轉爐底吹系統工藝優化實踐

寧知常，苗振魯，趙友虎，趙 亮

（山鋼股份濟南分公司 煉鋼廠，山東 濟南250101）

1 前 言

目前，國內轉爐復吹技術仍處于普及和逐步提高階段，與國外先進技術相比仍存在不小差距。現轉爐底吹系統設定的總耗氧量一般不修正，裝入量、裝入制度變化或鐵水成分變化時，過程控制將發生較大變化，這就意味著切換時機的提前或滯后，從而影響底吹效果；同時在各個階段的流量值基本是一成不變的，不能根據實際需求機動靈活地調整；原設計思路的底吹流量大小及切換時機，僅僅考慮到了鋼水對氮含量的要求，卻恰恰偏離了頂底復吹轉爐復吹冶金效果的真正意義，限制了轉爐頂底復吹冶金功能的更好發揮。為此，本研究優化轉爐底吹工藝專家系統，使底吹流量實現動態模型控制，避免了鋼水過氧化，提高了合金、金屬收得率和鋼水質量。

2 工藝優化實施內容

2.1 存在的問題

過去轉爐底吹系統設定的總耗氧量一般不修正［1］，裝入量、裝入制度變化或鐵水成分變化時，過程控制（如脫碳速度、返干噴濺期等）將發生較大變化，這就意味著切換時機的提前或滯后，從而影響底吹效果；同時在各個階段的流量值基本是一成不變，不能根據實際需求機動靈活地調整；最為關鍵的是，原設計思路的底吹流量大小及切換時機，僅僅考慮到了鋼水對氮含量的要求，根據鋼種對氮含量的要求簡單地區分了3種底吹模式，卻恰恰偏離了頂底復吹轉爐復吹冶金效果的真正意義，限制了頂底復吹冶金功能的更好發揮。

目前國內轉爐復吹技術仍處于普及和逐步提高階段，與國外先進技術相比仍存在不小差距，主要表現為：1）底部氣體流量小，攪拌力不足，大多數鋼廠的氣體流量為0.03 m3/（min·t）；2）底部氣體可調范圍小，不能按照冶煉過程需求進行流量調節和動態調整，國外先進鋼廠氣體調節比高達10左右，而國內多數＜3；3）目前國內尚未形成分鋼種的標準吹煉模式，吹煉模式單一、簡單。

轉爐增加底吹的真正作用是增加攪拌提高底吹效果，而判斷底吹效果的最容易量化的指標就是碳氧積，而不是控制鋼中氮含量。因此原底吹系統的設計理念出發點是不對的。正確的設計理念應基于吹煉終點出鋼溫度、熔池深度、爐膛形狀及底吹透氣磚實際透氣效果、吹煉終點槍位、氧氣流量、爐底高度的變化而隨時對底吹流量進行動態調整，以進一步改善鋼-渣反應，促進碳的傳遞，大大降低脫碳速度特性發生變化時的臨界碳含量，從而降低碳氧積，更好地發揮頂底復吹的冶金功能，提高頂底復吹的冶金效果，進一步提高鋼水質量。

2.2 終點碳氧積分析

轉爐溶池中脫碳反應主要是：[C]+[O]=CO，其平衡常數為：

當 PCO=1.013 25×105Pa 時，m=[C]×[O]。m 稱為平衡的碳氧積。當C含量不高，溫度1 600℃左右時，m=0.002 5。因此可由鋼液的C含量估計氧濃度。由式（1）知，碳氧積隨PCO的降低而減小，所以在真空下，鋼液的碳濃度可進一步降低。

fC和fO與濃度有關。隨著碳濃度的增加，fO下降而 fC上升，但 [C]在 0.02%～2%范圍內，fC·fO的積變化不大，接近于1。因而在實際生產中取fC·fO=1。則式（1）變為：

此時爐底處CO氣泡所受的壓力簡化式為：

式中Hm為CO氣泡上鋼液層的厚度，m；ρm為鋼液的密度，kg/m3。可見，當反應達到平衡時，[C][O]除與鋼水溫度有關外,也與鋼液的平均深度有關，鋼液平均深度越大碳氧積也就越高。因此，生產中要合理控制爐底形狀和熔池深度，促進碳氧反應進一步達到平衡，提高底吹的冶金效果。

資料表明：在復合吹煉中，雖然從底部吹入的氣量很小，而鋼中與[C]相對應的自由氧卻遠遠低于頂吹轉爐。停吹w[C]在0.10%以上時，自由氧大致為PCO=104Pa的平衡值，w[C]≤0.04%時，自由氧接近于PCO=0.4×104Pa的平衡值，即遠小于PCO=104Pa的平衡值。而且C含量越低，達到平衡的PCO值也越低。由式（2）可見，達到平衡的 PCO值越低，其[C][O]也就越低，復吹的冶金效果也就越好。

在低碳區中鋼的自由氧含量的顯著差別主要是由于頂底復吹轉爐熔池中，因通入底吹氣體而使反應帶氣相中的CO分壓PCO顯著降低造成的，熔池中較低的氧含量有利于提高鋼的純凈度和合金收得率。因此吹煉終點包括吹煉過程的槍位、氧氣壓力及流量、出鋼溫度、熔池深度、爐膛形狀、爐底高度的變化將直接影響到爐渣狀況，影響終點氧化性，影響反應帶氣相中的CO分壓PCO，從而直接影響復吹效果。

2.3 回歸分析

借助minitab對原始數據進行分析［2］，推導終點碳氧積與終點溫度、終點碳含量、終點氧含量、熔池液位的關系，便于程序設計和實際運作。

1）碳氧積與終點碳含量的關系近乎呈反比。回歸方程：

2.4 優化思路

將每爐副槍測量的[C]、[O]及熔池液位進行回歸分析，建立動態模型，根據模型運算結果及時調整底吹流量，從而實現底吹流量的動態控制。

通過對原始數據的回歸分析，推導歸納出終點碳氧積與終點溫度、終點碳含量、終點氧含量、熔池液位的關系。為便于程序設計和實際運作，匯總成9條曲線，歸并形成3個系列：即高流量、中流量、低流量系列，結合3種模式組合共計9種基本曲線，同時每種曲線又是動態的，與終點碳氧積、熔池液位、爐齡等有關，即流量曲線值f=f（m/m0，a，b），其中m/m0為終點碳氧積修正系數，a為熔池液位修正系數，b為爐齡修正系數。

每爐副槍測量完畢后，根據測量的碳氧積、熔池液位以及定期修正或輸入的爐齡系數，結合近10爐的數據進行動態計算，從而決定下一爐的底吹流量參數。3種模式及3種系列同樣需要吹煉前根據鋼種規程要求進行手動選擇，首先選擇模式，其次選擇系列，然后根據程序設定的流量曲線進行調整和切換。3個系列設定基準值見表1。

表1 不同流量系列設定基準值

各系列對應的8個數值設定點分別標識為F低1～F低8；F中1～F中8；F高1～F高8；根據液位的波動范圍（系列內約70 cm）及流量的波動范圍（系列內約40 Nm3/h），確定各點的流量關系式為：

其中：m=[C]·[O]，m0=-0.013 2+9×10-6×T+10-6×a，h為熔池液位，b為爐齡修正系數（-1 cm/千爐——手動定期調整）。T為終點溫度。且[C]、[O]、T、a均為前10爐的平均值。副槍測量失敗時的取值：T=1 651℃，a=880 cm，[C]或[O]有 1 個無數值，則取 m=[C]·[O]=0.002 5。其他各點依次類推。

2.5 實施方案

根據底吹自動化生產控制系統工藝需求，通過對底吹PLC程序進行優化設計，對相關PLC進行數據采集，得到底吹所需工藝數據；通過底吹流量模型進行模型計算，得出最符合鋼種需要的底吹流量模式。通過MP7.2上位監控軟件編制上位HMI操作畫面，對底吹流量模式進行選擇操作，實現底吹功能的優化，進一步提高底吹冶金效果。

1）優化底吹PLC程序，撰寫程序設計規格說明書。通過Concep軟件開發、設計底吹PLC程序，完成L1級基礎自動化控制功能，實現底吹功能的優化，達到項目的設計預期目標。

2）編制、優化上位監控畫面（HMI）的設計。根據底吹工藝流程要求，通過Monitor Pro7.2上位監控軟件設計出符合底吹工藝流程要求的上位監控畫面（HMI），通過對上位監控畫面的操作，實現底吹流量模式的調整。

3）根據底吹工藝流程和數學模型建立底吹流量控制模型。根據實際出鋼量、副槍測出的實際熔池液位及渣中（FeO）含量變化，結合吹煉過程各元素反應規律及反應特點，調整完善底吹流量模式參數值。

4）配合轉爐濺渣護爐制度，合理選用底吹曲線，控制爐底高度及形狀，保證底吹良好的應用效果。

5）優化、完善自動化煉鋼模型的數據采集、信息傳遞，提高煉鋼終點溫度、終點[C]含量的雙命中率，提高自動化煉鋼水平。

6）根據不同鋼種終點控制要求（終點[C]含量的控制），選取相應鋼種對應的后期流量曲線。

7）啟動“后攪”模式，尤其是低碳鋼種，以進一步促進C-O反應，降低碳氧積，提高鋼水質量。

8）進一步優化底吹模型的各個參數，提高底吹元件的壽命，完善自動化煉鋼模型的自學習功能。

3 優化效果

3.1 降低了吹煉終點碳氧積

底吹流量實現動態模型控制，改善了底吹氣體對熔池的攪拌作用，使得復吹時鋼—渣反應好，吹煉過程平穩，不易發生噴濺，吹煉終點碳氧積更接近平衡值。對比優化前后的終點碳氧積水平，結果表明：當爐齡為10 000爐左右時，在終點C含量為0.07%、溫度為1 650℃的條件下，優化前碳氧積平均為0.002 76，優化后平均為0.002 64。測定結果表明：在相同終點溫度和C含量條件下，優化后的碳氧積平均值比優化前低0.000 12。優化前后碳氧積對比（各30個樣本）見圖1。

圖1 優化前后碳氧濃度積對比

由于低碳鋼種比例的增加，吹煉終點碳氧積水平普遍升高，但優化前后及各個流量系列的水平對比，碳氧積降低效果仍然較為明顯，優化前終點碳氧積平均水平0.003 106；優化后，低流量0.003 000，中流量 0.002 896，高流量 0.002 766。

3.2 提高了金屬收得率

通過底吹優化，加強了熔池的攪拌力，使熔池內成分和溫度的不均勻性得到有效改善，碳氧反應更進一步接近平衡，避免了鋼水的過氧化。對終點渣樣成分分析對比發現，優化后終點渣樣中（TFe）含量下降1.16%，從而減少了渣中的金屬損失，提高了金屬收得率。

3.3 提高了吹煉終點殘錳含量

通過優化前后對比，吹煉終點殘錳含量提高0.03%，其原因是由于頂底復吹降低了終點爐渣的氧化性，渣中氧化鐵的降低抑制了下述反應式（FeO）+[Mn]=（MnO）+[Fe]向錳被氧化的方向進行，提高了吹煉終點殘錳含量，從而可以減少脫氧和合金化的錳鐵用量和提高鋼的質量。

3.4 提高了脫磷、脫硫率

頂底復吹轉爐可以在（FeO）較低含量條件下把鋼水中的P去除到與頂吹轉爐相同的水平，用較低的堿度或較少的渣量把鋼水中的S去除到與頂吹轉爐相同的水平。這主要是由于頂底復吹加強了熔池攪拌，使化渣加速，傳質加快，金屬和爐渣迅速接近平衡。不少研究者用赫利等人提出的關系式：

進行過計算，證明頂底復吹的P分配系數與赫利平衡值很接近。同時，頂底復吹轉爐的復吹效果越好，渣鋼之間的溫度差就越小，這一點對脫磷反應是有利的。優化前后吹煉終點脫S、脫P情況見表2，優化后平均脫S率提高了3.67%。

表2 優化前后吹煉終點脫S、脫P情況

4 結 語

通過對轉爐底吹工藝專家系統進行優化，底吹流量實現動態模型控制，進一步優化了過程熔池攪拌，使熔池內成分和溫度的不均勻性得到有效改善，碳氧反應更進一步接近平衡,提高了終點溫度和成分的命中率，降低了吹煉終點碳氧積，避免了鋼水的過氧化,提高了合金、金屬收得率和鋼水質量。

參考文獻：

［1］ 許剛，雷洪波，李驚鴻，等.轉爐煉鋼終點控制技術［J］.煉鋼，2011，27（1）：8.

［2］ 王超，袁守謙，楊雙平，等.冶金傳輸原理教學方法改革［J］.中國冶金教育，2009（4）：42-43.