智能煉鋼模型的工業(yè)實(shí)踐

宋保民 王建江 史書廣

（沙鋼集團(tuán)安陽永興特鋼有限公司）

0 引言

沙鋼集團(tuán)安陽永興特鋼有限公司有120 t 的轉(zhuǎn)爐兩座，高爐鐵水沒有經(jīng)過鐵水預(yù)處理直接入轉(zhuǎn)爐。鐵水中的硅含量高且波動較大，大多為0.30%～0.80%，部分爐次高達(dá)1.2%。鐵水硅含量高，一方面，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐冶煉前期爐內(nèi)升溫速度較快，產(chǎn)生大量的泡沫渣，在冶煉過程中極易噴濺[1]，鋼鐵料消耗增加，成本增加。而鋼鐵料消耗是煉鋼過程中最主要的物料消耗，是影響煉鋼生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素，占轉(zhuǎn)爐煉鋼成本的90%以上[2]；另一方面，會產(chǎn)生大量的SiO2，導(dǎo)致石灰消耗量變大[3]，爐渣量增加，渣中氧化鐵和鐵珠量增加，鋼鐵料消耗增加，且爐內(nèi)渣量的增加加劇了對爐襯的沖刷和侵蝕，增加了爐襯噴補(bǔ)料的消耗，成本升高[4]。此外，鐵水中的磷含量較高，通常在0.12%左右，而高Si 鐵水在冶煉前期，一方面因?yàn)镾i 被氧化而釋放熱量，造成鋼水升溫[5]；另一方面氧化產(chǎn)生了SiO2，造成爐渣堿度降低，不利于脫P(yáng)[6]。

因此，根據(jù)鐵水條件，科學(xué)加入渣料，實(shí)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)命中率，降低鐵損、減少鋼鐵料消耗，在爐渣堿度和MgO 含量滿足要求的前提下，減少造渣料的使用量顯得尤為重要。為此，安陽永興特鋼公司與安徽工業(yè)大學(xué)合作，開發(fā)應(yīng)用了智能煉鋼模型，旨在在煉鋼模型的指導(dǎo)下，結(jié)合轉(zhuǎn)爐運(yùn)行的實(shí)際情況，綜合探究轉(zhuǎn)爐內(nèi)的反應(yīng)過程、造渣料特性等，從而科學(xué)指導(dǎo)造渣料的加入量和加入時(shí)間，以減少造渣料和鋼鐵料消耗，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 模型化煉鋼設(shè)計(jì)思路

該模型是在前期研究的基礎(chǔ)上，深入研究了轉(zhuǎn)爐爐渣和造渣材料的特性，綜合考慮吹煉過程中的造渣機(jī)理、反應(yīng)過程、溫度控制而建立的，在它的指導(dǎo)下可以進(jìn)行科學(xué)加料，整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 智能煉鋼模型設(shè)計(jì)思路

轉(zhuǎn)爐冶煉過程復(fù)雜，但總體而言就是物料平衡、能量平衡以及加料時(shí)間之間的協(xié)調(diào)問題。在研究了爐渣特性和造渣料特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)鐵水成分、鐵水廢鋼等的加入量，通過對爐內(nèi)物料平衡、能量平衡的精確計(jì)算，設(shè)計(jì)出指導(dǎo)各造渣料加入量和加入時(shí)間的智能煉鋼模型。

1.1 模型設(shè)計(jì)考慮因素

1.1.1 鐵水和廢鋼條件

鐵水成分、溫度和加入量、廢鋼成分和加入量見表1，可以根據(jù)實(shí)際測量的鐵水成分及溫度輸入。

表1 鐵水和廢鋼條件

1.1.2 轉(zhuǎn)爐用造渣料的種類及成分

轉(zhuǎn)爐用造渣料的種類及成分見表2。

表2 轉(zhuǎn)爐用造渣料的種類及成分

1.1.3 轉(zhuǎn)爐煉鋼主要原材料及產(chǎn)品的平均比熱容

轉(zhuǎn)爐煉鋼主要原材料及產(chǎn)品的平均比熱容見表3[7]。

表3 轉(zhuǎn)爐煉鋼主要原材料及產(chǎn)品的平均比熱容

1.1.4 鐵水中主要元素的氧化反應(yīng)及反應(yīng)放熱量

鐵水中主要元素的氧化反應(yīng)及反應(yīng)放熱量見表4[7]。

表4 鐵水中主要元素的氧化反應(yīng)及反應(yīng)放熱量

1.1.5 參數(shù)的選取與確定

根據(jù)國內(nèi)同類型轉(zhuǎn)爐的實(shí)測數(shù)據(jù)選取的參數(shù)主要有[7]：（1）渣中鐵珠量以渣量的8%計(jì)算；（2）金屬中碳在氧化過程中生成CO 和CO2，其中碳氧化為CO 的比例為90%，碳氧化為CO2比例為10%；（3）轉(zhuǎn)爐冶煉噴濺鐵損為鐵水量的1%；（4）爐襯在冶煉過程中受鐵水侵蝕，爐襯侵蝕量為鐵水量的0.50%；（5）氧槍噴出的氧氣純度為98.5%，剩余部分為1.5%的N2；（6）轉(zhuǎn)爐煙塵量為鐵水量的1.60%，煙塵中FeO 的比例為77 %，F(xiàn)e2O3的比例為20%；（7）終點(diǎn)鋼水錳含量，一般為鐵水中錳含量的30%～40%，本文按終點(diǎn)Mn 含量為0.1%計(jì)算；（8）轉(zhuǎn)爐脫硫率一般為30%～50%，本文計(jì)算中按脫硫率為40%計(jì)算；（9）終點(diǎn)鋼水含碳量，冶煉鋼種的含碳量和預(yù)估計(jì)脫氧劑等增碳量之差即為終點(diǎn)含碳量；（10）爐氣和煙塵量，取爐氣平均溫度1 400 ℃。爐氣中的自由氧含量為0.5%。煙塵量為鐵水量的1.6%，其中w(FeO)=77%，w(Fe2O3)=20%。

1.1.6 終點(diǎn)成分要求

本文中用模型指導(dǎo)的煉鋼爐次的終點(diǎn)成分設(shè)定見表5。

表5 終點(diǎn)鋼水成分目標(biāo)值

1.2 模型計(jì)算思想

在進(jìn)行模型計(jì)算和編程前，首先，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了幾方面研究：（1）轉(zhuǎn)爐冶煉過程中渣的特性分析；（2）加入轉(zhuǎn)爐的各種造渣料的特性分析；（3）通過對轉(zhuǎn)爐渣和造渣料的分析，結(jié)合轉(zhuǎn)爐的自身的特點(diǎn)，利用轉(zhuǎn)爐靜態(tài)冶煉模型，經(jīng)過計(jì)算科學(xué)合理地指導(dǎo)加料量和加料時(shí)間。然后，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)分析來驗(yàn)證造渣料加入的合理性。

在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，通過對轉(zhuǎn)爐熱平衡、供氧量平衡、脫磷階段渣料加入和脫碳階段渣料加入的計(jì)算，并依據(jù)三者的計(jì)算進(jìn)行耦合分析，以達(dá)到轉(zhuǎn)爐吹煉的能量和物料平衡，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的準(zhǔn)確命中。

根據(jù)上述計(jì)算分析，利用C++編譯了溫度和裝入量預(yù)測計(jì)算過程[8]，該計(jì)算循環(huán)過程如圖2 所示，這種計(jì)算模式可以根據(jù)鐵水成分、溫度、鐵水與廢鋼的裝入量以及現(xiàn)場情況指導(dǎo)加料。

圖2 轉(zhuǎn)爐智能煉鋼用戶界面

2 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

2.1 現(xiàn)場應(yīng)用分析

2.1.1 爐渣成分和堿度控制

本文所研究的爐次，終點(diǎn)爐渣成分中MgO 含量控制在7%左右，F(xiàn)eO 含量控制在20%左右，爐渣堿度值期望控制在2.8～3.5。堿度采用二元堿度計(jì)算公式，R=CaO/SiO2，式中CaO、SiO2分別代表終渣中的CaO、SiO2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。經(jīng)驗(yàn)煉鋼和智能模型指導(dǎo)煉鋼，爐渣堿度對比如圖3 所示，模型設(shè)定堿度與實(shí)際堿度對比如圖4 所示。

圖3 模型煉鋼和經(jīng)驗(yàn)煉鋼堿度對比

圖4 預(yù)設(shè)堿度和實(shí)際堿度對比

從圖3 可以看出，和以往經(jīng)驗(yàn)煉鋼相比，使用模型煉鋼堿度控制穩(wěn)定，經(jīng)驗(yàn)煉鋼的堿度偏差較大，爐渣堿度最低為3.27，最高為5.83，造成石灰消耗量比較大，模型煉鋼堿度穩(wěn)定在3.0 左右。模型煉鋼預(yù)算的爐渣堿度和最終實(shí)驗(yàn)的堿度相比，堿度最大相差0.7，基本上圍繞理想的爐渣堿度波動，這說明智能模型計(jì)算準(zhǔn)確率高。堿度相差較大的爐次主要集中在第10～14 爐，這幾爐鋼的終渣堿度要求相對其他爐次高一些，加入石灰量相應(yīng)的更高，而造成堿度差別大的原因是石灰的生燒率波動較大。

2.1.2 MgO 控制

本文所研究的爐次，爐渣中MgO 的目標(biāo)成分范圍是7%左右。模型煉鋼和經(jīng)驗(yàn)煉鋼渣中的MgO含量對比如圖5 所示。

圖5 模型煉鋼和經(jīng)驗(yàn)煉鋼終渣MgO 含量對比

從圖5 可以看出，經(jīng)驗(yàn)煉鋼的MgO 含量的波動比較大，過程具有不穩(wěn)定性，而模型煉鋼的MgO 含量在7%左右波動，具有良好的可控性，對轉(zhuǎn)爐爐襯的保護(hù)也非常有益。

2.1.3 出鋼溫度控制

模型設(shè)定出鋼溫度與實(shí)際出鋼溫度對比如圖6所示。

圖6 模型設(shè)定溫度與時(shí)間溫度對比

從圖6 可以看出，模型設(shè)定溫度在1 680 ℃左右，實(shí)際出鋼溫度與模型設(shè)定溫度存在一定偏差，但是差值在10 ℃范圍內(nèi)。可見，采用模型煉鋼加料，對終點(diǎn)溫度的控制也較為理想。

2.2 模型應(yīng)用效果分析

2.2.1 造渣料消耗情況

在安陽永興特鋼公司現(xiàn)場進(jìn)行了三個(gè)月的模型運(yùn)行跟蹤，充分利用轉(zhuǎn)爐智能煉鋼模型、各造渣料的造渣特性以及把握加料時(shí)間，做到了造少渣，做到了化渣良好，基本杜絕了噴濺，終點(diǎn)鋼成分合格，終點(diǎn)渣成分適宜，最大限度地減少了對爐襯的侵蝕。

2020 年10 月～12 月造渣材料的經(jīng)驗(yàn)煉鋼和模型煉鋼消耗情況的對比如圖7 所示。

圖7 經(jīng)驗(yàn)煉鋼和模型煉鋼渣料消耗對比

從圖7 可以看出，在模型煉鋼的指導(dǎo)下，轉(zhuǎn)爐石灰和白云石的加入量都有大幅度降低。石灰噸鋼平均降低了4.87 kg，白云石噸鋼平均降低了6.83 kg。

2.2.2 鋼鐵料消耗情況

在物料平衡計(jì)算值已給定了石灰和白云石的消耗量的情況下，使操作工的隨意性和盲目性得到糾正，隨著石灰和白云石用量的減少，總渣量減少，渣中TFe 總量也隨之減少。同時(shí)由于總渣量的減少，使得爐內(nèi)有效容積增加，為減少噴濺提供了有利條件，鋼鐵料消耗也明顯降低。經(jīng)過三個(gè)月的跟蹤，使用模型煉鋼的鋼鐵料消耗明顯降低（如圖8 所示），特別是用智能模型煉鋼，轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗控制更為穩(wěn)定，鋼鐵料消耗平均降低幅度在5.63 kg/t。

圖8 經(jīng)驗(yàn)煉鋼和模型煉鋼鋼鐵料消耗對比

3 結(jié)論

（1）智能煉鋼模型的開發(fā)及應(yīng)用，驗(yàn)證了模型能科學(xué)指導(dǎo)轉(zhuǎn)爐冶煉操作，且比經(jīng)驗(yàn)煉鋼更加平穩(wěn)、高效、經(jīng)濟(jì)。

（2）智能煉鋼模型可以有效控制爐渣組分，爐渣的堿度和MgO 含量控制更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。

（3）應(yīng)用智能煉鋼模型可以有效降低渣料和鋼鐵料消耗，實(shí)際跟蹤表明：石灰消耗平均降低了4.87 kg/t，白云石消耗平均降低了6.83 kg/t，鋼鐵料消耗平均下降了5.63 kg/t，經(jīng)濟(jì)效益明顯。