張 偉

（南京鋼鐵股份有限公司第一煉鋼廠，江蘇 南京 210035）

摘 要：鋼鐵行業的發展直接決定了一個國家未來的發展趨勢，在鋼鐵產業當中轉爐煉鋼具有非常重要的意義和地位，轉爐煉鋼最主要的任務就是控制對于吹煉的含碳量和實際的出鋼溫度，是否滿足規定，對于轉爐煉鋼來說本身就是一個非常復雜的工業模式，在轉爐煉鋼的工業體系當中包含著多元化，復雜化的高溫反應，也是一個具有周期性的升溫過程，智能控制的全面發展給轉爐煉鋼的控制帶來了一個全新的發展模式和方向。神經網絡技術依靠自身強大的非線性系統解答能力在轉爐煉鋼的控制當中得到了大量的使用，得到了有效的成果，文章就主要對于轉爐煉，鋼的靜態模型進行了分析研究，通過詳細的分析了構建了轉爐煉鋼碳溫的控制模型，希望能為我國鋼鐵產業的發展提供一定的理論依據。

關鍵詞：鋼鐵；轉爐煉鋼；控制模型

現階段，我國大部分的轉爐都是以中小型的轉爐為主，并且這些中小型的轉爐企業因為受到了廠房條件以及相關資金的約束，導致不能引入先進的檢測系統，進行精確的控制。文章就主要以理論模型為基礎，構建相應的預測模塊，提高控制的精確度。

1 轉爐煉鋼工藝流程

對于轉爐煉鋼最主要的目的是為了將鐵水當中的碳以及其余物質控制在一定的區域當中，在進行鋼鐵演練過程當中主要的材料包含鐵水、生鐵及礦石等，產出需要為滿足標準的鋼水。在轉爐煉鋼的過程當中以上一次的出鋼到本次的出鋼為一個周期，對于一般來說，轉爐煉鋼的演練周期一般需要控制在 30 min，其中時間占比最大的為吹氧，平均需要 15min。

根據熔池當中的具體成分和溫度的變化模式，氧氣轉爐吹鋼可以劃分為三個階段，分別是前期、中期、后期。對于氧氣轉爐煉鋼工藝制度主要由造渣、裝入、溫度控制、脫氧等幾個部分構成。

2 轉爐煉鋼碳溫控制模型

2.1 熱平衡和物料平衡

熱平衡是指轉爐中的物料在發生物理和化學反應之后，釋放出的熱量及損耗的熱量能保持相對平衡的狀態，是基于物理學中的能量守恒定理推斷出來的。物料平衡是指加入轉爐的物料與冶煉產物總量的相對平衡，同樣和物理學中的能量守恒定理存在著緊密聯系。

轉爐煉鋼理論模型可以幫助專家人員從理論層面去分析出鋼過程在熱量、氧氣上的變化，多出的熱量用在廢鋼熔化環節，使熱量得到循環利用，從而有效將冶煉成本控制下來。結合氧氣的消耗情況，能將吹氧時間的具體范圍計算出來，確保后續吹氧狀況分析的順利進行。考慮到冶煉期間會發生許許多多的物理反應和化學反應，因此通過理論模型計算出的數值不可能完全等于實際值。所以，在不同鋼廠的生產條件下，應適當修正一些相關的參數值，每計算一次，就調整一下對應的生產數據，以此使模型更加準確。

2.2 轉爐煉鋼物理過程的機理分析

往后的計算都在以下假設的基礎上來完成：為了更好地說明往后的計算流程，文章假設了其中涉及到的部分參量，但都是基于某鋼廠的實際生產數據得來的，在實際應用的過程中，要結合鋼廠的實際情況，再參照專家的建議完成設定工作。在總爐渣量中，鐵珠只占 8%的比例；

①金屬中氧化的碳分別氧化成了一氧化碳和二氧化碳，比例是 9∶1；

②金屬料的使用，有 1.2%是在噴濺方面損耗的；

③爐器使用傳統未燃法凈化系統，在日常生產期間轉爐煉鋼的吹煉過程，爐內煙氣的煙塵占爐內物料的總裝入百分比、煙塵中三氧化二鐵和氧化鐵的含量分別是 W_yc、W_yeFe₂O₃、W_ycFeO；

④廢鋼中 S、C、P 以及 Mn 的占比與鋼水的終點成分保持一致；

⑤進入爐渣中的耐火材料占金屬料的 0.07%，補爐料的占有比是 0.03%。爐襯的腐蝕量比率是 0.04%。

（1）確定轉爐的裝入量

轉爐裝入量是指裝入轉爐中所有主原料的總和。通常而言，轉入制度是由定量裝入、定深裝入與分階段階段性定量裝入等方式所組成的。其中，第一種方法在大噸位轉爐中比較常見；第二種由于生產組織的難度系數過高，基本已經沒人使用了；第三種是指在整個的爐役周期中，對爐齡實施階段性劃分，每個階段按量進行裝入。

W_z=W_t+W_fg 

（2）溶劑的計算

確定爐子中要加多少石灰通常情況下，爐子中要加多少石灰主要取決于三個方面，即 P 的含量、Si 的含量、爐內熔渣的堿度數值。

①確定爐內熔渣堿度水平的常用方法：

爐子中鐵水的磷元素含量在 0.30%以下，爐子內的堿度 R 定義為爐內渣中氧化鈣的含量閉上二氧化硅的含量，即：

②石灰加入量 Ws 的計算模型為：

W_s=W_st+W_sfg+W_sk+W_sy+W_sb 

③隨后推導出以下的幾個參數量運算方式：

（a）Wst 是根據爐內鐵水中 P 的含量、Si 的含量、爐內熔渣的堿度數值等，才將要加石灰的具體量計算出來：

上式是 Si 和 SiO₂ 的量比，意思是 1 kg 硅氧化后可以得出的 SiO₂ 總量為 2.14 kg；其中，1000 是對整體單位進行統一的，原因在于 W_t 是以噸為計量單位的。而爐內石灰中氧化鈣含量是用 W（CaO）_s 有效表示的。

（3）物料平衡的計算

爐內金屬料的全部元素氧化量，單位：千克。

①S 元素、C 元素、P 元素、Mn 元素和 Si 元素的氧化量：

ΔW_［x］=1000×（W_tW_tx-（W_g-W_fg）W_gx）

②鐵元素被氧化為三氧化二鐵及氧化亞鐵，假設在三氧化二鐵與氧化亞鐵當中，鐵元素在金屬料中的占比分別是 W［Fe］t（2 %）、W［Fe］t（1 %）。求得氧化成氧化亞鐵的鐵元素氧化量是：

ΔW_［Fe1］=1000×（Wt +W）g W_［Fe］t1）

③氧化成三氧化二鐵的鐵元素氧化量則為：

ΔW_［Fe2］=1000×（Wt +W）g W_［Fe］t2）

W_［y］=kΔW_［x］ 

（4）控制終點中碳含量的總吹氧量方程轉爐煉鋼期間氧氣是以爐子頂部降下來的氧氣占比最高，另外還有許多其他的來源，例如爐子內用到的冷卻劑就有氧元素的存在，爐子口旁的空氣也存在一定量的氧氣。在轉爐中，氧氣的作用是氧化鐵水中所有可以被氧化的元素，氧氣主要是在一氧化碳在爐內未完全燃燒的少數部分起作用，除此之外，煉鋼的爐子中溢出的煙塵引起的氧耗、爐子內溢出的爐氣也會有少量自由氧的存在。

如果在運算時沒有把爐子口吸入的氧氣加到收入項的話，在計算爐內的總吹氧量時，可采取以下公式：

VO2=（∑V_oss）+V_oyc+V_olq+V_oks 

在上式當中，∑V_oss、V_oys、V_olq、V_oks 分別代表的是金屬料中各元素燒損之后所需的氧氣量，爐子中溢出煙塵消耗的氧氣、爐子中存在的自由氧總量、爐子中礦石分解需要用到的氧氣。

2.3 理論模型實現

模型理論主要依靠物理學當中的熱量守恒和質量守恒為根本，對于模型過程進行計算，對于具體鐵水的加入量，輔料的加入量上文都進行了公式計算表達，擁有了理論模型就可以計算出不同轉爐當中的具體配料比，控制精度。

3 結 語

轉爐煉鋼對于鋼鐵企業的發展具有非常重要的價值，轉爐煉鋼最主要的目的是為了煉制出溫度和碳含量都滿足標準的鋼水，但是在具體的冶煉過程當中非常，復雜傳統依靠人工經驗為主的控制模式存在較大的問題，文章就針對轉爐煉鋼碳溫控制模型及智能專家系統，希望能為我國鋼鐵產業轉爐煉鋼的發展提供相應的依據。

參考文獻

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