终点控制是转炉吹炼末期的重要操作,通常总是尽可能提前让磷、硫去除到终点所要求的范围,故终点控制便简要为终碳控制和钢水温度控制。通过转炉吹炼自动化控制系统,借助相应的吹炼数学模型,实现终点的控制。
1 转炉数学模型
1.1 吹炼数模的种类
根据数模建立方法的不同,可大致将其分为理论模型、统计模型和经验模型三类;按数模所描述变量在吹炼过程中的状态不同,数模又可分为静态模型和动态模型两种。
实际应用中,往往根据不同类型的特点,采用理论模型与统计(或经验)模型相结合的方式建立模型(亦称其为“半经验模型”)。并在逐步改进完善的前提下,由静态向动态不断演化发展。
1.2 终点控制数模的开发
自20世纪60年代开始,为获取稳定的吹炼操作和命中钢水成分和温度,就开始了在转炉吹炼中采用计算机技术的开发研究工作,并使得吹炼数模在实际应用中逐步成为可能,Ｓｌａｔｏｓｋｙ应用热平衡和物料平衡的原理,建立了转炉吹炼静态数学模型,用于吹炼装入量和供氧量的计算,以便控制转炉钢水终点温度。因炉子内部形态变化,存在较大的误差而未能获得令人满意的结果。至今许多地方仍采用这类数模用于转炉吹炼过程。
Ｍｅｙｅｒｃ等人针对静态控制方法未考虑吹炼过程的信息,终点命中率低的状况,为提高控制精度,提出了动态控制法。其利用废气数据(成分、流量)及插入式热电偶测温结果,建立终点钢水温度和碳量的数学模型,用于吹炼的动态控制。当预测温度高于目标时,根据差值加入相应量冷却剂;当预测法低于目标时,提高枪位进行转吹操作来调节。此法的精度取决于废气分析精度和热电偶测量精度。
腾井清治等和池内祥晴等为弥补上述模型的不足,分别开发了综合反应模型和副枪终点控制模型,即为直接测量熔池成分和温度的终点控制系统,用副枪直测技术对转炉炼钢的吹炼终点进行动态控制,控制精度提高20%。
鞭严等人提出了转炉炼钢炉内脱碳反应的数学模型,并在此基础上,研究了火点气流行为的理论,增加了石灰渣化、烟气组成、流量和温度及钢水温度等的计算,开发出了能计算炉内钢水中碳和硅随吹炼过程变化的数学模型。此后,鞭严等人又对此模型作了发展,考虑锰、磷的气化反应、渣—金属间反应和石灰渣化速度,提出了能更加全面反映转炉炼钢机理的数模。
高轮武志等对鞭严等人的模型加以变化,根据实测的转炉成分和流量,在和歌山第一炼钢厂吹炼过程中进行实际吹炼过程的动态控制,取得了吹炼终点[Ｃ]、[Ｐ]和温度预报精度分别为±0.05%、±0.01%和±20℃的效果,指导了吹炼操作,降低了后吹率。
斋腾忠等人提出了顶底复吹转炉终点钢水成分预测统计模型,在该模型中将终点钢水的成分,整理成为与副枪测温定碳时取样分析的钢水成分、停吹时测定的钢水自由氧含量(低碳钢)或由烟气参数计算得到的炉内蓄积氧量(高碳钢),以及碳用量、萤石用量、铁水成分及质量、停吹温度相关的函数关系。利用这些关系,计算停吹时钢水的[Ｐ]、[Ｓ]和[Ｍｎ]含量,预测精度分别为±0.0145%,±0.0093%和±0.0078%,实现快速出钢。
高轮武志等利用能反映低碳和高碳范围的综合脱碳特征基本方程式开发的复吹转炉终点控制模型,根据原料条件和终点成分([Ｃ]、[Ｐ])和温度的目标化,计算吹炼所需的氧量和冷却剂加入量,对吹炼终点进行控制。此模型在鹿岛第二炼钢厂进行吹炼控制应用时,使后吹率从14%下降至1%,吹炼时间从37ｍｉｎ减少到29ｍｉｎ,并使耐火材料消耗降低。
福味纯一等根据烟气测定结果,对炉内的氧、碳进行质量平衡计算而开发出来的复吹控制模型,能够连续预测熔池温度、渣中(ＴＦｅ)和钢中溶解氧并能够预报喷溅发生。该模型应用到福山第二炼钢厂250ｔ转炉后,使得终点命中率提高,无倒炉出钢率近100%,吨钢造渣剂消耗量降低4ｋｇ,喷溅数降低。在上述各具特色的各类转炉数模中,鞭严等人提出的模型基于冶金反应工学理论,利用转炉吹炼过程动态的质量守恒和热量守恒建立起来的机理模型,较为全面地反映了转炉吹炼过程的本质,在考虑底部供气因素后,也可用于复吹转炉吹炼过程。
2 转炉终点控制
转炉吹炼终点控制,可分为自动控制和经验控制两大类(如图1所示略)。自20世纪60年代开始,国外逐步采用计算机对转炉吹炼进行控制,70年代从静态控制向动态控制发展。国内除宝钢、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。
2.1 终点的自动控制操作
2.1.1 副枪测定控制系统
图2略为日本鹿岛钢厂所采用的典型的副枪测定终点控制系统,该系统由一个动态模型和一个反馈计算模型所组成,动态控制模型计算副枪测量过程中以及吹炼结束时所需要的氧量和冷却剂量。同时使用由副枪所测得的值和实际操作值,实时估算钢水温度和碳含量。
图3略为一个炉役期中命中率的变化,系统可以准确地估计钢水温度和碳含量,无需在炉役期内调整模型参数,在日常操作中的成功率已达到足够高的精确程度。
2.1.2 终点成分测算系统
成分测算系统主要是通过对终点成分的判定来控制吹炼终点,实现快速出钢。根据采用的不同测算手段,分为[Ｏ]Ｆ法和ＱＶ法。
[Ｏ]Ｆ法——在测定氧浓度的基础上,根据钢—渣之间的平衡关系测算成分。此法适用于低碳钢。
ＱＶ法——利用副枪测温并获取样品,通过光谱仪在现场快速分析成分,测定碳含量。此法能精确测定优质钢和高碳钢。
山名寿等人在日本加古川制铁所240ｔ转炉上进行了[Ｏ]Ｆ法和ＱＶ法技术的开发和对比试验研究。系统构成如图4所示略(图中冶炼中期的测定步骤为ＱＶ法所特有)。
在高碳区,渣中分压与钢中[Ｏ]Ｆ值相差5～15倍,二者可视为无相关关系。随[Ｃ]的降低,钢、渣间氧分压差分压差距缩小,当达0.06%以下时就可根据钢中[Ｏ],计算氧分压,确定钢水成分;测定氧浓度,确定终点成分。
冶炼后期,利用钢、渣接近平衡的关系,根据[Ｏ]Ｆ,确定各种成分。方法是用副枪探测仪来测定[Ｏ]Ｆ,并且考虑加入的造渣剂等操作因素,用统计法计算各种成分:
终点成分=ｆ([Ｏ]Ｆ、造渣剂、铁水成分、铁水量、终点温度、……)
测算精度(标准偏差)见表1:
表1 测算精度(标准偏差) %
|
C |
Mn |
P |
S |
|
0.0073 |
0.0165 |
0.00294 |
0.00102 |
[Ｏ]Ｆ法存在的问题主要为:测算物料收支的各成分误差大,造成测算成分误差加大;钢中[Ｏ]Ｆ与渣中(ＴＦｅ)的分散程度大,引起误差;高碳区因炉渣氧化,[Ｏ]Ｆ几乎与(ＴＦｅ)无关系,[Ｏ]Ｆ法不适于高碳钢的成分测算。
为了弥补[Ｏ]Ｆ法的不足,在冶炼后期分析成分渣,考虑渣化状况和增加因素进行修正,即采用适于高碳钢的ＱＶ法。
用副枪测定[Ｃ]、温度时,获取分析标样,光谱分析成分,冶炼终点测定[Ｏ]Ｆ(低碳钢)或根据排气情况计算蓄积氧量(高碳钢),把分析测定值和加入的造渣剂作为主要因素,用统计法确定终点成分。
终点成分=ｆ(成分值、生石灰量、莹石量、终点温度、铁水成分、铁水量、[Ｏ]Ｆ或炉内蓄积氧量),因[Ｏ]Ｆ法不适用于高碳钢,故在图4所示的系统构成中,采用在接近终点2.5ｍｉｎ前测定[Ｃ]和温度,并用探测器取标样,进行光谱分析,以分析值作为计算终点成分的依据,判定终点及出钢与否。若测算结果不能达到规定的成分值时,立即实施再吹炼。
2.1.3 气相(质谱仪)定碳判定终碳
气相定碳是通过分析转炉炉气成分来连续预测吹炼过程中钢水碳含量的一种方法,气相定碳主要应用的分析仪器为红外分析仪和质谱仪两种。从目前情况看,质谱仪的使用已占优势。
1)质谱仪法的原理。质谱测定原理如图5所示略。该法是将氩、氦等惰性气体作为示踪剂,通过气体物料平衡来决定废气流量。以氩为例,将吹入气体、吹炼氧气和混入空气中的氩作为炉内氩气的输入源,用质谱仪测定烟道内的废气成分,根据氩含量的稀释程度计算废气流量,再根据废气成分和流量,不断地对熔池脱碳速度和渣中氧的吸收速度做出评价。
2)测算系统。在吹炼过程中,根据从质谱仪得到的废气分析值信号、供氧速度、丙烷流量和辅助原料(铁矿石、石灰、萤石)投入速度等实际吹炼数据,每隔2秒对相关项目进行一次计算。
别所永康等在千叶第二炼钢厂230ｔ顶底复吹转炉上利用质谱仪进行吹炼终点控制的应用。脱碳模型:
-ｄＣ/ｄＯ2={(1.555ＷＳＬ/Ｃ2)(β/α)+9.33ＷＳＴ}-1 (1)
式中:ＷＳＬ——为炉渣重量,ｔ;
ＷＳＴ——为钢水重量,ｔ;
β/α——为参数。
升温模型:
ΔＴ=Ａ·ΔＯ2/ＷＣＨ+Ｂ+Ｄ (2)
式中:ΔＴ、ΔＯ2——为副枪测定后的温升,℃(吹氧量,Ｎｍ3/ｍｉｎ);
Ａ、Ｂ、Ｄ——为参数;
ＷＣＨ——为炉料总重量,ｔ。
质谱仪的优点是可以连续预测钢水碳含量和炉气成分,因而有利于控制有用炉气的回收和废气的排放,而且其使用不受炉容量大小的限制。但仅采用质谱仪,在控制转炉吹炼温度上还没有取得大的突破是其重要缺陷。
2.2 终点的经验操作控制
我国为数众多的中小型转炉,因资金与技术方面的限制,尚无法实现终点(终碳)的自动控制,日常生产属“经验型”操作控制。所谓经验控制,是指在常规吹炼条件下,借助一些常规监测手段,对终点(终碳)进行人工控制。
经验控制常采用“拉碳”和“增碳”两种操作方法,常用的辅助手段为测温定碳和炉前取样快速分析。
2.2.1 拉碳
所谓“拉碳”,就是在吹炼时判定已达终点而停止吹氧,由于在中、高碳钢种的含碳范围内,脱碳速度较快,一次把终点判别不太容易,所以采用高拉补吹的办法。国内在采用高拉补吹法吹炼中、高碳钢时,一般根据吹炼时特征,参考供氧时间及耗氧量,按所炼钢种碳规格稍高一些来拉碳,取样分析(或测温定碳),再按这一含碳量碳的脱碳速度补吹一定时间,以使其达到所要求的终点。国外氧气转炉常采用“高拉碳”操作冶炼高碳钢,如美国普韦洛厂用氧气转炉生产高碳钢占全部产量的6ｌ%,均采用“高拉碳”法的工艺进行生产。采用“高拉碳”法生产高碳钢,是因所用铁水含硫量在0.02%～0.03%,含磷量全部在0.048%～0.080%之间。用这样的铁水炼钢,成品中硫和磷含量几乎无须考虑。“高拉碳”法冶炼高碳钢,渣中氧化铁低,金属收得率略高,氧气和脱氧剂消耗略低,终点钢水中气体含量较低。
一般而言,拉碳法具有终点钢水氧含量和终渣(ＦｅＯ)较低、终点钢中含锰量较高、氧气消耗较少等优点;增碳法省去倒炉、取样及随后的补吹时间。因而生产率高,终渣(ＦｅＯ)高,化渣好,出磷率高,热收入较多,有利于增加废钢用量等特点。
2.2.2 增碳
增碳法就是终点按低碳钢控制(在为数不少的厂家和场合,甚至采取“一吹到底”的操作方法),然后在出钢过程中增碳,使钢水中的含碳量达到所炼钢种的要求范围之间。在增碳法中,要求所用增碳剂具有很高的纯度,很低的硫,以免对钢水造成沾污。
这种方法在操作上易于掌握,但在其后的增碳过程中,着重把握两个环节:一是增碳剂的质量,二是增碳剂的收得率。
在某些炼钢能力大于炼铁能力的场合下,为了用有限的铁水生产更多的钢,多吃废钢降低铁耗,往往采用增碳法终点控制。欧洲大多数钢厂都把终点含碳量控制在0.07%左右,然后在钢包内用石油焦增碳操作来冶炼中高碳钢。
在吹炼中,采用何种操作方法,除取决于所炼钢种外,还涉及到吹炼习惯、现场监测条件、操作水平和原料条件等诸多因素。选取合宜的操作控制方法,对提高吹炼的技术经济指标具有重要的作用。
3 结 语
1)国内外在转炉吹炼的终点(终碳)控制方面,做了大量的有意义且有效的工作,国外的终点控制也由静态控制进入了动态控制;国内受条件限制大多数转炉当属经验控制。
2)在转炉吹炼终点控制中,应根据具体条件和情况采取合宜的操作方法,以取得较为理想的吹炼效果。
3)已有的各类终点控制仪器及技术,受条件限制难以在我国中小转炉吹炼中应用,期望能开发结构简捷、造价低廉、性能稳定且效果良好的新型终点在线监测装置,满足吹炼终点监控的需求。
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