钢水脱氧合金收得率的建模研究

(西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089)

在国家号召减少产能过剩大背景下，钢铁行业急需提高高附加值钢种的产量以适应当前行业环境。按照冶炼标准选择合金的种类和加入量，某些钢厂企业甚至分钢种制定固定的合金种类和数量，近年来随着用户对钢材质量的要求越来越苛刻，因此研究适合于现场转炉冶炼过程中的脱氧和合金化计算机控制模型势在必行.依据2019年MathorCup高校数学建模挑战赛D题数据[6]计算出C、Mn两种元素历史收得率并分析影响其收得率的主要因素。

通过对题目的认真分析，并查阅资料[1]得出公式如下：

(1)

式中：Wm为出钢量，t;WFe-i为铁合金Fe-i的加入量，kg; [i]a为吹氩站元素i的目标含量，%；[i]Fe-i为铁合金中元素i的成分，%；Ri为元素i的收得率，%。

同时根据2019年MathorCup高校数学建模挑战赛D题数据使用Excel将C、Mn、S、P、Si五种元素绘制出百分比堆积折线统计图，就可以清晰地反映出各个转炉元素的比例，并根据主公式的已知条件进行历史收得率的计算。

终点控制的具体目标[2]：①钢水的碳含量应达到所炼钢种要求的目标范围；②钢中磷、硫含量应低于规格下限要求的范围；③出钢温度应保证下一步工序：如炉外精炼、浇注的顺利进行；④在冶炼沸腾钢、半镇静钢时还应保持钢水应有的氧化性。终点控制实质上也就是对转炉吹炼过程的控制。

转炉终点控制把终点温度和终点碳含量作为控制的主要对象，控制吹炼的过程使钢水温度和成分达标。转炉炼钢终点控制是保证炼钢能顺利完成的一项重要操作制度，终点控制技术已成为衡量炼钢综合技术水平的一项重要指标。准确预报转炉炼钢终点钢水温度、碳含量、金属收得率、生产成本和钢的品质，从而及时调整加入的原材料、辅助材料及耗氧量，成为整个炼钢过程中极其重要的一环。

1 模型的建立与求解

1.1 提出假设

假设一：影响钢水收得率可能是因为转炉喷溅(spray)。

假设二：影响钢水收得率可能还因为终点氧(end oxygen)。

假设三：铁水等原料完全入炉是否会影响收得率。

假设四：转炉转化过程中出现事故是否会影响收得率。

1.2 计算C，Mn的历史收得率

利用程序框图1可以清晰地看出加工元素和加工步骤。

图1 冶钢程序图

根据国家数据网查的数据可得出C和Mn的转炉温度折线图，如图2所示。

图2 转炉终点C

由图2大致可以看出转炉终点温度和转炉终点C几乎成正比。

由Mn的转炉终点可以看出转炉终点温度和转炉终点几乎成正比(见图3)，且两者的值几乎达到相同。根据实验得到以下图表，清晰地看出合金原料平均单耗和合金元素平均收得率(见表1、表2)。

表1 合金原料平均单耗

表2 合金元素平均收得率

图3 转炉终点Mn

综上所述，即通过实验和计算可得如下结果，如表3所示。

表3 各合金的加入时间及收得率

结果：因为收得率与百分比相关，所以得到的结果在区间范围内,C的历史收得率为95%～98%，Mn的历史收得率为85%～95%。

2 影响收得率的因素

由假设出发研究其是否会对最终收得率产生影响，在锤炼过程中由于氧气流对熔池的冲击和脱碳反应产生巨量CO气体排出，造成炉渣及金属液的喷溅。在通常情况下，这种金属液飞溅不会形成喷溅，但在脱碳反应的加剧情形下，转炉内短时间内产生大量的CO气体，气体产生聚合突变反应，将炉渣及金属喷液喷出炉口。炉池脱碳的不均匀而产生突发性的脱碳反应，瞬间产生大量的CO气体是发生喷溅的根本原因。以下有三个喷溅原因。

1)爆发性喷溅

熔池内碳氧反应不均衡发展，瞬时产生大量的CO气体从炉口夺路而出。同时，还挟带着大量的水和熔渣，在1 480 ℃以下熔炉内化学反应会受到限制，在1 480 ℃以上熔炉内化学反应才能顺利进行，否则就会在供氧气时生成大量FeO,且短时间内堆积造成猛烈喷溅。

2)泡沫性喷溅

熔渣泡沫太多，阻碍CO气体通畅排出，使渣层厚度增加，严重时能够上涨到炉口并溢出,还与炉熔比的大小，扎量多少及熔渣泡沫化程度相关。

3)金属喷溅

渣中FeO含量过低，熔渣流动性不好，氧气流直流接触金属液面，碳氧反应生成的一氧化碳气体排出带动金属液体喷溅。

根据附表数据分析得出影响其收得率的还可能有其他因素。

分析图4～图8转炉元素的变化趋势和其最值可得，在同一钢种下，其影响收得率的因素则为铁水条件会对其产生影响。

图4 C，S，Si在同种钢号下的变化趋势

图5 HRB400B 不同温度下五种元素的表现形式

图6 HRB500D 不同温度下五种元素的表现形式

图7 Q235 不同温度下五种元素的表现形式

图8 Q235A 不同温度下五种元素的表现形式

3 结 语

转炉工作过程中测量钢水收得率是一个比较系统而全面的工作，需要多个工序之间的配合，这不仅关系到炼钢炉前钢水质量、温度等情况，还要考虑其他因素的具体影响[4-5]：①转炉终点温度：脱氧过程中，在加入合金元素之后，会立刻发生吸热反应，温度的高低将直接影响分子之间的运动。实际上，脱氧与合金化可以近似理解为同时进行，温度对最终的收得率有着很大的影响。 ②合金料：有些合金的加入是作为脱氧剂，如硅铁、钻铁等。不同的脱氧剂对于脱氧合金化的过程有着不同的氧化效果。还有部分合金是作为增碳剂、催化剂， 推动化合反应的正向进行，加快反应速率。并且合金对生产中的器具也有会不同程度的影响。通过对比发现，在同一条件下， 加入的合金料中含有合金的质量越多，则该元素的收得率也会更高。③钢号：不同的钢号意味着成钢中蕴含有不同种类的元素与不同比例的元素。在制作成钢中对不同元素的吸收量和需求量也不同，影响收得率的炉温、喷溅情况等因素也不同，那么最终得到的收得率也有很大差别，但同种钢号的合金收得率值则较为稳定。④C、Mn、S、P、Si的含量：P是对钢有害的元素，它极易使钢变得冷脆；S,是钢中的有害元素，使钢的强度降低；C能增加钢的冷脆性和时效敏感性;Mn,在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂； Si,在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15%～0.30%。除了采取以上措施以外，还应该从管理上制定相应的经济考核目标，才能更好地、更全面地提高钢水收得率。