炼钢-精炼-连铸全过程温度预测软件开发.docx

李求实 等：平衡IO和CPU的XML关键词检索125 炼钢-精炼-连铸全过程温度预测软件开发韩传基1, 张爱霞1, 易操1,赵金元1HAN Chuanji1, ZHANG Aixia1, YI Cao1 ZHANG Jiyuan11.太极计算机股份有限公司制造业信息系统事业部,北京 100083 1. Manufacturing information Systems Dept.,Taiji Computer Corporation Limited Beijing 100083, ChinaAbstract：Through analyzing and summarizing the current research status of related issues about molten steel temperature of steelmaking refining continuous casting process , an software about on-line temperature prediction model was established, including the temperature from tapping to continuous casting.,and realized the whole process of molten steel temperature on-line forecast.Key words：Steelmaking-Refining-Concasting；Temperature；Prediction software；Development摘 要：本文对炼钢、精炼、连铸全过程钢水温度相关问题的研究现状进行了分析总结，编制了从出钢到连铸全过程钢水温度在线预报模型软件，实现了全过程钢水温度在线预报。关键词：炼钢-精炼-连铸；温度；预测软件；开发 1 引言随着钢铁工业技术的不断发展，冶金过程技术的日趋成熟，进一步提高生产水平，降低成本，增强竞争力，必然对炼钢精炼连铸生产过程中的钢水温度控制水平提出了更苛刻的要求，将其控制在较窄的范围内，降低出钢温度。钢水温度的高低直接影响到钢的质量、钢包寿命、精炼物料用量等一系列问题，钢水出钢温度过高，所带来的是耐火材料的消耗增加、能耗增加、钢水质量恶化以及综合成本的增加；反之，若温度太低，容易引起中间包水口阻塞，迫使断浇。也易使结晶器内钢液面处形成冷壳，恶化钢水表面质量。因此，加强对钢水温度控制管理，减少不必要的损失是十分重要的。作为钢水调度管理的重要依据之一的钢水温度，目前，很多钢厂基本上凭的是经验。钢水从转炉到回转台的运输过程中，温度变化受到诸如转炉出钢温度、预处理情况、钢包实际受钢量、钢水运输和停留时间以及钢包包衬自身条件等多种因素的影响，仅靠经验估计难于确定出钢水到达回转台时的准确温度，特别是经过吹 Ar 站，LF 等各种精炼处理后，钢水的温度波动较大，这使得后续的回转台浇注过程初始温度的确定产生了盲目性，不利于连铸生产，为此开发一套全过程钢水温度在线预报软件是当务之急。2 钢水温度相关问题研究钢水温度对炼钢生产的重要性是毋庸置疑的，冶金工作者在这方面做了大量的研究工作：2.1钢包预热状态对钢液温度的影响123 10 钢包预热是为了减少钢包盛钢时因包衬吸热而造成的钢液热损失，因此，连铸生产过程中都要对新包、半冷钢包进行充分预热，然后才能投入使用，快速周转的钢包倒空时不需要预热，尽管热面温度为750左右，钢包耐火材料储存了浇注结束时的大部分热能，处于饱和状态，下一炉钢水，包衬吸收的热量较少，因此对钢液温降不会带来太大影响，有关这方面的研究很多，C.E.Tomazin10研究了三种不同预热状况的钢包，对三种钢包耐材温度和盛钢时钢液温度的变化进行了对比，见表1和图1，由图可知：钢包A与钢包B预热后的冷热表1 三种不同预热状态的钢包钢 包 情 况A空放60分钟，预热30分钟B空放120分钟，预热60分钟C空放300分钟，预热240分钟面温度几乎相同，但由于其内部蓄热量不同，浇铸结束时钢包B内钢液温度比钢包A多下降了9.4，钢包C尽管热面温度最高，但由于冷(a) 钢包耐材温度的对比 (b) 盛钢时钢液温度对比 图1 三种不同预热状态的钢包对比面温度底，包衬整体蓄热量少，因而造成的钢液温降比钢包A大11.7。由此结果进一步说明了，钢包预热状态不仅仅是从钢包内衬表面温度来判断，还应考虑包衬蓄热量的影响。蔡俊通过对钢包实时跟踪获取影响钢包热状态的变量条件，准确计算出钢包热状态等级，然后根据待用钢包的热状态进行钢水温度在线补偿，如表2所示。表2 系统应用前后转炉出钢温度对比2.2 精炼过程钢水温度控制研究4 56 14 在炼钢生产过程中，从炼钢精炼连铸整个过程钢水是个降温过程，钢水温度控制的理想状态应是到连铸平台钢水正好适合浇铸，即可以保证连铸生产过程顺利进行，又可以确保铸坯质量，精炼是一个非常重要的环节，人们对精炼过程钢水温度的控制做了很多研究。文献14基于RH-MFB精炼过程的内在原理，研究分析了其传热行为和钢水温图2 RH-MFB精炼过程钢水温度预测度的变化规律，建立了钢水温度预报模型，编制了计算机软件对实际过程模拟仿真，仿真结果与实际误差均在10以内。按目标温度要求，对钢水温度进行补偿措施，实现了钢水的温度控制，如图2。2.3钢包加盖和加速周转7 8 9 13钢包加盖可减少钢水的热损失。在浇注与空包闲置时，高温包衬内表面裸露，势必向环境散热，使包衬的蓄热量急剧减少，而当下炉出钢时，钢水又不得不补偿这种蓄热损失，从热含量角度来说，加盖时钢包的蓄热损失比不加盖时的减少量相当于出钢温度降低了17.8，因此，加盖能够显著降低包衬的蓄热损失，从而降低出钢温度。另外刘佩勤等对太钢70吨钢包进行分析研究得出：加速钢包周转，将空包闲置时间由100分钟缩短为60分钟，包衬蓄热损失的减少相当于出钢温度降低11.9。2.4 中间包钢水温度研究11 12 15中间包是储存、分配钢液的最后一个耐火材料容器,作为冶炼与连铸的中间环节,中间包在钢的生产过程中起着承上启下的作用，同时中间包调整钢液温度的作用越来越被人们所重视。文献15主要目的是通过了解中间包热状态,确定影响中间包内钢水温度的因素，应用传热学基础理论和回归方法预测不同浇注时间中间包内钢水的温度。研究表明,中间包热损失主要是因为包衬蓄热和上表面辐射。中间包内钢水温度在浇注开始时,温度持续上升；在浇注20分钟左右,钢水温度达到最大值,并随之降低。采取相应措施，将钢液温度控制在较窄的波动范围内,提高了连铸坯质量。2.5 连铸过程铸坯温度的研究 16 17铸坯表面温度是连铸生产中的又一个重要参数, 是优化拉坯速度、确定二次冷却强度、判断液相穴深度等的主要依据之一，同时铸坯温度与铸坯质量密切相关，尤其是生产裂纹敏感性强的微合金图3 铸坯温度曲线钢。冶金工作者通过建立连铸坯二维凝固传热数学模型，编制相应的软件，实时计算并控制各区冷却水流量，实现了对铸坯温度的在线控制，如图3。3 炼钢-精炼-连铸过程温度预测软件的开发以上研究就生产全过程某个局部工序做了详细的研究，需要全面了解炼钢精炼连铸过程钢包钢水循环状态，分析研究连铸用钢水从转炉出钢到连铸全过程的传热机理，建立从出钢到连铸全过程钢水温度在线预报模型，找出钢水的温降规律，制定出钢包和中间包内合理的钢水目标温度，并实现生产优化管理，太极计算机股份有限公司制造业信息系统事业部基于这一理念，开发了全过程温度管理系统，通过研究分析影响温度变化相关因素与各生产环节温度变化间的关系，建立多个数学模型，实现各生产环节钢水温度在线预报，并收集实测数据进行比对，以达到监测生产过程温度变化、指导调整工艺的目的。3.1 数学模型的建立3.1.1钢包传热：钢水从出钢至浇铸结束，都盛装在钢包内，钢包的热特性直接影响钢水温度，本研究以钢包为研究对象，建立了相关数学模型：式中： 3.1.2连铸过程铸坯温度计算模型假想从结晶器的钢水弯月面处沿铸坯中心取一高度为dz，厚度为dx,宽度为dy的微元体，与铸坯一起向下运动，微元体热平衡为：微元体的热量=接收热量支出热量式中： 、c ：钢的导热系数、比热，单位：w/（mk）、KJ/（Kg）；：钢的密度，单位：(kg/m3)；3.1.3合金成分微调模型某种合金加入的元素量=规格的元素量炉内的元素量：式中：gj：某种合金的加入量，单位为kg；G：炉中钢液的质量，单位为kg；j：第j种元素的目标含量，单位为%；j：钢液中第j 种元素的分析含量，单位为%；Cj：为合金中第j种元素的含量，单位为%； fj：为第j种元素的收得率，单位为%。3.2 软件系统结构软件系统包括三层，如图4：人机交互层：在线HMI用于主控室内本系统信息查看及人机数据交互；离线HMI用于其它位置本系统信息查看；工程师站主要用于工艺人员修改模型及工艺参数。模型应用层：主要为各个温度模型，各模型独立运行。数据采集层：完成数据的采集和存储。 图4 软件系统结构3. 程序界面程序部分界面如图5，图6，图7、图8。图5 转炉出钢钢包钢水温度曲线图6 各种合金、渣料等对钢水温度影响实时分析 图7 精炼过程钢包钢水温度曲线图8 连铸过程铸坯凝固曲线4 结束语（1）全过程钢水温度预测软件，在线实时预报各环节钢水/铸坯表面温度，对生产进行指导。（2）全过程钢水温度预测软件，根据生产现场情况，提供不同钢种出钢钢水温度，避免高温出钢，尤其是开发新钢种。（3）全过程钢水温度预测软件，对钢包进行全过程跟踪，针对各种钢包情况提供相应的出钢钢水温度补偿 。（4）全过程钢水温度预测软件，分析显示各环节影响钢水/铸坯表面温度变化的因素及具体影响参数，对生产各环节进行能耗优化管理，降低成本，提高质量。（5）全过程钢水温度预测软件，基于冶金物化反应机理和冶金工艺专家的经验，计算加入钢水中的各种辅料和合金料,使得在满足钢种成分和物料要求的前提下,加入的辅料和合金料的成本最低。参考文献 1 蔡俊等，基于钢包跟踪的钢水温度在线补偿系统，冶金自动化，2013年第5期，P38-41。2 韩传基等，钢包中钢液温度的影响因素分析，2004年冶金研究，P211-215 。3 Joseph W.Hinka, T.W.Miller, Temperature Loss in Liquid-Steel-Refractory System,Iron and Steel Engineering, August 1970,P1231334 Sanjib Chakraborty, Yogeshwar Sahai,Effect of Slag Cover on Heat Loss and Liquid Steel Flow in Ladels before and during Teeming to a Continuous Casting Tundish,Metall. Transactions, 1992, Vol.23B,P135150.5 Y S Koo, T Kang, I R Lee, Y K Shin, etal, Thermal Cycle Model of Ladle for Steel Temperature Control in Melt and Its Application, 1989 Steelmaking Conference Proceedings, 1989: P415420 .6 M.A.Omotani, L.J.Heaslip,A.Mclean,Ladle Temperature Control During Continuous Casting,I&SM, 1983, 10: P2935. 7 S.J.Ritza, H.J.Thibodeau,Recent Steel Ladle Practices at Algomas No.2 Steelmaking Shop. Iron and Steelmaker, 1987, P3337.8 I.D.Prendergast,Practical Aspects of Refractory Selection and Performance in Steel Ladel_part2,Iron and Steelmaker, 1988, P1822.9 李顶宜,王志道，钢罐不同罐衬结构热工特性研究，冶金能源，1990年第一期P574010 C.E.Tomazin,E.A.Upton and R.A.Wallis,The effect of ladle refractiries and practices on steel temperature control,I&SM,June 1986,P28-3411 J.Szekely, J.W.Evans,Radioactive Heat Loss from the Surface of Molten Steel held in Ladle,Transactions of The Metallurgical Society of AIME, 1969, Vol245:P1149115912 J.W.Hlinka, A.W.Cramb, D.H.Bright,A Model for Predicting the Thermal History of A Ladle of Steel. Steelmaking Conference, 1985, Vol68:P3547.13 刘佩勤等，