李 勃,楊凌志 ,謝孝容，宋景凌，郭宇峰，胡 航

(1.中南大學資源加工與生物工程學院，湖南 長沙 410083；2.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421000)

目前，電弧爐煉鋼在我國呈不斷發(fā)展勢頭，且保持著持續(xù)上升的態(tài)勢，但相較于國外電弧爐煉鋼技術(shù)有較大差距[1]。電弧爐煉鋼的主要原料包括金屬料、氧化劑以及造渣材料。金屬料是原料的主要成分，金屬料包括鐵水、直接還原鐵、廢鋼、生鐵等。由于我國廢鋼資源短缺，價格相對較高，多數(shù)鋼廠及研究人員將目標轉(zhuǎn)向了鐵水，準確控制鐵水成分、重量以及廢鋼重量、成分，是提高鋼液質(zhì)量的重要工作[2-5]。冶金工作者也在配料模型原理、配料模型以及算法方面做了大量的研究。

在配料模型原理方面張熙[6]團隊基于碳、鐵元素與氧氣反應(yīng)，根據(jù)物料平衡計算實現(xiàn)熔融還原煉鐵。在配料模型方面，李京社[7]以物料平衡，熱量平衡和化學平衡為基礎(chǔ)，采用理論與經(jīng)驗相結(jié)合的?；椒?，建立了超高功率電弧爐煉鋼優(yōu)化配料模型，該模型尚未投入使用，需要進一步的完善。李士琦[8]團隊以Ni-Cr不銹鋼冶煉配料為計算背景，建立了線性規(guī)劃的優(yōu)化配料數(shù)學模型，開發(fā)了計算機輔助軟件。在算法方面，青島理工大學的馬玲巖[9]團隊以鋼水脫氧配料作為方案設(shè)計，建立了基于選取分段線性插值的算法，開發(fā)了計算機輔助軟件，但是該單純性法實質(zhì)上還是一個靜態(tài)模型，隨著約束條件的不斷變化，難以保證模型的穩(wěn)定運行。李展[10]基于電弧爐煉鋼流程的工藝特點，引入模糊數(shù)的概念，將配料成分約束模糊化，建立了柔性約束的配料模型，提高了配料的靈活性。顏閩秀[11]根據(jù)模糊成分線性規(guī)劃提出模糊環(huán)境下的電弧爐煉鋼配料模型，在保證鋼水品質(zhì)的同時降低了生產(chǎn)成本。

某煉鋼廠現(xiàn)有1臺90 t電弧爐、2臺45 t電弧爐，其中1號45 t電弧爐采用了全鐵水冶煉工藝[12]，其鐵水合理配比對冶煉的順行顯得格外重要(本文以下僅針對1號45 t電弧爐展開分析與研究，以下電弧爐均代表1號45 t電弧爐)?，F(xiàn)如今，鋼鐵料的分配依靠經(jīng)驗計算，未充分考慮鐵水成分、鐵水溫度、鐵水包運輸溫降的影響，造成電弧爐冶煉過程中對出鋼溫度難以準確把控。為了保證電弧爐出鋼最低溫度的冶煉順行要求，實際冶煉過程中時常會提高鐵水的配比，造成電弧爐出鋼溫度超過1 650 ℃的爐次超過總爐次的25%，增加了能耗與耐材的消耗。

針對這些問題本文提出通過研究電弧爐內(nèi)物料平衡、能量平衡以及鐵水包運輸過程熱損失。采用SQL數(shù)據(jù)庫與Visual Studio 2013軟件進行數(shù)據(jù)保存與軟件開發(fā)。構(gòu)建一個電弧爐煉鋼鋼鐵料優(yōu)化模型，實現(xiàn)對鐵水分罐、廢鋼配料以及出鋼溫度的準確預(yù)判。

1 鋼鐵配料過程影響因素的研究

1.1 現(xiàn)場工藝流程介紹

某鋼廠鋼鐵配料實行“分罐站”-“配料站”-“電弧爐”的工藝流程。其主要流程如下：

1)分罐站

分罐站的作用是將火車運輸過來的大鐵水包在分罐站進行小罐分罐操作，將大鐵水包中的鐵水分入小鐵水包中。其目的為分配符合電弧爐冶煉的實際鐵水重量。目前衡鋼在分罐站的操作通過現(xiàn)場技術(shù)人員的理論經(jīng)驗，不能進行精準分罐，對電弧爐終點出鋼溫度存在影響?，F(xiàn)場工位示意圖如圖1所示。

圖1 分罐站工位示意圖

2)配料站

配料站根據(jù)分罐站分配后的實際鐵水質(zhì)量，計算出廢鋼配比，通過行車進行廢鋼采集并稱重，其目的為分配符合電弧爐冶煉的實際廢鋼質(zhì)量。目前衡鋼配料站實行預(yù)配廢鋼操作，沒有計劃廢鋼質(zhì)量數(shù)據(jù)進行實時指導。導致最終出鋼溫度以及出鋼質(zhì)量的不穩(wěn)定。現(xiàn)場工位示意圖如圖2所示。

圖2 配料站工位示意圖

3)電弧爐

某鋼廠1號電弧爐先將配料站運輸過來的廢鋼加入爐內(nèi)，再將鐵水包中的鐵水倒入爐內(nèi)進行冶煉。現(xiàn)場工位示意圖如圖3所示。

圖3 電弧爐工位示意圖

目前鋼廠現(xiàn)場工藝配料流程操作并未考慮鐵水成分、廢鋼成分及溫度的影響，無法準確量化鐵水中帶來的物理熱、化學熱以及廢鋼熔化過程中所需要吸收的熱量，在一定程度上，將直接決定鋼鐵料配料的合理性。因此需要對入爐內(nèi)的鐵水及廢鋼能量平衡進行分析。

1.2 能量平衡分析

電弧爐煉鋼是一個在高溫條件下進行的物理化學反應(yīng)過程[13-15]，電弧爐煉鋼鋼鐵料優(yōu)化需要從能量平衡以及熱量平衡的角度出發(fā)，在保證出鋼溫度以及出鋼質(zhì)量的情況下，指導鐵水分罐以及廢鋼分配的工作。為了研究電弧爐內(nèi)能量平衡及熱量平衡關(guān)系對鋼鐵配料的影響，本文將從電弧爐熱力學的角度研究爐內(nèi)能量收入及支出的變化情況。通過能量平衡對電弧爐鋼水終點出鋼溫度的變化進行分析。鐵水、廢鋼在電弧爐煉鋼過程中的能量平衡關(guān)系如圖4～圖5所示。

圖4 鐵水能量平衡分析

圖5 廢鋼能量平衡分析

1.2.1 能量收入與能量支出

能量收入包括以下部分：

1)鐵水物理熱

本文設(shè)定室溫t0=25 ℃為基準來計算物理熱，根據(jù)實際冶煉情況取分罐站分罐后鐵水溫度為t1，鐵水物理熱包括顯熱、熔化潛熱。其公式表示為

(1)

2)化學反應(yīng)熱

在電弧爐煉鋼過程中，爐內(nèi)鋼液不斷發(fā)生物理化學反應(yīng)，其中化學反應(yīng)熱主要包括主要元素(C、Si、Mn、P、Fe等)的氧化反應(yīng)放熱，各元素熱化學方程式如下：

2[C]+O2=2COΔH1=-52.40 kJ/mol

(2)

[C]+O2=CO2ΔH2=-94.20 kJ/mol

(3)

[Si]+O2=SiO2ΔH3=-217.5 kJ/mol

(4)

2[Mn]+O2=2MnOΔH4=-183.6 kJ/mol

(5)

2[Fe]+O2=2FeOΔH5=-126.9 kJ/mol

(6)

4[Fe]+3O2=2Fe2O3ΔH6=-193.7 kJ/mol

(7)

能量支出包括以下部分：

1)鋼水物理熱

(8)

2)其他能量支出

在電弧爐冶煉過程中，由于產(chǎn)生了爐渣與爐氣等物質(zhì)將部分熱量帶離爐內(nèi)，因此熱量損失還包括：爐渣物理熱ε1、礦石分解熱ε2、煙塵物理熱ε3、爐氣物理熱ε4、噴濺物理熱ε5以及工序熱損失ε6。

1.2.2 能量平衡分析

(9)

(10)

由鐵水富余總熱量與廢鋼消耗總熱量平衡可得

(11)

式中：mH.M為加入爐內(nèi)鐵水的質(zhì)量，kg;mScrap為加入爐內(nèi)廢鋼的質(zhì)量，kg。

課程教材的內(nèi)容往往比較陳舊，教師要對環(huán)境生態(tài)學的最新科學問題進行實時跟蹤了解，在課堂中體現(xiàn)教學內(nèi)容的與時俱進[7]。筆者在實際授課中，也邀請到國內(nèi)知名學者教授到課堂上進行教學，把當前環(huán)境生態(tài)學最前沿的科學信息傳遞給學生，幫助學生拓展思維認知水平，使學生對相關(guān)知識點有更加深刻的了解。

根據(jù)計劃出鋼量、實際鐵水質(zhì)量、鐵水成分、分罐后鐵水溫度以及廢鋼種類及質(zhì)量。由物料平衡及能量平衡原理計算出電弧爐爐前所需的鐵水以及廢鋼。根據(jù)式(11)，得出鐵水、廢鋼的優(yōu)化配料，根據(jù)實際加入的鐵水、廢鋼情況，計算電弧爐內(nèi)實際富余能量，得出理論出鋼溫度。

(12)

式中：k1為根據(jù)實際鐵水成分轉(zhuǎn)換成鋼液的收得率；ki為不同廢鋼轉(zhuǎn)換成鋼液的金屬收得率；mi為不同廢鋼的質(zhì)量；mSteel為計劃出鋼質(zhì)量。

45 t電弧爐冶煉前期，需要鐵水包配送來自高爐的鐵水。鐵水包分罐前，在運輸過程中其外壁會因為與外部環(huán)境的較大溫差而散發(fā)大量的熱量[16]，從而導致內(nèi)部鐵水溫度下降，對后續(xù)鋼鐵料配料優(yōu)化模型造成出鋼溫度不精確的影響。本文將采用數(shù)值模擬的方法分析運輸過程鐵水包熱量損失QLoss與溫降。

2 鐵水包熱量損失研究

鐵水包在運輸過程中，熱量散失包括兩個途徑，即鐵水包周邊氣流速度較小時，周圍空氣因溫度差產(chǎn)生的密度差而向上運動，形成自然對流換熱，帶走鐵水包表面的熱量，同時也會存在鐵水包與周圍建筑圍護結(jié)構(gòu)之間因高溫輻射傳熱而帶走的熱量，其壁面的換熱過程應(yīng)當滿足下式：

(13)

鐵水包壁面材料為多層耐火耐高溫材料，內(nèi)部鐵水熱量通過爐襯材料的導熱過程，進而在外壁面處散失。外壁面溫度越高，爐襯材料導熱性越好，鐵水散失的熱量越多。并且鐵水包不同區(qū)域因為爐襯侵蝕和爐襯材料、厚度等因素的不同，表現(xiàn)出來的導熱能力不同，因此鐵水包不同區(qū)域溫度也不一樣，換熱能力也不盡相同。

根據(jù)鐵水包的幾何尺寸、溫度參數(shù)和相對組成部分，將鐵水包分為鐵水包側(cè)壁、鐵水包底部和鐵水包上部三個組成部分，按照鐵水包運輸過程中的時間段每隔5 s分別測量了這三個組成部分的表面溫度，如表1所示，選取各部分溫度的平均值，即240、300和900 ℃，代表各區(qū)域的溫度參數(shù)。

表1 鐵水包各組成部分溫度參數(shù) ℃

數(shù)值模擬計算中，每一個計算步驟完成后都會有對應(yīng)的鐵水包周圍氣流組織形態(tài)，取鐵水包中心對稱面作為監(jiān)測內(nèi)部溫度場的平面，模擬計算得到30 s和60 s的結(jié)果云圖如圖6所示。由圖6可知，鐵水包在配送過程中，其上部溫度較高，周圍氣流溫度也較高，帶走較多的熱量。

圖6 鐵水包配送鐵水過程中的散熱溫度場

當維持鐵水包外壁面定壁溫時，單位時間內(nèi)鐵水包向外通過輻射對流綜合換熱的方式損失的熱量為476.9 kW，即維持鐵水包內(nèi)鐵水溫度不發(fā)生改變，單位時間需要額外投入的能量是476.9 kW。然而鐵水包實際配送鐵水過程中，并無額外能量輸入，因此其內(nèi)部鐵水的溫度會降低。

實際情況下鐵水的溫降可用下式進行計算：

QLoss=cIl×mH.M×Δt

(14)

式中：QLoss為鐵水包運輸鐵水過程中損失的熱量，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果取值為476.9 kW/s；mH.M為鐵水包所盛裝鐵水的質(zhì)量，kg；按照衡鋼實際鐵水盛裝量取值為42 000 kg；Δt為鐵水包運輸過程中內(nèi)部鐵水的溫降，℃。因此可以計算得到鐵水在配送過程中的溫降為0.013 6 ℃/s。而鐵水包配送鐵水過程耗時25 min，經(jīng)計算得到鐵水在整個配送過程中的溫降為20.4 ℃。

3 電弧爐煉鋼配料模型

3.1 模型的構(gòu)建

通過以上研究，對影響終點出鋼溫度變化的因素：鐵水質(zhì)量、鐵水成分、廢鋼質(zhì)量、廢鋼成分、過程溫降、計劃出鋼量等進行分析和計算，并結(jié)合鐵水包熱量損失研究。建立了基于全鐵水冶煉的衡鋼45 t電弧爐煉鋼鋼鐵料優(yōu)化模型，模型理論結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，模型構(gòu)建流程如下：

圖7 模型理論結(jié)構(gòu)圖

(1)建立現(xiàn)場PLC與本地服務(wù)器之間的通信方式。

(2)通過SQL數(shù)據(jù)庫將各工位現(xiàn)場冶煉數(shù)據(jù)傳入本地服務(wù)器中。

(3)基于物料平衡與能量平衡原理，運用Visual Studio 2013開發(fā)軟件進行模型開發(fā)與分析計算。

(4)開發(fā)圖形用戶界面(GUI)并顯示在分罐站、配料站及電弧爐工位。

3.2 模型界面及功能

基于全鐵水冶煉的衡鋼45 t電弧爐煉鋼鋼鐵料優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 模型結(jié)構(gòu)示意圖

模型主要功能包括：指導分罐站工位進行大包鐵水分罐操作；指導配料站工位進行精準廢鋼配料操作；計算理論出鋼溫度指導電弧爐前冶煉工序操作。本模型界面包括：分罐站用戶界面、配料站用戶界面、電弧爐用戶界面，如圖9～圖11所示。

圖9 分罐站用戶界面圖

圖10 配料站用戶界面

圖11 電弧爐用戶界面

4 模型預(yù)測結(jié)果與驗證

4.1 模型預(yù)測結(jié)果

利用電弧爐煉鋼鋼鐵料優(yōu)化模型對電弧爐鐵水分罐、廢鋼配料、終點出鋼溫度進行實時預(yù)報，選取模型在2020年8月—10月運行期間350爐次進行鐵水分罐、廢鋼配料優(yōu)化效果統(tǒng)計。結(jié)合現(xiàn)場冶煉情況，確定鐵水實際質(zhì)量與鐵水理論質(zhì)量差值±1 t為分罐站按模型優(yōu)化操作的合理分配鐵水區(qū)間；確定廢鋼實際質(zhì)量與廢鋼理論質(zhì)量差值±1 t為配料站按模型優(yōu)化操作的合理分配廢鋼區(qū)間；選取250爐次進行理論出鋼溫度預(yù)估效果統(tǒng)計。結(jié)合現(xiàn)場冶煉實際出鋼溫度，確定1 620±30 ℃為合理出鋼溫度區(qū)間。分罐站鐵水分罐與實際出鋼溫度的關(guān)系如圖12所示，其中橫坐標代表實際鐵水質(zhì)量與理論鐵水質(zhì)量的差值，縱坐標代表實際出鋼溫度。圖12中折線代表鐵水質(zhì)量差值為±1 t的合理分配區(qū)間；圖12中實線代表實際出鋼溫度為1 620±20 ℃的爐次；圖12中虛線內(nèi)代表實際出鋼溫度為1 620±30 ℃的爐次。配料站廢鋼分配與實際出鋼溫度的關(guān)系如圖13所示，其中橫坐標代表實際廢鋼質(zhì)量與理論廢鋼質(zhì)量的差值，縱坐標代表實際出鋼溫度。圖13中折線代表廢鋼質(zhì)量差值為±1 t的合理分配區(qū)間；圖13中實線內(nèi)代表實際出鋼溫度為1 620±20 ℃的爐次；圖13中虛線內(nèi)代表實際出鋼溫度為1 620±30 ℃的爐次。實際出鋼溫度與模型預(yù)測溫度的關(guān)系如圖14所示，其中橫坐標代表實際出鋼溫度，縱坐標代表預(yù)測出鋼溫度。

圖12 鐵水分罐與實際出鋼溫度關(guān)系圖

圖13 廢鋼配料與實際出鋼溫度關(guān)系

圖14 模型預(yù)測溫度與實際出鋼溫度對比

4.2 驗證分析與討論

對分罐站鐵水分罐與實際出鋼溫度的數(shù)據(jù)進行分析驗證，鐵水優(yōu)化配料效果分析如圖15所示。當分罐站按模型優(yōu)化分配鐵水時，實際出鋼溫度在1 620±30 ℃的爐數(shù)為162爐，占總爐數(shù)(180爐)的90.1%；當分罐站未按模型優(yōu)化分配鐵水時，實際出鋼溫度在1620±30 ℃的爐數(shù)為124爐，占總爐數(shù)(170爐)的73.2%；總爐數(shù)實際出鋼溫度在1 620±30 ℃的爐數(shù)為290爐，占總爐數(shù)(350爐)的82.9%。按模型優(yōu)化分配鐵水時，合理出鋼溫度提高了7.2%。

圖15 鐵水優(yōu)化配料效果分析

對廢鋼配料與實際出鋼溫度的數(shù)據(jù)進行分析驗證，溫度分布如圖16所示。當配料站按模型優(yōu)化分配廢鋼時，實際出鋼溫度在1 620±30 ℃的爐數(shù)為215爐，占總爐數(shù)(234爐)的92.3%。當配料站未按模型優(yōu)化分配廢鋼時，實際出鋼溫度在1 620±30 ℃的爐數(shù)為46爐，占總爐數(shù)(116爐)的40%。總爐數(shù)實際出鋼溫度在1 620±30 ℃的爐數(shù)為262爐，占總爐數(shù)(350爐)的75.1%。按模型合理分配廢鋼時，合理出鋼溫度提高了15.1%。

圖16 廢鋼優(yōu)化配料效果分析

對模型預(yù)測出鋼溫度與實際出鋼溫度數(shù)據(jù)進行分析驗證，將模型預(yù)測出鋼溫度與實際出鋼溫度差值作為橫坐標，爐次作為縱坐標，驗證模型溫度預(yù)測比例,如圖17所示。在統(tǒng)計的250爐中，模型預(yù)測出鋼溫度與實際出鋼溫度差值在±10 ℃，爐數(shù)為103爐，命中率為41.2%；溫度差值在±20 ℃，爐數(shù)為185爐，命中率為74%；溫度差值在±30 ℃，爐數(shù)為227爐，命中率為90.8%；根據(jù)衡鋼冶煉情況，1 590～1 650 ℃均能滿足冶煉順行的要求，模型命中率為90.8%，模型起到預(yù)測出鋼溫度的作用。

圖17 模型預(yù)測出鋼溫度效果分析

為了進一步提高模型的精確度，可以從以下方面進行研究：充分考慮現(xiàn)場實際生產(chǎn)條件，利用數(shù)值模擬進一步精確入爐鐵水溫度；加強廢鋼分類與管理，降低廢鋼中的組分波動的影響；利用算法模型對終點出鋼溫度進行大數(shù)據(jù)訓練，使模型預(yù)報更加精確與智能。

5 結(jié) 論

本文針對某鋼廠1號45 t電弧爐全鐵水冶煉條件下出鋼溫度難以控制的問題，依據(jù)煉鋼物料與能量平衡原理，采用SQL數(shù)據(jù)庫軟件以及Visual Studio 2013開發(fā)工具，建立了基于能量平衡分析的電弧爐煉鋼鋼鐵料優(yōu)化模型，具體結(jié)論如下：

(1)從能量平衡及物料平衡角度分析，實現(xiàn)電弧爐冶煉過程中能量收入及能量支出的理論計算，基于此建立電弧爐煉鋼鋼鐵料優(yōu)化模型。

(2)對鐵水包運輸過程中熱量損失以及溫度降低進行了數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果處理分析，得出鐵水包向外通過輻射對流綜合換熱的方式損失的熱量為476.9 kW/s與鐵水包溫降0.013 6 ℃/s，為模型能量平衡計算提供了準確數(shù)值。

(3)根據(jù)以上能量與物料平衡、鐵水包運輸熱損失研究，采用SQL數(shù)據(jù)庫與Visual Studio 2013軟件進行數(shù)據(jù)保存與軟件開發(fā)。模型功能包括：指導分罐站工位進行大包鐵水分罐操作；指導配料站工位進行精準廢鋼配料操作；計算理論出鋼溫度指導電弧爐前冶煉工序操作。

(4)按模型優(yōu)化分配鐵水的電弧爐出鋼溫度命中率為90.1%，命中率提高了7.2%；按模型優(yōu)化分配廢鋼的電弧爐出鋼溫度命中率為92.3%，命中率提高了15.1%；模型預(yù)測出鋼溫度與實際出鋼溫度差值±30 ℃內(nèi)的命中率為90.8%。根據(jù)衡鋼冶煉情況，1 590～1 650 ℃均能滿足冶煉順行的要求，模型起到優(yōu)化鋼鐵料配料，穩(wěn)定出鋼溫度的作用。