發(fā)布時(shí)間：2016-05-02 20:42

AOD在線脫碳模型的研究與實(shí)踐RESEARCH AND PRACTICE ON AOD ONLINE DECARBURIZATION MODEL

摘 要 根據(jù)氬氧脫碳原理建立動(dòng)力學(xué)脫碳模型，不斷計(jì)算脫碳速率和實(shí)時(shí)所需的氧氣量，從而實(shí)現(xiàn)氣體的連續(xù)配比控制。通過結(jié)構(gòu)化編程語言實(shí)現(xiàn)脫碳模型，不論是冶煉時(shí)間，耗氣量和還原合金都得到了節(jié)省，脫碳效率CRE得到了提高。

關(guān)鍵詞   AOD，不銹鋼精煉，脫碳模型，，氣體

Abstract The dynamic decarburization model is generated by argon oxygen decarburization principle. Oxygen and inert gas can be continuously control by calculation of carbon remove efficiency. When the model is put into producing by SCL, the refining time, gas assumption and reduction alloy amount are saved. However, the CRE is improved. 

Key Words AOD, Stainless Refining, Decarburization Model, Gases

1 前言

脫碳模型對于AOD不銹鋼冶煉非常重要。好的在線脫碳模型的自動(dòng)連續(xù)控制，可以冶煉成本進(jìn)一步降低[1]。但是許多國內(nèi)的煉鋼廠仍舊采用依賴于操作經(jīng)驗(yàn)的半手動(dòng)甚至全手動(dòng)控制。對于脫碳模型的運(yùn)用，國內(nèi)還停留于經(jīng)驗(yàn)公式和離線模型控制[2]。

本文將首先分析工藝原理并建立脫碳的數(shù)學(xué)模型，然后把離線的脫碳模型嵌入到AOD精煉系統(tǒng)中，通過PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的實(shí)際應(yīng)用，把模型和精煉系統(tǒng)結(jié)合起來，以模型作為精煉系統(tǒng)的控制核心，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的氣體配比控制，可以更準(zhǔn)確的控制終點(diǎn)碳和溫度，解決系統(tǒng)過于依賴操作員經(jīng)驗(yàn)的問題，簡化操作員的操作，降低冶煉成本。

2 動(dòng)力學(xué)脫碳模型的建立

氬氧脫碳（AOD）為現(xiàn)代煉鋼最普遍的煉鋼工藝，是通過加入惰性氣體稀釋，減少一氧化碳分壓的方式，加速脫碳反應(yīng)。以下兩條化學(xué)反應(yīng)式可以很好的描述不銹鋼冶煉中的脫碳反應(yīng)[3]：

2Cr+3/2O_2=Cr_2 O_3          (1)
3C+Cr_2 O_3=2Cr+3CO          (2)
為了達(dá)到控制的目的，需要不斷計(jì)算脫碳的速率。冶金動(dòng)力學(xué)認(rèn)為[3]，所有反應(yīng)都會(huì)在某一狀態(tài)下最終趨于平衡，當(dāng)前碳到平衡碳的濃度差距及碳的傳質(zhì)系數(shù)，決定了脫碳的反應(yīng)速率�？梢杂梢韵聰�(shù)學(xué)方程式表述：
 (d%C)/dt=-β(%C-%C_equilibrium)   (3)　　　　　　　　　　　　　　　　     
上式中β為傳質(zhì)系數(shù)，%C為當(dāng)前碳含量，%C_equilibrium為平衡碳含量。
對兩邊分別在濃度%C_initial~%C_final及相應(yīng)的時(shí)間0~t內(nèi)的積分，可以得到：
ln(%C_final-%C_equilibrium)/(%C_initial-%C_equilibrium )=βt　　                                                                      
上述方程告訴我們可以通過實(shí)驗(yàn)的方式來得到β值，但前提是熔池需得到良好的攪拌。從實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)來看，AOD的流量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)可以達(dá)到良好攪拌的目的。
平衡碳含量%C_equilibrium也不是一個(gè)常數(shù)，隨著溫度、壓力、或組分的變化而變化，無法直接計(jì)算得到。我們可以找到以下關(guān)系：
3C+Cr_2 O_3=2Cr+3CO　
等溫等壓下當(dāng)∆G=0，∆G⁰=-RTlnK，反應(yīng)平衡。K=(P_CO a_Cr^(2/3))/(a_(Cr_2 O_3)^(1/3) a_C )[4]
鉻氧化反應(yīng)后形成氧化鉻，進(jìn)入渣中成為固體，且含量一般為5%,在還原階段前，認(rèn)為氧化鉻的活度為１即a_(Cr_2 O_3)^(1/3)=1。Cr和C的活度可以表示為fx(%X)，fx為活度系數(shù)。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為CO物質(zhì)的量，等于- (d%C)/dt ÷ 100x鋼水重量÷12 
整理上述三條方程可得：
C_e%=((P_system 〖(%Cr)〗^(2/3) f_Cr^(2/3) W)/(1200Kf_c ))  (-(d%C)/dt)/(N_inert-W/1200  (d%C)/dt)
然后把此式帶入式(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，我們可以得出以下結(jié)論。除了(d%C)/dt外，其他都為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)或可變常數(shù)，可以通過查表計(jì)算或?qū)嶋H測量得出。所以我們可以通過此方程解出(d%C)/dt。為了計(jì)算方便，我們令
C’= (d%C)/dt　
A= (P_system 〖(%Cr)〗^(2/3) f_Cr^(2/3) W)/(1200Kf_c )　　　　　　　　　
B= W/1200  　　　　
脫碳方程可以簡化為
B〖C'〗^2+C’[βB(%C)- βA-N_inert]- β(%C)N_inert=0
一元二次方程解法非常簡單： 
C’=  (d%C)/dt=

(N_inert+βA-βB(%C)±√((〖βB(%C)-βA-N_inert)〗^2+4βB(%C)N_inert ))/2B

3 脫碳模型的嵌入設(shè)計(jì)

我們將運(yùn)用S7-400中的SCL語言把這個(gè)模型嵌入于系統(tǒng)中，從而計(jì)算出每一時(shí)刻所需要的氧氣量，進(jìn)而控制配氣設(shè)備來連續(xù)調(diào)整合適的氣量。

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];
//根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)計(jì)算給出可變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);
//計(jì)算C和Cr的活度系數(shù)f_C和f_Cr。
其中GlobalDB.EiCAll[GlobalDB.Base,i]是存儲(chǔ)與GlobalDB塊中的二維數(shù)組，存放冶金學(xué)常數(shù)；GlobalDB.RiC[i] 是存儲(chǔ)與GlobalDB塊中的一維數(shù)組，存放冶金學(xué)常數(shù)；GlobalDB.Pct[i] 是存儲(chǔ)與GlobalDB塊中，i為不同數(shù)值時(shí)所代表的鋼水中不同化學(xué)組分的含量。
TempK := (GlobalDB.TempBath) + 273.15;
GlobalDB.K := EXP(-29804.0 / TempK + 19.235);
//計(jì)算脫碳反應(yīng)3C+Cr_2 O_3=2Cr+3CO的平衡常數(shù)K，∆G⁰=-RTlnK。
根據(jù)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;

ELSE
Ninert := (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;
//計(jì)算單位時(shí)間的惰性氣體摩爾量Ninert；
計(jì)算A= (P_system 〖(%Cr)〗^(2/3) f_Cr^(2/3) W)/(1200Kf_c )；
P_system可根據(jù)爐形、爐容比、裝料量在DB塊中定位常數(shù)，約為1.5；
GlobalDB.WtBath為鋼水重量，存儲(chǔ)于GlobalDB塊中；　　　　　　　　
計(jì)算B= W/1200 ；
  計(jì)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 
//計(jì)算配氣系統(tǒng)氧氣的設(shè)定值；

GlobalDB.Oxo[GlobalDB.C]為每公斤碳氧化所需的氧氣量，存于GlobalDB.Oxo[i]這個(gè)一維數(shù)組當(dāng)中，應(yīng)為0.93。

4 生產(chǎn)與實(shí)踐

我們對某鋼廠60噸AOD爐進(jìn)行了系統(tǒng)改造，將本系統(tǒng)投入于實(shí)際生產(chǎn)中，以下簡稱為1號(hào)爐；并和該廠內(nèi)的另外一個(gè)未改造的手動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行對比，以下簡稱為2號(hào)爐。使用在線脫碳模型的1號(hào)爐的冶煉時(shí)間平均縮短了18分鐘，1號(hào)爐的CRE比2號(hào)爐高了29.3%；還原硅的消耗減少了15%，平均爐齡由原來的52爐增加到現(xiàn)在的60爐。這主要得益于在線脫碳模型的使用，能夠相對精確的計(jì)算爐內(nèi)成分、溫度及重量等重要參數(shù)，并據(jù)此采用最優(yōu)的氣體比例分配方案，從而實(shí)現(xiàn)脫碳保鉻冶金進(jìn)程的最優(yōu)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1] Allen H. Chan, Andrew W. Cullen, Lanier Stambaugh etc. Operating Experience with Praxair’s AOD Intelligent Refining System. 

[2] 胡文華，AOD冶煉脫碳反應(yīng)模型與計(jì)算機(jī)模擬，冶金設(shè)備.
[3] Praxair Metal Technologies, AOD Training Textbook.
[4] 韓明榮，張申芹，陳建斌，冶金原理
[5]E.T.Turkdogan,Consultant:Pyrometallurgy & Thermochemistry. R.J. Fruehan, Professor, Carnegie Mellon University. –Fundamentals of iron and steel making.

本文編號(hào)：41273