摘要:介绍了国内外转炉炼钢中用于过程动态控制的副枪和炉气分析系统技术,并对国内大、中型转炉终点采用动态控制技术提出了建议。
关键词:转炉；炼钢；动态控制
1 转炉吹炼控制技术的发展及现状
自1952年世界上第一座氧气转炉在奥地利Doawitz厂投产以来,由于其生产效率高、产品质量好,得到迅速发展。从20世纪50年代到70年代主要是完善技术和实现大型化,70年代从静态控制向动态控制发展,80年代以来,随着计算机技术的全面推广以及各种检测手段的迅速发展,国外先进钢铁厂逐步研究采用计算机对转炉吹炼进行控制,日本在80年代后开始采用全自动控制技术。国内除宝钢、武钢、首钢等少数转炉采用动态控制外,大多数转炉的装备、控制水平还较低,处于经验控制向自动控制的过渡。
转炉吹炼控制技术的发展可分为三个阶段:静态控制、动态控制和转炉全自动吹炼控制。
1.1 静态控制技术
静态控制指转炉吹炼前,根据初始条件和终点要求对转炉吹炼过程进行模型计算制定出吹炼方案(提供供氧时间和各种辅原料加入量),以达到基要命中目标值,它可以对转炉吹炼过程的熔池温度和成分变化进行预报。
静态模型是转炉实现动态控制和全自动控制的基础,转炉要进行动态控制或全自动控制,必须首先建立静态模型。但是,由于静态模型不能根据吹炼情况采集炉内金属液成分和温度变化等炉内信息来调整吹炼参数,因此命中率较低。
1.2 动态控制技术
转炉所采用的动态控制技术主要有副枪动态控制和炉气分析动态控制以及副枪+炉气分析动态控制。
1.2.1 副枪动态控制技术
副枪动态控制技术是在吹炼接近终点时(终点前2～3min),向熔池内插入副枪,检测熔池温度T和碳含量[C]及钢水氧活度,并取出金属样。根据检测数据,修正静态模型的计算结果,计算命中终点所需的供氧量(或供氧时间)和冷却剂加入量,调整后2～3min的吹炼参数。副枪安装的组合探头不同,具备的检测功能也不同,终点命中率也不同。
1)宝钢炼钢厂。宝钢一炼钢、二炼钢转炉均采用计算机动态炼钢技术,主要依靠所装备的副枪检测吹炼过程中钢液的信息,通过动态控制模型对吹炼终点进行控制。
宝钢的转炉动态代数模型是根据副枪快速测定的结晶碳及钢水温度,分别利用指数函数及线性函数来推定吹炼停止时的钢水碳含量和温度,它还具有动态学习功能,即利用吹炼停止时的钢水碳含量和温度信息对动态模型参数进行校正,以提高下一炉的精度。据了解,终点一次命中率为80%-85%(控制精度:[C]士0.015%、T士13℃),补吹率在10%以下。
2)武钢三炼钢。武钢三炼钢是20世纪90年代新建的现代化炼钢厂,转炉静态模型包括四相模型:即中间目标温度计算模型、原料计算模型、熔剂计算模型和静态计算模型。这四个模型决定每炉钢吹炼前的设定值。转炉冶炼在副枪第一次测量(占总氧耗量的85%左右)后进入动态控制,计算出达到目标温度和目标碳所需的吹氧量及冷却剂量,以后每吹氧3s,启动一次动态计算,预测熔池内的碳含量和温度,当温度和碳含量都进入目标范围时,发出提枪停吹指令。
从1997年下半年开始,通过对转炉静态模型参数和动态模型参数的优化调整,转炉终点命中率(控制精度:[C]士0.01%,T士12℃)由开始的42.6%提高到2001年的平均93.1% ,其中2001年11月最高达到96.96%。补吹率一般在5%以下达到了国际先进水平。
3)济钢三炼钢。济钢2000年新建投产的120t复吹转炉采用了副枪和两级自动化控制系统，副枪技术由达涅利公司提供,实现炼钢过程的动态控制。所达到的转炉一次命中率见表1。
表1 济钢三炼钢120t转炉终点命中率
|
[C]/% |
控制精度 |
[C]、T同时命中率/% |
|
0.02-0.06 |
[C]±0.015%,T±12℃ |
88 |
|
0.06-0.15 |
[C]±0.02%,T±12℃ |
84 |
|
0.15-0.24 |
[C]±0.03%,T±12℃ |
78 |
采用副枪测量实现了转炉吹炼的动态控制,其优点在于:1)能完全消除转炉初始条件波动的影响和系统误差;2)基本消除吹炼过程中产生的随机误差;3)对终点进行近程预报,大幅度提高终点命中率。但转炉副枪工艺只能提供吹炼过程中瞬时的碳含量和温度,并不能提供连续的信息，严格来说，副枪仍然是一种静态控制手段,只不过距终点时间很短,实质上转炉生产的大部分时间仍是在静态模型的指导下进行的。另外,副枪所采用的结晶定碳技术对低碳钢的测量精度较高,而对高碳钢的测量误差却较大。
1.2.2 炉气分析动态控制技术
炉气分析动态控制技术是通过连续检测炉口逸出的炉气成分数据,推算熔池瞬时脱碳速度和Si,Mn, Fe, P的瞬时氧化量,并对熔池物料平衡和能量平衡进行计算,求出熔池瞬时的升温速度。它可依据前一时刻的检测值,预报下一时刻的成分和温度变化,同时,比较每一时刻的计算值与检测值的误差,不断对结果进行校正，从而提高控制精度和命中率(如图2-1、2-2所示)。
目前国外如欧洲、日本、韩国等有基于炉气分析动态控制的应用实例较多,国内应用较少。据了解,在国内的大型转炉中,目前只有本钢、马钢一炼钢己装备了炉气分析技术,攀钢新建转炉也将引进副枪+炉气分析动态控制技术。
1)奥钢联(VAI)炉气分析动态控制技术。奥钢联的转炉炉气分析动态控制系统由两部分组成:①负责转炉炉气采集、处理和分析的低维护量的LOMAS系统;②转炉二级动态控制模型DYNACON。可以分析温度高达1800℃、烟尘含量高达100mg/m3的气体成分。LOMAS系统由两个气体采集探头、现场处理柜、气体处理柜、控制柜和分析柜组成。
目前国内外钢厂使用的炉气分析技术多数是VAI提供的DYNACON动态控制模型和LOMAS系统。DYNACON的动态分析计算主要包括:①一次加料计算;②二次加料计算;③转炉液面计算;④过程动态控制计算(核心部分);⑤补吹校正计算;⑥合金加料计算;⑦反馈计算。
在普通生产条件下，使用炉气分析动态控制技术，碳的命中率可达到80%。如果能使供氧、底吹搅拌、吹炼方式、加料方式等进一步优化，可使命中率达到95%。同时可提高产品质量，降低生产成本。
2)中国马钢。马钢引进奥钢联的转炉炉气分析动态控制系统己成功应用于一炼钢1座95t , 2座120t的顶底复吹转炉上,是国内第一家引进该项技术的中、小型转炉企业。该系统的硬件和软件均从奥钢联引进(包括设计、安装)，2004年3月开始投入运行。
马钢一炼钢的CSP和圆坯连铸均配有LF炉,具有较强的温度调节功能,因而对转炉终点的钢水温度要求不严(高于1570℃即可),再加上转炉冶炼的所有钢种均为低碳出钢,所以在炉气分析系统投入应用后,转炉冶炼CSP所浇钢种及圆坯连铸所浇钢种时,基本可做到不倒炉直接出钢,直接出钢率在80%以上,从而使转炉的冶炼周期由原来的40min缩短至目前的32 min。
马钢的炉气分析系统应用较成功,所获得的主要冶金效果:①缩短冶炼时间8min,使影响全连铸节奏的限制性环节得到了解决;②缩短了高氧化性钢水在转炉内的停留时间,减少了炉衬的侵蚀,降低了耐材消耗;③深吹比例减少,钢水、钢渣的氧化性降低,脱氧剂及合金的用量减少。
炉气分析动态控制技术的优点是:1)通过不断地动态校正,可实现连续预报,提高控制精度;2)除预报熔池温度和碳含量外,还可预报熔池的磷含量和炉渣成分的变化;3)适用于各种转炉,不受炉口尺寸的限制,且成本低于副枪。
炉气分析动态控制技术的不足之处是:1)炉气分析只适用于低碳钢吹炼终点控制。对于普通钢种,采用炉气分析动态控制可以取代或部分取代副枪测试,降低生产成本,但对于特殊钢种或新开发的钢种,为了得到直接和精确的测量结果,通常应该采用副枪;2)炉气分析是通过连续检测转炉的炉气成分来推算冶炼终点,属于间接测量法,其测量精度受诸多因素的影响。比如:炉气分析设备的分析精度、对炉气流量的校正计算准确性、炉气分析系统的响应时间、模型本身的精度等对控制效果影响较大;3)采用质谱仪在控制吹炼温度方面尚没有取得大的突破。
1.3 副枪+炉气分析全自动吹炼控制技术
炉气分析与副枪是检测转炉吹炼信息的两种手段,以达到优势互补,目前日本和德国的做法是在大型转炉上同时采用副枪和质谱仪检测,计算机采集数据在线计算,将结果指令连续下达给控制系统,实现完全自动控制,吹炼结束直接出钢。
1)日本住友金属。住友公司鹿岛厂基于副枪检测+炉气成分分析,开发出具有参数自整定功能的终点控制系统。该系统包括动态控制模型和反馈计算模型,其中反馈模型基于副枪检测结果分析动态模型的误差趋势,并根据相应的规划确定反馈量,从而达到调整动态模型误差的目的。另外,为了避免不正常操作的影响,相应开发出一个专家系统,根据经验调整静态模型。
2)日本神户制钢。日本神户钢铁公司加古川钢厂采用全自动吹炼控制240t LD/OTB转炉,取得很好效果。其控制技术的主要特点是:①根据初②判始条件和终点目标,用静态模型制定吹炼方案;采用氧枪加速度仪测量吹炼过程中的炉渣液位断化渣情况,动态调整枪位和氧流量,控制吹氧和造渣过程,避免喷溅;③连续检测吹炼过程中的炉气成分,全程在线预报熔池C, Si, Mn, P, S含量和熔池温度;④近吹炼终点时,用副枪测温,进行动态校正,确定吹炼终点。
采用全自动吹炼技术后,能得到理想的控制效果:①减少喷溅,冶炼高碳钢喷溅率从40%下降到8% ;②减少补吹次数,冶炼高碳钢补吹率从1.4次/炉下降到1.1次/炉；③冶炼高碳钢缩短冶炼时间10min,提高终点控制精度(见表2)。
表2 终点控制精度比较
|
成分/% |
副枪控制 |
全自动控制 |
|
P |
0.00249 |
0.00145 |
|
S |
0.00102 |
0.00093 |
|
Mn |
0.0165 |
0.0093 |
2 建议
近年来国内炼钢厂在引进或改造转炉时，都在考虑采用动态控制技术，副枪动态控制属成熟技术，国内外用户多，其使用效果稳定。相比较而言，炉气分析技术在国外，特别是欧洲和日本应用很广泛，但在国内应用并不多。具体采用何种技术，应根据转炉大小、所炼钢种要求、冶炼方法等诸多因素综合考虑:
1)保证稳定的顶底复吹。动态控制模型，特别是炉气分析动态控制模型要求转炉必须具备良好的底吹条件，模型才能进行准确计算，才能实现系统的动态控制。如果底吹不正常，整个动态模型误差较大，变成了静态控制模型。因此在使用动态控制模型进行自动化炼钢之前，必须保证转炉能全程顶底复吹。
2)选择合适的炉气取样点。要利用好炉气分析仪，炉气分析系统的响应时间非常重要。由于整个系统的响应时间受炉气清洗系统的布置位置的限制，因此选择好合适的气体取样点对最终效果关系很大。
3)稳定原材料并完善原料的计量检测手段。必须使原材料及操作工艺实现标准化，如铁水、半钢的成分、温度、废钢成分、尺寸、石灰、矿石等要有具体标准，并且要稳定。同时必须为转炉配齐必要的控制装置和计量检测器具及仪表，并要保证其灵敏度与精度，完善计量检测手段。
4)统一副枪和炉气分析动态控制模型。迄今为止，国外己有不少钢厂采用副枪+炉气分析技术，但国内还无先例。采用该复合技术除要求两套系统能独立稳定运行外，统一考虑副枪和炉气分析模型也是保证转炉终点控制效果的重要因素。
3 结语
氧气转炉炼钢技术问世50多年来，装备水平和控制技术己经成为当今转炉炼钢厂技术进步的重要标志，副枪和炉气分析是当今国内外众多先进转炉钢厂为提高转炉终点控制水平所采用的最有效的技术之一。通过引进、消化、一次开发转炉终点控制技术，将不断提升我国的转炉冶炼工艺整体水平，使我国转炉炼钢终点控制水平达到一个新的高度。
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