爐氣分析在國外轉(zhuǎn)爐動態(tài)控制中的應(yīng)用

爐氣分析在國外轉(zhuǎn)爐動態(tài)控制中的應(yīng)用

近年來，人們對鋼的要求不斷提高，轉(zhuǎn)爐精煉也是一個非常復(fù)雜的過程。通過手動體驗控制和傳統(tǒng)的靜態(tài)模型，很難實現(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等技術(shù),成功地實行了轉(zhuǎn)爐的全程動態(tài)控制自動化煉鋼。其中尤以爐氣分析動態(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)中實現(xiàn)全程動態(tài)控制,并對生產(chǎn)中的噴濺進行預(yù)報。這一切都促進了爐氣分析在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中的應(yīng)用。1基于質(zhì)譜儀的爐氣分析動態(tài)控制技術(shù)早在20世紀(jì)60年代,國外已在轉(zhuǎn)爐爐氣動態(tài)控制上進行了大量的研究,利用轉(zhuǎn)爐冶煉過程中檢測到的爐氣成分、溫度和流量等信息,對轉(zhuǎn)爐進行動態(tài)控制。由于當(dāng)時使用的爐氣分析設(shè)備(紅外分析儀)延時時間過長,分析精度不高,而且冶煉水平有限,終點控制精度難以提高;再加上副槍技術(shù)的發(fā)展,使?fàn)t氣分析動態(tài)控制在隨后一段時間里發(fā)展緩慢。進入20世紀(jì)90年代,基于爐氣分析的轉(zhuǎn)爐動態(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)不斷進步,控制精度不斷提高;②轉(zhuǎn)爐副槍工藝只能提供吹煉過程中瞬時的碳含量和溫度,并不能提供連續(xù)的信息,嚴(yán)格來說,副槍仍然是一種靜態(tài)控制手段,只不過距終點的時間很短,實質(zhì)上轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的大部分時間仍是在靜態(tài)模型的指導(dǎo)下進行的。而質(zhì)譜儀獲得的爐氣信息是爐內(nèi)狀態(tài)的間接信息,它雖然沒有直接信息的可靠性高,但給出的是煉鋼過程的閉環(huán)連續(xù)信息,而全程動態(tài)控制需要的正是這種信息。迄今為止,國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態(tài)模型控制轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),碳溫命中率均超過90%;歐美、日本、韓國和我國臺灣地區(qū)的鋼鐵廠都有基于質(zhì)譜儀的爐氣分析動態(tài)模型的應(yīng)用實例,比較典型的有:韓國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95%,預(yù)測噴濺的成功率為81%;日本新日鐵公司的170t轉(zhuǎn)爐使用美國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,可在以下幾個方面對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型進行改進:①在靜態(tài)模型的熱平衡計算中,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量數(shù)據(jù),因而可獲得一個較符合實際的數(shù)值;②在靜態(tài)模型的物料平衡計算中,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與實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,通過對渣中的氧累積量進行動態(tài)計算,可對該值進行更精確的設(shè)定;④在靜態(tài)模型中,爐氣量和爐氣溫度都取經(jīng)驗值,引入爐氣分析后,這些值可直接獲得?？傊?轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)應(yīng)用爐氣分析后,通過上述改進措施,能提高傳統(tǒng)靜態(tài)模型的準(zhǔn)確度,為爐氣分析動態(tài)模型打下良好的基礎(chǔ)。3應(yīng)用3.1最終碳報告3.1.1碳積分模型結(jié)束(1)煙氣流量檢測根據(jù)質(zhì)譜儀測定的煙氣中CO和CO2的含量及煙氣流量,利用反應(yīng)過程中的碳平衡,可計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,可以計算出吹煉過程中熔池碳含量: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)模型延遲時間由于轉(zhuǎn)爐爐氣的傳輸及爐氣成分分析需要一定的時間,所以用于動態(tài)控制的爐氣信息有一定的滯后性,在動態(tài)控制模型中必須對延遲時間進行標(biāo)定,以保證模型計算結(jié)果的實時性。延遲時間是指爐氣從爐口傳輸?shù)饺狱c的時間t1,質(zhì)譜儀的分析時間t2,以及傳輸?shù)侥Ｐ椭钡接嬎愠鼋Y(jié)果所用時間t3之和。通常t3可忽略,t2由質(zhì)譜儀參數(shù)確定,一般該分析時間不到3s;而t1的設(shè)定需要根據(jù)爐氣采樣點的位置進行試驗,一般情況下延遲時間在20s。(4)初始誤差的矯正碳積分模型在預(yù)報終點鋼水碳含量時使用了熔池初始碳含量參數(shù)。國內(nèi)外大量的文獻資料表明,直接對碳含量進行積分運算,雖然每次的計算誤差不大,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,并在模型中進行誤差分析;另一種方法是在轉(zhuǎn)爐冶煉后期采用終點碳指數(shù)方程。但是,因為國內(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,再加上稱量的誤差,使熔池中初始碳含量的計算出現(xiàn)很大誤差(有時可達±0.50%),而轉(zhuǎn)爐終點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^程劃分為3個階段(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)計算得出的脫碳曲線或脫碳氧效率曲線,對照脫碳特征曲線的變化,在不同時期采用各種數(shù)值算法對熔池成分進行矯正,可消除初始條件帶來的部分誤差。3.1.2指數(shù)衰減關(guān)系考慮到從吹煉初期到終點全程采用碳積分模型會產(chǎn)生較大的累積誤差,在轉(zhuǎn)爐冶煉后期使用終點碳指數(shù)模型(類似副槍動態(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算方程,與實際冶煉情況還有些差異。3.2噴灑預(yù)測3.2.1氮氣量和空氣氧累積量的測定利用爐氣分析進行噴濺預(yù)報,其基本原理是通過精確計算轉(zhuǎn)爐中的氧累積量來預(yù)報渣中的氧勢,從而對噴濺進行預(yù)報。質(zhì)譜儀直接測得的氮氣量可用來精確計算轉(zhuǎn)爐爐口吸入的空氣量,進而精確計算轉(zhuǎn)爐爐氣中的氧氣量。根據(jù)物質(zhì)守恒原理可計算轉(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)不僅可用來預(yù)報噴濺,還可對終點磷含量和錳含量等進行預(yù)報。3.2.2氧累積量的計算轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的氧累積量(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。計算轉(zhuǎn)爐中氧累積量時需將dOs/dt的積分減去硅、磷氧化后以SiO2,P2O5形式進入渣所消耗的氧量。之所以要減去SiO2,P2O5的耗氧量,是因為以SiO2形式存在的氧不作為渣的氧勢參與碳氧反應(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結(jié)果可知,根據(jù)爐氣成分并用以上方程計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是其試驗結(jié)果。可見預(yù)報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是相對應(yīng)的。(2)氧累積量操作曲線的確定由新日鐵的試驗結(jié)果可知,以成功吹煉爐次的歷史數(shù)據(jù)作為參考,確定一個最佳的氧累積量操作曲線,完全可以模擬吹煉反應(yīng)過程并用來控制生產(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預(yù)報噴濺的發(fā)生。要對噴濺進行控制,可采用提高槍位或降低氧流量的方法,減小熔池攪拌強度、增加氧累積量;反之則減少氧累積量。另據(jù)有關(guān)文獻報道,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)用爐氣分析進行噴濺預(yù)報時,除了常用的計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噴濺進行預(yù)報根據(jù)日本福山第二煉鋼廠的生產(chǎn)實踐和模型應(yīng)用實踐來看,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,富集的氣體被排出爐外。鑒于此,可對吹煉中的脫碳氧效率進行監(jiān)視,當(dāng)脫碳氧效率降低到規(guī)定值以下時便采取防范措施。這種方法的預(yù)報準(zhǔn)確率可達81%。該廠規(guī)定:當(dāng)dω(C)/dω(O2)>0.8kg/m3時,發(fā)出噴濺預(yù)報。②有文獻報道,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)用爐氣分析進行轉(zhuǎn)爐終點控制能提高終點命中率,特別是碳的終點命中率。如韓國PoscoKwangyang廠采用爐氣分析控制轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),碳溫命中率超過95%。又如日本福山第二煉鋼廠,冶煉鋼種很多,同時實施了大約1/4的脫磷鐵水無渣吹煉工藝,轉(zhuǎn)爐吹煉形式也很多。在引進爐氣分析控制后,終點命中率得到了明顯的提高,無倒?fàn)t出鋼比達100%;并且無倒?fàn)t出鋼中大約1/5不進行終點取樣而快速出鋼。瑞典SSABTumnplatAB廠轉(zhuǎn)爐車間采用的MEFCON系統(tǒng)也是一個基于質(zhì)譜儀爐氣分析的動態(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,采用副槍測溫定碳,需要消耗大量的副槍及副槍探頭,累積消耗費用和維護費用很高。而采用爐氣分析測溫定碳,不用消耗原材料,維護也很方便。在采用爐氣分析+副槍的動態(tài)控制中,爐氣分析系統(tǒng)與副槍系統(tǒng)配合使用,可減少副槍點測的次數(shù),降低副槍頭的消耗。待有了一定的生產(chǎn)經(jīng)驗后,在生產(chǎn)情況正常、冶煉一般鋼種時,可依據(jù)歷史數(shù)據(jù)和自學(xué)習(xí)經(jīng)驗,做到完全取消副槍點測,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)譜儀測得的爐氣成分?jǐn)?shù)據(jù),不僅可用來控制轉(zhuǎn)爐生產(chǎn),還可用來提高轉(zhuǎn)爐煤氣的回收率。這是因為:①質(zhì)譜儀的采樣點位于轉(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,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)爐車間的實踐也證實: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間總共延長了2min;②利用質(zhì)譜儀測得的爐氣成分,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,降低加料制度用動態(tài)模型對噴濺進行預(yù)報和控制,可有效地提高金屬的收得率;此外,通過計算渣成分并對吹氧制度和加料制度進行調(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)報模型可精確計算轉(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