[发明专利]基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空吹氧脱碳精炼的控制方法。

背景技术

真空吹氧脱碳（Vacuum Oxygen Decarburization，VOD），主要是利用真空条件促进碳氧反应并减低铬元素氧化的原理来进行脱碳冶炼的。置于真空罐内钢包中的不锈钢钢水利用顶吹氧枪吹氧来获得氧，氧溶解于钢液并和钢液中碳反应，没有反应的溶解氧在后续的深真空处理阶段可以持续与钢液中碳反应，从而可以获得很低的碳含量。VOD法是生产不锈钢尤其是超低碳、氮不锈钢的理想方法。

通过合理的吹氧控制，实现有效脱碳，并控制合金元素铬的氧化，减少还原消耗，缩短冶炼时间，实现优化冶炼是VOD精炼的控制目标。因VOD炉在真空精炼处理过程中不便于取样，冶金工作者陆续开发了多种VOD脱碳停氧控制法:（1）计算法。主要采用理论计算结合经验系数来计算所需的供氧量，按供氧量来确定吹氧结束时间。这种方法只适用于具体的设备，各厂家有不同的计算方法，且难以实现准确控制。（2）真空度及废气温度控制法。即利用压力、温度变化的特征作为VOD停氧控制的依据，这在早期有过应用。（3）气体红外分析判定法。利用红外气体分析仪来分析VOD精炼废气中CO、CO₂及O₂的成分，依据气体中CO含量变化特征并参考真空度变化来控制停氧时刻。这种方法可以较为准确地确定停氧时间，并且不受具体设备的限制。（4）气相定碳法。通过气体成分中CO和CO₂含量分析，结合气体流量检测计算脱碳量，达到脱碳量后即停止吹氧。当废气流量不易测量或不易准确测量时，可采用惰性气体示踪方法。废气分析通常采用红外分析及质谱仪，采用红外分析系统时，可用标气法来测量流量，这种方法在美国一些钢厂用来控制终点碳。（5）氧浓差电池法。依据废气氧势连续测量变化特征，反映吹氧的终始点，并能够反映不正常的炉况。此方法测量准确，反应迅速，连续显示，操作方便，便于自动化控制，曾用于国内多家钢厂，取得了较好的控制效果。

质谱仪炉气分析因为能够提供快速、准确、多种气体成分连续变化的详细信息，是红外等其他测量手段所无法比拟的（红外分析滞后时间较长，分析气体种类有限），目前在炼钢过程应用日渐普遍，利用炉气分析系统开发先进的VOD过程控制，冶金效果较人工经验控制模式有较大改善。

VOD精炼脱碳控制的关键是控制吹氧量及停吹时间。吹氧量不够，则不能满足终点碳要求；过度的吹氧则会造成钢液中合金元素铬过度氧化，钢液过热以及还原剂消耗急剧增加，也不利于提高钢水质量。目前，生产上利用质谱仪分析的废气成分变化特征结合人工经验可以辅助判定停氧时间。但是由于人工经验带有很大的主观性，造成不同操作人员的差异，而且炉气取样分析也可能因各炉次条件不同而存在较大的变化，也不利于过程稳定控制。对于VOD精炼过程控制而言，更需要量化的信息，并可以连续跟踪过程脱碳及碳含量变化，从而可以精确控制吹氧及终点碳含量，以实现优化冶炼的目标。

日本专利第JP61195913A号和第JP62263916A号公开了一种VOD吹氧量分段计算的脱碳控制方法。后者同时给出相关参数更为详细的计算方法，并给出了真空脱碳处理时间的计算方法。在实际应用中，VOD处理起始的钢液碳含量为终点目标碳的几十倍，仅利用模型是难以实现整个脱碳过程都较为准确的跟踪和控制的，越往脱碳后期，计算碳含量的相对偏差越大，因此难以实现精确控制。在超低碳不锈钢冶炼过程中为了严格控制碳含量则经常会出现吹氧过度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，可有效控制吹氧量及停吹时间，以满足终点碳要求和避免钢液中合金元素铬过度氧化、钢液过热以及还原剂消耗急剧增加，以利于提高钢水质量。

本发明的基于炉气分析模型的真空吹氧脱碳精炼的脱碳控制方法，包括以下步骤：

在抽真空及前处理并氧枪吹氧开始后，计算吹氧阶段废气参数信息，包括炉内气体发生量和炉内气体成分；

基于炉内废气参数信息，计算吹氧脱碳速率；

跟踪计算钢液碳含量；

对吹氧脱碳速率修正系数和钢液碳含量修正计算判定；

顶枪吹氧结束判定；

计算真空阶段的废气相关参数信息，包括吸入空气量和废气流量计算、炉内气体发生量和炉内气体成分计算；

计算真空处理脱碳速率；

计算钢液碳含量；

深真空自由脱碳处理停止判定；

后续处理至VOD处理结束。