專利名稱：一種rh精煉過程中的合金化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金過程的生產(chǎn)與控制領(lǐng)域，特別涉及一種RH精煉過程中的合金化控制方法。
背景技術(shù)：
RH精煉是生產(chǎn)許多高等級(jí)鋼種必不可少的工藝過程，該工藝的主要特點(diǎn)是通過鋼水在真空槽與鋼包內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，并輔之以頂槍吹氧，實(shí)現(xiàn)脫碳、脫氣、調(diào)整鋼液溫度和成分、合金化處理、去除鋼水中的雜質(zhì)等冶金功能。
圖1示出了一種典型的RH精煉爐的示意圖。如圖1所示，真空系統(tǒng)1與RH真空槽3相連接，當(dāng)真空槽3的下口完全浸入鋼包2中的鋼液時(shí)，將形成一個(gè)密閉系統(tǒng)。真空槽3上還設(shè)置與合金加料系統(tǒng)4和氧槍5相接的端口。當(dāng)RH處理開始時(shí)，啟動(dòng)真空系統(tǒng)1排氣抽真空。在隨后的處理過程中，通過氧槍5向鋼液中吹氧，并且通過合金加料系統(tǒng)4向RH精煉爐加入一定種類和數(shù)量的合金來完成合金化處理，這里合金化處理的主要目的就是將鋼水成分(即鋼水中各元素含量)調(diào)整到所需的目標(biāo)值。最后，當(dāng)鋼液成分和溫度達(dá)到目標(biāo)要求時(shí)，使真空系統(tǒng)1停止排氣從而結(jié)束整個(gè)RH處理過程。
RH精煉處理工藝過程非常復(fù)雜，影響鋼水成分的因素較多，這使得通過合金化處理來控制鋼水成分的難度較高。特別是，隨著用戶對(duì)鋼材品種、質(zhì)量的要求越來越高，導(dǎo)致鋼水成分的控制精度要求進(jìn)一步提高，這更增加了控制難度。
在目前RH精煉的實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了減少操作難度和提高保險(xiǎn)系數(shù)，操作人員往往采取比較保守的合金化控制方法。具體而言，在確定加入合金的種類和數(shù)量時(shí)，基本上僅考慮合金化處理后鋼水成分所要達(dá)到的目標(biāo)值，忽略合金投入成本的優(yōu)化問題；在過程控制策略上，一般先進(jìn)行粗調(diào)，大致確定加入合金的種類和數(shù)量，將鋼水成分的實(shí)際值控制在一個(gè)與目標(biāo)值誤差較大的范圍內(nèi)，然后再根據(jù)提取鋼水試樣的化學(xué)分析結(jié)果和操作人員的經(jīng)驗(yàn)對(duì)加入合金的數(shù)量進(jìn)行微調(diào)，使最終的鋼水成分比較接近目標(biāo)值。
由上可見，目前采用的RH精煉合金化控制方法無(wú)法優(yōu)化所投入合金成本的缺點(diǎn)，而且微調(diào)時(shí)的合金投入量依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，難以保證控制精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種RH精煉過程中的合金化控制方法，其具有減少RH精煉處理合金投入總成本和提高鋼水成分控制精度的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種RH精煉過程中的合金化控制方法，包括以下步驟(1)計(jì)算作為RH精煉過程中的脫氧劑和加熱劑的合金元素耗用量；(2)根據(jù)鋼水成分內(nèi)各合金元素含量的初始值、目標(biāo)值和合金元素耗用量計(jì)算每種合金元素的投入量；(3)確定合金投入組合及其投入組合內(nèi)各種合金的投入量，其中，每種合金元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量等于該種合金元素的總計(jì)投入量；以及(4)將投入組合內(nèi)的各種合金按照確定的投入量投入RH精煉爐，其中，投入順序?yàn)橛米髅撗鮿┑暮辖?、其它合金?br> 比較好的是，在上述RH精煉過程中的合金化控制方法中，作為脫氧劑的合金選自鋁、硅鐵或錳鐵中的至少一種。
比較好的是，在上述RH精煉過程中的合金化控制方法中，作為加熱劑的合金為鋁。
比較好的是，在上述RH精煉過程中的合金化控制方法中，在步驟(2)中采用線性規(guī)劃算法確定合金投入組合和投入組合內(nèi)各種合金的投入量，其中，目標(biāo)函數(shù)為所有投入合金的總成本最小，約束條件為每種合金元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量等于該種合金元素的投入量，每種雜質(zhì)元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量不超過預(yù)先設(shè)定值。
比較好的是，在上述RH精煉過程中的合金化控制方法中，用作脫氧劑的合金的投入順序?yàn)殇X、硅鐵和錳鐵。
本發(fā)明的上述合金化控制方法由于將RH精煉過程中合金元素與氧元素的化學(xué)反應(yīng)和合金投入順序的影響一并考慮在內(nèi)，因此在減輕操作人員勞動(dòng)負(fù)荷的同時(shí)，還提高了合金化后鋼水成分的控制精度。此外，由于采用線性規(guī)劃算法來確定合金的投入組合和投入量，因此使得對(duì)合金投入成本的自動(dòng)優(yōu)化成為可能。


通過以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述，可以進(jìn)一步理解本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1為一種典型RH精煉爐的示意圖。
圖2為按照本發(fā)明較佳實(shí)施例的合金化控制方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
RH精煉處理中的合金化過程本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的工藝過程，投入的合金元素由于多種原因而將產(chǎn)生一定的損失，例如，鋼水脫氧反應(yīng)和化學(xué)加熱反應(yīng)都會(huì)耗用一定量的投入合金，而且不同的合金投入順序?qū)辖鸹^程中元素的收得率也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此要準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制合金化過程，就必須將合金化過程中的物理變化和化學(xué)變化這兩方面因素都考慮在內(nèi)。
為此，在本發(fā)明的合金化控制方法中，將化學(xué)反應(yīng)耗用的合金元素?cái)?shù)量引入合金投入量的計(jì)算中，并且通過優(yōu)化合金投入順序使合金化過程中元素的收得率保持穩(wěn)定，從而提高了控制的速度、精度和穩(wěn)定性。
值得指出的是，根據(jù)本技術(shù)領(lǐng)域約定俗成的慣例，在本發(fā)明中將RH精煉處理過程中涉及的金屬材料都統(tǒng)稱為合金。
以下借助附圖描述本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
圖2為按照本發(fā)明較佳實(shí)施例的合金化控制方法流程圖。如圖2所示，在步驟21中，通過直接測(cè)量確定合金化前鋼液的游離氧濃度，或根據(jù)理論模型或經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算合金化前鋼液中的游離氧濃度。由于確定鋼液中游離氧濃度的具體方式是RH精煉生產(chǎn)過程中的常規(guī)技術(shù)，因此此處不作詳述。
隨后進(jìn)入步驟22，根據(jù)步驟21確定的游離氧濃度計(jì)算用作脫氧劑的合金元素耗用量。
在RH精煉處理的鋼水中，大多含有一定數(shù)量的游離氧，特別是一些超低碳鋼，鋼水中的游離氧含量更高，而根據(jù)RH精煉處理的要求，必須在處理過程終了時(shí)將游離氧降到足夠低的程度，因此通過向精煉爐內(nèi)投入一定量的合金進(jìn)行脫氧。為了保證RH精煉處理后鋼水的質(zhì)量，一般可采用鋁作為脫氧劑，在某些特殊情況下，如生產(chǎn)硅鎮(zhèn)靜鋼，也可以采用諸如硅鐵、錳鐵等合金作為脫氧劑。上述三種合金的脫氧反應(yīng)化學(xué)方程式分別如下式(1)～(3)所示(1)(2)(3)在本實(shí)施例中，假設(shè)以鋁作為脫氧劑，以下描述鋁耗用量的計(jì)算方法，對(duì)于其它作為脫氧劑的合金，其耗用量計(jì)算方法類似，因此此處不再贅述。
根據(jù)理論推導(dǎo)，脫氧用鋁的耗用量為WD-AL＝0.001125×[O]DEO×WSTEEL(4)其中WD-Al為作為脫氧劑的鋁加入量，單位為千克；[O]DEO為脫氧前鋼液中游離氧的濃度，單位為ppm；WSTEEL為鋼液重量，單位為噸。
但是在實(shí)際精煉處理時(shí)，由于部分脫氧劑與渣中的氧化物夾雜發(fā)生反應(yīng)，即并不是所有的脫氧劑參與脫氧反應(yīng)，因此上式還應(yīng)除以一個(gè)鋁收得率，該收得率為參與脫氧反應(yīng)的鋁與作為脫氧劑投入的鋁用量之比，可以通過對(duì)以前的RH精煉處理實(shí)績(jī)進(jìn)行回歸方法求得?？紤]鋁收得率因素后式(4)變?yōu)閃D-AL＝0.001125×[O]SEO×WSTEEL/ηAL(5)其中ηAL為鋁的收得率(％)。
在步驟22中即根據(jù)(5)計(jì)算得到鋁作為脫氧劑時(shí)的耗用量。
接著，進(jìn)入步驟23，計(jì)算用作化學(xué)加熱劑的合金元素耗用量。
在RH精煉處理中，基本上都是通過吹氧與鋼液中的鋁發(fā)生反應(yīng)，釋放出大量熱量，從而使鋼液的溫度升高。由鋁與氧氣的化學(xué)反應(yīng)式可計(jì)算出，1標(biāo)準(zhǔn)立方米(Nm3)的氧氣可與1.61千克的鋁發(fā)生反應(yīng)，由此得到化學(xué)加熱的鋁用量與吹氧量之間存在如下關(guān)系WH-AL＝1.61×VOLUMEO2(6)其中，WH-Al為化學(xué)加熱的用鋁量，單位為千克；VOLUMEO2為化學(xué)加熱的吹氧量，單位為標(biāo)準(zhǔn)立方米。
在實(shí)際生產(chǎn)過程中，并不是所有的氧氣都被鋼水所吸收，因此應(yīng)乘以一個(gè)氧氣利用率系數(shù)ηO2，它表示被鋼水吸收的氧氣量與吹氧總量之比，這樣，式(6)即變?yōu)閃H-AL＝1.61×VOLUMEO2×ηO2(7)對(duì)于不同的RH精煉裝置，其氧氣利用率系數(shù)是不同的，一般可以采用經(jīng)驗(yàn)方法或者回歸方法確定每座RH精煉爐的氧氣利用率系數(shù)。
在步驟23中即根據(jù)(7)計(jì)算得到鋁作為化學(xué)加熱劑時(shí)的耗用量。
隨后進(jìn)入步驟24，根據(jù)鋼水成分內(nèi)各合金元素?cái)?shù)量的初始值、目標(biāo)值和合金元素耗用量計(jì)算每種合金元素的總計(jì)投入量Bi，這里下標(biāo)i表示合金元素的種類。對(duì)于第i種合金元素，其具體的計(jì)算公式為Bi＝B1i-B2i+B3i(8)其中，B1i為第i種合金元素?cái)?shù)量的目標(biāo)值，B2i為第i種合金元素?cái)?shù)量的初始值，B3i為第i種合金元素作為脫氧劑和/或加熱劑的耗用量。
接著進(jìn)入步驟25，根據(jù)步驟24確定合金投入組合和投入組合內(nèi)各種合金的投入量。
在RH精煉的合金化處理中，投入的合金往往由多種不同的元素組成，并且同一種元素存在于多種不同的合金中，因此在每種合金元素投入量一定的情況下，可能存在多種滿足條件的合金投入組合。至于投入組合具體的選擇方式，一般要綜合考慮成本、鋼水質(zhì)量和鋼水成分目標(biāo)值等多方面的因素。
在本較佳實(shí)施例中，采用線性規(guī)劃算法確定合金投入組合和投入組合內(nèi)各種合金的投入量，其中，目標(biāo)函數(shù)為所有投入合金的總成本最小，約束條件為每種合金元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量等于該種合金元素的總計(jì)投入量。此外，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，合金的投入可能會(huì)帶入一定數(shù)量的雜質(zhì)元素，因此為了保證鋼水質(zhì)量，鋼水成分的目標(biāo)值還可包括對(duì)雜質(zhì)元素的限定，即要求每種雜質(zhì)元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量不超過一個(gè)預(yù)先設(shè)定的上限值。上述線性規(guī)劃算法的數(shù)學(xué)形式如下MinTC(X)=Σj=1nCjXj]]>S.T.A11X1+A12X2+A13X3+···+A1nXn=,<B1,Bu1A21X1+A22X2+A23X3+···+A2nXn=,<B2,Bu2···Am1X1+Am2X2+Am3X3+···+AmnXn=,<Bm,Bum]]>這里，Xj為第j種合金的投入量；Cj為第j種合金的單價(jià)；Aij為第j種合金內(nèi)第i種元素的含量；Bi為第i種元素的總計(jì)投入量；Bui為第i種元素加入量的上限值。在上式中，對(duì)于鋼水中有目標(biāo)要求的合金元素則取等號(hào)“＝”，而對(duì)于鋼水中的雜質(zhì)元素則取不等號(hào)“＜”。
值得指出的是，在上述線性規(guī)劃算法中以投入合金的總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，而以合金元素、雜質(zhì)元素投入量為約束條件。
另外，也可以采用簡(jiǎn)單的計(jì)算公式來確定合金投入組合和投入組合內(nèi)各種合金的投入量，例如對(duì)于目標(biāo)元素的種類較少并且合金主元素含量成分極高的情況，可以采用下列計(jì)算公式來確定合金的投入量合金A的投入量＝目標(biāo)出鋼量×(成品元素X的目標(biāo)值-元素X的初值)/(合金A中元素X的含量×元素X的收得率)(10)
這里，“目標(biāo)出鋼量”和“成品元素X的目標(biāo)值”可從制造標(biāo)準(zhǔn)文件中獲得，“元素X的初值”為試樣分析值，合金A中元素X的含量可從合金品位文件中查詢，元素X的收得率可根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合實(shí)際情況加以確定。
在確定合金投入組合和投入組合內(nèi)各種合金的投入量后即進(jìn)入步驟26，確定投入組合內(nèi)的各種合金投入RH精煉爐的順序。
當(dāng)合金加入鋼水時(shí)，合金元素總會(huì)與鋼水中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成各種氧化物夾雜，不但影響鋼水質(zhì)量，而且導(dǎo)致合金元素收得率不穩(wěn)定，由此可見，合金投入順序的不同將對(duì)鋼水質(zhì)量和合金元素收得率產(chǎn)生重要的影響。在本實(shí)施例中，按照下列原則來選擇合金投料的順序(1)應(yīng)使合金化過程中生產(chǎn)的各種夾雜比較容易上浮，以保證鋼水質(zhì)量；(2)應(yīng)使各種合金元素的收得率相對(duì)穩(wěn)定，以便能更好得控制鋼水成分；(3)盡量減少貴重金屬元素的損耗，以降低RH精煉處理中的合金總成本。
根據(jù)上述原則，RH精煉處理過程中合金的添加順序應(yīng)為先投入作為脫氧劑的合金，待完全脫氧后再投入其它合金(特別是對(duì)于比較昂貴而又易氧化的合金元素V、B、Ti)。這樣，由于脫氧劑合金與鋼水中游離氧的脫氧反應(yīng)去除了絕大部分的游離氧，因此可以減少其它合金的氧化損失，并保證合金元素穩(wěn)定的收得率。
當(dāng)選用鋁、硅鐵和錳鐵等多種合金作為脫氧劑時(shí)，脫氧劑合金的投入順序?yàn)殇X、硅鐵、錳鐵。當(dāng)選用硅鐵和錳鐵等多種合金作為脫氧劑時(shí)，脫氧劑合金的投入順序?yàn)楣梃F、錳鐵。這是因?yàn)椋m然錳鐵、硅鐵價(jià)格便宜，但是脫氧能力弱而且生成的夾雜不易上浮，影響鋼水質(zhì)量，因此應(yīng)先用強(qiáng)脫氧劑鋁進(jìn)行脫氧。
最后，進(jìn)入步驟27，根據(jù)前述步驟確定的合金投入組合、投入量和投入順序向RH精煉爐加入合金。該步驟可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，也可由人工操作。對(duì)于過程控制與基礎(chǔ)自動(dòng)化比較完備的RH精煉爐，過程控制計(jì)算機(jī)在按上述合金化控制方法確定合金投入組合、投入量和投入順序后，將指令下傳到基礎(chǔ)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)，由基礎(chǔ)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)對(duì)合金化過程中的合金稱量、合金投料操作實(shí)行自動(dòng)控制；對(duì)于過程控制不完備的RH精煉爐上，也可由操作人員根據(jù)上述控制方法確定的合金投入組合、投入量和投料順序進(jìn)行合金化操作。
權(quán)利要求
1.一種RH精煉過程中的合金化控制方法，其特征在于，包括以下步驟(1)計(jì)算作為RH精煉過程中的脫氧劑和化學(xué)加熱劑的合金元素耗用量；(2)根據(jù)鋼水成分內(nèi)各合金元素含量的初始值、目標(biāo)值和合金元素耗用量計(jì)算每種合金元素的總計(jì)投入量；(3)確定合金投入組合及其投入組合內(nèi)各種合金的投入量，其中，每種合金元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量等于該種合金元素的總計(jì)投入量；以及(4)將投入組合內(nèi)的各種合金按照確定的投入量投入RH精煉爐，其中，投入順序?yàn)橛米髅撗鮿┑暮辖稹⑵渌辖稹?br> 2.如權(quán)利要求1所述的RH精煉過程中的合金化控制方法，其特征在于，作為脫氧劑的合金選自鋁、硅鐵或錳鐵中的至少一種。
3.如權(quán)利要求2所述的RH精煉過程中的合金化控制方法，其特征在于，作為化學(xué)加熱劑的合金為鋁。
4.如權(quán)利要求1～3中任意一項(xiàng)所述的RH精煉過程中的合金化控制方法，其特征在于，在步驟(2)中采用線性規(guī)劃算法確定合金投入組合和投入組合內(nèi)各種合金的投入量，其中，目標(biāo)函數(shù)為所有投入合金的總成本最小，約束條件為每種合金元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量等于該種合金元素的總計(jì)投入量，每種雜質(zhì)元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量不超過預(yù)先設(shè)定值。
5.如權(quán)利要求4所述的RH精煉過程中的合金化控制方法，其特征在于，用作脫氧劑的合金的投入順序?yàn)殇X、硅鐵和錳鐵。
全文摘要
本發(fā)明提供一種RH精煉過程中的合金化控制方法，其具有減少RH精煉處理合金投入總成本和提高鋼水成分控制精度的優(yōu)點(diǎn)。該合金化控制方法包括以下步驟(1)計(jì)算作為RH精煉過程中的脫氧劑和化學(xué)加熱劑的合金元素耗用量；(2)根據(jù)鋼水成分內(nèi)各合金元素含量的初始值、目標(biāo)值和合金元素耗用量計(jì)算每種合金元素的總計(jì)投入量；(3)確定合金投入組合及其投入組合內(nèi)各種合金的投入量，其中，每種合金元素通過投入組合內(nèi)所有合金投入的數(shù)量等于該種合金元素的總計(jì)投入量；以及(4)將投入組合內(nèi)的各種合金按照確定的投入量投入RH精煉爐，其中，投入順序?yàn)橛米髅撗鮿┑暮辖?、其它合金?br> 文檔編號(hào)C21C7/00GK1704484SQ20041002474
公開日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者杜斌, 黃可為, 謝樹元 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司