气体分析+副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法与流程

1.本发明属于转炉炼钢控制技术，具体涉及转炉炼钢终点碳控制。
2.本发明不涉及转炉炼钢终点温度控制技术。


背景技术：

3.转炉炼钢终点碳控制技术是实现转炉全自动炼钢的关键技术，一直是业内重点研究的对象。自上世纪八十年代末以来，国外利用气体分析 副枪技术进行转炉炼钢终点碳控制技术的研究呈现上升趋势，国内也在上世纪末开始了这方面的研究。
4.国外许多大型钢厂已有成功应用炉气分析 副枪的动态模型来控制转炉生产的业绩,碳含量和温度命中率为90％左右。
5.国内在理论计算及实验室研究方面取得了一些成果，在对引进技术的消化、移植方面有了一定的进展，例如，采用炉气分析 副枪的动态模型来控制转炉生产,根据炉气分析数据建立喷溅预报模型、利用气体成分信息的变化对返干、喷溅进行预报。但目前国内尚没有可实际应用的具有完全自主知识产权的气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳自动控制技术。
6.现有炉气分析 副枪技术存在下述问题：
7.(1)现有技术由于无法实现转炉冶炼全过程动态控制，故通通常采用静态模型 动态模型相结合的方式进行转炉炼钢终点碳自动控制，即在吹氧量达到80％左右之前采用静态模型控制，之后采用动态模型进行控制。由于静态模型会产生较大的累积误差，难以满足要求，故在转炉冶炼后期采用基于统计数据的终点碳指数衰减模型或二次曲线模型，可消除初始条件带来的部分误差。但这种方法对不同的钢种、不同的转炉作业环境不具有普遍的适用性，此外这些模型也只是一种近似计算模型，与实际冶炼情况存有差异；
8.(2)对冶炼过程标准化作业要求高，难以适应非规则变化的、复杂的实际冶炼过程；
9.(3)对脱碳速率和脱碳氧效率统计数据模型的依赖，没有开发出随冶炼过程动态变化的数据构建的动态数学模型，特别是当冶炼后期烟气中的一氧化碳降为零之后，现有技术的数学模型已经失去气体分析数据的支持，这也是造成终点碳命中率不高的原因之一；
10.(4)现有技术的转炉炼钢终点碳控制方法通常采用经验模型、静态模型、动态模型。除了经验模型之外，其余的控制模型都是在一定的假设条件下，通过统计处理、机理分析或回归分析等得到的。由于转炉炼钢过程是高温条件下的复杂的物理化学反应过程，受诸多因素的影响，而且有些因素还无法准确地定量描述，因此依现有技术构建的静态模型、动态模型来实施转炉炼钢的终点碳控制，其效果还达不到令人满意的程度；
11.(5)现有技术还局限于静态模型 动态模型的控制方式，一直没有突破冶炼全过程终点碳动态控制的技术瓶颈；
12.综上所述，现有技术从根本上满足不了转炉全自动炼钢的需求，理论研究和应用
技术亟待有所突破。
13.气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法还未见到公开发表的出版物、文献或资料。


技术实现要素：

14.本发明的目的是根据转炉冶炼工况的特点，研究开发与其工况相适应的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法，以实现各种规模、不同工况的转炉炼钢全自动控制。
15.本发明的要点是研究现有技术存在的问题，突破现有技术的瓶颈，创新性地采用气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法，在系统构成方面设置了转炉现场气体检测探头，在每次冶炼之前采集、分析空气中用于气体分析的气体摩尔分数，保证气体分析基础数据的准确性；构建转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型，采取通过烟气检测气体分析得到的氦摩尔分数来确定炉口进入的空气中的二氧化碳摩尔分数，进而采用烟气检测气体分析得到的烟气中的二氧化碳摩尔分数减去炉口进入的空气所含的二氧化碳摩尔分数，即获得了冶炼过程产生的二氧化碳摩尔分数和炉口进入的空气燃烧所产生的二氧化碳摩尔分数的总量，进而将这个总的二氧化碳摩尔分数与烟气检测气体分析得到的烟气中的一氧化碳摩尔分数相加，然后再乘以测得的烟气总量，就得到了冶炼过程产生的一氧化碳和二氧化碳总量，进而根据这个总量计算本次吹氧冶炼过程所脱出的碳量，进而将钢液中前次残余碳量减去本次脱出的碳量，就等于本次钢液中残余的碳量，此过程即为转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型的计算方法；利用副枪测得的钢液中碳含量替代该动态模型计算得出的钢液中残余的碳量，从根本上修正了钢水中碳含量的计算误差；构建动态终点碳时间预测模型，当进行了三次转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型的迭代计算后，则得到了三组数据，进而利用该三组数据构建表达动态脱碳过程的一元二次方程模型，进而将下次采集的新的一组数据替代前次三组数据中的第一组数据，则将构建新的表达动态脱碳过程的一元二次方程模型，进而随着冶炼的进程，不断更新的该动态方程模型将形成脱碳过程的动态曲线及被用来预报终点碳的时刻。
附图说明
16.附图1是气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法的系统框图，附图1中1 是转炉主控室计算机工作站，是气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制系统的人机交互界面；2是气体分析计算机；3是气体检测装置；4是转炉烟道气体检测探头；5是转炉现场气体检测探头；6是副枪测碳装置；7是副枪测碳探头；8是转炉基础自动化plc装置； 9是转炉一次烟气流量检测装置；10是转炉冶炼过程状态和信息检测装置。
17.附图2是气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法的转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型程序流程框图，附图2中1是启动；2是读入基础数据；3是钢水中初始总碳量c
i-1
计算并送钢液中残留碳寄存器r1；4是读入烟气分析数据；5是烟气中二氧化碳；6 是烟气中氦；7是根据氦计算炉口进入的二氧化碳；8是两项相减得出炉内外产生的二氧化碳； 9是计算二氧化碳碳量；10是烟气中一氧化碳；11是计算一氧化碳碳量；12是两项相加得出本次冶炼脱出的碳量c
i
；13是c
i-1
减c
i
得钢液中残余碳量并送回寄存器r1；14是是否需要碳量修正判别；15是副枪系统进行测碳；16是副枪测碳值送寄存器r1；17是钢液中碳
含量 c
pi
计算；18是是否达到碳终点判别；19是结束。
具体实施方式
18.基于气体分析的数学模型成立的必要条件之一是转炉炉膛压力须在整个冶炼过程中均处于负压状态，以确保任何时刻没有一氧化碳和二氧化碳随烟气溢出炉口，即保证脱碳计算的可行性及确保脱碳计算精度，以下所有叙述及数学模型构建均是在这个前提下进行的。
19.气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法是在克服现有技术存在的缺陷基础上研发出来的，针对现有技术静态模型 动态模型控制方法存在的目标值与实际值偏差大及不具通用性特点的缺陷，研发了式(1)转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型，式(1)的特点是在整个冶炼过程都能对钢液中残存的碳进行动态计算，突破了现有技术仅在较小范围内才能实施终点碳动态模型控制的技术瓶颈，式(1)适用于各种规模的转炉、不同冶炼过程的全过程终点碳动态控制。
20.c
pi
＝(c
i-1-(p
gc2i-p
ac2
xp
ghi
/p
ah
p
gc1i
)xq
gi
x(12/22.4))/g
ꢀꢀ
(1)
21.式(1)中：
22.c
pi
：第i次计算结果的钢液中碳含量，％；
23.p
gc2i
：第i次气体分析的烟气中二氧化碳摩尔分数，％；
24.p
ac2
：空气中二氧化碳摩尔分数，常数，存储在气体分析计算机数据库中，％；
25.p
ghi
：第i次气体分析的烟气中氦摩尔分数，％；
26.q
gi
：第i次气体分析的烟气总流量，m3/s；
27.p
ah
:空气中氦摩尔分数，常数，存储在气体分析计算机数据库中，％；
28.p
gc1i
：第i次气体分析的烟气中一氧化碳摩尔分数，％；
29.g：钢水重量，kg；
30.c
i-1
：钢液中前次计算碳量，kg；初始计算时的数值由式(2)计算。
31.c
i-1
＝c
e
c
s
c
m
ꢀꢀ
(2)
32.式(2)中：
33.c
e
：铁水中碳量，常数，存储在气体分析计算机数据库中，kg；
34.c
s
：废钢中碳量，常数，存储在气体分析计算机数据库中，kg；
35.c
m
：生铁块中碳量，常数，存储在气体分析计算机数据库中，kg；
36.关于碳量修正值，在一次冶炼过程中，铁水中的碳量、废钢中的碳量、生铁块的碳量的原始输入值会存在偏差及在辅原料、合金料、其它原料中会存在对钢水中总碳量有影响的因素，这些偏差和影响因素将使终点碳计算产生误差，为消除这些误差，采取实际的副枪测碳值作为碳量修正值。
37.为获得精确的炉口进入的空气所产生的二氧化碳摩尔分数，本发明设置了转炉现场气体检测探头，用于检测转炉现场环境下空气中的氦摩尔分数和二氧化碳摩尔分数，作为气体分析数学模型计算中的基准数据；在每次冶炼开始之前通过现场气体检测、气体分析获得这些基准数据，并存储在气体分析计算机数据库中，便于气体分析脱碳动态模型计算中调用。
38.转炉冶炼过程非常复杂，与冶炼作业相关的变化因素较多，因此给数学模型建模
带来极大困难，现有技术尝试了基于物料平衡和热平衡的机理模型、基于数理统计方法的统计模型、基于积累冶炼参数的经验模型、基于多元回归方法的静态增量模型等等，但均未获得理想结果。
39.本发明在终点碳动态控制系统的设置和数学模型的构建方面进行了关键技术变革，突破了困扰多年的技术瓶颈束缚，实现了全冶炼过程终点碳动态控制，并在转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型式(1)和式(2)的基础上，构建了动态终点碳时间预测模型式(3)。
40.c
f
＝k(at2 bt c)
ꢀꢀ
(3)
41.式(3)中：
42.c
f
：钢液中终点碳含量，％；
43.t：终点碳预测时间计算值，s；
44.a,b,c：常数；
45.k：工程系数，0.5～1.5；
46.由于气体分析检测探头安装在转炉一次烟气烟道上，所以对于钢水脱碳而言，气体分析结果是滞后的，存在烟气从炉膛经烟道，至烟道烟气检测探头处的烟气输送延迟时间t
g
；此外，还存在气体检测装置信号处理延迟时间t
d
、气体分析计算机分析计算延迟时间t
c
、转炉主控室计算机工作站系统响应延迟时间t
m
；即总的时间延迟为式(4)：
47.t
t
＝t
g
t
d
t
c
t
m
ꢀꢀ
(4)
48.式(4)中：
49.t
t
：总的时间延迟，s；
50.实际上式(4)中的t
g
是个变量，取决于转炉一次除尘风机转速和风机入口阀/喉口阀开度，故总的时间延迟t
t
并不是常数。
51.故终点碳预测时间从式(5)计算得出：
52.t
f
＝t
–
t
t
ꢀꢀ
(5)
53.式(5)中：
54.t
f
：终点碳预测时间，s；
55.应该指出，式(1)的计算结果，不是即时的钢水脱碳情况，实为t
t
时间之前的情况，故脱碳动态曲线的时间轴应按t
t
时间进行标定。
56.整个冶炼过程气体分析脱碳动态模型计算数据形成了脱碳特性曲线，该特性曲线采用一个动态的一元二次方程模型式(3)来表达，通过方程模型式(3)能预测达到终点碳的时间；所谓动态方程模型是指，该方程模型的系数是根据冶炼过程的不同阶段、不同工作状态、不同的过程参数计算后得出的，且随着冶炼过程不断更新计算，得出的是与冶炼吹氧脱碳过程一致的特性曲线；因为转炉冶炼脱碳过程是一个复杂的非线性动态过程，任何一个静态方程模型都不可能正确地描述整个过程，而动态一元二次方程模型式(3)则能比较完美地描述这个过程；实时的脱碳特性曲线将显示在转炉主控室计算机工作站画面中，用以指导冶炼过程，存储在该计算机中的完整的脱碳特性曲线用于技术分析、故障追索、数学模型优化、系统开发以及综合技术判定；采用动态一元二次方程模型式(3)能进行冶炼全过程终点碳时间预报。
57.就数学模型的准确度而言，对于不同类型的转炉、对于不同的冶炼作业情况，对于
同一炉次的不同冶炼阶段，会存在某些偏差，故为了修正式(3)动态终点碳时间预测模型，设置了工程系数k，该系数属数学模型优化范畴，当获得多炉次冶炼过程数据后，采取进行数学模型离线优化计算的方法确定。
58.气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法是通过附图1的系统实现的，附图 1中转炉主控室计算机工作站(1)是基于气体分析的转炉冶炼全过程终点碳动态控制系统的人机交互界面，是以计算机工作站为基础组成的数字式装置，设有气体分析的转炉冶炼全过程终点碳动态控制参数设定、修改功能及动态曲线显示画面，与气体分析计算机(2)相连接，实时获取气体分析数据和信息，与转炉基础自动化plc装置(8)相连接，实时从该plc系统获取生产运行联锁信息、设备状态信息及有关系统参数；气体分析计算机(2)是基于气体分析的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法的核心，本身建有数学模型数据库，与气体检测装置(3)相连接，实时获取该装置的气体检测信息，实时进行气体分析动态计算，监控结果送给转炉主控室计算机工作站(1)，与转炉基础自动化plc装置(8)相连接，实时从该plc装置获取生产运行联锁信息、设备状态信息及有关系统参数，与副枪测碳装置(6)相连接，实时获得该装置的测碳值；气体检测装置(3)是以计算机为基础的多功能气体分析仪器，为质谱仪、激光气体分析仪或红外气体分析仪，与转炉烟道气体检测探头(4)和转炉现场气体检测探头(5)相连接；转炉烟道气体检测探头(4)安装在转炉烟道上，气体检测信号送至气体检测装置(3)；转炉现场气体检测探头(5)安装在转炉炉口附近的现场处，气体检测信号送至气体检测装置(3)；副枪测碳装置(6)与气体分析计算机(2)、副枪测碳探头(7)相连接；副枪测碳探头(7)与副枪测碳装置(6)相连接，测碳信息送至副枪测碳装置(6)；转炉基础自动化plc装置(8)是数字式控制装置，分别与转炉主控室计算机工作站(1)、气体分析计算机(2)、转炉一次烟气流量检测装置(9)和转炉冶炼过程状态和信息检测装置(10) 相连接；转炉一次烟气流量检测装置(9)与转炉基础自动化plc装置(8)相连接，烟气流量信号送至该plc装置；转炉冶炼过程状态和信息检测装置(10)与转炉基础自动化plc装置(8)相连接，冶炼过程状态和信息信号送至该plc装置。
59.式(1)转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型的程序流程框图通过附图2实施，附图2 中启动(1)是基于气体分析的转炉冶炼全过程终点碳动态控制程序开始启动；读入基础数据 (2)是从气体分析计算机数据库读入空气中二氧化碳p
ac2
、空气中氦p
ah
、钢水重量g、铁水中碳量c
e
、废钢中碳量c
s
、生铁块碳量c
m
、钢液中终点碳含量c
f
；钢水中初始总碳量c
i-1
计算并送钢液中残留碳寄存器r1(3)是对式(2)进行初始总碳量计算，结果送至寄存器r1，以备调用；读入烟气分析数据(4)是从气体分析计算机专用寄存器中读入烟气中二氧化碳摩尔分数p
gc2i
、烟气中氦摩尔分数p
ghi
、烟气总流量q
gi
、烟气中一氧化碳摩尔分数p
gc1i
；烟气中二氧化碳(5)是从专用寄存器中读出烟气中二氧化碳摩尔分数；烟气中氦(6)是从专用寄存器中读出烟气中氦摩尔分数；根据氦计算炉口进入的二氧化碳(7)是基于式(1)数学模型进行计算；两项相减得出炉内外产生的二氧化碳(8)是根据烟气中二氧化碳摩尔分数减去炉口进入的二氧化碳摩尔分数，则得出炉内外产生的二氧化碳摩尔分数；计算二氧化碳碳量(9)是根据炉内外产生的二氧化碳摩尔分数计算所消耗的碳量；烟气中一氧化碳(10)是从专用寄存器中读出烟气中一氧化碳摩尔分数；计算一氧化碳碳量(11)是根据烟气中一氧化碳摩尔分数计算碳量；两项相加得出本次冶炼脱出的碳量c
i
(12)是二氧化碳碳量和一氧化碳碳量相加，得出本次冶炼脱出的碳量c
i
；c
i-1
减c
i
得钢液中残余碳量并送回寄存器r1
(13) 是用前次钢液中残余碳量减去本次冶炼脱出的碳量，结果送回钢液中残余碳量寄存器r1，此为本次钢液中残余碳量；是否需要碳量修正判别(14)是根据冶炼过程的实际情况，由炼钢工艺工程师确定是否需要进行碳量修正，需要进行碳量修正时，则利用副枪系统进行测碳，测碳值送入专用寄存器；副枪系统进行测碳(15)是当需要进行碳量修正时，则运行副枪系统进行测碳；副枪测碳值送寄存器r1(16)是将副枪测碳值送寄存器r1，即更新了钢液中残余碳量值；钢液中碳含量c
pi
计算(17)是用本次计算结果的钢液中残余碳量除以钢水重量g，则得到钢液中碳含量c
pi
；是否达到碳终点判别(18)是进行钢液中碳含量c
pi
与钢液中终点碳含量c
f
比较；结束(19)是程序结束，若钢液中碳含量c
pi
与钢液中终点碳含量c
f
比较结果在设定的终点碳目标范围内，则本次基于气体分析的转炉冶炼全过程终点碳动态控制程序结束。
60.与现有技术相比，气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法实现了整个冶炼过程的终点碳全自动动态控制，为转炉炼钢节能减排、增产保质的应用开创了全新的、广泛的视野和空间，具有突出的实质性特点和显著的进步，其有益的特征是：
61.(a)首次采用气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法，解决了长期困扰转炉冶炼全过程终点碳动态控制的技术瓶颈问题，其中，首次采用氦摩尔分数作为气体分析媒介，使系统检测精度受外界的影响最小、首次采用了炉气中二氧化碳的分析及计算方法，这是迄今为止最直接的脱碳量计算方法、首次采用了每次转炉冶炼开始之前对转炉工作区域附近的空气中的气体进行采样分析，作为动态模型计算的基础数据，提高了动态模型的计算精度；
62.(b)首次采用转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型替代现有技术前期静态模型 后期动态模型的控制方法；
63.(c)本发明实现了转炉冶炼全过程终点碳动态控制，即使是在冶炼后期，当烟气中的一氧化碳降为零之后，动态模型仍可以利用气体分析中的二氧化碳进行脱碳量计算，保证了冶炼全过程的脱碳量计算精度，因此，本发明的预计终点碳命中率为95％以上；
64.(d)本发明是科学、简捷、实用、高效的转炉冶炼终点碳控制方法，可进一步提高转炉冶炼生产作业率、提高产量、提高产品质量、降低生产成本及损耗；
65.(e)本发明的转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型和终点碳时间预测模型将产生逼真的脱碳动态曲线和终点碳时间预测动态曲线，可用来指导、改进转炉冶炼过程，可提高转炉煤气的回收率，可进一步提高节能减排效益。
66.(f)与现有技术的副枪 动态模型的控制系统相比，本发明气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法因具有上述a～e之诸多优点，故总体性能优于现有技术的副枪系统的控制方法。
67.气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法广泛适用于新建、扩建或改造的大中型转炉炼钢系统，以上所述仅为本发明的一个应用领域的例子，不用于限制本发明，尽管参照所述例子对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对所述例子所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的控制原理和控制策略之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。