全自動煉鋼動態(tài)控制模型的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)踐

1、 全自動煉鋼動態(tài)控制模型的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)踐劉路長（武漢鋼鐵股份公司，湖北，武漢，430083）摘要：根據(jù)多年來動態(tài)模型的應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文詳細(xì)介紹了動態(tài)控制模型的定義、功能、脫碳和升溫公式的系統(tǒng)推導(dǎo)，動態(tài)分組原則、動態(tài)控制模型運(yùn)行過程中所采用的主要管理和技術(shù)措施。煉鋼總廠四分廠（以下簡稱為四分廠）2007年底投產(chǎn)以來，通過強(qiáng)化和細(xì)化動態(tài)控制模型的管理，大大提高了動態(tài)模型的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了一鍵煉鋼，2010年一鍵煉鋼率平均達(dá)到87.21%,最高達(dá)到93.12%；C-T雙命中情況也穩(wěn)步提升，2010年下半年C-T雙命中率穩(wěn)定在90%以上,最好達(dá)到94.04%。關(guān)鍵詞：全自動煉鋼；動態(tài)控制模型；一

2、鍵煉鋼；C-T雙命中率中圖分類號：TF345文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：ThetheoreticalbasisandpracticalapplicationofthedynamiccontrolmodelforfullautomaticsteelmakingLIULu-chang(WuhanIronandSteelCorp.,Wuhan,430083,China)Abstract：Accordingtothepracticalexperienceofapplyingthedynamicmodelformanyyears,thedefinition,functionandthesystematicd

3、erivationofthedecarburizationandheatingformula,themaingroupingprinciplesandthemanagementandtechnologymeasuresforthedynamiccontrolmodelaredescribedindetails.AftertheNo.4SteelPlantofWISCOstartedupintheendof2007,theadaptabilityforthedynamiccontrolmodelhasbeengreatlyimprovedandthefunctionofOne-Key-Steel

4、makinghasbeenrealizedbystrengtheningandrefiningthemanagementofdynamiccontrolmodel.In2010,theaverageOne-Key-Steelmakingratereached87.21%andthebestonewas93.12%,andinthesecondhalfyearof2010,theC-Thittingratewereover90%andthebestonereached94.04%.KeyWords:fullautomaticsteelmaking;dynamiccontrolmodel;One-

5、Key-Steelmaking;C-Thittingrate1前言術(shù)在大中型轉(zhuǎn)爐上得到了廣泛隨著我國現(xiàn)代化煉鋼技術(shù)的運(yùn)用，尤其是在武鋼成功自主研發(fā)展，近十年來，全自動煉鋼技發(fā)出多項(xiàng)自動煉鋼的配套技術(shù)， 吹煉終點(diǎn)目標(biāo)范內(nèi)時，向一級集成了具有國有知識產(chǎn)權(quán)的自動煉鋼專有技術(shù)，并在全國十余家鋼廠得到推廣和運(yùn)用，獲得良好效果。武鋼煉鋼總廠四分廠自2007年11月投產(chǎn)以來，一直致力于全自動煉鋼模型完善和運(yùn)用，根據(jù)武鋼在自動煉鋼技術(shù)消化、吸收、研發(fā)和推廣的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得出實(shí)現(xiàn)全自動煉鋼的基礎(chǔ)模型是靜態(tài)控制模型，核心模型是動態(tài)控制模型。從本質(zhì)上講，轉(zhuǎn)爐動態(tài)模型是理論模型理論模型的成功運(yùn)用的關(guān)鍵是要增強(qiáng)模型的適應(yīng)

6、能力和再現(xiàn)性。對影響動態(tài)控制模型應(yīng)用因素、動態(tài)的分組以及參數(shù)調(diào)節(jié)技術(shù)的研究需要理論和實(shí)踐相結(jié)后(以下簡稱SL，一般在吹氧量達(dá)到靜態(tài)模型計(jì)算總氧量83%左右)根據(jù)SL測量值和鋼種吹1煉終點(diǎn)目標(biāo)范圍，對轉(zhuǎn)爐動態(tài)過程的熱平衡和供氧量進(jìn)行計(jì)算。這種在轉(zhuǎn)爐吹煉動態(tài)過程中，通過轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)實(shí)測的有關(guān)信息，進(jìn)行動態(tài)計(jì)算并調(diào)節(jié)的過程模型稱為動態(tài)控制模型。動態(tài)控制模型主要功能計(jì)算出動態(tài)過程的吹氧量、冷卻劑添加量。依據(jù)SL1后的實(shí)際吹氧量及冷卻劑添加量，實(shí)時預(yù)測鋼水的碳含量和溫度，當(dāng)預(yù)測值到達(dá)機(jī)發(fā)出停吹、提槍指令。吹煉停止時，動態(tài)控制模2.動態(tài)控制模型的定義和主要功能21動態(tài)控制模型的定義型停止運(yùn)行。3動態(tài)控制模型的

7、理論基礎(chǔ)脫碳理論在吹煉過程副槍第一次測量轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中實(shí)際的脫碳速率是“兩頭慢，中間快”1。動態(tài)控制模型運(yùn)用在吹煉后期，當(dāng)C降低到某一臨界值以下時，脫碳速率由碳的傳質(zhì)系數(shù)決定，脫碳速率開始減慢，并隨熔池C含量的減少而下降。如圖一所示2。a、B是動態(tài)脫碳系數(shù)，a為最高脫碳速度，理論值為1.07kg/m3；AVX為動態(tài)氧耗量，m3；h為冷卻劑的氧系數(shù)，m3/t；awcl為冷卻劑加入量,t,WST為鋼水重量,t。(3-3)(3-4)副槍定碳后動態(tài)供氧量和熔池中鋼水碳含量的計(jì)算公式如下升溫理論煉鋼動態(tài)過程的主要化學(xué)反應(yīng)式：2C+OT2CO+AH2C2Fe+OT2FeO+AH2FeC=Cesto/1+e

8、10cCV丄h.AWOXCpWST(3-2)定的碳含量，10-2%；3：exCm-Co卩丿-1expCEA-C0-1ln-滬（3-1）AV=PWST%OX10 xa廠Co卩一1e丿其中，C、C0、c分別為預(yù)測的鋼水碳est0m含量、碳氧界面碳含量、SL1測由上述兩式得：岀cFe丄AHc+（1-九）VX（3一5）CFeFe0.0224其中，H、H為反應(yīng)熱，CFeJ/mol；為氧氣利用率；入為碳反應(yīng)的氧耗百分比；劉為CFe供氧量為AV。*時產(chǎn)生的反應(yīng)熱，Jo根據(jù)3-3式可得：AV”二2x久x卩x0.02OX(3-6)AT=nAC+YAVOx-KawclWST(3-11)0.0112A=ACx“xA

9、VOX其中，ac為脫碳量代入3-5得：(3-7)，mol，將3-7AT=6.272(AHC-AHFe)g+卩AHFe(3-8)-10-7WSTCP6.27(2AH-AH)令n=FeCio-7CPY=AHFeCP其中，Cp為鋼水熱容系其中,K為冷卻劑的冷卻能力，C/t。將SL1測出的溫度TSL代入式SL3-11得：Test=TSL-nCest-CSLfW一KAWCL(亠T為預(yù)測的鋼水溫度，est為SL1測出的鋼水溫度。TSL數(shù)J/molK；T為升溫值,C。對理論公式的分析-nAC+YAVOXWST(3-9)則3-8式變?yōu)椋涸诠?-9中，AC可以通過將WST摩爾分?jǐn)?shù)換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)，該值可以看作是

10、動態(tài)過程中熔池中碳含量的變化值，即AC=CmmC。所以3-9可以變?yōu)椋篹st通過公式3-1、3-2可看出，脫碳系數(shù)a增加、提高氧氣的利用率和規(guī)范冷卻劑的加入有助于提升脫碳速率。從升溫理論的推導(dǎo)過程可以看出，升溫速度的快慢與氧氣利用率、鋼水熱容系數(shù)和冷卻劑的規(guī)范使用有很大關(guān)系。影響鋼水的熱容系數(shù)主要因素是廢鋼的熔化情況，加料情AVOXAT=-nAC+WOX(3-10)WST添加冷卻劑時，溫度下降，則得到：況等。裝入量的穩(wěn)定也非常重要。這些因素將在下文進(jìn)行詳細(xì)分析。4四分廠主體設(shè)備簡介和動態(tài)控制過程實(shí)現(xiàn)4.1四分廠主體設(shè)備簡介主要工藝設(shè)備包括2座KR脫硫裝置，2座200t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、2座吹氬站、

11、2座在線RH脫氣裝置、1座雙工位LHF,2臺5動態(tài)控制模型主要分組原則直弧形板坯連鑄機(jī)。動態(tài)控制過程實(shí)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)爐吹煉到總供氧量的83%理論模型在生產(chǎn)中運(yùn)用的關(guān)鍵是模型的適應(yīng)性和再現(xiàn)性左右，進(jìn)行SL1的測量，利用SL1的測量結(jié)果對動態(tài)控制模型在動態(tài)過程中，影響動態(tài)過程穩(wěn)定性的因素非常多，主要因素可進(jìn)行激活。SL1的測量結(jié)果可以分為三大類，鋼種終點(diǎn)目標(biāo)碳含分為四種情況：（1）C-T都測量、廢鋼方式和冶煉模式（因磷、出；（2）只測出C；（3）只測錳等的特殊要求，造成對動態(tài)過出T；（4）C-T都未測出（圖程渣量的影響）。過程示意圖。態(tài)過程的影響：根據(jù)脫碳理論和公式3-2和3-12可以看出，當(dāng)終點(diǎn)目標(biāo)碳由

12、高到低時，吹煉氧氣用于脫碳的比率降低而跟鋼水中Fe或2中未標(biāo)出）。圖2為動態(tài)控制鋼種終點(diǎn)目標(biāo)碳含量對動其它元素反應(yīng)的氧氣比率增加，度有較大影響，導(dǎo)致了冶煉過程就是目標(biāo)碳越低，吹煉后期脫碳升溫規(guī)律不同。塊度大的廢鋼不速率降低和升溫速率加快。四分易熔化，前期升溫快，熔池過程廠同一品種的鋁鎮(zhèn)靜鋼存在兩種不同的工藝路徑，一種目標(biāo)碳溫度高，碳在氧化時的產(chǎn)物CO2較少，而塊度小的廢鋼易熔化，含量為0.05%，另一種為0.075%。在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，該兩種工藝路徑對于動態(tài)控制存在明顯的影響。表1為同一鋼種不同目標(biāo)碳含量的不同脫碳、升溫系數(shù)表。表1同一鋼種經(jīng)Ar或RH處理工藝的轉(zhuǎn)爐動態(tài)過程脫碳、升溫系前期熔池

13、溫度低，氧化時的產(chǎn)物CO2較多（如圖3小，這種氧化產(chǎn)物的差異，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)爐冶煉過程生成熱不同，最終影響轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)溫度；同時，由于鐵水碳氧化產(chǎn)物的不同，所耗氧量也不同，不同廢鋼條件轉(zhuǎn)爐氧耗存在差別（如圖45）。特殊品種的廢響：由于廢鋼塊度不同造成比表面積不同，因而對廢鋼的熔化速數(shù)對照表目標(biāo)碳,aBYn0.059.913.512.3-6.10.0759.813.511.2-5.15.2廢鋼方式對動態(tài)過程的影鋼的影響更明顯，四分廠因使用部分含有3%左右Si的廢鋼,對熱平衡、噸鋼氧耗、動態(tài)降碳、升溫和渣量都有影響。此類廢鋼在四分廠作為計(jì)算機(jī)煉鋼模型的一個獨(dú)立參數(shù)。用率低。而對于錳有特殊要求的鋼種，前期采

14、取雙渣操作，后期再造渣，將會導(dǎo)致SL1的溫度低（主要原因是冶煉過程溫度偏低，廢鋼在前期熔化不好）、動態(tài)過程中鋼水熱容冶煉模式對動態(tài)過程的影響：因鋼種對終點(diǎn)磷、錳的要求不同，轉(zhuǎn)爐的吹煉模式也會出現(xiàn)各種不同。對于終點(diǎn)磷含量要求低的鋼種，過程渣量相對較大，過程控制以化渣為主，過程渣中的（Fe圖）含量相對要高系。從動態(tài)模型的參數(shù)設(shè)置可以看出為降碳系數(shù)小，氧氣利系數(shù)相對變大。此類鋼種在動態(tài)過程中的表現(xiàn)就是降碳速度相對較快，但升溫速度相對較慢（需要進(jìn)一步熔化大量廢鋼）。6.動態(tài)控制模型成功運(yùn)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)靜態(tài)模型是動態(tài)模型的基由于動態(tài)模型的控制過程時間短，基本上在2分鐘左右，分廠平均為112秒，調(diào)節(jié)能力受限

15、。因而靜態(tài)模型必須設(shè)定命中范圍，為提高動態(tài)模型的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性打下基礎(chǔ)。靜態(tài)模型命中需同時滿足以下條件：（1）TSC測量碳在00250.060%之間；動態(tài)計(jì)算曲線在目標(biāo)曲線范圍內(nèi)或以上(如圖2)，動態(tài)計(jì)算曲線在目標(biāo)曲線范圍以上時，滿足條件，達(dá)到終點(diǎn)命中時用提供二次能源；達(dá)到終點(diǎn)命中時的冷卻劑加入量小于1.5噸。提高靜態(tài)命中率是成功運(yùn)用動態(tài)模型的基礎(chǔ)，提高靜態(tài)過程穩(wěn)定性和命中率的主要途徑是：根據(jù)廢鋼方式(重廢、硅廢、渣鋼、熱壓塊等)、熔劑方式和些特殊要求來細(xì)化靜態(tài)分組和自學(xué)習(xí)分組，并及時檢查、修20。0爐次比率，分廠二次出鐵率和一號到底率穩(wěn)定在90%以上，熱平衡嚴(yán)重不足爐次由2010年年初的4.

16、6%降低到1.8%以下;(3)規(guī)范轉(zhuǎn)爐過程操作，提出了“一鍵煉鋼”的控制思路，減少人為干預(yù)，提高靜態(tài)模型的再現(xiàn)性和自學(xué)習(xí)功能；(4)規(guī)范計(jì)量管理和原材料管理,穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐裝入量。靜態(tài)命中率2010年全年平均達(dá)到79.2%,下半年維持在80%以上，最高達(dá)到82.4%。副槍運(yùn)行穩(wěn)定、測量精度高是成功運(yùn)行動態(tài)模型的前提。動態(tài)模型是以副槍TSC測量正參考爐次數(shù)據(jù)；(2)通過采取二次出鐵(為了熱平衡計(jì)算和勾料平衡計(jì)算的，副槍TSC未能測兌成分、溫度異常鐵水)、一號出，動態(tài)模型不能運(yùn)行。到底(出鐵號與熔煉號一致)和降低出鐵到入爐時間等方式優(yōu)化熱平衡計(jì)算，降低熱平衡嚴(yán)重不足(低于SL1命中標(biāo)準(zhǔn)溫度2010年副槍

17、綜合使用率穩(wěn)定在98.5%以上。穩(wěn)定的復(fù)吹效果轉(zhuǎn)爐采用濺渣護(hù)爐后，在不同的爐齡時期其復(fù)吹效果不同，動態(tài)過程的脫碳行為與轉(zhuǎn)爐復(fù)吹狀況有密切的關(guān)系。因此，在一定時期內(nèi)轉(zhuǎn)爐有一個穩(wěn)定的復(fù)吹效果是非常重要的，另外，穩(wěn)定的復(fù)吹效果也更便于采用轉(zhuǎn)爐動態(tài)計(jì)算系數(shù)的快速調(diào)節(jié)技術(shù)和提高自學(xué)習(xí)的及時性和準(zhǔn)確性。冷卻劑的快速加入動態(tài)過程相對較短，動態(tài)過程冷卻劑的快速加入尤其重要。動態(tài)過程的冷卻劑應(yīng)該通過快速給料器直接加入爐內(nèi)，讓其快速參與脫碳反應(yīng)并起到降溫的作用。冷卻劑加入晚，會造成熔池內(nèi)成分和溫度不均，有時甚至?xí)霈F(xiàn)較大的差異。6.5供氧系統(tǒng)穩(wěn)定和合理的供氧制度動態(tài)過程氧量相對較少，以200噸的轉(zhuǎn)爐為例在1400

18、m3左右。調(diào)節(jié)閥的靈敏度和氧氣閥門的開關(guān)速度、開關(guān)氧點(diǎn)和氧槍的運(yùn)行速度的合理匹配非常重要。分廠專門對調(diào)節(jié)閥、開關(guān)閥時間、開關(guān)氧點(diǎn)、待吹點(diǎn)、氧槍升降速度進(jìn)行了調(diào)整，使終點(diǎn)提槍后氧量過沖控制在100m3以內(nèi)，且過沖量穩(wěn)定，可以從模型中直接進(jìn)行修正。合理的供氧制度對靜態(tài)過程和動態(tài)過程都有很大影響，同時，不穩(wěn)定的靜態(tài)過程也會對動態(tài)過程產(chǎn)生影響。分廠開工初期的供氧強(qiáng)度335m3/tmin,發(fā)現(xiàn)在操作過程中的化渣情況良好，但攪拌偏弱，過程渣活躍且動態(tài)時降碳困難，終渣稀。為了摸索合適的供氧強(qiáng)度，進(jìn)行了3.45m3/t.min、3.60m3/t.min、3.75m3/t.min三種供氧強(qiáng)度的試驗(yàn)。最后得出在3

19、.75m3/t.min的供氧強(qiáng)度的情況下，整個操作過程穩(wěn)定，動態(tài)過程降碳速度正爐次的人工修正常，且SL1的碳磷比維持在一個1合適的范圍。槍齡高的后期氧槍根據(jù)自學(xué)習(xí)的分組原則和各鋼廠的生產(chǎn)實(shí)際情況要不斷對靜態(tài)過程和動態(tài)過程均會產(chǎn)完善自學(xué)習(xí)模型約束條件和自生很大影響，氧槍的管理工作非學(xué)習(xí)的分組，從而提高模型的自常重要。修正能力。同時，技術(shù)人員要對表2不同供氧強(qiáng)度對轉(zhuǎn)爐動態(tài)過程脫碳系數(shù)，終渣(TFe),SL1C/P的影響供氧強(qiáng)aB(TFeC/度)Pm3/t.m%in3.359.13.19.41.593883.459.13.18.71.485893.609.13.17.61.456833.759.13.16.51.369546.6完善的自學(xué)習(xí)功能和參考參考爐次進(jìn)行檢查，當(dāng)參考爐次與當(dāng)時的操作條件不吻合，要進(jìn)行人工修正。7動態(tài)控制模型成功運(yùn)用的效果計(jì)算機(jī)煉鋼一鍵煉鋼率和C-T雙命中率顯著提高一鍵煉鋼率和C-T雙命中率能很好反映動態(tài)控制模型運(yùn)行的狀況。2010年轉(zhuǎn)爐一鍵煉鋼率平均達(dá)到87.21%,最高達(dá)到93.12%；C-T雙命中情況也穩(wěn)步提升，下半年穩(wěn)定在90%以上，最好達(dá)到94.04%圖5四分廠2009年與2010年一鍵煉鋼率與C-T雙命中率100908070605040illllllllllll1111111111mm/$介淤r腫nne腫腫$介、一鍵煉鋼率碳