转炉一键式自动炼钢技术创新与应用

随着国民经济的发展，对钢铁工业智能制造、绿色生产的要求日益迫切，如何在无法安装副枪的难题下，实现中小型转炉自动炼钢，已成为我国钢铁工业实现智能制造的限制性环节。为此，河钢唐钢针对中小型转炉特点，将红外检测技术用于烟气分析，采取铁水碳的快速精准分析、负称重冷却剂连续加入及称量系统高精度控制等技术，完善了装入制度；通过高马赫数氧枪及基于冲击深度比的变枪变流量供氧制度开发，实现了过程吹炼的稳定控制；开发了动态造渣脱磷模型、新型双渣技术及低成本抑渣技术保证高效脱磷；通过终点碳温预测与控制模型及转炉终点后搅技术等的综合开发，大幅度提升了烟气分析自动炼钢控制精度。在此基础上，开发集成的烟气分析一键式自动炼钢技术，终点控制准确性达到甚至优于副枪效果，且具有投资少、运行稳定及维护成本低的优点。

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1.1自动炼钢装入制度综合技术开发

1）铁水碳快速精准化验。

铁水成分及时准确性对炼钢终点控制极为重要，基于副枪的自动炼钢对铁水碳含量分析精度可适当放宽，但基于烟气分析自动炼钢需要解决这一问题，铁水碳化验偏差要求≤±0.1%。采用碳硫仪分析虽然可以准确分析碳含量，但其制样及检测时间长，无法满足转炉生产要求；常规使用的光谱分析法因试样白口化不均问题导致碳含量化验偏差大。

光谱分析法分析铁水碳含量，要求试样表面层的碳以碳化物形式存在，不能存在游离的石墨，即试样分析面必须是完全的白口化组织。研究了铁水温度、硅含量、取样后冷速等对试样的影响，在此基础上设计了新型取样器，使试样在取样完成时，已经形成足够厚度的白口化层，避免了游离石墨对光谱分析碳含量的影响，从而实现光谱精准高效分析铁水碳含量，取样4min内可得到铁水碳化验结果，与碳硫仪分析对比偏差≤±0.1%。

2）负称重冷却剂连续加入系统开发及应用。

转炉冷却剂使用量通常在10-30kg/t，吹炼过程大量集中加入冷却剂，会造成熔池温度剧烈波动，导致碳氧反应剧烈，炉渣FeO含量增加，极易发生喷溅和炉口冒烟。冷却剂加入不当，不但易造成生产和环保事故，由于吹炼过程不稳定，也会影响系统对终点结果的判断。

河钢唐钢设计将原有的料仓设备及程序改造为负称量连续给料方式，根据供氧时期设定不同阶段的下料速度，采用电磁振动给料机实现实时称重，保证下料累积误差＜50kg。采取以上措施，满足连续、精确、小批量投料及变速加料、备料等工艺要求，实现转炉冷却剂添加过程熔池化学反应均衡。

1.2自动炼钢供氧制度综合技术开发

1）高马赫数氧枪的开发。

一般认为100t级别的转炉氧枪喷头出口马赫数应在2.0左右，在此参数下，炉口火焰变化规律比较容易识别，易于人工操作。基于自动炼钢的条件及特点，设计锻造氧枪使其喷头前氧气使用压力大于1.0MPa，即喷头马赫数达到2.15。使用高马赫数喷头使氧气压力更有效的转变为搅拌能，有利于吹炼过程熔池的搅拌，进一步提高炉内化学反应平衡度，特别是在吹炼末期，高马赫数氧枪喷头可以在更高的吹炼枪位下，获得最佳的熔池搅拌效果，有利于氧枪喷头使用寿命的提高。高马赫数氧枪喷头的使用，使吹炼过程的平稳性大幅提高，转炉喷溅率由8.2%降低到3.2%。

2）变枪变流量模型开发。

目前，国内转炉普遍采用恒压变枪模式，理论上也要求氧枪应工作于设计最佳工况下。本研究认为，转炉熔池供氧流量应服从于冶炼过程对熔池化学反应速率的要求，应该对氧枪氧气流量实施较大的调节范围。基于可靠性和安全性考虑，本研究将氧枪流量调整范围控制在滞止压力-8%～+10%，即可以在18%的范围内调整熔池化学反应的速率，在不同的吹炼阶段采用不同的氧气流量，这对于稳定转炉吹炼过程、控制炉渣喷溅有较好的作用。

对于氧枪枪位的控制，采用了以氧气射流对熔池冲击深度比为控制目标的方法，在不同吹炼阶段，设定不同的熔池冲击深度比，再根据氧气流量，计算出操作氧枪枪位。采用变流量、变枪位进行吹氧控制时，转炉控制规律性强，对铁水成分变化适应能力好，解决了以前凭经验设定枪位曲线存在一定盲目性的问题，使转炉氧枪操作的科学性大大加强。

1.3自动炼钢造渣制度综合技术开发

1）动态造渣脱磷模型。

自动炼钢模型往往针对铁水Si进行动态碱度设定，考虑因素较少，脱磷效果不稳定。通过对转炉造渣、脱磷的研究和经验公式回归，获得了动态造渣模型关键参数计算方法，对自动炼钢模型进行了深入开发和优化，在模型中增加终点温度、终点碳、终点磷、脱磷效率和渣量等新变量对动态碱度的影响控制，实际运行中达到良好的脱磷效果，减少了因磷含量不合格而造成的补吹及过度脱磷造成的成本损失。

2）低成本抑渣技术开发。

中小转炉尤其是低炉容比、铁水条件差的转炉易发生喷溅，造成钢铁料消耗升高，易发生安全环保事故。吹炼前期喷溅可通过抑渣剂解决，国内目前采用的抑渣技术是使用含有碳、菱镁矿及烧结镁粉等原料压球后进行压渣处理，效果较好但经济性较差。综合考虑高效、价格低廉、便于制备和运输等特点，河钢唐钢采用煤矸石为基料开发低成本高效抑渣技术，保证效果的基础上成本仅0.1-0.2元/t钢，较传统抑渣剂成本降低近20倍。

3）利用烟气分析判定双渣提枪时机技术。

准确判断转炉双渣提枪时机是困扰各个钢铁企业的难题。转炉双渣的提枪时间主要取决于熔池温度，温度在1330-1360℃之间，硅氧化基本结束的同时碳含量开始参与反应。研究发现，转炉吹炼前期熔池温度和烟气CO浓度有较好的对应关系，而烟气分析设备可实时显示CO浓度曲线，以此判断双渣提枪时机。通过试验研究，CO浓度达到22%-28%区间时，提枪进行双渣操作，可大幅提高成功率，目前双渣成功率达到95.4%。

1.4自动炼钢终点控制技术开发

1）红外烟气分析机理及特点。

为提高烟气分析自动炼钢的实用价值，本项目首先开发使用红外分析仪取代在线分析质谱仪分析烟气组成，节约大量成本的同时，通过技术攻关解决了红外分析精度较差、响应时间长的缺陷，保证了烟气分析系统高效率、高精度、高稳定性地运行。红外分析仪响应时间1.5s，系统处理数据时间＜10s，系统稳定运行率达到99.85%，满足使用要求，且维护费用仅0.3元/t钢。

转炉熔池碳含量低于0.4%即吹炼88%以后熔池碳含量和烟气中CO、CO2及O2的变化趋势有较强的对应关系，系统在此区间启动终点碳预测模型，依据CO、CO2及O2含量变化对终点碳的影响程度，设定相关权重系数进行终点预测，达到较好效果。

2）高低温切换模型开发。

烟气分析系统对温度的预测模型是基于热平衡及各种热损失的静态模型。运行过程中发现，由于钢种等原因改变终点温度设定值后，温度命中率大幅度降低，成为影响温度命中的主要因素。自动炼钢模型参数为静态参数，无法根据外界条件的变化而自动变化，因此研究开发了加入二次燃烧比例、脱碳速率的参数、温度调整参数等的动态切换模型。通过以上对模型的优化调整，高低温切换期间温度命中率达到95.2%，满足一键式自动炼钢稳定生产的要求。

3）终点碳分析软件开发。

由于炉型、风机风量、底吹效果等因素的变化，冶炼过程会造成CO、O2、N2其中一条曲线或多条曲线发生漂移，导致LOMAS烟气分析对终点碳含量的分析会出现系统性偏差。通过研究建立拟合模型，迅速找到影响因素并修正系统偏差，可有效的提高后续炉次系统预测碳的精度。

4）高强度底吹及终点后搅技术。

加强熔池搅拌促进渣—金反应平衡是提高转炉冶金效果的有效途径。转炉冶炼后期，随着碳含量的降低熔池的搅拌能力降低，底吹搅拌的作用更加明显。冶炼后期及终点增强底吹对脱磷及降低碳氧积效果更为明显。

100t转炉底吹采用12支底吹枪环绕分布形式，底吹枪直径22mm，底吹工作压力提高至≥0.4MPa，有效防止了底吹枪堵塞，稳定了复吹效果。

转炉提枪后炉内碳[C]和[O]并未达到平衡，此时钢水中的[O]处于过饱和状态，碳氧积偏高。通过转炉终点适当静置，不但可以降低钢水中的[O]，磷含量也得到有效控制。目前，全炉役出钢碳氧积≤0.0025。

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通过系列技术创新与集成，河钢唐钢开发了基于红外检测的100t转炉烟气分析自动炼钢综合技术，与使用质谱仪相比，投资及维护成本低、运行稳定，可广泛应用于中小型转炉自动炼钢。开发的100t转炉一键式全程自动炼钢综合技术，在无人工干预的情况下由系统自动化操作，自动炼钢比例达到99.23%。通过技术开发，实现了终点碳命中率≥96.85%（[C]±0.012%），终点温度命中率≥92.50%（T±12℃），双命中率≥91.21%，全炉役出钢碳氧积≤0.0025，超低碳钢直接出钢率92.32%。目前自动炼钢技术已在55t转炉上进行了推广应用，自主开发了动态模型修正技术，初步实现转炉动态模型自动炼钢，终点碳温双命中率达到70%以上。

河钢唐钢基于自动炼钢技术，在100t BOF-RH-CC流程实现高品质汽车板的大规模稳定生产，超低碳钢系列、DR材、DI材等深冲冷轧基料月产量5万吨以上；DP780、DP980、Q&P980等高强冷轧基料月产量8000t以上；FB590、FB780、700L、800L等热轧高强汽车用钢月产量1万吨以上，取得了良好的经济效益和社会效益。

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河钢唐钢通过开发基于红外检测的烟气分析自动炼钢技术，率先在100t转炉上实现了完全一键式自动炼钢，终点控制准确性达到甚至优于副枪效果，且具有投资少、运行稳定及维护成本低的优点，推动了炼钢技术的进步。基于自动炼钢技术创新与集成，100t BOF-RH-CC流程成功实现高品质汽车板的批量稳定生产，为河钢唐钢创造良好效益的同时，为同类生产流程技术升级起到引领和示范作用，为我国中小型转炉技术升级与智能制造开辟了新的途径。

（李梦龙）

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