鋼水脫氧合金收得率的建模研究

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

在國家號召減少產能過剩大背景下，鋼鐵行業急需提高高附加值鋼種的產量以適應當前行業環境。按照冶煉標準選擇合金的種類和加入量，某些鋼廠企業甚至分鋼種制定固定的合金種類和數量，近年來隨著用戶對鋼材質量的要求越來越苛刻，因此研究適合于現場轉爐冶煉過程中的脫氧和合金化計算機控制模型勢在必行.依據2019年MathorCup高校數學建模挑戰賽D題數據[6]計算出C、Mn兩種元素歷史收得率并分析影響其收得率的主要因素。

通過對題目的認真分析，并查閱資料[1]得出公式如下：

(1)

式中：Wm為出鋼量，t;WFe-i為鐵合金Fe-i的加入量，kg; [i]a為吹氬站元素i的目標含量，%；[i]Fe-i為鐵合金中元素i的成分，%；Ri為元素i的收得率，%。

同時根據2019年MathorCup高校數學建模挑戰賽D題數據使用Excel將C、Mn、S、P、Si五種元素繪制出百分比堆積折線統計圖，就可以清晰地反映出各個轉爐元素的比例，并根據主公式的已知條件進行歷史收得率的計算。

終點控制的具體目標[2]：①鋼水的碳含量應達到所煉鋼種要求的目標范圍；②鋼中磷、硫含量應低于規格下限要求的范圍；③出鋼溫度應保證下一步工序：如爐外精煉、澆注的順利進行；④在冶煉沸騰鋼、半鎮靜鋼時還應保持鋼水應有的氧化性。終點控制實質上也就是對轉爐吹煉過程的控制。

轉爐終點控制把終點溫度和終點碳含量作為控制的主要對象，控制吹煉的過程使鋼水溫度和成分達標。轉爐煉鋼終點控制是保證煉鋼能順利完成的一項重要操作制度，終點控制技術已成為衡量煉鋼綜合技術水平的一項重要指標。準確預報轉爐煉鋼終點鋼水溫度、碳含量、金屬收得率、生產成本和鋼的品質，從而及時調整加入的原材料、輔助材料及耗氧量，成為整個煉鋼過程中極其重要的一環。

1 模型的建立與求解

1.1 提出假設

假設一：影響鋼水收得率可能是因為轉爐噴濺(spray)。

假設二：影響鋼水收得率可能還因為終點氧(end oxygen)。

假設三：鐵水等原料完全入爐是否會影響收得率。

假設四：轉爐轉化過程中出現事故是否會影響收得率。

1.2 計算C，Mn的歷史收得率

利用程序框圖1可以清晰地看出加工元素和加工步驟。

圖1 冶鋼程序圖

根據國家數據網查的數據可得出C和Mn的轉爐溫度折線圖，如圖2所示。

圖2 轉爐終點C

由圖2大致可以看出轉爐終點溫度和轉爐終點C幾乎成正比。

由Mn的轉爐終點可以看出轉爐終點溫度和轉爐終點幾乎成正比(見圖3)，且兩者的值幾乎達到相同。根據實驗得到以下圖表，清晰地看出合金原料平均單耗和合金元素平均收得率(見表1、表2)。

表1 合金原料平均單耗

表2 合金元素平均收得率

圖3 轉爐終點Mn

綜上所述，即通過實驗和計算可得如下結果，如表3所示。

表3 各合金的加入時間及收得率

結果：因為收得率與百分比相關，所以得到的結果在區間范圍內,C的歷史收得率為95%～98%，Mn的歷史收得率為85%～95%。

2 影響收得率的因素

由假設出發研究其是否會對最終收得率產生影響，在錘煉過程中由于氧氣流對熔池的沖擊和脫碳反應產生巨量CO氣體排出，造成爐渣及金屬液的噴濺。在通常情況下，這種金屬液飛濺不會形成噴濺，但在脫碳反應的加劇情形下，轉爐內短時間內產生大量的CO氣體，氣體產生聚合突變反應，將爐渣及金屬噴液噴出爐口。爐池脫碳的不均勻而產生突發性的脫碳反應，瞬間產生大量的CO氣體是發生噴濺的根本原因。以下有三個噴濺原因。

1)爆發性噴濺

熔池內碳氧反應不均衡發展，瞬時產生大量的CO氣體從爐口奪路而出。同時，還挾帶著大量的水和熔渣，在1 480 ℃以下熔爐內化學反應會受到限制，在1 480 ℃以上熔爐內化學反應才能順利進行，否則就會在供氧氣時生成大量FeO,且短時間內堆積造成猛烈噴濺。

2)泡沫性噴濺

熔渣泡沫太多，阻礙CO氣體通暢排出，使渣層厚度增加，嚴重時能夠上漲到爐口并溢出,還與爐熔比的大小，扎量多少及熔渣泡沫化程度相關。

3)金屬噴濺

渣中FeO含量過低，熔渣流動性不好，氧氣流直流接觸金屬液面，碳氧反應生成的一氧化碳氣體排出帶動金屬液體噴濺。

根據附表數據分析得出影響其收得率的還可能有其他因素。

分析圖4～圖8轉爐元素的變化趨勢和其最值可得，在同一鋼種下，其影響收得率的因素則為鐵水條件會對其產生影響。

圖4 C，S，Si在同種鋼號下的變化趨勢

圖5 HRB400B 不同溫度下五種元素的表現形式

圖6 HRB500D 不同溫度下五種元素的表現形式

圖7 Q235 不同溫度下五種元素的表現形式

圖8 Q235A 不同溫度下五種元素的表現形式

3 結 語

轉爐工作過程中測量鋼水收得率是一個比較系統而全面的工作，需要多個工序之間的配合，這不僅關系到煉鋼爐前鋼水質量、溫度等情況，還要考慮其他因素的具體影響[4-5]：①轉爐終點溫度：脫氧過程中，在加入合金元素之后，會立刻發生吸熱反應，溫度的高低將直接影響分子之間的運動。實際上，脫氧與合金化可以近似理解為同時進行，溫度對最終的收得率有著很大的影響。 ②合金料：有些合金的加入是作為脫氧劑，如硅鐵、鉆鐵等。不同的脫氧劑對于脫氧合金化的過程有著不同的氧化效果。還有部分合金是作為增碳劑、催化劑， 推動化合反應的正向進行，加快反應速率。并且合金對生產中的器具也有會不同程度的影響。通過對比發現，在同一條件下， 加入的合金料中含有合金的質量越多，則該元素的收得率也會更高。③鋼號：不同的鋼號意味著成鋼中蘊含有不同種類的元素與不同比例的元素。在制作成鋼中對不同元素的吸收量和需求量也不同，影響收得率的爐溫、噴濺情況等因素也不同，那么最終得到的收得率也有很大差別，但同種鋼號的合金收得率值則較為穩定。④C、Mn、S、P、Si的含量：P是對鋼有害的元素，它極易使鋼變得冷脆；S,是鋼中的有害元素，使鋼的強度降低；C能增加鋼的冷脆性和時效敏感性;Mn,在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑； Si,在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮靜鋼含有0.15%～0.30%。除了采取以上措施以外，還應該從管理上制定相應的經濟考核目標，才能更好地、更全面地提高鋼水收得率。