（冶金工程专业论文）基于炉气分析的转炉动态模型.pdf

东北大学工程硕士论文摘要 摘要 转炉炉气分析动态控制是指利用炉气分析技术，实现转炉炼钢的计算机动态控制。 其控制过程为：在转炉冶炼过程中，在静态控制模型的基础上，利用安装在转炉烟道上 的各类气体分析仪器，在线实时分析转炉炉气成分，测定或计算转炉炉气流量等信息， 通过模型计算，实时在线预报钢水中的碳锰磷等成分和温度的变化，进行喷溅预报与控 制，并在线调整吹氧制度和造渣制度，以提高钢水质量和终点命中率。 2 0 世纪9 0 年代以来，国际上采用高精度快速在线气体分析仪，结合先进的炉气分 析计算机动态控制技术，在转炉炼钢上取得了很好的应用效果。 本课题以梅山钢铁公司炼钢厂1 5 0 t 顶底复吹转炉为研究对象，从冶炼过程冶金反 应机理和经验规律出发，建立了转炉熔池碳和温度连续计算算法，最后应用m i c r o s o f i v i s u a lb 嬲i c6 0 编程语言和m i c r o s o ra c c e s s 数据库技术完成了转炉炉气分析动态控制 软件的开发。结合模型离线模拟的结果可以得出如下主要的研究结论： ( 1 ) 炉气分析模型具有较高的自动化程度，能自行判断吹炼终点。该模型可对转炉 吹炼过程实施连续监测，处理的信息量大，有利于提高控制精度，实现转炉连续控制。 ( 2 ) 炉气分析模型对终点c 含量在o 0 6 以下的炉次命中率较高，适合于低碳钢冶 炼。而由于用于温度预报的数据来源均为间接数据，所以对温度计算的命中率相对较低。 关键词：转炉冶炼；炉气分析；动态控制；碳含量；温度；红外分析； 东北大学工程硕士论文 b s t r c r t d y n 锄i c m o d e lb a s e do no f f _ g a sa n a l y s i s o nb o f s t e e l m a k i n gp r o c e s s a b s t r a c t d y n a m j cm o d e lf o rc 幽nc o n t e n ta n dt 伽p e m n l r ep r 甜i c t i o no fm e l tw t l lo 疗：g a s 锄1 1 幅i s t e c l l n o l o g h a sb e e nd e v e l o p e df o rt h ed y n a m i cc o n 仃o lo fs t e e l m a k i n gp r o c e s so nb o ft l l i s d y n 锄i cm o d e li sb a s e do nt 1 1 es t a t i cm o d e l i nt 1 1 em e t a l l u r g i c a lp r o c e s so fc o n v e n e r b l o 、v i n g ，、v i t i lt 1 1 eh e i po fg 船a 1 1 a l y z e ri 1 1 s t a l l e do nc o n v e r t e rf l u e ，m eo 行- g 邪f h c t i o na n d n o wr a t ec 孤b em e a s u r e da n da 1 1 a 】y z e d t h ev a r i a t i o no fc a n 0 n 。r n a n g a n e s ea n dp h o s p h o r c o n t e n ti nt t l em e l ta n dt e m p e 阳t u r ec 锄b ep r e d i c t c do n 1 i n ew i t ht h ed y n 锄i cm o d e l _ a c c o r d i n gt 0t l l ed y n a m i cp r e d i c t i o l l t 1 1 ec o n v e r t e ro p e m t i o ni se 丘b c t i v e l ya d i u s t e d 锄d c o n ”o l l e do n 1 i n es u c ha so x y e e nb l o w i n g 。a d d i t i o n so fa u x i l i a r ym a t e r i a l s 。a sw e i ia s s l o p p i n gp r e d i c t i o na | l di t ss u p p r e s s i o n t h u st i l e 硫m 土eo fe n d p o i f l tc a nb ei n c r e a s e da 1 1 d t h eq u a l i t y 柚dp r o d u c t i v i 竹c a nb ei m p r o v c d h 11 9 9 0 s ，b ym e 趾s o f l l i g t l 一c 咐c yo n l i n cg 勰a i l a l y z c r 锄da d v a n c e dc o m p i l t i 玎t e i 灿l o g y f o rd y i l a m i cc o n 仃o l ，t h e d y n a m i cp d e d i c t i o nm o d e l o nb o fs t c e l m a k i n gh 蠲b e 即 飘l c c e s s 舢ya p p l i c dt os t e e li n d u s n 孓 1 1 1t l l ep 珥e r ，t l l el5 0tc o n v e r t e rh a sb e e nt a k e nt ob es l i b i e c ti n v e s t i 2 a t e da tt l l es t e e l m a “n g f a c t o r yo fm e i s h a ni r o n 锄ds t e e lc o r p o m t i o n a n db 私eo na n a l y s i st om e t a i l u r g i cr e a c t i o n m e c h a i l i s ma i l de m p i r i c a lr e g u l 撕t y ，t l l ec o m i n u o u sc a i c u l a t e da r i t l l m e t i co nc 矗b o nc o n t e m 卸dt e m p e r a 帆i nb a t hh 鹊b e e nb u i l t a r i da tl a s t ，t h ed y n a m i cm o d e lb a s e do no f f - g a s 卸_ a l y s i sh a sb e e np r o g r a m m e da 1 1i n t e m e ta p p l i c a t i o n s 、v i mm i c r o s o r s u a lb a s i cc o m p u t 盯 l a l l 毋l a g ea i l dm i c r o s o ra c c e s sd a t ab a s e a n dc o m b i i l i n g 、v i mt 1 1 eo 厅l i n es i m u i a t i o nr e 鲫l t ， 蚀呤i i l a i nc o n c l u s i o nh a sb e e nm a d ea sf b l l o w s ： ( 1 ) ni sp r o “d e d 耐i 量lb e t 研卸t o m a 6 e dl e v c io fo 昏g 部锄a l y s i s ，锄dt 王圮s 6 e e i 胧l l ( i n g e n d - p o i mc a nb ed i s t m g u i s h e da u t o m a t i c a l i yi nt l l em o d e l ，t h e nl h es t l m a l ( i n gp r o c e s sc a i l b em o n i t o r e dc o n t i n u o u s l yb e c a u s eo f 印p l i c a t i o no ft h em o d e i a n dl a 唱en 帅b e r so f i i l 】f o 舯a t i o nh 嬲b e e ni n c l u d e di nt h em o d e l ，s 0i ti sb e n e f i tt oi n c r e a a c c u r a c yc o 曲m lo n b o f s t e e l m a k i n gp r o c e s s ，粕dt l l ec o n t i n u o u sc o n o lw o u l db ec o m e 仇埠o n 曲屺p r o c e s s ( 2 ) i ti sb cf i tf o rl o wc 曲o ns t e e lo fc a r b o nc o n t e n tl o w e rt i l a no 0 6 o f t h em o d 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程平稳化、控制自动化、终点命中准确化，实现低耗、高效、长寿生产是冶金生产者梦 寐以求的目标，转炉炉气控制系统应运而生。 转炉炉气分析就是在转炉烟道上安装在线气体分析仪，在线实时分析转炉炉气成 分，测定或计算转炉炉气流量等信息，通过模型计算，实时在线预报钢水中的碳、锰、 磷等成分和温度的变化，进行喷溅预报与控制，并在线调整吹氧制度和造渣制度，以提 高钢水质量和终点命中率。这是有别于副枪终点动态控制的一种方法，能实现转炉全程 动态控制。 1 2 课题研究意义 转炉炉气分析动态模型能实现全程动态控制和闭环全自动炼钢，与传统模型比较具 有以下优点： ( 1 ) 静态控制模型是一种远程预报系统，缺乏吹炼过程中的在线信息，无法对模型 计算结果进行实时修正。而炉气分析动态模型可以在冶炼过程中连续获取冶炼过程中的 炉气成分变化的产信息，并提高模型计算，实现对转炉炼钢全程碳温的动态矫正与预报， 并能根据预报结果控制冶炼操作，因而能提高控制精度和命中率。 ( 2 ) 目前应用比较成熟的副枪终点动态控制模型能获取接近终点时的炉内碳温等 信息，并通过模型进行在线矫正。但副枪获得的信息只是一个点的信息，不具有连续性。 转炉冶炼过程的大部分时间仍在静态模型的指导下生产；而炉气分析动态模型可获得转 炉冶炼过程的全程生产信息，可进行转炉炉内碳温的在线连续预报和全程动态矫正。该 模型处理的信息量大，不仅有利于通过控制精度，而且能实现转炉的全自动吹炼控制， 并能为转炉优化冶炼工艺，提高煤气回收率提供有益信息。 ( 3 ) 炉气分析动态模型可间接计算钢水的温度，碳、锰、磷、硫等成分和渣量与炉 渣成分等，以及它们在冶炼过程中的变化规律，有利于深入研究转炉冶炼过程的规律。 东北大学工程硕士论文第1 章绪论 1 3 本课题可产生的经济效益 ( 1 ) 提高转炉冶炼的终点命中率，缩短冶炼时间 转炉炉气动态控制技术，提高冶炼终点成分与温度的控制精度和命中率。在实际操 作中，倒炉一次约需3 5 分钟，提高终点命中率可减少倒炉次数，提高直接出钢比率。 ( 2 ) 降低副枪探头消耗 副枪探头是消耗性材料，测量一次需更换。在采用炉气分析与副枪系统联用的动态 控制中，炉气分析系统可减少副枪点测的次数，降低副枪头的消耗，甚至在有了一定的 生产经验后，生产情况正常时，可依据历史数据和自学习经验，做到完全取消副枪的点 测，从而大大地节省副枪的消耗。 ( 3 ) 提高转炉煤气的回收率 在线气体分析仪的采样点位置位于转炉烟道热端，在废气冷却和除尘系统的前面， 加上在线分析仪的快速分析数据的特点，可使煤气回收站的操作者至少提前2 0 秒获得 炉气信息，并可决定开始回收煤气。 ( 4 ) 提高金属收得率 炉气分析动态模型可实现对转炉冶炼过程中发生的各种喷溅进行在线预报和控制， 因而可有效地减少喷溅，提高金属的收得率。 ( 5 ) 锰、磷控制水平提高 采用炉气分析方法控制转炉生产，可通过炉气分析模型计算的结果，调控炉渣氧势， 实现对钢中锰、磷含量的控制。 2 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 氧气转炉炼钢的发展 2 1 1 氧气转炉简介 顶底复吹转炉是炼钢生产中最重要的冶金设备之一。它的主要目的是将铁水中的 碳、硅、锰、磷等元素通过氧化的方法去除。在顶底复吹转炉上方通过氧枪将氧气吹入 熔池，同时从转炉底部吹入惰性气体，加强对熔池的搅拌作用。冶炼开始前，装入废钢 和兑入铁水后，将炉体摇正。氧枪下降的同时，由炉口上方的高位料仓加入第一批造渣 料，当氧枪降到规定枪位时，吹炼正式开始。当氧流与熔池面接触时，碳、硅、锰、磷 开始氧化。吹炼中期脱碳反应激烈，渣中氧化铁降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大， 并可能出现“返干”现象。此时适当提高枪位，并加入第二批造渣料。吹炼末期，金属 含碳量大大降低，脱碳反应减弱，最后根据火焰情况、供氧数量和吹炼时间等因素，按 所炼钢种的成分和出钢温度要求，确定吹炼终点，并提枪停止供氧，倒炉、测温、取样。 根据分析结果，决定出钢或补吹。 2 1 2 转炉发展历史 2 1 2 1 早期 转炉炼钢的发展史可追溯到十九世纪中叶，1 8 5 6 年，英国机械师h 贝氏麦提出在 一个砌有酸性耐火材料的专门容器( 转炉) 内，用空气吹炼液体生铁的方法，称之为贝氏 麦法，开辟了近代转炉炼钢的先河。 1 8 7 8 1 8 7 9 年，s g 托马斯( 英) 对贝氏麦法加以改进，采用碱性耐火材料( 白云石) 做 转炉炉衬，在英、美称之为托马斯法【j 】。 早在贝氏麦登记贝氏麦酸性转炉炼钢法专利时，就提出用纯氧炼钢的重要意义。但 是直到德国的k v 琳德首先生产出价格低廉的，可供工业使用的氧气时，制氧技术才开 始在炼钢中使用。 1 9 3 0 年，马克西米利安( m a ) 【h i n e ) 厂( 德) 在托马斯转炉试验3 0 t 富氧炼钢，1 9 3 8 年 投入生产。结果证实了富氧不仅可以提高生产率，而且可以降低钢中氮含量，从而提高 钢的质量 1 9 4 7 年，r 杜勒( r d 哪) 和他的同事h 赫尔瑞格( h h e l l h m g g e ) 在瑞士格拉费根 ( g e r l a f l g e n ) 钢厂2 5 t 转炉上进行顶吹氧试验。由于过去许多冶金工作者试验采用纯氧插 入钢液熔池吹氧方法，从底部、侧面、顶部吹入纯氧，风口都很快烧损，托马斯底吹转 炉风口吹入富氧，当富氧超过3 5 4 0 时，也很快的烧损。r 杜勒的试验是在转炉钢液 3 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 面上吹入富氧，用高速氧气流吹入钢液，于1 9 4 8 年3 月获得成功。 1 9 4 9 年，奥地利联合钢铁公司要恢复建厂，他们观察了r 杜勒的试验方法并在林 茨( l i l l z ) 2 t 和1 5 t 转炉上继续进行杜勒试验，并于同年1 0 月获得成功。1 9 5 2 年在林 茨建成3 0 t 转炉并开始生产1 2 j 。 1 9 5 3 年，奥地利阿尔卑斯矿业公司在多纳维茨( d o n 删啪也建成了个工厂开始生 产，并把这种炼钢方法命名为l d ( l i n z & d o m w i t z ) ”j 氧气项吹转炉炼钢法。l d 是世界 炼钢技术的一次革命，对世界钢铁生产在2 0 世纪5 0 年代所产生的飞跃发展起了决定性 作用。 l d 转炉从一开始就显示出它的以下几个优点： ( 1 ) 生产率高，相当于同时代同容量平炉生产能力的十倍，且有利于与连铸配合； ( 2 ) 钢水质量好，氢、氮、氧含量都低于平炉，并能去磷； ( 3 ) 节省劳动力，生产成本低，不需外加能源； h ) 建设费用低； r 5 1 烟气除尘容易； r 6 ) 耐火材料消耗低。 经过2 0 世纪5 0 年代转炉技术完善与大型化的发展，到6 0 年代，己能建成3 0 0 t 大 型转炉。从1 9 5 6 年转炉钢仅占世界钢产量的1 ，到1 9 6 7 年超过平炉钢，才不过1 1 年时间。1 9 7 3 年，转炉钢的生产能力达3 6 6 亿t ( 同年世界钢产量为6 9 7 亿t ) 。 2 1 2 2 近期 2 0 世纪6 0 年代，托马斯碱性底吹空气转炉失去竞争力。德国马克西米利安厂1 4 j 在 1 9 6 8 年成功实现底吹氧气转炉的工业化，从此底吹氧气转炉诞生了。欧洲许多托马斯 炉被底吹氧气转炉所替代。由于底吹氧气转炉对熔池搅拌强烈，在熔池钢液碳含量很低 时，底吹转炉优于顶吹转炉，它的脱碳速度较快，反应趋于平衡，钢中的氧含量低，铁 锰烧损小，铁合金收得率高，有利于冶炼低碳钢。但是，由于底吹转炉的化渣效率不高， 而且这种炼钢方法在底吹供气元件处的耐材消耗高，钢中氢含量增高，且底吹氧系统结 构复杂。因此，这种方法在世界上并不多用。 1 9 7 8 年，卢森堡阿尔贝德公司【5 】开发了l b f 顶底复吹冶炼技术，从转炉底吹入氮、 氢等气体搅拌熔池。对冶炼低碳钢，在碳低时，采用底吹搅拌，可加速脱碳反应并使各 种反应接近平衡状态，减少铁锰烧损，提高脱硫能力。该项技术发展很快，方法很多， 底吹气体除氮、氢外，还有氧、一氧化碳、二氧化碳等。底吹转炉采用的底吹喷嘴也有 不同的类型。由于顶底复吹技术显示出诸多冶金效果及经济效益，而且将顶吹转炉改成 复吹转炉无须大幅度改造，因而顶底复吹技术问世5 年后，在世界范围内己有7 0 座炉 容量大于1 5 0 t 的大型转炉改造成功并投产。可以说，到2 0 世纪8 0 年代末，复吹转炉 炼钢法己具有取代纯顶吹法而成为转炉炼钢主流的趋势1 6 】。 1 9 9 0 年，采用顶底复合吹炼技术的钢产量占转炉钢产量的百分比在日本为8 3 5 ， 西欧为6 0 1 。由于复合吹炼铁锰烧损减少，降低了消耗，但同时也带来由于热量减少， 4 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 影响了废钢用量。一些公司为了维持现有的废钢比，开发了双流槽氧枪，利用副氧道吹 氧，使转炉炉气进行二次燃烧，以增加熔池热量。也有一些采用在氧枪头部或上部开一 些副氧孔的方法，达到了同样的目的。氧气转炉的二次燃烧技术使原来燃烧率在只有 2 肚3 0 左右的基础上有了很大的提高。 2 0 0 0 年日本住友金属和歌山厂在2 l o t 转炉上采用全量处理铁水和专用脱磷脱硫设 备及高速吹炼系统，创造世界最高转炉吹炼速度，达9 n l i n 炉次，且达到渣量减半，粉 尘减少四分之三的技术效果1 7 j 。 2 转炉炼钢控制技术的发展 转炉炼钢反应快，冶炼时间短，生产效率高，操作简单，不消耗燃料，因而成本较 低。但是其存在原材料限制严，且由于反应快，不易控制吹炼终点，在冶炼中金属的吹 损和溅损较大，杂质带入多等问题。随着科学技术的发展，人们逐渐把计算机技术应用 到转炉控制中来。 在转炉炼钢中采用计算机控制，需要建立转炉炼钢吹炼过程的数学模型，利用数学 模型来监测转炉吹炼过程中元素的变化和升温过程。根据数学模型所描述的变量在过程 中的状态不同，模型可分为静态模型和动态模型；根据模型所采用的方法，又可分为理 论模型( 机理模型) 、经验模型( 统计模型) 和混合模型等。 2 0 世纪5 0 年代，由于计算机的出现，使得在吹炼开始前进行大量的复杂计算成为 可能；并且，称量系统和测压技术的改进使原料计量的准确性得到了提高，准确度量转 炉的输入物和输出物成为可能，再借助计算机进行质量平衡和热平衡计算，这便是静态 模型的控制思想，早期的静态模型用专用的计算尺求解，其后不久采用了专用的模拟计 算机，最后都采用了数字计算机【8 ，9 】。在理论的静态模型控制技术遇到一些困难时，自 适应的统计模型和增量模型出现了，这些模型发展了操作工的经验，因而适应性增强。 比较成熟的静态模型控制技术可使出钢命中率达到5 嘶o ，比人工经验提高约 2 0 3 0 ，由于无法获得转炉吹炼过程中的实际冶炼信息，应用静态模型进一步提高终 点命中率遇到困难，这促使各国致力于动态控制技术的研究。 从1 9 6 0 年k i 缸s 啪 1o 】等人开始，至今己完成了大部分的数学建模工作。但他们所 采用理论模型、经验模型控制终点成分和温度上，均因存在较大预报误差而未获得令人 满 意的结果，其主要原因是由于模型本身对转炉内部形伏变化的描述较为困难。为了解决 这一问题，过程模型被推广到计算机控制中。 h m e v e 【l l 】首先利用转炉烟气成分和流量数据及插入式热电偶测温结果，建立了预 测终点碳含量和温度的动态数学模型。藤井靖澍1 2 】和池内祥靖等又分别开发了综合反应 模型和副枪终点控布模型，使控制精度提高2 0 ，实现了无倒炉出钢的目标。 6 0 年代末期，鞭岩【1 3 】等人提出了转炉炼钥炉内脱碳反应数学模型，在此基础上， 5 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 他们研究了火点气流行为、石灰渣化、烟气检测与建模的关系，开发出能计算炉内钢水 碳和硅随吹炼过程变化的数学模型。1 9 7 0 年鞭岩等人又对此模型作了发展，考虑了锰 和磷的氧化反应、渣一金间的反应和石灰化渣速度的影响，提出了一个更加全面反映转 炉炼钢反应机理的数学模型l l4 j 。 高轮武志等人又根据实测炉气成分和流量，对鞭岩等人的数学模型加以修正，应用 于住友金属和歌山炼钢厂吹炼过程中，计算了吹炼终点所需的氧量和造渣剂用量，并对 吹炼终点【c 】、【p 】和温度进行预报，模型的预报精度分别为0 0 5 ，土o 0 1 ，2 0 ， 模型的应用指导了转炉吹炼操作，降低了后吹率。 斋藤忠等人提出了顶底复合吹转炉终点钢水成分预测统计模型，该统计模型将终点 钢水的成分整理成与副枪测温定碳时取样分析的钢水成分、停吹时测定的钢水自由氧含 量( 低碳钢) 或由烟气参数计算得到的炉内蓄积氧量( 高碳钢) ，以及石灰用量、萤石用量、 铁水成分及停吹温度相关的函数关系。利用这些函数关系，计算停吹时钢水的【p 】、【m n 】 等元素含量，预报精度分别为0 0 1 4 5 ，0 0 0 9 3 ，实现了快速出钢和对吹炼终点进 行控制的要求。 福味纯一根据转炉烟气的测定结果，对炉内的氧和碳进行了质量衡算，开发出了能 够连续预测熔池温度、渣中( 邛e ) 和钢中溶解氧变化的理论曲线，进一步提高了模型终 点控制精度【1 5 1 2 3 转炉冶炼模型的发展 目前在转炉上应用的炼钢模型种类很多，按实现冶炼目标的控制方法的不同，可划 分为：静态控制模型、副枪终点动态模型、炉气分析全程动态模型和全自动动态控制模 型。 转炉模型通常应具备以下功能： ( 1 ) 基本的数据库功能或数据管理功能。即能实现工艺参数的录入、传输、处理、 保存及查询等； ( 2 ) 确定吹炼工艺方案。即根据初始条件( 包括铁水、废钢、辅助原料重量、成分和 温度等) 和生产钢种的要求，模型能计算各种原料( 铁水、废钢、辅助材料、铁合金和氧 气) 的用量、加入时问、以及氧枪枪位控制模式： ( 3 ) 实现对转炉冶炼的控制。即在模型对炉况作出判断后，提出对应的工艺方案， 实现对生产的控制，反映在操作上表现为可动态修正吹氧量、枪位、辅料加入量和加料 时间等操作参数。 2 3 1 静态模型的发展 静态控制是指转炉吹炼前，根据冶炼的初始条件和终点要求，对转炉吹炼过程进行 6 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 模拟计算，制定吹炼工艺方案，确定供氧时间和各种辅助原料加入量及加入时间。按计 算结果进行装料和吹炼，在吹炼过程中不再进行修正。 6 0 年代初，美国j o n e s & l o u 曲l i n 钢铁公司的w j s 1 a t o s k y 以炼钢过程中的物理化 学反应机理和质量能量平衡原理为依据，建立了转炉理论静态模型s l a i o s k y i ”j 模型。 s l a t o s k y 模型采用计算尺在炉前快速计算，给操作者提供吹炼参考数据。以s l a t o s k y 模 型为基础，其他一些公司又开发出了改进的理论模型，如d g b o l t z 模型，比利时冶金 研究院的c r m 模型等，这些模型在实际生产中投入使用，并取得了较好的控制效果， 比以前的人工控制有了很大的提高，终点碳温控制命中率可以达到4 0 5 0 ，原材料消 耗减少，平均冶炼时间缩短，提高了劳动生产率。 理论模型从炼钢反应的物化原理出发，对吹炼过程进行数学描述。由于炉内反应的 复杂性，理论模型不能完全正确地描述炼钢反应的实际情况，因此理论模型计算结果与 实际结果存在很大的偏差，终点命中率较低。为了克服理论模型的一些不足，统计模型 得到了发展。统计模型不需要对炼钢反应过程进行深入了解和分析，而是对大量实际生 产数据进行统计回归，得到影响吹氧量和冷却剂加入量的各变量问的关系。 统计模型虽然部分克服了理论模型的不足，但统计模型本身还存在对系统变化反应 滞后，模型推广适用性差等缺点，影响统计模型的控制效果。为进一步提高静态模型的 控制精度和提高模型对吹炼系统变化的适应能力，出现了增量模型。 增量模型的原理是以前一炉或前几炉的实际操作结果作为本炉的参考炉，根据参考 炉的实际吹炼结果和参考炉与本炉的差别，计算本炉吹炼工艺参数。由于增量模型将整 个炉役作为一个连续变化的过程，克服了原料波动、计量误差，炉容变化等对模型计算 结果造成的影响，提高了模型的计算精度。与理论模型和统计模型相比，提高了模型对 系统变化的适应能力，增强了模型的自学习功能；因此，此类模型得到了广泛的应用， 是目前使用较多、效果较好的静态模型之一。 增量模型把转炉整个炉役期看作连续过程，因而可以忽略相邻炉次之间的炉容变 化。根据材料性能变化等吹炼因素，它在理论模型的基础上，采用增量修正的方法，比 较各种初始条件的波动值，估计其对吹炼终点的影响。参考炉选取适当与否是影响增量 模型精度的关键因素。为了提高模型计算精度，可将参考炉进行分类，根据不同冶炼钢 种和不同原料装入情况选取合适的参考炉。同时，为了避免由于只选用一炉作为参考炉 而造成的随机误差，可选取6 7 炉同类炉次作为本炉的参考炉，根据本炉和各个参考炉 初始条件的差值大小决定各个参考炉的加权值。 2 3 2 副枪动态模型的发展 从2 0 世纪7 0 年代开始，日本大部分钢铁企业都致力于副枪控制的研究，所以到 2 0 世纪8 0 年代，副枪法取得了长足的研究和发展，并逐渐发展成熟。到2 0 世纪9 0 年 代，国外的副枪技术己基本发展成熟。 7 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 。 日本川崎钢铁公司水岛钢厂2 5m 】 q b 复吹转炉采用副枪动态控制技术和吹炼程序 控制技术，实现了转炉全自动吹炼控制，其技术控制过程为： ( 1 ) 根据初始条件和终点目标，通过静态模型制定吹炼程序，预报副枪检测时刻熔 池的碳含量和温度，确定副枪检测点的吹氧时间和各种辅原料加入量； ( 2 ) 把供氧时间分为1 5 个氧步，针对初始条件和不同钢种的要求，按氧步设定吹 炼程序，实现全自动吹炼； ( 3 ) 在吹炼过程中采用氧枪加速议连续检测炉渣液面高度，判断化渣状况，并通过 改变枪位和供氧强度，动态调整造渣和供氧操作； ( 4 ) 接近终点时，用副枪测定熔池碳含量和温度，并进行动态校正，预报至终点 所需的供氧量和冷却剂量。 日本的神户钢铁公司加古川钠钢厂在2 4 0 t l d ，0 t b 转炉也实现了全自动吹炼，取得 了较好的效果，其控制过程为： ( 1 ) 根据初始条件和终点目标，用静态模型制定吹炼方案； ( 2 ) 采用氧枪加速议测量吹炼过程的炉气成分，在线全程预报熔池c 、s i 、h h 、s 、 p 含量和熔池温度； o ) 接近吹炼终点时用副枪测温，进行温度校正，确定吹炼终点。 副枪法可以可以直接测量，测得位置再现性好。迄今为止，副枪法所能达到的最佳 指标是碳温同时命中率达8 0 。9 呻a ，其中碳的控制精度为o 0 1 5 ，温度为l o 。 由于其发展已经比较成熟，因此想提高控制精度已经很难。同时，由于副枪法自身的缺 陷，限制了其发展，主要归结为以下几个方面： ( 1 ) 副枪受炉容限制，要求炉容最好在2 0 0 t 以上； ( 2 ) 副枪是一种点测的间断性工作方式，缺乏在线检测和预报钢中锰磷成分的手 段，难以满足转炉闭环全自动控制过程： ( 3 ) 不能对喷溅及渣状况进行预报，不能提供连续的动态信息。 近年来，对钢的质量要求不断提高。而转炉炼钢又是一个非常复杂的过程，采用人 工经验控制和传统的静态模型控制很难达到要求的控制精度。目前，欧、日、美的一些 大型企业在静态模型的基础上，辅以副枪、炉气分析、光学碳头和炉渣在线检测等技术， 成功地实现了转炉的全程动态控制自动化炼钢。其中尤以炉气分析动态控制技术发展最 快、效果最好。特别是近十几年，由于连铸和c c d 戤连铸和直接轧制) 技术的发展需要 磷含量较低的铸坯，这就对转炉提出了更加严格的磷含量控制标准，而副枪的测量不能 满足对磷和锰含量的控制要求。再者，人们一直想在转炉生产中实现全程动态控制，并 对生产中的喷溅进行预报。这一切都促进了炉气分析在转炉生产中的应用。 8 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 2 4 炉气分析技术发展 2 4 1 炉气分析技术的概况 转炉炉气分析就是在转炉烟道上安装在线气体分析仪，在线实时分析转炉炉气成 分，测定或计算转炉炉气流量等信息，通过模型计算，实时在线预报钢水中的碳、锰、 磷等成分和温度的变化，进行喷溅预报与控制，并在线调整吹氧制度和造渣制度，以提 高钢水质量和终点命中率。这是有别于副枪终点动态控制的一种方法，能实现转炉全程 动态控制。 2 4 2 炉气分析技术的发展 法。 炉气分析始于2 0 世纪6 0 年代，法国钢铁研究院最早从事以碳平衡为主的炉气定碳 国外早期的部分钢铁集团应用炉气分析的情况如表2 1 所示： 表2 1 国外早期炉气分析应用情况 t a b l e2 1a p p i i c a i i o ns t a t u so f o f 魄a sa n a l y s i so v l 玎s e a s 7 0 年代，随着各大公司开始炉气分析动态控制实验，炉气分析大量投入使用。德 国e k 0 钢厂一直致力于l o m 勰( 一种炉气分析转炉控制系统) 系统的研究。但由于当时设 备和技术的限制，特别时炉气分析检测仪起和计算机控制水平的影响，面临着控制精度 较低，滞后性严重及不能有效进行温度控制的困难。 韩国浦项钢厂【1 7 i 采用该工艺技术，碳温同时命中率高达9 5 以上。 9 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 只本福山二炼钢厂【l “，冶炼品种很多，根据钢种要求采用脱磷铁水少渣吹炼工艺等 多种转炉吹炼工艺，在副枪动态控制的基础上，又引进了炉气分析控制，终点命中率得 到了很大的提高，无倒炉出钢比达1 0 0 ，其中大约2 0 的炉次是不进行终点取样的。 瑞典l u l e a 市的s s a bt 1 l m n p l a ta b 厂1 19 】的转炉车间采用m e f c o n 炉气动态控制 系统，获得非常高的碳温命中率和终点控制精度。具有类似系统的还有美国的u ss t l 和i n l 如ds t e c l 公司和我国台湾地区的中国钢铁公司等。 我国也在炉气分析动态控制方面进行了一些研究，但研究大多停留在实验室研究和 理论计算阶段，实验用炉容较小，分析炉气的仪器设备比较落后，并且目前在国内缺乏 实际应用的实例，这一点与国外差距较大。 9 0 年代后，计算机得到飞跃发展，性能不断提高，转炉计算控制已经非常普遍， 炉气分析设备也由新型过程质谱仪替代了早期的气体分析仪，质谱仪的响应时间和精度 大幅提高，炉气分析技术得到很好发展。2 0 0 1 年6 月，辽宁本溪钢铁公司二炼钢厂进 行改造，从达涅利公司( d a n j e “c o n l s ) 引进了我国第一套转炉气分析控制系统，用于炉 气分析的质谱仪为磁扇式v gp i m i a s b 。 2 4 3 炉气分析设备简介 常用的炉气分析在线检测系统一般由取样系统、分析系统、数据通讯系统三部分组 成，如图2 1 所示。 图2 i 转炉炉气分析系统 f i 昏2 1o f f g a s 锄a l y s i ss y s t 锄o nb o f ( 1 ) 取样系统 取样系统包括取样头和样气预处理系统，其功能是快速抽取具有代表性并能直接分 析的样气。由于样气的特点是温度高、粉尘多、成分变化快，而一般高精度的分析仪均 1 0 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 不能直接分析这类样品，因此，取样系统除了样气采集外，还要对样品进行降温、除尘、 除湿、滤掉干扰组分等处理。由于转炉冶炼周期短，因此，以上处理过程要求速度快， 减短分析滞后时间。通常采用不同的管式取样探头插入排气管道中心或容器中取样，以 避免流动的气体在管壁或炉壁附近阻力大，湍流效应严重。探头上设置初级过滤器，其 孔隙小于气样中粉尘粒度分布高峰区的平均值，这样大部分粉尘在采样头前被滤掉，减 轻预处理系统的负荷。并且，为防止因粉尘累积而阻塞过滤器，还需要对采样头定期反 吹。 虽然采样头的初级过滤器滤掉了颗粒较大的粉尘，但由于高精度的仪器对样气的洁 净度要求很高，所以，还需要对细小杂质和粉尘颗粒的样气进行二级甚至三级的进一步 过滤处理。从采样头开始的预处理系统主要功能除了粉尘外，还需要脱水。当气体湿度 较大时，先利用冷却水冷凝大部分水蒸气并即时排除，而后选择不同功率的电子制冷除 湿器进一步除水。 ( 2 ) 分析系统 分析系统是检测设备的核心，按其功能分为单指标和多指标两类。单指标分析器主 要有红外分析仪和激光分析仪，其分析的主要成分为c o 、c 0 2 、0 2 。多指标分析仪器 主要有气相色谱仪和质谱仪，其分析的主要成分为c o 、c 0 2 、0 2 、n 2 、h 2 、a r 、h e 等。 ( 3 ) 数据通讯系统 过程分析系统、工艺控制系统与主控室的操作系统在数据通讯与网络技术的帮助下 联为一体。过程分析系统与工艺控制系统都是由可编程控制器p l c 或分散型控制器 d c s 通过自身的调节器与执行器实现自身控制的单体自动化设备。主控室的计算机以 通讯的方式与各种自动化设备相连接，随时调用过程监测设备p l c 或d c s 存储的中间 数据，并以此向工艺控制系统中的p l c 或d c s 发出操作指令，从而实现工艺过程的自 动控制。 2 5 转炉控制模型比较 2 5 1 静态模型和动态模型的比较 ( 1 ) 静态模型包括铁水温度、成分和重量，各种辅助原料成分和重量、氧气流量和 枪位，副枪动态模型在保留静态模型功能的基础上，增加副枪测温、定碳和取样。 ( 2 ) 静态模型根据目标终点【c 】、t 要求确定吹炼方案，供氧时间和原辅料加入量， 终点命中率一般小于6 0 ，而副枪模型可以根据副枪检测的碳温修正计算结果，预报所 需的供氧量和冷却剂加入量命中率一般较高，能达到8 5 以上。 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 2 5 2 炉气分析和副枪控制的比较 ( 1 ) 提高转炉冶炼的终点命中率，缩短冶炼时间 炉气分析仪能快速精确地测出炉气中的c 0 、c 0 2 、0 2 、n 2 、m 、h 2 的摩尔百分含 量，从而可得出排放c 0 和c 0 2 的物质量值，进一步可得到钢水中 c 】的变化，对于这 些炉气成分的特性曲线和残余氧量的研究，为冶炼过程中控制脱碳速率提供了可靠的指 导，从而减少“补吹”，节约时间，降低耐材消耗，提高终点命中率。 ( 2 ) 降低副枪探头消耗 副枪探头是消耗性材料，测量一次需更换。常见的副枪探头类型主要有t s c 、t s o 和t 三种，在价格和功能上都有差异，其中t s c 探头具有测温、定碳和取样的功能， t s 0 探头具有测温、定氧和定碳的功能，t 探头具有测温的功能。副枪的测成率大约为 8 0 一9 0 ，采用副枪测温定碳定氧和取样等，需要消耗大量的副枪探头，累积的消耗费 用和维护费用很高。而采用炉气分析测温定碳，各元件的使用寿命较长，维护相对较容 易。在采用炉气分析与副枪系统联用的动态控制中，炉气分析系统可减少副枪点测的次 数，降低副枪探头的消耗。甚至在有了一定的生产经验后，生产情况正常时，可依据历 史数据和自学习经验，做到完全取消副枪的点测，从而大大的节省副枪1 1 9 j 的消耗。 ( 3 ) 提高转炉煤气的回收率 利用在线气体分析仪获取的转炉炉气成分，不仅可以用来控制转炉生产，还可用来 提高转炉煤气的回收率。原因是：在线气体分析仪的采样点位置位于转炉烟道热端，在 废气冷却和除尘系统的前面，加上在线分析仪的快速分析数据的特点，可使煤气回收站 的操作者至少提前2 0 秒获得炉气信息，并可决定开始回收煤气。瑞典l u l e a l 的s s a b t l 蛐n p l a t a b 厂转炉车间的实践经验证明：采用质谱仪在转炉热端分析炉气，比常规方法 可提高煤气回收率2 5 。日本千叶厂三炼钢2 3 0 t 转炉采用炉气分析系统，吹炼初期和 末期废气回收时间合计可延长2 分钟1 2 0 j 。 ( 4 ) 提高金属收得率 炉气分析动态模型可实现对转炉冶炼过程中发生的各种喷溅进行在线预报和控制， 因而可有效的减少喷溅，提高金属的收得率；模型通过对渣成分的计算和对吹氧制度和 加料制度的精确调整，可减少渣量，降低渣中f e o 含量。此外，终点命中率的提高减 少了后吹比率。通过上述措施通常可降低吹炼铁损o 5 l 。 ( 5 ) 降低脱氧剂的用量 由于精确的控制了转炉冶炼终点，减少了倒炉次数，避免了钢水氧化，可降低脱氧 剂的用量。 ( 6 ) 减少喷溅的发生率 可以利用炉气分析的数据建立氧含量喷溅预报模型。通过检测炉气中的氧含量，计 算出转炉内冶炼的脱碳率，再结合由氧枪吹入的氧量、造渣料带入的氧量、由炉口吸入 1 2 东北大学工程硕士论文第2 章文献综述 的空气中的氧气，利用建立的数学模型来预测喷溅的产生。也可根据炉气的异常表现来 预报喷溅，德国几奥吉斯马林许特厂，根据历史炉次的炉气记录统计发现，当c o 含量 突降时，往往意味着喷溅的来临。 ( 7 ) 锰磷控制水平提高 采用炉气分析方法控制转炉生产，可通过炉气分析模型计算的结果，调控炉渣氧势， 实现对钢中锰磷含量的控制。日本福山二炼钢厂使用炉气分析后，助熔剂使用更加合理， 终点温度和渣中氧化铁含量控制水平提高，成品磷含量降低，助熔剂与原来相比，吨钢 节约了4 埏。日本新日铁【2 0 】1 7 0 t 转炉，利用o ，( 转炉炉内氧累积量，可由炉气成分通过 模型计算获得) 曲线控制生产后，在吹炼终点达到更好的低磷锰含量，并可大大减少它 们的波动。 6 本课题研究的目的及内容 2 6 1 研究目的 本课题建立在梅山1 5 0 t 转炉控制系统的基础上，旨在利用转炉在线检测设备( 红外 测试仪) 可测得连续的炉气分析模型所需要的信息，应用炉气分析确定终点碳含量，得 出终点各元素随碳含量的变化规律，从而利用碳含量来准确预测冶炼终点成分和温度， 并为现实的冶炼工艺提供有价值的指导。 2 6 2 研究内容 ( 1 ) 根据热力学、动力学、传输学、反应工程学等相关知识，建立应用炉气分析技 术的转炉冶炼数学模型，以此对冶炼过程进行监控及对终点进行动态预测。 ( 2 ) 依据炉气分析，应用物料平衡计算，利用碳积分模型能够得出钢水中连续的动 态【c 】的变化。 ( 3 ) 应用冶炼后期碳指数模型得出冶炼后期钢水中连续的动态 c 】的变化。 ( 4 ) 应用炉气分析，根据熔池内能量平衡计算出熔池