一种连续预测转炉熔池磷含量的方法及系统与流程

本发明涉及冶金技术领域，特别是指一种连续预测转炉熔池磷含量的方法及系统。

背景技术：

在转炉吹炼中，对转炉吹炼终点钢水成分的控制尤其是终点钢水磷含量的控制对于生产合格的钢水是十分重要的。在整个转炉吹炼过程中，铁水的成分，温度，吹氧量，吹氧流量，氧枪枪位，石灰、镁球等造渣料的加入时间、加入量等操作工艺均会对转炉终点钢水磷含量产生影响。

目前，钢铁企业普遍通过铁水成分，目标钢水成分要求结合过去的操作工艺来决定本炉次的吹氧量和石灰、白云石等造渣料的加入量。然而，即使在相同的操作条件下，也会存在转炉终点磷含量偏差较大的问题。因此，仅仅依靠在转炉吹炼开始前的信息来决定操作工艺，很难消除钢水磷含量偏差的问题。大型转炉可以通过副枪检测的方法对转炉冶炼过程进行动态控制，大大提高转炉终点磷含量的命中率。但是大部分中小型转炉并不具备相应的设备条件。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种连续预测转炉熔池磷含量的方法及系统，以解决现有方案中转炉终点磷含量的命中率较低的问题，实现对确定操作工艺和设备、原辅料条件的转炉钢水磷含量的连续预测，以便于调整转炉操作工艺，提高转炉终点磷含量的命中率。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种连续预测转炉熔池磷含量的方法，所述方法包括：

获取转炉设备参数、原辅料参数以及过程工艺参数；

基于所述转炉设备参数和过程工艺参数，分别计算出熔池气-液反应界面面积和渣-金反应界面面积；

基于所述原辅料参数和过程工艺参数，计算出渣-金反应界面平衡磷浓度；

基于所述气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，计算出转炉吹炼过程中脱磷速率，实现对熔池磷含量的连续计算。

进一步地，所述转炉设备参数包括转炉本体尺寸信息和氧枪参数信息；其中，所述转炉本体尺寸信息包括转炉高度、熔池深度以及转炉熔池半径；所述氧枪参数信息包括氧枪喷头孔数、氧枪喷头夹角以及喉口直径；

所述原辅料参数包括转炉吹炼过程中所用的废钢和造渣料的种类及成分；

所述过程工艺参数包括转炉吹炼开始前铁水和废钢的加入量，铁水温度和成分，吹炼过程中每种造渣料的加入过程信息和吹氧过程信息，所述吹氧过程信息包括吹炼过程中氧枪的枪位、氧气流量、氧压以及吹氧总量。

进一步地，所述基于所述转炉设备参数和过程工艺参数，分别计算出熔池气-液反应界面面积和渣-金反应界面面积，包括：

根据转炉本体尺寸信息，氧枪参数信息、氧枪的枪位以及氧压，利用式(1)和(2)分别计算出气-液反应界面冲击坑面积和渣-金反应界面面积：

其中，acav为气-液反应界面单个冲击坑面积，rcav为气-液反应界面单个冲击坑半径，h为气-液反应界面单个冲击坑高度；

其中，asm为渣-金反应界面面积，nn为氧枪喷头孔数，db为转炉熔池直径；

其中，单个冲击坑的高度和半径分别由式(3)和式(4)计算出：

其中，θ为氧枪喷头夹角，dth为喉口直径，llance为氧枪的枪位，p0为最高供给压力，pa为环境压力。

进一步地，所述基于原辅料参数和过程工艺参数，计算出渣-金反应界面平衡磷浓度，包括：

根据造渣料成分、造渣料的加入过程信息和吹氧过程信息，以物料平衡为依据，分析转炉吹炼过程每个等分时间段内的物料平衡，得到炉渣成分变化模型，利用式(8)计算出炉渣成分：

其中，wi，j为第i个时间段内炉渣中j组分质量分数，wi，j为第i个时间段内炉渣中j组分的质量，wi，jzl为第i个时间段内造渣料带来的j组分的质量，wi，jyh为第i个时间段内铁水元素氧化带来的j组分的质量，wi，slag为第i个时间段内炉渣的质量；

分析熔池每个等分时间段内的热平衡，利用式(9)计算得到熔池温度：

其中，ti为第i个时间段内熔池温度，qi，j为第i个时间段内熔池热量，qin为第i个时间段内熔池获得的热量，qout为第i个时间段内熔池损失的热量，wm为第i个时间段内钢水质量，ws为第i个时间段内炉渣的质量，cm为钢水的热容，cs为炉渣的热容；

根据计算出的炉渣成分和熔池温度，利用式(10)和式(11)计算渣-金反应界面平衡磷浓度：

其中，(％p)i为第i个时间段内渣中p含量，[％p]sm,i为第i个时间段内渣-金反应界面平衡磷浓度，(％cao)i为第i个时间段内渣中cao含量，(％t.fe)i为第i个时间段内渣中fe含量。

进一步地，所述基于所述气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，计算出转炉吹炼过程中脱磷速率，包括：

基于所述气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，利用式(12)计算出转炉吹炼过程中脱磷速率：

其中，[％p]b,i为第i个时间段内熔池磷含量，ρm为钢水密度，kgm为气-液反应界面传质系数，ksm为渣-金反应界面传质系数。

进一步地，在实现对熔池磷含量的连续计算之后，所述方法还包括：

将熔池磷含量的计算结果进行存储并通过hmi界面进行显示。

相应地，为解决上述技术问题，本发明还提供以下技术方案

一种连续预测转炉熔池磷含量的系统，所述系统包括：

获取模块，用于获取转炉设备参数、原辅料参数以及过程工艺参数；

熔池磷含量计算模块，用于基于所述转炉设备参数和过程工艺参数，分别计算出熔池气-液反应界面面积和渣-金反应界面面积；基于所述原辅料参数和过程工艺参数，计算出渣-金反应界面平衡磷浓度；基于所述气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，计算出转炉吹炼过程中脱磷速率，实现对熔池磷含量的连续计算。

进一步地，所述系统还包括设备及原辅料参数数据库和过程工艺参数数据库；所述设备及原辅料参数数据库用于存储转炉设备参数和原辅料参数；其中，所述转炉设备参数包括转炉本体尺寸信息和氧枪参数信息；其中，所述转炉本体尺寸信息包括转炉高度、熔池深度以及转炉熔池半径；所述氧枪参数信息包括氧枪喷头孔数、氧枪喷头夹角以及喉口直径；所述原辅料参数包括转炉吹炼过程中所用的废钢和造渣料的种类及成分；

所述过程工艺参数数据库用于存储过程工艺参数，所述过程工艺参数包括转炉吹炼开始前铁水和废钢的加入量，铁水温度和成分，吹炼过程中每种造渣料的加入过程信息和吹氧过程信息，所述吹氧过程信息包括吹炼过程中氧枪的枪位、氧气流量、氧压以及吹氧总量；

所述获取模块用于从所述设备及原辅料参数数据库中获取转炉设备参数和原辅料参数，从所述过程工艺参数数据库中获取过程工艺参数。

进一步地，所述熔池磷含量计算模块包括：

界面面积计算单元，用于根据转炉本体尺寸信息，氧枪参数信息、氧枪的枪位以及氧压，利用式(1)和(2)分别计算出气-液反应界面冲击坑面积和渣-金反应界面面积：

其中，acav为气-液反应界面单个冲击坑面积，rcav为气-液反应界面单个冲击坑半径，h为气-液反应界面单个冲击坑高度；

其中，asm为渣-金反应界面面积，nn为氧枪喷头孔数，db为转炉熔池直径；

其中，单个冲击坑的高度和半径分别由式(3)和式(4)计算出：

其中，θ为氧枪喷头夹角，dth为喉口直径，llance为氧枪的枪位，p0为最高供给压力，pa为环境压力。

平衡磷浓度计算单元，用于根据造渣料成分、造渣料的加入过程信息和吹氧过程信息，以物料平衡为依据，分析转炉吹炼过程每个等分时间段内的物料平衡，得到炉渣成分变化模型，利用式(8)计算出炉渣成分：

其中，wi，j为第i个时间段内炉渣中j组分质量分数，wi，j为第i个时间段内炉渣中j组分的质量，wi，jzl为第i个时间段内造渣料带来的j组分的质量，wi，jyh为第i个时间段内铁水元素氧化带来的j组分的质量，wi，slag为第i个时间段内炉渣的质量；

分析熔池每个等分时间段内的热平衡，利用式(9)计算得到熔池温度：

其中，ti为第i个时间段内熔池温度，qi，j为第i个时间段内熔池热量，qin为第i个时间段内熔池获得的热量，qout为第i个时间段内熔池损失的热量，wm为第i个时间段内钢水质量，ws为第i个时间段内炉渣的质量，cm为钢水的热容，cs为炉渣的热容；

根据计算出的炉渣成分和熔池温度，利用式(10)和式(11)计算渣-金反应界面平衡磷浓度：

其中，(％p)i为第i个时间段内渣中p含量，[％p]sm,i为第i个时间段内渣-金反应界面平衡磷浓度，(％cao)i为第i个时间段内渣中cao含量，(％t.fe)i为第i个时间段内渣中fe含量。

脱磷速率计算单元，用于基于所述气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，利用式(12)计算出转炉吹炼过程中脱磷速率：

其中，[％p]b,i为第i个时间段内熔池磷含量，ρm为钢水密度，kgm为气-液反应界面传质系数，ksm为渣-金反应界面传质系数。

进一步地，所述系统还包括结果数据库和结果输出模块；

所述结果数据库用于存储熔池磷含量的计算结果；

所述结果输出模块用于通过hmi界面显示熔池磷含量的计算结果。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明的连续预测转炉熔池磷含量的方法通过建立设备及原辅料参数数据库，过程工艺参数数据库，设置转炉设备及原辅料参数和转炉吹炼过程工艺参数。根据设备尺寸参数和原辅料成分参数，铁水和废钢的加入量，铁水温度和成分，吹炼过程中每种造渣料的加入过程信息，吹炼过程中氧枪的枪位、流量和氧压，吹氧总量。对炉渣成分和熔池温度进行连续计算，并计算气-液反应界面和渣-金反应界面面积，最终综合上述计算结果，实现对熔池磷含量的连续计算。有利于操作人员调整转炉工艺过程以提高转炉终点磷含量命中率。

附图说明

图1为本发明的连续预测转炉熔池磷含量的方法的流程示意图；

图2为本发明的连续预测转炉熔池磷含量的方法的另一流程示意图；

图3为本发明的连续预测转炉熔池磷含量的系统的构成示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

第一实施例

请参阅图1和图2，本实施例提供一种连续预测转炉熔池磷含量的方法，所述方法包括以下步骤：

s101，获取转炉设备参数、原辅料参数以及过程工艺参数；

需要说明的是，在本实施例中转炉设备参数和原辅料参数是存储在设备及原辅料参数数据库中；过程工艺参数是存储在过程工艺参数数据库中；存储时通过前端hmi界面将数据存入相应数据库中；使用时通过读取系统从数据库中读取相应数据。

其中，转炉设备参数包括转炉本体尺寸信息和氧枪参数信息；其中，转炉本体尺寸信息包括转炉高度、熔池深度、转炉熔池半径(前大面侧)以及转炉熔池半径(后大面侧)；氧枪参数信息包括氧枪喷头孔数、氧枪喷头夹角以及喉口直径；原辅料参数包括转炉吹炼过程中所用的废钢和造渣料的名称及成分；过程工艺参数包括转炉吹炼开始前铁水和废钢的加入量，铁水温度和成分，吹炼过程中每种造渣料的加入过程信息(加入时的氧步和加入量)和吹炼过程中氧枪的枪位、氧气流量、氧压以及吹氧总量等吹氧过程信息。

s102，基于转炉设备参数和过程工艺参数，分别计算出熔池气-液反应界面面积和渣-金反应界面面积；

需要说明的是，上述步骤具体为：

根据转炉本体尺寸信息，氧枪参数信息、氧枪的枪位以及氧压，利用式(1)和(2)分别计算出气-液反应界面冲击坑面积和渣-金反应界面面积：

其中，acav为气-液反应界面单个冲击坑面积，单位为m²；rcav为气-液反应界面单个冲击坑半径，单位为m；h为气-液反应界面单个冲击坑高度，单位为m；

其中，asm为渣-金反应界面面积，单位为m²；nn为氧枪喷头孔数，db为转炉熔池直径，单位为m；

其中，单个冲击坑的高度和半径分别由式(3)和式(4)计算出：

其中，θ为氧枪喷头夹角，单位为°；dth为喉口直径，单位为m；llance为氧枪的枪位，单位为m；p0为最高供给压力，单位为pa；pa为环境压力，单位为pa。

s103，基于原辅料参数和过程工艺参数，计算出渣-金反应界面平衡磷浓度；

需要说明的是，上述步骤具体为：

根据造渣料成分、造渣料的加入过程信息和吹氧过程信息，以物料平衡为依据，分析转炉吹炼过程每个等分时间段内的物料平衡，得到炉渣成分变化模型，利用式(8)计算出炉渣成分：

其中，wi，j为第i个时间段内炉渣中j组分质量分数，％；wi，j为第i个时间段内炉渣中j组分的质量，单位为kg；wi，jzl为第i个时间段内造渣料带来的j组分的质量，单位为kg；wi，jyh为第i个时间段内铁水元素氧化带来的j组分的质量，单位为kg；wi，slag为第i个时间段内炉渣的质量，单位为kg；

分析熔池每个等分时间段内的热平衡，利用式(9)计算得到熔池温度：

其中，ti为第i个时间段内熔池温度，单位为℃；qi，j为第i个时间段内熔池热量，单位为kj；qin为第i个时间段内熔池获得的热量，单位为kj；qout为第i个时间段内熔池损失的热量，单位为kj；wm为第i个时间段内钢水质量，单位为kg；ws为第i个时间段内炉渣的质量，单位为kg；cm为钢水的热容，单位为kj/(kg·℃)；cs为炉渣的热容，单位为kj/(kg·℃)；

根据计算出的炉渣成分和熔池温度，利用式(10)和式(11)计算渣-金反应界面平衡磷浓度：

其中，(％p)i为第i个时间段内渣中p含量，％；[％p]sm,i为第i个时间段内渣-金反应界面平衡磷浓度，％；(％cao)i为第i个时间段内渣中cao含量，％；(％t.fe)i为第i个时间段内渣中fe含量，％。

s104，基于气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，计算出转炉吹炼过程中脱磷速率，实现对熔池磷含量的连续计算。

需要说明的是，上述步骤具体为：

基于所述气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，利用式(12)计算出转炉吹炼过程中脱磷速率：

其中，[％p]b,i为第i个时间段内熔池磷含量，％；ρm为钢水密度，单位为kg/m³；kgm为气-液反应界面传质系数，单位为m/s；ksm为渣-金反应界面传质系数，单位为m/s。

进一步地，在实现对熔池磷含量的连续计算之后，所述方法还包括：

将熔池磷含量的计算结果进行存储并通过hmi界面进行显示。

下面以实际统计数据为例来说明本实施例方法的实施效果；其中，有关的设备参数数据列于表1，造渣料的成分参数列于表2。表3为实施本实施例方法预测的熔池磷含量和实际转炉终点磷含量。从表3可以看出本实施例提供的方法可以对转炉炼钢磷含量进行准确有效地预报。

表1转炉设备参数

表2造渣料成分参数

表3本实施例实施后的试验结果

本实施例的连续预测转炉熔池磷含量的方法通过建立设备及原辅料参数数据库，过程工艺参数数据库，设置转炉设备及原辅料参数和转炉吹炼过程工艺参数。根据设备尺寸参数和原辅料成分参数，铁水和废钢的加入量，铁水温度和成分，吹炼过程中每种造渣料的加入过程信息，吹炼过程中氧枪的枪位、流量和氧压，吹氧总量。对炉渣成分和熔池温度进行连续计算，并计算气-液反应界面和渣-金反应界面面积，最终综合上述计算结果，实现对熔池磷含量的连续计算。有利于操作人员调整转炉工艺过程以提高转炉终点磷含量命中率。

第二实施例

请参阅图3，本实施例提供一种连续预测转炉熔池磷含量的系统，所述系统包括：

设备及原辅料参数数据库，用于存储转炉设备参数和原辅料参数；其中，所述转炉设备参数包括转炉本体尺寸信息和氧枪参数信息；其中，所述转炉本体尺寸信息包括转炉高度、熔池深度以及转炉熔池半径；所述氧枪参数信息包括氧枪喷头孔数、氧枪喷头夹角以及喉口直径；所述原辅料参数包括转炉吹炼过程中所用的废钢和造渣料的名称及成分；

过程工艺参数数据库，用于存储过程工艺参数，所述过程工艺参数包括转炉吹炼开始前铁水和废钢的加入量，铁水温度和成分，吹炼过程中每种造渣料的加入过程信息和吹氧过程信息，所述吹氧过程信息包括吹炼过程中氧枪的枪位、氧气流量、氧压以及吹氧总量；

获取模块，用于从所述设备及原辅料参数数据库中获取转炉设备参数和原辅料参数，从所述过程工艺参数数据库中获取过程工艺参数；

熔池磷含量计算模块，用于基于所述转炉设备参数和过程工艺参数，分别计算出熔池气-液反应界面面积和渣-金反应界面面积；基于所述原辅料参数和过程工艺参数，计算出渣-金反应界面平衡磷浓度；基于所述气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，计算出转炉吹炼过程中脱磷速率，实现对熔池磷含量的连续计算。

结果数据库，用于存储熔池磷含量的计算结果；

结果输出模块，用于通过hmi界面显示熔池磷含量的计算结果。

进一步地，上述熔池磷含量计算模块包括：

界面面积计算单元，用于根据转炉本体尺寸信息，氧枪参数信息、氧枪的枪位以及氧压，利用式(1)和(2)分别计算出气-液反应界面冲击坑面积和渣-金反应界面面积：

其中，acav为气-液反应界面单个冲击坑面积，rcav为气-液反应界面单个冲击坑半径，h为气-液反应界面单个冲击坑高度；

其中，asm为渣-金反应界面面积，nn为氧枪喷头孔数，db为转炉熔池直径；

其中，单个冲击坑的高度和半径分别由式(3)和式(4)计算出：

其中，θ为氧枪喷头夹角，dth为喉口直径，llance为氧枪的枪位，p0为最高供给压力，pa为环境压力。

平衡磷浓度计算单元，用于根据造渣料成分、造渣料的加入过程信息和吹氧过程信息，以物料平衡为依据，分析转炉吹炼过程每个等分时间段内的物料平衡，得到炉渣成分变化模型，利用式(8)计算出炉渣成分：

其中，wi，j为第i个时间段内炉渣中j组分质量分数，wi，j为第i个时间段内炉渣中j组分的质量，wi，jzl为第i个时间段内造渣料带来的j组分的质量，wi，jyh为第i个时间段内铁水元素氧化带来的j组分的质量，wi，slag为第i个时间段内炉渣的质量；

分析熔池每个等分时间段内的热平衡，利用式(9)计算得到熔池温度：

其中，ti为第i个时间段内熔池温度，qi，j为第i个时间段内熔池热量，qin为第i个时间段内熔池获得的热量，qout为第i个时间段内熔池损失的热量，wm为第i个时间段内钢水质量，ws为第i个时间段内炉渣的质量，cm为钢水的热容，cs为炉渣的热容；

根据计算出的炉渣成分和熔池温度，利用式(10)和式(11)计算渣-金反应界面平衡磷浓度：

其中，(％p)i为第i个时间段内渣中p含量，[％p]sm,i为第i个时间段内渣-金反应界面平衡磷浓度，(％cao)i为第i个时间段内渣中cao含量，(％t.fe)i为第i个时间段内渣中fe含量。

脱磷速率计算单元，用于基于所述气-液反应界面面积、渣-金反应界面面积以及渣-金反应界面平衡磷浓度，利用式(12)计算出转炉吹炼过程中脱磷速率：

其中，[％p]b,i为第i个时间段内熔池磷含量，ρm为钢水密度，kgm为气-液反应界面传质系数，ksm为渣-金反应界面传质系数。

本实施例的连续预测转炉熔池磷含量的系统通过建立设备及原辅料参数数据库，过程工艺参数数据库，设置转炉设备及原辅料参数和转炉吹炼过程工艺参数。根据设备尺寸参数和原辅料成分参数，铁水和废钢的加入量，铁水温度和成分，吹炼过程中每种造渣料的加入过程信息，吹炼过程中氧枪的枪位、流量和氧压，吹氧总量。对炉渣成分和熔池温度进行连续计算，并计算气-液反应界面和渣-金反应界面面积，最终综合上述计算结果，实现对熔池磷含量的连续计算。有利于操作人员调整转炉工艺过程以提高转炉终点磷含量命中率。

此外，需要说明的是，本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。