D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1998.05.009 第20卷第5期 北京科技大学学报 Vol.20 No.5 1998年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1998 LF.VD-CC过程中钢液温度控制模型 李 晶”傅杰)王平少毕其富2)王贵芝) 黄成钢2) 1)北京科技大学治金学院，北京，1000832)大冶特殊钢股份有限公司 摘要在分析LFVD-CC过程各阶段热平衡状况的基础上，开发了LFVD-CC过程中钢液温度控 制模型，用该模型模拟计算了LFVD-CC过程的温度变化.结果表明，该模型对预报过程钢水温 度，计算的命中率较高，可用于工业生产， 关键词LF:VD:钢液；温度控制：模型 分类号TF769.2 “八五”期间，为发展我国的电炉钢生产及炉外精炼技术，国务院生产办组织了“炉外精炼 一条龙重大科技攻关项目”，“钢包精炼炉”精炼过程热平衡模型的研究是其中的一个子课 题.本文是对大冶钢厂LF.VDCC生产实现工艺过程温度的目标控制，以满足连铸对锅液温 度的严格要求并达到节能降耗的目的. 1大冶钢厂LFVD-CC生产工艺简介 大冶钢厂LF-VD-CC生产工艺如图1所示， 电炉出钢 钢包吹氢 测温取样 送电加热 合金成分调整 测温取样 停氢吊往VD 人VD炉吹氩真空处理 成分微调 真空结束 钢包吊至连铸回转台 图1大冶钢厂LFVD-CC生产工艺简图 2LF-VD-CC热平衡模型 钢包处理的目的是为了满足连铸对钢水温度和成分的要求，处理过程的温度控制就是要 尽量满足连铸台钢水温度的要求，在钢水成分、钢量、渣量已知的条件下，加热过程的供电功 率、真空时间是达到对LFVD-CC过程钢水温度控制的最基本控制因素. 过程起点：钢包人LF炉的加热工位第1次测温.过程终点：钢包到达连铸台. 2.1LF过程钢包热平衡 LF炉热平衡范围（研究体系的边界）：钢包炉炉体外壳、炉盖外壳和电极 (1)热支出项. 1997-10-25收稿 李品男，31岁，博士生 ◆国家“八五”攻关项目
第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 阮 一 一 过程 中钢液温度控制模型 李 晶 ‘ 傅 杰 ’ 王 平 ’ 毕其 富 王 贵芝 黄成钢 北京科技大学冶金学 院 ， 北京 ， 大 冶特殊 钢股份 有 限公 司 摘要 在分析 一 过程各阶段热平衡状 况 的基础 上 ， 开发 了 一 一 过 程 中钢液温度 控 制模 型 用 该模 型模拟计算了 一 过程 的温度 变化 结果 表 明 ， 该模型 对预 报过程 钢 水温 度 ， 计算的命 中率较高 ， 可用于工业生产 关锐词 钢液 温度控制 模型 分类号 “ 八五 ” 期 间 ， 为发展我 国的 电炉钢生产及 炉外精炼技术 ， 国务 院生 产办组织 了 “ 炉外 精炼 一 条龙 重 大 科 技 攻 关项 目 ” ， “ 钢包精炼 炉 ” 精炼过 程 热 平 衡 模 型 的研 究是 其 中的 一 个 子 课 题 本文是 对大冶钢厂 一 一 生 产实现工 艺过程 温 度 的 目标控 制 ， 以 满足 连铸 对钢 液 温 度 的严格要 求并达到节能降耗的 目的 大冶钢厂 一 生产工艺简介 大 冶 钢厂 一 生产工 艺如 图 所示 电炉 出钢 日 钢包吹， 日 ， 取样 卜 送 电加热 卜 合金成分调整 卜 测温取样 图 大冶钢厂 〔 生产工艺简图 一 一 热平衡模型 钢包处理 的 目的是 为了满足 连铸对钢水温度和成分 的要求 ， 处理 过程 的温度控 制就是要 尽 量 满足 连 铸台 钢水温度 的要 求 在钢水成分 、 钢量 、 渣 量 已 知 的条件 下 ， 加 热过 程 的供 电功 率 、 真 空 时间是 达到对 一 一 过程 钢水温度控制 的最基本控 制 因素 过程起 点 钢包人 炉 的加热工位第 次测温 过程 终点 钢包到达连铸台 过程钢包热平衡 炉热平衡 范围 研究体系 的边界 钢包炉炉体外 壳 、 炉盖外壳和 电极 热支 出项 一 一 收稿 李 晶 男 ， 岁 ， 博 士 生 国家 “ 八 五 ” 攻 关项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．05．009
·442· 北京科技大学学报 1998年第5期 1)炉体表面散热(Q).包括炉体表面的幅射和对流散热.由于炉体各部位表面热流不相 等，应分部计算，然后累加 2)炉体耐火材料的蓄热(Q).按炉内不同材质分别计算耐火材料的蓄热量，然后求和.同 时还要考虑钢包使用次数不同造成的影响因素.包衬耐火材料温度及包壁温度由二维不稳态 传热模型算出. 3)烟气、烟尘带走的热量(2).冶炼过程加料及加料后产生的化学反应，以及混入空气产 生的烟尘和烟气，这两者带出一部分热量， 4)氩气带走的热量(2).氩气由钢包底部的透气砖吹人钢水中，在溢出钢水之前是一 个吸热升温过程. 5)炉盖冷却水带走的热量(Qw).由多条水路组成的水冷炉盖，每条水路进出口水温差不 相等，分别计算后累加 6)电弧热量损失(Q).显露于钢液面上的电弧长度是造成弧功率损失的主要原因山，使 弧功率不能完全用来加热 把以上6项归为热损失项，则2为： Com=eLr+eLR+eLc+eur+eiw+eu (2)热收人项. 1)电极供热(2)LF炉热主要由电极电弧供热. 2)炉渣的形成热(Qs).基于脱s和吸收夹杂的目的，在LF冶炼过程中要加人渣料，主要为 CaO,CaF,及脱S剂（即CaO90%,CaF,l0%),在形成炉渣过程中放出的热. 以上2项归为热收入项(2)，则Qn为： ein=e+est (3)合金加入引起的热量变化Q· 合金加人到钢液后，首先是吸热升温并进行相变，这是个物理吸热过程；之后合金中元素 溶于钢水中并与钢液中元素发生化学反应，视不同的合金，产生吸热或放热.这样加入的合金 有可能吸热，使熔池温度降低；也有可能放热，使熔池温度升高.但是在精炼过程中所进行的 化学反应不强烈，其热效应占总热量的比例很小，有时可忽略不计.因而加人合金时一般只 考虑其物理过程.一般认为，加人合金是用来化学加热和脱氧时，温度变化为正，其他情况温 度变化为负. (4)钢水及渣的蓄热量， 在LF炉内，由于氩气的搅拌，钢-渣间具有良好的传热条件，可认为钢、渣温度相等，故单 位时间内钢渣蓄热量为： 2u=(Gsr·Csr+GsL·csL)·(Td-Tm) 式中：GsT为钢水质量，kg;csr为钢水平均的比热容，840J/mi·kg·K):GsL为渣的质量，kg; cs为渣的平均比热容，一般取2090J(min·kg·K);T为前一时刻钢水温度，K;T为后一 时刻钢水温度，K. (5)系统热平衡. 2u=2n-2ut干Qy 整理，得：
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 炉 体表 面 散 热 包括 炉 体表 面 的 幅射 和 对流 散热 由于 炉体各 部 位表 面热流不相 等 ， 应 分部计算 ， 然 后 累加 炉体耐 火材 料 的蓄 热 户按 炉 内不 同材 质分别 计算 耐火 材料 的蓄 热量 ， 然后求和 同 时还要 考虑钢 包使用 次数不 同造成 的影 响 因素 包衬 耐 火材 料 温度 及 包壁 温度 由二 维不 稳态 传热模 型 算 出 烟 气 、 烟 尘 带走 的热量 冶炼过 程加 料 及加 料 后 产生 的化 学反 应 ， 以 及混人 空气产 生 的烟 尘 和烟 气 ， 这 两者带 出一部分 热量 氢 气带走 的 热量 氢 气 由钢 包底 部 的透 气 砖 吹人 钢 水 中 ， 在 溢 出钢 水 之 前是 一 个 吸热 升温 过 程 炉 盖 冷却 水带走 的热量 由多 条 水路 组成 的水 冷 炉 盖 ， 每 条 水 路 进 出 口 水温 差 不 相等 ， 分别 计算 后 累加 电弧 热 量 损 失 显露 于 钢 液 面 上 的 电弧 长度 是 造成 弧 功 率损失 的主要 原 因川 ， 使 弧 功 率不 能完 全 用来加 热 把 以 上 项 归为热损失项 ， 则 。 为 。 以 二 · 热收人 项 电极供热 矽 炉 热主要 由电极 电弧供热 炉 渣 的形 成 热 ， 基 于脱 和 吸 收夹杂 的 目的 ， 在 冶炼过程 中要加人渣料 ， 主要 为 ， 及脱 剂 即 ， ， 在形成炉渣 过程 中放 出的热 · 以 上 项 归 为热 收人项 ， 则 ， 为 ， ， ， · 合金 加人 引起 的热量 变化 ， 合金 加 人到 钢液后 ， 首先是 吸热 升温并 进行相 变 ， 这是个物理 吸热过程 之 后 合金 中元 素 溶于 钢水 中并 与钢 液 中元 素发 生化学反 应 ， 视不 同的合金 ， 产生 吸热或放 热 这样 加 人 的合 金 有 可 能 吸 热 ， 使熔 池 温 度 降低 也有 可 能放 热 ， 使熔 池 温 度 升高 但 是 在 精炼 过 程 中所 进 行 的 化 学反 应 不 强 烈 ， 其 热效应 占总热量 的 比例很小 ， 有 时可 忽略不 计 因而 加 人 合金 时一 般 只 考 虑 其物 理 过程 一般 认 为 ， 加人合金 是 用来 化 学 加 热和 脱 氧 时 ， 温度 变 化 为正 ， 其他 情 况温 度变化 为 负 钢 水及渣 的蓄 热量 在 炉 内 ， 由于 氢气 的搅拌 ， 钢 一 渣 间具 有 良好 的传 热条 件 ， 可 认 为钢 、 渣温 度 相 等 ， 故单 位 时 间 内钢 渣 蓄 热量 为 · 。 · · 一 凡 ， 式 中 ， 为 钢 水 质量 ， 为钢 水平均 的 比热容 ， · · ’ ， 为渣 的质量 ， 。 ， 为渣 的平 均 比热容 ， 一般取 · · ， ，为 前一 时刻钢水 温度 ， 。 为后一 时刻钢 水 温 度 ， 系 统热平衡 ，。 一 干 ， 整 理 ， 得
Vol.20 No.5 李晶等：LFVD-CC过程中钢液温度控制模型 ·443· Qn-2or干Qy (Gsr·csr+GsL·cs) 此式即为计算LF炉内钢液某时刻温度值的理论表达式， 2.2LF-VD过程钢包热平衡 LF-VD过程钢包热平衡范围（研究体系的边界）：钢包炉炉体外壳和渣表面. (1)热支出项： 1)炉体表面散热(2：2)炉体耐火材料的蓄热(2)；3)渣表面的辐射散热(Q)；4)渣表面 对流散热(Qo 由以上4式可得总热支出项为： Cou=eLT+OLR+en+2co (2)热收人项： Qn=0. (3)LFVD过程热平衡： 2.=2o+2sT+2sL' 此过程中钢水温度和渣温度相差较大. 2.3VD过程钢包热平衡 VD过程钢包热平衡范围（研究体系的边界）：钢包炉炉体外壳，渣表面， (1)热支出项： 1)炉体表面散热（但方2）炉体耐火材料的蓄热(Q:3)渣表面的辐射散热(2；4)渣表面 对流散热(Qco:5)氩气带走的热量(Q). VD过程总热损失为： Cou=eLr+eLR+er+eco+LAr (2)热收人项： 2m=0. (3)VD过程热平衡 in=Cout +2u 将单位时间内钢渣蓄热量代人，并整理得： -eout Ts=T+(Gsrc+Gr·cs） 此式即为计算VD过程钢液某时刻温度值的理论表达式， 2.4VD-CC过程钢包热平衡 VD-CC过程的热平衡同LF-VD过程. 3LF-VD-CC过程温度控制模型的计算 在现场做了大量的实验研究，避开了不可测参数对模型的影响，开发了在现有设备上进 行温度控制的模块化程序.程序框图略.此应用程序可在不与基础自动化连接的条件下，模拟 LF-VD-CC治炼过程，显示熔池温度变化，对不需真空处理的钢种也可单独模拟LF冶炼过 程，报告温度变化 (1)模型计算中输人参数.包括：钢种；人LF炉钢水重量及熔渣重量；钢包人LF加热工位
李晶等 过程 中钢液温度控制模型 二 凡 。 一 干 ， · 。 · 此式 即 为计算 炉 内钢 液某 时刻温度值 的理 论表 达式 过程钢包热平衡 一 过程钢 包热平衡 范 围 研究体系 的边界 钢 包炉 炉体外 壳和 渣 表 面 热支 出项 炉体表面散热 炉体耐火材料 的蓄 热 渣 表 面 的辐射散热 渣 表 面 对流 散热 动 · 由以上 式 可得总热支 出项为 。 。 。 。 · 热收人项 二 · 一 过程热平衡 。 。 。 丁 ， 此过程 中钢水温度和渣温度相差较大 过程钢包热平衡 过程 钢包热平衡范 围 研究体系 的边界 钢 包炉 炉体外 壳 ， 渣 表 面 热支 出项 炉体表 面散热 炉体耐火材料 的蓄热 级办 渣 表 面 的辐射 散热 渣 表 面 对流散热 亦 氢气带走 的热量 过 程总 热损失为 热 收人项 过程 热平衡 。 二 口 、 · 二 。 。 。 ， · 将单位 时间内钢渣蓄热量代人 ， 并整理得 兀 。 凡 一 · · 此式 即 为计算 过程钢液某 时刻温度值 的理 论 表 达式 一 过程钢包热平衡 一 过程 的热平衡 同 一 过 程 一 一 过程温度控制模型 的计算 在 现场做 了大量 的实验研究 ， 避 开 了不 可 测 参数 对模 型 的影 响 ， 开 发 了在 现有设 备上 进 行温度控制 的模 块 化程序 程序框 图略 此应 用程序可 在 不 与基 础 自动化 连接 的条件下 ， 模拟 一 一 冶 炼 过 程 ， 显 示 熔 池 温 度 变 化 ， 对不 需 真 空 处 理 的钢 种 也 可 单 独 模 拟 冶 炼 过 程 ， 报告 温度 变 化 模 型 计算 中输人 参数 包括 钢种 人 炉 钢 水重 量 及 熔渣 重 量 钢 包人 加热工 位
·444 北京科技大学学报 1998年第5期 第1次测温值：合金加人量；合金收得率；吹氩量；弧功率 (2)模型输出参数.它包括：时间，钢水温度. 4LFVD-CC模型计算结果 在温度不校正的情况下模拟了几10炉LFVD-CC过程的温度变化.表1炉号为67D1268 现场测量值与模型计算值；图2模拟计算了炉号为67D1268生产过程温度变化情况，同时与现 场测量值进行了比较. 表1炉号为67D1268温度测量值与模型计算值 测温时间（时：分） 14:17 14:45 15:04 15:11 15:21 15:46 16:37 工位 (LF) (LF) (L月 (LF) (LF) (VD) (VD) 测量值/℃ 1527.01536.0 1536.0 1601.0 1591.5 1569.0 1492.0 计算值/℃ 1527.01531.7 1588.8 1600.7 1591.9 1566.4 1490.9 LF过程 LF-VD VD过程 1600 1570 1540 1510 1480 1450 14:1714:37 14:5715:17 15:3715:57 16:1716:37 /时：分 图2现场测量值与计算值比较 曲线一模拟计算结果；圆点一实测值 5结论 (1)模型计算命中率较高，误差基本在±5℃范围内，可在工业生产中推广， (2)降低吨钢成本，提高钢水质量.通过钢水温度的预报，可减少测温枪的使用，缩短LF 炉冶炼的时间；可避免钢水过分加热，不必要地消耗电能；同时测温次数减少，有利于减少热 量损失，从而达到节电的目的， (3)通过钢水温度的预报，可有效地控制钢包出真空罐的时间，延长氩气弱搅拌时间，促 进夹杂的上浮去除
科 · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 第 次测 温值 合金 加人量 合金 收得 率 吹氢 量 弧功率 模型 输 出参数 它 包括 时 间 ， 钢水温度 一 一 模型计算结果 在 温度 不 校 正 的情 况 下 模 拟 了几 炉 一 一 过 程 的温度 变 化 表 炉 号 为 现场测 量值 与模型计算值 图 模 拟计算 了炉号 为 生产过程 温度 变化情 况 ， 同时 与现 场测 量值进行 了 比较 表 炉号为 温度测 值与模型计算值 测温时间 时 分 工位 均 测量值 ℃ 刃 计算值 ℃ 过程 过程 ︶‘悦气 尸︵︶︸︸ 时 分 图 现场测 值与计算值 比较 曲线一模拟计算结果 圃点一实测值 结论 模 型计算命 中率较高 ， 误差 基 本在 士 ℃ 范 围 内 ， 可 在工 业生产 中推广 降低 吨钢 成 本 ， 提 高钢 水 质 量 通 过 钢 水 温 度 的预 报 ， 可 减 少 测 温枪 的使用 ， 缩 短 炉冶炼 的 时 间 可 避 免 钢 水 过分 加 热 ， 不 必 要 地 消耗 电能 同时测 温 次数减 少 ， 有利 于 减 少热 量 损失 ， 从而 达到 节 电的 目的 通 过 钢 水温 度 的 预 报 ， 可 有 效地 控 制 钢 包 出真 空 罐 的时 间 ， 延 长氢气 弱搅拌 时 间 ， 促 进夹杂 的上 浮 去 除
Vol.20 No.5 李晶等：LF-VD-CC过程中钢液温度控制模型 ·445· 参考文献 1徐增启主编.炉外精炼.北京：冶金工业出版社，1994 2蒋国昌著纯净钢及二次精炼.上海：上海科学技术出版社，199 3彼格子耶夫AM著.炼钢过程的数学描述与计算.宗联枝译，北京：冶金工业出版社，1988 Liquid Steel Temperature Control Model of LF-VD-CC Process Li Jing Fu Jie Wang Ping Bi Qifu2 Wang Guizhi2)Huang Chenggang? 1)Metallurgy School,UST Beijing.BeiJing 100083,China 2)Daye Specaial Steel Corp Ltd ABSTRACT Base on the analysis of heat balance of LF-VD-CC process,the liquid steel temperature control model has been developed.The results of simulated calculation melt temperature in LF-VD-CC process show that the liquid steel temperature control model has high hitting ratio for predicting the process temperature. KEY WORDS LF;VD;liquid steel;temperature control;model 子中中中中中中中中中中中中中中平中中中中中中中中中中平中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中平平 One-Dimensional Fractal Curves and Fractal Dimension Determination Oikai Li,Yue Zhang,Wuyang Chu Applied Science School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Various methods for evaluating the fractal curves were reviewed and silated on computer.It is shown box-counting and power spectrum methods generally give poor measuring results,while yard and variation methods could obtain good results. However,owing to multiple influencing factors,further study needs to be done before widespread application of variation method.In order to improve the measuring accuracy of yard method,a new method has been proposed to measure the fractal dimension by changing the instrumental resolutions. KEY WARDS fractal;fractal dimension;computer simulation (from:Journal of University of Science and Technology Beijing (English Edition),1998,5(3):165) 中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中小中中中中中平中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中中
李 晶等 〕 过程 中钢液温 度控制模 型 参 考 文 献 徐增启主编 炉外精炼 北京 冶金工 业 出版社 ， 蒋国 昌著 纯净钢及二次精炼 上 海 上海科学技术 出版社 ， 彼格子耶夫 著 炼钢过程 的数学描述 与计算 宗联枝 译 北京 冶金工 业 出版社 ， 一 一 ‘ 肠 ， 沙 ， 肠 五 貂 ， ， ， 一 一 ， 叮 一 一 中 于十十今 一 ， 及 ， 州妙 ， 币 一 ， 一 ， 一 ， ， ， 丑 今 ，
