转炉炼钢脱磷过程若干参数优化、检测和控制技术的研究

摘要

磷对于绝大多数钢种来说都是有害元素。由于磷在铁液中溶解度大而在固体铁中的溶解度很小，含磷量高时易在晶界上析出，导致钢的塑性和冲击韧性降低，焊接性能与冷弯性能变差。同时磷显著扩大固液两相区，在钢中的偏析严重，使钢的局部组织异常，机械性能不均匀，磷还会引起腐蚀疲劳和焊接开裂。因此在转炉内如何进行高效脱磷，成为转炉炼钢的一个关键技术。
　　 本文从复吹转炉脱磷动力学参数优化、冶炼过程的脱磷控制及出钢过程渣量的检测与控制三个方面入手，系统地研究了转炉钢水脱磷和控磷技术。其中复吹脱磷动力学参数优化主要研究复吹底枪参数优化，以改善脱磷的动力学条件；而转炉多功能精炼法在同一转炉内对脱磷和脱碳进行分阶段控制，则强化了冶炼过程中的脱磷效果；研究下渣检测与控制装置用于控制转炉下渣量，以降低转炉出钢后钢包内的钢水回磷量。将研究结果应用于三明炼钢厂的100t复吹转炉中，取得了较好的效果。
　　 论文主要工作和创新如下：(1)顶底复吹转炉脱磷动力学参数优化为了改进转炉脱磷动力学条件，应用相似理论建立项底复吹转炉吹炼的物理模型，提出非对称底枪的布置模式。研究转炉熔池在不同的底枪支数和不同的对称、非对称布置方式以及不同的复吹工艺参数条件下的混匀时间，优化复吹转炉底枪布置方式和复吹工艺参数。将实验室优化得到的非对称底枪布置及复吹工艺参数应用到实际生产中，比较了复吹技术优化前后的转炉出钢技术指标。
　　 研究结果表明，复吹转炉底枪支数和布置方式对熔池的混匀时间有着重要的影响，其中底枪布置方式比底枪支数对熔池混匀时间的影响更大。与对称的底枪布置比较，复吹转炉采用非对称底枪布置，有利于在转炉熔池中产生水平方向的流动，改善了脱磷的动力学条件，缩短了熔池的混匀时间，提高了脱磷效果。
　　 应用结果表明，在相近的出钢碳含量和温度下，复吹转炉出钢的钢水平均氧含量由604ppm下降为444ppm，碳氧浓度积从0.0031下降到0.0025，终渣氧化性降低，出钢钢液磷含量由167ppm下降为148ppm。(2)转炉多功能精炼(MURC)法脱磷过程的控制和预测转炉多功能精炼法最大的特征在于在同一转炉内进行脱硅、脱磷和脱碳的分阶段处理，中间排渣和终点留渣。将转炉多功能精炼法用于三明炼钢厂的实践探索中，首先对MURC法脱磷期脱磷的热力学和动力学条件进行分析，确定脱磷期终点控制熔池温度在1330-1400℃之间；其次制定出适合MURC法的冶炼工艺制度，以及对不同的铁水硅含量确定了不同的供氧制度和造渣制度；进而根据试验数据和灰色关联法对脱磷的影响因素进行分析，指出脱磷期的炉渣碱度控制在1.5～2.0之间，脱碳期的碱度控制在2.5～3.0之间，脱磷效果较好。最后建立了脱磷期终点磷含量的灰色预测模型。为了提高模型的预测精度，采用聚类分析的方法对数据预处理后，考虑数据饱和现象，采用遗忘因子和限定记忆的方法对建立的预测模型进行改进，使模型预测命中率提高。
　　 应用结果表明，MURC工艺与常规冶炼工艺相比，出钢平均磷含量由148ppm降低到80ppm，碳含量由0.082％提高到0.197％。由于MURC法采用脱碳渣热循环，石灰消耗低，钢铁料耗下降，年生产成本可节省3368万元。(3)开发研制转炉下渣检测与控制装置为降低转炉出钢过程钢包中的钢水回磷量，设计了用于控制下渣量的下渣检测和控制装置。该系统包括闸阀机构设计和下渣检测与控制两部分。考虑出钢过程挡渣机构高温、粉尘及下渣检测信号采集困难等特点，将滑动水口技术引入挡渣机构，设计由液压缸驱动的滑板式转炉闸阀挡渣机构，安装在出钢口外侧，不受出钢口形状和钢渣性能的影响，能可靠控制钢流和炉渣；结合计算机视觉技术，从转炉出钢钢水注流和炉渣的辐射特征入手，根据安装在转炉侧面的摄像机采集的钢水与炉渣图像的发射率不同，结合图像处理技术，辨识钢水和炉渣，启动闸阀挡渣机构，实现下渣检测与控制。
　　 现场应用表明：采用该装置后挡渣成功率达到99％，普碳钢（以Q235为例）钢水回磷相比于目前广泛使用的挡渣球和挡渣塞，回磷量分别由40.0ppm、17.0ppm下降到13.6ppm;对于优钢(ML08AL为例)与挡渣塞比较，钢水回磷量由31.1ppm下降到21.1ppm。控磷效果明显。
　　 该装置从2007年4月正式在三明炼钢厂使用，按该厂年产400万吨钢计算，一年增加效益3120万元。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 炼钢过程脱磷的必要性

1.2 炼钢过程脱磷的主要方法

1.2.1 转炉外铁水预处理脱磷技术

1.2.2 转炉脱磷技术

1.2.3 炉外精炼二次脱磷

1.3 转炉炼钢脱磷工艺优化与控制的关键技术

1.3.1 转炉顶底复吹工艺参数优化技术

1.3.2 转炉高效脱磷技术

1.3.3 转炉出钢挡渣技术

1.4 本课题的研究内容

1.5 本课题研究的创新点

第2章 顶底复吹转炉脱磷动力学参数优化

2.1 物理模拟实验的基本原理

2.1.1 相似理论简介

2.1.2 近似模型实验方法

2.1.3 冶金过程物理模拟

2.1.4 模拟实验的相似条件

2.2 模型参数的确定

2.2.1 模型几何尺寸的确定

2.2.2 模型顶部供气参数和底部供气参数的确定

2.2.3 氧枪枪位和熔池深度的确定

2.2.4 实验设备和方法

2.3 脱磷动力学参数物理模拟优化

2.3.1 复吹转炉底枪支数及布置原则

2.3.2 底枪支数和布置方式对熔池混匀时间的影响

2.3.3 对称底枪布置复吹转炉实验

2.3.4 对称底枪布置的复吹转炉熔池混匀时间

2.3.5 方案1底枪布置的复吹转炉熔池冲击深度和冲击面积

2.3.6 非对称底枪布置的复吹转炉熔池混匀时间

2.3.7 不同底枪布置的转炉后搅熔池混匀时间

2.3.8 非对称底枪布置复吹转炉熔池冲击面积和冲击深度

2.4 优化参数实际应用效果

2.5 本章小结

第3章 转炉多功能精炼法脱磷过程控制和预测

3.1 转炉多功能精炼法的工艺过程

3.1.1 多功能精炼法工艺原理及特点

3.1.2 脱磷反应的热力学和动力学分析

3.1.3 转炉多功能精炼法的冶炼操作工艺制度

3.2 转炉多功能精炼法的脱磷过程控制

3.2.1 脱磷过程温度的确定

3.2.2 脱磷期石灰熔化情况的计算分析

3.2.3 影响脱磷过程因素的试验分析

3.2.4 影响脱磷因素的灰关联度计算

3.3 多功能精炼法控制结果

3.4 多功能精炼法脱磷期终点磷含量预测模型

3.4.1 预测灰色系统模型的选择

3.4.2 脱磷灰色预测模型的建立

3.4.3 预测模型的有效性分析

3.4.4 基于聚类分析和遗忘因子的预测模型改进

3.5 本章小结

第4章 转炉出钢下渣检测与控制装置

4.1 下渣测控系统的方案设计

4.2 转炉出钢闸阀挡渣装置的设计

4.2.1 闸阀挡渣机构设计

4.2.2 闸阀机构耐材结构及成份选择

4.3 转炉出钢下渣检测与控制系统设计

4.3.1 转炉出钢钢水与钢渣辐射特性分析

4.3.2 转炉出钢注流特征分析与钢渣识别

4.4 转炉出钢下渣检测与控制系统应用结果

4.5 本章小结

第5章 结论

参考文献

附录1：转炉炼钢磷含量原始值、预测值及偏差

攻读博士学位期间的工作

致谢

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