烟气分析动态控制炼钢技术的实践应用

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摘要：介绍马钢120 t转炉烟气分析动态控制炼钢技术的多功能应用：启用自学习，自适应功能，针对不同原材料条件，优化供氧造渣制度，实现全自动炼钢新模式；实践证明，本技术实施后，有效监控转炉底吹搅拌效果，ω([C])×ω([O])浓度积值在0．0012～0．0030占78．8％；利用烟气分析CO浓度变化趋势指导操作，降低喷溅率在4．0％以下；优化吹炼工艺，强化脱磷脱硫效果；准确预报钢水终点氧含量，提高脱氧合金化效果，降低吨钢成本5元；增加煤气回收量9 m³／t钢和提高ω(CO)5％～8％等显著成效。

关键词：转炉；烟气分析；多功能应用；成效

中图分类号：TF729．5 文献标识码：A 文章编号：1006-9356(2009)04-0023-05

马钢120 t转炉自2004年就采用了烟气分析动态控制炼钢技术，是全国最早、最成功运用该技术的厂家，现低、中高碳钢终点碳温命中率[ω([C])±0．01％、ω([C])±0．02％，t±16℃]分别达到88．6％和85％以上^[1^，2]。

近年来通过对烟气分析动态控制炼钢技术的多功能开发应用取得了：①解决了模型运用初期对原材料成分质量要求高适应性差，吹炼过程易发生喷溅、粘枪事故等弱点，启用模型自学习、自适应功能，根据原材料变化范围大，输入近1万炉次数据进行反馈校正计算，拓宽模型适应范围，优化设计出8种供氧造渣制度，实现了从下枪吹炼到自动加料自动提枪全过程自动化炼钢控制新模式。②适时监控转炉底吹搅拌效果，成功冶炼低碳、超低碳诸多钢种。③利用烟气分析CO浓度变化有效指导冶炼操作，防止返于减少喷溅发生，降低喷溅率在4．0％以下。④优化转炉吹炼操作，强化脱磷脱硫效果。⑤终点准确命中率高，钢水ω([O])波动范围小，达到最佳脱氧合金化效果。⑥根据烟气分析采用质谱仪可连续采集，快速分析(1．5 s周期)CO浓度，实现煤气开始回收时间提前，结束时间延后，提高煤气回收率和CO浓度等多功能用途。

1 烟气分析动态控制技术简介

整个系统由3个部分组成图1：①连续采集，处理转炉烟气的低维护量的LOMAS系统；②在线分析质谱仪；③烟气分析动态控制系统。

转炉动态控制模型是整个系统的核心技术部分，该技术在转炉吹炼时全程快速分析烟气成分(1．5 s周期)，并根据烟气变化情况动态计算脱碳速率和钢水碳含量，特别是在吹炼末期[C][O]反应趋于平衡后，动态计算、校正熔池温度，准确预报吹炼终点碳和温度。动态控制模型主要由炉气定碳、温度预报、喷溅预报、冷却剂控制等模式构成，模型的自学习、自适应功能是提高模型精度和实用性的关键。

2 烟气分析动态控制技术的多功能应用

2．1 对炼钢动态模型的控制应用

动态模型就是根据质量和能量平衡及热力学和动力学为理论，以熔池物料平衡为基础建立脱碳模型，依烟气分析结果计算炉气中脱除的碳量和脱碳速度预测炉内剩余碳含量，利用热量平衡原理计算熔池温度。

(1)刚投用的模型中平衡方程依据造渣原料都是理想状态，而实际所用造渣料远远达不到理想值，质量成分波动大，同时，转炉炉衬侵蚀引起热损失变化、氧枪喷头磨损更换、磷和硫在钢渣间分配系数都对热平衡和氧利用率产生影响，需对平衡方程原理和参数进行修正，调整氧在钢渣之问的分配值及氧气利用率系数，使热平衡计算始终处于动态过程中，如对造渣所用石灰中碳酸钙高温分解在方程式中加入热效应的理论计算和及时更新转炉炉衬热损失和原辅料成分的变化等参数，提高终点预报准确性。

(2)根据马钢高炉铁水成分波动范围很大(表1)，需对动态控制模型区间做适应性调整，考虑到铁水中硅对造渣料加入量和转炉升温的影响，以及铁水中原始磷对终点磷的影响，首先根据铁水中Si、P质量分数不同，将供氧制度分为6种枪位模式；其次根据实际操作经验和模型设定，相应调整吹炼过程中造渣料加料方式由原来的2～3批改为6批，加料时间相应延长到总供氧量的70％模式，保证料熔化均渣匀、实现吹炼平稳，降低喷溅和粘枪现象；第三加强对铁水成分、温度和渣料成分分析测量并提高数据的精度，确保模型所需数据准确及时有效。

(3)为提高动态控制终点钢水C、t命中率，启用自学习、自适应校正模型，采用增量效验和神经网络技术实现对分析结果延误的矫正和系统误差的消除，即在每炉冶炼结束后，进行整个冶炼状态二次计算，包括C、t、P、S校正计算，对钢水和渣成分、质量反馈，以检查成分和温度是否达到了设定值。若偏差超出范围之外，则本炉数据不能用作在线调整依据，如果偏差在范围内，将在以前参数和实际计算值基础上用指数平滑函数计算新参数，更新不同的工艺参数，特别是对终点前2～3 min的C-CO、C-CO₂、以及C-N的变化对应关系进行回归分析，调整碳随烟气变化速率，经过近1万炉数据校正反馈，现钢水终点C、t双命中率进一步提高达到94％以上，只需按动一下开吹键，即实现了从吹氧开始到吹炼结束不倒炉直接出钢全过程自动化炼钢新模式，冶炼时间由原38 min缩短为现32 min。

2．2 对底吹搅拌的控制应用

烟气分析动态控制技术要求转炉必须有良好的底吹搅拌来均匀熔池中钢水的成分和温度，保证烟气分析的结果能真实反映转炉的冶金反应过程。通过烟气分析可以从3方面优化监控转炉底吹搅拌效果。

首先，从炼钢学原理可知^[3]：吹炼后期脱碳速率的限制性环节是由钢水中碳传质速度决定，而碳的传质速度与底吹搅拌效果密切相关。在相同供氧制度下，若底吹搅拌良好，烟气分析中CO曲线在吹炼末期下降很快，表明钢水中碳很快被氧化，[C] [O]=CO↑(如图2)。若底吹搅拌效果不好，CO曲线在吹炼末期缓慢下降，时有起伏，表明钢水中碳氧化速度慢并且不均匀既脱碳困难(图3)。实践中以不补吹一次吹氧到终点钢水中碳能否小于0．03％以下，作为底吹搅拌效果判断的依据。

其次，从吹氧时间上判断。根据马钢铁水中C的质量分数平均为4．2％，铁水质量为105 t，生铁中C的质量分数平均为4．1％，生铁质量15 t，废钢中c的质量分数平均为0．15％，废钢质量为20 t，总碳量为5055 kg，终点目标碳定为0．03％，需氧化掉5017．2 kg，在现有的供氧制度(供氧压力0．85 MPa，氧气流量24000 m³／h，出口马赫数2．0，4孔拉瓦尔式喷头)，底吹良好，吹氧量为7500±150 m³，钢水吹氧时间为17～17．3 min，若供氧时间大于17．5 min，结合烟气曲线可判断脱碳困难，底吹效果不佳。

最后，从一倒的ω([C])×ω([O])浓度积上判断，转炉底吹效果良好时，在炉役前期，实测832炉，ω([C])×ω([O])浓度积值在0．0012～0．0045，其中小于0．0030占78．8％，炉役后期，炉底上涨后，实测548炉，ω([C])×ω([O])浓度积在0．0023～0．008 4，大于0．0035占72．4％。

如何确保良好的底吹搅拌效果，马钢在120 t转炉上采取了以下主要措施：①使用了钢研院提供的双环缝式底枪，每座转炉安装6根底枪；②在底吹管路系统专门设计了一套返吹系统，一旦底吹变差，可采用空气返吹；③对不同钢种采取了不同地底吹供气制度(表2)；④在吹炼和溅渣过程，适当控制ω(MgO)在8％～10％，严格控制炉底上涨高度在新炉底±200 mm以内，一旦上涨及时采取洗炉底等措施。现转炉在冶炼低碳、超低碳钢种时出钢终点碳小于0．025％以下达到93％以上。

2．3 对返干与喷溅的控制应用

通过对转炉冶炼过程中CO浓度的变化和发展趋势与转炉冶炼操作相关性研究^[4]，指导操作人员可提前预测冶炼过程中可能出现返干、喷溅等异常情况，并采取相应措施。

根据冶金学原理，在转炉冶炼过程中CO浓度的变化与脱碳速度成正比，吹氧时熔池ω([C])变化分为3个阶段：前期为硅锰磷反应期，时间3～4min，脱碳速度与时间成线性关系为dω([C])／dt=k₁t，中期为碳反应期脱碳速度由供氧速度决定dω([C])／dt=k₂，时间8～10 min，后期脱碳速度由钢水中碳传质速率决定dω([C])／dt=k₃ω[C]，时间2～3 min，反映在烟气分析CO曲线浓度变化如图2。

吹炼前期时间过长，表明脱碳反应推迟，熔池温度低，化渣困难，CO浓度上升缓慢，应采用压枪提温，加快C-O反应速度，优先考虑提温化渣；在吹炼中期，碳氧反应激烈，CO浓度正常范围在(50±10)％之间，若CO浓度急剧上升，表示着碳氧反应剧烈，产生大量CO气体从熔池内排出，将带动钢渣喷出炉口，从而产生喷溅，如图4，这时应采用加料和短时间提枪或降氧压，降低脱碳速率，消除喷溅，若CO浓度短时间显著下降，则预示着碳氧反应速度降低，渣中ω(FeO)有高降低，升温慢，炉渣将出现返干预兆，应采取提高枪位，加矿石、氧化铁皮等操作，增加FeO含量，但时间不宜过长，以免后期温度升高后，渣中ω(FeO)高，C-O反应剧烈产生喷溅；吹炼后期CO曲线缓慢下降，时有起伏，表明钢水中碳未脱尽或废钢未化完，需继续压枪操作。通过CO浓度曲线指导冶炼操作，现喷溅率由原来的21％下降到4％以下，钢铁料消耗控制在1110 kg／t以内。

2．4 对磷硫的控制应用

脱磷反应为2[P] 5(FeO) 4(CaO)=(Ca₄ P₂O₉) 5[Fe]，可见脱磷需炉渣有较高的氧化铁和碱度以及较低熔池温度，此外，由于脱磷反应属于界面反应，还须满足一定的动力学条件，以加快成渣速度和加大渣和金属的接触面积。脱硫反应为[FeS] (CaO)=(CaS) (FeO)，脱硫需渣中氧化钙高、氧化铁低和熔池温度较高。从转炉吹炼过程分析，吹炼前期有利脱磷，后期有利脱硫。但在氧气转炉炼钢时，因熔池供氧则炉内呈氧化气氛，渣中氧化铁较高，使转炉脱硫能力受到限制，一般在达30％左右。

根据马钢铁水条件，铁水中ω(P)=0．10％～0．14％、ω(S)=0．02％～0．09％，要求转炉终点ω(P)≤0．012％，ω(S)<0．015 %。马钢采用铁水预处理工艺，将铁水终点ω(S)脱至0．005％以下，同时在严格控制高硫炉料加入量，冷料以废钢为主，少加或不加生铁的基础上，一是应用烟气分析依据原料条件利用静态模型计算最佳原料配比，碱度控制在3．0～3．3，确定适合的装入、造渣和吹炼制度，实行前期配加矿石0．8～1．5 t和留渣操作以助化渣；二是应用烟气分析定碳技术控制枪位，根据吹炼过程中所测转炉烟气成分及烟气量可计算出每一时刻炉渣中所蓄积的氧气，用以控制渣中氧化铁合理量，造渣制度实行铁质成渣路线即保证吹炼过程和吹炼终点渣中有较高的氧化铁；三是吹炼前期为加速化渣和脱磷，渣中保持较多氧化铁，采用(1．8±0．1)m的高枪位，22000～23000 m³／h的中等供氧强度，底吹强度采用0．06 m³／(t·min)的大气量；吹炼中期脱碳反应激烈，采用(1．5±0．1)m的低枪位、24000～25000 m³／h的大供氧强度、底吹强度采用0．04 m³／(t·min)的中供气量；吹炼后期碳-氧反应减弱，为保证渣中有一定氧化铁，进一步均匀熔池成分和温度，采用(1．7±0．1)m的中枪位、21000～22000 m³／h的低供氧强度、底吹采用0．09m³／(t·min)的大供气量；吹炼终点前1．5 min，采用压枪操作枪位1．2 m。同时利用吹炼中后期高温、高碱度、低氧化性的有利脱硫的热力学条件和底吹搅拌效果好的动力学条件，实现高温状况下化好渣强化脱硫效果，四是采用出钢双挡渣，吹炼前用挡渣帽堵出钢口，防止摇炉出钢时下渣，出钢快结束时用挡渣塞挡渣，控制每吨钢下渣量小于3kg经实践后，转炉脱磷率、脱硫率达到92％、35％以上，保证终点ω(P)≤0．012％，ω(S)≤0．015％，满足不倒炉直接出钢的要求。

2．5 对脱氧合金化操作的控制应用

应用转炉烟气分析动态控制系统，准确预报钢水终点碳和温度值及磷硫符合要求，确保转炉终点命中率，实现不倒炉直接出钢模式，使得钢水终点氧含量不仅低而且稳定在很窄的范围内，通过实测557炉定氧数据，终点钢水氧质量分数波动在427～678×10^-6；可实现模型准确计算合金收得率，并且根据钢水成分范围和合金价格选择最经济、最合理的脱氧合金化模式，既提高钢水质量，又降低了消耗，并对钢水中P、S变化趋势进行储存预报控制，模型还考虑到Al、Si、Mn氧化及钢包本身周转次数，烘烤情况对温度的影响，可确保成分和氩前温度稳定，钢种的内控达标率由原84％提高到96％以上。模型应用前后成分控制精度对比见表3。

2．6 对煤气回收操作的控制应用

由于烟气分析采样点位于转炉尾部烟道顶部，在烟气冷却和除尘系统的前面，根据质谱仪连续快速分析烟气成分<1．5 s周期特点，其一可使操作人员提前20 s获悉炉气信息，及时回收煤气，同样在吹炼末期将停止回收时间延后，可增加煤气回收时间1 min左右，实现每炉煤气回收时间累计延长1～2 min。其二，利用质谱仪分析ω(CO)来作为调节活动烟罩的升降，以控制从炉口吸人的空气量，提高ω(CO)浓度，提前满足回收条件和延迟回收时间。第三，由于可以从烟气分析掌握炉内冶炼反应状况，操作人员无需看火判断估计，最终实现全降罩封闭操作，对煤气回收、风机寿命和除尘效果极为有利。采用和未采用质谱仪回收煤气的效果见表4。

3 结论

(1)马钢120 t转炉通过对烟气分析动态控制炼钢技术的多功能应用，启用自学习、自适应功能，针对不同原材料条件，优化动态控制模型和供氧造渣制度，钢水终点C、t双命中率有进一步提高达94％以上，实现从下枪吹炼到自动提枪全过程自动化炼钢控制新模式。

(2)应用烟气分析实现优化监控底吹搅拌效果，可达到ω([C])×ω([O])浓度积值在0．0012～0．0030占78．8％，优化转炉吹炼工艺指导冶炼操作，控制终点磷硫分别小于0．012％和0．015％，降低喷溅率在4．0％以下，达到脱氧合金化最佳效果降低吨钢成本5元和提高煤气回收率增加煤气回收量9 m³／t钢等经济技术指标，该技术具有广阔的应用发展前景。

参考文献：

[1]吴明，梅忠．转炉烟气分析动态控制炼钢技术[J]．冶金设备，2006，(4)：71．

[2]吴明，吴发达．应用烟气分析动态控制技术冶炼中高碳钢的生产实践[J]．钢铁，2007，42(12)：38．

[3]曲英．炼钢学原理[M]．北京：冶金工业出版社，1987．

[4]郑沛然．炼钢学[M]．北京：冶金工业出版社，1994．

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