炉气分析在国外转炉动态控制中的应用

炉气分析在国外转炉动态控制中的应用

近年来，人们对钢的要求不断提高，转炉精炼也是一个非常复杂的过程。通过手动体验控制和传统的静态模型，很难实现所需的控制水平。目前,日本和欧美一些大型企业在静态模型的基础上,辅以副枪、炉气分析、光学探头和炉渣在线检测等技术,成功地实行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。特别是最近十几年,由于连铸工艺和CC-DR(连铸和直接轧制)工艺的发展,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,而副枪测量不能满足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。1基于质谱仪的炉气分析动态控制技术早在20世纪60年代,国外已在转炉炉气动态控制上进行了大量的研究,利用转炉冶炼过程中检测到的炉气成分、温度和流量等信息,对转炉进行动态控制。由于当时使用的炉气分析设备(红外分析仪)延时时间过长,分析精度不高,而且冶炼水平有限,终点控制精度难以提高;再加上副枪技术的发展,使炉气分析动态控制在随后一段时间里发展缓慢。进入20世纪90年代,基于炉气分析的转炉动态控制再次引起了人们的关注,用于炉气分析的设备已经普遍由质谱仪替代了红外分析仪。质谱仪的响应时间和精度大幅度提高,而且还能适应恶劣的炼钢环境。表1为美国Gerkin-Elmer公司制造的MG-1200质谱仪的技术参数。转炉炉气分析动态控制技术得以重新引起人们的关注主要源于以下原因:①副枪命中率的提高有一定的限度,而炉气分析技术不断进步,控制精度不断提高;②转炉副枪工艺只能提供吹炼过程中瞬时的碳含量和温度,并不能提供连续的信息,严格来说,副枪仍然是一种静态控制手段,只不过距终点的时间很短,实质上转炉生产的大部分时间仍是在静态模型的指导下进行的。而质谱仪获得的炉气信息是炉内状态的间接信息,它虽然没有直接信息的可靠性高,但给出的是炼钢过程的闭环连续信息,而全程动态控制需要的正是这种信息。迄今为止,国外许多大型钢厂都采用了炉气分析或炉气分析加副枪的动态模型控制转炉生产,碳温命中率均超过90%;欧美、日本、韩国和我国台湾地区的钢铁厂都有基于质谱仪的炉气分析动态模型的应用实例,比较典型的有:韩国PoscoKwangyang厂将VG公司生产的Prima600S磁扇式质谱仪用于转炉生产,碳温命中率超过95%,预测喷溅的成功率为81%;日本新日铁公司的170t转炉使用美国Gerkin-Elmer公司制造的MG-1200质谱仪,也有很好的应用效果。此外,炉气分析在炉外精炼领域也获得了很大的成功。2引入炉气分析方法由于引入炉气分析后获得的信息量增加,可在以下几个方面对传统转炉静态模型进行改进:①在静态模型的热平衡计算中,二次燃烧率[CO2/(CO+CO2)]为设定值,使用炉气分析后它可使用测量数据,因而可获得一个较符合实际的数值;②在静态模型的物料平衡计算中,炉气中CO与CO2的比值为假定值,现在也可由炉气分析获得一个与实际情况更加吻合的数值;③在静态模型中,渣中的氧化铁含量为设定值,引入炉气分析后,通过对渣中的氧累积量进行动态计算,可对该值进行更精确的设定;④在静态模型中,炉气量和炉气温度都取经验值,引入炉气分析后,这些值可直接获得。总之,转炉生产应用炉气分析后,通过上述改进措施,能提高传统静态模型的准确度,为炉气分析动态模型打下良好的基础。3应用3.1最终碳报告3.1.1碳积分模型结束(1)烟气流量检测根据质谱仪测定的烟气中CO和CO2的含量及烟气流量,利用反应过程中的碳平衡,可计算出熔池中每秒钟的脱碳速度:dC/dt=12/22.4×Q烟×[φ(CO)+φ(CO2)](kg/s)(1)式中Q烟——烟气流量,m3/s;φ(CO),φ(CO2)——烟气中CO和CO2的含量,%。对脱碳速度积分可得到熔池累积脱碳量为:C累=∫t0(dC/dt)dt(kg)(2)=∫0t(dC/dt)dt(kg)(2)(2)初始碳含量根据熔池每秒钟的累积脱碳量,可以计算出吹炼过程中熔池碳含量:C钢=0.1×(C初-C累)/W钢(1%)(3)式中C初——熔池初始碳含量,kg;W钢——熔池中的钢水量,t。(3)模型延迟时间由于转炉炉气的传输及炉气成分分析需要一定的时间,所以用于动态控制的炉气信息有一定的滞后性,在动态控制模型中必须对延迟时间进行标定,以保证模型计算结果的实时性。延迟时间是指炉气从炉口传输到取样点的时间t1,质谱仪的分析时间t2,以及传输到模型直到计算出结果所用时间t3之和。通常t3可忽略,t2由质谱仪参数确定,一般该分析时间不到3s;而t1的设定需要根据炉气采样点的位置进行试验,一般情况下延迟时间在20s。(4)初始误差的矫正碳积分模型在预报终点钢水碳含量时使用了熔池初始碳含量参数。国内外大量的文献资料表明,直接对碳含量进行积分运算,虽然每次的计算误差不大,但累积的误差却很大,再加上初始条件产生的误差,难以满足转炉生产控制要求。国外采用的解决办法是严格控制原材料重量、成分及温度的误差,并在模型中进行误差分析;另一种方法是在转炉冶炼后期采用终点碳指数方程。但是,因为国内的原材料条件较差,铁水成分和温度及废钢种类变化很大。铁水成分和温度的偏差,以及废钢中碳含量的波动,再加上称量的误差,使熔池中初始碳含量的计算出现很大误差(有时可达±0.50%),而转炉终点碳含量的控制精度为±0.01%。因而若不能消除初始条件的误差,想达到如此高的控制精度,几乎是不可能的。熔池碳含量初始误差的矫正原理可建立在转炉冶炼中熔池的脱碳特征曲线基础上。通常可将熔池的脱碳过程划分为3个阶段(如图1所示)即硅、锰氧化期(1区)、主脱碳期(2区)和脱碳后期(3区)。对同一座转炉,在相似的冶炼条件下,其特征曲线应该是近似的,因此,根据计算得出的脱碳曲线或脱碳氧效率曲线,对照脱碳特征曲线的变化,在不同时期采用各种数值算法对熔池成分进行矫正,可消除初始条件带来的部分误差。3.1.2指数衰减关系考虑到从吹炼初期到终点全程采用碳积分模型会产生较大的累积误差,在转炉冶炼后期使用终点碳指数模型(类似副枪动态模型)。假定转炉冶炼后期脱碳速度与熔池碳含量呈指数衰减关系,即:dC/dt=k1×(1-e-k2[C(t)-C0])(4)式中k1,k2——模型中需要确定的参数;C0——熔池最低碳含量,kg。在转炉冶炼后期,利用连续检测的炉气成分数据,用数学方法求解指数方程中的系数,并确定熔池碳含量。但这种方法仅适用于碳含量较低的钢种,对碳含量高的钢种误差太大;此外,这种指数方程也只是一种近似计算方程,与实际冶炼情况还有些差异。3.2喷洒预测3.2.1氮气量和空气氧累积量的测定利用炉气分析进行喷溅预报,其基本原理是通过精确计算转炉中的氧累积量来预报渣中的氧势,从而对喷溅进行预报。质谱仪直接测得的氮气量可用来精确计算转炉炉口吸入的空气量,进而精确计算转炉炉气中的氧气量。根据物质守恒原理可计算转炉和渣中的氧累积量。渣中氧量是表征渣氧化程度的参数,该参数不仅可用来预报喷溅,还可对终点磷含量和锰含量等进行预报。3.2.2氧累积量的计算转炉冶炼过程中的氧累积量(Os)代表转炉渣的氧化程度,转炉中氧累积量=氧输入量(吹氧量+熔剂产生的氧量)-氧输出量(炉气中的氧量)。把每一瞬间转炉中氧累积量的变化定义为dOs/dt。计算转炉中氧累积量时需将dOs/dt的积分减去硅、磷氧化后以SiO2,P2O5形式进入渣所消耗的氧量。之所以要减去SiO2,P2O5的耗氧量,是因为以SiO2形式存在的氧不作为渣的氧势参与碳氧反应,而固定在P2O5中的氧几乎是恒定不变的。由下述两方程可计算出炉中的氧累积量:dOs/dt=[QO2+(ai+bi)Wi+1/2VH2]-(1/2VCO+VCO2)(5)Os=∫tdOs×dt−K1×ω[Si]×WΟs=∫tdΟs×dt-Κ1×ω[Si]×W铁-K2×ω[P]×W铁(6)式(5)和式(6)中,QO2为氧流量,m3;ai为熔剂产生氧量的系数;bi为熔剂产生CO2的系数;Wi为熔剂加入量,kg;i(下角标)为熔剂的种类;VH2,VCO,VCO2为转炉类产生的H2,CO和CO2量,%;W铁为铁水量,kg;ω[Si],ω[P]为铁水中的硅含量和磷含量,%;K1为硅转化成SiO2的系数;K2为磷转化成P2O5的系数。3.2.3氧气积聚量与污泥中的氧气势之间的关系(1)生产中的氧累积量随比变化的变化由日本新日铁公司的试验结果可知,根据炉气成分并用以上方程计算的氧累积量的变化与生产中用渣分析法得到的渣中氧累积量的变化十分吻合。图2是其试验结果。可见预报的氧累积量的变化能反映渣中氧累积量的变化,氧累积量与FeO+Fe2O3+MnO是相对应的。(2)氧累积量操作曲线的确定由新日铁的试验结果可知,以成功吹炼炉次的历史数据作为参考,确定一个最佳的氧累积量操作曲线,完全可以模拟吹炼反应过程并用来控制生产,使后续炉次获得良好的吹炼结果。图3是利用氧累积量控制喷溅、指导生产的示意图。3.2.4喷喷喷水质的控制通过炉气分析数据可得知转炉渣中氧累积量的变化,将此变化绘成曲线图可用来预报喷溅的发生。要对喷溅进行控制,可采用提高枪位或降低氧流量的方法,减小熔池搅拌强度、增加氧累积量;反之则减少氧累积量。另据有关文献报道,加入焦炭粉、铝粉等抑制剂也有良好的控制喷溅效果。3.2.5脱碳氧效率监控在应用炉气分析进行喷溅预报时,除了常用的计算渣中氧累积量的方法外,各厂家还有其它判断方法,比如:①利用脱碳氧效率曲线对喷溅进行预报根据日本福山第二炼钢厂的生产实践和模型应用实践来看,在发生喷溅前,往往伴随着脱碳氧效率降低的情况,这是由于氧与钢水中的碳反应,生成CO并富集在炉渣中。喷溅的同时,富集的气体被排出炉外。鉴于此,可对吹炼中的脱碳氧效率进行监视,当脱碳氧效率降低到规定值以下时便采取防范措施。这种方法的预报准确率可达81%。该厂规定:当dω(C)/dω(O2)>0.8kg/m3时,发出喷溅预报。②有文献报道,炉气温度的突变与喷溅有关,可建立废气温度监控程序,作为喷溅的辅助判断依据。③在德国几奥吉斯马林许特厂,从记录的炉气信息发现,炉气中CO2含量急剧下降,通常预示着喷溅的来临。理论分析表明,这是由于炉内金属-炉渣面上升后CO二次燃烧变为CO2的可能性极小。4应用效果4.1碳温清除率高应用炉气分析进行转炉终点控制能提高终点命中率,特别是碳的终点命中率。如韩国PoscoKwangyang厂采用炉气分析控制转炉生产,碳温命中率超过95%。又如日本福山第二炼钢厂,冶炼钢种很多,同时实施了大约1/4的脱磷铁水无渣吹炼工艺,转炉吹炼形式也很多。在引进炉气分析控制后,终点命中率得到了明显的提高,无倒炉出钢比达100%;并且无倒炉出钢中大约1/5不进行终点取样而快速出钢。瑞典SSABTumnplatAB厂转炉车间采用的MEFCON系统也是一个基于质谱仪炉气分析的动态控制系统,该系统具有很高的碳命中率(见表2)。4.2炉气分析系统与副枪系统配合使用由于副枪是消耗性材料,采用副枪测温定碳,需要消耗大量的副枪及副枪探头,累积消耗费用和维护费用很高。而采用炉气分析测温定碳,不用消耗原材料,维护也很方便。在采用炉气分析+副枪的动态控制中,炉气分析系统与副枪系统配合使用,可减少副枪点测的次数,降低副枪头的消耗。待有了一定的生产经验后,在生产情况正常、冶炼一般钢种时,可依据历史数据和自学习经验,做到完全取消副枪点测,从而大大降低生产成本。4.3提高炉气回收的速度利用质谱仪测得的炉气成分数据,不仅可用来控制转炉生产,还可用来提高转炉煤气的回收率。这是因为:①质谱仪的采样点位于转炉顶部和废气冷却系统、除尘系统的前面,加上质谱仪分析数据速度快的特点,这样可使煤气回收站的操作者至少提前20s获得炉气信息,及时开始回收煤气。在炉气流量为150000m3/h的情况下,可增加回收1640m3的转炉煤气。瑞典SSABTumnplatAB厂转炉车间的实践也证实:采用质谱仪分析转炉炉气,可提高煤气回收率2%～5%。日本千叶厂第三炼钢车间230t转炉采用炉气分析系统后,吹炼初期和末期废气回收时间总共延长了2min;②利用质谱仪测得的炉气成分,可控制转炉烟罩的升降,以便调整吸入的空气量和炉气成分,使炉气成分满足回收要求,进一步提高煤气回收率。4.4降低氧化铁含量,降低加料制度用动态模型对喷溅进行预报和控制,可有效地提高金属的收得率;此外,通过计算渣成分并对吹氧制度和加料制度进行调整,可控制渣中的氧化铁含量,使终渣氧化铁含量降至下限;另外,后吹率的减少也导致渣中氧化铁含量的降低,可进一步提高金属收得率。4.5铁合金用量的优化用喷溅预报模型可精确计算转炉内的总氧量(该总氧量主要包括渣中和钢中的氧),从而精确控制铁合金的用