一种电炉炼钢的过程控制方法与流程

本发明涉及电弧炉炼钢领域，具体是涉及一种电炉炼钢的过程控制方法。

背景技术：

近年来，由于钢铁市场的复苏，钢铁行业又呈现良好的发展态势。但由于目前废钢和电力价格一直处于高位，使得短流程电弧炉炼钢的成本较长流程转炉炼钢成本不具竞争优势。电炉炼钢的成本主要包括钢铁料的成本、电力成本、电极成本、合金及辅料成本、炼钢燃料成本等。废钢是电弧炉炼钢的最重要原料，是炼钢总成本的最主要组成部分。在实际情况下，作为原料的废钢种类较多，成分和密度波动很大，而且价格差距也较大。

目前国内废钢铁的供应量仍不能有效满足钢铁市场的需求，废钢铁价格一直处于高位状态。因此，对废钢进行科学的配比是实现电炉炼钢降低吨钢成本的重要环节。虽然电力、合金及辅料成本及炼钢燃料成本占总炼钢成本的比重仅为20％左右，但由于电炉钢利润较小及钢产量巨大，合理的能源及辅料搭配对于钢铁企业均有很大的帮助。

现有电炉冶炼节能降耗的主要措施集中在机械设备改善、自动化及智能化控制等方面，而从工艺本身上一般是依据人工经验的方式进行冶炼，比如电炉废钢配料、泡沫渣控制、供碳和供氧制度及供电制度等，且多从单一方向去控制，没有去从统一整体考虑。由于废钢价格的高位，废钢配料模型是构建优化电弧炉炼钢成本的核心步骤之一，通过该模型可计算得到电弧炉冶炼中废钢配料的最低成本。公告号为cn110516402a和cn110490672a的中国专利公布了优化电弧炉炼钢配料的方法，该方法相对于人工经验能显著节约电炉冶炼的成本。

另外，电炉的工艺控制也是影响电炉冶炼能耗和节奏的重要因素，其主要包括泡沫渣的控制及供电制度的控制,因此从废钢配料到过程工艺的联合控制不仅有助于降低冶炼成本，还能保证冶炼过程的顺畅。此外，泡沫渣的合理控制涉及到供碳和供氧制度及辅料加入制度，供电制度需要明确电炉各阶段电力的消耗量。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种电炉炼钢的过程控制方法，其根据多组合模型，在满足工艺指标的前提下，构建出合理的电弧炉炼钢过程控制方法，达到节约炼钢成本，提高生产效率的目的。

具体方案如下：

一种电炉炼钢的过程控制方法，包括以下步骤：

(1)依据废钢配料模型，以获得电炉冶炼最低成本的废钢配料方案；

(2)依据废钢配料方案，采用物料平衡和热平衡模型，以获得在最佳泡沫渣形成条件下所需的辅料加入量；

(3)依据供碳和供氧模型、并根据泡沫渣埋弧的要求，以获得最佳的碳粉喷吹流量和供氧流量；

(4)依据热平衡模型求得电炉冶炼各阶段的电力消耗，以获得各阶段的供电制度。

优选的，所述废钢配料模型基于目标成分、废钢堆密度、各类型废钢加入量为约束条件，以废钢、合金及电力成本为优化配料的目标函数，并依据线性规划模型求得最低成本的废钢配料方案。

优选的，所述线性规划模型的具体计算方法如下：

目标函数：minf(x)＝cx+dy+rs/w·ux；

约束条件：q(g-e)≤ahjx+bky≤q(g+e)；

w/(ρ+f)≤xp≤w/(ρ-f)；

ix＝w>q；

x≥0；

y≥0；

x＝[x1x2…xm]^t，y＝[y1y2…ym]^t，g＝[g1g2…gt]；

c＝[c1c2…cm]，d＝[d1d2…dm]，e＝[e1e2…et]^t；

i＝[11…1]m；

j＝[j1j2…jm]，u＝[u1u2…um]；

其中，x为废钢装入量矩阵；

y为合金加入量矩阵；

a为废钢化学成分矩阵；

b为合金化学成分矩阵；

c为废钢价格矩阵；

d为合金价格矩阵；

g为目标钢种的化学成分矩阵；

e为松弛矩阵；

h为废钢中目标化学元素收得率矩阵；

k为合金中目标化学元素收得率矩阵；

j为金属料中金属率矩阵；

p为废钢堆密度矩阵；

i为元素均为1的行距阵；

w为废钢加入量，单位为吨；

q为钢液的质量，单位为吨；

ρ为总废钢的堆密度要求范围内的中间值；

f为目标废钢堆密度要求范围内的最大值与中间值的差值；

r为全废钢冶炼时的电耗，单位为kwh；

s为电力的价格，单位为元/kwh；

u为不同废钢对电耗的影响系数矩阵。

优选的，上述步骤(3)中依据泡沫渣埋弧的要求来确定最佳的碳粉喷吹流量，其具体流程为：

(31)确定泡沫渣埋弧操作时最佳的气体流量；

(32)依据要求的气体流量，确定合适的脱碳速率；

(33)依据脱碳速率，确定各阶段需要的碳粉喷吹流量。

优选的，上述步骤(3)中依据泡沫渣埋弧的要求来确定对应的供氧流量，其供氧流量的计算方法为：钢液中元素氧化顺序为si、mn、p、c、fe，并根据各元素的氧化率和能源介质燃烧所需的氧气，计算得到使最终熔融渣中feo含量控制在15～25％之间时所需的供氧量。

优选的，上述步骤(2)中根据泡沫渣成分的要求，并依据物料平衡模型求得所需的辅料加入量。

优选的，所述的废钢配料可以包括铁水、直接还原铁、海绵铁、渣钢等富含高物理热或杂质氧化物的金属料。

本发明提供的电弧炉炼钢的过程控制方法与现有技术相比较具有以下优点：(1)依据废钢配料模型，可从原料上节约电炉炼钢成本，提高了电炉炼钢的竞争性。

(2)采用喷碳和供氧模型，计算可得到电炉冶炼所需泡沫渣的供碳和供氧方法，实现炼钢过程节能操作。

(3)依据物料平衡模型和热平衡模型，可确定辅料及电力消耗量，可为冶炼操作提供指导作用。

附图说明

图1示出了电弧炉炼钢的过程控制方法的具体流程图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的目的在于提供一种电弧炉炼钢的过程控制方法，以克服人工经验过程带来冶炼成本高及冶炼过程不稳定等问题。

该过程控制方法包括：

(1)依据废钢配料模型，以获得电炉冶炼最低成本的废钢配料方案；

(2)依据废钢配料方案，采用物料平衡和热平衡模型来获得在最佳泡沫渣形成条件下所需的辅料(石灰、白云石等)加入量；

(3)依据供碳和供氧模型、并根据泡沫渣埋弧的要求，以获得最佳的碳粉喷吹流量和供氧流量；

(4)依据热平衡模型获得电炉冶炼各阶段的电力消耗，以获得起弧、穿井、熔化升温期等各阶段的供电制度。

采用该发明提供的过程控制方法不仅能节约电炉冶炼成本，同时还能给电炉炼钢操作提供指导，有利于冶炼电耗及过程的控制。该过程控制方法的具体流程图如图1所示。

在一实施例中，上述的废钢配料模型是基于目标成分、废钢堆密度、各类型废钢加入量为约束条件，以废钢、合金及电力成本为优化配料的目标函数，并依据线性规划模型来求得最低成本的废钢配料方案。

其线性规划模型的具体计算方法如下：

目标函数：minf(x)＝cx+dy+rs/w·ux；

约束条件：q(g-e)≤ahjx+bky≤q(g+e)；

w/(ρ+f)≤xp≤w/(ρ-f)；

ix＝w>q；

x≥0；

y≥0；

x＝[x1x2…xm]^t，y＝[y1y2…ym]^t，g＝[g1g2…gt]；

c＝[c1c2…cm]，d＝[d1d2…dm]，e＝[e1e2…et]^t；

i＝[11…1]m；

j＝[j1j2…jm]，u＝[u1u2…um]；

其中，x为废钢装入量矩阵；

y为合金加入量矩阵；

a为废钢化学成分矩阵；

b为合金化学成分矩阵；

c为废钢价格矩阵；

d为合金价格矩阵；

g为目标钢种的化学成分矩阵；

e为松弛矩阵；

h为废钢中目标化学元素收得率矩阵；

k为合金中目标化学元素收得率矩阵；

j为金属料中金属率矩阵；

p为废钢堆密度矩阵；

i为元素均为1的行距阵；

w为废钢加入量，单位为吨；

q为钢液的质量，单位为吨；

ρ为总废钢的堆密度要求范围内的中间值；

f为目标废钢堆密度要求范围内的最大值与中间值的差值；

r为全废钢冶炼时的电耗，单位为kwh；

s为电力的价格，单位为元/kwh；

u为不同废钢对电耗的影响系数矩阵。

在一实施例中，依据电炉冶炼过程中泡沫渣埋弧的要求，确定埋弧操作时最佳的脱碳速率，并依据要求的脱碳速率，确定各阶段需要的碳粉喷吹流量。

在一实施例中，依据电炉冶炼过程能源耗氧及钢液中c、si、mn、p、fe等元素氧化量，并根据各元素的氧化率和能源介质燃烧所需的氧气，计算得到使最终熔融渣中feo含量控制在15～25％之间时所需的供氧量。

在一实施例中，废钢原料可以包括铁水、直接还原铁、海绵铁、渣钢等富含高物理热或杂质氧化物的金属料。

本发明提供的过程控制方法在电弧炉冶炼成本控制及电炉冶炼操作方面有如下显著的优点：

(1)依据废钢配料模型，可从原料上节约电炉炼钢成本，提高了电炉炼钢的竞争性。

(2)采用喷碳和供氧模型，计算可得到电炉冶炼所需泡沫渣的供碳和供氧方法，实现炼钢过程节能操作。

(3)依据物料平衡模型和热平衡模型，可确定辅料及电力消耗量，可为冶炼操作提供指导作用。

下面以具体实施案例来进一步阐述本发明的技术方案。

实施例1

以某钢厂70t电炉，生产某普碳钢为例，分别采用传统方法和本发明提供过程控制方法，结果如表1所示。从结果可以看出，当采用本发明提供过程控制方法，废钢及合金吨钢成本下降46元，电耗下降7kwh/t，辅料加入量下降6kg/t，同时降低炉体消耗和电极消耗。

表1传统工艺与本发明工艺的技术指标对比

实施例2

以某钢厂80t电炉，生产某合金钢为例，分别采用传统方法和本发明提供过程控制方法，结果如表2所示。从结果可以看出，当采用本发明提供过程控制方法之后，废钢及合金吨钢成本下降23元，电耗下降5kwh/t，辅料加入量下降5kg/t，同时炉体耐材消耗和电极消耗也有所降低。

表2传统工艺与本发明工艺的技术指标对比

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。