摘要：采用激光气体分析法开发出了新型转炉动态控制系统。与质谱法相比该系统具有投资少、故障低、性能稳定、系统延迟时间短等优点。根据冶金动力学理沦，建立了转炉动态控制模型。本控制系统在40 t复吹转炉的大生产应用中终点碳预报精度在±0．02%的条件下命中率达到80．9%。

关键词：激光；气体分析；转炉；动态控制

    国内外转炉炉气(烟气)分析实现转炉动态控制的技术中大多采用质谱仪气体检测装置。例如奥钢联在EKO钢厂和我国马钢开发应用的转炉控制系统、达涅利公司在我国本钢建设的转炉炉气动态控制系统、新日铁公司和住友金属公司应用的转炉动态控制系统等都采用质谱仪作为炉气(烟气)成分检测装置，通过对转炉烟气(炉气)的成分分析，获得炉内反应信息，从而实现对转炉过程与终点的控制。质谱仪具有分析精度比较高、自身分析速度比较快、分析的成分比较多等优点。但是，该类装置一般造价比较高，烟气(炉气)的样气需要通过取样装置和净化装置后获得，从而系统延迟时间比较长(大多在15 s以上)，取样探头需要更换，总体设备比较复杂，故障率比较高，检修和维护量比较大。为了降低转炉炉气分析控制系统投资成本、提高系统的稳定性和可靠性、减少系统的维护量，作者开发出了一种基于激光气体分析技术的转炉新型动态控制系统，并于2005年10月开始在40 t复吹转炉上进行设计、设备制造、安装、基础系统改造、模型软件系统开发等工作，2006年8月通过调试、试应用后，正式投入应用。生产应用结果表明，该系统对转炉冶炼过程特别是终点的碳含量的预报具有良好的效果，有利于转炉生产过程的动态控制和终点控制，为今后实现自动化炼钢打下了基础。

1  转炉激光炉气分析动态控制系统

    本技术采用激光气体在线分析仪进行炉气分析、结合现场辅助检测手段、运用现代建模等技术，建立了转炉炉气分析终点控制模型，配套相关软件，从而实现计算机对转炉冶炼过程无副枪的动态控制与终点预报，以提高转炉操作水平和终点控制精度。本系统是钢铁研究总院与济钢合作，将激光在线气体分析技术用于转炉动态控制系统的开发和生产控制指导。与质谱仪技术相比，它具有投资少、性能稳定、故障率低、响应时间快等优点。

1．1  转炉炉气成分激光分析原理与装置

激光现场在线气体分析系统主要由发射单元、接收单元和中央分析仪器等构成，发射单元和接收单元直接安装在被测管道上。发射单元发射特定频率的激光，直接穿过过程气体管道(烟道)，被接收单元中的传感器接收，激光束能量通过被测气体分子时被吸收，从而接收单元探测到的光强度将发生衰减，光强度的衰减与发射器和接收器之间的被测气体含量成函数关系，接收单元将检测信号传送到中央分析仪器，中央分析仪器完成对过程气体的检测

分析和输出控制。本激光分析仪将CO、CO₂激光检测元件组合在一起，进行2种成分同时检测。其设备组成如图1所示。

1．2  转炉激光炉气分析动态控制系统结构

    该转炉动态控制系统的激光气体分析检测装置可直接安装在转炉的一文前烟道余热锅炉段、一文与二文之间或二文之后的烟道上。在济钢40 t转炉上，考虑现场环境情况，先将激光发射与接收单元安装于二文后的附近烟道上。本系统的装备与数据通讯网络结构如图2所示。

1．3  系统信息延迟时间测定

    从烟气在钢液面产生，经过炉内净空、炉帽烟道、余热锅炉、一文二文除尘、检测点、气体分析、数据传输进入计算机的总体时间为系统信息延迟时间。系统信息延迟时间反映了计算机获得炉内实际时刻信息所延误时间长短。测试方法为：从降枪开吹氧气点火起计时到炉前转炉动态控制模型计算机屏幕开始出现CO、CO₂值变化止测量其时间。通过大量测定表明，本方法的系统信息延迟时间在8～10 s。作者在60 t转炉上采用质谱仪方法，在一文前在线取样分析测定获得的系统信息延迟时间在15～22 s范围内。由此表明，激光法即使安装在二文后附近，其系统信息延迟时间要比质谱法缩短很多。

2  激光炉气分析转炉控制模型

2．1冷却水对CO₂吸收的影响

    将激光气体检测单元安装在二文后的烟道上，所测定的烟气经过一文、二文喷淋除尘，因此在烟道除尘器内会发生下列反应：

    CO₂+H₂ O=H₂CO₃    (1)

反应平衡常数

    K_H2CO3=a_H2CO3／P_CO2    (2)

    根据表1可看出，在一文二文除尘的温度范围内(60～80℃)会有一定的CO₂溶解到水中。对于40 t转炉一文与二文喷水冷却除尘的水流量为145 t／h，根据在60 t转炉一文前安装的质谱仪分析结果可知，吹炼中一般烟气中CO₂的体积分数为10％～30％，平均在20％以下，转炉一次倒炉吹氧时间为13 min。由此可计算出一炉钢水在吹炼中CO₂最大被水吸收量为2．5 m³。由于在一文二文除尘器中烟气压力小于大气压，同时烟气经过一文二文的时间在3 s左右(烟气流速一般在15～22m／s)，所以由于热力学和动力学原因，实际CO₂被水吸收量还要小于上数值。

对于40 t转炉，铁水[C]的质量分数为4．1％，铁水质量35．5 t，生铁[C]的质量分数为4．1％，生铁质量为5．5 t，废钢[C]的质量分数约为0．18 %，废钢质量2．25 t，熔池平均[C]的质量分数为3．896％。一炉钢水反应掉1 643．5 kg碳，折换成氧化碳(CO、CO₂)，产生的CO、CO₂量为3 067 m³左右，CO₂量按20％体积分数计算有613．4 m³，按10％计算有306．7 m³。由此可看出，CO₂在一文二文中被水吸收的量相对于产生的总量来说，基本可以忽略。

2．2控制模型建立

    在转炉内脱碳反应，吹氧首先产生CO：

    O₂+2[C]→2CO    (3)

    富余氧在炉内与CO反应二次燃烧生成CO₂：

    O₂+2CO→2CO₂    (4)

    在烟道内，在除尘风机的抽气作用下，炉内产生的炉气被抽人烟道中，同时从炉口与炉帽之间的空隙空气也被抽人烟道中与炉气混合发生烟道内的二次燃烧反应：

    O₂+2CO→2CO₂    (5)

    这样由于炉内烟道中的反应、底吹气体搅拌、空气卷入、烟道漏水、喷淋冷却除尘，在转炉烟道中存在的气体组成为：CO、CO₂、N₂、O₂、H₂、H₂O、Ar等。

    根据大量试验研究表明，在转炉吹炼时，炉内熔池[C]含量的变化规律为：

    前期为硅锰反应期，脱碳速度与时间呈线性关系：

    dω([C])／dt=k₁t；    (6)

    中期脱碳速度由供氧速度决定：

    dω([C])／dt=k₂；    (7)

    后期脱碳速度由钢水中碳传质速度决定：

    dω([C])／dt=k₃ω[C]   (8)

2．2．1转炉吹炼过程中[C]含量计算

    根据炉气(烟气)分析数据结合烟气流量数据，可计算炉内反应掉的碳量为：

式中，N_C为钢水中碳的量，mol；φ(CO)为烟气中CO体积分数，％；φ(CO₂)为烟气中CO₂的体积分数，％；Q_gas为烟气流量，m³／h。

式中，ω([C])为钢水中碳质量分数，％；W_st为钢水量，t。

    钢水初始[C]含量为：

钢水中[C]的变化为：

    废钢来源比较复杂，一般其中的[C]含量不可知。铁水与生铁是高碳，由于取样代表性问题、分析的误差问题等，其分析结果的精度均不太高。由于这些原因，在工业生产过程中动态[C]含量的计算结果仅作参考。但采用炉气分析数据能很好地计算出炉内脱碳速度情况，同时较好地反映了炉内反应进程和阶段，因而为转炉生产提供了在线控制依据。

2．2．2转炉吹炼后期熔池[C]含量计算

    由图3可知，在炉内[C]降到一定程度后，脱[C]反应速度会出现下降的拐点，此时钢水中[C]传质与供氧强度同为脱碳反应的限制环节。为此在供氧强度一定的条件下，钢水脱碳速度主要与钢水中的[C]传递速度有关。

    根据以钢水中[C]传质为限制环节的特点，由脱碳反应动力学可得：

式中，ω([C]e)为反应界面平衡碳浓度，％；KA为速度常数，s^－1。

由式(10)和式(13)可得：

 图3是在转炉吹炼到后期，即第三阶段倒炉取样分析获得的在转炉操作(顶吹供氧、氧枪枪位、底吹搅拌、装入量)比较一致的条件下钢水[C]含量与用激光气体分析仪获得的烟气中φ(CO+CO₂)关系图。可看出，ω([C])与φ(CO+CO₂)呈现比较好的线性关系。根据转炉提枪拉碳时实际钢水量、烟气流量、烟气成分、倒炉碳含量即可获得相关的吹炼第三阶段脱碳反应表观常数KA值。

    KA值反映炉内碳含量传质能力的大小。它与熔池搅拌强度、反应界面积、钢水温度等有关。在实际生产过程中，KA值大小体现在顶吹氧气流量、顶吹枪枪位、底吹搅拌气体流量等具体操作参数上。因此转炉吹炼后期KA与熔池搅拌能ε、顶吹氧气流量Q_O2与枪位参数h有关：

    KA=f(ε，Q_O2，h)    (15)

    在济钢40 t转炉冶炼操作中，吹炼终点氧枪枪位基本均控制在800 mm左右，顶吹氧气流量控制在11 000 m³／h左右，底吹气体每炉均采用流量不调节，全程一种模式的操作方法。然而底吹搅拌能力随底吹透气性能变化而变化，而底吹透气性能受炉底状况影响。为此，在生产过程中，需对KA值进行修正，尽可能消除生产过程变化的影响因素。

修正式为：

    KA_i+1=KA_i+a△KA    (16)

式中，以为比例调节系数；△KA为近期速度常数变化量的平均值。

3  激光炉气分析转炉动态控制系统应用效果

  本项目于2006年1月在现场安装，到8月开始正式投入使用后，总体装备除2个月出现一次镜头污染需清理外，一直运行正常。通过使用表明，激光炉气分析转炉动态控制系统具有故障率很低、基本不需巡检和经常维护、分析数据漂移很小(运行3个月几乎没有出现显著漂移)、不需取样系统而直接测量、分析速度快等特点。

    转炉冶炼过程主要操作为：加废钢、兑铁水、加辅料、顶吹氧、底吹惰性气体。加辅料、顶吹氧、底吹惰性气体操作需根据炉内具体状况进行调节，即在硅锰反应阶段、易喷溅阶段、主脱碳阶段、易返干阶段、吹炼后期阶段应采取相应的操作，以提高转炉冶炼稳定性、防止喷溅和炉渣返干、最大程度脱除钢水中磷、尽可能实现冶炼终点一次命中率。采用激光转炉炉气分析，由于其分析的系统延迟时间要比质谱法缩短5～10 s，其炉气信息反映速度要比质谱仪法快，从而对生产的指导性更强。图4是在转炉吹炼过程中，从炉气分析获得的脱碳速度、过程氧气流量、氧枪枪位、加料的操作结果。根据炉气分析获得的脱碳速度曲线可很好地指导操作人员在生产中根据铁水温度、铁水[Si]含量、废钢生铁装入量情况在不同冶炼阶段采用不同模式控制冶炼过程的氧枪枪位、氧气流量、加料量等。同时为转炉冶炼自动控制打下了很好基础。

图5是激光炉气分析动态控制系统在工业生产使用中，随机连续抽取194炉倒炉时钢水中[C]含量预报结果与实际分析结果的对应关系。由图5可看出，数据出现3个区域。在1、2区实际值与预报值相差比较大，而在3区(绝大部分炉次)两者偏差比较小，基本在±0．02％以内。根据现场冶炼操作问题具体分析可知，有时在停吹倒炉时底部废钢或生铁出现没有完全化完的现象，倒炉取样不能代表熔池真实状况，就会出现1、2区较大偏差的数据。当倒炉时炉底基本看不见残留的废钢，炉内状况比较正常，熔池成分比较均匀，实际钢水[C]含量数据与预报数据就很接近。

    图6是激光炉气分析转炉动态控制模型预报倒炉[C]含量的误差分析图。由图6可看出，预报误差基本呈现正态分布。绝大部分炉数的预报偏差在－0．015%～0．025％之间。在没有筛除异常数据的情况下进行全数据统计分析获得：预报误差在±0．02％以内时模型命中率达到80．9％，预报误差在±0．03％以内时模型命中率达到90．7％。

4  结论

(1)激光气体分析用于转炉动态控制具有投资小、运行成本低、系统稳定性和可靠性高、维护量小、系统延迟时间短等优点。

    (2)激光炉气分析动态控制系统为转炉过程操作和终点判断提供了较好手段。

    (3)激光炉气分析转炉终点[C]动态预报系统在大生产应用中预报精度在±0．02％的条件下命中率达到80．9％。

         1．钢铁研究总院冶金工艺研究所，北京100081； 

         2．济南钢铁股份有限公司一炼钢厂，山东济南250101