转炉冶炼过程工艺行为解析与脱碳控制研究

牛志军

新疆天山钢铁巴州有限公司 新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县 841300

摘要：转炉炼钢是当前世界上最重要的炼钢生产方法，转炉钢产量占炼钢总产量的８０％以上。在当前钢铁行业推进智能制造的大背景下，实现转炉炼钢的模型化、智能化控制势在必行。开发转炉炼钢工艺控制模型对于提高转炉控制水平、推进炼钢智能化具有非常重要的现实意义。

关键词：转炉冶炼；工艺；研究

引言

转炉炼钢工艺模型主要有两大类：一类是数据模型；一类是机理模型。数据模型通常基于工业生产数据，采用统计分析方法或机器学习算法来计算转炉的工艺操作参数，比如渣料／冷却剂的加入量、总的吹氧量等，数据模型一般通过求解算法的选择或改进来提高模型的计算精度。机理模型则主要以冶金反应机理解析为基础，研究冶炼过程某一具体的工艺现象或模拟其工艺过程，例如顶吹射流冲击行为、熔渣乳化行为、废钢熔化行为，以及氧化脱碳等行为。机理模型涉及的冶金热力学和动力学参数非常复杂，在经典研宄中往往受当时实验条件的制约而获得相对简单的解析结果，并且因设备条件所限对实际生产复杂工况认识不足，导致其研究成果很难直接应用于工业现场；而工业上常用的数据模型又因为缺乏理论上的可解释性，因而对于工艺过程的变化轨迹无法把握，使得其工况适用性不佳，同一求解算法在不同工况下的应用效果差异较大。

1转炉冶肛艺麵的钱类型

国内外的转炉冶炼工艺模型，根据建模方法的不同主要可分为两大类：一类是基于统计回归或机器学习等算法的数据模型；另一类是基于冶金反应原理的机理模型，数据模型一般用于静态计算，采用各种统计分析或机器学习算法进行建模，对工业现场数据或冶金实验数据进行统计回归或将其作为机器学习算法的训练样本，通常只要模型结果达到一定精度即可，而对相关的冶金机理不做深入探宄。反应机理模型则是基于基本的炼钢反应机理，对于冶炼过程发生的物理化学反应进行计算与耦合，其中涉及的热力学与动力学参数主要通过实验测量或理论推导得出，部分难以直接测量的参数则可通过对工业数据进行拟合得到，反应机理模型既可用于对工艺结果的静态计算，也可用于工艺过程的动态仿真。从应用特点看：数据模型主要用于从起点到终点的静态计算，而不考虑各种工艺因素的相互关系及工艺过程的变化路径，当数据量足够大时，数据模型由于可以引入各种复杂的数据分析与机器学习算法，从而能获得较好的预测精度，因此在工业中具有一定的应用前景；对于冶金反应的动态控制及其过程仿真，则通常需采用反应机理模型，首先需通过理论分析或实验模拟，明晰各种工艺现象的冶金反应原理及其相互作用关系，进而建模计算，得到工艺反应的最终结果，以及对过程连续变化的工艺参数进行动态仿真。

2转炉冶炼过程工艺行为研究

2.1顶吹射流及对熔池冲击行为

目前，对于转炉顶吹氧气射流及其对金属熔池冲击行为的研究，主要采用物理模拟和数值模拟两种方法。其中，蔡志鹏＿等通过物理模拟方法研宄了室温工况下射流衰减行为及其对熔池的冲击特性，得到了冲击凹坑深度的经验公式。然而，室温工况的实验测量结果很难精确反应转炉冶炼过程高温条件下超音速射流的实际流动特性，因此，通常需要借助CFD技术对转炉实际高温工况下的射流衰减及其冲击行为进行数值模拟研究。由单孔拉瓦尔管喷出的气流通常为轴对称的超音速湍流自由射流。一般将超音速射流分为三段，即势能核心段、超音速段和亚音速段，其中核心段之后的部分又可称为速度衰减段。势能核心段内的射流速度几乎不发生衰减，基本接近于喷孔出口的射流速度；核心段以外的区域，由于受到湍流卷入的影响，射流速度逐渐衰减。在转炉操作枪位下，超音速氧气射流经过一定程度的衰减之后仍然保持了较高的速度和动能，在到达熔池液面时与其发生相互作用。从动力学角度看，顶吹射流与熔池的相互作用是转炉冶炼过程中产生各种复杂的物理化学现象的首要决定因素。

2.2乳化渣相中熔剂溶解行为

转炉开始吹炼以后，随着氧化反应的进行和石灰、白云石等造渣料的溶解，在转炉熔池上方逐渐形成以Cao、Si02、Mgo、Mno、Feo等为主要成分的熔融态炉渣，而高速氧气射流冲击熔池表面，产生了许多金属液滴，这些金属液滴落入炉渣后，与渣中Feo反应生成大量的CO气泡弥散在炉渣中并使之发生泡沫化，进而导致了渣－金－气三相乳化区的形成。乳化区的存在极大地增加了渣－金反应的界面积，从而增大反应速率，对炼钢整体反应效率影响较大。因此，国内外的研究者们对炉渣乳化（或称泡沫化）现象的产生机理和影响因素进行了较为广泛的研宄。Ito和Frehan，通过实验研究了粘度和表面张力与炉渣泡沫化的对应关系，首次提出了炉渣的泡沫化指数Ｅ的概念，并基于实验数据得出了计算炉渣泡沫化指数的半经验公式，结果表明，泡沫化指数仅与熔渣物性有关，而与表面气体速度无关。Kitamura等tll6l研究分析了温度和炉渣成分对炉渣泡沫化的影响，发现在碱度1.2左右时炉渣泡沫化程度最高，在高碱度区时泡沫渣高度随温度的升高而增加，固液共存区的泡沫渣高度随液相率的升高而增加。Ogawwa等根据冷态（室温）和热态实验数据建立了泡沫渣物理模型，对渣－金界面的气泡尺寸、泡沫渣的空隙率和渣顶气泡膜的寿命进行了计算，并定量分析了炉渣粘度、渣表面张力、渣－金界面张力、金属液表面张力等物性参数对炉渣泡沫化程度的影响。

3转炉炼钢工艺过程控制的展望

结合转炉炼钢工艺过程控制的具体情况进行分析，其发展主要涉及到两个方面一方面是检测技术，另一方面则是数学模型方面，在发展的过程中通过建立科学合理的数学模型能够有效提高检测信息的价值得到最大程度的发挥。现阶段专利冶炼工艺过程控制的全程优化控制受多种因素的影响从而制约着其发展。然而想要有实现进冶炼过程工艺优化，应当促进转炉工艺控制水平的进一步发展，通过提升转炉工艺控制水平的提升从而实现控制的精细化，并且能够取得节能减排的环保目标。推动转炉控制技术方面的发展，其重要的环节在于进行过程工艺的控制水平的提升。首先在冶炼过程工艺控制应当实现向精细化控制，并且精细化控制成为了冶炼过程工艺优化方面极为重要的内容。其次，过程工艺控制也应当向着精细化的方向发展，在此过程中枪位方面的控制以及氧气流量方面的控制等不断的适应实时动态控制的方向发展，从而使其能够及时应对突发状况。

结束语

从冶金热力学和动力学角度出发，对转炉炼钢过程的主要工艺现象及冶金反应机理进行了较为系统的解析，基于有效反应区理论建立了转炉多区域反应机理模型，运用热力学计算软件对冶炼过程的工艺反应进行综合仿真，进而明晰冶炼过程关键要素对碳含量控制的影响；在分析工业模型与机理参数对应关系的基础上，采用烟气分析数据对脱碳模型求解算法进行改进，从而提高了转炉冶炼后期脱碳模型的命中效果

参考文献

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