闞永海
（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）
[摘 要] 利用理論計算及實際生產(chǎn)經(jīng)驗值，建立了一種解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型，用于對渣料減量化煉鋼、石灰石替代石灰、鐵礦石熔融還原和留碳作業(yè)等煉鋼技術進行優(yōu)化。實施后，成功地將轉爐終點雙命中率由原來的 65%穩(wěn)定提升到 85%以上，噴濺率由原來的 12%降低到 8%以下，煤氣回收率得到了明顯提升，降低生產(chǎn)成本15 元 /t 以上，CO2 排放量減少 28.77 kg/t，年排放量減少約 11.5 萬 t，在實現(xiàn)智能化、環(huán)境友好型煉鋼中取得新進展。
[關鍵詞] 轉爐；智能化；模型；渣量；排放；成本
0 引言
目前我國轉爐煉鋼生產(chǎn)對于操作人員所具備的生產(chǎn)操作經(jīng)驗依賴較大，受操作人員思維慣性以及反應能力有限等一系列因素制約，轉爐煉鋼生產(chǎn)效率和污染物排放控制有待進一步改進。在采用渣料減量化冶煉、石灰石復合造渣、鐵礦石熔融還原以及留碳作業(yè)后，進一步增加了生產(chǎn)人員依靠經(jīng)驗進行操作的難度，因此需要建立一種充分考慮各種工藝參數(shù)和原材料狀況，解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型，以擺脫操作人員思維限制，降低煉鋼過程中的渣量、氣體和粉塵排放，實現(xiàn)智能化、環(huán)境友好型煉鋼。
1 原料條件及參數(shù)選取與確定
轉爐煉鋼入爐鐵水主要成分見表 1。入爐鐵水硅含量波動較大，范圍在 0.11%~1.13%，平均約為0.52%，轉爐冶煉過程溫度有較大富余；鐵水平均磷含量約為 0.158%，鐵水磷含量較高，因此，轉爐冶煉過程脫磷難度大幅增加，脫磷也成為轉爐煉鋼的最主要難點之一。
在建立靜態(tài)模型之前，要先對轉爐冶煉過程中的一些條件取經(jīng)驗值處理：
（1）渣中鐵珠量以渣量的 8%計算；
（2）金屬中碳在氧化過程中生成 CO 和 CO2，其中碳氧化為 CO 的比例為 90%，碳氧化為 CO2 比列為 10%；
（3）轉爐冶煉噴濺鐵損為鐵水量的 1%；
（4）冶煉過程中爐襯受鐵水侵蝕，爐襯侵蝕量為鐵水量的 0.50%；
（5）氧槍噴出氧氣純度 98.5%，余下以 1.5%N2計算；
（6）轉爐煙塵量為鐵水量的 1.60%，煙塵中 FeO的比例為 77%，F(xiàn)e2O3 的比例為 20%；
（7）爐氣平均溫度為 1450益，爐氣中自由氧含量為 0.50%；
（8）終點鋼水錳含量，一般為鐵水中錳含量的30%~40%，現(xiàn)在取值為 0.1%；
（9）轉爐去硫率一般為 30%~50%，取平均值40%；
（10）冶煉鋼種的碳含量與脫氧劑等增碳量之 差為終點含碳量。
原料平均比熱容見表 2。
入爐鐵水各成分氧化放熱效應見表 3。
2 渣料減量化冶煉脫磷階段計算思想
轉爐雙渣-留渣脫磷工藝將轉爐冶煉過程分為兩個階段，脫磷階段和脫碳階段，在脫磷階段結束后要倒出脫磷渣，因此需要對兩個階段分別進行物料和熱平衡計算，確定不同時期的合理配料。冶煉初始鐵水條件按鐵水成分平均值計算，脫磷階段鐵水和爐渣成分設定值及上爐留渣爐渣成分見表 4 和表 5。
倒爐時各元素氧化量、耗氧量及氧化產(chǎn)物量見表 6。
2.1 造渣料計算
脫磷階段渣中Σm （SiO2）=鐵水中 Si 氧化成 SiO2 量+上爐留渣中 SiO2 量+鐵水帶渣中 SiO2 量
脫磷階段渣中Σm（CaO）= Σm（SiO2）×一倒目標堿度 R（取 1.5）
脫磷階段爐內(nèi)渣量：m渣 =（Σm （SiO2）+Σm （CaO））（/ 1-w（MgO）-w（FeO）-w（Al2O3+MnO+P2O5））
白云石加入量：m白云石=（m 渣×倒爐渣 MgO 目標值（w（MgO）= 8%））/白云石中 w（MgO）有效
石灰加入量：m石灰 =（Σm （CaO）原留渣中 CaO量-白云石中帶入 CaO 量）石灰中 w（CaO）有效
礦石加入量：m-礦石 =轉爐富余熱量/礦石分解熱
2.2 熱量計算
鐵水各元素氧化放熱總量[1]為：Q1 = Σ（QC→co+QC→CO2+QSi→SiO2+QMn→MnO+QFe→FeO+QFe→Fe2O3+QP→P2O5+QP2O5→4CaO·P2O5+QSiO2→2CaO·SiO2）
初始鐵水溫度條件下，爐渣物理熱：
Q 爐渣1=m渣 ×[爐渣平均比熱容×（1305-25）+爐渣熔化潛熱]
鋼水和爐渣理論升溫為：
ΔT=（Q1-Q爐渣 1）（/ m鐵水×鐵水平均比熱容+m 渣×爐渣平均比熱容）
轉爐剩余熱量為：
Q3=（1305+ΔT-1420）×（m鐵水×鐵水平均比熱容+m渣×爐渣平均比熱容）
加入廢鋼、白云石后，轉爐富余熱量為：
Q4=Q3-m廢鋼×75%×噸鋼熔化吸熱量-m 白云石×噸白云石分解熱
故礦石加入量為：
m礦石=Q4/4323.768kJ·kg-1
3 渣料減量化冶煉脫碳階段計算思想
終點鋼水和終渣成分目標值設定見表 7。
脫磷階段結束后，半鋼中各元素氧化量、耗氧量及氧化物產(chǎn)量見表 8。
3.1 造渣料計算
終渣中 SiO2 含量：
m（SiO2）終=一倒渣中Σm（SiO2）×一倒排渣率η終渣中 CaO 含量：
m（CaO）終=m（SiO2）×終渣堿度 R（取 4.5）
需要加入 CaO 量：
m（CaO）加=m（CaO）終-脫磷階段渣中Σm（CaO）×（1-η）
終渣總量：
m 終渣 =（m（SiO2）終+m（CaO）終）（/ 1 -8% -20% - 10%）
白云石加入量：
m 白云石2=（m終渣×終渣 MgO 目標值 8%-脫磷階段渣中Σm（CaO）×（1-η））/白云石中 w（MgO）有效
石灰加入量：
m石灰2=（m（CaO）加-白云石中帶入 CaO 量）/ 石灰中 w（CaO）有效
3.2 熱量計算
脫碳階段各元素氧化放熱總量[2]為：
Q1脫碳 =Σ（QC→CO+QC→CO2+QMn→MnO+QP→P2O5+QP2O5→4CaO·P2O5）
鋼水和爐渣理論升溫為：
ΔT 脫碳=Q1脫碳（/ m鋼水×鋼水平均比熱容+m渣×爐渣平均比熱容）
轉爐剩余熱量為：
Q2脫碳=（1 420+ΔT 脫碳-1680）×（m鐵水×鐵水平均比熱容+m渣×爐渣平均比熱容）
加石灰、白云石后，轉爐富余熱量為：
Q3脫碳 =Q2脫碳-m廢鋼×25%×噸鋼熔化吸熱量原m白云石2×噸白云石分解熱-爐氣帶走物理熱
轉爐富余熱量用添加石灰石的方式中和，石灰石加入量為：
m石灰石=Q3脫碳/石灰石分解熱
4 渣料減量化冶煉供氧制度計算思想
4.1 碳氧反應速度曲線
在實際生產(chǎn)中，碳與氧的反應是復雜多變的，同時受到多種不同因素的影響，包括氧氣壓力的調(diào)整、氧槍槍位的變化、鐵礦石的加入量、各種造渣輔料的裝入，以及噴濺的干擾等，但在不同的供氧強度下，脫碳反應的變化規(guī)律基本相似，理論研究過程中可對圖進行線性形式表示，脫碳過程可分為 3個階段，其過程脫碳速度曲線可以用“臺階”形簡化表示，見圖 1。
（1）第一階段碳氧反應速度可描述為：
Vc =-dc/dt=K1 t 式中，t 為供氧時間；K1 為根據(jù)鋼水硅的總量、熔池溫度以及供氧強度等因素所確定的非常數(shù)（見圖 2）。
在第Ⅰ期，供氧剛開始階段，硅、錳首先進行氧化反應，氧槍提供的氧氣中只有少量用于氧化碳，脫碳反應因此受到一定的限制。當熔池溫度升高、 供氧強度也增大、鐵水里的碳濃度也就越高，K1 值隨之越大，但是提水中硅、錳含量越高，K1 值就越小。由圖可知，鋼水中硅的總量 w[Si]+0.25w[Mn]躍1.5%時，脫碳速度初始接近于零。
（2）第Ⅱ期，氧槍提供的氧氣全部用于氧化碳， 脫碳速度為：
Vc =dc/dt=K2式中，K2 為脫碳系數(shù)，根據(jù)氧槍槍位和供氧強度確定的常數(shù)，氧槍槍位 H 和氧氣流量 VO2變化時，K2 與和槍位 H 和氧氣流量 VO2 線性相關。
根據(jù)全鐵水冶煉實驗得出：
K2 =（1.89VO2-0.048H-28.5）×10-3
式中，VO2 為標準狀態(tài)下的供氧強度，m3 /(ht)；H 為氧槍高度，cm。
所以，第Ⅱ期脫碳反應速度大部分取決于供氧強度，在一定的供氧強度下次階段的脫碳速度可以認為是一定值，但是，冶煉過程氧槍槍位的變化會影響氧氣的利用率（ηO2）。
（3）第Ⅲ期脫碳速度：
Vc=-dc/dt=K3C 式中，K3 為由氧槍高度以及供氧強度所決定的常數(shù)。
前文已經(jīng)指出，碳氧反應的限制性環(huán)節(jié)在于[C]、[O]向反應區(qū)的擴散傳質(zhì)過程，當其他的動力學和熱力學條件相同時，[C]、[O] 的移動快慢只與其濃度有關，而在真?zhèn)€吹煉過程中，供氧強度基本保持不變，吹煉到后期，碳含量降低，[C]在遷移擴散速度降低成為反應的限制性環(huán)節(jié)，此階段的碳氧反應速率與剛水中碳含量成正比。在冶煉中期，供氧強度越大，碳氧化的效率就越高，圖 1 中 B 點出現(xiàn)的時間也就越早，K3 值就越小。
4.2 吹煉終點時間和脫碳速度在碳氧反應過程中的數(shù)學模型
在第Ⅰ期，ΔC1 即鐵水中碳濃度降低量可表示為:
吹煉中期（Ⅱ期）鐵水中碳濃度降低量 駐C2 可表示為:
設定入爐鐵水初始含碳量為 C0，冶煉中期結束時鐵水中的碳的濃度為 C2：
聯(lián)立三式可得：
從而求解出 t2：
吹煉后期，鐵水中碳含量決定了脫碳的速度， 兩者為正比例關系，則系數(shù) K3 為：
代入可得：
分離變量后定積分：
積分運算，化簡得：
式中，te 為吹煉結束時間，min；Ce為冶煉鋼種的目標含碳量。
進一步運算得：
轉爐吹煉時間的經(jīng)驗模型即為反應式，在冶煉不同的鋼種時，其可以通過模擬來計算在不同鐵水成分，不同目標碳含量條件下，轉爐冶煉的終點時間 te。在反應式中，入爐鐵水成分初始始碳含量為 C0；鋼種要求目標碳含量為 Ce。t1、C2 和
為多爐試驗和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)選取的經(jīng)驗參數(shù)。在正常情況下，C2一般取 0.6%~0.7%，t1一般取 7~10min，
一般為 0.2%~0.4%/min。
4.3 基于氧利用效率的轉爐耗氧量預算機理
轉爐冶煉過程氧氣消耗主要有以下幾個方面： 鐵水中元素氧化耗氧、爐襯中碳氧化耗氧、鐵水氧化耗氧、廢鋼耗氧、各種原輔料帶入氧量、爐氣中鐵氧量等。計算公式如下：
QO2 =Q鐵水×ηO2 +Q爐襯+Q廢鋼+Q爐氣+Q自由氧-Q輔料-Q返礦
式中，QO2 為總耗氧量；Q鐵水為鐵水中不同元素氧化反應耗氧量；Q 爐襯為爐襯中的碳氧化的耗氧量；Q 廢鋼為廢鋼中不同元素氧化的耗氧量；Q 爐氣為爐氣帶走的氧量；Q 自由氧為自由氧；Q 輔料為造渣料帶入的氧；Q 返礦為返礦帶入的氧。
反應式中，鐵水中各元素的氧化耗氧量根據(jù)入爐鐵水成分與冶煉鋼種的成分差進行計算；根據(jù)終點渣中 FeO，F(xiàn)e2O3 含量計算鐵元素氧化耗氧量；爐襯中碳氧化的耗氧量按照 0.5kg/100 kg 鐵水計算；爐氣耗氧量以及自由氧含量均取經(jīng)驗值，分別為0.37 kg/100 kg 鐵水和 0.063 kg/100 kg 鐵水；輔料以及礦石帶入的氧量可通過計算輔料及礦石的成分，其中，輔料以 CO2 的形式帶入氧，礦石以礦石中鐵氧化物分解產(chǎn)生的分解氧，輔料及返礦的裝入量由現(xiàn)場的轉爐智能煉鋼模型計算得出。轉爐智能煉鋼用戶界面見圖 3。
5 實驗結果
通過模型的合理化布料指導，轉爐終點雙命中率由原來的 65%穩(wěn)定提升到 85%以上。加之基礎操作方面的細致培訓工作，轉爐操槍工操作過程吹煉平穩(wěn)，爐口冒渣及鋼水噴濺情況均有所好轉，噴濺率有原來的 12%降低到 8%以下，煤氣回收率得到了明顯提升。
6 結論
通過對煉鋼渣料減量化冶煉、石灰石替代石灰、鐵礦石熔融還原以及留碳作業(yè)技術研究，建立一種充分考慮各種工藝參數(shù)和原材料狀況，解析煉鋼過程控制要素的智能化煉鋼控制模型。通過的模型指導，降低生產(chǎn)成本 15 元/t 以上，減少 CO2 排放量 28.77 kg/t，年排放量減少約 11.5 萬 t，實現(xiàn)了智能化、環(huán)境友好型煉鋼。
參考文獻
[1] 魏壽昆.冶金過程熱力學[M].上海：上?？萍汲霭妫?980.
[2] 陳家祥.鋼鐵冶金學(煉鋼部分)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1990.