钢包行为及钢水温度优化控制

1、洁净钢生产工艺技术洁净钢生产工艺技术长长 治治2011.082011.08 -钢包行为及钢水温度控制钢包行为及钢水温度控制问题的提出问题的提出v 高炉高炉-转炉之间转炉之间-铁水包或者鱼雷罐车铁水包或者鱼雷罐车v 转炉和连铸之间转炉和连铸之间-钢包钢包v 连铸和轧钢机之间连铸和轧钢机之间-铸坯铸坯问题的提出问题的提出LD2LD1LD3RH1RH2CAS1CAS2B1B2B3CC2CC1问题的提出问题的提出内容内容v 钢包在钢铁制造流程中的作用钢包在钢铁制造流程中的作用v 钢包热状态研究钢包热状态研究v 钢包周转与钢厂物流调控钢包周转与钢厂物流调控v 钢包行为研究与应用的典型实例钢包行为研究与应

2、用的典型实例钢包在钢铁制造流程中的作用钢包在钢铁制造流程中的作用v 钢水容器钢水容器 （强度，耐材，保温性，容量，工艺适应（强度，耐材，保温性，容量，工艺适应性）性）v 冶金反应器冶金反应器 （合理结构，适应性）（合理结构，适应性）v 物流载体物流载体 （合理周转时间）（合理周转时间）钢包热状态研究钢包热状态研究v 实测研究实测研究v 数值模拟数值模拟v 传热反问题研究及其应用传热反问题研究及其应用钢包热状态研究钢包热状态研究钢包热状态研究钢包热状态研究钢包热状态研究钢包热状态研究钢包热状态研究钢包热状态研究l钢包烘烤预热阶段 （01）l出钢等待阶段 （ 12）l出钢装钢阶段 （23）l静置转

3、运阶段 （34）l精炼阶段 （45）l连铸/模铸浇注阶段 （56）数值模拟（钢包烘烤预热阶段） q盖 A盖 Tf 盖环 烘烤烧嘴 包 盖 钢包包体 烘烤火焰 q外壁 A外壁 Tf 壁环 q底 A底 Tf 底环 数值模拟（钢包烘烤预热阶段）能量平衡方程为： Q燃q气iFi 式中，Q燃： 燃料燃烧供热量 （J/小时） q气i: 燃烧产物向包盖、包壁和包底的热通量（J/m2h） i=V: 表示包底； i=T: 表示包盖； i=B: 表示包壁； Fi: 包底、盖、壁面积（m2)。数值模拟（钢包烘烤预热阶段）高温烟气对钢包壁、包底和包盖的耐火材料层的传热、应考虑气体辐射和对流传热，这样，热流q气-i为：

4、 qi=FiT气4-Ti4+气i( T气-Ti ) 式中，： 辐射常数， 5.6710-8 w/m2K i： 钢包内表面黑度 Fi： 传热面积 , m2 A： 钢包内表面吸收率 气：燃烧气体黑度，T气 Ti时，气 Ai 气i：燃烧气体与钢包表面的对流传热系数，w/m2K Ti： 包内表面温度（K） T气：燃烧烟气温度（K）欲求包壁的温度分布，需求解热传导方程。包侧壁看作无限长园筒，只有径向热流，包底和包盖看作无限大平板，只存在轴向热流。数值模拟（钢包烘烤预热阶段） 包壁的热传导方程为： r壁内 r r壁外，0 0,r=R外，q壁外外壁环（T壁外T环） i, T(r1, i)=Yi 求： r=R

5、内，q壁内T rrrRi( ,)内钢包传热问题的反问题研究 其中， T ：包壁耐材内部温度 ； ：耐材密度； Cp ： 耐材热容； ： 耐材导热系数； T(r,0): 时刻0时的包壁耐材内部温度； T0： 初始包壁温度； R外： 钢包外壳内径； R内：钢包耐材内径； 外壁环：钢包外壁与环境的对流换热系数； T壁外：钢包包壳外壁温度； T环： 外壁处环境温度； T(ri,i)： 钢包包壁内r=ri处在i时刻的温度； Yi： T(r1,Ti)的实测值。 通过求解上述模型即可得出与Yi对应的q()值。传热反问题研究中的测温，因测量有误差，热扩散过程具有阻尼效应和滞后效应，会影响内表面热流密度的误差确

6、定，为此测温点设置在内表面一定距离处，即r1既不能太大，也不能太小，太大会加大误差，太小又会损坏测温头。为获得更多的表面热流随时间的变化信息，还要考虑时间步长的取值，以保证解的稳定性和正确反映表面热流变化。钢包传热问题的反问题研究传热反问题的求解 传热问题的求解包含时间推进和空间推进。已知内、外边界热流时，正问题的离散方程通式为： ATBTCTDiiiiiii11 (5.38)式中， AfxxxaCfxxxEaBACCfxxS fxxDaTS fxxTTTTTTiwwwwwieeeEiiipppppippcpiwipie;0011钢包传热问题的反问题研究展开为； BCABCABCABTTTTD

7、g qDDDg qNNmmmNmmNNNm111231112322203330000(5.39) 若反问题已知 T3M 、 qNM, (5.39)式改为： 011120030300001211223333BCABACABTTqTDDC TDB TDg qNNMMMNMMMNNNM(5.40) 开 始 炼钢厂生产状况 钢种液相线温度 炼钢连铸时间 中间包规定的 调控模型 过热度 中间包目标温度 钢包热状态 传运过程温降 炉外精炼后 钢包传热正问题 目标温度 模型 精炼过程温降 传热边界条件 炉外精炼前 目标温度 钢包传热反问题 传运过程温降 出钢后包内钢水 目标温度 出钢过程温降 吹炼终点钢水温

8、度 结 束 钢包热状态在线测定钢包传热反问题应用钢包热状态研究钢包热状态研究钢包周转与钢厂物流调控钢包周转与钢厂物流调控v 钢包在钢铁制造流程中的作用钢包在钢铁制造流程中的作用v 钢包热状态研究钢包热状态研究v 钢包周转与钢厂物流调控钢包周转与钢厂物流调控v 钢包研究与应用的典型实例钢包研究与应用的典型实例钢包周转与钢厂物流调控钢包周转与钢厂物流调控v 钢包的新含义钢铁制造流程的物流载钢包的新含义钢铁制造流程的物流载体体v 钢包周转与钢厂时间调控钢包周转与钢厂时间调控v 钢包周转与钢水温度调控钢包周转与钢水温度调控v 循环钢包个数的确定及其意义循环钢包个数的确定及其意义钢包周转与钢厂物流调控钢

9、包周转与钢厂物流调控钢包周转与钢厂物流调控钢包周转与钢厂物流调控 钢水液相线温度 中间包钢水温度过热度 中间包钢水目标温度 钢包状态影响 钢包内钢水温度与中间包内钢水平均温度差 钢包状态影响 离开精炼站的钢水目标温度 钢包状态影响 钢水传搁和钢水处理过程温降 钢包状态影响 到达精炼站的钢水目标温度 钢包状态影响 出钢过程钢水温降钢包周转与钢厂物流调控钢包周转与钢厂物流调控温T10度 高温出钢 优化钢包和中间包周转后的出钢策略 T20 低温出钢 T30 T2 T1 T3 中间包钢水目标温度 加热 冷却 加热 转炉 出钢 精炼 精炼 连铸 连铸 终点 终点 开始 结束 开始 结束钢包周转与钢厂物流

10、调控钢包周转与钢厂物流调控 ladleN=860 ladlerefLDTN1、时间计算法 ladleN=LDrefladlerefTT2、周期匹配计算法钢包周转与钢厂物流调控钢包周转与钢厂物流调控 班浇铸 炉数 周转 周转 周期(min) 个数2526272829303132149.710.01509.710.0159.09.49.710.010.31609.39.710.010.310.7169.610.010.310.711.01709.91

11、0.310.611.011.31710.210.610.911.311.71809.49.810.110.510.911.311.612.01859.610.010.410.811.211.611.912.31909.910.310.711.111.511.912.312.719510.210.611.011.411.812.212.613.020010.410.811.311.712.112.512.913.320510.711.111.512.012.412.813.213.721010.911.411.812.312.713.113.614.0钢包周转个数、班浇铸炉数

12、和钢包周转周期关系表钢包行为研究与应用的典型实例钢包行为研究与应用的典型实例v British Steel v 钢包智能管理系统钢包智能管理系统钢包行为研究与应用的典型实例钢包行为研究与应用的典型实例v British Steel vOnline Ladle Thermal Tracking ModelvOnline Steel Temperature Flight-Path Model 炼 钢 炉 在 线Ar 倒 包 吹Ar 钢 包 炉 RH脱 气 钢包行为研究与应用的典型实例钢包行为研究与应用的典型实例v British Steel vOnline Ladle Thermal Tracki

13、ng ModelvOnline Steel Temperature Flight-Path Model钢包智能管理系统钢包智能管理系统v 钢包是盛纳、运输钢水并进行相应二次冶金的容器，与钢包是盛纳、运输钢水并进行相应二次冶金的容器，与钢水过程温度的控制和管理有着密切的关系；钢水过程温度的控制和管理有着密切的关系；v 钢包缺乏有效的定位和称量装置，导致钢包调度混乱和钢包缺乏有效的定位和称量装置，导致钢包调度混乱和物料计算不准；物料计算不准；v 钢包热状态过程难以与钢包周转过程进行实际结合，未钢包热状态过程难以与钢包周转过程进行实际结合，未能形成真正实际应用的钢水温度预定系统和钢包寿命预测能形成真

14、正实际应用的钢水温度预定系统和钢包寿命预测系统；系统；v 钢包的优化调度对于节能降耗、提高产能具有重要意义。钢包的优化调度对于节能降耗、提高产能具有重要意义。钢包智能管理系统钢包智能管理系统钢包智能管理系统钢包智能管理系统v 美国的惠林美国的惠林-匹兹堡公司俄亥俄钢厂的计算机钢包跟踪系匹兹堡公司俄亥俄钢厂的计算机钢包跟踪系统统 钢包号是在转炉操作台手工录入的，其他数据根据炉次钢包号是在转炉操作台手工录入的，其他数据根据炉次号进行自动跟踪采集。基于钢包跟踪获得的历史数据，分号进行自动跟踪采集。基于钢包跟踪获得的历史数据，分析了各个操作变量对耐火材料性能的影响，包括：转炉出析了各个操作变量对耐火材

15、料性能的影响，包括：转炉出钢温度、钢包温度、钢水接触时间、钢包加热次数、钢包钢温度、钢包温度、钢水接触时间、钢包加热次数、钢包脱硫次数和吹氩搅拌时间。其中，对钢包使用寿命影响最脱硫次数和吹氩搅拌时间。其中，对钢包使用寿命影响最大的变量是平均吹氩搅拌时间和钢包脱硫次数。最后，基大的变量是平均吹氩搅拌时间和钢包脱硫次数。最后，基于这些分析结果开发了简单的钢包寿命预报系统于这些分析结果开发了简单的钢包寿命预报系统 。 v 缺点是：没有实现钢包的定位和有效跟踪。缺点是：没有实现钢包的定位和有效跟踪。钢包智能管理系统钢包智能管理系统v福建三钢闽光股份公司的天车钢水自动计量系统福建三钢闽光股份公司的天车钢

16、水自动计量系统 系统硬件的实现方法是根据对天车监控精度的要求，沿系统硬件的实现方法是根据对天车监控精度的要求，沿天车轨道按照一定间隔（天车轨道按照一定间隔（1米或米或2米）埋设了电子标签；同米）埋设了电子标签；同时在转炉和连铸机等关键点埋设了三块电子标签，保证有时在转炉和连铸机等关键点埋设了三块电子标签，保证有足够定位范围，在天车上对应的位置安装车载读写器，所足够定位范围，在天车上对应的位置安装车载读写器，所有埋设的电子标签都存储有互补重复的地址编码，当天车有埋设的电子标签都存储有互补重复的地址编码，当天车途径或到达所埋设的电子标签位置时，车载读写器读出该途径或到达所埋设的电子标签位置时，车载

17、读写器读出该标签的地址编码，并传送给数据采集发射器，与智能称量标签的地址编码，并传送给数据采集发射器，与智能称量显示器的重量数据一同打包传送给地面站。显示器的重量数据一同打包传送给地面站。 钢包智能管理系统钢包智能管理系统v 福建三钢闽光股份公司的天车钢水自动计量系统福建三钢闽光股份公司的天车钢水自动计量系统 缺点是：算法上比较复杂；定位精度不高；设备容易遭受缺点是：算法上比较复杂；定位精度不高；设备容易遭受电磁干扰。电磁干扰。钢包智能管理系统钢包智能管理系统v 宝钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机调度系统宝钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机调度系统 宝钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机系统从生产计划触宝

18、钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机系统从生产计划触发，并和工艺路径紧密结合，不但实现了钢水、钢包等重发，并和工艺路径紧密结合，不但实现了钢水、钢包等重要物资的跟踪和管理，还在某种程度上掌握着生产情况和要物资的跟踪和管理，还在某种程度上掌握着生产情况和物流动态。该系统连接了整个炼钢生产的各个工序，对整物流动态。该系统连接了整个炼钢生产的各个工序，对整个生产过程都起到了不可替代的作用个生产过程都起到了不可替代的作用 。 钢包智能管理系统钢包智能管理系统v 宝钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机调度系统宝钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机调度系统 钢包智能管理系统钢包智能管理系统 建立钢包周转过程的实时跟踪子系统

19、，并根据钢建立钢包周转过程的实时跟踪子系统，并根据钢包的重量和位置信息构建精确的物料跟踪子系统，包的重量和位置信息构建精确的物料跟踪子系统，为单体工序的成本核算和配置计算提供精确的数据为单体工序的成本核算和配置计算提供精确的数据基础。基础。 更为重要的是，通过对钢包周转过程的热状态分更为重要的是，通过对钢包周转过程的热状态分析，建立析，建立钢包炉衬寿命预测模型钢包炉衬寿命预测模型、钢水温度精确预钢水温度精确预定模型定模型和和钢包选配工艺规则模型钢包选配工艺规则模型，实现，实现。这种优化控制会带来巨大的经济效益。这种优化控制会带来巨大的经济效益。钢包智能管理系统钢包智能管理系统v 系统结构系统结

20、构LIMS的系统结构建立行车和台车定位、称量硬件系统，实时采建立行车和台车定位、称量硬件系统，实时采集钢包位置和重量等数据信息，实现对钢包周集钢包位置和重量等数据信息，实现对钢包周转过程的跟踪，进而实现钢包的热状态管理；转过程的跟踪，进而实现钢包的热状态管理；开发钢包周转过程的钢包炉衬寿命预测模型，开发钢包周转过程的钢包炉衬寿命预测模型，结合行车和台车的定位称量系统，实时预测钢结合行车和台车的定位称量系统，实时预测钢包炉衬的使用情况；包炉衬的使用情况； 钢包智能管理系统钢包智能管理系统开发钢包周转过程的钢水温度精确预定模型，开发钢包周转过程的钢水温度精确预定模型，结合行车和台车的定位称量系统，

21、实时指导出结合行车和台车的定位称量系统，实时指导出钢温度的终点控制；钢温度的终点控制；开发钢包周转过程的钢包选配工艺规则模型，开发钢包周转过程的钢包选配工艺规则模型，结合行车和台车的定位称量系统，实时指导钢结合行车和台车的定位称量系统，实时指导钢包调度的优化控制；包调度的优化控制； LIMS的系统结构钢包智能管理系统钢包智能管理系统开发钢包智能管理系统，包括钢包跟踪子系开发钢包智能管理系统，包括钢包跟踪子系统、钢包热转态子系统、钢包炉衬精确预测统、钢包热转态子系统、钢包炉衬精确预测子系统、钢包选配工艺规则子系统、钢水温子系统、钢包选配工艺规则子系统、钢水温度精确预定子系统和钢包调度优化控制子系

22、度精确预定子系统和钢包调度优化控制子系统，实现在线运行。统，实现在线运行。 LIMS的系统结构钢包智能管理系统钢包智能管理系统行车和台车的定位、称量技术；行车和台车的定位、称量技术；钢包炉衬寿命预测模型；钢包炉衬寿命预测模型；钢水温度精确预定模型；钢水温度精确预定模型；钢包选配工艺规则模型；钢包选配工艺规则模型；钢包智能管理软件系统的开发；该技术是以钢包智能管理软件系统的开发；该技术是以上所有技术的软件整合。上所有技术的软件整合。 LIMS的关键技术钢包智能管理系统钢包智能管理系统LIMS的关键技术的关键技术行车和台车的定位、称量技术；行车和台车的定位、称量技术； 该系统包括：该系统包括： （

23、1 1）台车定位系统）台车定位系统 （2 2）称重系统）称重系统 （3 3）行车定位系统）行车定位系统 LIMS的关键技术的关键技术行车和台车的定位、称量技术；行车和台车的定位、称量技术； 台车定位系统：台车定位系统： 每台台车配置一台激光定位设备。位置每台台车配置一台激光定位设备。位置信号可以提供给台车控制信号可以提供给台车控制PLCPLC和行车定位和行车定位系统。系统。 LIMS的关键技术行车和台车的定位、称量技术；行车和台车的定位、称量技术； 称重系统：称重系统： 每台行车配置一套称重系统。称重信号每台行车配置一套称重系统。称重信号实时传送到行车定位系统。定位系统根实时传送到行车定位系统

24、。定位系统根据作业指令的要求，及时地把相关重量据作业指令的要求，及时地把相关重量信息发送到钢包智能管理系统。信息发送到钢包智能管理系统。 LIMS的关键技术行车和台车的定位、称量技术；行车和台车的定位、称量技术； 行车定位系统：行车定位系统： 行车定位系统可分为：三维定位系统、行车定位系统可分为：三维定位系统、无线数据传输系统和终端控制系统等三无线数据传输系统和终端控制系统等三个部分。个部分。 LIMS的关键技术LIMS的关键技术u三维定位系统：三维定位是指大车位置、小车位三维定位系统：三维定位是指大车位置、小车位置和吊钩吊钩高度。大车、小车定位采用激光定置和吊钩吊钩高度。大车、小车定位采用激

25、光定位设备；吊钩高度采用编码器。位设备；吊钩高度采用编码器。u无线数据传输系统包括：无线地面站、网络设备、无线数据传输系统包括：无线地面站、网络设备、以及安装在行车控制终端上的无线网卡及天线等。以及安装在行车控制终端上的无线网卡及天线等。u终端控制系统包括接口处理控制箱和操作终端等。终端控制系统包括接口处理控制箱和操作终端等。接口处理控制箱采集并处理定位、称重信号；完接口处理控制箱采集并处理定位、称重信号；完成库图、工位转换；接受智能钢包管理系统发送成库图、工位转换；接受智能钢包管理系统发送的作业指令；作业指令完成后发送作业实绩；实的作业指令；作业指令完成后发送作业实绩；实现与系统的连锁等。操

26、作终端向行车司机提供人现与系统的连锁等。操作终端向行车司机提供人机界面。机界面。 LIMS的关键技术钢水温度精确预定模型；钢水温度精确预定模型； (1) (1) 确定影响钢水温降的关键因素：确定影响钢水温降的关键因素： 重点考虑：钢水温度、钢包实际受钢量、重点考虑：钢水温度、钢包实际受钢量、钢包空包时间、钢包运输时间、包底冷钢钢包空包时间、钢包运输时间、包底冷钢残渣量、各过程合金加入量、精炼处理时残渣量、各过程合金加入量、精炼处理时间、等待时间、精炼过程辅料加入量、各间、等待时间、精炼过程辅料加入量、各过程运输时间和钢水浸泡时间。过程运输时间和钢水浸泡时间。 LIMS的关键技术钢水温度精确预定

27、模型；钢水温度精确预定模型； (2) (2) 建立钢水温降的分阶段数学模型：建立钢水温降的分阶段数学模型： 重点考虑：重点考虑： 转炉出钢过程钢水温降数学模型，转炉出钢过程钢水温降数学模型， 出钢完至精炼运输等待过程钢水温降数学模型，出钢完至精炼运输等待过程钢水温降数学模型， 炉外精炼过程钢水温降数学模型，炉外精炼过程钢水温降数学模型， 精炼结束至回转台运输等待过程钢水温降数学模型。精炼结束至回转台运输等待过程钢水温降数学模型。 LIMS的关键技术钢水温度精确预定模型；钢水温度精确预定模型； 对于对于转炉出钢过程钢水温降数学模型转炉出钢过程钢水温降数学模型，主，主要考虑的因素包括：转炉出钢钢水

28、温度、要考虑的因素包括：转炉出钢钢水温度、出钢时间、出钢量、钢包浇注结束至出钢出钢时间、出钢量、钢包浇注结束至出钢前周转时间、合金加入量、转炉出钢前钢前周转时间、合金加入量、转炉出钢前钢水炉内等待时间。水炉内等待时间。 432105600. 039711. 022973. 027373. 075676. 3517. 019.699xxxxtTTLIMS的关键技术钢水温度精确预定模型；钢水温度精确预定模型； 对于对于出钢结束至精炼站运输等待过程钢出钢结束至精炼站运输等待过程钢水温降数学模型水温降数学模型，主要考虑的因素包括：，主要考虑的因素包括：出钢结束时钢包钢水温度、钢包运输时间、出钢结束时钢包钢水温度、钢包运输时间、钢包内钢水量、钢包周转时间和渣层厚度。钢包内钢水量、钢包周转时间和渣层厚度。43210034. 084358. 000407. 001955. 082330. 024