唐钢转炉烟气分析动态炼钢技术的应用

唐钢*钢轧厂转炉车间现有3座150t转炉，3座转炉均采用了奥钢联烟气分析（LOMAS）动态控制炼钢技术，在转炉烟道上安装在线气体分析仪，实时分析转炉烟气成分，用于探测转炉炉内动态变化情况。烟气分析动态控制的系统由两部分组成：①负责转炉烟气采集、处理和分析的低维护量的LOMSA系统和快速气体分析质谱仪；②转炉二级动态控制模型-DYNACON（图一）。其工作原理：首先通过静态模型计算出供氧量、造渣料用量，根据设定的供氧制度和加料制度吹炼，吹炼末期通过LOMAS系统连续检测（1.5s周期）炉口逸出的CO、CO2、N2、O2等含量，并通过回归计算熔池的脱碳速率，预测接近吹炼终点时钢液的碳含量、熔池温度，操作人员可以结合预测值自行确定吹炼终点。
　　1、 烟气分析模型
　　烟气分析动态控制模型是转炉动态控制炼钢技术的核心，动态控制模型主要包括以下7个子模型：1）一次加料计算；2）二次加料计算；3）转炉液面计算；4）过程动态控制计算（核心部分）；5）补吹校正计算；6）合金加料计算；7）反馈计算，如图2所示。
　　主要分为两种计算方式：预计算和在线计算，根据在冶炼过程不同阶段进行触发，采用的冶金原理为：物料平衡和热平衡。转炉整个冶炼过程实施计算机动态控制，包括：主吹前的预计算；主吹阶段的在线计算，预测转炉冶炼过程的适时温度、成份、重量等信息，并通过转炉基础自动化系统对转炉冶炼实施控制；主吹结束后，模型进行校正计算、合金化计算和反馈计算，完成冶炼合金化和模型自学习优化的功能。通过L2级模型计算、L1级自动化程序执行散料、氧枪、底吹设定数据，完成转炉自动冶炼控制。
　　2、 烟气分析在冶炼过程中的应用
　　从质谱仪测得的转炉烟气成分可以看出，在转炉吹炼的不同时期，各种气体均具有不同的特点，识别和分析这些特点对判断转炉炉况、冶炼终点命中、了解炉内冶金物理反应过程和掌握渣钢反应规律有重要的指导意义。
　　2.1 反应冶炼过程炉渣状况
　　在整个吹炼过程中，CO和CO2都有先升后降的趋势，在邻近终点时，CO大幅度下降，而CO2却略有上扬，而在整个冶炼期间，CO和CO2的变化情况基本是互补的。CO的变化与熔池脱碳反应和炉渣泡沫化的程度有关，烟气曲线有以下几种常见的曲线。
　　图三（a）为正常吹炼炉次烟气曲线变化图，由图可以看出冶炼过程CO曲线变化没有大的波动，所以吹炼过程平稳，炉渣流动性良好，石灰熔化快，成渣快。图三（b）为冶炼中后期炉渣出现返干现象时的CO曲线变化图，图中8分钟左右CO出现峰值，同时CO2、N2出现低谷，并且曲线倾角大于30°以上（即CO呈现出“∧” ，同时CO2、N2呈现出“∨”），这是因为返干期的炉渣变稠，生成的CO上升阻力减小，CO冲到炉口进入烟罩，从炉口吸入的空气量则减少，所以N2减少。CO的过量导致二次燃烧率降低，因此CO呈上升趋势，而CO2呈下降趋势。图（c）为冶炼中发生喷溅时烟气含量变化曲线，喷溅发生在吹炼11分钟时，CO含量急剧下降，同时CO2与N2急剧上升，此时炉渣中CO聚集导致其含量降低，当渣中CO聚集到一定程度而开始剧烈反应发生喷溅。
　　从转炉烟气含量可以看到，在吹炼的不同时期，各种气体均具有不同的特点，因此识别和分析这些特点，对判断炉渣状况、冶炼终点命中、了解转炉炉内冶金物理化学反应过程和钢渣反应规律有重要指导意义。
　　2.2终点温度预测
　　钢水终点温度预测的计算方法：基于物质分析模型，对钢水、熔渣、烟气成份及重量进行分析，采用周期计算的方法计算熔池的热平衡，进而计算熔池的温度。由于温度预测时基于模型的静态计算，因此转炉冶炼中任何因素都影响着温度预测，具体因素有①铁水成份的性；②铁水和废钢重量的性；③铁水温度测量的性；④冷料和辅料的原料成份的性；⑤冷料和辅料的计量性；⑥氧气流量的计量性；⑦温度预测模型参数周期性优化，适应不断变化的炉役。围绕以上主要因素，建立了相应的性校验、周期更新以及周期检查的制度。温度预测精度逐步上升，命中率达到85%。
　　2.3 终点碳预测
　　终点钢水C预测的原理为：当熔池中C含量低于0.3%以后，烟气曲线发生明显变化，并与熔池C含量存在很强的相关性。通过计算烟气流量、烟气成分、二次燃烧率和脱碳速率计算熔池C含量。吹炼终点前烟气曲线的稳定对碳预测的度有很大影响，因此操作上规定吹炼结束前2分钟不动枪、不变氧流量和不加含铁冷料。通过这些措施了吹炼终点前烟气曲线的稳定，终点C预测达到90%以上。
　　3、 结论
　　1.烟气分析系统碳温预测的运用，提高了转炉炼钢终点碳温命中率，从而提高了一次拉碳率，缩短了冶炼周期，减少后吹，提高金属收得率，终有效的降低了冶炼成本，提高了冶炼效率。
　　2.唐钢引进烟气分析动态炼钢技术后，根据实际条件对模型进行优化改进，结合模型制定多种冶炼模式，在生产中获得明显的冶金效果。