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180t转炉自动炼钢控制工艺的建立与实践

孙凤梅¹，刘飞¹，程奎生²，马建超¹

(1.江苏省(沙钢)钢铁研究院炼钢连铸研究室，江苏 张家港 215625；2.江苏沙钢集团有限公司宏发炼钢厂，江苏 张家港 215625)

摘 要：以副枪系统和二级冶金模型为基础，通过优化原材料条件，建立转炉加料、底吹搅拌和供氧等吹炼过程自动控制工艺，以及优化系统操作参数和模型参数等措施，实现了180t转炉自动化炼钢，转炉出钢命中率由25%提高到83%以上，且吹炼过程稳定，转炉生产周期缩短了4min，终渣全铁质量分数平均降低了2.4%，提高了转炉炼钢的金属收得率。

关 键 词：转炉；自动炼钢；炼钢控制工艺；转炉加料；枪位工艺；底吹搅拌

沙钢集团宏发炼钢厂转炉二车间(以下称宏发转炉二车间)拥有3座180t转炉，安装了荷兰Ijmuiden达涅利康利斯公司的副枪系统和二级静动态模型(SDM)过程控制系统。在2009年生产线投产之初，由于SDM系统中设定的炼钢工艺(转炉加料工艺、枪位控制工艺、底吹搅拌工艺等)模式简单而且部分系统参数设置不符合实际生产条件，转炉自动冶炼的出钢碳温双命中率仅为25%(终点目标窗口：(w([C])，±0.02%)，(T，±12℃))。为实现转炉自动冶炼高命中率出钢，根据实际生产条件，重新设计了转炉自动炼钢控制工艺并在生产实践中逐渐完善，对系统的模型参数和操作参数的设置进行了评估和优化，使得转炉自动吹炼过程平稳，终点钢水的碳温双命中率提高至83%以上，转炉冶炼周期缩短了4min，终渣全铁质量分数降低了2.4%，提高了转炉金属收得率。

1 自动炼钢控制工艺的建立

采用转炉自动炼钢系统，原材料信息的准确度是导致模型计算产生偏差的最直接的影响因素。通常情况下，模型计算默认采用的铁水脱硫预处理后的成分和温度信息以及兑铁行车的称重数据，当脱硫站无铁水信息时选用高炉的出铁信息。基于铁水过程运输和等待时间对铁水成分和温度的影响不规律，要求全部铁水进行脱硫预处理并在处理结束进行铁水测温和成分分析，将结果用于转炉自动炼钢SDM计算。每包铁水的质量为160～165t，计算采用兑铁行车的称重结果，禁止行车称重结果出来之前手动执行吹炼计算。废钢分普通废钢(外购废钢)和清洁废钢(本厂废钢)，按照轻、中、重各分3级，随着废钢结构的变化，逐渐增设了海绵铁、块矿、金属化球团等类别。废钢的加入量每炉为33～37t。

合理的转炉底吹、加料和枪位控制方案能够保证转炉冶炼过程平稳进行，按照产品要求完成转炉炼钢任务。本文采用SDM模型控制方法建立了转炉自动加料工艺和顶枪吹氧自动控制工艺，优化了转炉底吹供气模式。

1.1 底吹工艺优化

顶底复吹转炉底部吹入惰性气体对熔池金属液进行搅拌，以期达到均匀熔池成分和温度，增强渣—金界面反应速度的目的。与顶吹转炉相比，增加底吹搅拌有利于降低钢水氧化性，提高金属收得率。

转炉终点钢水的碳氧积是衡量底吹效果的重要指标^[1-3]。表1给出了国内部分钢铁公司的转炉底吹供气强度以及终点碳氧积控制水平。

由表1可知，宏发二车间的钢水碳氧积比其他公司高，偏离热力学平衡值较远(0.0025%)，表明其底吹的冶金效果不够理想。宏发二车间转炉吹炼使用的底吹强度为0.033～0.044m³/(t·min)，设计允许范围为0.02～0.08m³/(t·min)。图1中虚线模式表示优化前的底吹工艺，采用恒定低流量(360m³/h，即0.033m³/(t·min))的模式，或者在吹炼中期将供气流量提高。

按照转炉冶炼过程的元素反应规律，吹炼初期主要是Si、Mn、P的氧化，碳氧反应较弱，提高底部供气强度有利于加速熔池循环，促进渣—金间界面反应；吹炼中期碳氧剧烈反应，产生大量的CO气体，对熔池起到较好的搅拌作用，底吹气体强度相对较小；吹炼末期碳氧反应减弱，产生的CO气体对熔池的搅拌强度变小，需要提高转炉底吹气体强度，促进脱碳并均匀熔池成分和温度。

据研究^[4]，吹炼时间为总吹氧时间75%以后提高底吹强度的冶炼效果最佳。综合考虑以上因素对转炉底吹模式进行优化设置，其中常用模式如表2所示，吹氧过程的底吹工艺优化后如图1中实线所示。

生产实践表明，提高转炉底吹气体流量，有利于降低转炉终点钢水的碳氧积，工艺优化后钢水碳氧积小于0.0030，平均为0.0028。此外，过程跟踪发现吹炼过程中副枪测量对底吹流量有影响，副枪工作期间气体流量自动调整至400m3/h，如果副枪测量过于接近吹炼终点，将影响底吹搅拌效果，因而副枪测量时间不宜过晚，设定为供氧量85%时自动下枪。

1.2 转炉加料自动控制工艺的建立

转炉吹炼过程的加料包括石灰、轻烧白云石、镁球等造渣剂，球团矿、污泥球等冷却剂，以及少量的改质剂。研究过程中根据炉渣目标成分计算造渣剂的加入量，然后通过物料平衡和热平衡计算得到冷却剂的加入量^[5]。计算结果作为参考用于自动炼钢工艺料单的设计，每炉具体的加料总量以SDM计算结果为准。

铁水磷质量分数小于0.3%时，石灰的加入量Wlime采用式(1)进行计算(宏发转炉二车间接收的铁水中磷质量分数约为0.08%)：

式中：R为终渣目标碱度；w[Si]_HM、w[Si]_Scrap分别为铁水和废钢中硅的质量分数，%；W_HM、W_Scrap分别为铁水和废钢的质量，kg；w(CaO)_lime、w(SiO₂)_lime分别为石灰中CaO和SiO₂的质量分数，%。

转炉轻烧白云石的加入量由渣中MgO含量决定，渣中MgO主要来自转炉辅料以及炉衬的侵蚀，根据溅渣护炉的要求确定渣中MgO的目标含量，由式(2)估算转炉轻烧白云石的加入量：

式中：W_dolomite、W_Slag、W_lining、W_additons分别为轻烧白云石、炉渣、炉衬侵蚀量和其他含镁辅料的质量，kg。

轻烧白云石中含有30%左右的CaO，可替代部分石灰造渣。辅料中含有一定SiO₂成分时，为保证炉渣碱度需要补加一定石灰，经计算每增加1t污泥球或球团矿需要补加的石灰量分别为70kg和140kg。由此，可进一步确定转炉石灰的大致加入量。

转炉加料遵循充分化好前期渣、防止中后期炉渣返干、强化脱磷抑制回磷的原则，分3批加入炉内。吹炼初期加入第1批，加入量占计算总量的1/2～2/3；在吹炼4min以后开始加入第2批炉料，按照少量多批的方法逐渐加入，保证熔池均匀升温；吹炼后期加入少量余料(小于1/3，具体量与SDM动态计算结果有关)。在SDM模型中设计加料工艺时采用供氧百分比来确定加料时机。根据铁水初始硅含量以及铁水温度的高低初步设计转炉加料模式如表3所示，随着新工艺和新产品的不断开发，转炉自动加料方案也逐渐得到完善。

1.3 自动枪位控制工艺的建立

转炉供氧工艺一般分为恒枪变压和恒压变枪两种模式，少数采用变压变枪的方法操作。宏发二车间转炉采用恒压变枪操作，冶炼过程的枪位控制根据化渣和升温情况进行调整。遵循早化渣、化好渣的原则，一般吹炼初期枪位控制比较高。开吹枪位的设定需要考虑转炉装入量、铁水成分和温度、炉衬炉龄等因素。吹炼中期，为保持吹炼过程平稳，无喷溅、不返干，选择合适的吹炼枪位。枪位过高，炉渣泡沫化严重溢出炉口甚至发生喷溅；枪位过低，渣中氧化铁降低导致炉渣返干，严重时发生金属喷溅、不利于磷元素的脱除。吹炼后期枪位可以先高后低，终点拉碳需要压低枪位，加强对熔池的搅拌能力，均匀熔池温度和成分，并降低钢水氧化性、提高金属收得率^[6-7]。

熔池穿透深度描述了氧枪对熔池的冲击深度和搅拌强度，合适的熔池穿透深度是保证脱碳反应和成分均匀的重要条件。根据Flinn公式，要使熔池得到良好的搅拌效果，又防止冲击炉底，氧气射流的冲击深度与熔池深度的比值一般控制在0.5～0.7^[8]。根据宏发二车间转炉氧枪的参数、供氧强度以及熔池深度，参考文献^[9]对熔池搅拌均匀时间、喷溅强度和枪位关系进行水模试验，计算得出氧枪的最低控制枪位为1.5m。枪位控制方案采取吹炼前期高后期低的模式，设计开吹枪位为1.9～2.2m，过程枪位为1.6～1.8m，终点拉碳枪位为1.5m。根据铁水初始硅成分、铁水温度以及废钢结构等，设计与转炉加料方案相配套的枪位模式如表4所示。

2 炼钢控制系统参数优化影响

模型计算结果精确度的系统参数包括冶炼计算的模型参数和系统自学习模块的反馈系数两个部分。冶金模型计算包含转炉加料、供氧量等物料计算和冷却剂等热平衡，通过对参数界面设置的排查以及在生产实践出现的问题的原因分析，完成了优化设置。其中冷却剂的计算涉及物料平衡和热平衡的计算，影响较大。

生产过程中发现，当炉次球团量加入较大时，往往终点钢水[C]偏低，温度偏高。与自建物料平衡和热平衡模型相比，在线SDM计算的主吹阶段(开吹至过程副枪测量阶段)供氧量偏大、二吹阶段(过程副枪测量至吹炼结束阶段)球团建议加入量偏多。

分析发现，模型中球团矿的成分尤其是总氧量的预设值(20.0%)远小于实际值(26.8%)。大量的球团加入后，球团带入的氧量约1/3没被计算进系统(主吹阶段熔池碳含量较高，加入的FeO_x绝大部分被分解)，因而模型计算的供氧量偏多，熔池实际获得的氧量偏高，更多的C被氧化，导致终点钢水的温度偏高而碳偏低。此外，参考烟气分析数据和熔池不同碳含量条件下球团中FeO_x分解率的计算结果^[10]，对二级系统SDM模型中参数PCO₂L(二吹阶段废气中CO₂的百分含量)和参数SHSOR0(二吹阶段球团的热焓和熔解热)进行了重新设置，PCO₂L的值由22%降低至15%，SHSOR0的值由2000MJ/t增大至3000MJ/t。

系统自学习模块是在每一炉冶炼结束模型自行反馈各参数的实际值和计算值的差值，该差值对下一炉次计算的影响程度即反馈系数。为了让自学习系统更加稳定，可以根据实际情况增大或减小反馈系数，以增大系统自学习幅度或者降低原材料和操作不稳定对系统计算的影响程度。正常情况下，系统默认每一炉的吹炼数据均执行反馈，当可疑事件或异常事情发生时，需要人为禁止该炉数据反馈，否则对模型计算将产生方向性误导。系统人机界面有反馈禁止标识供操作人员手动执行反馈禁止任务。

3 应用效果

沙钢180t转炉通过建立和优化转炉底吹搅拌、自动加料、枪位控制等冶炼工艺，提高了转炉炼钢自动化水平。通过对自动炼钢模型参数和操作参数的优化设置，提高了冶金模型的计算准确度。目前宏发炼钢转炉二车间的自动炼钢比例已经超过90%，终点钢水的碳质量分数控制误差为±0.02%以内，温度误差控制在±12℃以内，碳温双命中率达到83%以上，转炉生产周期缩短了4min，终渣全铁质量分数降低了2.4%，提高了转炉过程的金属收得率。转炉自动炼钢控制体系优化前后，生产实施前后具体经济技术指标对比见表5。

沙钢转炉自动炼钢技术的成功应用，促进了产品质量的稳定提高，降低了工人劳动强度，提高了转炉操作的安全性，经济效益显著。生产实践表明：稳定转炉装入制度、缩小铁水成分和温度的波动范围有利于模型控制系统的稳定；细化控制工艺模式体系、提高吹炼过程副枪的测成率有利于提高模型的控制精度；维持系统稳定有效需要操作人员的维护。

该技术可广泛应用于原材料条件波动较大的大中型转炉。

4 结论

沙钢以转炉副枪测量系统与二级冶金控制模型为基础，在生产实践中不断提高原材料管理水平、优化及改进控制工艺，实现了转炉炼钢动态自动化控制，并大幅度提高了终点钢水的命中率，得到如下主要结论：

1)细化废钢分类并严格管理以适合冶金模型的要求，普通废钢和清洁废钢分为轻、中、重3级，在废钢结构里增设海绵铁、块矿、金属化球团等类别。

2)分析转炉辅料成分并将结果输入冶金数据库，球团矿预设成分w(T(O))由20%提高到26.8%、烟气成分中CO₂比例值由22%降低至15%，并修改副枪测量之后至吹炼终点阶段冷却剂的冷却效果相关的参数，从而优化了模型的转炉加料计算、供氧量计算以及冶金模型热平衡计算，使模型与本厂生产条件更加匹配。

3)根据本厂铁水条件以及冶炼钢种的要求设计了24套转炉加料工艺和18套供氧枪位工艺以及相应的底搅工艺等自动控制工艺，并通过大量的生产试验进行验证和优化，将转炉终点钢水的碳温双命中率由最初的25%提高到83%以上，且吹炼过程稳定，转炉生产周期缩短了4min，终渣全铁质量分数平均降低了2.4%，提高了转炉炼钢的金属收得率。

4)实时更新辅料成分、加强模型自学习系统的管理，维持生产的长期稳定。

参 考 文 献：

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