李南等：基于熔池混匀度的转炉烟气分析定碳模型 ·1245· degree is greatly improved.The hit rate of end-point carbon is 88.2%with error of +0.02%,accounting for 75 heats. KEY WORDS converter;off-gas analysis;decarburization rate;end-point carbon content;bath mixing degree 氧气转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方 气.转炉烟气分析动态控制通过连续检测吹炼过程 法，脱碳反应贯穿转炉炼钢过程的始终。转炉吹炼 中产生的烟气成分和烟气流量，经由模型计算，实时 是否到达终点一个关键的指标就是熔池碳含量是否 在线预报钢水元素成分和温度变化，对渣况进行预 满足出钢要求，在这方面目前各钢厂大型转炉广泛 警和控制，在线调整供氧流量和造渣制度，以提高钢 采用副枪控制技术-.然而，副枪控制技术运行成 水质量和终点命中率[o] 本较高，且不能连续提供熔池内如脱碳速率等冶炼 新钢210t转炉烟气信息和脱碳速率变化如图 信息.烟气分析技术不受转炉炉口大小限制，能连 1所示.图1(a)为冶炼过程转炉烟气成分(C0、C0, 续监测炉内反应过程，对转炉节约成本、缩短冶炼周 及0)和烟气流量随时间变化曲线.由图1(a)可 期以及碳温预测具有重要意义 知：转炉冶炼初期，脱碳反应平缓，烟罩处吸入空气 随着计算机、网络通信、人工智能、大数据技术 量大，生成的C0被二次燃烧，烟气中的主要成分为 等迅猛发展，转炉烟气分析吹炼控制误差大幅缩小， C0,和02·随后一段很短的时间内，C0、C02和0，共 国外一些钢厂应用此技术取得了很好的控制效果. 存.4mim左右，脱碳条件成熟，碳开始大量被氧化， 例如，加拿大Dofasco公司采用转炉烟气分析吹炼控 烟气中C0和C02含量相比于冶炼初期有了很大提 制系统后，已经不再使用副枪，治炼全部炉次直接出 高：转炉冶炼中期，脱碳反应剧烈，脱碳速率维持在 钢，烟气分析系统作业率100%，补吹率小于 较高水平，C0和C0,含量变化不大.此时吸入空气 1%[3-4).意大利ILVA Taranto公司的烟气分析系 量减少，且由于C0充足，二次燃烧时消耗完炉内 统，采集的信息量更多，其控制模型不仅对吹炼过程 02,故炉内0，含量几乎为零：转炉冶炼末期，伴随熔 钢水碳和温度进行计算预报，还能给出吹炼过程废 池碳含量急剧下降，C0和CO2含量也随之大幅降 钢熔化率、渣料溶化、炉渣Si02、Fe0含量等变化[3). 低，但C02含量高于C0含量.由于吸入空气量增 近年来，国内一些迫切想要技术革新的钢厂先后从 加，二次燃烧后0，还有富余，故接近冶炼终点其含 国外引进了多套烟气分析动态控制系统，国内学者 量略有上升.在转炉冶炼期间，C0和C02的变化规 对其原理进行了深入研究.H山等阐述了碳积分模 律是相反的.图1(a)中冶炼末期，C0和C02含量出 型和指数模型的原理).张贵玉等[在三次方模型 现波动是插入副枪取样的结果.这是因为插入副枪 中考虑了枪位对脱碳速率的影响.刘琨等[-]通过 后，氧枪停止供氧，C0燃烧速率放缓导致C0含量 数值模拟揭示了烟道内炉气二次燃烧的规律并提出 小幅上升.根据转炉冶炼过程碳平衡，结合图1(a) 了预报终点碳含量的新算法，终点碳质量分数目标 中CO和CO,体积分数和烟气流量可计算出熔池脱 在0.08%~0.24%范围内，控制精度为±0.025% 碳速率： 时，命中率为89%.陈红生等通过炉气分析技术与 dw[C]12 碳温耦合公式确定动态模型，利用VC和OpenGL实 dt =22.4Q~(o(C0)+p(C02)/W 现转炉炼钢过程的仿真系统的开发[ (1) 本文在前人的研究基础上，将熔池混匀度引入 式中，d如[C]表示脱碳速率，%。'：Q表示烟气流 烟气分析动态控制模型，以新钢生产热轧板材 dt (SPHC)(目标碳质量分数0.06%)时的烟气数据为 量，m3·s1;p(C0)和p(C02)分别表示烟气中C0 研究对象，充分考虑枪位、顶吹流量、底吹流量等操 和C0,体积分数，%；W表示钢液总质量，kg 作参数的影响，以此提高终点碳命中率. 图1(b)为由式(1)计算的转炉冶炼期间脱碳 速率随时间变化曲线.由图1(b)可知，脱碳速率变 1转炉烟气信息与脱碳速率 化趋势基本与脱碳三阶段理论[]吻合，即都是经历 在转炉冶炼过程中，脱碳反应生成的C0在炉 初期脱碳速率逐渐增大、中期脱碳速率稳定并达到 内二次燃烧，部分氧化成C02,形成主要成分为C0 最大、末期脱碳速率逐渐减小的过程.图中脱碳速 和C0,的转炉炉气.转炉炉气上升至烟罩，与从烟 率变化趋势与C0变化趋势相似度很高，这是由转 罩外吸入的空气混合后进行炉外二次燃烧，形成主 炉冶炼过程中碳-氧反应生成的C0含量在烟气所 要成分为C0、C02、O2、N2、Ar、H,等气体的转炉烟 占的比例很高所致2].李 南等: 基于熔池混匀度的转炉烟气分析定碳模型 degree is greatly improved. The hit rate of end鄄point carbon is 88郾 2% with error of 依 0郾 02% , accounting for 75 heats. KEY WORDS converter; off鄄gas analysis; decarburization rate; end鄄point carbon content; bath mixing degree 氧气转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方 法,脱碳反应贯穿转炉炼钢过程的始终. 转炉吹炼 是否到达终点一个关键的指标就是熔池碳含量是否 满足出钢要求,在这方面目前各钢厂大型转炉广泛 采用副枪控制技术[1鄄鄄2] . 然而,副枪控制技术运行成 本较高,且不能连续提供熔池内如脱碳速率等冶炼 信息. 烟气分析技术不受转炉炉口大小限制,能连 续监测炉内反应过程,对转炉节约成本、缩短冶炼周 期以及碳温预测具有重要意义. 随着计算机、网络通信、人工智能、大数据技术 等迅猛发展,转炉烟气分析吹炼控制误差大幅缩小, 国外一些钢厂应用此技术取得了很好的控制效果. 例如,加拿大 Dofasco 公司采用转炉烟气分析吹炼控 制系统后,已经不再使用副枪,冶炼全部炉次直接出 钢,烟 气 分 析 系 统 作 业 率 100% , 补 吹 率 小 于 1% [3鄄鄄4] . 意大利 ILVA Taranto 公司的烟气分析系 统,采集的信息量更多,其控制模型不仅对吹炼过程 钢水碳和温度进行计算预报,还能给出吹炼过程废 钢熔化率、渣料溶化、炉渣 SiO2 、FeO 含量等变化[3] . 近年来,国内一些迫切想要技术革新的钢厂先后从 国外引进了多套烟气分析动态控制系统,国内学者 对其原理进行了深入研究. Hu 等阐述了碳积分模 型和指数模型的原理[5] . 张贵玉等[6]在三次方模型 中考虑了枪位对脱碳速率的影响. 刘琨等[7鄄鄄8] 通过 数值模拟揭示了烟道内炉气二次燃烧的规律并提出 了预报终点碳含量的新算法,终点碳质量分数目标 在 0郾 08% ~ 0郾 24% 范围内,控制精度为 依 0郾 025% 时,命中率为 89% . 陈红生等通过炉气分析技术与 碳温耦合公式确定动态模型,利用 VC 和 OpenGL 实 现转炉炼钢过程的仿真系统的开发[9] . 本文在前人的研究基础上,将熔池混匀度引入 烟气分析动态控制模型, 以新钢生产热轧板材 (SPHC)(目标碳质量分数 0郾 06% )时的烟气数据为 研究对象,充分考虑枪位、顶吹流量、底吹流量等操 作参数的影响,以此提高终点碳命中率. 1 转炉烟气信息与脱碳速率 在转炉冶炼过程中,脱碳反应生成的 CO 在炉 内二次燃烧,部分氧化成 CO2 ,形成主要成分为 CO 和 CO2的转炉炉气. 转炉炉气上升至烟罩,与从烟 罩外吸入的空气混合后进行炉外二次燃烧,形成主 要成分为 CO、CO2 、O2 、N2 、Ar、H2 等气体的转炉烟 气. 转炉烟气分析动态控制通过连续检测吹炼过程 中产生的烟气成分和烟气流量,经由模型计算,实时 在线预报钢水元素成分和温度变化,对渣况进行预 警和控制,在线调整供氧流量和造渣制度,以提高钢 水质量和终点命中率[10] . 新钢 210 t 转炉烟气信息和脱碳速率变化如图 1 所示. 图 1(a)为冶炼过程转炉烟气成分(CO、CO2 及 O)和烟气流量随时间变化曲线. 由图 1 ( a) 可 知:转炉冶炼初期,脱碳反应平缓,烟罩处吸入空气 量大,生成的 CO 被二次燃烧,烟气中的主要成分为 CO2和 O2 . 随后一段很短的时间内,CO、CO2和 O2共 存. 4 min 左右,脱碳条件成熟,碳开始大量被氧化, 烟气中 CO 和 CO2含量相比于冶炼初期有了很大提 高;转炉冶炼中期,脱碳反应剧烈,脱碳速率维持在 较高水平,CO 和 CO2含量变化不大. 此时吸入空气 量减少,且由于 CO 充足,二次燃烧时消耗完炉内 O2 ,故炉内 O2含量几乎为零;转炉冶炼末期,伴随熔 池碳含量急剧下降,CO 和 CO2 含量也随之大幅降 低,但 CO2 含量高于 CO 含量. 由于吸入空气量增 加,二次燃烧后 O2还有富余,故接近冶炼终点其含 量略有上升. 在转炉冶炼期间,CO 和 CO2的变化规 律是相反的. 图1(a)中冶炼末期,CO 和 CO2含量出 现波动是插入副枪取样的结果. 这是因为插入副枪 后,氧枪停止供氧,CO 燃烧速率放缓导致 CO 含量 小幅上升. 根据转炉冶炼过程碳平衡,结合图 1(a) 中 CO 和 CO2体积分数和烟气流量可计算出熔池脱 碳速率: dw[C] dt = 12 22郾 4 ·Qgas·(渍(CO) + 渍(CO2 )) / Wsteel (1) 式中, dw[C] dt 表示脱碳速率,%·s - 1 ;Qgas表示烟气流 量,m 3·s - 1 ;渍(CO)和 渍(CO2 )分别表示烟气中 CO 和 CO2体积分数,% ;Wsteel表示钢液总质量,kg. 图 1(b)为由式(1) 计算的转炉冶炼期间脱碳 速率随时间变化曲线. 由图 1(b)可知,脱碳速率变 化趋势基本与脱碳三阶段理论[11] 吻合,即都是经历 初期脱碳速率逐渐增大、中期脱碳速率稳定并达到 最大、末期脱碳速率逐渐减小的过程. 图中脱碳速 率变化趋势与 CO 变化趋势相似度很高,这是由转 炉冶炼过程中碳鄄鄄 氧反应生成的 CO 含量在烟气所 占的比例很高所致[12] . ·1245·