（钢铁冶金专业论文）新型竖炉冶炼动态物料平衡及热状态分析计算软件开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 从钢铁生产工艺的发展趋势和全球铁矿资源来看，2 1 世纪短流程钢铁企业会 有更强的竞争能力。但是优质铁源是困扰该类企业提高产品质量、降低成本的关 键问题，在我国尤为突出。为此，上海大学钢铁冶金新技术开发和应用重点实验 室，整合了废钢熔化炉的快速加热技术，炼铁高炉的炉缸技术和氧煤燃烧技术的 基础上，提出了新型竖炉熔化一还原炉冶炼合金铁水的工艺思路。为了了解该工 艺冶炼过程的主要技术指标，基于冶金原理，开发了新型熔化一还原炉的动态物 料平衡和热平衡仿真软件。该软件以远程网络数据库为平台，用v _ i s u a lb a s i c6 0 编写，采用a c c e s s 2 0 0 0 实现数据的动态实时交换。软件具有动态物料平衡计算 功能，可实时计算冶炼过程任一时刻的铁量、渣量等投入产出指标，也可预测未 来某一时刻内的产量指标。此外，该软件还具有动态计算全炉热平衡和炉缸局部 热平衡功能，实对计算出炉热状况。软件具有强大的结果显示功毹，能够实时地 将主要的技术指标显示在计算机屏幕上。 利用该软件对新型熔化一还原炉冶炼2 5 铬铁工艺进行了仿真。考察了炉 料的金属化率和鼓风含氧程度对冶炼技术指标的影响。结果表明：随着炉料金属 化率从r tc r = 0 ，r lf 。= o 增加到nc r = 5 0 ，nf e = 7 0 ，焦比降低3 6 0 k g t ， 冶炼强度增加0 ，l it ，( m 3 d ) ，利用系数增加o 4 2 t ( m 3 d ) 。当鼓风中氧含量从 3 5 增加到5 5 时，焦比降低1 9 6k g t ，冶炼强度增加o5 1t ( m 3 d ) ，利用系数 增加o7 9d ( m 3 d ) 。因此，高富氧鼓风并使用预还原炉料可大大提高熔化一还原 炉的生产效率，降低能耗，节约成本。 该软件不仅可为新型熔化一还原炉工艺设计入员提供主要的工艺参数，还可 通过适当的改进适用于目前高炉冶炼工艺参数和生产技术指标的预报。 关键词：冶炼工艺，铬铁，计算机，仿真。 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ep r o c e s so f i r o n m a k i n g s t e e l m a k i n gp r o c e s sa n d t h ec o n d i t i o n o fi r o nd r e r e s o u r c ea l lo v e r1 h ew o r l d 、m i n is t e e l p l a n t sm a yh a v es t r o n g e r c o m p e t i t i o na b i l i t yi nt h e2 1c e n t u r y b u tt h ew a yo f g e t t i n gh i g hq u a l i t yi r o ni sak e y w h i c hr i s e st h ep r o d u c t i o nq u a l i t ya n dd e c r e a s e st h em a n u f a c t u r ec o s t ，e s p e c i a l l yi n c h i n aan e w p r o c e s so f p r o d u c i n g m o l t e ni r o no rm o l t e nf e r r o u sa l l o yw a sd e v i c e db y t h es h a n g h a ie n h a n c e dl a b o r a t o r yo fn e wt e c h n o l o g ye x p l o r a t i o na n da p p l i c a t i o n t h e p r o c e s s ，c a l l e da ss h a rr e d u c i n g s m e l t i n gf u r n a c e ，i sb a s e do ni n t e g r a t i n gs h a f f u r n a c ew i t ht h e p u l v e r i s e d c o a lc o m b u s t i o nw i t hp u r eo x y g e n i nt h et h e s i s ，a p r o g r a mw h i c hs i m u l a t e sd y n a m i cm a t e r i a lb a l a n c ea n dh e a tb a l a n c ea b o u tt h es h a r r e d u c i n g s m e l t i n gf u r n a c eh a sb e e ne m p o l d e r e d i tw a sw r i t t e nb yv i s u a lb a s i c6 0 a n da c c e s s2 0 0 0 t h ep r o g r a mn o lo n l yc a nc a l c u l a t ei r o nq u a n t i t y , s l a gq u a n l i l ya n d o t h e ri n d e x e so f i m p o r t i n g & e x p o r t i n gi n t ot h ef i a l n a c ea t r e a lt i m ei nt h er u n n i n g ， b u ta l s oc a np r e d i c tm a n y p r o d u c t i o ni n d e x e sa n y t i m ei nt h ef u t u r em o r e o v e r ，i th a s d y n a m i cs i m u l a t i o nf u n c t i o no f t h ew h o l e h e a tb a l a n c ea n dh e a r t hh e a tb a l a n c e ，w h i c h c a nc a l c u l a t et h eh e a tc o n d i t i o no ft h es h a f tr e d u c i n g s m e l t i n gf u r n a c ee v e r yo t h e r s o m em i n u t e s t h ep r o g r a ma l s oh a st h eg o o df u n c t i o no fd i s p l a yt h ei m p o r t a n t t e c h n i c a li n d e x e so nt h ec o m p u t e rs c r e e n t h ep r o d u c t i o no ff e r r o u s a l l o y c o n t a i n e d2 5 c ri nt h es h a f t r e d u c i n g s m e l t i n gf u r n a c eh a sb e e ns i m u l a t e db yt h ep r o g r a m m a n yp r o d u c t i o ni n d e x e sw e r e c a l c u l a t e dt h a tm e t a l l i cd e g r e eo fb u r d e na n do x y g e ne n r i c h e dd e g r e ei nh o tb l a s t e f f e c to nt e c h n o l o g yi n d e x e sw a sd i s c u s s e dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o k er a t i oh a s b e e nd e c r e a s e db y3 6 0k g t ，t h ei n d e xo f s m e l t i n gi n t e n s i t yh a sb e e ni n c r e a s e db y011 t ( m 3 d ) ，t h eu t i l i z a t i o nc o e f f i c i e n th a sb e e ni n c r e a s e db y 0 4 2t ( m 3 d ) a sb u r d e n m e t a l l i cd e g r e e i n c r e a s i n g f r o mr t c r = o ，1 7 f e = 0 t or tc r = 5 0 ，nf e = 7 0 w h e n o x y g e n c o n t e n ti nh o tb l a s ti n c r e a s e sf r o m3 5 t o5 5 ，t h ec o k er a t i oh a sb e e n d e c r e a s e db y19 6k g t ，t h ei n d e xo fs m e l t i n gi n t e n s i t yh a sb e e ni n c r e a s e db y05 1 t ( m 3 d ) ，t h eu t i l i z a t i o nc o e f f i c i e n th a sb e e ni n c r e a s e db y 0 7 9t ( m 3 ，d ) ，t h e r e f o r e ， t h eh i g h e ro x y g e nc o n t e n ti nh o tb l a s ta n dt h eh i g h e rm e t a l l i cd e g r e eo fb u r d e nc a n 上海大学硕士学位论文 i m p r o v ep r o d u c t i v i t y , d e c r e a s ec o n s u m p t i o n a n ds a v et h e p r o d u c t i o n c o s t t h es o f t w a r ec a nn o to n l yp r o v i d et h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o rt h et e c h n i c i a n s i nt h ef u t u r e ，b u ta l s op r e d i c tal o to f t e c h n i c a li n d e x e si t lt h es m e l t i n gp r o c e s so f t h e b l a s tf u r n a c eb y i m p r o v i n g t h ep r o g r a mn o w k e yw o r d s ：s m e l t i n gp r o c e s s ，c h r o m i u mi r o n ，c o m p u t e r , s i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：互剑日期逊堡之：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：4 导师签名：二自卫“坐一日期： 土一咿f j 上海大学硕士学位论文 第一章炼铁工艺及控制技术的发展趋势 1 1 序言 钢铁是现代社会最重要的原料之一，钢铁工业是现代国家的主要产业之一， 钢铁的产量和质量是一个国家的发达程度和经济实力的重要标志。全世界对钢铁 的需求量和钢铁产量随着经济的发展在不断增加。根据欧洲钢铁协会统计，2 0 0 3 年全世界钢产量已突破9 0 亿吨。丽我国的钢产量已达2 0 亿吨，居世界第一位。 从国内外钢铁企业的发展趋势来看，接近用户的短流程钢铁企业在2 1 世纪 将会有更好的前景。因此，获得优质铁源是该类企业提高产品质量、降低成本的 关键问题，在我国尤为突出。 1 2 炼铁工艺的发展 上世纪六十年代以前世界炼铁工业还处在离炉容积偏小，机械化、自动纯永 平低，技术经济指标落后，效率低，成本高的阶段。为了进一步提高劳动生产率， 降低成本，增加铁产量，从六十年代初世界出现了容积为2 0 0 0 m 3 级的高炉以来， 国外新建高炉的容积迅速增大。七十年代以后，随着高炉生产工艺和设备水平的 不断提高，中、小高炉逐渐被大型、巨型高炉所代替。世界高炉座数不断下降， 但生铁产量却不断提高川。 经过几十年的发展，高炉炼铁系统( 包括焦化、烧结、高炉) 具有技术完善、 生产量大、设备寿命长等优点。但其流程长、投资大、污染严重、灵括性差，尤 其是世界炼焦煤资源日益匮乏，在量与质上都难以满足高炉炼铁需要，促使人们 开发新的炼铁工艺m 。 虽然我国煤炭资源丰富，但是炼焦煤仅占煤炭资源的2 7 左右，其中强粘 结性焦煤，粘结性好的肥煤占1 3 左右；同时炼焦煤分布不均匀，与钢铁企业 布局不协调；而我国的非焦煤资源丰富而且分布较广，所以用非焦煤代替炼焦煤 喷入炉内将产生显著的社会经济效益，这符合我国以煤为主的能源政策。为了能 够缓解我国炼焦煤日益紧张的局面、减少建设焦炉的投资及其对环境污染等，采 取富氧喷煤的技术路线是十分可取的。我国高炉一般在不富氧的情况下可喷煤 l o o k g t 左右。但是为了能够加大喷煤的力度，同时保持必需的回旋区燃烧温度 和较高的煤粉燃烧率，通常采用富氧鼓风的方式。因此，氧煤强化炼铁新工艺是 上海大学硕士学位论文 改善当前以及将来炼铁工艺的重要方式之一。氧煤强化燃烧技术主要包括：高炉 喷煤工艺优化技术；煤粉浓相输送技术；高精度煤粉分配器技术；高效氧煤枪技 术：炉前供氧及安全技术；煤粉总管和支管流量连续计量及控制技术嘲。国内外 高喷吹煤比的高炉都是在使用了富氧的条件下获得的。这些氧煤强化技术经过对 德国蒂森和我国的包钢、鞍钢等企业的高炉上的应用获得了很好的效果【4 】。 废钢是钢铁工业可持续发展的重要资源。随着钢铁产品全球性激烈竞争，钢 铁工业以减少投资、提高质量、大幅度降低生产成本、改善服务赢得市场。而且 随着人们对钢铁行业对环境污染的关注，要求减少废气排放( c o ：、s 0 2 等) 、冶 炼炉渣的排放、焦化系统及废水的排放、废钢的再生利用以及淡水的循环使用等。 因此，废钢作为钢铁工业的降耗、节能、减少环境污染越来越受到冶金专家的垂 青。 废钢的产生取决于金属积蓄量。工业化国家2 0 0 年的工业发展历史，消耗了 大量的钢铁，同时在国内也积蓄了大量废钢铁。特别是世界几个产钢大国，也是 废钢生产大国。美国积蓄金属量约占全世界的2 9 ，依次是前苏联、日本、欧 洲。进入9 0 年代以后，中国钢铁工业有了跨越式的增长，己进入钢铁生产大国 行列，近几年又成为钢铁消费大国。金属积蓄量明显增加。自有钢铁工业以来世 界钢铁的积蓄量已超过1 4 0 亿吨，主要产钢国累计钢铁蓄积量见表1 1 。 表1 1主要产钢国累计钢铁蓄积量脚亿盹 目前，我国国内的废钢来源包括以下三个方面： ( 1 ) 冶金行业自产废钢。随着近年连铸比的大幅度提高，企业自产废钢逐 步减少。 ( 2 ) 从社会采购废钢。国民经济持续高速发展，钢铁需求基数已很大，废 钢回收量逐年增加，必将成为钢铁企业废钢来源主渠道( 表1 - 2 ) 。 表卜2 大中型冶金企业废钢回收量与社会采购量比例表“1 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 进口废钢是维持钢铁料平衡的重要因素。我国是废钢净进口国n 。 目前虽然随着连铸比的提高，厂内优质废钢的比例逐年减少，但是社会回收 废钢的质量下降，含油、含有机涂层的废钢逐年增加，由于在冶炼这些劣质废钢 的同时产生剧毒物质。因此，如何充分回收利用劣质废钢又对环境不产生污染是 钢铁界着力研究解决的重大课题之一。 目前，为了解决废钢质量问题，使有害元素达到允许的含量，通常采用以下 两种方法： ( 1 ) 配一部分直接还原铁和优质生铁稀释； ( 2 ) 从废钢中去除有害残余元素； 配入一部分直接还原铁或优质生铁稀释不仅弥补了低残余元素废钢的不 足，而且提高了钢水的纯净度。但是，它也存在增加环境污染( 主要是c 0 2 排 放) 、提高生产成本及浪费某些金属元素的缺点，尤其当大量配入时，将使镘废 钢利用率下降，增加废钢的堆积破坏生态环境。 而从废钢中去除有害残余元素畿从根本上去除传统的废钢处理方法中的不 足。从2 0 世际6 0 年代以后，许多冶金工作者致力于研究钢中夹杂物和残余元素 对钢质量的影响。寻求如何有效地去除废钢中有害元素的技术嘲。日本于1 9 9 0 年开始废钢再生项目的研究p 】。开发出了一系列去除并回收废钢中有害元素的技 术，较为典型的包括：预处理，如压碎和分离；废钢处理技术，如日本京都大学 冶金系m i - w a s e 等人开发了融铝去铜技术1 0 1 等；预热和熔炼废钢：灰尘和废 气豹处理等等。美国近年c a r n e g i em e l l o n 大学与冶金工程系a w c r a r n b 等 人提出了冰镉反应法去铜 t t i 和美国矿业局a dh a r t - m a n 等人提出的气固反应 法依据选择性氯化原理【1 2 】，利用空气一氯化氢混和气体去除废钢中的铜。欧洲 一些国家发展了电化学方法去除并回收s n 、z n f l ”，荷兰开发的碱洗电解工艺能 够回收含锌及其氧化物9 9 ，并实现了工业化处理镀锡板和镀锌板。去除废钢 中有害元素的方法大致可分为物理方法和化学方法。从废钢及其中残余有害元素 的存在状态，可分为固态处理方法和液态处理方法。 当前比较典型的处理工艺采用图1 1 的工艺路线。 上海大学硕士学位论文 图1 1 去除废钢中铜、锡及锌元素技术路线简图 因此，为了发展“短流程”炼钢、提高废钢利用率以及改善生态环境，研究 开发废钢处理技术一废钢中有害残余元素的去除技术已经受到全世界多方面人 士的重视f 1 4 1 。 近些年随着经济的不断发展，对于不锈钢的需求越来越大。我国对不锈钢的 表观消费增长率很快，从1 9 9 5 年的6 5 万吨增长到1 9 9 9 年的1 4 20 6 万吨 】，年 增长率为2 1 。6 。在冶炼不锈钢的过程中，废钢及其它回收资源利用的比例也是 很大。因此，对于如何能够低成本，低污染，铬的高回收率的冶炼不锈钢工艺成 为了当前冶炼行业的主要课题之一。 从不锈钢母液制备工艺角度出发来看，不锈钢的生产己从电弧炉单一熔炼、 精炼和合金化发展到电弧炉一a o d 一二步法( 双联工艺) 。8 0 年代开发出了“三 步法”不锈钢生产新工艺，即初炼炉( 电弧炉或者转炉) 一转炉一真空精炼炉。 初炼炉只起熔化作用( 提供母液) ，真空精炼炉主要为v o d 或者a o d ，也有r h k t b 。目前，三步法所占比例已经接近2 0 t 1 6 】。 而从不锈钢母液制各的设备来看，电弧炉占主流，世界十大不锈钢生产厂家 ( 年产量 3 0 万吨以上) 无不配备电弧炉。铁浴法熔融还原采用转炉制备液态不 锈钢母液，目前实现工业化规模生产的只有日本川崎钢铁公司千叶厂【”】。竖炉 型熔融还原制各不锈钢母液还只进行了工业试验或者试生产，完整的不锈钢生产 流程尚未实现。 电弧炉法：6 0 年代后期发展起来的高碳真空吹炼法，使得不锈钢生产的 原丰才料可不受任何限制，任何高碳原料均可采用，冶炼成本得以降低。工业发达 4 上海大学硕士学位论文 国家不锈钢冶炼主要采用电弧炉一a o d 或者v o d 法。发展中国家废钢资源缺 乏，不锈钢母液大多采用固体高碳铬铁加普通铁水( 或者加部分废钢) 的电弧炉 混兑法。这种方法需要电能重新熔化固体高碳铬铁，生产成本增加。若采用混兑 法工艺的钢厂毗邻铁合金厂，则可以用铁合金厂生产的液态高碳铬铁与普通铁水 混兑进行母液的制备，从而节约了部分电能消耗。但是，由于高碳铬铁是在矿热 电炉中生产的，它存在电耗高、生产率低及对铬矿要求高等问题，而且铬矿还原 的动力学条件差，箕铬的回收率仅为7 8 9 3 7 n s j 。 转炉型熔融还原法( j i 崎法) ：8 0 年代以后随着转炉炉底符合吹炼技术的开 发以高炉炼铁为基础的钢铁联合企业也开始了不锈钢生产的尝试。日本川崎制 铁是最早开发应用转炉熔融还原制备母液的钢厂。此法的主要优点是： ( 】) 提高主原料选择的灵活性，直接在转炉中使用铬矿石或者铬矿粉， 大量使用废钢。 ( 2 ) 节约电能。 ( 3 ) 提高生产率，降低生产成本。 ( 4 ) 提高产品质量。 ( 5 ) 保护环境。 k b o p 法是川崎制铁最早开发应用的一种转炉熔融还原制备不锈钢母 液工艺【1 9 1 ( 图1 2 1 2 0 , 2 1 1 ) 。 脱硫 钢包 图1 - 2 川崎k - - b o p 法不锈钢生产工艺流程 k - - b o p 法的主要工艺特点是：使用脱p 铁水：采用经回转窑预还原到铬含 量6 0 的铬矿球团：焦炭既是铬矿熔化的热源又作为铬矿的还原剂；可添加大 量不锈钢废钢；二次燃烧率增加。该法的铬的回收率平均高达9 4 。考虑到环 上海大学硕士学位论文 保要求减少污染。川崎制铁有研究开发了s r - - k c b 法制备母液。 竖炉型熔融还原法( 高炉法) ：该法要求冶炼含铬生铁时，炉缸热量充沛， 含铬生铁和炉渣的流动性要好。二战期间，由于战争对电力资源的破坏，德国和 前苏联都曾用高炉进行过含铬铁水的试验和生产，冶炼出了含铬量超过4 0 的 铁水。6 0 年代美国c r o u c i b l e 钢公司进行了含铬生铁的首次商业试生产，共生产 平均含铬量为1 5 1 1 的铬铁8 9 0 吨【2 2 】。7 0 年代末乌克兰用6 2 0 m 3 高炉成功地冶 炼出c r l 7 2 0 ，s i 人机界面；界面少，而且不能充分反映高炉流程的特点及高炉工作者的 要求。 ( 5 ) 解释系统：不能对推理结果作出令人信服的解释【4 5 1 。 ( 6 ) 动态实时性差。 1 7 研究和开发新型竖炉动态物料平衡和热平衡计算软件的目的、意 义： ( 1 ) 熔化一还原型竖炉是种全新的冶炼工艺。如进行专业性试验需要花 费大量的人力和物力。但是通过计算机，用数值模拟的方法可了解各 种状态及条件下的冶炼指标和炉况运行状态，大大节省了成本，为今 后的设计和生产提供有价值的工艺参数和技术支持。 ( 2 ) 本课题的动态物料平衡和热平衡计算是为开发新型竖炉专家系统最基 本的组成部分之一。新型竖炉专家系统的其它大部分控制模型都要在 动态物料平衡和热平衡的基础上进行计算和分析的。 1 8 新型竖炉动态物料平衡和热平衡计算软件的功能： 新型熔化一还原炉是一种全新的冶炼工艺。利用计算机技术，用数值模拟的 方法，可解析冶炼过程，了解各种工艺条件对冶炼过程和炉况运行状态的影响， 为今后的工艺设计提供技术支持。此外本软件是根据冶炼过程的物质平衡和热平 衡原理开发出的动态物料平衡和热平衡，可作为专家系统的一个重要的组成模 块。可用于今后高炉专家系统及未来的熔化一还原炉的控制系统，指导实际生产 和操作。为此，该软件具有以下的功能： ( 1 ) 动态实时地反应产量、能量消耗等冶炼过程的重要指标。 ( 2 ) 用动态变化的r i s t 操作线显示炉内的热状况及相应的操作方针。 ( 3 ) 根据目前的冶炼条件，可预测未来不同周期内炉况的运行趋势。 1 7 上海大学硕士学位论文 第二章新型竖炉动态物料平衡和动态热平衡模型 2 1 动态控制模型 动态模型是描述研究对象或者受控过程随时间的演变规律。动态物料平衡和 热平衡属于动态控制模型。 目前竖炉计算与控制模型正在导入非稳定态概念。即以控制论的原理建立反 映瞬时变化的动态响应模型，实现有效的控制。 对于一个具有很大化学和热惯性的反应器，从一个稳定态转到另一个稳定态 操作时( 例如高炉改变铁种) ，或者因干扰使操作状态发生变化而采取一定动作 使之回到原来状态时，都要经过较长的过渡状态。基于控制反应过程的需要建立 一个与过渡状态有关的数学模型，这就是动态控制模型。它要知道自控制动作发 出之时起，何时见到反映，何时完全奏效。故动态控制模型必须研究控制动作引 起状态变化的过渡行为，这是建立在现代控制论基础上的一种研究方法。下面介 绍控制论中在本文中可应用的几个基本概念。 ( 1 ) 阶跃( x ) ：某一控制动作的动作量。例如1 0 0 0 。c 风温、1 0 6 0 k g h 煤 粉等。 ( 2 ) 滞后时间( d ) ：控制动作发出后，开始见到反映所经历