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

技术特征：
1.一种气体分析 副枪的转炉冶炼全过程终点碳动态控制方法，其特征在于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；式(1)转炉冶炼全过程气体分析脱碳动态模型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；c
pi
＝(c
i-1-(p
gc2i-p
ac2
x p
ghi
/p
ah
p
gc1i
)x q
gi
x(12/22.4))/g
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中：c
pi
：第i次计算结果的钢液中碳含量，％；p
gc2i
：第i次气体分析的烟气中二氧化碳摩尔分数，％；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，％；p
ghi
：第i次气体分析的烟气中氦摩尔分数，％；q
gi
：第i次气体分析的烟气总流量，m3/s；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，％；p
gc1i
：第i次气体分析的烟气中一氧化碳摩尔分数，％；g：钢水重量，kg；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；c
i-1
＝c
e
c
s
c
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中：c
e
：铁水中碳量，常数，存储在气体分析计算机数据库中，kg；c
s
：废钢中碳量，常数，存储在气体分析计算机数据库中，kg；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；式(3)动态终点碳时间预测模型；c
f
＝k(at2 bt c)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中：
c
f
：钢液中终点碳含量，％；t：终点碳预测时间，s；a,b,c：常数；k：工程系数，0.5～1.5；2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法是通过附图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。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于式(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。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于关于碳量修正值，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。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于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。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于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。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于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。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于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)：
t
t
＝t
g
t
d
t
c
t
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式(4)中：t
t
：总的时间延迟，s；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；故终点碳预测时间从式(5)计算得出：t
f
＝t
–
t
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(5)中：t
f
：终点碳预测时间，s；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。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法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。

技术总结
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属于转炉冶炼控制技术，根据气体分析得到的氦摩尔分数来计算炉口进入的空气中的二氧化碳摩尔分数，采用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，二氧化碳摩尔分数与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，根据该总量可得冶炼过程所脱出的碳量；采取实际的副枪测碳值作为碳量修正值；构建的动态数学模型和动态终点碳时间预测模型可实现转炉冶炼全过程终点碳动态控制，广泛适用于新建、扩建或改造的各类转炉炼钢系统。改造的各类转炉炼钢系统。改造的各类转炉炼钢系统。


技术研发人员：高毅夫 高劼
受保护的技术使用者：北京凯德恒源科技发展有限公司
技术研发日：2020.04.10
技术公布日：2021/10/18