寧知常，苗振魯，趙友虎，趙 亮

（山鋼股份濟(jì)南分公司 煉鋼廠，山東 濟(jì)南250101）

1 前 言

目前，國內(nèi)轉(zhuǎn)爐復(fù)吹技術(shù)仍處于普及和逐步提高階段，與國外先進(jìn)技術(shù)相比仍存在不小差距?，F(xiàn)轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)設(shè)定的總耗氧量一般不修正，裝入量、裝入制度變化或鐵水成分變化時(shí)，過程控制將發(fā)生較大變化，這就意味著切換時(shí)機(jī)的提前或滯后，從而影響底吹效果；同時(shí)在各個(gè)階段的流量值基本是一成不變的，不能根據(jù)實(shí)際需求機(jī)動(dòng)靈活地調(diào)整；原設(shè)計(jì)思路的底吹流量大小及切換時(shí)機(jī)，僅僅考慮到了鋼水對(duì)氮含量的要求，卻恰恰偏離了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐復(fù)吹冶金效果的真正意義，限制了轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹冶金功能的更好發(fā)揮。為此，本研究優(yōu)化轉(zhuǎn)爐底吹工藝專家系統(tǒng)，使底吹流量實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模型控制，避免了鋼水過氧化，提高了合金、金屬收得率和鋼水質(zhì)量。

2 工藝優(yōu)化實(shí)施內(nèi)容

2.1 存在的問題

過去轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)設(shè)定的總耗氧量一般不修正［1］，裝入量、裝入制度變化或鐵水成分變化時(shí)，過程控制（如脫碳速度、返干噴濺期等）將發(fā)生較大變化，這就意味著切換時(shí)機(jī)的提前或滯后，從而影響底吹效果；同時(shí)在各個(gè)階段的流量值基本是一成不變，不能根據(jù)實(shí)際需求機(jī)動(dòng)靈活地調(diào)整；最為關(guān)鍵的是，原設(shè)計(jì)思路的底吹流量大小及切換時(shí)機(jī)，僅僅考慮到了鋼水對(duì)氮含量的要求，根據(jù)鋼種對(duì)氮含量的要求簡單地區(qū)分了3種底吹模式，卻恰恰偏離了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐復(fù)吹冶金效果的真正意義，限制了頂?shù)讖?fù)吹冶金功能的更好發(fā)揮。

目前國內(nèi)轉(zhuǎn)爐復(fù)吹技術(shù)仍處于普及和逐步提高階段，與國外先進(jìn)技術(shù)相比仍存在不小差距，主要表現(xiàn)為：1）底部氣體流量小，攪拌力不足，大多數(shù)鋼廠的氣體流量為0.03 m3/（min·t）；2）底部氣體可調(diào)范圍小，不能按照冶煉過程需求進(jìn)行流量調(diào)節(jié)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，國外先進(jìn)鋼廠氣體調(diào)節(jié)比高達(dá)10左右，而國內(nèi)多數(shù)＜3；3）目前國內(nèi)尚未形成分鋼種的標(biāo)準(zhǔn)吹煉模式，吹煉模式單一、簡單。

轉(zhuǎn)爐增加底吹的真正作用是增加攪拌提高底吹效果，而判斷底吹效果的最容易量化的指標(biāo)就是碳氧積，而不是控制鋼中氮含量。因此原底吹系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念出發(fā)點(diǎn)是不對(duì)的。正確的設(shè)計(jì)理念應(yīng)基于吹煉終點(diǎn)出鋼溫度、熔池深度、爐膛形狀及底吹透氣磚實(shí)際透氣效果、吹煉終點(diǎn)槍位、氧氣流量、爐底高度的變化而隨時(shí)對(duì)底吹流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以進(jìn)一步改善鋼-渣反應(yīng)，促進(jìn)碳的傳遞，大大降低脫碳速度特性發(fā)生變化時(shí)的臨界碳含量，從而降低碳氧積，更好地發(fā)揮頂?shù)讖?fù)吹的冶金功能，提高頂?shù)讖?fù)吹的冶金效果，進(jìn)一步提高鋼水質(zhì)量。

2.2 終點(diǎn)碳氧積分析

轉(zhuǎn)爐溶池中脫碳反應(yīng)主要是：[C]+[O]=CO，其平衡常數(shù)為：

當(dāng) PCO=1.013 25×105Pa 時(shí)，m=[C]×[O]。m 稱為平衡的碳氧積。當(dāng)C含量不高，溫度1 600℃左右時(shí)，m=0.002 5。因此可由鋼液的C含量估計(jì)氧濃度。由式（1）知，碳氧積隨PCO的降低而減小，所以在真空下，鋼液的碳濃度可進(jìn)一步降低。

fC和fO與濃度有關(guān)。隨著碳濃度的增加，fO下降而 fC上升，但 [C]在 0.02%～2%范圍內(nèi)，fC·fO的積變化不大，接近于1。因而在實(shí)際生產(chǎn)中取fC·fO=1。則式（1）變?yōu)椋?/p>

此時(shí)爐底處CO氣泡所受的壓力簡化式為：

式中Hm為CO氣泡上鋼液層的厚度，m；ρm為鋼液的密度，kg/m3。可見，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，[C][O]除與鋼水溫度有關(guān)外,也與鋼液的平均深度有關(guān)，鋼液平均深度越大碳氧積也就越高。因此，生產(chǎn)中要合理控制爐底形狀和熔池深度，促進(jìn)碳氧反應(yīng)進(jìn)一步達(dá)到平衡，提高底吹的冶金效果。

資料表明：在復(fù)合吹煉中，雖然從底部吹入的氣量很小，而鋼中與[C]相對(duì)應(yīng)的自由氧卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于頂吹轉(zhuǎn)爐。停吹w[C]在0.10%以上時(shí)，自由氧大致為PCO=104Pa的平衡值，w[C]≤0.04%時(shí)，自由氧接近于PCO=0.4×104Pa的平衡值，即遠(yuǎn)小于PCO=104Pa的平衡值。而且C含量越低，達(dá)到平衡的PCO值也越低。由式（2）可見，達(dá)到平衡的 PCO值越低，其[C][O]也就越低，復(fù)吹的冶金效果也就越好。

在低碳區(qū)中鋼的自由氧含量的顯著差別主要是由于頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池中，因通入底吹氣體而使反應(yīng)帶氣相中的CO分壓PCO顯著降低造成的，熔池中較低的氧含量有利于提高鋼的純凈度和合金收得率。因此吹煉終點(diǎn)包括吹煉過程的槍位、氧氣壓力及流量、出鋼溫度、熔池深度、爐膛形狀、爐底高度的變化將直接影響到爐渣狀況，影響終點(diǎn)氧化性，影響反應(yīng)帶氣相中的CO分壓PCO，從而直接影響復(fù)吹效果。

2.3 回歸分析

借助minitab對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［2］，推導(dǎo)終點(diǎn)碳氧積與終點(diǎn)溫度、終點(diǎn)碳含量、終點(diǎn)氧含量、熔池液位的關(guān)系，便于程序設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)作。

1）碳氧積與終點(diǎn)碳含量的關(guān)系近乎呈反比?；貧w方程：

2.4 優(yōu)化思路

將每爐副槍測量的[C]、[O]及熔池液位進(jìn)行回歸分析，建立動(dòng)態(tài)模型，根據(jù)模型運(yùn)算結(jié)果及時(shí)調(diào)整底吹流量，從而實(shí)現(xiàn)底吹流量的動(dòng)態(tài)控制。

通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的回歸分析，推導(dǎo)歸納出終點(diǎn)碳氧積與終點(diǎn)溫度、終點(diǎn)碳含量、終點(diǎn)氧含量、熔池液位的關(guān)系。為便于程序設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)作，匯總成9條曲線，歸并形成3個(gè)系列：即高流量、中流量、低流量系列，結(jié)合3種模式組合共計(jì)9種基本曲線，同時(shí)每種曲線又是動(dòng)態(tài)的，與終點(diǎn)碳氧積、熔池液位、爐齡等有關(guān)，即流量曲線值f=f（m/m0，a，b），其中m/m0為終點(diǎn)碳氧積修正系數(shù)，a為熔池液位修正系數(shù)，b為爐齡修正系數(shù)。

每爐副槍測量完畢后，根據(jù)測量的碳氧積、熔池液位以及定期修正或輸入的爐齡系數(shù)，結(jié)合近10爐的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算，從而決定下一爐的底吹流量參數(shù)。3種模式及3種系列同樣需要吹煉前根據(jù)鋼種規(guī)程要求進(jìn)行手動(dòng)選擇，首先選擇模式，其次選擇系列，然后根據(jù)程序設(shè)定的流量曲線進(jìn)行調(diào)整和切換。3個(gè)系列設(shè)定基準(zhǔn)值見表1。

表1 不同流量系列設(shè)定基準(zhǔn)值

各系列對(duì)應(yīng)的8個(gè)數(shù)值設(shè)定點(diǎn)分別標(biāo)識(shí)為F低1～F低8；F中1～F中8；F高1～F高8；根據(jù)液位的波動(dòng)范圍（系列內(nèi)約70 cm）及流量的波動(dòng)范圍（系列內(nèi)約40 Nm3/h），確定各點(diǎn)的流量關(guān)系式為：

其中：m=[C]·[O]，m0=-0.013 2+9×10-6×T+10-6×a，h為熔池液位，b為爐齡修正系數(shù)（-1 cm/千爐——手動(dòng)定期調(diào)整）。T為終點(diǎn)溫度。且[C]、[O]、T、a均為前10爐的平均值。副槍測量失敗時(shí)的取值：T=1 651℃，a=880 cm，[C]或[O]有 1 個(gè)無數(shù)值，則取 m=[C]·[O]=0.002 5。其他各點(diǎn)依次類推。

2.5 實(shí)施方案

根據(jù)底吹自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)工藝需求，通過對(duì)底吹PLC程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到底吹所需工藝數(shù)據(jù)；通過底吹流量模型進(jìn)行模型計(jì)算，得出最符合鋼種需要的底吹流量模式。通過MP7.2上位監(jiān)控軟件編制上位HMI操作畫面，對(duì)底吹流量模式進(jìn)行選擇操作，實(shí)現(xiàn)底吹功能的優(yōu)化，進(jìn)一步提高底吹冶金效果。

1）優(yōu)化底吹PLC程序，撰寫程序設(shè)計(jì)規(guī)格說明書。通過Concep軟件開發(fā)、設(shè)計(jì)底吹PLC程序，完成L1級(jí)基礎(chǔ)自動(dòng)化控制功能，實(shí)現(xiàn)底吹功能的優(yōu)化，達(dá)到項(xiàng)目的設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

2）編制、優(yōu)化上位監(jiān)控畫面（HMI）的設(shè)計(jì)。根據(jù)底吹工藝流程要求，通過Monitor Pro7.2上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)出符合底吹工藝流程要求的上位監(jiān)控畫面（HMI），通過對(duì)上位監(jiān)控畫面的操作，實(shí)現(xiàn)底吹流量模式的調(diào)整。

3）根據(jù)底吹工藝流程和數(shù)學(xué)模型建立底吹流量控制模型。根據(jù)實(shí)際出鋼量、副槍測出的實(shí)際熔池液位及渣中（FeO）含量變化，結(jié)合吹煉過程各元素反應(yīng)規(guī)律及反應(yīng)特點(diǎn)，調(diào)整完善底吹流量模式參數(shù)值。

4）配合轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐制度，合理選用底吹曲線，控制爐底高度及形狀，保證底吹良好的應(yīng)用效果。

5）優(yōu)化、完善自動(dòng)化煉鋼模型的數(shù)據(jù)采集、信息傳遞，提高煉鋼終點(diǎn)溫度、終點(diǎn)[C]含量的雙命中率，提高自動(dòng)化煉鋼水平。

6）根據(jù)不同鋼種終點(diǎn)控制要求（終點(diǎn)[C]含量的控制），選取相應(yīng)鋼種對(duì)應(yīng)的后期流量曲線。

7）啟動(dòng)“后攪”模式，尤其是低碳鋼種，以進(jìn)一步促進(jìn)C-O反應(yīng)，降低碳氧積，提高鋼水質(zhì)量。

8）進(jìn)一步優(yōu)化底吹模型的各個(gè)參數(shù)，提高底吹元件的壽命，完善自動(dòng)化煉鋼模型的自學(xué)習(xí)功能。

3 優(yōu)化效果

3.1 降低了吹煉終點(diǎn)碳氧積

底吹流量實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模型控制，改善了底吹氣體對(duì)熔池的攪拌作用，使得復(fù)吹時(shí)鋼—渣反應(yīng)好，吹煉過程平穩(wěn)，不易發(fā)生噴濺，吹煉終點(diǎn)碳氧積更接近平衡值。對(duì)比優(yōu)化前后的終點(diǎn)碳氧積水平，結(jié)果表明：當(dāng)爐齡為10 000爐左右時(shí)，在終點(diǎn)C含量為0.07%、溫度為1 650℃的條件下，優(yōu)化前碳氧積平均為0.002 76，優(yōu)化后平均為0.002 64。測定結(jié)果表明：在相同終點(diǎn)溫度和C含量條件下，優(yōu)化后的碳氧積平均值比優(yōu)化前低0.000 12。優(yōu)化前后碳氧積對(duì)比（各30個(gè)樣本）見圖1。

圖1 優(yōu)化前后碳氧濃度積對(duì)比

由于低碳鋼種比例的增加，吹煉終點(diǎn)碳氧積水平普遍升高，但優(yōu)化前后及各個(gè)流量系列的水平對(duì)比，碳氧積降低效果仍然較為明顯，優(yōu)化前終點(diǎn)碳氧積平均水平0.003 106；優(yōu)化后，低流量0.003 000，中流量 0.002 896，高流量 0.002 766。

3.2 提高了金屬收得率

通過底吹優(yōu)化，加強(qiáng)了熔池的攪拌力，使熔池內(nèi)成分和溫度的不均勻性得到有效改善，碳氧反應(yīng)更進(jìn)一步接近平衡，避免了鋼水的過氧化。對(duì)終點(diǎn)渣樣成分分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后終點(diǎn)渣樣中（TFe）含量下降1.16%，從而減少了渣中的金屬損失，提高了金屬收得率。

3.3 提高了吹煉終點(diǎn)殘錳含量

通過優(yōu)化前后對(duì)比，吹煉終點(diǎn)殘錳含量提高0.03%，其原因是由于頂?shù)讖?fù)吹降低了終點(diǎn)爐渣的氧化性，渣中氧化鐵的降低抑制了下述反應(yīng)式（FeO）+[Mn]=（MnO）+[Fe]向錳被氧化的方向進(jìn)行，提高了吹煉終點(diǎn)殘錳含量，從而可以減少脫氧和合金化的錳鐵用量和提高鋼的質(zhì)量。

3.4 提高了脫磷、脫硫率

頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐可以在（FeO）較低含量條件下把鋼水中的P去除到與頂吹轉(zhuǎn)爐相同的水平，用較低的堿度或較少的渣量把鋼水中的S去除到與頂吹轉(zhuǎn)爐相同的水平。這主要是由于頂?shù)讖?fù)吹加強(qiáng)了熔池?cái)嚢瑁够铀?，傳質(zhì)加快，金屬和爐渣迅速接近平衡。不少研究者用赫利等人提出的關(guān)系式：

進(jìn)行過計(jì)算，證明頂?shù)讖?fù)吹的P分配系數(shù)與赫利平衡值很接近。同時(shí)，頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的復(fù)吹效果越好，渣鋼之間的溫度差就越小，這一點(diǎn)對(duì)脫磷反應(yīng)是有利的。優(yōu)化前后吹煉終點(diǎn)脫S、脫P(yáng)情況見表2，優(yōu)化后平均脫S率提高了3.67%。

表2 優(yōu)化前后吹煉終點(diǎn)脫S、脫P(yáng)情況

4 結(jié) 語

通過對(duì)轉(zhuǎn)爐底吹工藝專家系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，底吹流量實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模型控制，進(jìn)一步優(yōu)化了過程熔池?cái)嚢?，使熔池?nèi)成分和溫度的不均勻性得到有效改善，碳氧反應(yīng)更進(jìn)一步接近平衡,提高了終點(diǎn)溫度和成分的命中率，降低了吹煉終點(diǎn)碳氧積，避免了鋼水的過氧化,提高了合金、金屬收得率和鋼水質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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