基于废气分析的RH脱碳模型

D0L:10.13374f.issn1001-053x.2011.s1.010 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 基于废气分析的RH脱碳模型 林 路2包燕平12)岳峰》王敏12) 欧洪林引 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)北京科技大学冶金工程研究院，北京100083 通信作者，E-mail:baoyp@ust山.cdu.cn 摘要为连续预测RH熔池内碳含量，实现对RH脱碳终点碳含量控制，以物质C平衡为基础，通过对某钢厂250tRH废气 分析系统分析的废气流量以及废气中CO、CO2含量进行连续监控，建立了基于废气分析的RH脱碳数学模型.该模型计算表 明：对于治炼成品中碳质量分数≤30×10~6的超低碳钢，模型计算RH脱碳终点碳质量分数误差都在±5×10~6之间：在RH 脱碳后期，废气中C0+C02质量分数低于5%时，熔池内脱碳速率低于10-6mi',此时可判定脱碳结束.同时结合现场工艺 条件分析了压降平台以及吹氧操作对RH脱碳速率的影响 关键词炼钢：精炼：脱碳：数学模型 分类号T℉769.4 RH decarburization model based on off-gas analysis LIN L).BAO Yan-ping YUE Feng,WANG Min OU HongHlin 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 3)Engineering Research Institute,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:baoyp@ustb.edu.cn ABSTRACT In order to continuously forecast the carbon content in a RH molten bath and control the carbon content at the RH termi- nal point,the off-gas flow rate was analyzed and the content of CO+CO in the off-gas was monitored continuously.Based on carbon balance calculations,a decarburization mathematical model was established for the 250t RH in a steel plant.Calculation results from the model showed that the precision of carbon content at the end point of RH treatment was t5x10for ultra-low-carbon steel ([C] 30 x10).When the content of CO+CO2 in the off gas was lower than 5%in the late period of RH decarburization,the decarburi- zation rate was lower than 10 min-,so decarburization could be determined to finish.In combination with site technological condi- tions,the effects of the pressure drop platform and oxygen blowing operation on the RH decarburization rate were studied. KEY WORDS steelmaking:refining:decarburization:mathematical models RH真空精炼装置以其良好的脱碳能力成为 检测，通过连续测量废气成分及流量，间接推定 国内外生产超低碳钢普遍采用的手段之一·而对 熔池内碳含量的废气分析技术应运而生.目前， 于此类超低碳钢的应用来说，开发一种监控RH 废气分析逐渐应用于RHa-、VOD8、转炉[9山 钢液含碳量的动态变化和实时脱碳速度系统极 以及电弧炉12)等过程，取得了较好的控制效 为重要).在钢铁工业领域中，至今尚无直接测 果；但基于废气分析的RH在线脱碳模型的研究 量钢水中碳含量的方法，在RH脱碳过程中，一 报道很少 般是根据现场操作经验和模型来控制脱碳过程， 本文是以某钢厂RH冶炼超低碳钢的脱碳过程 其脱碳结果只有在取样化验后才能获得，这无疑 为研究对象，建立了基于废气分析的RH脱碳数学 降低了终点碳命中率以及延长了精炼时间，给钢 模型，通过冶炼过程中废气分析来连续推定钢包中 铁生产效率、产品质量以及能源和物质消耗带来 碳含量，提高终点碳含量命中率，为现场生产提供了 严重影响2].因此，对炼钢过程中的废气进行 有力的指导. 收稿日期：201108-20

第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 基于废气分析的 RH 脱碳模型 林 路1，2) 包燕平1，2) 岳 峰3) 王 敏1，2) 欧洪林3) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083 通信作者，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn 摘 要 为连续预测 RH 熔池内碳含量，实现对 RH 脱碳终点碳含量控制，以物质 C 平衡为基础，通过对某钢厂 250 t RH 废气 分析系统分析的废气流量以及废气中 CO、CO2含量进行连续监控，建立了基于废气分析的 RH 脱碳数学模型． 该模型计算表 明: 对于冶炼成品中碳质量分数≤30 × 10 － 6 的超低碳钢，模型计算 RH 脱碳终点碳质量分数误差都在 ± 5 × 10 － 6 之间; 在 RH 脱碳后期，废气中 CO + CO2质量分数低于 5% 时，熔池内脱碳速率低于 10 － 6 min － 1 ，此时可判定脱碳结束． 同时结合现场工艺 条件分析了压降平台以及吹氧操作对 RH 脱碳速率的影响． 关键词 炼钢; 精炼; 脱碳; 数学模型 分类号 TF769. 4 RH decarburization model based on off-gas analysis LIN Lu1，2) ，BAO Yan-ping1，2) ，YUE Feng3) ，WANG Min1，2) ，OU Hong-lin3) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) Engineering Research Institute，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn ABSTRACT In order to continuously forecast the carbon content in a RH molten bath and control the carbon content at the RH termi￾nal point，the off-gas flow rate was analyzed and the content of CO + CO2 in the off-gas was monitored continuously． Based on carbon balance calculations，a decarburization mathematical model was established for the 250 t RH in a steel plant． Calculation results from the model showed that the precision of carbon content at the end point of RH treatment was "5 × 10 － 6 for ultra-low-carbon steel ( w［C］ ≤30 #10 － 6 ) ． When the content of CO + CO2 in the off gas was lower than 5% in the late period of RH decarburization，the decarburi￾zation rate was lower than 10 － 6 min － 1 ，so decarburization could be determined to finish． In combination with site technological condi￾tions，the effects of the pressure drop platform and oxygen blowing operation on the RH decarburization rate were studied． KEY WORDS steelmaking; refining; decarburization; mathematical models 收稿日期: 2011--08--20 RH 真空精炼装置以其良好的脱碳能力成为 国内外生产超低碳钢普遍采用的手段之一． 而对 于此类超低碳钢的应用来说，开发一种监控 RH 钢液含碳量的动态变化和实时脱碳速度系统极 为重要［1］． 在钢铁工业领域中，至今尚无直接测 量钢水中碳含量的方法，在 RH 脱碳过程中，一 般是根据现场操作经验和模型来控制脱碳过程， 其脱碳结果只有在取样化验后才能获得，这无疑 降低了终点碳命中率以及延长了精炼时间，给钢 铁生产效率、产品质量以及能源和物质消耗带来 严重影响［2--3］． 因此，对炼钢过程中的废气进行 检测，通过连续测量废气成分及流量，间接推定 熔池内碳含量的废气分析技术应运而生． 目前， 废气分析逐渐应用于 RH［4--7］、VOD［8］、转炉［9--11］ 以及电弧炉［12--13］ 等过程，取得了较好的控制效 果; 但基于废气分析的 RH 在线脱碳模型的研究 报道很少． 本文是以某钢厂 RH 冶炼超低碳钢的脱碳过程 为研究对象，建立了基于废气分析的 RH 脱碳数学 模型，通过冶炼过程中废气分析来连续推定钢包中 碳含量，提高终点碳含量命中率，为现场生产提供了 有力的指导． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.010

增刊1 林路等：基于废气分析的RH脱碳模型 21· 析的RH脱碳数学模型.该厂RH炉公称容量为 1 RH脱碳模型研究基础 250t,平均出钢量270t,采用双工位，吹氧与否视钢 1.1RH基本参数 液温度以及碳含量而定.该钢厂与国内外著名厂家 针对某钢厂250tRH精炼炉建立了基于烟气分 RH精炼设备基本参数见表1. 表1RH设备基本参数[4 Table 1 Parameters of RH vacuum degasser[4 参数 某钢 迁钢☒ 君津2# 水岛4# 钢包容量L 250 210 300 250 真空室内径/mm 2322 2138 2420 2500 浸潢管内径/mm 750 650 750 750 真空抽气能力(67Pa)(kgh) 1100 750 1000 1000 最大提升气体流量/(L·minl) 4000 2000 4000 5000 RH的脱碳能力主要取决于其装备水平，生产 1.3基于烟气分析的RH脱碳模型的建立 超低碳F钢必须采用强大高效的RH装置.由表1 基于烟气分析的RH在线脱碳模型根据红外分 可知，该钢厂的RH精炼炉与国外著名钢企相比其 析仪和气体流量计连续测定的烟气成分、废气流量， 设备处于国际先进水平，完全满足生产超低碳F钢 结合RH入炉原料质量和成分等生产数据，根据物 的要求. 料平衡原理，通过模型能连续预测RH真空处理过 1.2RH废气分析系统的建立 程中脱碳速度和RH精炼炉内当前碳含量，实现RH 在H脱碳过程中流经烟气管道的废气一般由 终点碳含量实时监控.基于烟气分析的RH在线脱 C0、02、C02、N2和Ar气体组成，其中，C0和C02是 碳模型控制图如图2所示.应用VB语言结合数据 反应产生气体，N2由漏气带入，含量很少，Ar是RH 库语言，将基于烟气的RH脱碳模型编制成RH真 循环流动提升气体.烟气分析系统是建立本脱碳模 空脱碳模拟软件，并应用于现场生产 型的基础，主要包括烟气取样探头、红外分析仪、 PLC和计算机等，其控制示意图如图1所示.废气 开始 保存模型计党值 通过取样探头，连续从废气管道中提取废气样本，在 清除粉尘和水分之后，将废气样送到气体分析系统， 前台模型券而制新 利用红外分析仪连续测定烟气中02、C0和C02含 判开始脱碳 =+△ 量，同时通过安装在废气管道上的气体流量计连续 不断地测定流经管道的废气流量.红外气体分析仪 采集时刻咬气 是今达到相标碳含量 流坐和含型 每隔10s分析一组烟气成分数据，将测得的数据经 t PLC转换后传输到计算机中存储并显示分析相应 模型计分，推定当前 达到月标碳含世业提示 数据 碳含量和脱碳速华 控制空 结束 图2RH脱碳模型控制原理图 Fig.2 Control schematic diagram of the RH decarburization model 1.4RH脱碳模型的数学描述 本试验厂由于设备限制，只能采用红外分析仪 配合气体流量计来分析废气成分和流量.基于烟气 器 分析脱碳模型根据C平衡，RH脱碳速度可以表 净化系统 示为 =(+罗) 100QA (1) 图1RH废气分析系统框架图 Fig.I Functional block diagram of the RH off-gas analysis system 式中，Pco2pco分别为废气中C02和C0的质量分

增刊 1 林 路等: 基于废气分析的 RH 脱碳模型 1 RH 脱碳模型研究基础 1. 1 RH 基本参数 针对某钢厂250 t RH 精炼炉建立了基于烟气分 析的 RH 脱碳数学模型． 该厂 RH 炉公称容量为 250 t，平均出钢量 270 t，采用双工位，吹氧与否视钢 液温度以及碳含量而定． 该钢厂与国内外著名厂家 RH 精炼设备基本参数见表 1． 表 1 RH 设备基本参数［14］ Table 1 Parameters of RH vacuum degasser ［14］ 参数 某钢厂 迁钢［2］ 君津 2# 水岛 4# 钢包容量/t 250 210 300 250 真空室内径/mm 2 322 2 138 2 420 2 500 浸渍管内径/mm 750 650 750 750 真空抽气能力 ( 67 Pa) /( kg·h － 1 ) 1 100 750 1 000 1 000 最大提升气体流量/( L·min － 1 ) 4 000 2 000 4 000 5 000 RH 的脱碳能力主要取决于其装备水平，生产 超低碳 IF 钢必须采用强大高效的 RH 装置． 由表 1 可知，该钢厂的 RH 精炼炉与国外著名钢企相比其 设备处于国际先进水平，完全满足生产超低碳 IF 钢 的要求． 图 1 RH 废气分析系统框架图 Fig． 1 Functional block diagram of the RH off-gas analysis system 1. 2 RH 废气分析系统的建立 在 RH 脱碳过程中流经烟气管道的废气一般由 CO、O2、CO2、N2和 Ar 气体组成，其中，CO 和 CO2是 反应产生气体，N2由漏气带入，含量很少，Ar 是 RH 循环流动提升气体． 烟气分析系统是建立本脱碳模 型的基础，主要包括烟气取样探头、红外分析仪、 PLC 和计算机等，其控制示意图如图 1 所示． 废气 通过取样探头，连续从废气管道中提取废气样本，在 清除粉尘和水分之后，将废气样送到气体分析系统， 利用红外分析仪连续测定烟气中 O2、CO 和 CO2 含 量，同时通过安装在废气管道上的气体流量计连续 不断地测定流经管道的废气流量． 红外气体分析仪 每隔 10 s 分析一组烟气成分数据，将测得的数据经 PLC 转换后传输到计算机中存储并显示分析相应 数据． 1. 3 基于烟气分析的 RH 脱碳模型的建立 基于烟气分析的 RH 在线脱碳模型根据红外分 析仪和气体流量计连续测定的烟气成分、废气流量， 结合 RH 入炉原料质量和成分等生产数据，根据物 料平衡原理，通过模型能连续预测 RH 真空处理过 程中脱碳速度和 RH 精炼炉内当前碳含量，实现 RH 终点碳含量实时监控． 基于烟气分析的 RH 在线脱 碳模型控制图如图 2 所示． 应用 VB 语言结合数据 库语言，将基于烟气的 RH 脱碳模型编制成 RH 真 空脱碳模拟软件，并应用于现场生产． 图 2 RH 脱碳模型控制原理图 Fig． 2 Control schematic diagram of the RH decarburization model 1. 4 RH 脱碳模型的数学描述 本试验厂由于设备限制，只能采用红外分析仪 配合气体流量计来分析废气成分和流量． 基于烟气 分析脱碳模型根据 C 平衡，RH 脱碳速度可以表 示为 ν = ( φCO 14 + φCO2 ) 22 · 100QA Wsteel ( 1) 式中，φCO2 、φCO 分别为废气中 CO2 和 CO 的质量分 ·21·

·22· 北京科技大学学报 第33卷 数，W为钢水质量()，Q,为废气流量(kgh),v 花 10000 为脱碳速度(10-6min). off-gas 8000 有些炉次由于温度较高等原因，在RH过程中 40 会加入废钢、锰铁等而带入部分碳，根据入RH炉总 6000 碳含量与累计脱碳量，可计算出t时刻熔池内碳含 4000 量为 20 吹河 C02 2000 (2) 0 200 400600800100012001400 Co=Cm+10×” Wscrap Cmp+WMnFe CMaFe (3) RH处理时间/s 图3H处理过程中第1炉次废气流量及成分变化 式中，C。为H入炉总碳含量，Ca为RH到站初始 Fig.3 Flow rate and composition of the off-gas in the Ist fumace 碳含量，Cm为废钢中碳的质量分数，Cf.为锰铁中 during RH treatment 碳的质量分数，C为脱碳t时刻推定碳含量，Q为 提升气体氩气流量(L·min-l),Wa.为RH过程中 70 10000 off-gas 加入的锰铁量(kg),Wp为RH过程中加入的废钢 60 8000 量(kg),专为修正系数. 50 6000 质谱仪分析速度快，分析的组分多，同时分析的 精度高，能在数秒之内给出C0、CO2、O2、H2、He、 30 4000 N2、Ar和H20等八种气体成分的含量.因此，在炼 2000 钢过程废气分析中也经常用到.对于质谱仪分析， CO, 可根据氨平衡和氩平衡，由提升气体流量反推出废 0 0 200400600800100012001400 气流量Q,不需要气体流量计来测量废气流量，如 RH处理时间s 下式： 图4H处理过程中第2炉次废气流量及成分变化 8.07Q Fig.4 Flow rate and composition of the off-gas in the 2nd fumace Q=75.4p-1.289: (4) during RH treatment 式中，Q为提升气体氩气流量(Lmin-),p,和Pu 分别为废气中N,和Ar的质量分数. 3000 1000 采用红外分析仪不能测出废气中N2、Ar成分， 900 2800 800 2600 废气流量Q是由气体流量计测出，存在一定误差. 700 00 2 相较于质谱仪废气分析系统建立的脱碳模型，其精 600 第2炉次真空室压力 2200 500 第1炉次真空室压力 度稍差. 2000 400 第2炉次提升气体流量 由于废气分析系统每10s更新一次烟气成分与 第1炉次提升气体流量 300 1800 流量，故该模型每隔10s推定一次熔池中碳含量，实 200 1600 100 1400 现对RH中碳含量的连续预报 1200 200 400600800100012001400 2RH脱碳模型的验证 RH处理时间s 图5H真空室压力和提升气体流量变化 首先利用自动化部门采集的H脱碳过程中相 Fig.5 Variations in pressure and lifting gas flow rate of the RH vac- 关信息变化曲线进行分析.图3和图4分别显示了 uum chamber 典型的H吹氧强制脱碳和自然脱碳条件下废气流 量及废气中C0和CO,含量随RH处理时间的变化. 空度（如图5所示）.冶炼开始时废气中C0含量正 图5给出了相对应两试验炉次H处理过程中真空 处在上升期，150s时吹氧开始，二次燃烧剧烈，使废 室压力和提升气体变化曲线. 气中C0含量逐渐下降直至趋近于零，此时CO2逐 从图3和图5可以看出，TOP吹氧强制脱碳第 渐上升并达到最大值，直至300s吹氧结束，随后 1炉次开抽230s后真空室压力降至10000Pa左右， 380s提升气体流量达到最大且真空室压力进一步 在190~310s时出现压降平台，420s后达到极限真 降低并达到极限真空度(67P),C-0反应剧烈，C0

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 数，Wsteel为钢水质量( t) ，QA 为废气流量( kg·h － 1 ) ，ν 为脱碳速度( 10 － 6 min － 1 ) ． 有些炉次由于温度较高等原因，在 RH 过程中 会加入废钢、锰铁等而带入部分碳，根据入 RH 炉总 碳含量与累计脱碳量，可计算出 t 时刻熔池内碳含 量为 C( t) = C0 － ξ ∫ T ( 0 dC d ) t dt ( 2) C0 = Cini + 10 × WscrapCscrap + WMnFeCMnFe Wsteel ( 3) 式中，C0 为 RH 入炉总碳含量，Cini为 RH 到站初始 碳含量，Cscrap为废钢中碳的质量分数，CMnFe为锰铁中 碳的质量分数，C( t) 为脱碳 t 时刻推定碳含量，QAr为 提升气体氩气流量( L·min － 1 ) ，WMnFe为 RH 过程中 加入的锰铁量( kg) ，Wscrap为 RH 过程中加入的废钢 量( kg) ，ξ 为修正系数． 质谱仪分析速度快，分析的组分多，同时分析的 精度高，能在数秒之内给出 CO、CO2、O2、H2、He、 N2、Ar 和 H2O 等八种气体成分的含量． 因此，在炼 钢过程废气分析中也经常用到． 对于质谱仪分析， 可根据氮平衡和氩平衡，由提升气体流量反推出废 气流量 QA，不需要气体流量计来测量废气流量，如 下式: QA = 8. 07QAr 75. 4φAr － 1. 28φN2 ( 4) 式中，QAr为提升气体氩气流量( L·min － 1 ) ，φN2和 φAr 分别为废气中 N2和 Ar 的质量分数． 采用红外分析仪不能测出废气中 N2、Ar 成分， 废气流量 QA是由气体流量计测出，存在一定误差． 相较于质谱仪废气分析系统建立的脱碳模型，其精 度稍差． 由于废气分析系统每 10 s 更新一次烟气成分与 流量，故该模型每隔 10 s 推定一次熔池中碳含量，实 现对 RH 中碳含量的连续预报． 2 RH 脱碳模型的验证 首先利用自动化部门采集的 RH 脱碳过程中相 关信息变化曲线进行分析． 图 3 和图 4 分别显示了 典型的 RH 吹氧强制脱碳和自然脱碳条件下废气流 量及废气中 CO 和 CO2含量随 RH 处理时间的变化． 图 5 给出了相对应两试验炉次 RH 处理过程中真空 室压力和提升气体变化曲线． 从图 3 和图 5 可以看出，TOP 吹氧强制脱碳第 1 炉次开抽 230 s 后真空室压力降至 10 000 Pa 左右， 在 190 ～ 310 s 时出现压降平台，420 s 后达到极限真 图 3 RH 处理过程中第 1 炉次废气流量及成分变化 Fig． 3 Flow rate and composition of the off-gas in the 1st furnace during RH treatment 图 4 RH 处理过程中第 2 炉次废气流量及成分变化 Fig． 4 Flow rate and composition of the off-gas in the 2nd furnace during RH treatment 图 5 RH 真空室压力和提升气体流量变化 Fig． 5 Variations in pressure and lifting gas flow rate of the RH vac￾uum chamber 空度( 如图 5 所示) ． 冶炼开始时废气中 CO 含量正 处在上升期，150 s 时吹氧开始，二次燃烧剧烈，使废 气中 CO 含量逐渐下降直至趋近于零，此时 CO2 逐 渐上升并达到最大值，直至 300 s 吹氧结束，随后 380 s 提升气体流量达到最大且真空室压力进一步 降低并达到极限真空度( 67 Pa) ，C--O 反应剧烈，CO ·22·

增刊1 林路等：基于废气分析的RH脱碳模型 ·23· 含量逐渐增加并达到最大值；当C一O强反应期过 290s时出现压降平台，脱碳速率迅速下降，在370s 后，熔池中碳含量较低，C0反应较弱，因此废气中 左右由于提升氩气流量达到最大且真空压力进一步 C0、CO,含量逐渐减少直至接近于零. 下降，脱碳速率稍稍上升后由于熔池中碳含量传 自然脱碳第2炉次开抽150s后真空室压力降 质限制，C0反应减弱，脱碳速率下降直至为零： 至10000Pa左右，在180~290s之间出现了压降平 而强制脱碳炉次，由于吹氧作用对脱碳速率的正 台，400s后达到极限真空度（如图5所示）.图4在 面作用与压降平台的负面作用相互抵消，在压降 自然脱碳条件下，C0和C02含量变化趋势一致，且 平台期脱碳速率没有下降，而是出现一段脱碳速 出现两个峰值，峰值的变化分别出现在真空度压降 率近似平稳期.由此说明真空压降平台的存在，不 平台前后.由于钢液开始循环后，随着真空度升高， 利于钢液脱碳反应的进行，消除压降平台可进一 脱碳速率逐渐增加，废气中C0、C02含量增加并达 步增大RH脱碳速率，达到在更短时间获得更低碳 到第1个峰值：在370s左右氩气流量提升以及真空 含量的目的. 室压力进一步下降并达到最极限真空度(67Pa),C一 实际生产中在H脱碳后期，由于碳含量很低， 0反应剧烈造成C0、C0,含量再一次增加并达到第 C0反应很弱，加之真空室压力和提升气体流量已 2个峰值：随后到脱碳后期，废气流量达到一个相对 趋于稳定，废气中C0+C02含量在一定程度上能较 稳定的值，废气中C0、C0,含量逐渐减少直至接近 好地反映熔池内的碳含量.当废气中C0+C0,含量 于零 低于5%时，可认为脱碳结束，通过90余炉数据分 由于废气分析装置安装位置离真空室有一定距 析可知，此时脱碳速率一般低于10-6min1. 离，同时分析仪器有一定的响应时间，所以通过废气 图7是两试验炉次在RH脱碳过程中熔池内钢 分析仪得到的废气信息有一段延迟时间.对该钢厂 水碳含量实测值与模型预测值的对比.由图可见， 2010年6月一2011年3月生产90余炉F钢数据 考虑延时后，模型预测值与实测值吻合较好.在脱 进行分析，找出烟气分析系统合理延时时间，并同时 碳前期，模型预测值与实测值相差较大，约为30× 得出较优的流量修正系数，建立精确的基于烟气分 10-6;而在脱碳末期，模型计算值与实际测量值相差 析的RH脱碳数学模型.利用该模型对现场典型两 不大，试验结果吻合较好，达到终点预报的目的 炉次进行了模拟计算，对熔池中碳含量连续预报，同 400 时对此两炉次进行取样分析，并将模型预报值同取 350 第1炉次考虑延时预测值 样分析结果进行比较，从而验证模型的准确性 % 书2中次 时预测值 经模型预算后RH脱碳过程中的脱碳速率如图 250 第2炉次 第2炉次实测 16 6所示.两炉次考虑延时脱碳速率明显比没有考虑 200 延时的时候脱碳速率快，也更加符合RH脱碳过程 150 的真实情况 100 90 0 时压降平台 第1炉次 0 200 400600800100012001400 第1炉次考虑延时 RH处理时间/s 第2炉次 第2炉次考虑延时 图7RH熔池内钢水碳含量对比 Fig.7 Comparison of carbon content in the RH molten bath A0 3 模型计算RH脱碳终点碳含量的精确性 10 降平台 对某钢厂生产F钢中十余炉次脱碳终点碳含 200 400 600 800 100012001400 量进行了取样分析，分析结果与基于废气分析脱碳 RH处理时间s 模型计算的RH脱碳终点碳含量进行了比较，结果 图6脱碳速率的变化 如图8所示.由图可知，模型预报结果误差范围都 Fig.6 Variation of decarburization rate 在±5×10-6之间：其中，预报范围在±3×10-6之间 自然脱碳炉次压降速度比吹氧强制脱碳炉次 的占73.7%，证明了模型对脱碳终点的预测有一定 快，脱碳速率迅速升高，到达峰值后，由于在180~ 的可靠性

增刊 1 林 路等: 基于废气分析的 RH 脱碳模型 含量逐渐增加并达到最大值; 当 C--O 强反应期过 后，熔池中碳含量较低，C--O 反应较弱，因此废气中 CO、CO2含量逐渐减少直至接近于零． 自然脱碳第 2 炉次开抽 150 s 后真空室压力降 至 10 000 Pa 左右，在 180 ～ 290 s 之间出现了压降平 台，400 s 后达到极限真空度( 如图 5 所示) ． 图 4 在 自然脱碳条件下，CO 和 CO2含量变化趋势一致，且 出现两个峰值，峰值的变化分别出现在真空度压降 平台前后． 由于钢液开始循环后，随着真空度升高， 脱碳速率逐渐增加，废气中 CO、CO2 含量增加并达 到第 1 个峰值; 在 370 s 左右氩气流量提升以及真空 室压力进一步下降并达到最极限真空度( 67 Pa) ，C-- O 反应剧烈造成 CO、CO2含量再一次增加并达到第 2 个峰值; 随后到脱碳后期，废气流量达到一个相对 稳定的值，废气中 CO、CO2含量逐渐减少直至接近 于零． 由于废气分析装置安装位置离真空室有一定距 离，同时分析仪器有一定的响应时间，所以通过废气 分析仪得到的废气信息有一段延迟时间． 对该钢厂 2010 年 6 月—2011 年 3 月生产 90 余炉 IF 钢数据 进行分析，找出烟气分析系统合理延时时间，并同时 得出较优的流量修正系数，建立精确的基于烟气分 析的 RH 脱碳数学模型． 利用该模型对现场典型两 炉次进行了模拟计算，对熔池中碳含量连续预报，同 时对此两炉次进行取样分析，并将模型预报值同取 样分析结果进行比较，从而验证模型的准确性． 经模型预算后 RH 脱碳过程中的脱碳速率如图 6 所示． 两炉次考虑延时脱碳速率明显比没有考虑 延时的时候脱碳速率快，也更加符合 RH 脱碳过程 的真实情况． 图 6 脱碳速率的变化 Fig． 6 Variation of decarburization rate 自然脱碳炉次压降速度比吹氧强制脱碳炉次 快，脱碳速率迅速升高，到达峰值后，由于在 180 ～ 290 s 时出现压降平台，脱碳速率迅速下降，在 370 s 左右由于提升氩气流量达到最大且真空压力进一步 下降，脱碳速率稍稍上升后由于熔池中碳含量传 质限制，C--O 反应减弱，脱碳速率下降直至为零; 而强制脱碳炉次，由于吹氧作用对脱碳速率的正 面作用与压降平台的负面作用相互抵消，在压降 平台期脱碳速率没有下降，而是出现一段脱碳速 率近似平稳期． 由此说明真空压降平台的存在，不 利于钢液脱碳反应的进行，消除压降平台可进一 步增大 RH 脱碳速率，达到在更短时间获得更低碳 含量的目的． 实际生产中在 RH 脱碳后期，由于碳含量很低， C--O 反应很弱，加之真空室压力和提升气体流量已 趋于稳定，废气中 CO + CO2含量在一定程度上能较 好地反映熔池内的碳含量． 当废气中 CO + CO2含量 低于 5% 时，可认为脱碳结束，通过 90 余炉数据分 析可知，此时脱碳速率一般低于 10 － 6 min － 1 ． 图 7 是两试验炉次在 RH 脱碳过程中熔池内钢 水碳含量实测值与模型预测值的对比． 由图可见， 考虑延时后，模型预测值与实测值吻合较好． 在脱 碳前期，模型预测值与实测值相差较大，约为 30 × 10 － 6 ; 而在脱碳末期，模型计算值与实际测量值相差 不大，试验结果吻合较好，达到终点预报的目的． 图 7 RH 熔池内钢水碳含量对比 Fig． 7 Comparison of carbon content in the RH molten bath 3 模型计算 RH 脱碳终点碳含量的精确性 对某钢厂生产 IF 钢中十余炉次脱碳终点碳含 量进行了取样分析，分析结果与基于废气分析脱碳 模型计算的 RH 脱碳终点碳含量进行了比较，结果 如图 8 所示． 由图可知，模型预报结果误差范围都 在 ± 5 × 10 － 6 之间; 其中，预报范围在 ± 3 × 10 － 6 之间 的占 73. 7% ，证明了模型对脱碳终点的预测有一定 的可靠性． ·23·

·24· 北京科技大学学报 第33卷 30 steel-making decarburization.Wusteel Technol.1997(4):24 (周长龙.氧气顶吹转炉炼钢脱碳的动态监控.武钢技术， 25 1997(4):24) 20 ±50 [2]Liu B S.Zhu G S.Li B H,et al.Application of waste gas analy- sis for RH decarburization process.Iron Steel,2010,45(2):23 (刘柏松，朱国森，李本海，等.废气分析在RH脱碳过程中的 应用.钢铁，2010.45(2)：23) [3] Shen X J.Wang H Z.Waste gas analysis for dynamic control of steelmaking processes//Proceedings of China Iron&Steel Annual Meeting.Beijing.2003:581 0 5 101520 25 30 (沈学静，王海舟.炼钢动态控制中的废气分析.中国钢铁年 实测值10 会论文集.北京，2003：581) 图8H脱碳终点碳含量实测值与预测值比较 [4] Kleimt B.Kohle S.Dynamic modelling of vacuum circulation Fig.8 Comparison of carbon content at the end of RH decarburiza- process for steel decarburization.Rev Metall,1995,92(4):493 tion between the measured values and the predictive ones by the model [5]Chiang M S.Lin C T.Chou C L.et al.Application of off-gas a- nalysis for RH decarburization process.SEA/S/0,1997.26(2): 之 4结论 [6] Tachibana H.Yamamoto T,Narita K,et al.On-ine end-point (1)以红外分析仪分析技术和物料中C平衡为 guidance system for the refining of ultra-owcarbon steel in RH process//Steelmaking Conference Proceedings.Toronto:ISS- 基础，根据废气成分和废气流量的生产数据建立基 AME.1992:217 于烟气的RH脱碳数学模型，脱碳速率为 [7]Yamaguchi K,Kishimoto Y,Sakuraya T,et al.Effect ofrefining 罗)2 conditions for ultra low carbon steel on decarburization reaction in RH degasser.ISI/Int,1992,32(1):126 与该250tRH精炼炉实际冶炼数据对比，采用该模 [8]Alok C.Cerhard B.Harald S.et al.Computerized control of the 型可以准确连续预报熔池中碳含量，提高终点碳命 VOD process with the application of a mass spectrometer.MPT Metall Plant Technol,1988.11(5)44 中率. [9]Takawa T.Katayama K,Katohgi K,et al.Analysis of converter (2)考虑延时后，对生产终点碳的质量分数≤ process variables from exhaust gas.Trans fron Steel Inst Ipn. 30×10-6的超低碳钢来说，模型预报结果都在±5× 1988,28(1):59 10-6之间，预报范围在±3×10-6之间的占73.7%， [10]Zhang G Y,Wang X F,Lin D,et al.Application of BOF off-gas analysis dynamic control.Iron Steel,2007,42(9):29 模型具有一定的可靠性 (张贵玉，万雪峰，林东，等.转炉炉气分析动态控制技术的 (3)RH脱碳后期，当废气中CO+CO,的质量分 应用.钢铁，2007,42(9)：29) 数低于5%，脱碳速率一般低于10-6min-1,可以判 [11]He P,Liu L.Liu K,et al.Critical carbon content in BOF blo- 定RH脱碳结束，直接进行后续脱氧、合金化等操 wing process with gas analysis.J Univ Sci Technol Beijing,2009. 31(2):156 作，有利于缩短RH操作时间，提高生产效率. (何平，刘浏，刘锟，等.采用烟气分析法对转炉吹炼过程临 (4)RH过程中压降平台对RH脱碳速率影响 界碳含量的研究.北京科技大学学报，2009,31(2)：156) 明显，冶炼过程中消除压降平台对提高脱碳速率，降 [12] Khan M.Zuliani D.EAF water detection using off-gas measure- 低RH终点碳含量有着重要意义 ment//AISTech 2009 Proceedings.St.Louis.2009:549 (5)由炉气成分冶炼曲线以及脱碳速率曲线的 [13]Kirschen M,Pfeifer H.Deng J X,et al.Off-gas measurements 变化可以判断RH冶炼过程中工艺参数的变化，对 at the EAF primary dedusting system of electric are fumaces. Stahl Eisen,2004.124(11):73 提高RH生产效率、产品质量和节能减耗具有重大 [14]Xu H M.The cquipment discussion of RH vacuum circulation de- 意义 gasser//Countrywide RH Refining Technology Proseminar.Shang- hai.2007:28 参考文献 (徐汉明.RH真空循环脱气装备选型探讨/全国RH精炼技 [1]Chou C L.Dynamic supervision of oxygen top-blowing converter 术研讨会文集.上海，2007：28)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 8 RH 脱碳终点碳含量实测值与预测值比较 Fig． 8 Comparison of carbon content at the end of RH decarburiza￾tion between the measured values and the predictive ones by the model 4 结论 ( 1) 以红外分析仪分析技术和物料中 C 平衡为 基础，根据废气成分和废气流量的生产数据建立基 于烟气的 RH 脱碳数学模型，脱碳速率为 ν = ( φCO 14 + φCO2 ) 22 · 100QA Wsteel ． 与该 250 t RH 精炼炉实际冶炼数据对比，采用该模 型可以准确连续预报熔池中碳含量，提高终点碳命 中率． ( 2) 考虑延时后，对生产终点碳的质量分数≤ 30 × 10 － 6 的超低碳钢来说，模型预报结果都在 ± 5 × 10 － 6 之间，预报范围在 ± 3 × 10 － 6 之间的占 73. 7% ， 模型具有一定的可靠性． ( 3) RH 脱碳后期，当废气中 CO + CO2的质量分 数低于 5% ，脱碳速率一般低于 10 － 6 min － 1 ，可以判 定 RH 脱碳结束，直接进行后续脱氧、合金化等操 作，有利于缩短 RH 操作时间，提高生产效率． ( 4) RH 过程中压降平台对 RH 脱碳速率影响 明显，冶炼过程中消除压降平台对提高脱碳速率，降 低 RH 终点碳含量有着重要意义． ( 5) 由炉气成分冶炼曲线以及脱碳速率曲线的 变化可以判断 RH 冶炼过程中工艺参数的变化，对 提高 RH 生产效率、产品质量和节能减耗具有重大 意义． 参 考 文 献 ［1］ Chou C L． Dynamic supervision of oxygen top-blowing converter steel-making decarburization． Wusteel Technol，1997( 4) : 24 ( 周长龙． 氧气顶吹转炉炼钢脱碳的动态监控． 武钢技术， 1997( 4) : 24) ［2］ Liu B S，Zhu G S，Li B H，et al． Application of waste gas analy￾sis for RH decarburization process． Iron Steel，2010，45( 2) : 23 ( 刘柏松，朱国森，李本海，等． 废气分析在 RH 脱碳过程中的 应用． 钢铁，2010，45( 2) : 23) ［3］ Shen X J，Wang H Z． Waste gas analysis for dynamic control of steelmaking processes/ /Proceedings of China Iron ＆ Steel Annual Meeting． Beijing，2003: 581 ( 沈学静，王海舟． 炼钢动态控制中的废气分析． 中国钢铁年 会论文集． 北京，2003: 581) ［4］ Kleimt B，Khle S． Dynamic modelling of vacuum circulation process for steel decarburization． Rev Metall，1995，92( 4) : 493 ［5］ Chiang M S，Lin C T，Chou C L，et al． Application of off-gas a￾nalysis for RH decarburization process． SEAISI Q，1997，26( 2) : 27 ［6］ Tachibana H，Yamamoto T，Narita K，et al． On-line end-point guidance system for the refining of ultra-low-carbon steel in RH process/ /Steelmaking Conference Proceedings． Toronto: ISS￾AIME，1992: 217 ［7］ Yamaguchi K，Kishimoto Y，Sakuraya T，et al． Effect ofrefining conditions for ultra low carbon steel on decarburization reaction in RH degasser． ISIJ Int，1992，32( 1) : 126 ［8］ Alok C，Cerhard B，Harald S，et al． Computerized control of the VOD process with the application of a mass spectrometer． MPT Metall Plant Technol，1988，11( 5) : 44 ［9］ Takawa T，Katayama K，Katohgi K，et al． Analysis of converter process variables from exhaust gas． Trans Iron Steel Inst Jpn， 1988，28( 1) : 59 ［10］ Zhang G Y，Wang X F，Lin D，et al． Application of BOF off-gas analysis dynamic control． Iron Steel，2007，42( 9) : 29 ( 张贵玉，万雪峰，林东，等． 转炉炉气分析动态控制技术的 应用． 钢铁，2007，42( 9) : 29) ［11］ He P，Liu L，Liu K，et al． Critical carbon content in BOF blo￾wing process with gas analysis． J Univ Sci Technol Beijing，2009， 31( 2) : 156 ( 何平，刘浏，刘锟，等． 采用烟气分析法对转炉吹炼过程临 界碳含量的研究． 北京科技大学学报，2009，31( 2) : 156) ［12］ Khan M，Zuliani D． EAF water detection using off-gas measure￾ment / /AISTech 2009 Proceedings． St． Louis，2009: 549 ［13］ Kirschen M，Pfeifer H，Deng J X，et al． Off-gas measurements at the EAF primary dedusting system of electric arc furnaces． Stahl Eisen，2004，124( 11) : 73 ［14］ Xu H M． The equipment discussion of RH vacuum circulation de￾gasser / /Countrywide RH Refining Technology Proseminar． Shang￾hai，2007: 28 ( 徐汉明． RH 真空循环脱气装备选型探讨/ /全国 RH 精炼技 术研讨会文集． 上海，2007: 28) ·24·