AOD在线脱碳模型的研究与实践RESEARCH AND PRACTICE ON AOD ONLINE DECARBURI
AOD在线脱碳模型的研究与实践RESEARCH AND PRACTICE ON AOD ONLINE DECARBURIZATION MODEL
关键词 AOD，不锈钢精炼，脱碳模型，，气体
Key Words AOD, Stainless Refining, Decarburization Model, Gases
脱碳模型对于AOD不锈钢冶炼非常重要。好的在线脱碳模型的自动连续控制，可以冶炼成本进一步降低[1]。但是许多国内的炼钢厂仍旧采用依赖于操作经验的半手动甚至全手动控制。对于脱碳模型的运用，国内还停留于经验公式和离线模型控制[2]。
本文将首先分析工艺原理并建立脱碳的数学模型，然后把离线的脱碳模型嵌入到AOD精炼系统中，通过PLC实现数学模型的实际应用，把模型和精炼系统结合起来，以模型作为精炼系统的控制核心，自动实现连续的气体配比控制，可以更准确的控制终点碳和温度，解决系统过于依赖操作员经验的问题，简化操作员的操作，降低冶炼成本。
氩氧脱碳（AOD）为现代炼钢最普遍的炼钢工艺，是通过加入惰性气体稀释，减少一氧化碳分压的方式，加速脱碳反应。以下两条化学反应式可以很好的描述不锈钢冶炼中的脱碳反应[3]：
2Cr+3/2O_2=Cr_2 O_3 (1)3C+Cr_2 O_3=2Cr+3CO (2)
为了达到控制的目的，需要不断计算脱碳的速率。冶金动力学认为[3]，所有反应都会在某一状态下最终趋于平衡，当前碳到平衡碳的浓度差距及碳的传质系数，决定了脱碳的反应速率。可以由以下数学方程式表述：
(d%C)/dt=-β(%C-%C_equilibrium) (3)
上式中β为传质系数，%C为当前碳含量，%C_equilibrium为平衡碳含量。
对两边分别在浓度%C_initial~%C_final及相应的时间0~t内的积分，可以得到：
ln(%C_final-%C_equilibrium)/(%C_initial-%C_equilibrium )=βt
上述方程告诉我们可以通过实验的方式来得到β值，但前提是熔池需得到良好的搅拌。从实际的经验来看，AOD的流量设计标准已经可以达到良好搅拌的目的。
平衡碳含量%C_equilibrium也不是一个常数，随着温度、压力、或组分的变化而变化，无法直接计算得到。我们可以找到以下关系：
3C+Cr_2 O_3=2Cr+3CO
等温等压下当∆G=0，∆G⁰=-RTlnK，反应平衡。K=(P_CO a_Cr^(2/3))/(a_(Cr_2 O_3)^(1/3) a_C )[4]
铬氧化反应后形成氧化铬，进入渣中成为固体，且含量一般为5%,在还原阶段前，认为氧化铬的活度为１即a_(Cr_2 O_3)^(1/3)=1。Cr和C的活度可以表示为fx(%X)，fx为活度系数。整理方程式可以得到：
C_e%=(P_CO 〖(%Cr)〗^(2/3) f_Cr^(2/3))/(Kf_c )
其中P_CO=P_system N_CO/(N_CO+N_Inert )
N_CO为CO物质的量，等于- (d%C)/dt ÷ 100x钢水重量÷12
整理上述三条方程可得：
C_e%=((P_system 〖(%Cr)〗^(2/3) f_Cr^(2/3) W)/(1200Kf_c )) (-(d%C)/dt)/(N_inert-W/1200 (d%C)/dt)
然后把此式带入式(3)，得到
(d%C)/dt=-β
{%C-((P_system 〖(%Cr)〗^(2/3) f_Cr^(2/3) W)/(1200Kf_c )) ┤ ├ (-(d%C)/dt)/(N_inert-W/1200 (d%C)/dt)}
分析上面方程，我们可以得出以下结论。除了(d%C)/dt外，其他都为经验常数或可变常数，可以通过查表计算或实际测量得出。所以我们可以通过此方程解出(d%C)/dt。为了计算方便，我们令
C’= (d%C)/dt
A= (P_system 〖(%Cr)〗^(2/3) f_Cr^(2/3) W)/(1200Kf_c )
B= W/1200
脱碳方程可以简化为
B〖C'〗^2+C’[βB(%C)- βA-N_inert]- β(%C)N_inert=0
一元二次方程解法非常简单：
C’= (d%C)/dt=
(N_inert+βA-βB(%C)±√((〖βB(%C)-βA-N_inert)〗^2+4βB(%C)N_inert ))/2B
我们将运用S7-400中的SCL语言把这个模型嵌入于系统中，从而计算出每一时刻所需要的氧气量，进而控制配气设备来连续调整合适的气量。
GlobalDB.EffBeta:=0.38-0.004*GlobalDB.Pct[GlobalDB.Cr]-0.006*GlobalDB.Pct[GlobalDB.Mn]-0.01*GlobalDB.Pct[11] + 0.0026*GlobalDB.Pct[GlobalDB.Ni];//根据工艺经验计算给出可变Beta值[5]。
dWt := GlobalDB.dO2 / GlobalDB.Oxo[GlobalDB.C];
ffC := 0.0; ACr := 0.0;
FOR i := 1 TO GlobalDB.NumElem DO
ffC:=ffC+GlobalDB.EiCAll[GlobalDB.Base,i]*GlobalDB.Pct[i]+GlobalDB.RiC[i]*SQR(GlobalDB.Pct[i]);
ACr:=ACr+GlobalDB.EiCrAll[GlobalDB.Base,i]*GlobalDB.Pct[i]+GlobalDB.RiCr[i]*SQR(GlobalDB.Pct[i]);
END_FOR;
ffC := EXPD(ffC);
ACr := GlobalDB.Pct[GlobalDB.Cr] * EXPD(ACr);
//计算C和Cr的活度系数f_C和f_Cr。
其中GlobalDB.EiCAll[GlobalDB.Base,i]是存储与GlobalDB块中的二维数组，存放冶金学常数；GlobalDB.RiC[i] 是存储与GlobalDB块中的一维数组，存放冶金学常数；GlobalDB.Pct[i] 是存储与GlobalDB块中，i为不同数值时所代表的钢水中不同化学组分的含量。
TempK := (GlobalDB.TempBath) + 273.15;
GlobalDB.K := EXP(-29804.0 / TempK + 19.235);
//计算脱碳反应3C+Cr_2 O_3=2Cr+3CO的平衡常数K，∆G⁰=-RTlnK。
根据查表可查得R和∆G⁰[5]
IF GlobalDB.dAr + GlobalDB.dN2 = 0.0 OR GlobalDB.Pct[GlobalDB.C] = 0.0 THEN
DecarbRate := 0.0;
ELSENinert := (GlobalDB.dAr + GlobalDB.dN2)/GlobalDB.MoleInert/GlobalDB.DT1;
A := GlobalDB.SysPress*(ACr**(2.0/3.0))*GlobalDB.WtBath/(1200.0*GlobalDB.K*ffC);
B := GlobalDB.WtBath/1200.0;
Discr:=SQR(GlobalDB.EffBeta*B*GlobalDB.Pct[GlobalDB.C]-GlobalDB.EffBeta*A-Ninert)+4*B*GlobalDB.EffBeta*GlobalDB.Pct[GlobalDB.C]*Ninert;
IF Discr <= 0.0 THEN Discr := 0.0; END_IF;
Discr := SQRT(Discr);
IF B > 0.0 THEN
DecarbRate := -(Ninert+GlobalDB.EffBeta*A-GlobalDB.EffBeta*B*GlobalDB.Pct[GlobalDB.C]-Discr)/(2*B);
ELSE
DecarbRate := 0.0;
END_IF;
END_IF;
//计算单位时间的惰性气体摩尔量Ninert；
计算A= (P_system 〖(%Cr)〗^(2/3) f_Cr^(2/3) W)/(1200Kf_c )；
P_system可根据炉形、炉容比、装料量在DB块中定位常数，约为1.5；
GlobalDB.WtBath为钢水重量，存储于GlobalDB块中；
计算B= W/1200 ；
计算Discr=√((〖βB(%C)-βA-N_inert)〗^2+4βB(%C)N_inert )；
最后得出 (d%C)/dt
GlobalDB.O2_SP := DecarbRate* GlobalDB.WtBath * GlobalDB.Oxo[GlobalDB.C] / 100
//计算配气系统氧气的设定值；
GlobalDB.Oxo[GlobalDB.C]为每公斤碳氧化所需的氧气量，存于GlobalDB.Oxo[i]这个一维数组当中，应为0.93。
我们对某钢厂60吨AOD炉进行了系统改造，将本系统投入于实际生产中，以下简称为1号炉；并和该厂内的另外一个未改造的手动系统进行对比，以下简称为2号炉。使用在线脱碳模型的1号炉的冶炼时间平均缩短了18分钟，1号炉的CRE比2号炉高了29.3%；还原硅的消耗减少了15%，平均炉龄由原来的52炉增加到现在的60炉。这主要得益于在线脱碳模型的使用，能够相对精确的计算炉内成分、温度及重量等重要参数，并据此采用最优的气体比例分配方案，从而实现脱碳保铬冶金进程的最优化。
【参考文献】
[1] Allen H. Chan, Andrew W. Cullen, Lanier Stambaugh etc. Operating Experience with Praxair’s AOD Intelligent Refining System.
[2] 胡文华，AOD冶炼脱碳反应模型与计算机模拟，冶金设备.[3] Praxair Metal Technologies, AOD Training Textbook.
[4] 韩明荣，张申芹，陈建斌，冶金原理
[5]E.T.Turkdogan,Consultant:Pyrometallurgy & Thermochemistry. R.J. Fruehan, Professor, Carnegie Mellon University. –Fundamentals of iron and steel making.
本文编号：41273
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/41273.html
