（控制理论与控制工程专业论文）电弧炉冶炼过程建模及用氧制度优化.pdf

i 二- 、 at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g i i i ii i ii l l1 1 1 1i l l illl y 1716 5 4 1 m o d e l i n go fs m e l t i n g p r o c e s sa n d o p t i m i z a t i o n o fo x y g e nb l o w i n gf o re l e c t r i ca r c f ur na c e b yl id a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n g f u l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 i i-i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 。的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 = 也 思0 学位论文作者签名：套哥 日 期：矿p 务- 7 日目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：冷哥 签字日期：矽口8 冷7 目珍日 导师签名： 签字日期： l i r ，l 东北大学硕士学位论文 摘要 电弧炉冶炼过程建模及用氧制度优化 摘要 现代电弧炉炼钢工艺的发展都是围绕着缩短冶炼周期和降低电耗进行的，基本思路 是充分利用冶炼过程的物理热和化学热。为此，电弧炉炼钢的生铁配入量和热装铁水比 不断增加，冶炼用氧量也随之大幅度提高。 本文在综述了电弧炉炼钢用氧技术的基础上，根据物料平衡、能量平衡和化学平衡 建立了电弧炉冶炼过程模型，主要包括冶炼周期模型、冶金模型、热模型和化学反应模 型；然后在此基础上，根据冶炼周期最短的原则，按照电弧炉炼钢的工艺要求，提出了 电弧炉合理用氧制度并建立了分阶段的用氧制度迭代优化模型。该模型综合考虑供电制 度和用氧制度的特点，将电弧炉的冶炼过程划分为起弧、穿井及电极上升不吹氧、穿井 及电极上升吹氧助熔、熔化末了吹氧助熔和升温阶段进行优化，对于通电不吹氧的阶段， 仅进行供电制度的优化，对于通电且吹氧的阶段，将供电制度和用氧制度同时进行优化， 从而实现了两者的综合控制。 本文最后针对不同的配料工艺对电弧炉用氧制度进行了优化仿真，结果表明本文所 建立的用氧制度优化模型能够根据冶炼进程给出一条动态的供氧制度曲线，使冶炼过程 中氧气的喷吹更加合理，在保证了冶炼周期最短的同时，降低了吨钢电耗并改善了冶炼 效果。 关键词：电弧炉；冶炼过程模型；用氧制度；优化 - i i 一 - m o d e l i n go fs m e l t i n gp r o c e s sa n do p t i m i z a t i o no fo x y g e nb l o w i n g f o re l e c t r i ca r cf u r n a c e a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e me a fs t e e l m a k i n gt e c h n o l o g yi sf o c u s e do ns h o r t e n i n gt a pt o t a pt i m ea n dr e d u c i n ge l e c t r i c a le n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h em a j o ra p p r o a c hi st a k i n gf u l l a d v a n t a g eo fp h y s i c a la n dc h e m i c a le n e r g y s ot h ep r o p o r t i o no fp i gi r o na n dh o tm e t a li n c h a r g i n gi si n c r e a s i n g ，w h i c hr e s u l t si nt h ei n c r e a s eo fo x y g e nc o n s u m p t i o n t h i st h e s i sh a se s t a b l i s h e dt h em o d e lo fe a fs m e l t i n gp r o c e s sw h i c hi n c l u d e st h e 切p - t o - t a pc y c l em o d e l ，m e t a l l u r g i c a lm o d e l ，t h e r m a lm o d e la n dc h e m i c a lr e a c t i o nm o d e l ， w h i c ha l eo nt h eb a s i so fm a t e r i a lb a l a n c e ，e n e r g yb a l a n c ea n dc h e m i c a le q u i l i b r i u m a n d t h e n ，a c c o r d i n gt ot h es m e l t i n gt e c h n o l o g y , t h i st h e s i sh a sa l s oe s t a b l i s h e das t a g e di t e r a t i n g o p t i m i z a t i o nm o d e lo fo x y g e nb l o w i n g ，w h i c hc o m b i n e st h eo p t i m i z m i o no fp o w e rs u p p l y t h em o d e lh a sd i v i d e ds t e e l m a k i n gp r o c e s si n t o f i v e s t a g e s ，i n c l u d i n g a r c i g n i t i o n ， n o n o x y g e nb l o w i n go f w e l ld r i v i n ga n de l e c t r o d er i s i n g ，o x y g e nb l o w i n gf o rm e l t i n go f w e l l d r i v i n ga n de l e c t r o d er i s i n g ，o x y g e nb l o w i n gf o rm e l t i n ga n df o rh e a t i n go ft h ee n da g eo f s m e l t i n g ，t h eo b j e c t i v ei sm i n i m u ms m e l t i n gt i m e t h u st h ei n t e g r a t e dc o n t r o lo fp o w e r s u p p l ya n do x y g e nb l o w i n gh a sb e e n r e a l i z e d a tl a s t ，s i m u l a t i o nh a sb e e nc o n d u c e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a r g i n gt e c h n i q u e s t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lc a ng i v ead y n a m i cc u r v eo fo x y g e nb l o w i n g a n dm a k et h eo x y g e nb l o w i n gm o r er e a s o n a b l ea n de f f i c i e n t ，w h i c ha r er e s u l t i n gi nt h e s h o r t e rs m e l t i n gt i m e ，t h er e d u c t i o no fe l e c t r i c a le n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to f p r o d u c tq u a l i t y k e y w o r d s ：e l e c t r i ca r cf u r n a c e ；s m e l t i n gp r o c e s sm o d e l ；o x y g e nb l o w i n g ；o p t i m i z a t i o n i i i 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t h i 第1 章绪论。1 1 1 电弧炉用氧技术发展1 1 2 氧气在炼钢中的应用2 1 2 1 氧气的作用2 1 2 2 氧气参与的反应3 1 3 现代电弧炉用氧技术4 1 3 1 氧枪熔池吹氧4 1 3 2 碳氧枪5 1 3 3 泡沫渣6 1 4 现代电弧炉用氧制度优化7 1 5 论文主要工作8 第2 章电弧炉冶炼过程建模。9 2 1 电弧炉冶炼周期模型1 0 2 2 电弧炉炼钢冶金模型1 1 2 2 1 渣料加入量计算模型1 2 2 2 2 钢液质量及成分含量模型1 2 2 2 3 炉渣质量及成分含量模型1 3 2 2 4 用氧平衡模型1 4 2 3 电弧炉炼钢热模型1 6 2 3 1 能量消耗。1 7 2 3 2 能量损耗1 9 2 3 3 能量供给2 1 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 电弧炉炼钢化学反应模型2 2 2 4 1 碳粉反应速率2 2 2 4 2 钢液中碳反应速率2 3 2 4 3 钢液中硅反应速率2 5 2 4 4 钢液中磷反应速率2 6 2 4 5 钢液中锰反应速率2 8 2 4 6 元素反应速率与氧气量的关系2 8 2 5 本章小结2 9 第3 章电弧炉用氧制度优化建模3 1 3 1 电弧炉炼钢工艺要求31 3 1 1 现代电弧炉炼钢过程3 2 3 1 2 现代电弧炉操作要求3 3 3 2 电弧炉合理用氧制度建立3 6 3 2 1 起弧和穿井及电极上升不吹氧阶段3 6 3 2 2 穿井及电极上升吹氧助熔阶段3 7 3 2 - 3 熔化未了吹氧助熔和升温阶段3 7 3 3 电弧炉用氧制度优化建模3 8 3 3 1 条件假设3 9 3 3 2 起弧和穿井及电极上升不吹氧阶段3 9 3 3 3 穿井及电极上升吹氧助熔阶段4 0 3 3 4 熔化末了吹氧助熔和升温阶段4 2 3 4 本章小结4 4 第4 章电弧炉用氧制度优化仿真4 5 4 1 优化流程及求解算法4 5 4 2 参数选取4 7 4 3 废钢加生铁冶炼工艺优化5 0 4 3 1 钢液升温为主的优化仿真5 l 4 3 2 元素氧化为主的优化仿真5 2 v 东北大学硕士学位论查 旦 4 4 兑铁水冶炼工艺优化5 4 4 4 1 钢液升温为主的优化仿真5 5 4 4 2 元素氧化为主的优化仿真5 7 4 5 本章小结5 8 第5 章结论6 1 参考文献6 3 致谢6 7 v i 一 一 到了高度的重视，1 9 7 3 年在菲律宾举行的东南亚钢铁会议上，t o s h i n 钢厂报告了氧气强 化炼钢工艺的操作结果：氧耗4 2 m 3 t ，冶炼时间缩短了2 8 ，从原来的每炉1 0 5 m i n 下 降到7 5 m i n ，生产率提高3 5 ，从2 8 2 t h 提高到3 8 2 t h 。从此，全世界的电弧炉开始相 继使用氧气强化炼钢工艺。目前，一个典型电弧炉用氧量是3 2 m 3 t ，某些电弧炉高达 4 4 m 3 t ，甚至更高陵引。 电弧炉用氧技术的发展主要有两个方面，一方面是向炉内供入新的能量来源替代电 能，缩短供电时间，另一方面是减少能量损失，提高能量利用率。对于国内一般的超高 功率电弧炉，在代替电能方面，主要技术有喷吹碳粉，氧燃烧嘴；在减少能量损失方面， 主要采用的技术有长弧泡沫渣工艺和二次燃烧工艺。强化用氧技术的发展和应用对电弧 炉炼钢经济指标的改善起到了重要的作用，改善了熔池搅拌效果，促进冶金反应的进行， 使电弧炉冶炼周期缩短了6 0 ，电耗降低3 0 ，电极消耗减少6 0 ，氧气产生的化学能 在电弧炉能量输入中的比例达到2 0 , - - 3 0 ，特别是电弧炉采用热装铁水后，化学能的 比例可以达到总能量的4 0 以上，相当于电弧炉增加了近一倍的能量输入，大量输入氧 气已成为现代电弧炉炼钢工艺的一个重要特点【4 ，5 1 。 电弧炉引入大量氧气的同时也带来一些问题，如：金属收得率下降、电弧炉导电横 臂等设备氧化严重等，有些钢厂未能根据本厂的生产条件制定合理的炼钢用氧制度，供 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 氧规程不合理，技术经济指标差；有的电炉钢厂仅熔池吹氧的耗氧量就达到6 0 m 3 t ，氧 气的利用率低，造成不必要的经济损失；有些钢厂供氧设备落后，氧枪龄短，操作不合 理，造成安全用氧情况差等 6 , 7 1 。因此，我国电弧炉炼钢用氧技术开发的主要工作就是在 开发先进的电弧炉炼钢用氧技术的同时，开展电弧炉冶炼过程和合理用氧制度的基础研 究，为电弧炉炼钢的操作和控制提供理论指导。 总之，强化用氧是现代电弧炉炼钢的重要手段，合理的电弧炉用氧制度体现了先进 的技术经济指标和生产率水平，各种用氧技术的结合使用，是有效节电、降低成本和缓 解废钢资源缺乏，提高钢水质量的重要途径。电弧炉用氧技术为美国p r a x a i r 、a c i 、 p t i 等公司开发，在欧美市场垄断经营，虽然国内已经自行研制了各种吹氧装置，开发 了二次燃烧、泡沫渣等技术，并取得了显著经济效益，但是对于如何有效的利用这些设 备以及合理用氧等，还是一个重要的研究课题瞵j 。 1 2 氧气在炼钢中的应用 1 2 1 氧气的作用 氧气在电弧炉炼钢过程中的作用主要有以下几点： ( 1 ) 切割炉料，加速熔炼【9 j 炉料堆中料块和间隙越大，加热熔化时热传递的阻力也越大，从而造成熔化缓慢， 热量损失大等问题。氧气有助燃作用，从氧枪和烧嘴中喷出的氧气可使与它接触的炉料 更容易熔化。另外，烧嘴中喷出的燃料还能和氧气发生燃烧反应，产生火焰并放出热量， 起到了切割炉料的作用，从而加速炉料熔化。 ( 2 ) 提高脱碳速度，缩短冶炼周期 根据冶金物理化学理论，在反应c + f e o = c o + f e 中，f e o 浓度越高，反应向右 进行的速度越快，越有利于脱碳。向熔池中吹氧可以增加f e o 的浓度，使脱碳反应进行 的更快，从而缩短了冶炼周期。 ( 3 ) 与熔池中的元素反应，调整成分的同时放出化学热，节约电能 氧气在电弧炉中一个重要的作用就是与钢液中的c ，s i ，m n ，p 等杂质元素反应 使其随炉气排出或进入炉渣，从而调整它们在钢液中的含量，达到冶炼要求。氧和这些 元素的反应大多是放热反应，氧化产生的大量化学热可以辅助熔炼。 ( 4 ) 搅拌熔池，提高熔池的反应动力学条件 氧枪向熔池喷吹氧气的冲击力可以搅动熔池，使钢渣接触更充分，反应进行的更彻 ( f e o ) + c 】= 【f e 】+ c d ) 2 ( f e o ) + 【s i 】- 2 f e 】+ ( s i 0 2 ) ( f e o ) + m n 】= f e 】+ ( m n o ) 5 ( f e o ) + 2 p 】+ 4 ( c a o ) = 5 f e 】+ ( 4 c a o b 0 5 ) 氧气对熔池的冲击以及c o 从钢液中的逸出会产生一定的喷溅， 吹入炉中的氧气发生如下反应： 4 ( f e o ) + 0 2 ) = 2 f e 2 0 3 ) ( f e o ) + f e 2 q ) = 心q ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 喷溅出的f e o 遇到 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 产物凡：d 3 和凡，q 会进入烟尘排出炉外。 在熔池的渣层，f e o 还会与碳氧枪喷入的碳粉发生式( 1 2 ) 的反应，而且随着产物c d 在渣层中的上升，还有二次燃烧反应发生： ( 凡d ) + c o ) = f e 】+ c 0 2 ( 1 8 ) 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 最后渣中没有反应的f e o 随炉渣流出炉外。 此外，造渣材料石灰中所含的c a o 还会与s 发生反应，向熔池中提供少量的氧元素， 反应方程式如下： ( c a o ) + ( s ) = ( c a s ) + ( d )( 1 9 ) 综上，输入电弧炉中的氧气有炉门氧枪、炉壁碳氧枪、空气中带入的氧气以及造渣 材料提供的少量的氧，而氧气的消耗主要为烟气烟尘中的c o 、c d 等氧化产物及未反 应的氧气，还有炉渣中的f e o 和s i ，m n ，p 等的氧化产物及钢液中溶解的少量的氧。 1 3 现代电弧炉用氧技术 1 3 1 氧枪熔池吹氧 现代电弧炉的主要任务是快速熔化废钢，脱碳脱磷、升温，而且随着近年来热装铁 水比的提高，熔池脱碳任务加重，这就意味着必须增加熔池的吹氧量，完善熔池吹氧技 术。 熔池吹氧技术主要体现为氧枪技术，目前已经应用的氧枪技术有人工吹氧、炉门氧 枪和多功能氧枪技术。人工吹氧有利于切割废钢和缩短熔化时间，但氧气利用率低，劳 动强度大，安全性差；炉门氧枪分为水冷和白耗式两种，水冷式炉门氧枪具有氧气利用 率高，泡沫效果好，脱碳、脱磷效果稳定以及自动化程度高等优点，缺点是在钢铁料温 度低时需要氧燃烧嘴的配合使用；多功能氧枪具有多方面的优点，如枪位可调，枪管可 以准确定位，喷吹燃料的同时可实现熔池搅拌等，氧气和其他固体燃料利用率高，泡沫 渣易控制，脱磷、脱碳效果好，操作安全。国内已有多家科研单位开发了多功能氧枪系 统，在生产中得到了广泛的应用，如钢铁研究总院冶金工艺研究所吸取国内外氧枪特点 开发出的多功能氧枪已在许多钢铁公司应用，并取得了良好的效果。该系统包括氧枪系 统和自动控制系统，氧枪系统由炉门水冷氧枪、炉壁烧嘴氧枪和炉壁碳氧枪组成，自动 控制系统则由p l c 基础控制和上位机组成。 ( 1 ) 炉门吹氧 炉门吹氧主要使用的是炉门枪和吹氧管。 炉门枪的枪头采用拉瓦尔管形式，氧气以超音速离开枪口，氧管外有水冷【1 2 i ，其优 点包括加快废钢预热，提高氧气利用率，减少氧管消耗，受人为因素影响较小：不足之 处是喷吹距离短且相对分散导致氧气射流对熔池的冲击力小，钢水中容易形成空洞和飞 溅，氧气利用率低。 东北大学硕士学位论文第1 章 ( 2 ) 炉壁吹氧 炉壁吹氧发展起来的氧枪主要是普通超音速氧枪和集束射流氧枪。 普通超音速氧枪的结构与炉门枪相似，因为通常在炉壁上要安装2 3 只氧枪， 在设计流量上要小一些，这种氧枪的不足之处与炉门枪相同。 针对普通超音速氧枪的不足，专家们提出了集束射流的概念【1 3 1 。集束射流氧枪 嘴的外围利用燃气流将主氧流包围，并使用二次氧流来实现集束射流，其中燃气流 导作用，因为它的燃烧对周围的气流起了封套作用，所以主氧流可以在相对较长的 上凝聚在一起并保持原有的速率和直径，其喷吹特点如图1 1 所示。 捌氯气喷孔 燃料壤吹臂 主氯气唆孔 i 、1 、1 妻 ，l 、? q n 。i 榭 l 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l l l l l l l l l l j l _ _ _ _厂一篡警肇、 一一一一一一i c _ ! i i ：t e、。h j o 竺- 一一 l ， 氯蠢 图i i 集束射流氧枪喷吹示意图 f i g 1 1s k e t c ho fc o h e r e n tj e to x y g e nl a n c eb l o w i n g 集束射流氧枪具有如下特点： 在超过喷嘴直径7 0 倍的喷吹距离内都可以保持原有的速率、直径和气体浓 喷吹冲击力，比任何传统的超音速喷吹都要长得多； 与传统的超音速喷吹相比，带入的环境空气量要少9 0 以上； 气流的扩展和衰减要小得多，因此钢水中形成的空洞和飞溅也少得多。 ( 3 ) e b t 吹氧 e b t ( e c c e n t r i cb o t t o mt a p p i n g ) 偏心炉底出钢氧枪是指位于e b t 电弧炉出钢 口处的氧枪，主要作用是在出钢口处吹氧，对出钢口处废钢进行切割、熔化，造渣，二 次燃烧。e b t 氧枪是根据凸腔处的实际情况设计的，由于出钢口处炉壁较薄，不宜采用 强氧气流吹氧，一般采用超音速氧枪设计方案，结构与炉门枪相似，只是设计流量相对 小些。 1 3 2 碳氧枪 碳氧喷吹系统由机械系统和自动控制系统组成，机械部分主要由水冷碳氧喷枪、液 压机械手、碳粉喷吹系统、供氧系统、液压系统和水冷系统等部分组成。其中，碳氧枪 上的氧枪可以是普通超音速氧枪，也可以是集束射流氧枪，氧枪和碳枪可做成一体，亦 炉体寿命，提高热效率，图1 3 示出了炉渣状况对能量损失的影, i t l 6 】。渣中f e o 的含量 是泡沫渣形成的主要影响因素，因而向熔池中合理供氧也是造泡沫渣的重要环节【1 7 】。 泡沫渣技术适用于大容量超高功率电弧炉，在电弧较长的直流电炉上使用效果更为 突出。泡沫渣极大地增加了渣钢间的接触面积，加速了氧的传递和渣钢间的物化反应， 大大缩短了冶炼时间。 东北大学硕士学位论文第1 章绪 k 能 量 损 失 率 功率因数 图1 3 炉渣状况对能量损失的影响 f i g 1 3i n f l u e n c eo fs l a g o np o w e rl o s s 1 4 现代电弧炉用氧制度优化 有了先进的冶炼工艺和氧枪技术，还要有合理的用氧制度与之相配合才能真正实现 对整个冶炼过程的优化。吹氧不足不但不能充分利用化学热还会导致出钢时钢液中碳、 磷含量超标，而吹氧过多则会导致铁损增大，降低金属收得率，增加设备的氧化等，所 以要求氧气的供给流量要与元素的反应速率相匹配，这样才能在原料配比合理的条件 下，充分利用氧枪的吹氧能力和变压器的容量，从而提高电弧炉的生产率，改善冶炼指 标。 合理用氧制度需要根据不同冶炼工艺以及电弧炉不同冶炼阶段的具体情况来制定。 电弧炉冶炼初期炉内温度低，炉料对氧气的阻力大，氧气利用率低，所以不吹氧：冶炼 中期炉内熔池已经形成，应提高氧压，增加氧气流量，在保证各种元素迅速氧化的同时， 适当喷吹碳粉，发挥氧气切割炉料、助熔的作用；冶炼后期，喷碳粉造好泡沫渣，并根 据脱磷脱碳的情况来调整吹氧压力、流量和时间，而且要注意调整喷枪的位置和角度， 以提高氧气的利用率【l 引。 对用氧制度进行优化，即根据电弧炉炼钢的工艺要求设计不同冶炼时刻氧气的喷吹 流量，要求氧气的供给必须满足物料平衡的原则，根据各元素反应对氧气的需求量供氧， 而元素的反应速率又与钢液温度和钢渣成分含量等密切相关，所以需要首先建立电弧炉 冶炼过程模型，主要包括冶炼周期模型、冶炼一定成分和重量的合格钢水所需的石灰加 入量计算模型、单位时间及总的能量平衡模型、单位时间及总的用氧平衡模型、元素反 应速率模型等，从而在冶炼过程中预报炉料熔化量、钢液温度、钢渣成分等。国内关于 电弧炉冶炼模型的研究并不多，且主要限于超高功率电弧炉的静态模型【l 明；国外的研究 主要集中在动态模型方面，并使用不同的优化控制技术对其进行探索【2 0 - 2 2 。 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 由于电弧炉炼钢的主能源是电能，氧气的首要作用是脱除钢液中的有害元素，氧化 反应放出的能量只是冶炼过程中的一种辅助能源，所以用氧制度的优化不能孤立的进 行，必须与供电制度相结合。 最后，通过对优化模型的仿真求解便可得到与供电制度相匹配的合理用氧制度曲 线，从而满足现代电弧炉炼钢的要求。 1 5 论文主要工作 本论文首先根据现代电弧炉炼钢的特点，依据能量守恒、质量守恒和化学平衡建立 了电弧炉冶炼过程模型，主要包括：冶炼周期模型、冶金模型、热模型和化学反应速率 模型；然后在此基础上，结合电弧炉炼钢的工艺要求，提出了电弧炉合理用氧制度并建 立了用氧制度的分阶段优化模型。本文建立的优化模型将供电优化与用氧迭代优化相结 合，从而使优化得到的用氧制度曲线更加符合冶炼过程的实际要求。最后，针对不同的 配料工艺和冶炼情况进行了优化仿真，得到了较理想的效果。 本文主要工作： 电弧炉用氧技术的研究； 电弧炉冶炼过程模型的建立； 电弧炉合理用氧制度的确定； 电弧炉用氧制度分阶段优化模型的建立； 不同操作工艺的用氧制度优化仿真和结果分析。 工艺参数 图2 1 电弧炉的外部特性分类示意图 f i g 2 1o u t s i d ec h a r a c t e r i s t i cf e a t u r eo fe a f 电弧炉冶炼过程模型的整体构架如图2 1 所示，主要包括冶金模型、热模型和化学 反应模型。为控制物料指标变量，以物料衡算为基础建立的模型为冶金模型，为控制能 量指标变量以热平衡为基础建立的模型为热模型，为跟踪元素反应速率根据化学反应平 衡建立的模型为化学反应模型。研究表明2 3 1 ，影响电弧炉冶炼的各因素和控制目标主要 东北大学硕士学位论文 第2 章电弧炉冶炼过程建模 取决于物料平衡、能量平衡和化学平衡，三者既相互独立，又相互联系，如图2 2 所示。 物料平衡是基础，能量平衡依赖于物料平衡和化学平衡，同时又反作用于化学平衡，影 响着物料平衡，因此电弧炉冶炼过程建模的基本思想是：以物料平衡、能量守恒为基础， 结合化学平衡的影响及冶金物理化学等理论建模，模型中的部分系数采用经验或公认的 数值。 上 ”队、8 7 呐月日里 上 废钢 物 电能_氧量， 能 化 铁水 料 量 学 舢舯 - 一 平 热损失_钢液温度 平 皿 j - i ，人 7 衡衡衡 造渣料_电损失_ _ 一元素氧化放热 图2 2 电弧炉过程模型的平衡关系 f i g 2 2b a l a n c er e l a t i o n s h i po fe a fp r o c e s sm o d e l 2 1 电弧炉冶炼周期模型 2 0 世纪6 0 年代初，连铸技术开始了工业应用，转炉流程金属收得率大幅度提高， 成本显著降低，电弧炉流程为提高市场竞争力，必须改模铸为连铸。为满足连铸节奏要 求，就必须缩短冶炼周期，因而开发了一系列的电弧炉技术。2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代 中期主要发展了超高功率供电及其相关技术，使电弧炉冶炼周期从3 h 缩短到1 h ，基本 上满足了连铸的节奏要求，1 9 8 9 年第一条电弧炉薄板坯连铸连轧生产线在美国的纽柯公 司投产。8 0 年代末期至9 0 年代，由于小方坯连铸单流产量的增加，要求电弧炉小时产 量增加，解决的办法一是增大炉子容量，二是增加单位时间的能量输入，进一步缩短冶 炼周期。为此，在超高功率供电的基础上重点发展了强化供氧及废钢预热和加铁水冶炼 等增加化学热和物理热的现代电弧炉冶炼技术，这些技术的发展大大缩短了冶炼周期， 降低了电耗及电极消耗。系统分析这些技术的发展特点和开发过程，可以得出结论【2 4 】： 现代电弧炉炼钢技术是围绕着缩短冶炼周期以满足高效连铸节奏要求这一核心而发展 起来的。 井口光哉提出了电弧炉冶炼周期与各设备和操作因素之间的关系式： f = ( c 形6 0 ) ( s 。r c o s 口) + f ( 2 1 ) 式中：f 一冶炼周期，m i n ；c 一吨钢电耗，k w h t ：形一钢水重量( 电炉容量) ，t ； 瓯一变压器额定功率，k v a ；c o s 8 一功率因数；r 一电效率；f - 一非通电时间，m i n 。 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章电弧炉冶炼过程建模 从上式可以看出，为缩短冶炼周期，需采取以下对策：降低电耗，提高吨钢变压器 功率，提高功率因数和电效率，缩短非通电时间。 上述公式是在2 0 世纪8 0 年代中期提出的，当时电弧炉炼钢技术主要是超高功率供 电。8 0 年代中期以后，发展了一系列旨在增加化学热和物理热的电弧炉炼钢技术。考虑 到供电、增加化学热和物理热，基于能量平衡及现代电弧炉炼钢工艺特征提出了电弧炉 冶炼周期、电耗及工艺参数之间关系的能量结构模型。根据这一模型，电弧炉冶炼周期 可用下式计算： f = f + f t t = m a x ( ( r e + r e ) ，t o ) 铲业生垒乒螋 ( 2 2 ) d ， t o2 面- - 鬲n 式中：f 一供能时间；f ”一热停工时间；f 。一总的通电时间；f 。一最佳供氧不供电时 间；t o 一总的供氧时间；q 1 一能量损失；玩一钢液和熔渣吸收的热量；q ：r l ：一喷吹碳 粉提供的能量；q 3 r l ，一钢液中元素氧化反应提供的能量；q 4 玎。一废钢和铁水显热提供的 能量；只一电弧有效功率；o n 一元素氧化反应所需氧气总量；a o s 一单位时间内氧枪 提供的氧量；r o 一氧气的有效利用率。 从上述模型可以看出，如果要求冶炼周期最短，就要通过优化配料、供电制度和用 氧制度使得通电时间与供氧时间相匹配，即亿+ 0 = t o 。根据此条件，可以计算最佳的 原料结构和最佳的用氧、供电制度。 2 2 电弧炉炼钢冶金模型 建立冶金模型的目标是以最低的成本生产出成分、温度符合要求的钢水。各项物料 指标由配料计算、造渣制度和吹氧操作等方面决定【2 5 】，模型构成如图2 3 所示，其中， 用氧平衡模型是冶金模型的一个重要组成部分。本文为了构建电弧炉用氧制度优化模型 的需要，只对渣料加入量模型、钢液质量和成分含量模型、炉渣质量和成分含量模型以 及用氧平衡模型进行分析和建模。 东北大学硕士学位论文第2 章电弧炉冶炼过程建模 图2 3 冶金模型构成 f i g 2 3c o m p o n e n t so fm e t a l l u r g i c a lm o d e l 2 2 1 渣料加入量计算模型 电弧炉冶炼的基本任务就是去除钢液中的有害元素，其中最主要的是磷的脱除。为 此，必须制造具有合适碱度、氧化性和足够量的炉渣，而石灰是造渣的重要原料，它的 配入量直接关系到炉渣的质量，对脱磷至关重要。 炉渣的碱度是为了表示炉渣酸碱性相对强弱而提出的一个概念，通常将炉渣中主要 碱性氧化物的质量分数与酸性氧化物的质量分数之比定义为炉渣的碱度，常用r 或b 来表示。炉渣碱度根据冶炼的具体情况不同有多种常用的计算方法【2 6 1 ，本文采用如下公 式计算： b ： ! 丝丝望 ) ( s i 0 2 ) + ( 最q ) 、7 假定造渣时只使用石灰，为满足碱度要求，石灰的加入量为： 呒：j 型：堕二竺：塑堡二竺：型 ( 2 4 ) “ ( d ) 矗一b 【( & d 2 ) 打+ ( 最d 5 ) “】 、7 式中： m ，m 尸一冶炼过程中脱硅、脱磷量，k g ；后鹏一口，k b 侥一| p 一硅和磷的成渣系 数；( c a o ) ，l ，( s i 0 2 ) 打，( 最0 5 ) 矗一石灰中c a o ，& 0 2 ，最d 5 含量，。 在实际操作中，造渣碱度需根据工艺要求确定，而冶炼过程中的脱硅和脱磷量则可 根据装入的炉料成分、质量以及冶炼钢种的出钢成分要求计算得到。 2 2 2 钢液质量及成分含量模型 不考虑连续加料的情况，在炉料熔化阶段，钢液质量和成分的变化主要取决于炉料 东北大学硕士学位论文 = 等 在炉料熔化过程中，第f 种元素在单位时间内的质量变化可表示为： 形= 矽矗。曲一 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 式中：一单位时间内炉料的熔化量，k g m i m 一元素f 的氧化速率，k g m i n 。 从而可以得到在特定时刻f 钢液中第衍中元素的质量为： 在f 时刻钢液的质量为： 形。，：形，。+ 窆( ， w i , e h - - ，) t = i 既，= 彬。， j ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 当炉料全部熔清后，为0 ，钢液的质量和成分变化只与元素的氧化反应有关。 在f 时刻钢液中各元素的质量分数和摩尔分数可分别计算如下： w i ，f - 笋 ，f 2 茬 恤儿j 1 硼| 1 。x t , r 2 瑟r e 瓦i , r 1 两v l i ( 2 1 2 ) 2 2 3 炉渣质量及成分含量模型 不考虑流渣和补加料操作，渣量及其成分的变化主要取决于石灰的熔化速度和元素 1 3 东北大学硕士学位论文 笫2 章电弧炉冶炼过程建模 的氧化成渣速率；在石灰全部熔化后，则只取决于元素的氧化成渣。 在石灰熔化过程中，第种成分的质量变化可表示为： 髟= m + 乃，j = c a o ，最0 5 ，辩0 2 ，m n o ，m g o ，f e o ( 2 1 3 ) 式中：既一单位时间石灰的熔化量，k g m i mr j 一由于钢液元素氧化导致成分_ ，的 增加速率，k g m i m w j 止一石灰中成分的百分含量。 对于成分c 口d ，坛d 来说，因为钢液中不包含钙和镁，所以切，锄取为0 ，而 对于磷、硅、锰和铁元素来说，0 可以通过0 = k j 一，来求解，其中k j 一，为钢液中对应 元素的成渣系数，其值如表2 1 所示。 表2 1 元素成渣系数 t a b l e2 1c o e f f i c i e n to fe l e m e n t ss l a g g i n g 元素 cp s im nsf e 成渣系数01 4 2 6 26 0 2 87 1 5 50 7 2 5 6 在特定时刻f 炉渣中成分的质量为： ，= ，。+ 窆( ，w j + r j ，) ( 2 1 4 ) 在f 时刻炉渣的质量为： ，= ， ( 2 1 5 ) 当石灰全部熔化后，炉渣的质量和成分含量只与钢液中元素的氧化反应有关。 在f 时刻炉渣中各成分的质量分数和摩尔分数可计算如下： = 等 x j , t 办m j 2 2 4 用氧平衡模型 用氧量的平衡主要是指氧气的供给量与氧气的消耗和损失量之间的平衡，本文在分 析建模过程中，忽略了空气、炉料和渣料带入炉内的氧气以及由于钢液、炉渣中氧溶解、 1 4 东北大学硕士学位论文第2 章电弧炉冶炼过程建模 电极损耗、二次燃烧和凡的氧化产物被烟尘带走部分等的氧气损失，对此统一用氧气 的利用系数来表示。本文主要分析了钢液中元素氧化反应和喷吹的碳粉氧化所消耗的氧 气与氧枪供给的氧气之间的平衡关系。 根据质量守恒，吹入炉内的氧气的有效利用量应等于炉内各种化学反应对氧气的需 求量，折算成标准状态下的工业氧体积后得到单位时间和总的氧气平衡模型分别为： 22f4xa o n ：珞 ( 2 1 8 ) 3 2 。 u 2 2 、 2 2 丽4 x o j i v ：v s w d 2 r d 2 ( 2 1 9 ) 气 v 2 。2 、 式中：吼，0 0 一单位时间和总的化学反应所需氧气量，k g m i n ，蚝；k ，珞一单 位时间和总的氧枪吹入氧气量，n m 3 m i n ，n m 3 ；一氧枪吹入氧气的纯度；r d 一氧 气的有效利用系数。 ( 1 ) 需氧量 电弧炉炼钢过程中氧气的消耗主要包括钢液中元素的氧化和喷吹碳粉的氧化，单位 时间内对氧气的需求可表示为： a o n = a q , + ( 2 2 0 ) 钢液中元素的氧化主要在两个反应区进行，即氧气的冲击凹坑处和渣钢界面处。假 定钢液中的化学反应是这样进行的：首先，凡和氧气在冲击凹坑处反应生成f e o ，然 后一部分与钢液中杂质元素反应，另一部分成渣，而渣中的一部分又被喷入的碳粉还原。 根据化学反应方程式可以得到单位时间内各种元素氧化反应所需要的氧气量为： a o a = ( k o - f ) ( 2 2 1 ) 式中：一，一元素氧化耗氧系数，其值如表2 2 所示。 表2 2 元素氧化耗氧系数 t a b l e2 2c o e f f i c i e n to fo x y g e nr e q u i r e df o re l e m e n t so x i d i z i n g 为加速炉料熔化和造泡沫渣，现代电弧炉炼钢通常都会采用喷碳粉操作工艺，假定 喷入的碳粉全部被氧化生成c o ，则碳粉单位时间消耗的氧气量为： = k o 一矿o ( 2 2 2 ) 式中：k o 一一碳粉氧化耗氧系数，该值等于c 氧化的耗氧系数；o 一碳粉氧化反应 - 1 5 东北大学硕士学位论文 笫2 章电孤炉冶炼过程建模 速率，k g m i n 。 根据物料平衡，通过对钢液中元素氧化总量和总的碳粉反应量的计算可得到总的氧 气需求量，计算如下： 吼= ( k o - j m ，) ， 9 9 r = k o 一m g r ( 2 2 3 ) o n = o e i + o 眇 式中：m ，一为满足出钢成分要求元素f 的反应量，k g ；m 矿一总的碳粉反应量，通 过对各时段的碳粉反应速率求和得到，埏。 ( 2 ) 供氧量 电弧炉炼钢过程中的氧气主要是由氧枪提供，氧枪根据安装的位置不同可分为多 种，这里主要考虑炉门氧枪和炉壁碳氧枪，从而得到单位时间的供氧量为： = a v i 眦s + k 够 ( 2 2 4 ) 炉门氧枪单位时间吹入的氧气量为： 2 亩g 。：脚 ( 2 苈) 式中：g