基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种真空吹氧脱碳精炼的控制方法。
【背景技术】
[0002] 真空吹氧脱碳（Va州um(kygenDecarburization，V0D)，主要是利用真空条件促 进碳氧反应并减低铅元素氧化的原理来进行脱碳冶炼的。置于真空罐内钢包中的不镑钢钢 水利用顶吹氧枪吹氧来获得氧，氧溶解于钢液并和钢液中碳反应，没有反应的溶解氧在后 续的深真空处理阶段可W持续与钢液中碳反应，从而可W获得很低的碳含量。V0D法是生产 不镑钢尤其是超低碳、氮不镑钢的理想方法。
[0003] 通过合理的吹氧控制，实现有效脱碳，并控制合金元素铅的氧化，减少还原消耗， 缩短冶炼时间，实现优化冶炼是V0D精炼的控制目标。因V0D炉在真空精炼处理过程中不 便于取样，冶金工作者陆续开发了多种V0D脱碳停氧控制法：（1)计算法。主要采用理论 计算结合经验系数来计算所需的供氧量，按供氧量来确定吹氧结束时间。该种方法只适用 于具体的设备，各厂家有不同的计算方法，且难W实现准确控制。（2)真空度及废气温度控 制法。即利用压力、温度变化的特征作为V0D停氧控制的依据，该在早期有过应用。（3)气 体红外分析判定法。利用红外气体分析仪来分析V0D精炼废气中C0、C〇2及〇2的成分，依 据气体中C0含量变化特征并参考真空度变化来控制停氧时刻。该种方法可W较为准确地 确定停氧时间，并且不受具体设备的限制。（4)气相定碳法。通过气体成分中C0和C〇2含 量分析，结合气体流量检测计算脱碳量，达到脱碳量后即停止吹氧。当废气流量不易测量或 不易准确测量时，可采用惰性气体示踪方法。废气分析通常采用红外分析及质谱仪，采用红 外分析系统时，可用标气法来测量流量，该种方法在美国一些钢厂用来控制终点碳。（5)氧 浓差电池法。依据废气氧势连续测量变化特征，反映吹氧的终始点，并能够反映不正常的炉 况。此方法测量准确，反应迅速，连续显示，操作方便，便于自动化控制，曾用于国内多家钢 厂，取得了较好的控制效果。
[0004] 质谱仪炉气分析因为能够提供快速、准确、多种气体成分连续变化的详细信息，是 红外等其他测量手段所无法比拟的(红外分析滞后时间较长，分析气体种类有限)，目前在 炼钢过程应用日渐普遍，利用炉气分析系统开发先进的V0D过程控制，冶金效果较人工经 验控制模式有较大改善。
[0005] V0D精炼脱碳控制的关键是控制吹氧量及停吹时间。吹氧量不够，则不能满足终点 碳要求；过度的吹氧则会造成钢液中合金元素铅过度氧化，钢液过热W及还原剂消耗急剧 增加，也不利于提高钢水质量。目前，生产上利用质谱仪分析的废气成分变化特征结合人工 经验可W辅助判定停氧时间。但是由于人工经验带有很大的主观性，造成不同操作人员的 差异，而且炉气取样分析也可能因各炉次条件不同而存在较大的变化，也不利于过程稳定 控制。对于V0D精炼过程控制而言，更需要量化的信息，并可W连续跟踪过程脱碳及碳含量 变化，从而可W精确控制吹氧及终点碳含量，W实现优化冶炼的目标。
[0006] 日本专利第JP61195913A号和第JP62263916A号公开了一种V0D吹氧量分段计算 的脱碳控制方法。后者同时给出相关参数更为详细的计算方法，并给出了真空脱碳处理时 间的计算方法。在实际应用中，VOD处理起始的钢液碳含量为终点目标碳的几十倍，仅利用 模型是难W实现整个脱碳过程都较为准确的跟踪和控制的，越往脱碳后期，计算碳含量的 相对偏差越大，因此难W实现精确控制。在超低碳不镑钢冶炼过程中为了严格控制碳含量 则经常会出现吹氧过度。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方 法，可有效控制吹氧量及停吹时间，W满足终点碳要求和避免钢液中合金元素铅过度氧化、 钢液过热W及还原剂消耗急剧增加，W利于提高钢水质量。
[0008] 本发明的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，包括W下步 骤：
[0009] 在抽真空及前处理并氧枪吹氧开始后，计算吹氧阶段废气参数信息，包括炉内气 体发生量和炉内气体成分；
[0010] 基于炉内废气参数信息，计算吹氧脱碳速率；
[0011] 跟踪计算钢液碳含量；
[0012] 对吹氧脱碳速率修正系数和钢液碳含量修正计算判定；
[0013] 顶枪吹氧结束判定；
[0014] 计算真空阶段的废气相关参数信息，包括吸入空气量和废气流量计算、炉内气体 发生量和炉内气体成分计算；
[0015] 计算真空处理脱碳速率；
[0016] 计算钢液碳含量；
[0017] 深真空自由脱碳处理停止判定；
[0018] 后续处理至V0D处理结束。
[0019] 所述计算吹氧阶段的废气相关参数信息包括：计算吸入空气量qieak(Nm3/h)和废 气流量(Nm3/h)、计算炉内气体发生量(Nm3/h)、W及计算炉内气体成分；
[0020] 所述废气流量qwf和吸入空气量Qieak利用W下公式计算得到： 分=----
[0021] '扛 …專,1'r-妥V:巳,|f每|'化|《- ! (，___(-'?!>
[002引式中，QAt为钢包底吹氮气流量（NmVh)，gy,为钢液脱氮反应生成气体流量巧钢液 吸氮反应，则为负值)W及吹入氮气流量的总和（NmVh)，Cf为空气中Ar的含量，Ca,为质谱 仪分析的废气中Ar的含量，C:为空气中N,含量，C,、，为质谱仪分析的废气中N,含量； [0023] 炉摊发化巧C(NmVh)剩jimK公乂UTm:判；
【主权项】
1. 一种基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其特征在于，包括以 下步骤： 在抽真空及前处理并氧枪吹氧开始后，计算吹氧阶段废气参数信息，包括炉内气体发 生量和炉内气体成分； 基于炉内废气参数信息，计算吹氧脱碳速率； 跟踪计算钢液碳含量； 对吹氧脱碳速率修正系数和钢液碳含量修正计算判定； 顶枪吹氧结束判定； 计算真空阶段的废气相关参数信息，包括吸入空气量和废气流量计算、炉内气体发生 量和炉内气体成分计算； 计算真空处理脱碳速率； 计算钢液碳含量； 深真空自由脱碳处理停止判定； 后续处理至VOD处理结束。
2. 根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其 特征在于，所述计算吹氧阶段的废气相关参数信息包括：计算吸入空气量和废气流量、计算 炉内气体发生量、以及计算炉内气体成分。
3. 根据权利要求2所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其 特征在于，所述废气流量q#和吸入空气量qleak利用以下公式计算得到：
式中，为钢包底吹氦气流量（Nm3/h)，l为钢液脱氮反应生成气体流量以及吹入氮 气流量的总和（Nm3/h)，Cf为空气中Ar的含量，(^为质谱仪分析的废气中Ar的含量，CJ 为空气中N2含量，为质谱仪分析的废气中队含量。
4. 根据权利要求2所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控 制方法，其特征在于，炉内气体发生m(%)利用以1f公式汁详得到：
5. 根据权利要求2所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其 特征在于，所述炉内气体成分利用以下公式计算得到：
式中，c'i为气体i计算的中间值，C7为炉内气体j的含量。
6. 根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其 特征在于，吹氧脱碳速率根据以下公式计算得到： 若处于高碳区，即有：
式中，CK]为当前钢液碳含量，C|rlu为高碳区临界碳含量，qro为非吹氧反应生成的C0气 体流量（Nm3/h)，P°为标准大气压（101325Pa)，R为气体常数（8.314J/mol/K)，M。为碳原子 的摩尔质量（kg/mol)，T°为标准状态温度（273. 15K)，f,为吹氧脱碳速率修正系数。同时计 算脱碳速率常数：^ < /q"r|，n为指数系数； 若处于中碳区域，即，ci(iSc'l(lu，有：
式中，c|t.h为低碳区临界碳含量。同时计算脱碳速率常数
平衡碳含量； 若处于低碳区域，即*有：
式中，CK]为当前的钢液碳含量，为当前吹氧条件下的平衡碳含量。
7.根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其 特征在于，所述钢液碳含量根据以下公式计算得到： C[c]=(C[c]m-rc A t_r' c A t) / (m+ A m)； 式中，m为当前时刻前一步长的钢液重量（kg), Am为At时间内的钢液质量变化(kg)，r。为吹氧脱碳速率（kg/s)，r'。为其他反应区域的脱碳速率（kg/s)。
8. 根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其 特征在于，所述吹氧脱碳速率常数修正判定计算： 若吹氧脱碳速率< 小于平均脱碳速率的一半，且本炉次至此尚未进行脱碳速率修正， 取此处作为修正计算的临界点，并计算脱碳速率常数修正系数：
式中，为吹氧起始的碳含量，Cfcl为临界点的碳含量，m°为起始的钢液重量，nf为临 界点处的钢液重量。计算修正系数后返回步骤（C)，重新进行计算至当前时刻。
9. 根据权利要求1所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，其 特征在于，所述钢液碳含量修正判定计算： 若，钢液碳含量处于低碳区域，且吹氧脱碳速率大于临界点前的平均吹氧脱碳速率，即
，其中^为临界点前由炉气推算的平均的脱碳速率，则将钢液碳含量重 置为低碳区临界碳含量，即=qt1l ◎
10. 根据权利要求i所述的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法， 其特征在于，计算真空阶段的废气相关参数信息包括： 时间为t=t+At，获取当前最新的炉气取样分析动态信息，包括C0、C02、02、N2、Ai^PH2， 共6种气体； 若采用底吹氩气，吸入空气量和废气流量计算为：
若采用底吹氮气，吸入空气量和废气流量计算为：
所述计算真空处理脱碳速率根据以下公式计算得到：
式中，#为j反应区的脱碳反应速率（kg/sXkjSj反应区的脱碳表观传质系数（m/s)， A」为j反应区的反应面积（m2)，Pm为钢液密度（kg/m3)'#为j反应区的碳平衡含量；这 里的反应区域包括：钢液表面的炉渔与钢液的界面反应区、钢液表面反应区、钢包底部吹入 气体和钢液的界面反应区。总的脱碳速率为
所述钢液碳含量根据以下公式计算得到：cAt)/〇n+Am)。
【专利摘要】本发明是一种基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，包括：在抽真空及前处理并氧枪吹氧开始后，计算吹氧阶段废气参数信息，包括炉内气体发生量和炉内气体成分；基于炉内废气参数信息，计算吹氧脱碳速率；跟踪计算钢液碳含量；对吹氧脱碳速率修正系数和钢液碳含量修正计算判定；顶枪吹氧结束判定；计算真空阶段的废气相关参数信息，包括吸入空气量和废气流量计算、炉内气体发生量和炉内气体成分计算；计算真空处理脱碳速率；计算钢液碳含量；深真空自由脱碳处理停止判定；以及后续处理至VOD处理结束。本发明可以将因环境变化对炉气检测信息的干扰降低，更为有效地用于模型计算及过程监控，对过程吹氧及真空处理时间的准确控制。
【IPC分类】C21C7-068
【公开号】CN104775006
【申请号】CN201410010822
【发明人】李青, 郭亚芬, 李实
【申请人】宝山钢铁股份有限公司, 宝钢不锈钢有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2014年1月9日