闞永海

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

[摘 要] 利用理論計算及實際生產(chǎn)經(jīng)驗值，建立了一種解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型，用于對渣料減量化煉鋼、石灰石替代石灰、鐵礦石熔融還原和留碳作業(yè)等煉鋼技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實施后，成功地將轉(zhuǎn)爐終點雙命中率由原來的 65%穩(wěn)定提升到 85%以上，噴濺率由原來的 12%降低到 8%以下，煤氣回收率得到了明顯提升，降低生產(chǎn)成本15 元 /t 以上，CO₂ 排放量減少 28.77 kg/t，年排放量減少約 11.5 萬 t，在實現(xiàn)智能化、環(huán)境友好型煉鋼中取得新進(jìn)展。

[關(guān)鍵詞] 轉(zhuǎn)爐；智能化；模型；渣量；排放；成本

0  引言

目前我國轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)對于操作人員所具備的生產(chǎn)操作經(jīng)驗依賴較大，受操作人員思維慣性以及反應(yīng)能力有限等一系列因素制約，轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)效率和污染物排放控制有待進(jìn)一步改進(jìn)。在采用渣料減量化冶煉、石灰石復(fù)合造渣、鐵礦石熔融還原以及留碳作業(yè)后，進(jìn)一步增加了生產(chǎn)人員依靠經(jīng)驗進(jìn)行操作的難度，因此需要建立一種充分考慮各種工藝參數(shù)和原材料狀況，解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型，以擺脫操作人員思維限制，降低煉鋼過程中的渣量、氣體和粉塵排放，實現(xiàn)智能化、環(huán)境友好型煉鋼。

1 原料條件及參數(shù)選取與確定

轉(zhuǎn)爐煉鋼入爐鐵水主要成分見表 1。入爐鐵水硅含量波動較大，范圍在 0.11%~1.13%，平均約為0.52%，轉(zhuǎn)爐冶煉過程溫度有較大富余；鐵水平均磷含量約為 0.158%，鐵水磷含量較高，因此，轉(zhuǎn)爐冶煉過程脫磷難度大幅增加，脫磷也成為轉(zhuǎn)爐煉鋼的最主要難點之一。

在建立靜態(tài)模型之前，要先對轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的一些條件取經(jīng)驗值處理：

（1）渣中鐵珠量以渣量的 8%計算；

（2）金屬中碳在氧化過程中生成 CO 和 CO₂，其中碳氧化為 CO 的比例為 90%，碳氧化為 CO₂ 比列為 10%；

（3）轉(zhuǎn)爐冶煉噴濺鐵損為鐵水量的 1%；

（4）冶煉過程中爐襯受鐵水侵蝕，爐襯侵蝕量為鐵水量的 0.50%；

（5）氧槍噴出氧氣純度 98.5%，余下以 1.5%N₂計算；

（6）轉(zhuǎn)爐煙塵量為鐵水量的 1.60%，煙塵中 FeO的比例為 77%，F(xiàn)e₂O₃ 的比例為 20%；

（7）爐氣平均溫度為 1450益，爐氣中自由氧含量為 0.50%；

（8）終點鋼水錳含量，一般為鐵水中錳含量的30%~40%，現(xiàn)在取值為 0.1%；

（9）轉(zhuǎn)爐去硫率一般為 30%~50%，取平均值40%；

（10）冶煉鋼種的碳含量與脫氧劑等增碳量之 差為終點含碳量。

原料平均比熱容見表 2。

入爐鐵水各成分氧化放熱效應(yīng)見表 3。

2 渣料減量化冶煉脫磷階段計算思想

轉(zhuǎn)爐雙渣-留渣脫磷工藝將轉(zhuǎn)爐冶煉過程分為兩個階段，脫磷階段和脫碳階段，在脫磷階段結(jié)束后要倒出脫磷渣，因此需要對兩個階段分別進(jìn)行物料和熱平衡計算，確定不同時期的合理配料。冶煉初始鐵水條件按鐵水成分平均值計算，脫磷階段鐵水和爐渣成分設(shè)定值及上爐留渣爐渣成分見表 4 和表 5。

倒?fàn)t時各元素氧化量、耗氧量及氧化產(chǎn)物量見表 6。

2.1 造渣料計算

脫磷階段渣中Σm （SiO₂）=鐵水中 Si 氧化成 SiO₂ 量+上爐留渣中 SiO₂ 量+鐵水帶渣中 SiO₂ 量

脫磷階段渣中Σm（CaO）= Σm（SiO₂）×一倒目標(biāo)堿度 R（取 1.5）

脫磷階段爐內(nèi)渣量：m_渣 =（Σm （SiO₂）+Σm （CaO））（/ 1-w（MgO）-w（FeO）-w（Al₂O₃+MnO+P₂O₅））

白云石加入量：m_白云石=（m _渣×倒?fàn)t渣 MgO 目標(biāo)值（w（MgO）= 8%））/白云石中 w（MgO）有效

石灰加入量：m_石灰 =（Σm （CaO）原留渣中 CaO量-白云石中帶入 CaO 量）石灰中 w（CaO）有效

礦石加入量：m-_礦石 =轉(zhuǎn)爐富余熱量/礦石分解熱

2.2 熱量計算

鐵水各元素氧化放熱總量^[1]為：Q₁ = Σ（QC→co+Q_C→CO₂+Q_Si→SiO₂+Q_Mn→MnO+Q_Fe→FeO+Q_Fe→Fe₂O₃+Q_P→P₂O₅+Q_P2O5→4CaO·P₂O₅+Q_SiO2→2CaO·SiO₂）

初始鐵水溫度條件下，爐渣物理熱：

Q _爐渣1=m_渣 ×[爐渣平均比熱容×（1305-25）+爐渣熔化潛熱]

鋼水和爐渣理論升溫為：

ΔT=（Q₁-Q_爐渣 1）（/ m_鐵水×鐵水平均比熱容+m _渣×爐渣平均比熱容）

轉(zhuǎn)爐剩余熱量為：

Q₃=（1305+ΔT-1420）×（m_鐵水×鐵水平均比熱容+m_渣×爐渣平均比熱容）

加入廢鋼、白云石后，轉(zhuǎn)爐富余熱量為：

Q₄=Q₃-m_廢鋼×75%×噸鋼熔化吸熱量-m 白云石×噸白云石分解熱

故礦石加入量為：

m_礦石=Q₄/4323.768kJ·kg^-1 

3 渣料減量化冶煉脫碳階段計算思想

終點鋼水和終渣成分目標(biāo)值設(shè)定見表 7。

脫磷階段結(jié)束后，半鋼中各元素氧化量、耗氧量及氧化物產(chǎn)量見表 8。

3.1 造渣料計算

終渣中 SiO₂ 含量：

m（SiO₂）_終=一倒渣中Σm（SiO₂）×一倒排渣率η終渣中 CaO 含量：

m（CaO）_終=m（SiO₂）×終渣堿度 R（取 4.5）

需要加入 CaO 量：

m（CaO）_加=m（CaO）_終-脫磷階段渣中Σm（CaO）×（1-η）

終渣總量：

m _終渣 =（m（SiO₂）_終+m（CaO）終）（/ 1 -8% -20% - 10%）

白云石加入量：

m _白云石2=（m_終渣×終渣 MgO 目標(biāo)值 8%-脫磷階段渣中Σm（CaO）×（1-η））/白云石中 w（MgO）_有效 

石灰加入量：

m_石灰2=（m（CaO）_加-白云石中帶入 CaO 量）/ 石灰中 w（CaO）_有效 

3.2 熱量計算

脫碳階段各元素氧化放熱總量^[2]為：

Q_1脫碳 =Σ（Q_C→CO+Q_C→CO₂+Q_Mn→MnO+Q_P→P₂O₅+Q_P2O5→4CaO·P₂O₅）

鋼水和爐渣理論升溫為：

ΔT _脫碳=Q_1脫碳（/ m_鋼水×鋼水平均比熱容+m_渣×爐渣平均比熱容）

轉(zhuǎn)爐剩余熱量為：

Q_2脫碳=（1 420+ΔT 脫碳-1680）×（m_鐵水×鐵水平均比熱容+m_渣×爐渣平均比熱容）

加石灰、白云石后，轉(zhuǎn)爐富余熱量為：

Q_3脫碳 =Q_2脫碳-m廢鋼×25%×噸鋼熔化吸熱量原m_白云石2×噸白云石分解熱-爐氣帶走物理熱

轉(zhuǎn)爐富余熱量用添加石灰石的方式中和，石灰石加入量為：

m_石灰石=Q_3脫碳/石灰石分解熱

4 渣料減量化冶煉供氧制度計算思想

4.1 碳氧反應(yīng)速度曲線

在實際生產(chǎn)中，碳與氧的反應(yīng)是復(fù)雜多變的，同時受到多種不同因素的影響，包括氧氣壓力的調(diào)整、氧槍槍位的變化、鐵礦石的加入量、各種造渣輔料的裝入，以及噴濺的干擾等，但在不同的供氧強度下，脫碳反應(yīng)的變化規(guī)律基本相似，理論研究過程中可對圖進(jìn)行線性形式表示，脫碳過程可分為 3個階段，其過程脫碳速度曲線可以用“臺階”形簡化表示，見圖 1。

（1）第一階段碳氧反應(yīng)速度可描述為：

V_c =-dc/dt=K₁ t 式中，t 為供氧時間；K₁ 為根據(jù)鋼水硅的總量、熔池溫度以及供氧強度等因素所確定的非常數(shù)（見圖 2）。

在第Ⅰ期，供氧剛開始階段，硅、錳首先進(jìn)行氧化反應(yīng)，氧槍提供的氧氣中只有少量用于氧化碳，脫碳反應(yīng)因此受到一定的限制。當(dāng)熔池溫度升高、 供氧強度也增大、鐵水里的碳濃度也就越高，K₁ 值隨之越大，但是提水中硅、錳含量越高，K₁ 值就越小。由圖可知，鋼水中硅的總量 w[Si]+0.25w[Mn]躍1.5%時，脫碳速度初始接近于零。

（2）第Ⅱ期，氧槍提供的氧氣全部用于氧化碳， 脫碳速度為：

V_c =dc/dt=K₂式中，K₂ 為脫碳系數(shù)，根據(jù)氧槍槍位和供氧強度確定的常數(shù)，氧槍槍位 H 和氧氣流量 V_O2變化時，K₂ 與和槍位 H 和氧氣流量 V_O2 線性相關(guān)。

根據(jù)全鐵水冶煉實驗得出：

K₂ =（1.89V_O2-0.048H-28.5）×10^-3 

式中，V_O2 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的供氧強度，m³ /(ht)；H 為氧槍高度，cm。

所以，第Ⅱ期脫碳反應(yīng)速度大部分取決于供氧強度，在一定的供氧強度下次階段的脫碳速度可以認(rèn)為是一定值，但是，冶煉過程氧槍槍位的變化會影響氧氣的利用率（η_O2）。

（3）第Ⅲ期脫碳速度：

V_c=-dc/dt=K₃C 式中，K3 為由氧槍高度以及供氧強度所決定的常數(shù)。

前文已經(jīng)指出，碳氧反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)在于[C]、[O]向反應(yīng)區(qū)的擴散傳質(zhì)過程，當(dāng)其他的動力學(xué)和熱力學(xué)條件相同時，[C]、[O] 的移動快慢只與其濃度有關(guān)，而在真?zhèn)€吹煉過程中，供氧強度基本保持不變，吹煉到后期，碳含量降低，[C]在遷移擴散速度降低成為反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，此階段的碳氧反應(yīng)速率與剛水中碳含量成正比。在冶煉中期，供氧強度越大，碳氧化的效率就越高，圖 1 中 B 點出現(xiàn)的時間也就越早，K₃ 值就越小。

4.2 吹煉終點時間和脫碳速度在碳氧反應(yīng)過程中的數(shù)學(xué)模型

在第Ⅰ期，ΔC₁ 即鐵水中碳濃度降低量可表示為:

吹煉中期（Ⅱ期）鐵水中碳濃度降低量 駐C₂ 可表示為:

設(shè)定入爐鐵水初始含碳量為 C₀，冶煉中期結(jié)束時鐵水中的碳的濃度為 C₂：

聯(lián)立三式可得：

從而求解出 t₂：

吹煉后期，鐵水中碳含量決定了脫碳的速度， 兩者為正比例關(guān)系，則系數(shù) K₃ 為：

代入可得：

分離變量后定積分：

積分運算，化簡得：

式中，t_e 為吹煉結(jié)束時間，min；C_e為冶煉鋼種的目標(biāo)含碳量。

進(jìn)一步運算得：

轉(zhuǎn)爐吹煉時間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ图礊榉磻?yīng)式，在冶煉不同的鋼種時，其可以通過模擬來計算在不同鐵水成分，不同目標(biāo)碳含量條件下，轉(zhuǎn)爐冶煉的終點時間 t_e。在反應(yīng)式中，入爐鐵水成分初始始碳含量為 C₀；鋼種要求目標(biāo)碳含量為 C_e。t₁、C₂ 和為多爐試驗和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)選取的經(jīng)驗參數(shù)。在正常情況下，C₂一般取 0.6%~0.7%，t₁一般取 7~10min，一般為 0.2%~0.4%/min。

4.3 基于氧利用效率的轉(zhuǎn)爐耗氧量預(yù)算機理

轉(zhuǎn)爐冶煉過程氧氣消耗主要有以下幾個方面： 鐵水中元素氧化耗氧、爐襯中碳氧化耗氧、鐵水氧化耗氧、廢鋼耗氧、各種原輔料帶入氧量、爐氣中鐵氧量等。計算公式如下：

Q_O2 =Q_鐵水×η_O2 +Q_爐襯+Q_廢鋼+Q_爐氣+Q_自由氧-Q_輔料-Q_返礦 

式中，Q_O2 為總耗氧量；Q_鐵水為鐵水中不同元素氧化反應(yīng)耗氧量；Q _爐襯為爐襯中的碳氧化的耗氧量；Q _廢鋼為廢鋼中不同元素氧化的耗氧量；Q _爐氣為爐氣帶走的氧量；Q _自由氧為自由氧；Q _輔料為造渣料帶入的氧；Q _返礦為返礦帶入的氧。

反應(yīng)式中，鐵水中各元素的氧化耗氧量根據(jù)入爐鐵水成分與冶煉鋼種的成分差進(jìn)行計算；根據(jù)終點渣中 FeO，F(xiàn)e₂O₃ 含量計算鐵元素氧化耗氧量；爐襯中碳氧化的耗氧量按照 0.5kg/100 kg 鐵水計算；爐氣耗氧量以及自由氧含量均取經(jīng)驗值，分別為0.37 kg/100 kg 鐵水和 0.063 kg/100 kg 鐵水；輔料以及礦石帶入的氧量可通過計算輔料及礦石的成分，其中，輔料以 CO₂ 的形式帶入氧，礦石以礦石中鐵氧化物分解產(chǎn)生的分解氧，輔料及返礦的裝入量由現(xiàn)場的轉(zhuǎn)爐智能煉鋼模型計算得出。轉(zhuǎn)爐智能煉鋼用戶界面見圖 3。

5 實驗結(jié)果

通過模型的合理化布料指導(dǎo)，轉(zhuǎn)爐終點雙命中率由原來的 65%穩(wěn)定提升到 85%以上。加之基礎(chǔ)操作方面的細(xì)致培訓(xùn)工作，轉(zhuǎn)爐操槍工操作過程吹煉平穩(wěn)，爐口冒渣及鋼水噴濺情況均有所好轉(zhuǎn)，噴濺率有原來的 12%降低到 8%以下，煤氣回收率得到了明顯提升。

6 結(jié)論

通過對煉鋼渣料減量化冶煉、石灰石替代石灰、鐵礦石熔融還原以及留碳作業(yè)技術(shù)研究，建立一種充分考慮各種工藝參數(shù)和原材料狀況，解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型。通過的模型指導(dǎo)，降低生產(chǎn)成本 15 元/t 以上，減少 CO₂ 排放量 28.77 kg/t，年排放量減少約 11.5 萬 t，實現(xiàn)了智能化、環(huán)境友好型煉鋼。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏壽昆.冶金過程熱力學(xué)[M].上海：上海科技出版，1980.

[2] 陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)(煉鋼部分)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990.