一种电弧炉使用预热式氧枪的炼钢过程控制方法及系统

摘要

本发明属于电弧炉炼钢技术领域，提供了一种电弧炉使用预热式氧枪的炼钢过程控制方法，包括将电弧炉冶炼过程分解为多个冶炼阶段的步骤，判断电弧炉冶炼过程中所处冶炼阶段的步骤，以及在每个所述冶炼阶段中分时段调节氧气流量和氧气温度，实现氧气射流氧化能力和冲击搅拌能力独立控制的步骤；氧气流量的调节范围为100‑4000Nm

说明书

技术领域

本发明属于电弧炉炼钢技术领域，特别涉及一种电弧炉使用预热式氧枪的炼钢过程控制方法及系统。

背景技术

目前，电弧炉炼钢的供氧主要是通过位于熔池上方的氧枪来完成，氧枪喷头采用拉瓦尔喷管结构产生超音速射流，利用氧气射流的动能穿透炉气和渣层与钢水接触并发生反应。

电弧炉氧枪产生的超音速氧气射流吹入熔池，一方面提供熔池氧化所需的氧，另一方面提供熔池搅拌所需的搅拌功；电弧炉的不同冶炼阶段对供氧量和搅拌功需求不同，合理控制供氧量和搅拌功对提高电弧炉冶炼效率具有重要意义。

在电弧炉炼钢过程中，炉壁氧枪尺寸和位置是固定的，氧气流量是冶炼过程中唯一可调的供氧参数，氧气射流的冲击搅拌能力随氧气流量的变化而变化，无法实现氧气流量和冲击力的独立控制；同时氧气流量的变化使得氧枪工作在非设计工况下，进一步恶化了超音速氧气射流的射流特性，降低了氧气利用率以及氧气射流对熔池的冲击搅拌效果。

专利号为ZL201210233080.6，名称为“一种预热氧气提高射流速度的吹氧炼钢方法”的专利公开了通过氧枪喷吹被预热的高温氧气，可显著增加氧气的射流速度。但现有的电弧炉炼钢生产中供氧参数单一、氧气射流氧化能力和冲击搅拌能力无法独立控制。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种电弧炉使用预热式氧枪的炼钢过程控制方法及系统，解决了现有的电弧炉炼钢生产中供氧参数单一、氧气射流氧化能力和冲击搅拌能力无法独立控制的问题，以不同冶炼阶段的工艺需求为基础，分时段调节供氧流量和氧气温度，实现氧气射流氧化能力和冲击搅拌能力的独立控制，提高电弧炉冶炼效率和氧气利用效率，降低能量消耗和金属料消耗。

本发明一种电弧炉使用预热式氧枪的炼钢过程控制方法，包括：将电弧炉冶炼过程分解为多个冶炼阶段的步骤，判断电弧炉冶炼过程中所处冶炼阶段的步骤，以及在每个所述冶炼阶段中分时段调节氧气流量和氧气温度，实现氧气射流氧化能力和冲击搅拌能力独立控制的步骤。

进一步的，氧气流量的调节范围为100-4000Nm³/h，氧气温度调节范围为25-500℃。

进一步的，所述多个冶炼阶段包括：吹氧助熔阶段、造泡沫渣脱磷阶段、快速脱碳阶段、吹炼末期。

进一步的，吹氧助熔阶段氧气流量的范围为500-2000Nm³/h；造泡沫渣脱磷阶段的氧气流量的范围为1000-3000Nm³/h，快速脱碳阶段的氧气流量的范围为2000-4000Nm³/h，吹炼末期的氧气流量的范围为1500-3000Nm³/h。

进一步的，吹氧助熔阶段氧气温度的范围为200-500℃；造泡沫渣脱磷阶段的氧气温度的范围为25-300℃，快速脱碳阶段的氧气温度的范围为100-300℃，吹炼末期的氧气温度的范围为300-500℃。

进一步的，所述炼钢过程控制方法通过控制系统完成，所述控制系统包括：炉况判断模块、需求分析模块、流量计算模块、温度计算模块、供氧执行模块；需求分析模块前接炉况判断模块，后接流量计算模块和温度计算模块，所述后接流量计算模块和温度计算模块均后接供氧执行模块。

进一步的，上述炼钢过程控制方法具体包括以下步骤：

步骤一、判断冶炼所处的阶段；从第一批料加入电弧炉开始，炉况判断模块实时判断冶炼所处的阶段：吹氧助熔阶段、造泡沫渣脱磷阶段、快速脱碳阶段或吹炼末期；当判断炼钢过程将进入下一阶段时，将阶段特征信息传输给需求分析模块；所述阶段特征信息包括：炉料结构、冶炼时间、供氧量、熔池温度、电极输入功率、高温成像设备反馈的图像信息；

步骤二、计算供氧需求特征指数；需求分析模块依据采集到的阶段特征信息，计算出供氧需求特征指数I：

I＝I_O×10+I_I；

其中：I_O、I_I分别为氧化性需求指数和冲击性需求指数；吹氧助熔阶段，I_O为2-5，I_I为4-5；造泡沫渣脱磷阶段，I_O为5-6，I_I为4-5；快速脱碳阶段，I_O为7-9，I_I为7-8；吹炼末期，I_O为5-7，I_I为8-9；

步骤三、计算氧气流量；流量计算模块获取步骤二中的氧化性需求指数I_O，根据公式Q＝I_O/8×Q₀计算得到氧气流量Q，其中Q₀为预热式氧枪的设计流量，将计算得到的氧气流量数值传输给供氧执行模块；

步骤四、计算氧气温度；温度计算模块获取步骤二中的氧化性需求指数I_O和冲击性需求指数I_I后，根据公式计算得到氧气温度，其中和ω为修正系数，T₀为预热式氧枪的设计最高温度；将计算得到的氧气温度传输给供氧执行模块；

步骤五、调节氧气流量和氧气温度至计算值；供氧执行模块将步骤三、步骤四中得到的氧气流量和氧气温度数值显示在操作界面上，由操作人员确认执行指令后，供氧执行模块经由现场总线和PLC控制相应阀组及加热元件，对氧气流量和氧气温度进行控制执行；生产过程中，控制系统依据测量仪器反馈回来的数据实时修正控制参数。

本发明还提供了一种电弧炉使用预热式氧枪的炼钢过程控制系统，包括：炉况判断模块、需求分析模块、流量计算模块、温度计算模块、供氧执行模块；需求分析模块前接炉况判断模块，后接流量计算模块和温度计算模块，所述流量计算模块和温度计算模块均后接供氧执行模块；

进一步的，炉况判断模块实时判断冶炼所处的阶段，当判断炼钢过程将进入下一阶段时，将阶段特征信息传输给需求分析模块；

需求分析模块依据采集到的阶段特征信息，计算出供氧需求特征指数；

流量计算模块获取供氧特征指数后，计算得到氧气流量，且将所述氧气流量传输给供氧执行模块；氧气流量计算可结合模型和数据库寻优，得到最优氧气流量；

温度计算模块获取供氧特征指数后，计算得到氧气温度，且将所述氧气流量传输给供氧执行模块；氧气温度计算可结合模型和数据库寻优，得到最优氧气温度；

供氧执行模块将得到的氧气流量和氧气温度数值显示在操作界面上，由操作人员确认执行指令后，供氧执行模块经由现场总线和PLC控制相应阀组及加热元件，对氧气流量和氧气温度进行控制执行；生产过程中，控制系统依据测量仪器反馈回来的数据实时修正控制参数。

本发明适用于30-200吨电弧炉炼钢过程，氧气流量为100-4000Nm³/h，氧气温度为25-500℃，氧气滞止压力为0.1-1.5MPa，氧气通过炉壁预热式氧枪和炉门预热式氧枪吹入电弧炉内，达到快速熔化废钢、造泡沫渣、脱磷脱碳和升温的目的。

本发明的有益效果为：与传统方式相比，氧气射流具有更优异的射流特性，氧气利用率提高2％～5％，脱碳速率加快，脱碳时间缩短1min以上，终渣TFe降低2％以上，钢铁料消耗减少5kg/t以上，具有显著的优化效果和经济效益，应用前景广阔。

附图说明

图1所示为本发明实施例电弧炉使用预热式氧枪的炼钢控制系统结构示意图。

图2所示为本发明实施例电弧炉使用预热式氧枪的炼钢控制方法控制逻辑图。

其中：1-氧气气源、2-氧气流量控制阀组、3-温度控制系统、4-电弧炉炉体、5-炉壁预热式氧枪、6-炉壁预热式氧枪喷头、71-炉况判断模块、72-需求分析模块、73-温度计算模块、74-流量计算模块、75-供氧执行模块。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

本发明实施例一种电弧炉使用预热式氧枪的炼钢过程控制方法，包括：将电弧炉冶炼过程分解为多个冶炼阶段的步骤，判断电弧炉冶炼过程中所处冶炼阶段的步骤，以及在每个所述冶炼阶段中分时段调节氧气流量和氧气温度，实现氧气射流氧化能力和冲击搅拌能力独立控制的步骤。

优选的，氧气流量的调节范围为100-4000Nm³/h，氧气温度调节范围为25-500℃。

优选的，所述多个冶炼阶段包括：吹氧助熔阶段、造泡沫渣脱磷阶段、快速脱碳阶段、吹炼末期。

优选的，吹氧助熔阶段氧气流量的范围为500-2000Nm³/h；造泡沫渣脱磷阶段的氧气流量的范围为1000-3000Nm³/h，快速脱碳阶段的氧气流量的范围为2000-4000Nm³/h，吹炼末期的氧气流量的范围为1500-3000Nm³/h。

优选的，吹氧助熔阶段氧气温度的范围为200-500℃；造泡沫渣脱磷阶段的氧气温度的范围为25-300℃，快速脱碳阶段的氧气温度的范围为100-300℃，吹炼末期的氧气温度的范围为300-500℃。

如图1所示，优选的，所述炼钢过程控制方法通过控制系统完成，所述控制系统包括：炉况判断模块71、需求分析模块72、流量计算模块74、温度计算模块73、供氧执行模块75；需求分析模块72前接炉况判断模块71，后接流量计算模块74和温度计算模块73，所述流量计算模块74和温度计算模块73均后接供氧执行模块74。

优选的，上述炼钢过程控制方法具体包括以下步骤：

步骤一、判断冶炼所处的阶段；从第一批料加入电弧炉开始，炉况判断模块71实时判断冶炼所处的阶段：吹氧助熔阶段、造泡沫渣脱磷阶段、快速脱碳阶段或吹炼末期；当判断炼钢过程将进入下一阶段时，将阶段特征信息传输给需求分析模块72；所述阶段特征信息包括：炉料结构、冶炼时间、供氧量、熔池温度、电极输入功率、高温成像设备反馈的图像信息；

步骤二、计算供氧需求特征指数；需求分析模块72依据采集到的阶段特征信息，计算出供氧需求特征指数I：

I＝I_O×10+I_I；

其中：I_O、I_I分别为氧化性需求指数和冲击性需求指数；吹氧助熔阶段，I_O为2-5，I_I为4-5；造泡沫渣脱磷阶段，I_O为5-6，I_I为4-5；快速脱碳阶段，I_O为7-9，I_I为7-8；吹炼末期，I_O为5-7，I_I为8-9；

步骤三、计算氧气流量；流量计算模块74获取步骤二中的氧化性需求指数I_O，根据公式Q＝I_O/8×Q₀计算得到氧气流量Q，其中Q₀为预热式氧枪的设计流量，将计算得到的氧气流量数值传输给供氧执行模块75；

步骤四、计算氧气温度；温度计算模块73获取步骤二中的氧化性需求指数I_O和冲击性需求指数I_I后，根据公式计算得到氧气温度，其中和ω为修正系数，T₀为预热式氧枪的设计最高温度；将计算得到的氧气温度传输给供氧执行模块75；

步骤五、调节氧气流量和氧气温度至计算值；供氧执行模块75将步骤三、步骤四中得到的氧气流量和氧气温度数值显示在操作界面上，由操作人员确认执行指令后，供氧执行模块75经由现场总线和PLC控制相应阀组及加热元件，对氧气流量和氧气温度进行控制执行；生产过程中，控制系统依据测量仪器反馈回来的数据实时修正控制参数。

具体的执行逻辑如图2所示。

本发明还提供了一种电弧炉使用预热式氧枪的炼钢过程控制系统，包括：炉况判断模块71、需求分析模块72、流量计算模块74、温度计算模块73、供氧执行模块75；需求分析模块72前接炉况判断模块71，后接流量计算模块74和温度计算模块73，所述流量计算模块74和温度计算模块73均后接供氧执行模块75；

优选的，炉况判断模块71实时判断冶炼所处的阶段，当判断炼钢过程将进入下一阶段时，将阶段特征信息传输给需求分析模块72；

需求分析模块72依据采集到的阶段特征信息，计算出供氧需求特征指数；

流量计算模块74获取供氧特征指数后，计算得到氧气流量，且将所述氧气流量传输给供氧执行模块75；

温度计算模块73获取供氧特征指数后，计算得到氧气温度，且将所述氧气流量传输给供氧执行模块75；

供氧执行模块75将得到的氧气流量和氧气温度数值显示在操作界面上，由操作人员确认执行指令后，供氧执行模块75经由现场总线和PLC控制相应阀组及加热元件，对氧气流量和氧气温度进行控制执行；生产过程中，控制系统依据测量仪器反馈回来的数据实时修正控制参数。

实施例1

如图1所示，本实施例是在100吨超高功率EBT电弧炉上的应用，氧气从氧气气源1起，经氧气流量控制阀组2，再经温度控制系统3，通过电弧炉炉体4进入电弧炉内，该电弧炉拥有炉壁预热式氧枪5共4支，炉门预热式氧枪1支，温度控制系统3的氧气加热方式采用烟气换热+电加热的方式，炉壁预热式氧枪喷头6设计马赫数为2.0，设计流量为2000Nm³/h，氧气滞止压力0.814MPa。

氧气流量和温度采用计算机分时段控制技术，电弧炉控制系统中包含氧气控制系统，氧气控制系统由炉况判断模块71、需求分析模块72、流量计算模块74、温度计算模块73和供氧执行模块75组成。炉况判断模块71将整个冶炼过程划分为吹氧助熔阶段、造泡沫渣阶段、脱碳阶段和吹炼末期，从电弧炉加入第一批料开始计时，并实时采集加料数据、供氧量、熔池温度等，当炉况判断模块断定冶炼即将进入新阶段时，立即将阶段特征信息传输给需求分析模块72；需求分析模块72依据阶段特征信息分析新阶段所需的搅拌强度和供氧强度，计算出新阶段的供氧需求特征指数，并将其同时传输给流量计算模块74和温度计算模块73；流量计算模块74和温度计算模块73依据供氧需求特征指数分别计算出最佳的氧气流量和氧气温度，计算结果显示在操作界面上，由操作人员决定是否执行；待操作人员下达执行指令后，供氧执行模块75经由现场总线和PLC控制相应阀组和加热元件，对氧气流量和氧气温度进行控制执行。生产过程中，控制系统依据测量仪器反馈回来的数据实时修正控制参数，最终达到最优控制。

在炉料结构为43.8％冷废钢+12.5％冷生铁+25％热铁水+18.7％直接还原铁，该电弧炉使用本发明时的各阶段喷吹参数及冶炼效果如下：

吹氧助熔阶段：供氧流量为1250Nm³/h，氧气温度为490℃，废钢熔化时间缩短1分钟以上；

造泡沫渣、脱磷阶段：供氧流量为1500Nm³/h，氧气温度为25℃，有利于快速造好泡沫渣，提高脱磷效率。

快速脱碳阶段：在脱碳期，氧气供应成为脱碳速率的限制性环节，此时以最大流量向熔池供应氧气，即供氧流量为2000Nm³/h，氧气温度适当提高至100℃，增强熔池搅拌，提高脱碳速率。

吹炼末期：供氧流量为1500Nm³/h，氧气温度为500℃，在降低氧气流量的同时增强熔池搅拌，有利于降低终渣(FeO)，减少铁损和钢铁料消耗。

使用该控制方法之后，电弧炉冶炼效率明显提高，废钢熔化时间缩短1分钟以上，能够快速形成泡沫渣，脱磷及脱碳速率明显改善，冶炼周期缩短3分钟以上，钢铁料消耗减少5kg/t以上，具有显著的优化效果及经济效益。

实施例2

本实施例是在150吨超高功率EBT电弧炉上的应用，氧气从氧气气源1起，

经氧气流量控制阀组2，再经温度控制系统3，通过电弧炉炉体4进入电弧炉内，该电弧炉拥有炉壁预热式氧枪5共5支，炉门预热式氧枪1支，氧气加热方式采用电加热的方式，氧枪喷头设计马赫数为2.0，设计流量为3000Nm³/h，氧气滞止压力0.814MPa。

氧气流量和温度采用计算机分时段控制技术，电弧炉控制系统中包含氧气控制系统，氧气控制系统由炉况判断模块71、需求分析模块72、流量计算模块74、温度计算模块73和供氧执行模块75组成。炉况判断模块71将整个冶炼过程划分为吹氧助熔阶段、造泡沫渣阶段、脱碳阶段和吹炼末期，从电弧炉加入第一批料开始计时，并实时采集加料数据、供氧量、熔池温度等，当炉况判断模块断定冶炼即将进入新阶段时，立即将阶段特征信息传输给需求分析模块72；需求分析模块72依据阶段特征信息分析新阶段所需的搅拌强度和供氧强度，计算出新阶段的供氧需求特征指数，并将其同时传输给流量计算模块74和温度计算模块73；流量计算模块74和温度计算模块73依据供氧需求特征指数分别计算出最佳的氧气流量和氧气温度，计算结果显示在操作界面上，由操作人员决定是否执行；待操作人员下达执行指令后，供氧执行模块75经由现场总线和PLC控制相应阀组和加热元件，对氧气流量和氧气温度进行控制执行。生产过程中，控制系统依据测量仪器反馈回来的数据实时修正控制参数，最终达到最优控制。

在炉料结构为45.3％冷废钢+9.7％冷生铁+30％热铁水+15％直接还原铁，该电弧炉使用本发明时的各阶段喷吹参数及冶炼效果如下：

吹氧助熔阶段：供氧流量为1500Nm³/h，氧气温度为490℃，废钢熔化时间缩短1分钟以上。

造泡沫渣、脱磷阶段：供氧流量为2250Nm³/h，氧气温度为100℃，有利于快速造好泡沫渣，提高脱磷效率。

快速脱碳阶段：在脱碳期，氧气供应成为脱碳速率的限制性环节，此时以最大流量向熔池供应氧气，即供氧流量为3000Nm³/h，氧气温度适当提高至300℃，增强熔池搅拌，提高脱碳速率。

吹炼末期：供氧流量为2500Nm³/h，氧气温度为500℃，在降低氧气流量的同时增强熔池搅拌，有利于降低终渣(FeO)，减少铁损和钢铁料消耗。

使用该控制方法之后，电弧炉冶炼效率明显提高，废钢熔化时间缩短1.5分钟以上，能够快速形成泡沫渣，脱磷及脱碳速率明显改善，冶炼周期缩短4分钟以上，钢铁料消耗减少6kg/t以上，具有显著的优化效果及经济效益。

本发明的有益效果为：与传统方式相比，氧气射流具有更优异的射流特性，氧气利用率提高2％～5％，脱碳速率加快，脱碳时间缩短1min以上，终渣TFe降低2％以上，钢铁料消耗减少5kg/t以上，具有显著的优化效果和经济效益，应用前景广阔。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。