LF爐精煉過程中鋼水溫度變化研究

鄧必榮 肖躍奇 張波 徐歡

(1.湖南華菱漣源鋼鐵公司; 2.武漢科技大學 )

LF爐精煉過程中鋼水溫度變化研究

鄧必榮1肖躍奇1張波2徐歡2

(1.湖南華菱漣源鋼鐵公司; 2.武漢科技大學 )

對 LF精煉過程中影響溫度變化的主要因素 (包括 LF精煉進站溫度、通電時間、軟吹時間、精煉總處理時間、石灰加入量及Al加入量)進行了統計分析,并在此基礎上利用多元線性回歸方法建立了鋼水溫度變化模型。將實際生產過程中相關數據采用模型進行計算,計算溫度與實際溫度誤差在 ±10℃的比例達到了 86%以上,對現場生產具有一定的指導作用。通過對模型進行分析得知,引起精煉過程中溫度降低的因素依次為精煉時間、爐料加入量及軟吹時間。且通過優化吹氬制度、縮短精煉時間可以有效的減少鋼水溫度損失。

鋼水溫度 多元線性回歸 LF

0 前言

鋼水加熱調溫是煉鋼與連鑄之間的重要任務,其中LF是一種比較常用的對鋼水溫度進行微調的手段,它在精煉過程中對溫度控制和成分的調整將直接影響連鑄坯的質量和生產的順行[1-3]。因此,建立 LF精煉鋼水溫度變化模型實現對 LF精煉終點溫度的精確控制有重要意義。

漣鋼 210 t轉爐廠于 2009年 9月初投產,從投產至今對該廠 LF精煉爐生產數據進行采集,統計影響LF精煉過程中鋼水溫度的主要因素及變化范圍;通過多元線性回歸對數據進行處理,分析 LF處理過程中溫度變化規律,為全流程溫度控制提供參照依據。

1 LF精煉過程中鋼水溫度影響因素確定

漣鋼 210 t轉爐廠 LF鋼包爐鋼水精煉處理過程中,轉爐出鋼后至 LF鋼包爐開始精煉處理需要一定的等待時間,LF鋼包爐開始精煉后需要通電對鋼水進行加熱,吹入氬氣進行攪拌,加入合金調整成分。根據溫度因素優選原則及參考文獻[2-4]分析,在精煉處理過程中影響鋼水溫降的主要因素有:精煉前鋼水溫度、精煉處理時間、精煉過程通電時間、精煉合金輔料用量、軟吹時間及總出鋼量。

2 工藝數據統計分析

在這大約 4個月內記錄的生產數據中選取 LF精煉爐生產數據 200余爐,剔除不合理數據和小概率數據后,對這些工藝數據進行了系統全面的分析,統計其波動范圍,統計數據如下。

2.1 精煉前鋼水溫度

本模型將鋼水進站測溫視為 LF精煉前鋼水溫度,對精煉前鋼水溫度進行了統計分析,統計結果如圖 1所示。由圖 1可以看出,精煉前鋼水溫度值主要集中分布在 1580℃～1620℃之間,該范圍內爐次占總數的 72%。210 t轉爐廠在剛投產的幾個月內,生產基本上以普碳鋼 (主要為 Q235、Q235B、SS400等)為主,鋼種單一,出鋼溫度要求比較集中,但是由于設備處于磨合期,轉爐出鋼溫度存在一些波動。

圖1 LF處理前溫度頻率分布

2.2 精煉總處理時間

對精煉總處理時間進行了統計分析,統計結果如圖 2所示。

圖2 LF總處理時間頻率分布

由圖 2可以看出,精煉總處理時間主要集中分布在 35 min～45 min之間,該范圍內爐次占總數的60%。精煉總處理時間主要與生產設備情況和現場調度有關。LF精煉總時間設計值為 36 min,但是投產初期各個工序之間銜接不是太緊密,LF處理時間波動較大。

由于轉爐出鋼結束時,鋼包包襯溫度相對鋼水來說比較低,會持續的吸收熱量,并且在 LF精煉過程中鋼包會對外持續的輻射散熱,因此隨著精煉總時間的增加,鋼水溫降也會增加,應該盡量將總處理時間控制在設計值左右。

2.3 通電時間

對電極處理時間進行統計,其結果如圖 3所示。由圖 3可看出,通電時間主要集中分布在 6 min～15 min之間,該范圍內爐次占總數的 67.5%。通電時間長短主要與處理前鋼水溫度、鋼水成分、及鋼種要求有關,現場控制上靈活性比較大,波動范圍也較大。

圖3 總通電時間頻率分布

2.4 石灰加入量

對石灰加入量進行了統計分析,統計結果如圖4所示。由圖 4可以看出,石灰加入量值主要集中分布在 600 kg～1200 kg之間,該范圍內爐次占總數的 60.1%。石灰加入量主要與鋼水 [S]、[P]含量及渣的粘度等因素相關,由于試生產期間轉爐來鋼條件相對較差,石灰用量較大。

圖4 石灰加入量頻率分布

2.5 Al加入量

對Al加入量進行了統計分析,統計結果如圖 5所示。由圖 5可以看出,Al加入量值主要集中分布在 0～150 kg之間,該范圍內爐次占總數的 65.3%。

圖5 Al加入量頻率分布

2.6 軟吹時間

對軟吹時間進行了統計分析,統計結果如圖 6所示。由圖 6可以看出,軟吹時間值主要集中分布在 7 min～13 min之間,該范圍內爐次占總數的78%。目前廠里要求軟吹時間控制在 10 min左右。

圖6 結束后軟吹時間頻率分布

2.7 出鋼量

對轉爐出鋼量進行了統計分析,結果如圖 7所示。由圖 7可以看出,轉爐出鋼量主要集中分布在180 t～200 t之間 (因為處于試生產階段,出鋼量較小),該范圍內爐次占總數的 75.6%。

圖7 轉爐出鋼量頻率分布

3 模型假設

1)轉爐出鋼結束時,鋼包包襯溫度相對鋼水來說比較低,會持續的吸收熱量而導致鋼水溫度下降[4]。特別是新鋼包投入運轉的前幾個循環,對鋼水溫度的影響更大。模型中只考慮正常周轉過程中的鋼包對 LF處理過程溫度變化情況,而不同鋼包狀況對鋼水溫度的影響則另外進行補償計算。

2)漣鋼 210 t轉爐廠標準出鋼量 210 t,由于現場操作實際情況,出鋼量有波動,其波動范圍為 180 t～200 t,且分布比較集中,波動量較小,因此 LF精煉過程鋼水量按 195 t統一考慮。

3)由于到目前為止 210 t轉爐廠通電功率只采用了一個檔位 (449 V,44.73 kA),如使用其他檔位則需要重新進行計算。

4)氬氣在室溫狀態下從精煉爐底部通過透氣塞吹入鋼液,吹入的氬氣要從鋼液中吸收熱量。當氬氣從鋼液逸出時,將把這部分熱量帶走,再者,吹氬引起鋼液面強烈攪動,增加了液面的熱輻射。但是,由于氬氣流量在過程中一直是個變化量,數據記錄比較困難。另外,根據文獻[5]研究表明氬氣流量對溫度變化較小,模型中不考慮因不同氬氣流量攪拌時對鋼水溫度影響的差別。

4 鋼水溫度變化模型

根據上述工藝數據分析結果及模型假設,選擇合理的參數,經多元線性回歸得到 LF精煉過程中溫度隨各個因素變化的公式:

式中:△T——代表 LF精煉過程前后鋼液溫差,℃;

T鋼水——代表 LF鋼水進站時溫度,℃;

T——代表 LF鋼水出站時溫度,℃;

x1——代表通電時間,min;

x2——代表 LF精煉處理時間,min;

x3——代表除 Al外其他加入爐料重量,kg;

x4——代表處理過程加入 Al的重量,kg;

x5——代表軟吹時間 ,min。

1)通電時間對溫降的影響。電弧加熱是 LF熱量的主要來源,由多元回歸方程可知,每通電 1 min能夠提高鋼水溫度約 4.33℃。LF一般通電時間在6 min～18 min左右,則能由此引起的鋼水升溫為26℃～78℃。

2)精煉處理時間對溫降的影響。精煉總處理時間包括通電、加料等待時間、測溫取樣等時間,由于各個階段氬氣流量有較大關系,從理論上講各個過程中溫降是不同的,前面假設中對氬氣流量的影響忽略,此處通過對 LF處理過程中除通電時間和軟吹時間外其他時間的平均溫降進行回歸分析。從上式可知,精煉處理時間每分鐘能引起溫降1.61℃,精煉處理時間為 20 min～30 min,則該因素引起的溫降約為 32℃～48℃。

3)除 Al外其他爐料加入對溫降的影響。其他爐料主要包括有石灰、預熔渣、合金等。因為每個爐次加入的種類不一樣,分別對其進行分析則會使回歸過程過于復雜,而這些輔料對鋼水溫度的影響比Al要低,所以對其總重量進行回歸分析也是可取的。從上式可知,除 Al外其他爐料的加入每千克能夠引起溫降 0.01℃,則爐料加入而引起的溫降約為6℃～15℃。

4)Al加入量對溫降的影響。由于 Al脫氧反應能夠放出熱量,抵消其熔于鋼水中的熱量后有剩余,Al的加入每公斤能夠使鋼水升溫 0.07℃,整個精煉過程能使鋼水溫度升溫 0℃～14℃,對于其他因素來說影響較小。

5)軟吹時間對溫降的影響。軟吹能夠引起的溫降為每分鐘 0.96℃,軟吹時間為 7 min～13 min,則軟吹過程大約引起溫降為 6℃～12℃。

綜上所述,在 LF精煉過程中,通過電弧加熱鋼水溫度升高在 20℃～70℃范圍內波動,而引起精煉過程中溫度降低的因素依次為精煉時間、爐料加入量及軟吹時間。且從公式中可以看出精煉時溫降速率比軟吹時的高得多,這主要是與鋼包爐低氬氣流量有關,因此通過細化吹氬制度、縮短精煉時間可以有效的減少鋼水溫度損失。

5 模型驗證及誤差分析

為了驗證模型的準確性,隨機抽取 22爐實際生產過程中數據采用模型進行計算,并對計算結果進行統計分析 (見表 1)。據統計,計算溫度與實際溫度誤差在 ±10℃的比例達到了 86%以上,說明該模型對現場生產具有一定的指導作用。誤差的主要來源有以下幾個方面:

1)爐料加入情況:由于 LF精煉過程中爐料加入種類較多,情況復雜。但在漣鋼 210 t轉爐廠剛投產前期,數據量相對較少,為簡化模型建立過程復雜性,在模型建立過程中把爐料分為 Al合金和不含 Al的其它爐料兩類進行計算,這樣影響了模型的精度。

表1 LF精煉過程鋼水實際溫度與計算溫度對比

2)鋼包狀態:模型中只考慮正常周轉過程中的鋼包對 LF處理過程溫度變化情況,而不同鋼包狀況對鋼水溫度的影響則需要另外進行分析研究。

3)鋼水量:由于現場操作實際情況,出鋼量有波動,而模型中 LF精煉過程鋼水量按 195 t統一考慮,此處也會對模型精度產生影響。

6 結論

1)據統計分析可知,精煉前鋼水溫度為1580℃～1620℃;精煉總處理時間為 35 min～45 min;通電時間為 6 min～15 min;石灰加入量為 600 kg～1200 kg;Al加入量為 0～150 kg;軟吹時間為 7 min～13 min;轉爐出鋼量為 180 t～200 t。

2)分析多元回歸公式可知,在 LF精煉過程中,通過電弧加熱鋼水溫度升高在 20℃～70℃范圍內波動,而引起精煉過程中溫度降低的因素依次為精煉時間、爐料加入量及軟吹時間。通過細化吹氬制度、縮短精煉時間可以有效的減少鋼水溫度損失。

3)將實際生產過程中相關數據采用模型進行計算,計算溫度與實際溫度誤差在 ±10℃的比例達到了 86%以上,對現場生產具有一定的指導作用。

[1] 李晶.鋼包精煉過程中鋼水成分微調及溫度預報[J].鋼鐵研究學報,1999,11(2):6-8.

[2] 楊遴杰,陳偉慶,于平,等.LF-VD-CC鋼液溫度預報 [J].鋼鐵,2000,35(1):13-16.

[3] 武擁軍.鋼的液相線溫度預報方法及LF爐精煉過程鋼水溫度預報技術研究[D].沈陽:東北大學,1999.

[4] 田建國.寶鋼—煉鋼廠 300t鋼包鋼水溫度預報模型 [D].無錫:江蘇大學,2005.

[5] 劉曉,顧文斌,王洪兵.LF爐的溫度行為 [J].寶鋼技術,1998(3):13-17.

[6] 李晶,畢其富.LF-VD-CC過程中鋼水溫度控制[J].北京科技大學學報,1998,20(5):441-445.

STUDY ON TEM PERATURE VARIATION OFMOLTEN STEEL IN LF

DengBi rong1Xiao Yue qi1ZhangBo2Xu Huan2

(1.Lianyuan Iron and Steel Corporation of Hunan Hualing, 2.Wuhan University of Science and Technology)

Based on statistical analysis of principal element of influencing temperature variation during LF refining process(including inlet temperature of LF,current on t ime,soft blow t ime,refining time Count,amounts of burden,soft blow time).On that basis,a temperature gradientmodelofmolten steel has been achieved bymultiple linear regression.The scale of errors between practical temperature and calculated temperaturewithin ±10℃had achieved 86%above.It is useful forproduction field.A temperature variationmodelwas established.By analyzingmodel,themain factors leading to cooling of hotmetal followed by refining time count,amounts of burden,soft blow time.And according to optimizing argon blowing,shortening refining t ime,it could be effective for reducing temperature loss in molten steel.

temperature of hotmetal multiple regression LF

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聯系人:鄧必榮,助理工程師,湖南.婁底 (417000),湖南華菱漣源鋼鐵公司 210 t轉爐廠;

2010—10—18