转炉气相定碳的热模拟

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.04.003 第18卷第4期 北京科技大学学报 Vol.18 No.4 1996年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1996 转炉气相定碳的热模拟 王存张鉴潘公平佟福生李京社 北京科技大学冶金系，北京100083 摘要建立了转炉内钢液含碳量动态检测的数学模型，并在50kg感应炉上进行了热模拟试验. 结果表明：利用质谱仪连续分析炉气成分迅速而准确：计算出的炉气流量精度较高；利用数学模 型定碳误差为0.03%.产生误差的原因是炉子容量小，喷溅等对钢水损失影响大，在大生产条件 下，因为炉量大，其它条件也较优越，预计气相定碳精度可大大提高 关键词质谱仪，滞后，气相定碳，转炉 中图分类号TF72,TP273 国外进行气相定碳的研究较早，这方面的报道也较多”~别所永康在230t底吹转 炉上进行气相定碳误差为0.018%.高轮武志四等人对VOD精炼终点的控制进行了开发， 其终点误差为0.02%.张鉴等人在V0D终点控制方面进行了多批实验，取得了不亚于国外 的水平，本文目的即进行转炉气相定碳的热模拟试验，以确定其应用于生产的可行性. 1实验设备及方法 1.1实验设备 试验用主要设备有50kg中频感应炉和排气泵、质谱仪和计算机、测温仪和水冷氧枪 以及接口等. 1.2实验方法 实验是在50kg中频感应炉上进行的.每炉加生铁35kg和废钢5kg.水冷氧枪吹氧流量 为60~100Vmin,吹氧时间为每炉20~35min. 铁液在吹氧过程中，含碳量不断下降.每隔5mi取钢样一次.样品用作化学分析，其 结果与所用模型计算值相比较. 为了测量炉气流量，从炉口或从烟道高温段向炉气中喷吹氩气示踪气体，为了使其与整 个炉气均匀混合，氩气出口采用了气体分配器 由取气杯经脱硫、脱水和除尘等环节后，取样泵将气体样送至质谱仪分析室.分析值经 接送口至计算机.计算机将质谱仪送来的CO,CO、Ar和N,及O,等信息进行处理后，即可算 出瞬时炉气流量，相应地得到了熔池内瞬时含碳量.当达到终点要求时计算机给出提枪信 号，吹炼结束。 1995-10-01收稿 第一作者男31岁博士后

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 转炉气相 定碳 的热模拟 王 存 张 鉴 潘公平 终福 生 李京社 北 京 科技 大学 冶金 系 北 京 摘要 建 立 了转炉 内钢 液 含 碳量 动 态检 测 的 数学模 型 ， 并 在 感 应炉 上 进行 了 热模 拟试验 结果 表 明 利 用 质谱仪连续 分析 炉 气成分迅 速 而 准确 计算 出的炉气流 量 精度 较 高 利用数学模 型 定碳误差 为 产生误差 的 原 因是 炉 子容 量小 ， 喷溅等对钢水损失影 响大 在大 生产条件 下 ， 因 为炉量大 ， 其它条件 也较优越 ， 预计气相定碳精度可 大大提高 关键词 质谱仪 ， 滞后 ， 气相 定碳 ， 转炉 中图分类号 ， 国 外 进 行 气相 定 碳 的研 究 较 早 ， 这 方 面 的报道 也 较 多 一 别 所 永康 在 底 吹转 炉 上 进 行 气 相 定 碳 误 差 为 高 轮 武 志 〔 ‘ 等 人 对 精 炼 终 点 的控 制 进 行 了 开 发 ， 其终 点误差 为 张鉴等 人 在 终 点控 制 方 面进 行 了多批 实验 ， 取得 了不 亚 于 国外 的水平 本文 目的 即 进 行 转 炉气相 定碳 的热模 拟 试验 ， 以 确定 其应用 于 生 产 的可 行 性 实验设备及方法 实验 设备 试 验 用 主 要 设 备有 中频 感 应 炉 和 排 气 泵 、 质 谱 仪 和 计 算 机 、 测 温 仪 和 水 冷 氧枪 以及 接 口 等 实验方 法 实验是 在 中频感 应 炉 上 进 行 的 每炉 加 生 铁 和 废钢 水冷 氧枪 吹氧 流量 为 一 ， 吹 氧 时 为每 炉 一 铁液 在 吹 氧 过 程 中 ， 含 碳 量 不 断下 降 每 隔 取 钢样 一 次 样 品 用 作 化 学 分 析 ，其 结果 与所 用 模 型计 算值相 比较 为 了测量 炉 气 流量 ， 从 炉 口 或从烟 道 高温 段 向炉气 中喷吹 氢气示 踪气体 ， 为 了使其 与整 个炉气均 匀混 合 ， 氢气 出 口 采用 了气体分 配 器 由取 气杯 经脱 硫 、 脱 水 和 除尘 等 环 节后 ， 取样 泵将 气 体样 送 至 质 谱仪 分 析 室 分 析值 经 接送 口 至计算机 计算 机将 质 谱仪 送来 的 、 、 和 及 等信 息 进行处理 后 ， 即可 算 出 瞬时 炉 气流 量 ， 相 应 地 得 到 了熔 池 内瞬 时含 碳 量 当达 到 终 点 要 求 时 计 算机 给 出提 枪 信 号 ， 吹炼 结束 。 一 一 收稿 第 一 作 者 男 岁 博 士后 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．04．003

·312· 北京科技大学学报 1996年No.4 2气相定碳的数学模型 气相定碳的方法是基于物料平衡原理.人炉料中含碳量是已知的，主要由炉气带走排 除.如果可以快速准确地计量入炉料及气体等排除物，便可由物料平衡获得炉内剩余碳量. 2.1炉气量计算 炉气流量是以吹人的氩气流量及质谱仪分析提供的氩气含量为基础计算得到的.因为 是常压下吹炼，还需考虑带人的空气所施加的影响， 根据氩气和氮气的物料平衡原理，可以推导出计算炉气流量的公式： 卫，=（但，×中A1+24×中A4)/A-k×中A2) (1) 式中k为与环境有关的常数；Q1为吹炼产生的炉气流量，m/mim；Q,为示踪气体的氩气流 量，m3/min;Q,为氧气流量，m3/min;中为质谱仪分析炉气的氩气含量，%：中为空 气中的氩气含量，%；中A为瓶装氩气中氩气含量，%；中A4为瓶装氧气中氩气含量，%. 2.2脱碳量的计算 脱碳量是由炉气流量和炉气中的C0和CO,含量而确定的. C0流量：9co01×9oC0流量：9o2Q,×9c0, 平均1min脱掉的碳量：W。-(qcot9co)×12/22.4,kg/min 吹炼1min后的脱碳量：We(9co+9co2）×(1222.4)d,Wc2,(coco)×(12/22.4)d 则吹炼到t时刻熔池中的含碳量：Wc(W,×Wco-W。)[W,1-r刃 式中：中co为炉气中C0含量，%；co2为炉气中C0,含量，%；r为钢水在吹炼tmin后的损失 率，%；W为开吹时钢水质量，kg;w©0为开吹时钢水中含碳量，%. 质谱仪可连续分析炉气中的各种成分并传送给计算机，其他有关的参数也易于被计算 机获得，因此可以利用计算机在线检测钢水中含碳量的变化并预测终点的到达. 3结果与讨论 3.1滞后时间(c)的获得 试验的滞后时间是指炉气从炉口到达质谱仪被分析并由计算机显示出数据的时间间隔. 确定滞后时间是采用向抽气管道吹入示踪气体氩气观察分析值突变的方法， 滞后时间由3部分组成：由炉内到取气点的时间，从取气点到质谱仪的时间和质谱仪响 应时间.一般说来，质谱仪的响应时间是一定的.所以尽管影响滞后时间的因素很多，但分 析认为，抽气和取气泵能力及取气管径是最重要的影响因素.利用正交设计，别除一些方案， 对余下的10种进行实验，确定具有最小x值的方案. 由实验结果得知，抽气管径对τ的影响较大.管道细，样气到达质谱仪分析室的时间就 短，因而τ值也就小.就取气泵和抽气风机来讲，二者应匹配.由于t的影响，质谱仪起初分 析出的氩气值不变或变化很小，当到达π值后，其值陡增（图1）

北 京 科 技 大 学 学 报 年 气相 定碳的数学模型 气 相 定 碳 的方 法 是 基 于 物 料 平 衡 原 理 人 炉 料 中含 碳 量 是 已 知 的 ， 主要 由炉 气 带 走 排 除 如 果 可 以 快 速 准确 地计量 人 炉料 及 气体等排 除物 ， 便 可 由物料 平 衡获得 炉 内剩 余碳 量 炉气量计 算 炉 气 流 量 是 以 吹人 的 氢 气 流量 及 质 谱 仪 分 析 提 供 的氢 气 含 量 为基 础 计算 得 到 的 因为 是 常压 下 吹炼 ， 还 需 考 虑 带人 的空 气 所 施 加 的影 响 根 据氢气和 氮 气 的物 料 平衡 原理 ， 可 以 推 导 出计算 炉 气流 量 的公 式 ，一 砂 势’ 势、 一 劝 式 中 为 与环 境 有 关 的 常 数 为 吹炼 产 生 的 炉 气流 量 ， 为示 踪 气体的氢气流 量 ， ， 为 氧 气 流 量 ， ， 劝 为质谱 仪分 析炉 气 的氢气含 量 ， 势 为空 气 中的氢 气含量 ， 劝 、 为瓶 装 氢气 中氮气含 量 ， 势 为瓶 装 氧气 中氢气含量 ， 脱碳量 的计 算 脱碳 量 是 由炉气 流量 和 炉 气 中的 和 含量 而 确 定 的 · 流 量 。 犷。 势 。 ， 流量 。 一 势 平 均 脱 掉 的碳量 巩 一 。 。 ， 吹炼 后 的脱碳 量 吸 一 。 。 。 ‘ · ， 毗 一 ， 劝 。 坤 。 ‘ · 则 吹炼 到 时刻熔 池 中的含碳量 厂 巩 ‘ 。 一 毗 〔巩 一 式 中之 势 为炉 气 中 含 量 ， 劝 为炉气 中 含量 ， 为钢 水在 吹炼 后 的损失 率 ， 叽为开 吹 时钢 水质 量 ， 。 为开 吹 时钢水 中含碳量 ， 质 谱 仪 可 连 续分 析 炉 气 中 的各 种 成 分 并 传 送 给计算 机 ， 其 他 有 关 的参数 也 易 于 被 计算 机 获得 因此 可 以利 用 计算 机 在线检 测 钢 水 中含碳 量 的变 化并 预测 终 点 的到 达 结果 与讨论 滞后 时 间 的获得 试 验 的滞 后 时 间是 指 炉 气从 炉 口 到 达 质 谱仪被 分 析并 由计算 机 显示 出数据 的 时 间间隔 确 定 滞 后 时 间是 采 用 向抽气管道 吹人 示 踪 气体氖气观 察分析值 突变 的方 法 滞后 时 间 由 部 分 组 成 由炉 内到 取气 点 的时 间 ， 从取气 点到 质谱仪 的 时 间和 质谱仪响 应 时 间 一 般 说来 ， 质 谱 仪 的 响应 时 间是 一 定 的 所 以尽 管 影 响滞 后 时 间 的 因 素很 多 ， 但分 析 认 为 ， 抽 气和 取 气泵 能力 及 取 气管径是 最 重要 的影 响 因素 利 用 正 交设计 ， 剔 除一 些方 案 ， 对余下 的 种 进行 实 验 ， 确 定具 有 最 小 值 的方 案 由实验 结果 得 知 ， 抽 气 管径 对 的影 响较大 管道 细 ， 样 气到 达 质谱仪分 析室 的时间就 短 ， 因而 值 也 就 小 就 取气 泵 和抽 气风机来讲 ， 二 者 应 匹 配 由于 的影 响 ， 质谱仪起初分 析 出的氢 气值 不变 或变 化 很 小 当到 达 值后 ， 其值 陡增 图

Vol.18 No.4 王存等：转炉气相定碳的热模拟研究 ·313· 分析结果认为，炉气风机及样气 抽气泵能力匹配的方案最佳，故选为 1.08 热试方案.该方案系统滞后时间为 1.06 60s. 1.04 1.02 3.2实验结果 1.00 实验获得了较为满意的结果（图 0.98 2和图3).由图可见，化学分析值在 0.96 整个吹炼期间内一直较好地与模型 895 一 1020 4060 80 100120 预测值相符合，误差平均为0.03%. 吹氩时间/min 所谓误差就是化学分析值与模型计 图1氩气含量随时间的变化 算值之间的绝对差 3.50 4 。计算值 3.00 0计算值 ·分析值 ·分析值 2.50 8 3 2.00 1.50 1.00 2 0.50 91-J3炉次 91-12炉次 0.00 0 5 101520253035 05 101520253035 吹炼时间/min 吹炼时间/min 图2碳含量分析值与计算值的比较 3.3误差分析与讨论 如上所述，实验误差为0.03%，高于文献[5]中报道的0.018%，但低于住友金属工业 公司得到的0.05%.影响预测精度的因素很多，下面对其中主要因素进行分析讨论 (1)滞后时间()的影响.起初参考日本在170t转炉上的试验结果，将滞后时间人为定为 30s.由于取样时刻与计算机设定时刻间存在人为差异，故其误差较大(0~0.12%)，如图4 和图5. (2)炉气逸出的影响.由于炉内处于微正压，吹炼过程中取样口又经常打开，烟罩与炉 口之间存在缝隙，炉气外逸，造成气相定碳误差.在大生产中，此项影响可以忽略不计 (3)喷溅的影响.试验在50kg感炉上进行.由于条件所限，氧枪不能自由升降，只凭经 验而定在恒定的位置.当操作不当时，就会发生喷溅，虽然在公式(2)中引人了校正，但发生 大喷时，公式还不能完全符合，因此会造成质量预测误差.图2a是91-12炉次实际碳含量和 计算碳之间的关系.由图可见，终点处二者相差较大，冶炼记录表明，该炉冶炼终点前发生 了大喷

王 存等 转炉 气相 定碳 的 热模拟研究 岁、吞之 分 析结 果 认 为 ， 炉 气 风 机及 样 气 抽 气泵能 力 匹 配 的方 案 最佳 ， 故 选 为 热 试 方 案 该 方 案 系 统 滞 后 时 间 为 实验结果 实 验 获 得 了较 为满意 的结果 图 和 图 由 图可 见 ， 化 学 分 析 值 在 整 个 吹 炼 期 间 内一 直 较 好 地 与 模 型 预 测 值 相 符 合 ， 误 差 平 均 为 所 谓 误 差 就 是 化 学 分 析 值 与 模 型 计 算值 之 间 的绝 对差 一 ︸了 ，‘八傀︸， …… 图 吹氢 时间 盆气含 随时间的变化 计算值 分析值 。 计 算值 分析值 犷岁、︹ 厂岁、口 一 炉次 一 炉次 吹炼时间 吹炼 时 间 图 碳含 分析值与计算值的 比较 误 差分析与讨论 如 上 所 述 ， 实 验 误 差 为 ， 高 于 文 献 〕 中报 道 的 ， 但 低 于 住 友 金 属 工 业 公 司得 到 的 影 响 预测 精度 的 因素很 多 ， 下 面 对其 中主要 因素进行分析讨论 滞后 时 间 的影 响 起 初参考 日本在 转 炉 上 的试验 结果 ， 将滞后 时 间人 为定 为 由于 取 样 时 刻 与计算 机设 定 时刻 间存在 人 为差 异 ， 故 其误 差 较大 一 ， 如 图 和 图 炉 气逸 出的 影 响 由于 炉 内处于 微 正 压 ， 吹炼 过 程 中取 样 口 又 经 常打开 ， 烟 罩 与 炉 口 之 间存在缝 隙 ， 炉 气外 逸 ， 造 成 气相 定碳 误 差 在大 生 产 中 ， 此 项 影 响可 以 忽 略不 计 喷溅 的影 响 试 验 在 感 炉 上 进 行 由于 条 件 所 限 ， 氧枪 不 能 自由升 降 ， 只 凭 经 验而 定 在恒定 的位 置 当操作 不 当时 ， 就 会 发 生 喷溅 ， 虽 然 在公 式 中引人 了 校 正 ， 但 发 生 大 喷 时 ， 公 式 还 不 能完全 符合 ， 因此 会造 成质量 预测 误差 图 是 一 炉 次实 际碳 含 量 和 计算碳 之 间 的 关 系 由 图可 见 ， 终 点处 二 者相 差 较 大 冶 炼 记 录 表 明 ， 该 炉 冶炼 终 点 前 发 生 了大 喷

·314· 北京科技大学学报 1996年No.4 wc(W"co-ixwg×dr-We)(W。-td)） (2) 式中dr为单位时间内的金属损失量， kg/min;wc为(t-l)时刻前钢中碳平均含 量. 此外，试验中代表炉气均匀程度的雷 2 诺数仅为400左右，可见炉气的紊流程度 较低，样气的代表性受到影响，在以后的 计算中必然会引入误差.但在大生产中， 2 3 由于炉气流速大而且温度高，处于强紊流 州C1分析/% 状态，此项误差可以忽略. 图3钢中碳含量计算值与分析值的关系 综上分析，几种因素都可以造成含碳 量计算值的误差，但是通过实验，证明滞后的影响可以减缓；在大生产中，喷溅的影响会因 炉子大而变小；炉气流速大、温度高，R数很大，取样位置及示踪气体的影响可以忽略，预 计可达到更高的气相定碳精度 3.00 2.50 。计算值 3 ·分析值 2.00 0 1.50 2 1.00 0.50 0.00 0 0.000.501.001.502.002.503.003.50 0 51015202530 州C分析/% 吹炼时间/min 图4钢中碳含量的分析值与计算值的关系 图5钢中碳含量随时间的变化 4结论 (1)利用质谱仪分析吹炼过程中的炉气成分，精度高、性能稳定. (2)利用合适的气相定碳模型，可连续准确地检测钢水中的含碳量.并可预报终点. (3)滞后时间和喷溅是气相定碳产生误差的主要原因.通过试验引入校正并尽可能地 减小滞后，可以消除滞后的影响.在大生产中，炉容量大，可减缓喷溅的影响. (4)试验气相定碳精度为0.03%，可满足生产的要求.实际生产中，因炉容量大，易于 控制，各种条件都比较稳定，预计气相定碳精度会大大提高. 参考文献 1高轮武志.V0D精炼工艺终点控制的开发.铁上钢，1987,73(11)：1956~1963 2福味纯一，利用废气信息开发复合吹炼控制系统.铁上钢，1990,76(11)：1956~1963 3齐田雄三.利用质谱仪控制和改善V0D吹氧工艺.日新制铁技报，1984,51：49~59

北 京 科 技 大 学 学 报 「〕 一 叽 。 一 〕 一 吸 叽 一 年 式 中 为 单 位 时 间 内 的 金 属 损 失 量 ， 为 一 时刻前 钢 中碳 平均 含 量 此 外 ， 试 验 中代 表 炉 气均 匀程 度 的 雷 诺数 仅 为 左 右 ， 可 见 炉 气 的紊 流 程 度 较 低 ， 样 气 的代 表 性 受 到 影 响 ， 在 以 后 的 计 算 中 必 然 会 引 人 误 差 但 在 大 生 产 中 ， 由于 炉 气 流 速 大 而 且 温 度 高 ， 处于 强 紊 流 状态 ， 此 项 误差 可 以 忽 略 综 上 分 析 几种 因 素 都 可 以 造 成 含 碳 … 攀、城书份。犷 分析 图 钢 中碳含 计算值与分析值的关系 量 计 算 值 的误差 但 是 通 过 实 验 ， 证 明滞后 的影 响可 以 减缓 在 大 生 产 中 ， 喷溅 的影 响会 因 炉 子 大 而 变 小 炉 气流 速 大 、 温度 高 ， 数很 大 ， 取样 位置 及示 踪 气体 的影 响可 以 忽略 ， 预 计 可 达到 更 高 的气相 定 碳 精度 求、未巨 犷求、举一礴︻ ‘ 几 丈芝 图 分析 钢 中碳含 的分析值与计算值的关 系 吹炼时 间 图 钢 中碳含里随时间的变化 结论 利 用 质谱仪分析 吹炼过 程 中的炉 气成分 ， 精度 高 、 性 能稳 定 利 用 合 适 的气相 定 碳模 型 ， 可 连续 准 确 地检 测 钢 水 中的含碳 量 并 可 预 报终 点 滞 后 时 间和 喷溅 是 气相 定碳 产 生 误 差 的 主 要 原 因 通 过 试 验 引 人 校 正 并 尽 可 能地 减小 滞后 ， 可 以 消除滞后 的影 响 在 大 生 产 中 ， 炉容量 大 ， 可 减缓 喷溅 的影 响 试 验 气相 定 碳 精 度 为 ， 可 满 足 生 产 的要 求 实 际 生 产 中 ， 因炉容 量 大 ， 易 于 控 制 ， 各 种 条件 都 比较稳 定 ， 预计气相 定碳 精度 会大 大提 高 参 考 文 献 高轮武志 精 炼工艺终点控制 的开 发 铁 七 钢 ， ， 一 一 福 味纯 一 利用 废气信息开 发复合吹炼控 制系 统 铁 七 钢 ， ， 一 齐田 雄三 利用 质 谱仪控制和 改 善 吹氧工 艺 日新 制铁技报 一

Vol.18 No.4 王存等：转炉气相定碳的热模拟研究 ·315· 4别所永康.将质谱仪用于转炉废气的分析的技术铁上钢，1989,75(4)：610~617 5千寻.利用废气信息开发吹炼控制技术.NKK技报，1989,129：1~8 6 Takawa T.Development of Danamic Control Model in a Converter.Transactions ISI,28(8):58~67 7 Fukumi J.Determining the Current Carbon Content in a Basic Oxygen Furnace.3rd Inter Oxygen Steelmaking Congress.The Institute of Metals,1990.168~174 8副岛利行.转炉控制技术.首钢科技情报，1987(2：12~17 9张鉴，佟福生，炉外精炼的气相定碳发的研究.沈阳国际喷射冶金和钢的精炼学术会议文集。沈阳：中 国喷射冶金协调委员会和辽宁金属学会，1988.6：1~6：10 Hot Model Investigation on Endpoint Carbon Control in Converters by Exhaust Gas Information Wang Cun Zhangjian Pan Gongping Tong Fusheng Li Jingshe Department of Metallurgy,USTB,Beijing 100083 ABSTRACT A dynamic mathematical model for determining carbon contents in a converters has been established and the experiment was carried out in a induction furnace with a capacity of 50 kg.Results are as follows:Contiuous analysis of exhaust gas content in a furnace by mass-spectrometer is accurate and quick.Flowrate of exhaust gas is calculated with high precision.Carbon contents in molten steel is calculated by the mathematicial model with a tolerance from 0 to 0.055%,and the average error of 0.03% during the whole blow process.Splashing is one of the factors which affect the accuracy of model estimation.In a practical production,with a larger furnace capacity and better condition,precision of the carbon content estimation will be improved to a large extent. KEY WORDS mass-spectrometer,delay,exhaust gas,converter

王存等 转炉 气相 定碳 的热模拟研究 别所永康 将质谱仪 用 于 转炉废气 的分 析的技 术 铁 七 钢 ， ， 一 千 寻 利 用 废气信息开 发吹炼控 制技术 技 报 ， ， 一 ， 一 ， 一 副 岛利 行 转炉 控 制技 术 首 钢科技情 报 ， 一 张 鉴 ， 修福 生 炉外 精炼 的气相 定碳 发 的研究 沈 阳 国 际喷射冶 金和 钢 的精 炼学术 会议文集 沈 阳 中 国 喷射冶金 协调 委 员会和 辽 宁金 属 学 会 ， 一 不 舒 ， ， 一 ， ， ， 一 ， ，