鋼水脫氧合金收得率的建模研究

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089)

在國家號(hào)召減少產(chǎn)能過剩大背景下，鋼鐵行業(yè)急需提高高附加值鋼種的產(chǎn)量以適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)環(huán)境。按照冶煉標(biāo)準(zhǔn)選擇合金的種類和加入量，某些鋼廠企業(yè)甚至分鋼種制定固定的合金種類和數(shù)量，近年來隨著用戶對(duì)鋼材質(zhì)量的要求越來越苛刻，因此研究適合于現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的脫氧和合金化計(jì)算機(jī)控制模型勢(shì)在必行.依據(jù)2019年MathorCup高校數(shù)學(xué)建模挑戰(zhàn)賽D題數(shù)據(jù)[6]計(jì)算出C、Mn兩種元素歷史收得率并分析影響其收得率的主要因素。

通過對(duì)題目的認(rèn)真分析，并查閱資料[1]得出公式如下：

(1)

式中：Wm為出鋼量，t;WFe-i為鐵合金Fe-i的加入量，kg; [i]a為吹氬站元素i的目標(biāo)含量，%；[i]Fe-i為鐵合金中元素i的成分，%；Ri為元素i的收得率，%。

同時(shí)根據(jù)2019年MathorCup高校數(shù)學(xué)建模挑戰(zhàn)賽D題數(shù)據(jù)使用Excel將C、Mn、S、P、Si五種元素繪制出百分比堆積折線統(tǒng)計(jì)圖，就可以清晰地反映出各個(gè)轉(zhuǎn)爐元素的比例，并根據(jù)主公式的已知條件進(jìn)行歷史收得率的計(jì)算。

終點(diǎn)控制的具體目標(biāo)[2]：①鋼水的碳含量應(yīng)達(dá)到所煉鋼種要求的目標(biāo)范圍；②鋼中磷、硫含量應(yīng)低于規(guī)格下限要求的范圍；③出鋼溫度應(yīng)保證下一步工序：如爐外精煉、澆注的順利進(jìn)行；④在冶煉沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼時(shí)還應(yīng)保持鋼水應(yīng)有的氧化性。終點(diǎn)控制實(shí)質(zhì)上也就是對(duì)轉(zhuǎn)爐吹煉過程的控制。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制把終點(diǎn)溫度和終點(diǎn)碳含量作為控制的主要對(duì)象，控制吹煉的過程使鋼水溫度和成分達(dá)標(biāo)。轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制是保證煉鋼能順利完成的一項(xiàng)重要操作制度，終點(diǎn)控制技術(shù)已成為衡量煉鋼綜合技術(shù)水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。準(zhǔn)確預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)鋼水溫度、碳含量、金屬收得率、生產(chǎn)成本和鋼的品質(zhì)，從而及時(shí)調(diào)整加入的原材料、輔助材料及耗氧量，成為整個(gè)煉鋼過程中極其重要的一環(huán)。

1 模型的建立與求解

1.1 提出假設(shè)

假設(shè)一：影響鋼水收得率可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)爐噴濺(spray)。

假設(shè)二：影響鋼水收得率可能還因?yàn)榻K點(diǎn)氧(end oxygen)。

假設(shè)三：鐵水等原料完全入爐是否會(huì)影響收得率。

假設(shè)四：轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)事故是否會(huì)影響收得率。

1.2 計(jì)算C，Mn的歷史收得率

利用程序框圖1可以清晰地看出加工元素和加工步驟。

圖1 冶鋼程序圖

根據(jù)國家數(shù)據(jù)網(wǎng)查的數(shù)據(jù)可得出C和Mn的轉(zhuǎn)爐溫度折線圖，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C

由圖2大致可以看出轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度和轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C幾乎成正比。

由Mn的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)可以看出轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度和轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)幾乎成正比(見圖3)，且兩者的值幾乎達(dá)到相同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到以下圖表，清晰地看出合金原料平均單耗和合金元素平均收得率(見表1、表2)。

表1 合金原料平均單耗

表2 合金元素平均收得率

圖3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)Mn

綜上所述，即通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算可得如下結(jié)果，如表3所示。

表3 各合金的加入時(shí)間及收得率

結(jié)果：因?yàn)槭盏寐逝c百分比相關(guān)，所以得到的結(jié)果在區(qū)間范圍內(nèi),C的歷史收得率為95%～98%，Mn的歷史收得率為85%～95%。

2 影響收得率的因素

由假設(shè)出發(fā)研究其是否會(huì)對(duì)最終收得率產(chǎn)生影響，在錘煉過程中由于氧氣流對(duì)熔池的沖擊和脫碳反應(yīng)產(chǎn)生巨量CO氣體排出，造成爐渣及金屬液的噴濺。在通常情況下，這種金屬液飛濺不會(huì)形成噴濺，但在脫碳反應(yīng)的加劇情形下，轉(zhuǎn)爐內(nèi)短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的CO氣體，氣體產(chǎn)生聚合突變反應(yīng)，將爐渣及金屬噴液噴出爐口。爐池脫碳的不均勻而產(chǎn)生突發(fā)性的脫碳反應(yīng)，瞬間產(chǎn)生大量的CO氣體是發(fā)生噴濺的根本原因。以下有三個(gè)噴濺原因。

1)爆發(fā)性噴濺

熔池內(nèi)碳氧反應(yīng)不均衡發(fā)展，瞬時(shí)產(chǎn)生大量的CO氣體從爐口奪路而出。同時(shí)，還挾帶著大量的水和熔渣，在1 480 ℃以下熔爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)會(huì)受到限制，在1 480 ℃以上熔爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)才能順利進(jìn)行，否則就會(huì)在供氧氣時(shí)生成大量FeO,且短時(shí)間內(nèi)堆積造成猛烈噴濺。

2)泡沫性噴濺

熔渣泡沫太多，阻礙CO氣體通暢排出，使渣層厚度增加，嚴(yán)重時(shí)能夠上漲到爐口并溢出,還與爐熔比的大小，扎量多少及熔渣泡沫化程度相關(guān)。

3)金屬噴濺

渣中FeO含量過低，熔渣流動(dòng)性不好，氧氣流直流接觸金屬液面，碳氧反應(yīng)生成的一氧化碳?xì)怏w排出帶動(dòng)金屬液體噴濺。

根據(jù)附表數(shù)據(jù)分析得出影響其收得率的還可能有其他因素。

分析圖4～圖8轉(zhuǎn)爐元素的變化趨勢(shì)和其最值可得，在同一鋼種下，其影響收得率的因素則為鐵水條件會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。

圖4 C，S，Si在同種鋼號(hào)下的變化趨勢(shì)

圖5 HRB400B 不同溫度下五種元素的表現(xiàn)形式

圖6 HRB500D 不同溫度下五種元素的表現(xiàn)形式

圖7 Q235 不同溫度下五種元素的表現(xiàn)形式

圖8 Q235A 不同溫度下五種元素的表現(xiàn)形式

3 結(jié) 語

轉(zhuǎn)爐工作過程中測(cè)量鋼水收得率是一個(gè)比較系統(tǒng)而全面的工作，需要多個(gè)工序之間的配合，這不僅關(guān)系到煉鋼爐前鋼水質(zhì)量、溫度等情況，還要考慮其他因素的具體影響[4-5]：①轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度：脫氧過程中，在加入合金元素之后，會(huì)立刻發(fā)生吸熱反應(yīng)，溫度的高低將直接影響分子之間的運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，脫氧與合金化可以近似理解為同時(shí)進(jìn)行，溫度對(duì)最終的收得率有著很大的影響。 ②合金料：有些合金的加入是作為脫氧劑，如硅鐵、鉆鐵等。不同的脫氧劑對(duì)于脫氧合金化的過程有著不同的氧化效果。還有部分合金是作為增碳劑、催化劑， 推動(dòng)化合反應(yīng)的正向進(jìn)行，加快反應(yīng)速率。并且合金對(duì)生產(chǎn)中的器具也有會(huì)不同程度的影響。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在同一條件下， 加入的合金料中含有合金的質(zhì)量越多，則該元素的收得率也會(huì)更高。③鋼號(hào)：不同的鋼號(hào)意味著成鋼中蘊(yùn)含有不同種類的元素與不同比例的元素。在制作成鋼中對(duì)不同元素的吸收量和需求量也不同，影響收得率的爐溫、噴濺情況等因素也不同，那么最終得到的收得率也有很大差別，但同種鋼號(hào)的合金收得率值則較為穩(wěn)定。④C、Mn、S、P、Si的含量：P是對(duì)鋼有害的元素，它極易使鋼變得冷脆；S,是鋼中的有害元素，使鋼的強(qiáng)度降低；C能增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性;Mn,在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑； Si,在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮(zhèn)靜鋼含有0.15%～0.30%。除了采取以上措施以外，還應(yīng)該從管理上制定相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)考核目標(biāo)，才能更好地、更全面地提高鋼水收得率。