转炉终点控制技术评述.pdf

1 0 A NHUI ME T AL LU RG Y 2 0 0 3年 第 4期 综合 评 述 转炉终 点控制 技术评述 王 茂华 林 李 全 马 鞍 山钢 铁 股 份 有 限公 司 摘要 回顾 转炉 终点 控制 技 术研 发历 程 评 述副枪 测定 法 成 分测 算 法和 气相 定碳 法 等 终点 控 制 方法 以及 常 规 拉 碳 增碳 操 作 方 法 关 键 词 转 炉 终 点 控 制 副 枪 质 谱 仪 Co m me nt a r y o n En d p o i n t Co n t r o l Te c h no l o g y of Co n v e r t e r W a ng M ao hua Li nLi qu a n Ma a n s h a n l r o n St e el Co L t d Abs t r c t Th e dev el op men t h i s t or y o f t h e en d poi n t c on t r ol t ech n ology of t h e c on v er t er i s r evi ewed an d t he end p oi n t con t r ol met h o ds s u ch as s u bl an c e meas u r i n g t ech n i q u e c ompos i t i on al c al c ul at i n g met h od v ap ou r ph as e p r o ces s et c a s wel I a s t he c onv en t i on al c at ch ca r b on met h od a nd c ar bu r i z i n g met h o d a r e co mmen t e d Ke y wor ds c onv er t er end poi n t c on t r ol s ubl an c e mas s sp ect r omet er 1 前 言 终 点 控 制 是 转 炉 吹 炼 末 期 的 重 要 操 作 通 常 总 是 尽 可 能 提 前 让 磷 硫 去 除 到 终 点 所 要求 的 范 围 故 终 点 控 制 便 简 要 为 终 碳 控 制 和 钢 水 温 度 控 制 通 过 转 炉 吹炼 自动 化 控 制 系 统 借 助 相 应 的 吹 炼 数 学 模 型 实 现 终 点 的控 制 2 转 炉 数学模 型 2 1吹 炼 数 学 模 型 的 种 类 根据 数 模 建 立 方 法 的 不 同 可 大 致 将 其 分 为 理 论 模 型 统 计 模 型 和 经 验 模 型 三 类 根 据 数 模 所 描 述 变 量 在 吹炼 过 程 中 的 状 态 不 同 数 学 模 型 又 可 分 为 静 态模 型 和 动 态模 型 两 种 实 际 应 用 中 往 往 根 据 不 同类 型 的 特点 采 用 理 论模型与统计 或经验 模型相 结合 的方式建立模型 亦 称 其 为 半 经 验 模 型 并 在 逐 步 改 进 完 善 的 前 提 下 由静 态 向 动态 不 断 演 化 发 展 2 2终 点 控 制 模 型 开 发 回顾 自 2 0世 纪 6 O年 代 开 始 为 获 取 稳 定 的 吹 炼 操 作 和命 中钢 水 成 分 和 温 度 就 开 始 了 在 转 炉 吹 炼 中 采 用 计 算 机 技术 的 开 发 研 究 工 作 并 使 得 吹 炼 数 模 在 实 际应 用 中逐 步 成 为 可 能 S l a t o s k y 1 应 用 热 平 衡 和 物 料 平 衡 的 原 理 建 立 了转 炉 吹 炼 的 静 态 数 学 模 型 用 于 吹 炼 装 入 量 和 供 氧 量 的 计 算 以 便 控 制 转 炉 钢 水 终 点 温 度 因 炉 子 内 部 形 态 变 化 存 在 较 大 的误 差 而 未 能 获 得 令 人 满意 的结果 至今许多地方仍 采用这类数模用 于转 炉 吹 炼 过 程 Me y e r E 等 人 针 对 静 态 控 制 方 法 未 考 虑 吹 炼 过 程 的 信 息 终 点 命 中率 低 的 状 况 为 提 高 控 制 精 度 提 出 了动 态 控 制 法 其 利 用 废 气 数 据 成 分 流 量 及 插 入 式 热 电偶 测 温 结 果 建 立 终 点 钢 水 温 度 和 碳 量 的数 学 模 型 用 于 吹 炼 的 动 态 控 制 当 预 测 温 度高 于 目标 时 根据差值加入相应量冷却 剂 当预测 法 低 于 目标 时 提 高 枪 位 进 行 转 吹 操 作 来 调 节 此 法 的精 度 取 决 于 废气 分 析精 度 和 热 电偶 测 量 精 度 腾 井 清 治 等 和池 内祥 晴等 为 弥 补 上 述 模 型 的不 足 分 别 开发 了 综 合 反 应 模 型 和 副 枪 终 点 控 制 模 型 即 为 直 接 测 量 熔 池 成 分 和 温 度 的 终 点 控 制 系 统 用 副 枪 直 测 技 术 对 转 炉 炼 钢 的 吹 炼 终 点 进 行 动 作 者 简 介 王 茂 华 高 级 工 程 师 安 徽 省 马 鞍 山 市 2 4 3 0 0 0 马 钢 技 术 中 心 维普资讯 2 0 0 3年 第 4期 安 徽 冶 金 态 控 制 控 制 精 度 提 高 2 0 9 5 鞭 严 等 人 7 提 出 了 转 炉 炼 钢 炉 内脱 碳 反 应 的数 学 模 型 并 在 此 基 础 上 研 究 了 火 点 气 流 行 为 的 理 论 增 加 了 石 灰 渣 化 烟 气 组 成 流 量 和 温 度 及 钢 水 温 度 等 的计 算 开 发 出 了 能 计 算 炉 内 钢 水 中碳 和 硅 随吹 炼 过 程 变 化 的 数 学 模 型 此 后 鞭 严 等 人 又 对 此模 型作 了发 展 考 虑 锰 磷 的 气 化 反 应 渣 一 金 属 间 反应 和石 灰 渣 化 速 度 提 出 了 能 更 加 全 面 反 映 转 炉 炼 钢 机 理 的 数模 高 轮 武 志 等 1 对 鞭 严 等 人 的 模 型 加 以变 化 根 据 实 测 的 转 炉 成 分 和 流 量 在 和 歌 山第 一 炼 钢 厂 吹 炼 过 程 中进 行 实 际 吹 炼 过 程 的 动 态 控 制 取 得 了 吹 炼终点 C P 和 温度 预报 精 度分 别 为 0 0 5 0 0 1 9 5 和 2 0 的效 果 指 导 了吹 炼 操 作 降 低 了 后 吹率 斋 腾 忠 等 人 1 1 提 出 了 顶 底 复 吹 转 炉 终 点 钢 水 成 分 预 测 统 计 模 型 在 该 模 型 中将 终 点 钢 水 的 成 分 整 理成 为 与 副枪 测 温 定 碳 时 取 样 分 析 的 钢 水 成 分 停 吹 时 测 定 的 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 碳 用 量 萤 石 用 量 铁 水 成 分 及 质 量 停 吹 温度 相 关 的 函 数 关 系 利用这些关 系 计 算 停 吹时 钢水 的 P s 和 Mn 含 量 预 测 精 度 分 别 为 0 0 1 4 5 0 0 0 9 3 和 0 0 0 7 8 实 现 快 速 出钢 高 轮 武 志 等 1 利 用 能 反 映 低 碳 和 高 碳 范 围 的 综 合 脱 碳 特 征 基 本 方 程 式 开 发 的 复 吹 转 炉 终 点 控 制 模 型 根据原料条 件和 终 点成 分 C P 和 温度 的 目标 化 计 算 吹 炼 所 需 的 氧 量 和冷 却 剂 加 入 量 对 吹炼 终 点 进行 控 制 此 模 型 在 鹿 岛第 二 炼 钢 厂 进 行 吹炼 控 制 应 用 时 使 后 吹率 从 1 4 9 5 下 降 至 1 9 5 吹炼 时 间从 3 7 mi n减 少 到 2 9 mi n 并 使 耐 火 材 料 消 耗 降 低 福 味 纯 一 等 1 3 根 据 烟 气 测 定 结 果 对 炉 内 的 氧 碳 进 行 质 量 平 衡 计 算 而 开 发 出 来 的 复 吹 控 制 模 型 能 够连 续 预 测熔 池 温 度 渣 中 TF e 和 钢 中溶 解 氧 并 能 够 预 报 喷 溅 发 生 该 模 型 应 用 到 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 近 1 O 0 吨钢 造 渣 剂 消 耗 量 降 低 4 k g 喷 溅 数 降低 在上 述 各具 特 色 的 各 类 转 炉 数 模 中 鞭 严 等 人 提 出 的模 型 是 基 于 冶 金 反 应 工 学 理 论 利 用 转 炉 吹 炼 过 程 动 态 的 质 量 守 恒 和 热 量 守 恒 建 立 起 来 的机 理 模 型 较 为 全 面 地 反 映 了转 炉 吹 炼 过 程 的本 质 在 考 虑 底 部 供 气 因 素后 也 可 用 于 复 吹 转 炉 吹 炼 过程 3 转炉 终 点控 制 转 炉 吹炼 终 点 控 制 可 分 为 自动 控 制 和 经 验 控 制 两 大类 图 1 自 2 0世 纪 6 0年 代 开 始 国外 逐 步 采 用计 算 机 对 转 炉 吹 炼 进 行 控 制 7 0年 代 从 静 态 控 制 向动 态 控 制 发 展 国 内 除 宝 钢 首 钢 等 少 数 转 炉 采 用 动 态 控 制 外 大 多数 转 炉 的装 备 控 制 水 平 还 较 低 处 于 经验 控 制 向 自动 控 制 的 过 渡 匝丽 面圃 l 1 匾匦 匾巫 蟹 网 3 1终 点 的 自动控 制 操作 3 1 1 副枪 测 定 控 制 系统 图 2为 日本 鹿 岛钢 厂 所 采 用 的典 型 的 副枪 测定 终 点 控 制 系统 1 该 系统 由一 个 动 态 模 型 和 一 个 反 馈 计 算 模 型所 组 成 动 态 控 制 模 型 计 算 副 枪 测 量 过 程 中以及 吹炼结束 时所需要 的氧量 和冷却剂量 同 时 使 用 由副枪 所 测 得 的 值 和 实 际操 作 值 实 时估 算 钢 水 温 度 和 碳 含 量 B0F 图 2副枪 终点控 制 系统 图 3为 一 个 炉 役 期 中命 中率 的变 化 系统 可 以 维普资讯 1 2 A NHUI ME T AL L UR GY 2 0 0 3年 第 4期 l 6 2 O l 5 4 0 l 6 5 0 l 6 8 0 l 7 o o l 7 2 0 终点 目标 熔池温 度 图 3 自动 停 吹 操 作 的 精 度 准 确 地 估 计 钢 水 温 度 和 碳 含量 而 无需 在 炉 役 期 内 调 整 模 型 参 数 在 日常 操 作 中 的成 功 率 已 达 到 足 够 高 的精 确 程 度 3 1 2 终 点 成分 测 算 系 统 成 分 测 算 系统 主要 是 通 过 对 终 点 成 分 的 判 定 来 控 制 吹炼 终 点 实 现 快 速 出 钢 根 据 采 用 的 不 同 测 算 手段 分为 O 法和 QV 法 E O 法一在测定氧浓度 的基础上 根据 钢一渣 之 间 的 平衡 关 系测 算 成 分 此 法 适 用 于 低 碳 钢 QV 法 一 利 用 副 枪 测 温 并 获 取 样 品 通 过 光 谱 仪 在 现 场快 速 分 析 成 分 测 定 碳 含 量 此 法 能 精 确 测 定 优 质钢 和高 碳 钢 山名 寿等 人 在 日本 加 古 川 制 铁 所 2 4 0 t 转 炉 上 进行 O 法 和 QV 法技术 的开 发和对 比试验研究 系 统 构 成 见 图 4 图 中 冶 炼 中期 的测 定 步 骤 为 QV 法所 特 有 图 4快速 出钢 判 断成 分流 程 在高碳区 渣 中分压 与钢 中 O 值相差 5 1 5 倍 二者可视 为 无相 关 关 系 随 E C 的降低 钢 渣 间氧 分 压 差 分 压 差 距 缩 小 当 达 0 0 6 以 下 时就 可 根据钢 中 O 计算 氧分 压 确定钢 水成分 测定 氧 浓 度 确 定 终 点 成 分 丑 餐 皿 墨 丑 撼 冶 炼 后 期 利 用 钢 渣 接 近 平 衡 的 关 系 根 据 O 确定各 种成 分 方法是 用副 枪探测 仪来 测定 O 并且 考虑加 入 的造渣 剂等 操作 因素 用 统计 法 计 算 各 种 成 分 终点 成分一f O 造渣剂 铁 水成分 铁水量 终 点 温度 测 算 精 度 标 准 偏 差 C一 0 0 07 3 M n 一 0 01 6 5 P 一 0 0 0 2 9 4 S 一 0 0 0 1 0 2 O 法存在 的问题主要为 测算 物料收支 的各 成分误差 大 造成测算 成分误差 加大 钢 中E o 与 渣 中 TF e 的分 散 程 度 大 引 起 误 差 高碳 区 因炉 渣 氧化 O 几乎与 TF e 无关 系 O 法 不适 于高 碳 钢 的 成 分 测 算 为 了弥补E o 法 的不足 在冶炼后期分析 成分 渣 考 虑渣化状况和增加 因素进行修正 即适 用于高 碳 钢 的 QV 法 用副枪测 定 E c 温 度 时 获取 分 析标 样 光 谱 分析成分 冶炼终点测定 O 低碳钢 或根据 排气 情 况 计 算 蓄 积 氧 量 高 碳 钢 把 分 析 测 定 值 和 加 入 的造渣剂作为主要 因素 用统计法 确定终 点成分 终点成分 一f 成 分值 生 石灰 量 莹 石量 终点 温度 铁水成分 铁水量 E O 或 炉内蓄积氧量 因E O 法不适 用于 高碳钢 故在 图 4所 示 的系 统构成 中 采用在接 近终点 2 5 mm 前测 定 E C 和温 度 并 用 探 测 器 取 标 样 进 行 光 谱 分 析 以分 析 值 作 为计算终点成 分的依据 判 定终 点及 出钢 与否 若 测 算 结 果 不 能达 到 规 定 的 成 分 值 时 立 即实 施 再 吹 炼 3 1 3 气相 质谱仪 定碳判 定终碳 气相定碳是通过分析转炉炉气成分来连续 预测 吹 炼 过 程 中钢 水碳 含 量 的 一 种 方 法 气 相 定 碳 主 要 0 0 嘲姐罄毒 荨 避林 维普资讯 2 0 0 3年第 4期 安 徽 冶 金 1 3 应 用 的分 析 仪 器 为 红 外 分 析 仪 和 质 谱 仪 两 种 1 从 目前情况看 质谱仪 的使用 已 占优势 1 质 谱 仪 法 的 原 理 质 谱 测 定 原 理 见 图 5 该 法 是 将 氩 氦 等 惰 性 气 体作 为示踪剂 通 过气 体 物料平 衡来决 定废气 流 量 以氩为例 将吹入气 体 吹炼 氧气和混入空气 中 的 氩 作 为 炉 内氩 气 的 输 入 源 用 质 谱 仪 测 定 烟 道 内 的 废气 成 分 根 据 氩 含 量 的 稀 释 程 度 计 算 废 气 流 量 再 根 据 废 气 成 分 和 流 量 不 断 地 对 熔 池 脱 碳 速 度 和 渣 中氧 的吸收速度做 出评 价 O V 丫 流 孔 l 氧 气管 质谱仪 计 算机 图 5采 用质 谱仪 的废 气 分析和 吹氲 系统 2 测 算 系 统 在 吹炼过程 中 根据 从质 谱仪得 到 的废气 分析 值信号 供氧速度 丙烷流量和辅助原料 铁矿石 石 灰 萤 石 投 入 速度 等 实 际 吹 炼 数 据 每 隔 2秒 对 相 关 项 目进 行 一 次 计 算 别 所 永 康 等 在 千 叶 第 二 炼 钢 厂 2 3 0 t顶 底 复 吹 转 炉 上 利 用 质 谱 仪 进 行 吹炼 终 点 控 制 的 应用 a 脱 碳 模 型 一 d C d O2一 1 5 5 5 Ws L C B a 9 3 3 W钉 1 式 中 Ws L 为 炉 渣 重 量 t W 为 钢 水 重 量 t I 3 a为 参数 b 升 温 模 型 T A AO2 W c H B D 2 式 中 T L x O2为 副 枪 测 定 后 的 温 升 吹 氧 量 Nm mi n i A B D为参数 Wc H 为炉料 总重量 t 质谱 仪 的 优 点 是 可 以连 续 预 测 钢 水 碳 含 量 和炉 气 成 分 因而 有 利 于 控 制 有 用 炉 气 的 回 收 和 废 气 的 排 放 而 且 其 使 用 不 受 炉 容 量 大 小 的 限 制 但 仅 采 用质谱仪 在控制 转炉吹炼温度上还 没有取得 大的突 破 是 其 重 要 缺 陷 3 2终 点 的 经 验 操 作 控 制 我 国 为 数众 多 的 中 小 型 转 炉 因 资 金 与 技 术 方 面 的 限制 尚无 法 实 现 终 点 终 碳 的 自动 控 制 日常 生 产 属 经 验 型 操 作 控 制 所 谓 经 验 控 制 是 指 在 常规 吹炼 条件 下 借 助 一 些 常规 监 测 手 段 对 终 点 终 碳 进 行 人 工控 制 经 验 控 制 常 采 用 拉 碳 和 增 碳 两 种 操 作 方 法 常用 的辅 助手 段 为 测 温 定 碳 和 炉 前 取 样 快 速 分 析 3 2 1拉碳 所 谓 拉 碳 就 是 在 吹炼 时判 定 已达 终 点 而 停 止 吹 氧 由于 在 中 高 碳 钢 种 的 含 碳 范 围 内 脱 碳 速 度 较快 一次把终点判别不太容易 所 以采用高拉补吹 的 办法 国 内在采 用高 拉 补 吹 法 吹 炼 中 高 碳 钢 时 一 般 根据 吹炼 时 特征 参 考 供 氧 时 间 及 耗 氧 量 按 所 炼 钢 种碳 规 格 稍 高 一 些 来 拉 碳 取 样 分 析 或测 温定 碳 再 按 这 一 含 碳 量 碳 的 脱 碳 速 度 补 吹 一 定 时 间 以使其达到所要求的终点 国外 氧气 转炉 常用 采 高 拉碳 操 作 冶炼 高碳 钢 如 美 国普 韦 洛 厂 用 氧 气 转 炉 生 产 高 碳 钢 占全 部 产 量 的 6 1 均 采 用 高 拉 碳 法 的 工 艺 进 行 生 产 采 用 高 拉碳 法 生 产 高 碳 钢 是 因 为 所 用 铁 水 含 硫 量 在 0 0 2 0 0 3 含 磷 量 全 部 在0 0 4 8 0 0 8 0 之 间 用 这 样 的铁 水 炼 钢 成 品 中硫 和 磷 含 量几乎无须考虑 高拉碳 法 冶炼 高碳 钢 渣 中氧 化铁低 金属收得 率略 高 氧气 和脱 氧剂 消耗 略低 终 点钢 水 中气 体 含量 较 低 一 般 而 言 拉 碳 法 具 有 终 点 钢 水 氧 含 量 和 终 渣 F e O 较 低 终 点 钢 中含 锰 量 较 高 氧 气 消 耗 较 少 等 优 点 增 碳 法省 去倒 炉 取 样 及 随后 的 补 吹时 间 因 而生产率高 终渣 F e O 高 化渣好 出磷 率高 热收 入较多 有 利于增加废 钢用 量等特点 3 2 2增碳 增碳法就是终点 按低 碳 钢控 制 在 为数不 少 的 厂家和场合 甚至采取 一 吹到底 的操作方法 然后 在 出钢过程 中增碳 使 钢 水 中的含 碳量 达 到所炼钢 种的要求 范围之 内 在 增碳 法 中 要求 所用 增碳剂 具 有 很 高 的 纯度 很 低 的硫 以免 对 钢 水 造 成 沾 污 这种方法 在操 作 上易 于掌 握 但 在其 后 的增碳 过 程 中 着 重 把 握 两 个 环 节 一 是 增 碳 剂 的 质 量 二 是增碳剂 的收得 率 某些炼 钢能力大 于炼铁 场 合 下 为 了用有 限 的 维普资讯 1 4 ANHUI ME T A L LU RG Y 2 0 0 3年第 4期 铁 水 生 产 更 多 的钢 多 吃 废 钢 降 低 铁 耗 往 往 采 用 增 碳 法 终 点 控 制 欧 洲 大 多 数 钢 厂 都 把 终 点 含 碳 量 控 制 在 0 0 7 左 右 然 后 在 钢 包 内用 石 油 焦 增 碳 操 作 来 冶炼 中高 碳 钢 在 吹 炼 中 采 用 何 种 操 作 方 法 除 取 决 于 所 炼 钢 种 外 还 涉 及 到 吹 炼 习惯 现 场 监 测 条 件 操 作 水 平 和 原料 条 件 等 诸 多 因 素 选 取 合 宜 的 操 作 控 制 方 法 对 提 高 吹 炼 的 技 术 经 济 指 标 具 有 重 要 的 作 用 4 结 语 1 国 内外 在 转 炉 吹 炼 的终 点 终 碳 控 制 方 面 做 了大 量 的 有 意 义 且 有 效 的 工 作 国 外 的 终 点 控 制 也 由静 态 控 制 进 入 了 动 态 控 制 国 内 受 条 件 限制 大 多数 转 炉 当属 经 验 控 制 2 在 转 炉 吹 炼 终 点 控 制 中 应 根 据 具 体 条 件 和 情 况 采 取 合 宜 的操 作 方 法 以 取 得 较 为 理 想 的 吹 炼 效 果 3 已有 的各 类 终 点控 制 仪 器 及 技 术 受 条 件 限 制 难 以 在我 国 中 小 转 炉 吹 炼 中 应 用 期 望 能 开 发 结 构 简 捷 造 价 低 廉 性 能 稳 定 且 效 果 良好 的新 型终 点 在 线 监 测装 置 满 足 吹 炼 终 点 监 控 的需 求 2 3 4 参 考 文 献 S l a t o s k y W J En d Po i n t Te mp e r a t wr e C o n t r o l t h e Ba s i c Oxy ge n Fwr m a c e Tr ans M e t al 1 Soc AI M E 1 961 2 21 2 l 1 8 1 3 0 Ka t s wi a K I t a o k e J Co mp u t e r Co n t r o l o f t h e Ba s i c Ox y g e n Pr o c e s s J Me t 1 9 6 4 1 6 4 3 4 0 3 4 5 M e y e r H W Du l s e l o w D A Fi s h e r M M 1 9 6 4 1 6 6 5O1 5 07 Me y e r H W Gl a s g a w J A De v e