企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙氣外溢控制方法研究

楊迅波

（酒鋼集團(tuán)宏興股份公司煉軋廠，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

鋼鐵企業(yè)普遍采用氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼，冶煉過(guò)程中產(chǎn)生大量的一氧化碳、粉塵等可燃煙氣，煙氣外溢情況較為嚴(yán)重，對(duì)周?chē)h(huán)境造成了污染。目前，煙氣污染的控制方法以煙氣凈化為主，將煙塵顆粒從氣流中轉(zhuǎn)移到另一種棱體中，從而避免煙氣污染。此方式會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，煙塵顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)無(wú)法達(dá)到懸浮物與煙氣分離的目的。同時(shí)，煙氣在相對(duì)運(yùn)行的過(guò)程中，同樣會(huì)出現(xiàn)煙氣外溢的情況，污染周?chē)h(huán)境。針對(duì)煙氣污染的問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)了多種煙氣外溢控制方法。其中，基于多指標(biāo)約束的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法，與基于干擾管理的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法的應(yīng)用較為廣泛。

基于多指標(biāo)約束的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法，主要是在轉(zhuǎn)爐周?chē)O(shè)置多個(gè)排煙口，排煙口以縱向補(bǔ)風(fēng)的方式，稀釋煙氣中的碳濃度，從而達(dá)到良好的煙氣控制效果[1]?；诟蓴_管理的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法，主要是利用煙氣控制模型，分析出煙氣控制可能出現(xiàn)的干擾事件，對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的處理[2]。并結(jié)合遺傳算法，求解出煙氣外溢干擾管理方案，從而保證煙氣外溢控制效果。以上2種方法均能夠在一定程度上控制煙氣外溢，但其治標(biāo)不治本，煙氣外溢的污染仍然較大[3]。因此，文章對(duì)企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙氣外溢控制方法進(jìn)行了創(chuàng)新性研究。

1 企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙氣外溢控制方法設(shè)計(jì)

1.1 提取企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼的煙氣流量變化特征

爐氣在煙道內(nèi)的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)等燃燒過(guò)程中，遵循著基本的守恒方程。煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，爐氣與卷吸空間在發(fā)生燃燒反應(yīng)前，未進(jìn)行分子水平混合，從而產(chǎn)生大量煙氣[4]。文章在轉(zhuǎn)爐內(nèi)氣體流量不變的條件下，分析轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道內(nèi)的流動(dòng)、傳熱狀態(tài)，作出針對(duì)性的煙氣外溢控制。在轉(zhuǎn)爐煉鋼的過(guò)程中，二次燃燒反應(yīng)區(qū)域汽化冷卻煙道出口的煙氣溫度與濃度較高，在煙道內(nèi)選擇2.0 m的位置與9.32 m的位置對(duì)煙氣流量變化進(jìn)行分析。從煙道中心到管壁中心，CO濃度逐漸降低，CO2、N2濃度逐漸增加，轉(zhuǎn)爐煙氣開(kāi)始外溢。此時(shí)煙道管壁附近溫度超過(guò)中心溫度150 K[5]。為了確保煙氣成分的均勻性，將煙道終點(diǎn)位置的煙氣成分平均值作為準(zhǔn)確值，分析煙道內(nèi)部煙氣流量變化。流量變化特征如圖1所示。

圖1 煙道內(nèi)煙氣流量變化示意圖

黑色部分表示煙氣流量較高，煙道截面為2.0 m；灰白色部分表示煙氣流量較低，煙道截面為9.32 m[6]。煙道內(nèi)煙氣流量顏色變化為黑色—黑灰色—深灰色—淺灰色—灰白色，煙氣流量也從1.10 kg/Nm3減少到0.189 kg/Nm3。在2.0 m截面的煙道中，二次燃燒反應(yīng)完畢，氧氣在卷吸空氣的過(guò)程中被消耗掉，煙氣中包含了CO、CO2、N2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小排序?yàn)镹2＜CO2＜CO[7]。在9.32 m截面的煙道中，殘存C與Mn的少數(shù)含量，其余成分均被凈化與消耗。

1.2 控制煉鋼過(guò)程中煙氣外溢

將吹煉初期選擇的純物質(zhì)作為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，控制煙氣活度低于低煙氣范圍內(nèi)的值。通過(guò)平衡煙道內(nèi)爐煙氣反應(yīng)，控制煉鋼過(guò)程中煙氣外溢的濃度[8]，從而對(duì)煙氣外溢進(jìn)行控制。煙氣在煙道內(nèi)的脫碳高峰期，卷吸空氣量與煙氣流量之間存在的關(guān)系：

式中：Vx為煙氣流量；M為煙氣溫度；δ為煙氣燃燒系數(shù)；Va為卷吸空氣量。Va與煙氣中的C含量百分濃度存在的關(guān)系：

式中：Mt為C添加量；（%C）x為C含量百分濃度。轉(zhuǎn)爐煉鋼的過(guò)程中，將煙氣外溢濃度與溫度的控制歸結(jié)為一階常微分方程的初值問(wèn)題，方程表達(dá)式為：

式中：y′為煙道終點(diǎn)煙氣含量的實(shí)際值；y0為煙道入口煙氣含量的實(shí)際值；f（t，y）為在t時(shí)刻的煙氣含量的實(shí)際值；y（t0）為鋼液在t0時(shí)刻的初始溫度。t0為因變量，根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼的物理變化過(guò)程，確定終點(diǎn)煙氣含量的標(biāo)準(zhǔn)值，公式如下：

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證文章設(shè)計(jì)的方法是否滿足轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制需求，文章對(duì)上述方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以文獻(xiàn)[1]基于多指標(biāo)約束的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法、文獻(xiàn)[2]基于干擾管理的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法，以及文章設(shè)計(jì)的企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙氣外溢控制方法進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

此次實(shí)驗(yàn)在鋼廠生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行測(cè)試分析，選取實(shí)際轉(zhuǎn)爐，其進(jìn)行煙氣含量控制、轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)溫度控制。并搭建了一套以煙氣信息為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中C含量、Mn含量變化情況。設(shè)定出終點(diǎn)成分的溫度標(biāo)準(zhǔn)值與含量標(biāo)準(zhǔn)值，從而滿足此次實(shí)驗(yàn)需求。實(shí)驗(yàn)根據(jù)鋼廠生產(chǎn)計(jì)劃，確定煉鋼鋼種與轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C、Mn的含量及溫度要求。開(kāi)始煉鋼之前，啟用靜態(tài)控制，確定轉(zhuǎn)爐成分達(dá)到終點(diǎn)時(shí)所需的輔料重量、供氧量、冷卻劑加入量等，并選擇對(duì)應(yīng)的煉鋼模式與加料模式，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程更加真實(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加有效。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

如圖2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)爐煉鋼的時(shí)間超過(guò)15 s之后，用t+15 s表示當(dāng)前的煉鋼時(shí)刻。調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中t時(shí)刻的煉鋼煙氣成分?jǐn)?shù)據(jù)，并返回與t時(shí)刻的實(shí)際煙氣數(shù)據(jù)比較，二者濃度偏差＞0.10%時(shí)，證明煙氣成分的控制值與標(biāo)準(zhǔn)值不一致。此時(shí)，返回?zé)煔馔庖鐒?dòng)態(tài)控制模塊，控制煙氣終點(diǎn)含量與溫度。重復(fù)上述步驟，最終輸出的煙氣成分濃度偏差＜0.10%，則證明煙氣外溢得到了有效的控制，直接顯示此時(shí)煙氣含量與溫度，并獲取此時(shí)熔池與爐渣的信息。在終點(diǎn)校正階段，動(dòng)態(tài)計(jì)算出終點(diǎn)C、Mn所需殘余供氧量，并加入冷卻劑。碳含量與溫度滿足設(shè)定值允許誤差范圍后，倒?fàn)t取樣測(cè)溫，并得出本爐煙氣流量偏離系數(shù)，作為下一爐煙氣外溢控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使各個(gè)轉(zhuǎn)爐煉鋼的煙氣均得到有效控制。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，隨機(jī)選取出5個(gè)轉(zhuǎn)爐，編號(hào)為101、125、132、155、167，并在終點(diǎn)位置分析C含量與Mn含量，含量越少，煙氣外溢越多。在其他條件均已知的情況下，將文獻(xiàn)[1]基于多指標(biāo)約束的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法的控制效果、文獻(xiàn)[2]基于干擾管理的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法的控制效果，以及文章設(shè)計(jì)的企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙氣外溢控制方法的控制效果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)表1可知，文章設(shè)計(jì)的企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)溫度需要控制在1 585～1 680 ℃，C的終點(diǎn)含量需要控制在0.12%～0.21%的范圍內(nèi)，Mn的終點(diǎn)含量需要控制在0.05%～0.20%的范圍內(nèi)，由此確保煙氣外溢控制效果。在其他條件均一致的情況下，使用文獻(xiàn)[1]基于多指標(biāo)約束的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法之后，轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)溫度在1 320～1 720 ℃的范圍內(nèi)變化，C含量在0.01%～0.25%的范圍內(nèi)變化，Mn含量在0.01%～0.26%的范圍內(nèi)變化。由此可見(jiàn)，該方法的終點(diǎn)溫度、終點(diǎn)含量與標(biāo)準(zhǔn)值相差甚遠(yuǎn)，煙氣外溢控制效果不佳。使用文獻(xiàn)[2]基于干擾管理的轉(zhuǎn)爐煉鋼煙氣外溢控制方法之后，轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)溫度在1 550～1 700 ℃的范圍內(nèi)變化，C含量在0.03%～0.25%的范圍內(nèi)變化，Mn含量在0.01%～0.22%的范圍內(nèi)變化。由此可見(jiàn)，該方法優(yōu)于文獻(xiàn)[1]方法，但是仍存在含量、溫度低于或高于標(biāo)準(zhǔn)值的情況，亟須進(jìn)一步優(yōu)化。而使用文章設(shè)計(jì)的企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙氣外溢控制方法之后，無(wú)論是終點(diǎn)溫度還是終點(diǎn)含量，均在標(biāo)準(zhǔn)值的范圍之內(nèi)，煙氣外溢控制效果更佳，符合研究目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，鋼鐵工業(yè)作為我國(guó)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)與戰(zhàn)略工業(yè)，正面臨著資源緊張與環(huán)境污染的壓力，亟須轉(zhuǎn)變煉鋼條件，為企業(yè)節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展提供保障。針對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼排除大量的污染氣體，污染環(huán)境的問(wèn)題，研究了企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中煙氣外溢控制方法。從煙氣流量變化特征、煙氣外溢濃度控制2個(gè)方面，降低煙氣中碳含量與錳含量的外溢濃度，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)濃度能夠滿足外溢控制需求，對(duì)于轉(zhuǎn)爐煉鋼的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。