炉精炼过程钢水温预报技术

1、收稿日期: 2001205216基金项目: 国家“九五”重点科技攻关项目(952524202202)·作者简介: 武拥军(1970 - ) ,男,河南濮阳人,东北大学博士研究生; 姜周华(1963 - ) ,男,浙江萧山人,东北大学教授,博士; 姜茂发(1956 - ) ,男,山东栖霞人,东北大学教授,博士生导师·2 0 0 2 年 3 月第23卷第3期东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )Journal of Northeastern University (Natural Science)Mar . 2 0 0 2Vol123 ,No. 3文章编号: 100

2、523026 (2002) 0320247204LF炉精炼过程钢水温度预报技术武拥军 , 姜周华 , 姜茂发(东北大学 材料与冶金学院, 辽宁 沈阳110004)摘 要: 基于L F炉精炼过程 ,以钢水和炉渣为研究体系 ,通过对其能量收入和损失的系统分析与计算 ,利用热平衡规律 ,详细推导并建立了钢水升温速率模型· 其中钢包包壁的传热机制(包括包侧壁和包底)分别采用圆柱坐标下和直角坐标下的一维非稳态导热微分方程及其初始条件和第三类边界条件来描述 ,以有限差分方法求解· 编制成计算机程序对实际过程模拟仿真· 仿真结果与实际值的误差均在 ±5 之内·

3、;关 键 词: L F炉;炉外精炼;钢水温度预报;热平衡;模拟仿真中图分类号: TF 769. 2文献标识码: A随着计算机及自动控制技术在钢铁工业中的应用,在电炉冶炼炉外精炼连铸轧制这一短流程生产工艺中,LF炉对连铸缓冲器的作用日益突出· 因此,LF炉精炼过程中温度的控制成为整个短流程是否顺行的关键因素· 目前,我国钢铁企业LF炉精炼过程中温度的人工控制已与现代化生产的快节奏和对产品质量的精确控制不相适应· 开发并实现LF炉精炼过程钢水温度预报成为冶金工作者面临的一个十分紧迫的课题13 · 而国外在这方面的工作,已远远走在了前面414 ·1

4、基于能量平衡的温度预报模型的建立与求解111 输入体系的电能Qse = 6 Carc , iParc , i = 63i =1Iarc , iUarc , i Carc , i ·(1)其中, Uarc , i = U2i - I2i ·x2- Ii r · (2)式中, Qse为输入体系的电能, W; Iarc , i、 Uarc , i、Parc , i分别为某相电弧的电流,A;电压, V;功率,W; Carc , i为某相电弧电能对熔池的热交换系数,其大小与埋弧程度有关, Carc在 01 间取值; r、x 为包括变压器和短网在内的电阻和感抗,其值可由短路试

5、验获得; Ui、 Ii 为分别为相电压,V和电流 ,A·112 体系的热损11211 通过炉衬散出的热量1) 在计算炉衬散热量之前 ,首先要计算炉衬的瞬时温度分布·炉衬侧壁:为圆柱坐标下的一维非稳态导热 ,导热微分方程为92T9 r2 + 1r9 T9 r= 1a9 T9· (3)边界条件为 r = r1 , T = Tst ; (4)r = r2 , - 5 T5 r r = r2=( T - Ta)· (5)初始条件( = 0 时)为T - Tls ,0Tst ,0 - Tls ,0= -lnr2rlnr2r1· (6)包底:为无限大平板一

6、维非稳态导热 ,导热微分方程为92T9 Z2 = 1a9 T9· (7)边界条件为 Z = 0 , T = Tst ; (8)Z = z l , - 9 T9 Z z = z1=( T - Ta)· (9)初始条件( = 0 时)为T = Tst ,0 -ZZ1( Tst ,0 - Tls ,0)· (10)上面各式中, a 为导温系数, m2/ s; Tst、Tls、Ta、Tst ,0、 Tls ,0分别为钢水、钢包外壁、大气的温度及钢包到达L F精炼工位(即= 0)时的钢水温度和钢包外壁温度, K;、 为对流换热系数及导热系数,W/ (m2· K)

7、; r、 Z 为钢包尺寸, r1、 r2、 z 1 分别为钢包内径、外径及包底厚度,m;为时间, s·2) 推导包壁初始温度 Tls ,0· 由热平衡关系,电炉出钢到钢包到达 L F 工位期间,钢水的温降等于其辐射热损和钢包包衬蓄热之和,即有mst ·cst( Ttap - Tst ,0) =Qr , s + ( Tln ,2 - Tln ,1) ·mln ·cln · (11)设 Tln = Tln ,2 - Tln ,1 ,Tst = Ttap - Tst ,0则 Tln =mst ·cst · Tst - Q

8、r ,smln ·cln· (12)式中, Ttap、 Tln ,1、 Tln ,2为电炉出钢温度、出钢时及钢包到位时炉衬温度, K; Qr ,s为出钢及运包过程钢水的辐射热损失,W·由于炉衬温度的变化值与出钢时钢水温度和炉衬温度之差成正比,即Ttap - Tln ,1Tln= k ( > 1) , (13)所以Tln,2 =Tln + Tln,1 =Tln + Ttap - k Tln = Ttap - ( k - 1)Tln = Ttap - k Tln·(14)将式(12)代入式(14)得Tln ,2 = Ttap -kmln ·c

9、ln( mst ·cst · Tst - Qr ,s)·(15)设炉衬、钢水量和钢水辐射热不变,则Tln ,2 = Ttap - k1Tst + k2 · (16)钢包到达 L F 炉工位时,若其炉衬温度分布视为稳态,则Tls ,0 = Ttap - a0Tst - b0 · (17)由现场实际测得 Tls ,0 , Ttap , Tst ,0等数据,运用回归方法即可确定方程(17)中的待定系数 a0和b0· 其中, Ttap、Tst ,0是实际生产必测数据,而Tls ,0可由点温计或热电偶现场实际测定·3) 求出炉衬温度分

10、布后,便可求出炉衬的散热量,以 Qln表示·Qln = 9 T9 r r = r1·2 r1 hm + k5 T5 Z z =0· r21 ·(18)式中, hm 为熔池液面高度,m·11212 加合金及渣料时的热效应1) 合金加入后,将经历升温、熔化、溶解、氧化等一系列过程,并最终与熔池温度相平衡· 因此合金化过程的热效应 6 Hi 由三部分组成6 Hi = Hm ,i - ( Hs ,i + Hox ,i)· (19)固体合金料熔化热,以 Hm ,i表示Hm ,i = Wi cs ,i( Tf ,i - T0 , i)

11、+Hf ,i +cl ,i( Tst - Tf ,i) ×1000 · (20)式中, T0 , i、 Tf ,i、 Tst为合金入炉温度、液相线温度和熔清时熔池温度, K; cs ,i、 cl ,i为合金固相、液相比热容, kJ / (kg· K) ; Wi 为合金加入量, kg;Hf ,i为合金熔化潜热, kJ / kg·合金元素熔解于钢液的熔解热,以 Hs ,i表示Hs ,i =Hs ,i Wi ·wi ×1000Mi· (21)式中,Hs ,i为合金所含元素熔解热,kJ/ mol ; wi 为合金元素含量, %; M

12、i 为合金元素摩尔量,kg/ mol·合金元素的氧化放热,以 Hox ,i表示Hox ,i =Hox ,i Wi ·wi(1 -i) ×1000Mi·(22)式中,Hox ,i为合金元素氧化反应热, kJ / mol ;i为合金元素收得率, %·2) 加渣料的热效应,以 H i 表示H i = W i c s ,i( T f ,i - T 0 , i) +H f ,i +c l ,i( T st - T f ,i)· (23)式中, W i 为渣料加入量, kg; c s ,i、 c l ,i为炉渣固、液相比热, kJ / ( kg&

13、#183; K) ;H f ,i为炉渣熔化潜热, kJ /kg ; T f ,i、 T 0 , i、 T st为炉渣熔点、渣料入炉前温度和熔池温度, K·3) 加入合金及渣料的总热效应,以 Qch表示·Qch = (6 Hi + Hi) /m ,i = Hm ,i - ( Hs ,i +Hox ,i) + H i / m ,i · (24)式中,m ,i为炉料从加入到熔清并达到熔池温度的时间, s (此值由现场经验而定,一般为 120180 s)·11213 熔池表面(渣面)热损失熔池表面热损失主要为辐射热损,以 Qr ,s表示·Qr ,s =

14、 Cr ,ssb T4str21 (25)式中, s为炉渣黑度,一般为01815; b 为黑体辐射常数, b = 5167 × 10 - 8W/ (m2K4) ; Tst为用钢水温度代替的渣面温度, K; Cr ,s为熔池表面热损系数·Cr ,s的确定:由 Qr ,ss lnb ( T4st - T4ln)r21 =sb T4str21 ln ( T4st - T4ln)T4st· (26)842 东北大学学报(自然科学版) 第 23 卷对照式(25) ,得:Cr ,s = ln ( T4st - T4ln) FstT4st(27)式中, ln为炉衬黑度,为 01

15、816 ; Fst为角系数,包盖闭合时为 1 ,包盖开启时则小于 1· 若设 Tst =1 873K,则当 Tln = 1 473 K时, Cr ,s = 01494 ;当Tln = 1 573 K时, Cr ,s = 014 ;当 Tln = 1 673 K时,Cr ,s = 0129· 可见,当钢包包盖闭合时, Cr ,s = 013015 ,加热时为小值,停电时为大值· 开启时 Cr ,s= 017 - 018· Cr ,s为经验数据,其值在 01 之间,可根据实测热平衡数据由试算求得,并与钢水实测温度对比校正·11214 烟尘气带走热量

16、烟尘气带走热量,以 Qg 表示·Qg = Gg ·Cg ·( Tg - T0) + Gdu ×Cdu ·( Tdu - T0) (28)式中, Qg 为烟尘和烟气带走热流量,W; c 为比热容,J / ( kg· K) ; Gdu、 Gg 为烟尘和烟气排出速率,kg/ s; Tdu、 Tg、 T0为烟尘、烟气排出温度和环境温度, K·113 体系内能的变化钢液和炉渣体系的内能变化用U 表示·U = mst ·cst + msl ·csl +mi ·cim ,i d Tstd ·

17、;(29)式中, mst、 msl、 mi 为钢水、炉渣和合金渣料的质量, kg; cst、 csl为钢水、炉渣比热容, J / ( kg·K) ;d Tst / d为钢水升温速率, K/ s·114 钢水升温速率模型因为U = Qse - Qr ,s - Qch - Qln - Qg ·所以 d Tstd =Qse - Qr ,s - Qch - Qln - Qgmst ·cst + msl ·csl +mi ·cim ,i ·(30)115 LF升温速率模型的求解11511 炉衬温度分布的求解采用显式差分法对式(3)和式

18、(6)及其边界条件离散化,分别建立内节点和边界节点的差分方程,用代数递推的方法求出各节点各时刻的温度值·1) 径向(包衬侧壁)网格间隔r ,节点:k =r2 - r1r+ 1· (31)= 0 (初始温度分布)T0i = Tls ,0 + ( Tst ,0 - Tls ,0)lnr2rlnr2r1· (32)式中,r = r1 +r ( i - 1) i = 1 ,2 , , k ·(33)= n 钢液/包衬界面( i = 1)Tnl = Tn - 1st(其中 T0st = Tst ,0)· (34)内节点Tni = (1 - 2 Fo) T

19、n - 1i+ Fo ( Tn - 1i - 1 + Tn - 1i + 1 +For2 r( Tn - 1i + 1 - Tn - 1i - 1 ) ( i = 2 , , k - 1)·(35)外表面( i = k)Tnk = 1 - 2 Fo(1 + Bi) Tn - 1k +2 Fo 1 -r2 rTn - 1k - 1 + 2 FoBi Ta ·(36)上面各式中, 为时间步长, s ;Fo = a r2 ; a = cp; Bi =hark稳定性条件 r22 a (1 + Bi)(37)2) 纵向(包底)网格间隔z ,节点数:L = ( z 1/z ) + 1

20、· (38)= 0 (初始温度分布)T0i= Tst ,0 -zz 1( Tst ,0 - Tls ,0)· (39)式中, z =z ( i - 1) , i = 1 ,2 · (40)= n Tn1 = Tn - 1st(其中 T0st= Tst ,0) , (41)Tni= (1 - 2 Fo) Tn - 1i+ Fo( Tn - 1i - 1 + Tn - 1i +1 )·(42)式中, i = 2 , , L - 1TnL = 1 - 2 Fo(1 + Bi) TnL + 2 FoTnL - 1 + 2 FoBi Ta(43)式中, Fo =a

21、 z2 ; Bi =hazL ·稳定性条件 z22 a (1 + Bi) · (44)3) 通过包衬的热损失为Qnln = kTn2 ,r - Tn1r· 2 r1 hm + kTn2 ,z - Tn1z· 2 r21 ·(45)式中, T2 , r为径向第二个节点温度; T2 , z为轴向第二个节点温度·11512 整个数模的求解942 第 3 期 武拥军等: L F炉精炼过程钢水温度预报技术取 为一个时间段,设= k ,则k = 0 ,= 0 :T0st= Tst ,0 · (46)k = 1 ,= :T1st= Tst

22、 ,0 +Umst cst + msl csl +mi ·cim ,i d·(47)k = n ,= n :Tnst= Tn - 1st+Umst cst + msl csl +mi ·cim ,i d·(48)当钢水温度和成分同时满足出钢要求时,计算结束·2 模型的验证与应用应用 VB510 程序设计语言 ,将上述精炼过程温度预报模型编制成计算机程序 ,用该程序对抚顺钢厂四炼分厂L F炉精炼过程进行现场模拟仿真· 输入生产中相关工艺、设备和物性参数(此略) ,结果表明:本程序对精炼过程钢水温度的预报值与实测值吻合得较好·

23、在随机进行的 50 炉试验 173 个温度数据中 ,预报温度与实测温度的误差均在 ± 5 以内· 因此 ,该精炼过程钢水温度预报模型可完全应用于L F 精炼过程钢水温度在线控制程序中·3 结论L F钢水温度预报模型主要应用于 L F 精炼过程中快速、准确地预报钢水温度 ,它与钢水成分微调模型、吹氩搅拌模型及脱硫模型等构成 L F精炼过程的工艺优化模型 ,是实行 L F 精炼过程计算机控制的重要基础·参考文献: 1 傅杰· 发展我国钢的二次精炼技术的建议 J · 特殊钢,1999 ,20 (增刊) :23 - 25·( Fu

24、J . Advice on developing secondary refining technic in ourcount ryJ . S pecial Steel ,1999 ,20 (S) :23 - 25. ) 2 万真雅·L F炉精炼 GCr15 轴承钢的温度制度J ·华东冶金学院学报,1992 ,9 :7 - 12·(Wan Z Y. The temperature system of bearing steel GCr15in L F refiningJ . Journal of Metal l urgy Col lege of EasternCh

25、i na , 1992 ,9 :7 - 12. ) 3 李晶·钢包精炼过程中钢水成分微调及温度预报J ·钢铁研究学报,1999 ,11 (2) :6 - 8·(Li J . The composition adjustment and temperature forcast ofmolten steel in L F refing J . Journal of I ron and SteelResearch ,1999 ,11 (2) :6 - 8. ) 4 Henzel J G,Wverian J r ,Wverian J K. Ladle temperatur

26、e lossA . In :AIMM ed. Proceedi ngs of Elect ric Furnace C .Los Angeles :AIMI ,1961. 434 - 453. 5 Olika B ,Bo B. Prediction of steel temperature in ladle throughtime/ temperature simulationJ . Scand J metal l urgy ,1993 ,22 :219 - 231. 6 Tomazin C E , Upton E A ,Wallis R A. The effect of ladleref ra

27、ctories and practice on steel temperature cont rol J .Steelmaki ng Proceedi ngs ,1986 ,69 :223 - 230. 7 Paschkis V. Temperature drop in pouring ladles J . TransA FS ,1947 ,64 :565 - 576. 8 Szekely J , G lee R. The effect of slag thickness on heat lossf rom ladles holding molten steel J . Trans Met S

28、oc ofA IM E ,1968 ,242 (6) :961 - 965. 9 Omotani M A , Heaslip L J . Mclean A. Ladle temperaturecont rol during continuous castingJ . I &SM ,1983 ,10 :29 -35. 10 Kikuma Izumi . Automatic ladle furnace operating systemA .In : ISIJ ed. Proceedi ngs of the Si xth Internat ional I ron andSteel Congr

29、essC . Nagoya : ISIJ ,1990. 41 - 46. 11 Thore Gustafson. Some aspects on the mathematic modellingof secondary refining process A . In : IAIS ed. The 6 thtechnical 2Scient if ic Conf erence C . Stariy Oskol : IAIS ,1992. 150 - 153. 12 Zoryk A , Reid P M. On2line liquid steel temperature cont rolJ . I

30、 &S Maker ,1993 ,7 :21 - 27. 13 西正明、木谷福一、高桥达人·取锅 热解析J ·日本钢管技报,1987 ,117 :9 - 15· 14 安川昭造·制钢用 一 炉 É « 寿命根本的延长策J ·石川岛播磨技报,1975 ,2 (15) :259 - 270· 15 钱滨江·简明传热手册 M·北京:高等教育出版社,1983. 86·(Qian B J . Concise notebook of heat t ransf er M . Beijing :Publishing House of Higher Education , 1983. 86. ) 16 屠传经·热传导M·北京:冶金工业出版社,1989. 128·( Tu C J . Heat t ransf er M . Beijing : Publishing House ofMetallurgy Indust ry , 1989. 128. )Prediction of Molten Steel Temperature in L F Refining