楊迅波

（酒鋼集團宏興股份公司煉軋廠，甘肅 嘉峪關 735100）

0 引言

鋼鐵企業(yè)普遍采用氧氣轉爐煉鋼，冶煉過程中產生大量的一氧化碳、粉塵等可燃煙氣，煙氣外溢情況較為嚴重，對周圍環(huán)境造成了污染。目前，煙氣污染的控制方法以煙氣凈化為主，將煙塵顆粒從氣流中轉移到另一種棱體中，從而避免煙氣污染。此方式會導致資源浪費，煙塵顆粒的相對運動無法達到懸浮物與煙氣分離的目的。同時，煙氣在相對運行的過程中，同樣會出現煙氣外溢的情況，污染周圍環(huán)境。針對煙氣污染的問題，研究人員設計了多種煙氣外溢控制方法。其中，基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法，與基于干擾管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法的應用較為廣泛。

基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法，主要是在轉爐周圍設置多個排煙口，排煙口以縱向補風的方式，稀釋煙氣中的碳濃度，從而達到良好的煙氣控制效果[1]?；诟蓴_管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法，主要是利用煙氣控制模型，分析出煙氣控制可能出現的干擾事件，對其進行針對性的處理[2]。并結合遺傳算法，求解出煙氣外溢干擾管理方案，從而保證煙氣外溢控制效果。以上2種方法均能夠在一定程度上控制煙氣外溢，但其治標不治本，煙氣外溢的污染仍然較大[3]。因此，文章對企業(yè)轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法進行了創(chuàng)新性研究。

1 企業(yè)轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法設計

1.1 提取企業(yè)轉爐煉鋼的煙氣流量變化特征

爐氣在煙道內的流動、傳熱、傳質等燃燒過程中，遵循著基本的守恒方程。煙道內煙氣流動屬于湍流流動，爐氣與卷吸空間在發(fā)生燃燒反應前，未進行分子水平混合，從而產生大量煙氣[4]。文章在轉爐內氣體流量不變的條件下，分析轉爐汽化冷卻煙道內的流動、傳熱狀態(tài)，作出針對性的煙氣外溢控制。在轉爐煉鋼的過程中，二次燃燒反應區(qū)域汽化冷卻煙道出口的煙氣溫度與濃度較高，在煙道內選擇2.0 m的位置與9.32 m的位置對煙氣流量變化進行分析。從煙道中心到管壁中心，CO濃度逐漸降低，CO2、N2濃度逐漸增加，轉爐煙氣開始外溢。此時煙道管壁附近溫度超過中心溫度150 K[5]。為了確保煙氣成分的均勻性，將煙道終點位置的煙氣成分平均值作為準確值，分析煙道內部煙氣流量變化。流量變化特征如圖1所示。

圖1 煙道內煙氣流量變化示意圖

黑色部分表示煙氣流量較高，煙道截面為2.0 m；灰白色部分表示煙氣流量較低，煙道截面為9.32 m[6]。煙道內煙氣流量顏色變化為黑色—黑灰色—深灰色—淺灰色—灰白色，煙氣流量也從1.10 kg/Nm3減少到0.189 kg/Nm3。在2.0 m截面的煙道中，二次燃燒反應完畢，氧氣在卷吸空氣的過程中被消耗掉，煙氣中包含了CO、CO2、N2，質量分數大小排序為N2＜CO2＜CO[7]。在9.32 m截面的煙道中，殘存C與Mn的少數含量，其余成分均被凈化與消耗。

1.2 控制煉鋼過程中煙氣外溢

將吹煉初期選擇的純物質作為標準態(tài)，控制煙氣活度低于低煙氣范圍內的值。通過平衡煙道內爐煙氣反應，控制煉鋼過程中煙氣外溢的濃度[8]，從而對煙氣外溢進行控制。煙氣在煙道內的脫碳高峰期，卷吸空氣量與煙氣流量之間存在的關系：

式中：Vx為煙氣流量；M為煙氣溫度；δ為煙氣燃燒系數；Va為卷吸空氣量。Va與煙氣中的C含量百分濃度存在的關系：

式中：Mt為C添加量；（%C）x為C含量百分濃度。轉爐煉鋼的過程中，將煙氣外溢濃度與溫度的控制歸結為一階常微分方程的初值問題，方程表達式為：

式中：y′為煙道終點煙氣含量的實際值；y0為煙道入口煙氣含量的實際值；f（t，y）為在t時刻的煙氣含量的實際值；y（t0）為鋼液在t0時刻的初始溫度。t0為因變量，根據轉爐煉鋼的物理變化過程，確定終點煙氣含量的標準值，公式如下：

2 實驗分析

為了驗證文章設計的方法是否滿足轉爐煉鋼煙氣外溢控制需求，文章對上述方法進行了實驗分析。最終的實驗結果以文獻[1]基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法、文獻[2]基于干擾管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法，以及文章設計的企業(yè)轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法進行對比的形式呈現。

2.1 實驗過程

此次實驗在鋼廠生產車間進行測試分析，選取實際轉爐，其進行煙氣含量控制、轉爐煉鋼終點溫度控制。并搭建了一套以煙氣信息為基礎的實驗過程，實時計算轉爐煉鋼過程中C含量、Mn含量變化情況。設定出終點成分的溫度標準值與含量標準值，從而滿足此次實驗需求。實驗根據鋼廠生產計劃，確定煉鋼鋼種與轉爐終點C、Mn的含量及溫度要求。開始煉鋼之前，啟用靜態(tài)控制，確定轉爐成分達到終點時所需的輔料重量、供氧量、冷卻劑加入量等，并選擇對應的煉鋼模式與加料模式，使整個實驗過程更加真實，實驗數據更加有效。實驗過程如圖2所示。

圖2 實驗流程圖

如圖2所示，當轉爐煉鋼的時間超過15 s之后，用t+15 s表示當前的煉鋼時刻。調用數據庫中t時刻的煉鋼煙氣成分數據，并返回與t時刻的實際煙氣數據比較，二者濃度偏差＞0.10%時，證明煙氣成分的控制值與標準值不一致。此時，返回煙氣外溢動態(tài)控制模塊，控制煙氣終點含量與溫度。重復上述步驟，最終輸出的煙氣成分濃度偏差＜0.10%，則證明煙氣外溢得到了有效的控制，直接顯示此時煙氣含量與溫度，并獲取此時熔池與爐渣的信息。在終點校正階段，動態(tài)計算出終點C、Mn所需殘余供氧量，并加入冷卻劑。碳含量與溫度滿足設定值允許誤差范圍后，倒爐取樣測溫，并得出本爐煙氣流量偏離系數，作為下一爐煙氣外溢控制的基礎數據，使各個轉爐煉鋼的煙氣均得到有效控制。

2.2 實驗結果

在上述實驗條件下，隨機選取出5個轉爐，編號為101、125、132、155、167，并在終點位置分析C含量與Mn含量，含量越少，煙氣外溢越多。在其他條件均已知的情況下，將文獻[1]基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法的控制效果、文獻[2]基于干擾管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法的控制效果，以及文章設計的企業(yè)轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法的控制效果進行對比。實驗結果見表1。

表1 實驗結果

通過表1可知，文章設計的企業(yè)轉爐煉鋼終點溫度需要控制在1 585～1 680 ℃，C的終點含量需要控制在0.12%～0.21%的范圍內，Mn的終點含量需要控制在0.05%～0.20%的范圍內，由此確保煙氣外溢控制效果。在其他條件均一致的情況下，使用文獻[1]基于多指標約束的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法之后，轉爐煉鋼終點溫度在1 320～1 720 ℃的范圍內變化，C含量在0.01%～0.25%的范圍內變化，Mn含量在0.01%～0.26%的范圍內變化。由此可見，該方法的終點溫度、終點含量與標準值相差甚遠，煙氣外溢控制效果不佳。使用文獻[2]基于干擾管理的轉爐煉鋼煙氣外溢控制方法之后，轉爐煉鋼終點溫度在1 550～1 700 ℃的范圍內變化，C含量在0.03%～0.25%的范圍內變化，Mn含量在0.01%～0.22%的范圍內變化。由此可見，該方法優(yōu)于文獻[1]方法，但是仍存在含量、溫度低于或高于標準值的情況，亟須進一步優(yōu)化。而使用文章設計的企業(yè)轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法之后，無論是終點溫度還是終點含量，均在標準值的范圍之內，煙氣外溢控制效果更佳，符合研究目的。

4 結束語

近年來，鋼鐵工業(yè)作為我國重要的基礎產業(yè)與戰(zhàn)略工業(yè)，正面臨著資源緊張與環(huán)境污染的壓力，亟須轉變煉鋼條件，為企業(yè)節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展提供保障。針對轉爐煉鋼排除大量的污染氣體，污染環(huán)境的問題，研究了企業(yè)轉爐煉鋼過程中煙氣外溢控制方法。從煙氣流量變化特征、煙氣外溢濃度控制2個方面，降低煙氣中碳含量與錳含量的外溢濃度，轉爐終點濃度能夠滿足外溢控制需求，對于轉爐煉鋼的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。