微机动态控制AOD炉精炼不锈钢工艺

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.s1.004 第17卷增刊 北京科技大学学报 Vol.17 1995年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1995 微机动态控制AOD炉精炼不锈钢工艺 李学峰缪汉金郭家祺邵志刚王京明 太原锅铁公司第三炼翻厂，030003 摘要介绍了太钢18tAOD炉采用微机动态控制精炼不锈钢的工艺模型及其应用.该模型可控制 终点碳和温度，使用该模型后提高了铬的回收率， 关键词AOD炉，徽机控制，不锈钢 Kinetic Computer-Controlled Process Model for Stainless Refining in AOD Vessel Li Xuefeng Miao Hanjin Guo Jiagi Shao Zhigang Wang Jingming Taiyuan Iron and Steel Co.,030003 ABSTRACT The kinetic computer-controlled process model and its application for the stainless steel refining in 18t AOD vessel at Taiyuan Iron and Steel Co.are presented.The carbon content and temperatrue at end point were controlled.The chromium yield was increased by use of the model. KEY WORDS AOD vessel,computer control,stainless steel 在总结前3次建立吹炼终点碳“预报模型”经验的基础上，采用“理论计算十人工智 能”技术建立微机动态控制AOD炉精炼不锈钢的工艺模型，并进行了工业性应用. 1工艺模型的建立 (1)控制目标：终点[C]为0.05%士0.02%；终点温度为1750℃土20C. (2)工艺原理：氩氧精炼不锈钢基本工艺原理是采用氩氧混合气体进行吹炼，由于氩气 稀释，降低了钢中的CO分压，使高铬钢水在减压下进行脱碳反应，从而达到“脱碳保铬”目 的，减少铬的氧化 高铬钢水在减压下的脱碳反应是在气一液相中进行的有C、Si、Mn、Cr、Fe、O等多 ·1995-05一10收稿

第 卷 增刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 段 微机动态控制 炉精炼不锈钢工艺 李 学峰 缪汉 金 郭家棋 邵 志 刚 王 京 明 太原钢铁 公 司第三炼钢 厂 ， 。 摘要 介 绍了太钢 炉 采 用微机动 态控制精炼不锈钢 的工艺模型及其应用 该模型 可控制 终点碳和 温 度 ， 使用该模型后提高 了铬 的 回收率 关锐词 炉 ， 微机控制 ， 不锈钢 一 仑 故 口 之 ， 一 闭 闭 · ， ， 在 总 结前 次 建 立 吹炼 终 点 碳 “ 预 报 模 型 ” 经 验 的 基础 上 ， 采 用 “ 理 论计 算 十 人 工 智 能 ” 技术建立微机动态控制 炉 精炼 不锈钢 的工 艺模 型 ， 并进行 了工业性应 用 工艺模型的建立 控制 目标 终点 「 为 士 终 点温度 为 ℃ 士 ℃ 工 艺原理 氢 氧精炼 不锈钢 基本工 艺原理是 采 用 氢氧 混 合气体进行 吹炼 ， 由于氢气 稀 释 ， 降低 了钢 中的 分压 ， 使高铬钢 水在 减压下进 行脱碳反应 ， 从而达到 “ 脱碳保铬 ” 目 的 ， 减少铬 的氧 化 高铬钢 水在 减 压 下 的脱碳 反 应 是 在 气 — 液 相 中进行 的有 、 、 、 、 、 等多 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1995．s1．004

·18- 北京科技大学学报 种元素及其氧化物参加的复杂的高温物理化学反应.影响终点[C]和终点温度控制的因素有： 钢水开始条件（温度、成分、重量）、AOD炉衬开始条件、吹炼气体流量和比例以及吹炼时间 等相关因素. (3)供气制度改进：在保留以N代Ar工艺基础上，脱碳期由时间较长且不连续调节的两 期改为时间较短且连续调节的6期，氧氩（氨）比范围由3：1~1：1扩大到5：10.5：1. (4)工艺控制参数确定：根据供气制度改进和AOD炉精炼不锈钢工艺规程的要求，确定 工艺参数共27项：(1)~(6)分别为1期至6期氧气流量：(7)~12)分别为1期至6期 氮气流量；13)和(14)分别为还原期和精炼期氩气流量；15)~(20〉分别为1期至6期 的时间；〈21〉脱碳期总时间；〈22〉开吹前加铝量；〈23)脱碳期加高铬量；〈24〉脱碳期加 中锰量；〈25〉脱碳期加镍量；〈26)还原期加硅铁量；〈27)还原期加石灰量.其中，(1)~ (21〉项用于微机动态控制，《22〉~·(27)项用于自动显示，供操作工按显示数量计量加入· (5)影响因素分析：共有18项，即：〈1〉装入量，〈2〉炉龄，(3)炉体烘烤状况，〈4) 上炉出钢时间，(5)本炉兑钢时间，〈6)高铬含铬量，〈7)高铬含碳量，〈8〉中锰含锰量， (9)中锰含碳量，10》钛铁配入量，〈11)电炉熔清碳含量(%)，12)电炉熔清铬含量(%)， (13)开吹温度，14)粗钢水碳含量(%)，(15)粗钢水硅含量(%)，16)粗钢水锰含量 (%),17)粗钢水镍含量(%)，18)粗钢水铬含量(%).其中，1)、(14〉~16》4项 为原“预报模型”的影响因素，其余14项均为本工艺模型新增的影响因素。 (6)工艺控制参数与开始条件参数间函数关系式的建立：本“工艺模型”中函数关系式 的建立采用了“理论计算”和“AI”技术相结合的方法. “理论计算”主要是根据冶炼过程的物理化学反应，建立物料平衡和热平衡方程式，参数 全部采用物理、化学和热力学常数2们. “AI”技术主要用来解决以下多环节、多因素、不确定性和非数值特征的工程问题). 即：炉衬潜热量；吹炼过程热损失量；炉衬状况、开吹温度等对脱碳速度的影响；终点温度 的控制；有关常数的确定。 (7)主程序框图：以上18项开始条件参数分别用A1,A2,A…,A1表示，27项工艺 控制参数分别用B1,B2,Bg,…,B2,表示. 2工艺模型试验的结果及分析 AOD炉采用微机动态控制精炼不锈钢在太钢2号AOD炉经过间断的78炉钢热负荷调 试之后，又集中进行了一炉役连续的热负荷试验.该试验炉役采用微机动态控制精炼36炉不 锈钢，其中，1Cr1 aNig Ti32炉、0Cr:gNig4炉. 2.1试验亲件 (1)钢种为1Cr:8Ni,Ti,0 CriaNi,:(2)吹炼气体压力和钢水开始条件同现行工艺控制要 求；本次试验36炉钢水开始化学成分、温度见表1

北 京 科 技 大 学 学 报 种元 素及其 氧化物 参 加 的 复 杂 的高 温 物理 化学 反应 影 响终点 〔 和 终 点 温度 控制 的 因素有 钢水开 始 条件 温度 、 成 分 、 重 量 、 炉 衬开 始条件 、 吹炼气体 流 量 和 比例 以及 吹炼 时 间 等相关 因 素 供 气制 度 改进 在 保 留 以 代 工 艺基础 上 ， 脱碳期 由时 间较 长 且 不连 续 调 节 的两 期 改 为时 间较 短 且 连续 调 节 的 期 ， 氧氢 氮 比范 围 由 一 扩 大 到 一 工 艺控制 参数确 定 根据供 气制度改进 和 炉 精炼 不锈钢 工 艺规程 的要 求 ， 确 定 工 艺参数共 项 一 分 别 为 期 至 期 氧气 流量 一 分 别 为 期 至 期 氮 气流 量 和 分 别 为还 原期 和精炼期 氢气 流量 一 山 分 别 为 期 至 期 的时 间 脱 碳期 总 时 间 开 吹前 加铝 量 脱碳期加 高铬 量 脱碳期加 中锰量 脱 碳期加镍量 还 原期 加硅铁量 还 原期 加 石 灰 量 其 中 ， 一 项 用于 微机 动 态控制 ， 一 项用 于 自动 显示 ， 供操作工按显示 数量计 量加 入 影 响 因 素分 析 共有 项 ， 即 装入量 ， 炉 龄 ， 炉 体烘烤状况 ， 上 炉 出钢 时 间 ， 本 炉 兑钢 时 间 ， 高铬 含铬量 ， 高铬 含碳 量 ， 中锰含锰 量 ， 中锰 含 碳量 ， 钦铁配 入 量 ， 电炉 熔 清碳含量 ， 电炉 熔 清 铬 含量 ， 开 吹温 度 ， 粗钢 水 碳 含量 ， 粗钢水硅 含量 ， 粗钢水锰 含 量 ， 粗钢 水镍 含 量 ， 粗钢水铬 含量 其 中 ， 、 一 项 为原 “ 预 报模 型 ” 的 影 响 因素 ， 其余 项均 为本工 艺模型新增 的影 响 因素 工 艺控制 参数与 开 始 条 件参 数 间函 数关 系式 的建立 本 “ 工艺模型 ” 中函 数关 系式 的建立 采 用 了 “ 理 论计算 ” 和 “ ” 技 术相 结合 的方法 “ 理 论计 算 ” 主 要是根 据 冶炼过 程 的物理 化学 反 应 ， 建立 物料平衡和 热平衡方程 式 ， 参数 全部 采 用物 理 、 化学 和 热 力 学 常数图 “ ” 技术 主要 用 来解决 以下 多环 节 、 多 因素 、 不 确 定性 和 非数值特 征 的工 程 问题闭 即 炉 衬潜 热 量 吹炼过 程热 损 失量 炉 衬状况 、 开 吹温 度 等 对 脱 碳速 度 的影 响 终 点温 度 的控 制 有关常 数 的确 定 主 程序 框 图 以 上 项开 始 条件 参数分 别用 ， ， … … ， 表示 ， 项工 艺 控制 参数分别 用 ， ， ， … … ， 表示 工艺模型试验的 结果及 分析 炉 采 用微机动 态控 制精 炼 不锈钢 在 太 钢 号 炉 经 过 间断 的 炉 钢 热 负荷 调 试之 后 ， 又 集 中进行 了一 炉 役连 续 的热 负荷试验 该试验 炉 役 采 用微 机 动 态控制 精炼 炉 不 锈钢 ， 其 中 ， 炉 ， 。 炉 · 试验 条件 钢 种 为 ， 。 吹炼 气体 压 力和 钢 水 开 始 条件 同现 行工 艺控 制 要 求 本次试验 炉 钢 水 开 始 化学 成 分 、 温度 见表

李学峰等：微机动态控制AOD炉精炼不锈钢工艺 ·19· 表1钢水开始化学成分及温度 化学成分/% 开吹温度 特性值 Si Mn Cr Ni /C X 1.52 0.24 0.34 0.029 18.38 8.88 1511 max 1.93 0.31 0.59 0.041 19.30 10.60 1548 min 1.10 0.15 0.260.023 17.38 7.63 1450 2.2试验结果及分析 (1)终点碳含量控制试验数据见表2. 表2终点碳含量[C]控制比较 含内控 内控 控制 控制方式 炉数 (≤0.06%) 合格 命中 X Max Min R 6 炉数 率/% 率/% 微机控制终点[C]350.0450.0680.0360.0320.007 34 97.1 100 现行工艺控制终点[C] 3450.0460.0900.0260.0040.010 289 83.8 未定目标 (1994年2月全部) ①因浇铸系统发生生产事故而未取桶样成分 终点[C]控制命中率达100%，实现终点[C]的自动控制. 终点[C]内控合格率达到97.1%，比现行工艺生产结果提高13.3%；终点[C]平均值 同现行工艺控制基本相当，波动范围(R)缩小一半，波动性(6)也缩小近1/3.钢性能进 一步稳定. (2)终点温度控制试验数据见表3. 表3终点温度控制 1730 低温 低温 终点温度（特性值）/( <1730( 试验 >1730( ~1770C 控制方式 重吹氧化 炉数 X max min 炉数/% 炉数/% 炉数/% 炉数/%炉数/% 微机控制3617641820173288210071242980.612.800 现行工艺控制81176318121728841611.21923.56175.367.433.7 由表可见①终点温度控制命中率达到80.6%，比现行工艺控制提高5.3%.②终点温 度低需重吹升温及低温重氧化现象明显减少.③终点温度控制同控制目标比较普遍偏高，未 达到控制目标的终点温度均大于1770℃，最高达到1820C,同现行工艺控制水平基本相当. 这是试验中发现和需要解决的问题

李学 峰等 微机动 态控制 炉 精炼 不锈钢工艺 表 铜水开始化学成分及湿度 特性值 化学成分 开 吹温 度 ℃ 一 试验结果及分析 终点碳含量控制试验数据 见表 表 终 点碳含 仁 」控制比较 含 内控 控制方式 炉 数 毛 叉 己 炉 数 微机控制终点 〕 现行工艺控制终点 〔 〕 年 月全部 未 定 目标 ① 因浇铸 系统发 生生产事故 而 未取桶 样 成分 终点 〔 〕 控制命 中率达 ， 实 现 终 点 」的 自动 控制 终 点 〔 内控合格率达 到 ， 比现 行 工 艺生 产结 果提高 终 点 仁 」平均 值 同现行工艺控制基本相 当 ， 波 动 范 围 缩 小一 半 ， 波动性 韵 也缩 小近 钢性 能进 一步 稳定 终点温度 控制试验数据 见表 表 终 点沮度控制 终点温 度 特性值 、 、 控制 方式 试验 炉 数 低 温 重 吹 低温 氧 化 叉 炉 数 炉 数 炉 数 炉 数 炉 数 微机控制 现行工艺控制 一 由表 可 见①终点 温度 控制命 中率 达 到 ， 比现 行 工 艺控制 提高 ②终 点 温 度 低 需 重 吹升温 及低 温 重 氧化现象 明显 减少 ③终 点 温 度 控制 同控制 目标 比较 普 遍 偏 高 ， 未 达 到 控制 目标 的终点 温 度均 大 于 ‘ ， 最 高 达 到 ‘ ， 同现行工 艺控 制水平基本 相 当 这是试验 中发现 和 需 要 解决 的 问题

·20· 北京科技大学学报 (3)平均每炉钢的吹炼时间缩短是靠减 表4吹炼时间比较 少摇炉、取样、测温次数，减少铬的氧化和 吹炼时间/min·炉-1 钢水过氧化以及增大脱碳速度来实现的。试 控制方式 试验炉数 含影响不含影响 验数据见表4. 由表可见①实际吹炼时间（含影响时 微机控制 36 62.1 57.1 间)减少9.2min/炉，降低12.9%；②剔除 现行工艺控制 81 71.3鉴定水平：65 比较 -9.2 -7.9 影响时间后的吹炼时间减少7.9min/炉，降 低12.1%. (4)铬氧化量试验数据见表5. 表5铬氯化量比较 序 现行工艺控制 微机控制 号炉号氧化末r(%)△rc(%) 炉号氧化末xc(%dxC(%) 1 Y31463 15.80 2.31 Y40685 15.87 1.84 2 Y31464 14.63 3.47 Y40688 17.03 1.32 3 Y31467 15.87 2.25 Y40710 16.38 2.14 4 Y31468 15.66 2.62 Y40714 16.31 1.41 5 Y31469 15.04 296 Y40723 16.66 1.83 Y40720 16.32 1.45 平均 15.40 2.62 16.43 1.67 由表可见：脱碳末铬含量比现行工艺控制提高1.03%；铬氧化量△x为1.67%，减少 0.95%.“脱碳保铬”效果明显. (5)铬回收率，微机控制为98.34%比现行工艺控制提高了1.61% (6)硅铁消耗量，微机控制为17.84kg/t,比现行工艺控制减少2.19kg/t,降低10.9%. (7)AOD炉高碳铬、微碳络追加量减少是由于微机控制使铬回收率和铬回收稳定性提高. 例如，微铬追加量比现行工艺控制减少1.16kg/t;高铬追加量减少0.52kg/t. (8)AOD炉炉衬消耗：在相同材质和砌筑工艺且吹炼气体压力满足工艺要求的条件下，在 2号18tAOD炉微机控制试验炉役的前后，各取相邻的采用现行工艺控制的4个炉役共计8 个炉役，进行炉衬消耗比较.试验数据见表6. 表6AOD炉炉龄比较 现行工艺控制 微机控制 现行工艺控制 现行工艺控 比较 炉役序号 1 2 3 5 6 7 9 制平均炉龄 炉龄（次/炉） 27 282925 40 26 29 37 34 29.4 +10.6 可比炉龄 24.8326.3327.8321.8344.3323.3327.8339.8335.33 28.4+15.9 (次/炉) (9)桶样[N]含量分析 随机取10炉钢桶样进行xw含量分析，其中9炉1 CrisNigTi钢中xC含量最大值359× 10-6,最小值184×10-6，均值248×10-6.1炉0Cr1Ni,钢中x含量731×10-.表明桶样

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 平均 每炉 钢 的 吹炼 时 间缩短是 靠减 少摇炉 、 取样 、 测 温次 数 ， 减 少铬 的氧化和 钢水过氧 化 以 及增 大脱碳速 度 来 实现 的 试 验数据 见表 由 表 可 见 ① 实 际 吹 炼 时 间 含 影 响 时 间 减 少 炉 ， 降低 写 ②剔 除 影 响 时 间后 的 吹炼 时 间减 少 炉 ， 降 低 铬 氧化量试验 数据 见表 控制方式 表 吹炼时间比较 吹炼时 间 · 炉 一 ‘ 试验炉 数 — 含影 响 不 含影 响 微机控制 现行工艺控制 比较 鉴 定水平 一 一 表 铬级化，比较 现行工艺控制 微机控制 炉 号 氧化末 △沈 炉号 氧化末 戊 序号 平均 由表 可 见 脱碳 末铬 含 量 比现 行工艺控 制提 高 铬 氧 化量 七 为 ， 减 少 “ 脱碳保铬 ” 效果 明显 铬 回收率 ， 微机控制 为 比现行工 艺控制提高 了 硅铁 消耗量 ， 微机控 制 为 八 ， 比现行工艺控制 减少 八 ， 降低 炉 高碳 铬 、 微碳 络追 加量减 少是 由于微机控制使铬 回 收率和 铬 回收 稳 定性提 高 例 如 ， 微铬 追 加量 比现行工 艺控 制 减少 · 高铬追 加量减 少 八 炉 炉 衬 消耗 在 相 同材 质 和砌 筑工 艺 且 吹炼气体 压 力 满足 工 艺要 求 的条 件下 ， 在 号 炉 微机控 制 试验 炉 役 的前后 ， 各 取 相 邻 的采 用 现 行 工 艺控 制 的 个炉 役 共计 个 炉 役 ， 进行 炉 衬 消耗 比较 试验 数据 见表 表 炉炉龄比较 现 行工 艺控制 微机控制 现行工艺控制 现行工艺控 比较 制平均 炉龄 炉役序号 炉 龄 次 炉 可 比炉龄 次 炉 · · · · · · · · · 桶样 「 含量分 析 随机取 炉 钢 桶样进行 洲 含量分析 ， 其 中 炉 钢 中 含 量 最 大值 一 ‘ ， 最 小值 义 一 ， 均值 火 一 ‘ 炉 。 钢 中 〕含 量 一 表 明桶样

李学峰等：微机动态控制AOD炉精炼不锈钢工艺 ·21· xw含量同现行工艺控制水平基本相当，满足了1Cr1 NigTi及0Crl8Nig钢质量要求 (10)预还原炉渣分析 在现行工艺控制和微机控制条件下，分别随机取5炉预还原炉渣渣样进行分析.分析数 据见表7. 表7预还原炉渣成份比较 炉渣成分/% CaO 控制方式 炉数特性值 Fe(SiO2 Al2Os CaO Mgo NiO MnO Cr2O3 R=S04 X3.1226.613.4520.1424.540.0437.6812.100.757 现行工艺控制5 Ma×3.5928.775.6523.8927.570.0658.7513.810.830 Min2.6025.222.1416.0420.350.0325.348.870.636 X2.1236.703.4223.8120.590.1564.007.000.649 微机控制 5 Max2.5437.586.4029.1222.040.2204.7011.260.775 Min1.6535.002.2017.9619.310.0803.252.790.513 由表可知，①预还原炉渣中CrO3含量降低42%. ②预还原渣中氧化物CrO,、FeO、MnO分别降低42%、32%，3项合计降低42.7%，还 原效果得到明显改善， ③预还原炉渣中MgO含量明显减少，说明炉衬焙损减少，炉衬寿命按此预测可提高5一 6次/炉役，与实际情况基本相当. ④预还原总渣量减少15%-25%. ⑤预还原石灰量应适当增加150kg左右，以便预还原炉渣碱度达到1.0-1.4. 3 主要功能和效果 微机动态控制AOD炉精炼不锈钢比现行工艺控制吨钢效益增加121.5元.太钢第三炼 钢厂的AOD炉全年约精炼7万t不锈钢，如果微机动态控制按80%计算，则年效益增加680 万元. 4结语 (1)工业性试验结果表明，AOD炉采用微机动态控制精炼1Cr1Ni,Ti和0Cr1Ni,不锈钢， 终点[C]控制命中率达100%，终点温度控制命中率达到80%以上，均优于现行工艺水平， 而且吹炼时间缩短12.1%，原材料成本降低61元/：，总体经济效益比现行工艺控制增加 121.5元/t,可用于工业性生产.其它钢种工艺控制软件有待进一步开发. (2)试验中出现终点温度控制偏高，可以通过限定“出钢一兑钢”间隔时间下限和适当 降低钢水开始温度得到较好解决， (3)试验中出现预还原炉渣碱度偏低，C(O,含量偏高，可以通过限定开吹扒渣量、准确 计量石灰加入量和完善石灰加入量函数关系式得到较好地解决

李学峰等 微机动 态控制 炉精炼不锈钢 工艺 含量 同现行 工 艺控制水平基本相 当 ， 满足 了 及 ， 钢 质量要 求 预 还 原炉 渣分析 在 现 行工 艺控制和 微机控制条件下 ， 分别 随机取 炉 预还原炉 渣渣样进行分析 分析 数 据见 表 表 预还原炉渣成份比较 炉 渣成分 控制方式 炉 数 特性值 — 。 鲤 叉 现行工 艺控制 叉 微机控制 由表可知 ， ①预还原炉 渣 中 。 含 量 降低 ② 预还原渣 中氧化物 户 、 、 分 别 降低 、 ， 项合计 降低 ， 还 原效果得到 明显改善 ③预还原炉 渣 中 含量 明显 减 少 ， 说 明炉 衬焙 损减少 ， 炉 衬 寿命按此预 测 可提高 一 次 炉 役 ， 与实际情况基本相 当 ④ 预还 原 总 渣量减少 一 ⑤预 还原石 灰量 应适 当增 加 左 右 ， 以 便预 还 原炉 渣碱度达到 · 一 · 主要功能和效果 微机动态 控制 炉 精 炼 不锈 钢 比现 行 工 艺 控制 吨钢 效益 增 加 元 太 钢 第三 炼 钢 厂 的 炉 全年 约精 炼 万 不锈 钢 ， 如 果 微机 动 态控制 按 计算 ， 则 年效 益增 加 万 元 结语 工业性试验 结果表 明 ， 炉 采 用微机动 态控制 精炼 。 和 。 不锈钢 ， 终 点 控制命 中率 达 ， 终 点 温 度控制 命 中率达 到 以 上 ， 均 优于 现行工 艺水平 ， 而 且 吹炼 时 间缩 短 ， 原 材 料 成 本 降 低 元 八 ， 总 体 经 济 效 益 比 现 行 工 艺 控 制 增 加 ， 元 八 ， 可用 于工业性 生 产 其 它钢 种工 艺控 制 软 件有 待进 一步 开 发 试验 中 出现 终 点温度控 制 偏 高 ， 可 以 通过 限 定 “ 出钢 一 兑钢 ” 间隔 时 间下 限和 适 当 降低钢 水开 始 温 度得 到 较 好解决 试验 中出现预 还 原炉 渣 碱度 偏 低 ， 必 。 含量偏 高 ， 可 以通过限定 开 吹 扒 渣量 、 准 确 计 量 石 灰加入量 和 完善 石 灰 加 入 量 函 数关 系式 得 到 较 好地解决