转炉炼钢终点静态控制预测模型 2炼钢厂技术工艺

2.1氧气顶吹转炉炼钢工艺知识[1]

2.1.1转炉炼钢的主要原料

如表2-1所示：

1）铁水

铁水是转炉炼钢的主要原料，一般占入炉量的70%~100%。铁水的物理热和化学热是转炉炼钢的基本热源。铁水物理热约占转炉热量收入的40%;我国规定的入炉铁水温度必须＞1525Ｋ（1250℃）。

表2-1 转炉炼钢的主要原料

铁水的技术要求如表2-2所示。

表2-2 对铁水的物理要求

2）废钢：废钢是氧气转炉金属料之一，通常占金属料的10～15%。它还是冷却效果比较稳定的冷却剂。

3）铁合金主要用作脱氧剂和合金添加剂。

在炼钢生产中，常用的铁合金有硅铁合金FeSi75Al1.5-B、硅锰合金FeMn65Si17(ⅢP)、硅铝钡FeAl12Ba15Si40等。

4）脱氧剂：硅钙碳、碳化硅、硅铝钡FeAl12Ba15Si40

5）石灰

石灰的质量要求如表2-3所示：

表2-3 石灰技术标准

其中少于50mm的粉末不得超过10%

6）萤石

CaF2≥85%; SiO2≤14%;粒度5-50mm

7）白云石

生白云石的主要成分CaCO3，MgCO3。用生白云石造渣目的是保持一定的MgO含量，以减少对炉衬的侵蚀。目前用作溅渣护炉的稠渣剂，要求 MgO>20%。

8）氧气

通常要求O2>98%,冶炼含氮低的钢时O2>99.5%

氧气的压力：30吨转炉要求0.8~1.2Mpa；50吨转炉要求1~1.2Mpa。

9）矿石

在氧气转炉冶炼操作中，矿石可用来氧化钢液中的硅和磷，锰等元素，还原钢液中的碳。Fe≥55%；SiO2≤8%；粒度10-40mm。

2.1.2物料平衡和热平衡[36,37]

2.1.2.1物料平衡

理论型静态控制数学模型主要建立在物料平衡和热平衡的基础上，物料平衡是计算炼钢过程中加入炉内和参与炼钢过程的全部物料（包括铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料和被侵蚀的炉衬等）与炼钢过程的产物（包括钢水、熔渣、炉气和烟尘等）之间的平衡关系。

转炉吹炼物料平衡图2-1所示：

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2.1.2.2热平衡

1. 熔铁（铁水或钢水）的熔点

纯铁的熔点为1538℃。将任何溶质元素加入溶剂纯铁中，都会引起熔铁（铁水或钢水）熔点的下降。

熔铁（铁水或钢水）的凝固温度可用下式近似计算：

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（2-1）

式中wi为熔铁中元素含量（％）；Δti为１％的i元素使纯铁凝固温度的降低值；i为C、Si、Mn、P、S。

2）热平衡是计算炼钢过程的热量收入（包括铁水物理热、化学热）与热量支出（包括钢水、熔渣、炉气的物理热，冷却剂的熔化与分解热等）之间的平衡关系。

铁水的物理热是指铁水带入的热量，与铁水的温度有直接关系；铁水的化学热就是铁水中各成分氧化、成渣所放出的热量，他与铁水的化学成分有关。在转炉吹炼中，一般铁水温度为1250~1400℃,而出钢温度通常为1650℃

转炉吹炼热平衡图如图2-2所示：

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2.2 TT集团炼钢厂转炉主要技术参数及生产工艺流程

图2-3转炉结构示意图

天津TT冶金集团有限公司炼钢厂是集团公司的主体厂之一，投产于一九九四年八月五日，现有三座公称容量30吨氧气顶吹转炉，四台连铸机，两座600吨混铁炉，已经具备年产300万吨钢的能力[38]。

公称容量：30t，炉体全高：6700mm，炉壳外径：φ4200mm，H内/D内=6465/4120=1.57，有效工作容积：27.6m3，炉容比（V/T）：0.92，熔池深度：1000mm，炉口直径：1450mm，炉衬材质：镁碳质（砖）炉衬总重：110.526t。

TT集团炼钢厂炼钢工艺流程如图2-4所示。

图2-4 TT集团炼钢厂炼钢工艺流程图

2.3 TT集团炼钢厂冶炼制度

2.3.1 装入制度

装入制度是保证转炉有一定的熔池深度，确定合理的装入数量，合适的铁水废钢比例。目前国内外装入制度大体有三种方式：

定深装入、分阶段定量装入和定量装入。

TT集团炼钢厂采用分阶段定量装入制度，视铁水Si含量及石灰质量情况，要灵活调整铁水与废钢用量，但总装入量保持不变。总装入量与炉龄的关系如表2-4所示。

表2-4 总装入量与炉龄关系

炉龄≤10，回炉钢水大于12吨的炉次，不加废钢，但要保持总装入量不变。

凡入炉铁水废钢必须称量并做好记录，依据废钢的实际加入量调整兑铁量，保持总装入量误差在±1.0吨之内。

装入量是指转炉冶炼每炉次装入的铁水和废钢的总重量（吨）。确定装入量必须考虑以下因素。

1）合适的炉容比

炉容比是指转炉新砌砖后炉内自由空间的容积V与金属装入量之比，以V/T表示，量纲为m/t。目前，大多数顶吹转炉的炉容比选择在0.7~1.0之间。我国规范规定，V/T≥0.75

2）保证有一定的熔池深度

为了保证氧气射流不影响炉底寿命，要保证熔池有一定的深度。熔池深度H,必须大于氧气射流对熔池的最大深度，一般认为h/H≤0.7。

废钢装入量

在正常情况下，我国大多数转炉生产中铁水比一般波动在75~90%之间，废钢加入量平均为100~150Kg/t。从理论上讲。金属料中铁水与废钢的配比下限随铁水温度、铁水成分、炉容量、冶炼钢种和操作条件不同而不同。

正常冶炼废钢装入量为4~4.5吨,废钢入炉前必须称量,并通知炉前操作室。废钢装入量根椐炉况和铁水温度情况,适当予以调节。要求轻重废钢搭配使用。

装料次序：对于单渣操作，先兑铁水，后加废钢。铁水、废钢入炉必须有专人指挥，确认上一炉的残渣倒净后方可兑铁，兑铁要准，避免撒铁。兑铁水操作应先慢后快。

2.3.2供氧制度

供氧制度包括合理选择氧枪喷头结构，氧气流量和供氧强度的控制，氧气压力控制，氧枪高度的调节。

氧气压力的控制

目前在顶吹氧气转炉上使用的工作压力为0.6~1.2MPa。一般说来，转炉容量大，使用氧枪压力越高。我国一般都用分阶段恒压操作。随着炉龄的增大，供氧压力相应提高。

氧枪高度调节

目前氧枪操作有两种类型(1)恒压变枪操作(2)恒枪变压

1）枪位高低与炉内的反应

枪位低，氧气对熔池冲击动能大，熔池搅拌加强，结果加速了炉内脱硅、脱碳反应，使渣中(FeO)含量降低。由于脱碳速度快，使熔池温度上升迅速。但枪位过低，不利于化渣。枪位高，使氧气射流对熔池搅拌力减弱造成金属液面表面铁的氧化，使渣中(FeO)含量增加，有利于化渣。但枪位过高，可能导致炉渣严重泡沫化而引起喷溅。

枪位高度确定

确定原则：

1. 氧气射流要有一定的冲击面积
2. 氧气射流要有一定的冲击深度

确定公式:h=bPde

其中h为氧枪喷头端面距熔池面高度（mm），P为供氧压力（Mpa），de为喷头出口直径（mm），b为系数：三孔b=35~46；四孔b=45~60

实际控制枪位原则

降枪 提枪

1. 脱碳升温 1)提枪化渣
2. 防止FeO过高产生 2)防止反干现象
3. 铁水温度低 3)装入量过大
4. 出钢温度低 4)在第二批渣料加入后提枪化渣
5. 留渣操作

采用分阶段定压变枪操作制度，即根据装入量、炉龄，给压力调节阀或流量调节阀设定开度控制氧压或流量。

严禁使用<0.60 MPa 和>1.0MPa的工作氧压。

拉碳时间≥30s。

供氧强度控制在3.4~4.2 m3/t·min,纯吹时间控制在12-16 min，冶炼末期必须有≥30s的低枪位操作以均匀钢水成分、温度、降低炉渣氧化性。

2.3.3造渣制度

造渣制度是根据原材料和冶炼钢种的要求确定的造渣方法,渣料加入量和加入时间,并考虑保护炉衬,提高炉衬寿命。

通常情况下，渣料分两批或三批加入。第一批渣料在兑铁水前或开吹时加入，加入为总渣料的1/2～2/3，并将白云石全部加入炉内。第二批渣料加入时间是在第一批渣料化好后，铁水中硅锰氧化基本结束后，分小批加入，加入总量为总渣料的1/3～1/2。第三批渣料视炉内磷、硫去除情况而决定是否加入。无论加几批渣料，最后一小批必须在倒炉前3分钟加完，否则来不及化渣。

2.3.4温度制度

温度控制实际上就是确定冷却剂加入的种类、数量及时间。

要准确控制熔池温度，用废钢作为冷却剂效果最好，但为了促进化渣，提高脱磷效率，可以搭配一部分铁矿石或氧化铁皮。目前我国各厂采用定矿石调废钢或定废钢调矿石等两种冷却制度。不同的冷却剂其冷却效应是不同的，通过物料平衡和热平衡来确定冷却剂的加入数量。

TT集团炼钢厂采用定矿石调废钢冷却制度，规定冷却剂以废钢为主，矿石、烧结矿、返回渣为辅，应尽量多吃废钢，禁止终点用白灰降温。

2.3.5出钢及脱氧合金化

在出钢前或者在出钢及其以后的过程中，根据钢种要求选择合适的脱氧剂及其加入量，加入到钢水中使其达到合乎规定的脱氧程度，这个操作称作脱氧。

根据上述原则，在生产实际中，常用的脱氧剂为Al、Si、Mn及他们组合的Si Mn,Si Al合金等，其脱氧能力次序是Al>Si>Mn。

2.3.6 终点控制

2.3.6.1终点控制的概念

终点控制是指终点温度和成分的控制。

到达终点的标志是：

1）钢中的碳含量达到所炼钢种的控制范围。

2）钢中磷、硫含量低于规格下限以下一定的范围。

3）出钢温度能保证顺利进行精练、浇铸。

4）对于沸腾钢，钢水应有一定的氧化性。

出钢的时机主要是依据钢水的碳含量和温度，所以终点也称作“拉碳”。终点控制不准确，会带来一系列的危害。

TT集团炼钢厂规定

1）常炼钢种终点温度控制如下（即出钢温度）

炉龄在2~10炉，允许把终点温度提高10~20℃

2）常炼钢种终点成分按下表控制：

3）终渣要求

碱度：(CaO)/(SiO2)=2.8~3.5；(MgO)：≥8%；(∑FeO)：≤20%；

无块灰，泡沫化及流动性良好。

2.3.6.2转炉吹炼自动控制技术的应用与终点控制

传统的冶炼操作，以氧枪开始吹氧为界，吹氧前依据本炉铁水量、废钢量，由经验或静态模型进行配料计算，确定吹炼模式，获得本炉次总吹氧量和冷却剂用量；吹氧后冶炼过程案已经确定的吹炼模式进行，直到终点，整个吹炼过程基本固定，很少涉及炉况和过程信息，从而影响了模型的使用效果和适应能力。

随着科学技术（特别是检测技术）的发展，使得冶炼过程相关信息（如钢水温度、成分，炉气成分，成渣信息等）的连续测量成为可能。使模型具备了动态控制能力，为转炉的自动喷吹和最优化控制奠定了基础。新型的冶炼系统已经实现了数据的自动搜集与分析、配料的计算与控制、控制过程的动态修正、人机对话等功能。有的还通过对历史数据的采集、储存以及分析，并加入专家规则，使系统具备了自适应能力。

具体的来说，转炉吹炼控制过程分为三个主要阶段，如图2-5所示。不同的阶段可以使用不同的控制模型来实现。

第一阶段：吹炼前的准备，确定吹炼方案。

主要由静态控制或预报模型来完成。给出本炉次主料、辅料的用量；吹炼过程中的枪位调整以及低吹、合金化操作方案等。

第二阶段：吹炼过程控制。

根据采集的吹炼过程信息，对吹炼预案进行修正。

图2-5 转炉吹炼控制过程

如通过测量炉口处的噪音，判断炉内的化渣情况；通过连续测量废气量、废气温度及其成分，推断炉内脱碳速度及化渣情况；通过测量熔池中指定元素的放射光谱确定钢水地在线温度；通过副枪测温定碳和预订吹炼目标进行比较等。这主要由过程控制模型开完成。开发过程控制模型，实现转炉炼钢过程控制是世界各大钢铁企业正在努力的方向，它是实现转炉炼钢闭环控制的基础。

第三阶段：吹炼终点控制，由终点动态控制模型来实现。如根据副枪检测的信息，进行终点碳温预报，确定终点操作方案，具体的包括对补吹所需氧量的确定，对冷却剂加入量、低吹气体量以及合金化操作、枪位调整等进行修正。

静态控制模型、动态控制模型和过程控制模型之间既相互独立又相互关联。静态控制模型是基础，其控制精度将直接影响动态检测时刻的选择和系统总体的命中率。动态控制模型的提出，降低了对静态控制模型的要求，是对静态控制模型预报精度不足的一种补救。而过程控制模型又是对静态控制模型和动态控制模型功能的补充。这里需要指出的是，无论是静态控制模型、动态控制模型还是过程控制模型都是沿袭转炉炼钢过程控制的传统叫法。其中静态控制和动态控制分别对应副枪检测前后转炉的控制过程，严格意义上讲均属于静态过程控制。静态控制模型、动态控制模型均属于终点控制类模型。

总之，转炉炼钢控制包括两个方面：其一是终点控制，其二是过程控制。终点控制的目的是在吹炼终点使钢水达到要求的温度和成份，但目前尚达不到一次命中，所以还需要副枪检测，并依据检测的结果进行补吹；而过程控制的目的是控制造渣，造出具有较强脱出杂质能力、流动性好的碱性渣，以使冶炼过程平稳，减少溢渣和溅渣。

本研究课题主要针对第一阶段，建立终点控制和预报模型。氧气转炉炼钢自动控制系统中，采用计算机对冶炼过程控制的目标是使吹炼终止时的钢水成分和温度同时达到工艺要求的目标值。