第9期 郁健等：电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 1127 根据炉料结构确定治炼过程总的能量需求，按 为了便于理解和掌握，给出电弧炉治炼过程的 治金操作确定各个时段的能量需求.每一时段内先 跨尺度能量集成的逻辑框图绘于图2 确定物理热，然后确定氧气流量，再确定电弧功率， 42工业试验 进而使两项功率单元对时间的积分之和满足工位级 2009年3月8日，在天津钢管公司150电弧炉 该时段的能量需求，最终使各时段的能量供应之和 炼钢进行工业试验.连续炉号091472~091491共 与实现物质转化的总能量需求相匹配 20炉，均为三元炉料结构（废钢十生铁十热铁水）工 工位级跨尺度能量集成的一般步骤如下. 况，共计生产钢水2694t其平均炉料结构为：废钢 (1)分时段.按治金操作将有效供能时间分 配入量95.6，t占63.8%；生铁配入量144，t占 为个时段，开始通电时刻记为零时刻，第时段的 9.6%:铁水配入量39.8，t占26.6%：总装入量 结束时刻记为(=12；，其时间长度记为 149.8t 则有 150电弧炉炼钢使用三元炉料的工况下，采用 h= (3) 两篮装料制度，故按炼钢工艺要求和治金操作，整个 治炼过程由四个供能时段和三个非供能时段组成. (2)低一级的单元操作.第时段内共有m个 一次装料：补炉后装入第一篮料，废钢502和 功率单元先确定第时段第介功率单元可表示 生铁7.5，时间长度t=5m9 为F(≠12：m一1共m),最后确定的是电弧 供能时段I:第一篮料装炉完毕，开始通电直至 功率，记为 “穿井”结束，时间长度=8m碧 (3)第时段的能量需求.根据炉料结构及有 供能时段Ⅱ：由炉门向炉内兑入铁水39.8，t铁 效供能时间，可确定达到冶炼要求的总能量需求记 水可认为是瞬间加入的，至炉料熔化70%左右，停 为E其中第时段的能量需求E可表示为 电，时间长度=9m9 B= Pdt (4) 二次装料：装入第二篮料，废钢45.4和生铁 (4)工位级跨尺度能量集成.工位级总能量集 6.9,时间长度=3m识 供能时段Ⅲ第二篮料装料完毕通电，至熔化期 成的数学物理描述可表示成 结束，时间长度=11m? 】d 供能时段Ⅳ：氧化期开始，同时喷入碳粉造泡沫 (=12…, (5) 渣，至氧化期结束，时间长度=15m9 式中，E为累计能量供应值，WhE为能量总需 出钢：直至出钢完毕，时间长度=3m识 求值。W为时间，s 冶炼过程中各时段内选择合理的供氧和供电参 基于上述工位级跨尺度能量集成的研究，体会 数列于表2 到跨尺度集成一般的数学物理描述可能是某种物理 在以往的炼钢生产过程中，未采用能量集成的 量对时间的积分. 思想，其供电单元与供氧单元的操作参数是独立控 制的，而且采用的是固化的计算机供电曲线（图3） 4工业试验 和供氧曲线（图4）进行炼钢生产.炼钢生产过程中 4.1模型应用思路 一般优先考虑电能的强化输入，再考虑化学反应任 研究中建立了电弧炉炼钢过程能量集成模型 务，往往不易控制钢水成分和温度，最终需人工不断 (命名为EAF SPM,其中包括炼钢过程的治金模型 进行调节工艺参数方可达到出钢要求 和热模型.在此基础上采用“先氧后电”的供能决策 对比表2图3和图4可知，采用能量集成的思 顺序，即根据炉料结构确定治炼过程总的能量需求， 想指导电弧炉炼钢生产，可借助于辅助软件工具 按治金操作确定各个时段的能量需求，每一时段内 (EAF SIM)计算出治炼进程中各时段的能量需求， 先确定物理热，然后确定氧气流量（即化学能的输 从而指导供氧和供电参数的及时调整，达到按需供 入)，再确定电弧功率，进而使能量供应满足该时段 能.采用此方法比以往固化的供氧和供电曲线更具 的能量需求，最终达到各时段的能量供应之和与总 灵活操作性，易实现炼钢终点控制，满足炼钢高效、 能量需求的匹配. 节电的目的.第 9期 郁 健等:电弧炉炼钢过程的跨尺度能量集成理论研究 根据炉料结构确定冶炼过程总的能量需求, 按 冶金操作确定各个时段的能量需求.每一时段内先 确定物理热, 然后确定氧气流量, 再确定电弧功率, 进而使两项功率单元对时间的积分之和满足工位级 该时段的能量需求, 最终使各时段的能量供应之和 与实现物质转化的总能量需求相匹配 . 工位级跨尺度能量集成的一般步骤如下. ( 1) 分时段.按冶金操作将有效供能时间 ttot分 为 n个时段, 开始通电时刻记为零时刻, 第 i时段的 结束时刻记为 ti(i=1, 2, …, n), 其时间长度记为 ti′, 则有 ttot =∑ n i=1 ti′ ( 3) ( 2) 低一级的单元操作.第 i时段内共有 m个 功率单元, 先确定第 i时段第 j个功率单元, 可表示 为 P j i( j=1, 2, …, m-1, j≠m), 最后确定的是电弧 功率, 记为 P m i. ( 3) 第 i时段的能量需求 .根据炉料结构及有 效供能时间, 可确定达到冶炼要求的总能量需求, 记 为 E T q, 其中第 i时段的能量需求 Eqi可表示为 Eqi=∑ m j=1 ∫ ti ti-1 P j idt+ ∫ ti ti-1 P m idt ( 4) ( 4) 工位级跨尺度能量集成.工位级总能量集 成的数学物理描述可表示成 E T s =∑ n i=1 ∑ m j=1 ∫ ti ti-1 P j idt+ ∫ ti ti-1 P m idt≥E T q ( i=1, 2, …, n) ( 5) 式中, E T s为累计能量供应值, kW·h;E T q为能量总需 求值, kW·h;t为时间, s. 基于上述工位级跨尺度能量集成的研究, 体会 到跨尺度集成一般的数学物理描述可能是某种物理 量对时间的积分 . 4 工业试验 4.1 模型应用思路 研究中建立了电弧炉炼钢过程能量集成模型 (命名为 EAFSPM), 其中包括炼钢过程的冶金模型 和热模型.在此基础上采用“先氧后电”的供能决策 顺序, 即根据炉料结构确定冶炼过程总的能量需求, 按冶金操作确定各个时段的能量需求, 每一时段内 先确定物理热, 然后确定氧气流量 (即化学能的输 入 ), 再确定电弧功率, 进而使能量供应满足该时段 的能量需求, 最终达到各时段的能量供应之和与总 能量需求的匹配 . 为了便于理解和掌握, 给出电弧炉冶炼过程的 跨尺度能量集成的逻辑框图绘于图 2. 4.2 工业试验 2009年 3月 8日, 在天津钢管公司 150t电弧炉 炼钢进行工业试验 .连续炉号 091472 ～ 091491, 共 20炉, 均为三元炉料结构 (废钢 +生铁 +热铁水 )工 况, 共计生产钢水 2 694 t.其平均炉料结构为:废钢 配入量 95.6 t, 占 63.8%;生铁配入量 14.4 t, 占 9.6%;铁水配 入量 39.8 t, 占 26.6%;总装入量 149.8 t. 150 t电弧炉炼钢使用三元炉料的工况下, 采用 两篮装料制度, 故按炼钢工艺要求和冶金操作, 整个 冶炼过程由四个供能时段和三个非供能时段组成 . 一次装料 :补炉后装入第一篮料, 废钢 50.2 t和 生铁 7.5 t, 时间长度 t1 =5 min; 供能时段 Ⅰ :第一篮料装炉完毕, 开始通电直至 “穿井”结束, 时间长度 t2 =8min; 供能时段 Ⅱ :由炉门向炉内兑入铁水 39.8 t, 铁 水可认为是瞬间加入的, 至炉料熔化 70%左右, 停 电, 时间长度 t3 =9 min; 二次装料 :装入第二篮料, 废钢 45.4 t和生铁 6.9 t, 时间长度 t4 =3 min; 供能时段 Ⅲ:第二篮料装料完毕通电, 至熔化期 结束, 时间长度 t5 =11 min; 供能时段 Ⅳ:氧化期开始, 同时喷入碳粉造泡沫 渣, 至氧化期结束, 时间长度 t6 =15 min; 出钢 :直至出钢完毕, 时间长度 t7 =3 min. 冶炼过程中各时段内选择合理的供氧和供电参 数列于表 2. 在以往的炼钢生产过程中, 未采用能量集成的 思想, 其供电单元与供氧单元的操作参数是独立控 制的, 而且采用的是固化的计算机供电曲线 (图 3) 和供氧曲线 (图 4)进行炼钢生产.炼钢生产过程中 一般优先考虑电能的强化输入, 再考虑化学反应任 务, 往往不易控制钢水成分和温度, 最终需人工不断 进行调节工艺参数方可达到出钢要求. 对比表 2、图 3和图 4可知, 采用能量集成的思 想指导电弧炉炼钢生产, 可借助于辅助软件工具 ( EAFSPM)计算出冶炼进程中各时段的能量需求, 从而指导供氧和供电参数的及时调整, 达到按需供 能.采用此方法比以往固化的供氧和供电曲线更具 灵活操作性, 易实现炼钢终点控制, 满足炼钢高效、 节电的目的. · 1127·