐雙渣-留渣脫磷工藝將轉(zhuǎn)爐冶煉過程分為兩個(gè)階段，脫磷階段和脫碳階段，在脫磷階段結(jié)束后要倒出脫磷渣，因此需要對(duì)兩個(gè)階段分別進(jìn)行物料和熱平衡計(jì)算，確定不同時(shí)期的合理配料。冶煉初始鐵水條件按鐵水成分平均值計(jì)算，脫磷階段鐵水和爐渣成分設(shè)定值及上爐留渣爐渣成分見表4和表5。

表2 原料平均比熱容

表3 入爐鐵水各成分氧化放熱

表4 初始鐵水和盜爐鐵水成分

倒?fàn)t時(shí)各元素氧化量、耗氧量及氧化產(chǎn)物量見表6。

2.1 造渣料計(jì)算

2.2 熱量計(jì)算

初始鐵水溫度條件下，爐渣物理熱：

鋼水和爐渣理論升溫為：

轉(zhuǎn)爐剩余熱量為：

加入廢鋼、白云石后，轉(zhuǎn)爐富余熱量為：

故礦石加入量為：

3 渣料減量化冶煉脫碳階段計(jì)算思想

終點(diǎn)鋼水和終渣成分目標(biāo)值設(shè)定見表7。

表6 倒?fàn)t時(shí)各元素化量、耗氧量及氧化產(chǎn)物量

表7 終點(diǎn)鋼水和終渣成分目標(biāo)值/%

脫磷階段結(jié)束后，半鋼中各元素氧化量、耗氧量及氧化物產(chǎn)量見表8。

3.1 造渣料計(jì)算

終渣中SiO2含量：

表8 脫磷階段結(jié)束后半鋼各元素養(yǎng)護(hù)量、耗氧量及氧化產(chǎn)物量

需要加入CaO量：

終渣總量：

白云石加入量：

石灰加入量：

3.2 熱量計(jì)算

脫碳階段各元素氧化放熱總量[2]為：

鋼水和爐渣理論升溫為：

轉(zhuǎn)爐剩余熱量為：

加石灰、白云石后，轉(zhuǎn)爐富余熱量為：

轉(zhuǎn)爐富余熱量用添加石灰石的方式中和，石灰石加入量為：

4 渣料減量化冶煉供氧制度計(jì)算思想

4.1 碳氧反應(yīng)速度曲線

在實(shí)際生產(chǎn)中，碳與氧的反應(yīng)是復(fù)雜多變的，同時(shí)受到多種不同因素的影響，包括氧氣壓力的調(diào)整、氧槍槍位的變化、鐵礦石的加入量、各種造渣輔料的裝入，以及噴濺的干擾等，但在不同的供氧強(qiáng)度下，脫碳反應(yīng)的變化規(guī)律基本相似，理論研究過程中可對(duì)圖進(jìn)行線性形式表示，脫碳過程可分為3個(gè)階段，其過程脫碳速度曲線可以用“臺(tái)階”形簡(jiǎn)化表示，見圖1。

（1）第一階段碳氧反應(yīng)速度可描述為：

vc=-dc/dt=K1t式中，t為供氧時(shí)間；K1為根據(jù)鋼水硅的總量、熔池溫度以及供氧強(qiáng)度等因素所確定的非常數(shù)（見圖2）。

在第Ⅰ期，供氧剛開始階段，硅、錳首先進(jìn)行氧化反應(yīng)，氧槍提供的氧氣中只有少量用于氧化碳，脫碳反應(yīng)因此受到一定的限制。當(dāng)熔池溫度升高、供氧強(qiáng)度也增大、鐵水里的碳濃度也就越高，K1值隨之越大，但是提水中硅、錳含量越高，K1值就越小。由圖可知，鋼水中硅的總量w[Si]+0.25w[Mn]＞1.5%時(shí)，脫碳速度初始接近于零。

圖1 吹煉過程脫碳速度變化曲線

圖2 硅、錳含量與脫碳速度關(guān)系

（2）第Ⅱ期，氧槍提供的氧氣全部用于氧化碳，脫碳速度為：

vc=dc/dt=K2式中，K2為脫碳系數(shù)，根據(jù)氧槍槍位和供氧強(qiáng)度確定的常數(shù)，氧槍槍位H和氧氣流量vo2變化時(shí)，K2與和槍位H和氧氣流量vo2線性相關(guān)。

根據(jù)全鐵水冶煉實(shí)驗(yàn)得出：

式中，vO2為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的供氧強(qiáng)度，m3/(ht)；H為氧槍高度，cm。

所以，第Ⅱ期脫碳反應(yīng)速度大部分取決于供氧強(qiáng)度，在一定的供氧強(qiáng)度下次階段的脫碳速度可以認(rèn)為是一定值，但是，冶煉過程氧槍槍位的變化會(huì)影響氧氣的利用率（ηo2）。

（3）第Ⅲ期脫碳速度：

vc=-dc/dt=K3C式中，K3為由氧槍高度以及供氧強(qiáng)度所決定的常數(shù)。

前文已經(jīng)指出，碳氧反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)在于[C]、[O]向反應(yīng)區(qū)的擴(kuò)散傳質(zhì)過程，當(dāng)其他的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件相同時(shí)，[C]、[O]的移動(dòng)快慢只與其濃度有關(guān)，而在真?zhèn)€吹煉過程中，供氧強(qiáng)度基本保持不變，吹煉到后期，碳含量降低，[C]在遷移擴(kuò)散速度降低成為反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，此階段的碳氧反應(yīng)速率與剛水中碳含量成正比。在冶煉中期，供氧強(qiáng)度越大，碳氧化的效率就越高，圖1中B點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間也就越早，K3值就越小。

4.2 吹煉終點(diǎn)時(shí)間和脫碳速度在碳氧反應(yīng)過程中的數(shù)學(xué)模型

在第Ⅰ期，ΔC1即鐵水中碳濃度降低量可表示為：

吹煉中期（Ⅱ期）鐵水中碳濃度降低量ΔC2可表示為：

設(shè)定入爐鐵水初始含碳量為C0，冶煉中期結(jié)束時(shí)鐵水中的碳的濃度為C2：

聯(lián)立三式可得：

從而求解出t2：

吹煉后期，鐵水中碳含量決定了脫碳的速度，兩者為正比例關(guān)系，則系數(shù)K3為：

代入可得：

分離變量后定積分：

進(jìn)一步運(yùn)算得：

轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图礊榉磻?yīng)式，在冶煉不同的鋼種時(shí)，其可以通過模擬來計(jì)算在不同鐵水成分，不同目標(biāo)碳含量條件下，轉(zhuǎn)爐冶煉的終點(diǎn)時(shí)間te。在反應(yīng)式中，入爐鐵水成分初始始碳含量為

C0；鋼種要求目標(biāo)碳含量為Ce。t1、C2和為多爐試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選取的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。在正常情況下，C2一般取 0.6%～0.7%，t1一般取 7～10min，一般為 0.2%～0.4%/min。

4.3 基于氧利用效率的轉(zhuǎn)爐耗氧量預(yù)算機(jī)理

轉(zhuǎn)爐冶煉過程氧氣消耗主要有以下幾個(gè)方面：鐵水中元素氧化耗氧、爐襯中碳氧化耗氧、鐵水氧化耗氧、廢鋼耗氧、各種原輔料帶入氧量、爐氣中鐵氧量等。計(jì)算公式如下：

式中，QO2為總耗氧量；Q鐵水為鐵水中不同元素氧化反應(yīng)耗氧量；Q爐襯為爐襯中的碳氧化的耗氧量；Q廢鋼為廢鋼中不同元素氧化的耗氧量；Q爐氣為爐氣帶走的氧量；Q自由氧為自由氧；Q輔料為造渣料帶入的氧；Q返礦為返礦帶入的氧。

反應(yīng)式中，鐵水中各元素的氧化耗氧量根據(jù)入爐鐵水成分與冶煉鋼種的成分差進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)終點(diǎn)渣中FeO，F(xiàn)e2O3含量計(jì)算鐵元素氧化耗氧量；爐襯中碳氧化的耗氧量按照0.5kg/100 kg鐵水計(jì)算；爐氣耗氧量以及自由氧含量均取經(jīng)驗(yàn)值，分別為0.37 kg/100 kg鐵水和 0.063 kg/100 kg 鐵水；輔料以及礦石帶入的氧量可通過計(jì)算輔料及礦石的成分，其中，輔料以CO2的形式帶入氧，礦石以礦石中鐵氧化物分解產(chǎn)生的分解氧，輔料及返礦的裝入量由現(xiàn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)爐智能煉鋼模型計(jì)算得出。轉(zhuǎn)爐智能煉鋼用戶界面見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)爐智能煉鋼用戶界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過模型的合理化布料指導(dǎo)，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)雙命中率由原來的65%穩(wěn)定提升到85%以上。加之基礎(chǔ)操作方面的細(xì)致培訓(xùn)工作，轉(zhuǎn)爐操槍工操作過程吹煉平穩(wěn)，爐口冒渣及鋼水噴濺情況均有所好轉(zhuǎn)，噴濺率有原來的12%降低到8%以下，煤氣回收率得到了明顯提升。

6 結(jié)論

通過對(duì)煉鋼渣料減量化冶煉、石灰石替代石灰、鐵礦石熔融還原以及留碳作業(yè)技術(shù)研究，建立一種充分考慮各種工藝參數(shù)和原材料狀況，解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型。通過的模型指導(dǎo)，降低生產(chǎn)成本15元/t以上，減少CO2排放量28.77 kg/t，年排放量減少約 11.5 萬 t，實(shí)現(xiàn)了智能化、環(huán)境友好型煉鋼。