（钢铁冶金专业论文）梅钢转炉复吹工艺优化及预测模型研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 摘要 本文通过水模研究和工业试验对梅钢转炉复吹工艺参数进行了优化，并丌发了转炉吹 炼终点预测的统计回归模型。主要工作分为以下三个部分： ( 1 ) 在转炉复吹工艺参数部分中，本研究根据相似原理，利用缩小的冷态模型对梅饲 1 5 0 吨顶底复吹转炉复吹工艺参数进行了研究。实验中测定了氧枪结构、枪位、顶吹流量、 底吹流量及底枪布置等复吹工艺参数与熔池均混时间，冲击深度，冲击直径之间的关系。 实验结果表明，采用六孔中心夹角为1 7 5 度的氧枪，底气元件布嚣为4 底气孔且均匀布置 在0 4 3 d 的圆周上的底气元件布置方式，熔池的搅拌效果最好。 本部分还对梅钢的转炉复吹工艺参数进行了优化。从经济角度考虑，仍采用八爪芪气 孔，底气元件和置为0 5 3 d 的底气元件布置方式，选用六孔中心兴角为1 7 5 度的喷枪。结 果表明，优化后的工艺制度比优化前的工艺制度更能取得较好的吹炼效果。 ( 2 ) 在水模实验的基础e 制定最佳的吹炼工艺参数，并且在工业试验中加以验证。试 验结果表明，采用方案4 对于冶炼中磷铁水是较好的方案。 ( 3 ) 在静态控制模型部分中，本文根据梅钢生产数据利用回归的方法对冶炼终点钢水 磷含量、碳含量及终点温度进行了回归和分析。得到计算冶炼终点钢水磷含量、碳含量及 终点温度的预测模型如下： 睇p = 0 0 1 6 1 陟p 嚣2 + 0 0 1 3 4 1 9 兀一0 0 0 0 0 9 6 w 鉴一0 0 0 0 2 7 6 7 q ”f 陬c _ o 1 0 8 7 1 c 蔓1 + o 4 5 1 0 1 s i f 一1 7 5 7 x 1 0 “q 46 5 z 3 3 l g t = o 1 4 0 3 陟c 蛋8 一o 1 4 0 9 睇s i 】。+ o 0 0 l l 瓦+ o 0 0 1 7 q 1 2 + o 7 6 6 9 町+ 0 0 l5 4 l q ， 关键词：复吹转炉，水模，吹炼工艺参数，优化，回归模型 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo p e r a t i o np a r a m e t e r so f t h e15 0 tt o pa n db o t t o mb l o w i n gc o n v e r t e l a tm e i s h a ls t e e la n d i t s p r e d i c t i o n m o d e l a r es t u d i e d i n t h i s p a p e r t h e p r e s e n t w o r k c o n s i s t s o f t h e t b l l o w i n g t h m e p m 【s ： ( 1 ) w a t e rm o d e ls t u d i e sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c e so ft h el a n c et i p c o n l i g n r a t i o n ，l a n c el e v e l ，t o pb l o w i n gr a t e s ，b o t t o mb l o w i n gt u y e r e sp o s i t i o na n db o t t o mb l o w i n g r a t e so nt h eb a t hm i x i n g 血1 e t h ei m p a c ta r e aa n dp e n e t r a t i o nd e p t ho f 血et o p - b l o w i n g j e ti nt h e c o n v e r t e r q u a n t i t a t i v er e l a t i o n s n p sb e t w e e nm i x i n gt i m ea n db l o wp a r a m e t e r sa n do p t u n u m b l o w i n gc o m b i n a t i o n sa i eo b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , f o rt o pb l o w i n g ，t h eb a t hs t i r r i n g i n t e n s i t ym a yr e a c ht h em a x i m u mw h e n t h el a n c e 廿ph a ss i xn o z z l e s ，a n dt h en o z z l ec o l ei n c l o d e d a n g l e b e i n g i s1 7 5 d e g r e e f o r b o t t o m b l o w i n g ，t h e b a t hs t i r r i n gc o n d i t i o n m a yr e a c h t h e o p t i m u l n w h e nf o u rb o t t o mb l o w i n gl u y e r e sa r ep o s i f i o n e de v e n l yo l lt h ec i r c l eo f o 4 3 dd i a m e t e r ( 2 ) b a s e d o n t h er e s u l t s o f w a t e r m o d e l i n g ，i n d u s 订i a l t e s t s w e r ec a r r i e d o u t t o v e r i f y t h er e s u l t s f r o mw a t e rm o d e la n df l l i - 也g ro p t i m i z e0 f 恤w a e t i c a lo p e r a t i o no f t h es t e e l m a k i n gp r o c e s s t 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a tt h eo p e r a t i o nd e s i g nc a s e4i st h eb e s tf o rs m e l t i n gh b tm e t a l sw i t hm e d i u m p h o s p h o r u sc o n t e n t ( 3 ) ap r e d i c t i o nm o d e l t op r e d i c tt h ep h o s p h o r u sc o n t e n t , c a r b o nc o n t e n t ，t e m p e r a t u r eo f s t e e l a te n d - p o i n to fs m e l l i n gi sd e v e l o p e db yr e g r e s s i o na n a l y f i so fp r a c t i c a lp r o d u c t i o nd a t af i r m m e i s h a ns t e a l ，a r r i v i n ga tt h ef o l l o w i n gr e s u l t s 睇p 】= 0 0 1 6 i 陟p 置2 + 0 0 1 3 4 1 9 瓦一0 0 0 0 0 9 6 w 兰；：一0 0 0 0 2 7 6 7 q i5 ， 睇c 】= o 1 0 8 7 1 c ：1 + o 4 5 1 0 1 s i ：。一1 7 5 7 x 1 0 “q 46 5 t 3 3 g7 1 = o 1 4 0 3 陬c f o 1 4 0 9 陟s i l o + 0 0 0 1i v 0 + 0 0 0 1 7 q ” + 0 7 6 6 9 w r2 + 0 0 15 4 1 q t ” k e yw o r d s ：c o m b i n e db l o w i n gc o n v e r t e r , w a t e rm o d e l i n g , o p e r a t i o np m a l n e t e r s ， o p t i m i z a t i o n ，r e g l v s s i o nm o d e l 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。论文阳i 取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他人已经发表或撰写 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已在论文中作了明确的h v an j g f - 表示感谢。 本人签名 日期：2 0 0 3 年月 日 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 i 1 复吹转炉发展概述 氧气转炉顶底复合吹炼技术是七十年代中后期丌始研究的烁钢新工艺。顶底 复合吹炼法就是利用底吹气流强化搅拌，克服项吹氧流对溶池搅拌能力爿i 足的弱 点，卅使炉内反应接近平衡，铁损失减少；同时又保留了顶吹法容易控制造渣过 程的优点，因而具有比顶吹和底吹更好的技术经济指标，成为近年来氧气转f t ；h i 钢的发展方向。 早在五十年代后半期，欧洲就_ 开始研究从转炉炉底吹入辅助气体改善顸吹氧 气转炉冶金特性的方式。六十年代末，由于连铸技术迅速发展，特别是后来全连 铸钢j 。的出现，对转炉炼钢在时间、温度、成分及钢水质量上提出了更高的要求。 因此，集顶欧和底吹优点于一体的复合吹炼技术的开发引起了高度重视。自从1 9 7 3 年奥地利人d r e d u a r d 等i l 】研试转炉顶底复合吹氧炼钢之后，世界各国普遍开始了 转炉顶底复吹的研究工作。1 9 7 7 年，卢森堡阿尔贝德公司和德国钢铁研究院共同 丌发出顶吹氧、底吹惰性气体的复合吹炼技术【2 j ，既l b e 技术。在此后的十多年 晕，复吹技术在全世界发展起来。 顶底复合吹炼法按其底部吹入的气体种类、数量和吹八方法，类型很多。按 照从底部吹入气体的性质，可以分为两大类【j j ： ( 1 ) 吹入惰性气体a r 、n 2 、c 0 2 或者它们的混合气体。选用何种气体应根据 所炼钢种的质量要求、喷嘴寿命和气体价格而定。底吹气体总量应不大于顶吹气 体的5 ，其作用是增强熔池搅拌。该法能生产高、中、低碳钢。其优点是设备费 用低，操作简单，但气体成本高，钢中氮含量略有增加。 ( 2 ) 底部吹入氧气或氧气加石灰粉。氧气吹入量为顶吹氧气量的5 4 0 ，搅 拌加强，具有o b m 法的冶炼效果。适用于生产低碳、超低碳和极低硫、磷含量的 钢种。由于要使用天然气或石油裂化气作为喷嘴冷却剂，钢中氢含量略有增加。 按照底部吹入的形式可分为如下两种： ( 1 ) 透气砖法。即通过透气砖吹入惰性气体( a r 、n 2 等) 。吹入的气体可以 根据冶炼要求在一个很宽的范围内调节。本法设备费用低，在冶炼高磷铁水的条 件f ，透气砖的寿命基本上与炉衬寿命相当。 ( 2 ) 双层套管喷嘴法。本法根据冶炼要求，可以从内管吹入a r 、n 2 、c 0 2 + 0 2 、 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 0 2 、0 2 + 7 i 灰粉，冷却剂可以使用c 0 2 或c 。h 。这利1 | 磷嘴制造) j l l l l - 简暂，存命比 透7 “商。 复吹转炉成功地将项吹乳化钢渣和底吹强化熔池搅拌技术的优点结合起求， 扶掰了较好n q 冶金效果。由于复吹转炉兼具有顶吹和底ij 灿特点，炉内反心业趋 j 。l7 m ，m j 吖】金心收得：缸l ：、_ 、冶炼更稳定的优j 量：j 儿复合吹炼技术叫张 改辫了转炉终氯操作，使吹炼后期钢渣反应趋近平衡，降低了终，_ 钢水、炉渣的 氧化性，这刁i 仅提高了钢水质量，还降低了会属吹损、f i i 4 火材料的消耗及降低铁 钢比所引起的节能等经济效益。因此可以说，复合吹炼技术将转炉炼钢向提高质 量、降低消耗方向大大推进了一步，它是转炉炼钢技术进步的一个重要标志。 1 2 转炉炼钢静态控制的产生和发展 所谓氧气转炉炼钢过程静态控制，就是在吹炼前根据原材料条件( 主要是铁 水成分) 与所炼钢种规格，通过物料平衡与热平衡的理论计算、或生产试验数据 的统计分析、或以相近参考炉次与实绩值和计算值差异进行修正的经验方法建立 的数学模型，由计算机计算出为达到目标终点成分与温度所需要的供氧量与冷却 剂用量等，从而确定吹炼方式和停吹时间，再由计算机控制欧炼过程，但从丌吹 到出钢的整个过程不考虑成分和温度的实际变化，不作任何实时修正的一种控制 方法。 自1 9 5 2 年氧气顶吹转炉炼钢法问世后，随着这种方法的迅速推广应用，及电 子计算机技术的进步与发展，世界上一些主要产钢国家便先后研究开发转炉炼钢 过程静态控制。1 9 5 9 年美国琼斯劳夫林钢铁公司最早开发了转炉装料计算用模拟 计算机，计算铁水，废钢和石灰用量，用作离线操作指导以控制转炉终点锢水温 度。后来曾在荷兰和同本的富士钢铁公司试验过，但未曾普及。随后美国、同本 等国研究丌发数字计算机在线操作指导的静态控制，并在6 0 年代内在一些国家得 到应用【4 】。 静态控制炼钢比人工经验控制能有效地利用吹炼过程的初始条件进行定 最讨 算，并进行控制，使终点钢水温度与成分的命中率有所提高。如美国琼斯劳大林 钢铁公司可由5 3 提高到6 7 1 5 j 。同本新同铁由5 0 - - 6 0 提高到7 0 - - 8 0 1 6 l 。 静态控制法的最大缺点是没有考虑吹炼过程中熔池温度与成分等的实际变 化，不能进行在线跟踪实时修正因而终点命中率提高有限。尽管如此，由j = _ _ 静态 控制是动态控制的基础与重要组成部分，其控制精度会直接影响动念控制的结果， l 抒态控制仍烛j 今的研究课题。 2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3梅山复吹转炉现状和存在的问题 1 3 1 梅山复吹转炉现状 梅山炼钢厂转炉是由墨西哥芳迪多拉厂引进的二手设备。腺为顶吹转炉，兆 有两座，现改造为顶底复吹转炉。其主要参数如表i i 所示。 表1 1复吹转炉的主要参数 t a b l ei 1m a i np a r a m e t e r so f c o m b i n e db l o w i n gc o n v e r t e r 转炉用氧枪系统采用二手设各，氧枪喷头为自己设计，主要技术参数如表1 2 所示。氧枪控制方式：p c u 自动方式和计算机方式。转炉底吹系统采用集束管式 透气砖，共8 块，透气砖均匀布置在直径为0 5 3 d 韵圆周均匀稚置，底吹供气强 度为0 0 1 5 0 1 0m 3 t m i n 。 表1 2 氧枪主要参数 t a b l e1 2m a i np a r a m e t e r so f o x y g e nl a n c e 1 - 3 2 梅山转炉吹炼过程存在的问题 目前梅山铁水主要成分( 质量百分数) ：【c 】= 4 5 、【s i 】= o 4 、 m n 】= 0 2 3 、 p 】2 0 2 2 、 s 】= o 0 2 3 。铁水采用石灰粉剂进行脱硫，转炉冶炼主要采用 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 高拉补吹法( 【c 】= o 2 加4 ) 。由于转炉冶炼用的铁水含磷较高，冶炼存在如下 问题：， ( 1 ) 渣量较大，渣量为1 4 0 1 6 0 公斤吨钢： ( 2 ) 终渣碱度高，二元碱度高达4 5 “0 ； ( 3 ) 终渣t f e 较高，低碳钢终渣t f e 平均达到2 0 2 2 ： ( 4 ) 冶炼操作不稳定，喷溅严重； ( 5 ) 终点命中率低，补吹次数多，冶炼周期长。 1 4 本研究的目的和内容 由于梅钢在冶炼过程中存在渣量大，冶炼操作不稳定，终点命中率低，冶炼 周期长，补吹次数多等问题，因此有必要对梅钢转炉复吹工艺参数及静态控制模 型进行研究。 一、梅钢转炉复吹工艺参数的研究 均匀混合时问是吹气精炼设备用来表示其熔池内混合特性的一个重要参数。 由于设备自身特性及搅拌条件的不同，各种精炼设备都有其特定的均匀混合时间。 从前人的研究结果可知【7 】，混合时间是衡量复吹转炉操作技术参数在综合影响下的 熔池搅拌强度和溶质扩散速度的重要判断依据，用它可以评价复吹转炉化渣、供 氧制度及吹炼的冶金特性。冲击深度是凹坑特征的主要标志，它对熔池的搅拌能 力有很大的影响。氧枪射流的冲击直径大，则它的冲击面积就大，这样可以快速 化渣，是保证冶炼效果的前提条件。因此，本研究利用测定不同配合方案下的均 混时间、冲击深度和冲击直径，来考虑各个吹炼工艺参数与它们之间的关系，从而 得到最佳的复吹工艺参数。 研究的具体内容包括： ( 1 ) 顶吹流量、底吹流量、枪位与均混时间关系； ( 2 ) 顶吹流量、底吹流量、枪位与冲击深度关系； ( 3 ) 顶吹流量、底吹流量、枪位与冲击直径关系； ( 4 ) 不同喷枪结构对熔池均混效果影响的比较： ( 5 ) 喷枪喷孔夹角与底吹气孔间距之间的配合： ( 6 ) 底气孔布置方式对熔池均混效果影响的比较； 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 7 ) 梅钢复吹工艺参数与优化后复吹工艺参数对熔池均混效果影响的比较。 二、工业试验研究 在水模实验的基础上制定最佳的吹炼工艺参数，并且在工业试验中加以验“。 具体内容包括在梅钢1 5 0 t 复吹转炉上，在保证造渣制度相同的条件，通过政变i 吹 炼工艺参数，来考察最佳的工艺参数方案。 三、梅钢复吹转炉静态控制模型的研究 根据梅钢现场数据利用线性回归方法对冶炼终点钢水磷含量、碳含量和温度 进行回归。通过回归模型分析冶炼原料成分及冶炼过程参数对终点钢水成分及温 度的影响。这对于优化转炉操作工艺、改善顶底复吹冶金过程、提高终点命中率、 实现过程控制等技术很有意义。 研究的具体内容包括： ( 1 ) 提供在相关关系的变量之间建立回归方程的一般方法； ( 2 ) 检验所得到的回归方程是否有效，如果有多个回归变量还要判断哪些回 归变量对因变量的影响显著，哪些影响不显著； ( 3 ) 用所得到的回归方程进行预报和控制。 5 东北大学硕士学位论文 第二章丈一献综连 第二章文献综述 2 i转炉复吹工艺参数的研究 2 1 1 均混时间的研究 在气体或气粉射流的作用下，金属液发生循环运动。如果循环和混合较快， 就是反应速度加快，也加速熔池内部的成分和温度的均匀化，加快反应产物的排 除等，因此，金属液的循环是一个非常重要的问题。均匀混合时间是吹气设备用 来表示其熔池内混合特性的一个重要参数。由于设备自身特性及搅拌条件的不同， 各种设备都有其特定的均匀混合时间。 通常，均混时间采用一种叫“刺激响应”。的技术来测定，即向熔池中加入一 定量的示踪剂，同时检测熔池中某一特性以反映熔池的混合情况。在物理模拟的 水溶液反应器中，示踪剂可以采用电解质材料，通过测定反应器中某一位置溶液 p h 值或比电导的变化来确定均混时间；对于高温冶金设各，常用放射性同位素或 某些特殊金属( s n 、c u 等) 作示踪剂，采用取样法进行均混时剃的测定。在进行 测定时，均混时间可以规定如下【8 】：若c 为t 时间内测得的示踪剂浓度，c 。为完 全混合后的示踪剂浓度，从理论上来说c c 。= l 时就达到了完全均匀混合。实际 上通常规定0 9 5 c c 。 1 0 5 时就为均匀混合，允许有士5 以内的不均匀性。 早在二十世纪七十年代，人们就开始了对反应器均混时间的研究，主要是围 绕各种参数：喷吹气量、熔池的直径和高度、喷嘴位置和数目等对均混时间的影 响，通过建立各种经验公式、理论模型来进行的，到目前为止已有大量的研究结 果相继发表。其中，按模型的考虑范围，主要分为如下的两类【9 1 。 ( 1 ) 单一考虑搅拌能的模型 这类模型仅仅考虑了搅拌能密度( 单位质量或单位体积的铡水或铁水所获得 的搅拌能，w t o n 。或w m 。3 ) 对混合过程的影响，见表2 1 1 m l 。根据因次分析，混 合时问t 。应与搅拌能密度s 的一l 3 次方成正比，但受实验条件或数据处理方法的 6 东北走学硕士学位论文第二章文献综述 影响，不同研究者的结果不尽相同。 表2 1喷吹条件下包内混合时问的计算模型( i ) ! ! ! 竖：! 竺! ! ! ! 堕! i ! ! 翌! ! ! ! 旦! 磐生! 竖! ! 堡! ! ! i ! ! ! i ! 堡兰坐! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i ! ! ! 也竺! i ! ! ! ! 业 作者实验条r l 。混匀度关系式 注；j x 为均混时间，s ，曲搅拌能密度w t o n ，珐为喷吹气量m 3 r a i n “t o n 1 ( 2 ) 同时考虑搅拌能和容器几何形状的模型 若容器的几何形状不同，则同吹气量下的搅拌能并不相等，混合参数也各 不相同，见表2 2 【1 m 。 2 i 2 转炉复吹工艺参数的水模型实验研究 由于水的流动状态和钢水的流动状态非常相似，所以根据相似原理，利用水 模实验可以模拟熔池内部的混合状态，这种方法不但效果好且十分经济，因此， 水模实验被广泛应用。在这方面，前人做了许多工作。 鞍钢钢研所的刘漠川、金光南、郝宝升利用相似原理】，使用有机玻璃作成 模型，用空气模拟喷吹气体，用水模拟钢液，不考虑炉渣，做了侧底复欧转炉的 水力学研究。他们采用加入定量k c i 溶液做示踪荆，利用电导极测均混时间，发 现在同种复吹模式下，均混时间随气量增加而减少。 东北大学的朱英雄等为了完善本钢1 2 0 吨转炉单支底部供气元件的复吹工艺 一7 东北大学硕士学位论文第二章文献综述 i 蛇i ，在实验室进行水模对比实验。他们根掘相似原理，保狂了模型与原型几何州 似，流体及动力相似，修f 的弗鲁德准数相等。在实验中，模拟生产实际二三利“d i 定顶枪枪位，在每种相似的顶枪枪位下，只研究底枪吹炼相似性。实验过程中， 用有机玻璃模拟本钢1 2 0 吨转炉；用石英玻璃管制作4 孔拉瓦尔喷头的顶枪；用6 r 孔径1 毫米的细管镶嵌在直径为1 5 毫米的圆管内组成模，唑底枪；用水代_ ! 钢液： _ f ：| 空气代替氧气、氮气。实验时将电导电极固定在转炉内桀一位置在另侧刚定 位置加入k c i 水溶液，用函数记录仪测定电导率变化达到稳定时的时间，为熔池 内均匀混合时间，取得了非常好的效果。 表2 2 喷吹条件下包内混合时间的计算模型( i i ) t a b l e2 2c a l c u l a t i o nm o d e lo fm i x i n gt i m eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fi n j e c t i o n ( i i ) 注：d 为熔池直径m ，为熔池深度m ，r 为熔池、i | 径m r 为喷嘴距熔池中心距离_ 为喷嘴数 8 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 东北大学的刘爱华、李强等在l b e 转炉优化吹炼工艺参数的水模实验1 13 j 研究 中，也是根据相似原理，采用水模实验方法研究了影响熔池搅拌的各工艺参数 主要包括顶枪枪位、底吹位置前i 置方案、底吹气体流量、顶吹气体流量与均泓州 n j j 的关系。在实验中，保证了炉型的几何相似，原型和模型的修f 弗鲁德准数1 1 i 等，测得了顶枪枪位、底吹布茕、顼吹流量和底吹流量对均混州间的影响，得到 如下结论：高枪位、大顶吹流量的冶炼条件是较好的选择：底吹布置对泓匀时川 影响显著：底吹气量对混匀时间影响显著；顶吹气量对混匀时间影响显著。 2 i 3 氧枪枪位及冲击深度的研究 氧枪枪位是指氧枪在冶炼过程中，从喷头端面到熔池铁水表面的垂直高度， 即一般冶炼术语中的过程枪位。从氧枪喷头的寿命出发，枪位愈高愈好，因为高 枪位在一定程度上可以避免烧枪。但枪位高，在一定的氧射流出口速度条件下， 冲击速度就小了，而且为了保证射流对熔池的搅拌能力，就应保证一定的冲击深 度。目前，转炉的最佳枪位难以用计算确定，基本上凭经验控制。从生产中得到 的枪位( h ) 与喷头喉v i 直径( d ) 的经验计算式为【1 4 】： 单孔喷头日= ( 2 5 - - 5 5 ) d ( 2 1 ) 多孔喷头日= ( 3 5 - 5 5 ) d ( 2 2 ) 氧枪的冲击射流在液面上产生凹坑。凹坑的形状、直径和深度取决于冲击射 流到达液面时的冲击深度，同时也与液体熔池的几何参数和液体的属性有关。i 山 于射流的冲击速度分布取决于射流的衰减规律，主要与射流出口的动量和氧枪枪 位有关，因此可以把凹坑的特征尺寸与顶吹流量、底吹流量及氧枪枪位直接联系 起来讨论。 冲击深度是凹坑特征的主要标志，对炉渣中氧化铁含量有重大影响，也是确 定转炉装入量的主要依据。冲击深度与氧射流对熔池的搅拌强度、搅拌均匀性密 切相关。为了获得良好的搅拌，要求冲击深度大，但也应有限度，冲击深度太大， 则会损伤炉底。因此冲击深度要选定得适当。 在冷态实验中，很多研究者认为射流的惯性力和熔池的浮力起决定性的作用， 得出了很多相似的研究结果，即认为顶吹气体射流的冲击深度是阿基米德准数a r 的函数i l ”。如下式所示： 9 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 孚= q o ( a r ) = 平( ) * k ( a r ) 8 ( 2 3 ) 式中，h 口为冲击深度，m ：d 为与熔池面相遇处的射流直径，m ，f 惯、f ”分 别为射流的惯性力和阻碍刺流穿透的浮力；n ；k 、a 分别为系数和指数。式中龠 有d 、w g ( 气流速度) 、p g 等参数难以测定，所以使用不方便。弗林等从实验转 炉上得到确定单孔氧枪冲击深度的经验公式f 1 4 】。 h ，：3 4 0 1 0 一p o ；d 。o + 3 8 1 ( 2 4 ) 4 h 从上式可以看出，凹坑和氧枪喷头形状及供氧参数有直接关系，冲击深度和 喷头前使用的氧压、喷孔喉口直径成正比，和喷头至液面的距离的l 2 次方成反比。 2 2 转炉控制模型的研究 完整的氧气转炉炼钢过程是一个由传质、传热、造渣、固体添加料的加热和 熔解、化学动力学、质量平衡与热平衡等子过程所组成的复杂的高温冶会过程， 而其中各个子过程之间也相互关联并相互影响。且冶炼过程时间短，被控量不断 变化。过程的复杂性导致了其控制具有一定的特殊性。一般的转炉炼钢的模型是 以转炉炼钢的物理化学原理为基础，依据冶金传输理论和反应机理建立起来的。 而对于实际冶炼过程中，还需要对数学模型所描述的变量在过程中的不同状态进 行控制和模拟。这些模型分为动态模型和静态模型。 2 2 1 转炉静态控制模型简介 静态控制数学模型是静态控制的核心，其精度直接影响终点成分与温度命中 率的高低。静态控制数学模型可分为理论型、经验型和增量型三类【1 5 】。 理论模型是从冶余机理出发，以质量与能量的平衡为基础，根据物弹化学原 理用数学方程来描述转炉炼钢的各个过程，模型的开发相对复杂，周期较长。通 常所谓的理论模型只能算是半理论半经验模型，这种模型是从理论角度出发，以 物料及能量平衡为基础，运用冶金热力学和动力学理论推导得出主要的控制方程 式，同时在模糊与难以建模的问题上结合人工经验建立的。经验模型是采用数理 统计的方法，通过对大量现场数据进行收集模型。这种整理与统计分析，确立变 1 0 东北走学硕士学位论文 第二章文献综述 量间的相互关系，从而建立方法不考虑转炉吹炼过程本身，只是选择一定的数学 方程式结构，使用过程中通过与实际结果比较，逐步校正方程的系数从而使偏差 减小。1 h 此，统计模型并无物理意义，不蜕明操作的内在过程，i 而只限j 二表达输 入和输出数据之叫的定几率芙系。 刈照历史炉次与当前炉次的冶炼初始状态以及目标状念，并采用增量计算的 方法确定本炉的主要操作变量，从而建立模型。建模方式。过程相对简单，维护 容易，且具有一定的自动更新和自学习能力。参考炉次和各项系数的选取是增i 往 模型的关键。和其他数模方法一样，增量法也需要统计分析大量的生产实际数据， 数模的推导过程比较复杂。上述三种静态模型各有其特点，在实际应用中往往足 相互结合而建立起来的，取长补短从而提高控制精度与命中率。据统计，人1 ：控 制的命中率般为5 0 左右，静态自动控制的命中率一般可达6 5 7 0 。对于静 态模型，影响精度的关键是输入数据的精度和冶炼过程的可再现性。 2 2 2 转炉动态控制模型简介 动念控制是在静态控制的基础上，结合过程数据的采集以及反馈控制丽形成 的。通过对过程数据的采集，修正吹炼轨迹曲线使其最终命中目标，将更多的精 力转移到对冶炼过程的控制上，以实现喷歌过程的完全自动化与最佳化。控制的 关键在于迅速、准确地连续获得炉内的反馈信息。传统的动态控制模型如表2 3 所 不a 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 表2 3 转妒传统动态控制技术 ! ! ! ! ! 兰：! ! 型尘! 翌! 垒兰! ! 竺堡! ! 竺翌! ! ! ! 垫! ! ! ! 型 办法原理 酬制删：塞篙篷言薹羹塞翥髫爨鬻，的变忆蚍可以根据艄戤及其焚化 电导率法根据炉渣与钢液电导率的著异在出钢口安装探测器减少钢水中央渣越。 在开吹前及吹炼前期分别州静态模型进行装料计算及控制，在接近吹炼终 动态停畋洼点时根据有关的炉内信息，以及对相对历史炉次的同归分析，判断最佳停 吹点，升按需要在停吹时进行修止。 脯删法喜答簇器丢糍，洲烷躲一聪撇舶标栅懒臆黼 蹴兰需蓑薹萎鬻翟篇嚣淼景誉燃艘和剐触 光谱法通过对熔池中指定元素的放射光谱以及热点温度的测量对操作进行修正。 炉气分析法墓裳蓑薹需了裟盏裟墨盆产度和流量簿信凰推断脱碳 濂效应法筹蹇衰菱篱篡荐萎署蒜，振动效麻的变化确定炉呲渣情况以此 液面测量法根据测定的熔池液面高度来调整枪位。 。+ 。 在冶炼中使用音频仪器测量炉口处的噪音，根据噪音的频率和强弱判断炉 内化渣情况，以便对操作迸行相应调整。 2 2 3 前人对转炉冶炼控制模型的研究 w j s l a t o s k y l l 6 应用热平衡和质量平衡原理建立了转炉吹炼的静态模型，用于 装入量和供氧的计算，以控制转炉钢水终点温度。 k k a t s u r a 等人j 从1 9 6 0 年秋开始丌发转炉炼钢的计算机控制的数学模型， 到1 9 6 2 年底完成了大部分的数学模型的建立工作。他们曾经采用理论模型和统计 模型来控制终点钢水温度，均因存在较大误差而未获得信令人满意的结果。最后 发现这些误差是由于转炉内部形状变化造成的，但要定量椭述炉型变化刘冶蠛的 1 2 东北走学硕士学位论文 第二章文献综述 影响是很困难的。为解决这一问题，采用经验模型来预测终点钢水温度和碳含量。 此后类似的数学模型被用到一些转炉的计算机控制中【l ”i 。 静念控制由于未考虑吹炼过程的信息其终点命中率低。为了提高控制精度， 挺“j 动态控制疗法。h m e y e r | 2 ”i i 利用转炉烟气成分和流量测定数据以及捅入式热 电偶测温结果，建立了预测终点钢水碳含量和温度的数学模型，用于转炉吹烁的 动态控制中。当预测的终点温度高于目标值时，根据两者之差计算冷却剂加入重 量，当预测值低于目标值时，提高枪位进行软吹操作。 腾井靖治等人【2 2 1 和池内祥睛等人【2 3 1 分别开发了综合反应模型和副枪终点控制 模型，采用副枪直测技术对转炉炼钢的吹炼终点进行动态控制，控制精度提高 2 0 ，并实现了无倒炉出钢的操作1 1 7 1 。 斋腾忠等人1 2 4 】提出了顶底复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、铁水成分及质量、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【p 】、【m n 和【s 】的含量，预测精度分别为土0 0 0 1 4 5 、 士o 0 0 9 3 年1 1 + 0 0 0 0 7 8 ，实现了快速出钢操作。 高输武志与他合作者1 2 5 j 利用能反映低碳和高碳范围的综合脱碳特征的基本方 程开发了复吹转炉吹炼终点控制模型，该模型可以根据原料条件和终点成分和温 度的目标值，计算吹炼所需的氧量和造渣剂用量，在吹炼后根据副枪测定结果， 计算到达终点时需要的氧量和冷却剂加入量，以便对吹炼终点进行控制。该模型 应用到住友会属鹿岛第三炼钢厂复吹转炉自动吹炼控制中，使后吹率从1 4 下降 到l ，时间从3 7 m i n 减少到2 9 m i n ，耐火材料消耗降低。 福味纯一等人【2 6 】根据转炉烟气的测定结果，对炉内氧和碳进行质量衡算，开 发出了能够连续预测熔池温度、渣中( t f e ) 和钢中溶解氧以及能够预报喷溅发生 的复吹转炉控制模型。该模型应用到n k k 的福山第二炼钢厂2 5 0 t 转炉后，使得 终点命中率提高，无倒炉出钢率接近1 0 0 ，吨钢造渣剂消耗量降低4 k g ，喷溅次 数降低。 1 3 东北走学硕士学位论文第三章水模实验 第三章水模实验 在水模实验1 1 j ，用水模拟钢水，用压缩空气模拟氧气和底吹气体。楸据棚似 原理确定顶吹气体流量和底吹气体流量。通过加入示踪剂，测定示踪剂在水中的 浓度随时间的变化，确定在不同吹炼工艺条件下，熔池的均混时问、冲击坑的直 径、深度。 3 1 实验设备 实验设备如图3 1 所示，主要包括： ( 1 ) 由转炉、喷枪和熔池组成的吹炼系统； ( 2 ) 由压力表、转子流量计组成的气体流量系统； ( 3 ) 由电导探头、电导率仪、功率放大器和带模数转换卡的计算机组成的 数据记录系统( 如图3 2 ) 。 图3 1 实验装置流程图 f i g 3 1f l o wc h a r to f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s 图3 2 实验数据采集过程 i 石f 嚣 ：二二二：2 机 l 堡堂竺| f i g 3 2s c h e m a t i c so f d a t ac o l l e c t i o n 1 4 东北大学硕士学位论文第三章水模实验 3 2 实验参数确定 3 2 1 转炉模型参数确定 项底复吹冷念模拟实验在有机玻璃制成的转炉模型中进行。实验时保持梭型 与原型的几何相似，根掘实验条件和现场的最大气体流量，确定几何相似比为l ：6 。 实际炉形尺寸与模型尺寸见表3 1 ，模型的几何参数如图3 3 所示，所标尺寸为模 型实际尺寸，单位为m i l l 。图3 | 2 中模型的炉膛直径、炉口直径和炉底半径为考虑 了炉衬侵蚀后确定的尺寸，在炉役中期，炉衬侵蚀厚度取2 0 0 m m 。 表3 i 原型与模型有关参数 t a b l e3 1p a r a m e t e r so f p r o t o t y p ea n dm o d e 图3 3 模拟实验转炉模型尺寸 f i g 3 , 3d i m e n s i o n so f e x p e r i m e n t a lc o n v e r t e rm o d e 1 5 东北走学硕士学位论文 第三章水模实验 实验转炉模型底部结构尺寸如图3 4 所示。 图3 4 模拟实验转炉模型底部结构 f i g ：3 4c o n f i g u r a t i o no f m o d a l sb o t t o m 模型氧枪喷头结构及尺寸见表3 3 。 表3 3 氧枪喷头结构及尺寸( 实际尺寸，模型尺寸) t a b l e3 3l a n c en o z z l ec o n f i g u r a t i o na n dg e o m e t r i cs i z e s ( p r o t o t y p e m o d e l ) 1 6 东北大学硕士学位论文 第三章水模实验 3 2 2 吹气量计算 3 2 2 1 】页吹气量计算 为了保证模型现象和原型现象相似，必须满足一定的相似准则。由于顶底复 吹水模实验中，重力和惯性力是起决定作用的，故在保证了炉型的几何圳似l 佝前 提下，只需保证模型和原型的修f 佛鲁德准数相等。 已n ：f o i ：唑 p 一g c l ( 修正佛鲁德准数)( 3 1 ) 监：鱼堕 p g d 校p 。g d 婪 导：( 旦坐) 必( 拿) ( 3 2 ) 、l o j 吼ps jd 甍 ：拦型竺! ! ) 必( 土) 一。五五万石而o i = 0 4 1 2 6 0 4 0 8 2 = 0 1 6 8 4 式中比为实验室气温2 0 c 时的空气密度，k g l m 3 ；p 0 2 为标态下氧气的密度， k g m 3 ；加为水的密度，k g m 3 ：风为钢水密度，k g , m 3 ；g 为重力加速度，m s 2 ； d 艇、d ；为模型和原型的喷枪出口直径，m m i 圪、9 0 2 为模型和原型的喷枪出口气 流速度，m s 。 又有， o 。= 圪( i d 袅) 3 6 0 0 ( 3 3 ) 0 0 2 = ( 三，2 实噍2 ) 3 6 0 0 ( 3 4 ) 式中，nm ，聍i 为原型和模型的喷孔数目；g 、0 0 2 为模型及实际的供气量，n m 3 h 。 。= c 形。，c ) 2 = 0 1 6 8 4 x c 挣。s ，s 1 7 东北大学硕士学位论文第三章水模实验 表3 4 顶吹气体流量 旦! ! ! ! ：兰! ! 垒! ! i 翌g 翌! ! ! 方案代号 c ic 2 c 3 3 2 2 2 厩吹气量计算 ：f l 一墼 以g “ ( 修f 的佛鲁德准数) ( 3 5 ) 监：垒堕 p g d 楼p s g d 婪 式中，p m 为标态下氮气密度，k g m 3 。 ：( 业) 必( 生) 必 ( 3 6 ) n 1 、p d p 。、d 凝 j = c 罴揣尥秒 ：o 3 8 6 ( 拿) “宴 a o = 圪( 三d 丧) x 3 6 0 0( 3 7 ) 玑：。：( i n 实) 。3 6 0 0 ( 3 - 8 ) 式中，q 、o 2 为模型和实际的底枪供气量，n m 3 h ；v a 、p 他为模型和实际底枪 小孔气流速度，删s ；d 模、d 女为模型和实际的底枪孔径，m i l l 。 蜜、以模分别为原 型和模型底枪的数目。模型实验考虑的是底吹气体对熔池的搅拌效果，计算喷吹 气量时取行e = 疗镕。 ：- o - ，s s c 耖c 2 - o 。s 6 ( 孔吉) 2 1 8 东北大学硕士学位论文 g x _ 章水模实验 3 3 实验方案 在底气元件原布置( b 1 、0 5 3 d ) 的条件下，通过改变枪位( 6 个) 、氧枪唢 孔( 4 个) 、顶吹流量( 4 个) 、底吹流量( 4 个) 等因素测定熔池的均混时间、 冲击深度和冲击直径，来考查最佳的各工艺的配合，具体方案见表3 6 。其中，顶 枪枪位分别为a 1 ：3 5 0 m m ；a 2 ：3 8 3 m m ：a 3 ：4 1 6 m ma 4 ：4 5 0 m m 。 表3 6 复吹参数优化实验方案( i ) t a b l e3 6e x p e r i m e n t a ld e s i g nf o ro p t i m i z a t i o no f c o m b i n e db l o w i n gp a r a m e t e r s ( i ) p 1 p 2 p 3 p 4 c 1 c 2 c 3 c 4 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 d lo 5 3 d d 2一 d 3一 d 4一 在底气元件布置( b 2 、0 4 3 d ) 的条件下，通过改变枪位( 3 个) 、氧枪喷孔 ( 3 个) 、顶吹流量( 3 个) 、底吹流量( 3 个) 等因素测定熔池的均混时间、冲 击深度和冲击直径，来考查最佳的各工艺的配合，具体方案见表3 7 。 1 9 东北大学硕士学位论文 第三章水模实验 表3 ，7 复吹参数优化方案设计( i i ) t a b l e3 7e x p e r i m e n t a ld e s i g nf o ro p t i m i z a t i o no f c o m b i n e db l o w i n gp a r a m e t e r sfi i1 l 2 3 p 2 p 3 p 4 c 1 c 2 c 3 a 1 a 2 a 3 d l0 4 3 d d 2一 d 3一 在喷枪为六孔1 7 5 度喷孔的条件下，选择1 2 种底气孔布置方式，分别在 a 3 d 1 c i 、a 2 d 2 c 2 、a 1 d 3 c 3 的条件下，测定熔池的均混时蒯、冲击深度和冲击 直径，来考查最佳的各工艺的配合，具体底气孔布置方案见图3 5 。 梅钢原布置( b 1 ) 方案2 ( b 3 ) 2 0 方案1 ( b 2 ) 方案3 ( b 4 ) 东北大学硕士学位论文 第三章水模实验 方案4 ( b 5 ) 方案6 ( b 7 ) 方案8 ( b 9 ) 2 1 方案5 ( b 6 ) 方案7 ( b 8 ) 方案9 ( b 1 0 ) 东北大学硕士学位论文 第三章水模实验 b 方案1 0 ( b 1 1 ) 方案t 1 ( 1 3 1 2 ) 图3 5 底吹位置布置方案 f i g 3 5s c h e m a t i cl a y o u to f b o t t o mb l