专利名称：一种rh精炼过程中的合金化控制方法
技术领域：
本发明涉及冶金过程的生产与控制领域，特别涉及一种RH精炼过程中的合金化控制方法。
背景技术：
RH精炼是生产许多高等级钢种必不可少的工艺过程，该工艺的主要特点是通过钢水在真空槽与钢包内的循环流动，并辅之以顶枪吹氧，实现脱碳、脱气、调整钢液温度和成分、合金化处理、去除钢水中的杂质等冶金功能。
图1示出了一种典型的RH精炼炉的示意图。如图1所示，真空系统1与RH真空槽3相连接，当真空槽3的下口完全浸入钢包2中的钢液时，将形成一个密闭系统。真空槽3上还设置与合金加料系统4和氧枪5相接的端口。当RH处理开始时，启动真空系统1排气抽真空。在随后的处理过程中，通过氧枪5向钢液中吹氧，并且通过合金加料系统4向RH精炼炉加入一定种类和数量的合金来完成合金化处理，这里合金化处理的主要目的就是将钢水成分(即钢水中各元素含量)调整到所需的目标值。最后，当钢液成分和温度达到目标要求时，使真空系统1停止排气从而结束整个RH处理过程。
RH精炼处理工艺过程非常复杂，影响钢水成分的因素较多，这使得通过合金化处理来控制钢水成分的难度较高。特别是，随着用户对钢材品种、质量的要求越来越高，导致钢水成分的控制精度要求进一步提高，这更增加了控制难度。
在目前RH精炼的实际生产过程中，为了减少操作难度和提高保险系数，操作人员往往采取比较保守的合金化控制方法。具体而言，在确定加入合金的种类和数量时，基本上仅考虑合金化处理后钢水成分所要达到的目标值，忽略合金投入成本的优化问题；在过程控制策略上，一般先进行粗调，大致确定加入合金的种类和数量，将钢水成分的实际值控制在一个与目标值误差较大的范围内，然后再根据提取钢水试样的化学分析结果和操作人员的经验对加入合金的数量进行微调，使最终的钢水成分比较接近目标值。
由上可见，目前采用的RH精炼合金化控制方法无法优化所投入合金成本的缺点，而且微调时的合金投入量依赖于操作人员的经验，难以保证控制精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种RH精炼过程中的合金化控制方法，其具有减少RH精炼处理合金投入总成本和提高钢水成分控制精度的优点。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现一种RH精炼过程中的合金化控制方法，包括以下步骤(1)计算作为RH精炼过程中的脱氧剂和加热剂的合金元素耗用量；(2)根据钢水成分内各合金元素含量的初始值、目标值和合金元素耗用量计算每种合金元素的投入量；(3)确定合金投入组合及其投入组合内各种合金的投入量，其中，每种合金元素通过投入组合内所有合金投入的数量等于该种合金元素的总计投入量；以及(4)将投入组合内的各种合金按照确定的投入量投入RH精炼炉，其中，投入顺序为用作脱氧剂的合金、其它合金。
比较好的是，在上述RH精炼过程中的合金化控制方法中，作为脱氧剂的合金选自铝、硅铁或锰铁中的至少一种。
比较好的是，在上述RH精炼过程中的合金化控制方法中，作为加热剂的合金为铝。
比较好的是，在上述RH精炼过程中的合金化控制方法中，在步骤(2)中采用线性规划算法确定合金投入组合和投入组合内各种合金的投入量，其中，目标函数为所有投入合金的总成本最小，约束条件为每种合金元素通过投入组合内所有合金投入的数量等于该种合金元素的投入量，每种杂质元素通过投入组合内所有合金投入的数量不超过预先设定值。
比较好的是，在上述RH精炼过程中的合金化控制方法中，用作脱氧剂的合金的投入顺序为铝、硅铁和锰铁。
本发明的上述合金化控制方法由于将RH精炼过程中合金元素与氧元素的化学反应和合金投入顺序的影响一并考虑在内，因此在减轻操作人员劳动负荷的同时，还提高了合金化后钢水成分的控制精度。此外，由于采用线性规划算法来确定合金的投入组合和投入量，因此使得对合金投入成本的自动优化成为可能。
通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点，其中图1为一种典型RH精炼炉的示意图。
图2为按照本发明较佳实施例的合金化控制方法流程图。
具体实施例方式
RH精炼处理中的合金化过程本质上是一个复杂的工艺过程，投入的合金元素由于多种原因而将产生一定的损失，例如，钢水脱氧反应和化学加热反应都会耗用一定量的投入合金，而且不同的合金投入顺序对合金化过程中元素的收得率也会产生较大的影响。因此要准确、稳定地控制合金化过程，就必须将合金化过程中的物理变化和化学变化这两方面因素都考虑在内。
为此，在本发明的合金化控制方法中，将化学反应耗用的合金元素数量引入合金投入量的计算中，并且通过优化合金投入顺序使合金化过程中元素的收得率保持稳定，从而提高了控制的速度、精度和稳定性。
值得指出的是，根据本技术领域约定俗成的惯例，在本发明中将RH精炼处理过程中涉及的金属材料都统称为合金。
以下借助附图描述本发明的较佳实施例。
图2为按照本发明较佳实施例的合金化控制方法流程图。如图2所示，在步骤21中，通过直接测量确定合金化前钢液的游离氧浓度，或根据理论模型或经验公式来计算合金化前钢液中的游离氧浓度。由于确定钢液中游离氧浓度的具体方式是RH精炼生产过程中的常规技术，因此此处不作详述。
随后进入步骤22，根据步骤21确定的游离氧浓度计算用作脱氧剂的合金元素耗用量。
在RH精炼处理的钢水中，大多含有一定数量的游离氧，特别是一些超低碳钢，钢水中的游离氧含量更高，而根据RH精炼处理的要求，必须在处理过程终了时将游离氧降到足够低的程度，因此通过向精炼炉内投入一定量的合金进行脱氧。为了保证RH精炼处理后钢水的质量，一般可采用铝作为脱氧剂，在某些特殊情况下，如生产硅镇静钢，也可以采用诸如硅铁、锰铁等合金作为脱氧剂。上述三种合金的脱氧反应化学方程式分别如下式(1)～(3)所示(1)(2)(3)在本实施例中，假设以铝作为脱氧剂，以下描述铝耗用量的计算方法，对于其它作为脱氧剂的合金，其耗用量计算方法类似，因此此处不再赘述。
根据理论推导，脱氧用铝的耗用量为WD-AL＝0.001125×[O]DEO×WSTEEL(4)其中WD-Al为作为脱氧剂的铝加入量，单位为千克；[O]DEO为脱氧前钢液中游离氧的浓度，单位为ppm；WSTEEL为钢液重量，单位为吨。
但是在实际精炼处理时，由于部分脱氧剂与渣中的氧化物夹杂发生反应，即并不是所有的脱氧剂参与脱氧反应，因此上式还应除以一个铝收得率，该收得率为参与脱氧反应的铝与作为脱氧剂投入的铝用量之比，可以通过对以前的RH精炼处理实绩进行回归方法求得。考虑铝收得率因素后式(4)变为WD-AL＝0.001125×[O]SEO×WSTEEL/ηAL(5)其中ηAL为铝的收得率(％)。
在步骤22中即根据(5)计算得到铝作为脱氧剂时的耗用量。
接着，进入步骤23，计算用作化学加热剂的合金元素耗用量。
在RH精炼处理中，基本上都是通过吹氧与钢液中的铝发生反应，释放出大量热量，从而使钢液的温度升高。由铝与氧气的化学反应式可计算出，1标准立方米(Nm3)的氧气可与1.61千克的铝发生反应，由此得到化学加热的铝用量与吹氧量之间存在如下关系WH-AL＝1.61×VOLUMEO2(6)其中，WH-Al为化学加热的用铝量，单位为千克；VOLUMEO2为化学加热的吹氧量，单位为标准立方米。
在实际生产过程中，并不是所有的氧气都被钢水所吸收，因此应乘以一个氧气利用率系数ηO2，它表示被钢水吸收的氧气量与吹氧总量之比，这样，式(6)即变为WH-AL＝1.61×VOLUMEO2×ηO2(7)对于不同的RH精炼装置，其氧气利用率系数是不同的，一般可以采用经验方法或者回归方法确定每座RH精炼炉的氧气利用率系数。
在步骤23中即根据(7)计算得到铝作为化学加热剂时的耗用量。
随后进入步骤24，根据钢水成分内各合金元素数量的初始值、目标值和合金元素耗用量计算每种合金元素的总计投入量Bi，这里下标i表示合金元素的种类。对于第i种合金元素，其具体的计算公式为Bi＝B1i-B2i+B3i(8)其中，B1i为第i种合金元素数量的目标值，B2i为第i种合金元素数量的初始值，B3i为第i种合金元素作为脱氧剂和/或加热剂的耗用量。
接着进入步骤25，根据步骤24确定合金投入组合和投入组合内各种合金的投入量。
在RH精炼的合金化处理中，投入的合金往往由多种不同的元素组成，并且同一种元素存在于多种不同的合金中，因此在每种合金元素投入量一定的情况下，可能存在多种满足条件的合金投入组合。至于投入组合具体的选择方式，一般要综合考虑成本、钢水质量和钢水成分目标值等多方面的因素。
在本较佳实施例中，采用线性规划算法确定合金投入组合和投入组合内各种合金的投入量，其中，目标函数为所有投入合金的总成本最小，约束条件为每种合金元素通过投入组合内所有合金投入的数量等于该种合金元素的总计投入量。此外，在实际生产过程中，合金的投入可能会带入一定数量的杂质元素，因此为了保证钢水质量，钢水成分的目标值还可包括对杂质元素的限定，即要求每种杂质元素通过投入组合内所有合金投入的数量不超过一个预先设定的上限值。上述线性规划算法的数学形式如下MinTC(X)=Σj=1nCjXj]]>S.T.A11X1+A12X2+A13X3+···+A1nXn=,<B1,Bu1A21X1+A22X2+A23X3+···+A2nXn=,<B2,Bu2···Am1X1+Am2X2+Am3X3+···+AmnXn=,<Bm,Bum]]>这里，Xj为第j种合金的投入量；Cj为第j种合金的单价；Aij为第j种合金内第i种元素的含量；Bi为第i种元素的总计投入量；Bui为第i种元素加入量的上限值。在上式中，对于钢水中有目标要求的合金元素则取等号“＝”，而对于钢水中的杂质元素则取不等号“＜”。
值得指出的是，在上述线性规划算法中以投入合金的总成本最小为目标函数，而以合金元素、杂质元素投入量为约束条件。
另外，也可以采用简单的计算公式来确定合金投入组合和投入组合内各种合金的投入量，例如对于目标元素的种类较少并且合金主元素含量成分极高的情况，可以采用下列计算公式来确定合金的投入量合金A的投入量＝目标出钢量×(成品元素X的目标值-元素X的初值)/(合金A中元素X的含量×元素X的收得率)(10)
这里，“目标出钢量”和“成品元素X的目标值”可从制造标准文件中获得，“元素X的初值”为试样分析值，合金A中元素X的含量可从合金品位文件中查询，元素X的收得率可根据操作人员的经验并结合实际情况加以确定。
在确定合金投入组合和投入组合内各种合金的投入量后即进入步骤26，确定投入组合内的各种合金投入RH精炼炉的顺序。
当合金加入钢水时，合金元素总会与钢水中的氧发生反应，生成各种氧化物夹杂，不但影响钢水质量，而且导致合金元素收得率不稳定，由此可见，合金投入顺序的不同将对钢水质量和合金元素收得率产生重要的影响。在本实施例中，按照下列原则来选择合金投料的顺序(1)应使合金化过程中生产的各种夹杂比较容易上浮，以保证钢水质量；(2)应使各种合金元素的收得率相对稳定，以便能更好得控制钢水成分；(3)尽量减少贵重金属元素的损耗，以降低RH精炼处理中的合金总成本。
根据上述原则，RH精炼处理过程中合金的添加顺序应为先投入作为脱氧剂的合金，待完全脱氧后再投入其它合金(特别是对于比较昂贵而又易氧化的合金元素V、B、Ti)。这样，由于脱氧剂合金与钢水中游离氧的脱氧反应去除了绝大部分的游离氧，因此可以减少其它合金的氧化损失，并保证合金元素稳定的收得率。
当选用铝、硅铁和锰铁等多种合金作为脱氧剂时，脱氧剂合金的投入顺序为铝、硅铁、锰铁。当选用硅铁和锰铁等多种合金作为脱氧剂时，脱氧剂合金的投入顺序为硅铁、锰铁。这是因为，虽然锰铁、硅铁价格便宜，但是脱氧能力弱而且生成的夹杂不易上浮，影响钢水质量，因此应先用强脱氧剂铝进行脱氧。
最后，进入步骤27，根据前述步骤确定的合金投入组合、投入量和投入顺序向RH精炼炉加入合金。该步骤可以利用计算机实现全自动控制，也可由人工操作。对于过程控制与基础自动化比较完备的RH精炼炉，过程控制计算机在按上述合金化控制方法确定合金投入组合、投入量和投入顺序后，将指令下传到基础自动化计算机，由基础自动化计算机对合金化过程中的合金称量、合金投料操作实行自动控制；对于过程控制不完备的RH精炼炉上，也可由操作人员根据上述控制方法确定的合金投入组合、投入量和投料顺序进行合金化操作。
权利要求
1.一种RH精炼过程中的合金化控制方法，其特征在于，包括以下步骤(1)计算作为RH精炼过程中的脱氧剂和化学加热剂的合金元素耗用量；(2)根据钢水成分内各合金元素含量的初始值、目标值和合金元素耗用量计算每种合金元素的总计投入量；(3)确定合金投入组合及其投入组合内各种合金的投入量，其中，每种合金元素通过投入组合内所有合金投入的数量等于该种合金元素的总计投入量；以及(4)将投入组合内的各种合金按照确定的投入量投入RH精炼炉，其中，投入顺序为用作脱氧剂的合金、其它合金。
2.如权利要求1所述的RH精炼过程中的合金化控制方法，其特征在于，作为脱氧剂的合金选自铝、硅铁或锰铁中的至少一种。
3.如权利要求2所述的RH精炼过程中的合金化控制方法，其特征在于，作为化学加热剂的合金为铝。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的RH精炼过程中的合金化控制方法，其特征在于，在步骤(2)中采用线性规划算法确定合金投入组合和投入组合内各种合金的投入量，其中，目标函数为所有投入合金的总成本最小，约束条件为每种合金元素通过投入组合内所有合金投入的数量等于该种合金元素的总计投入量，每种杂质元素通过投入组合内所有合金投入的数量不超过预先设定值。
5.如权利要求4所述的RH精炼过程中的合金化控制方法，其特征在于，用作脱氧剂的合金的投入顺序为铝、硅铁和锰铁。
全文摘要
本发明提供一种RH精炼过程中的合金化控制方法，其具有减少RH精炼处理合金投入总成本和提高钢水成分控制精度的优点。该合金化控制方法包括以下步骤(1)计算作为RH精炼过程中的脱氧剂和化学加热剂的合金元素耗用量；(2)根据钢水成分内各合金元素含量的初始值、目标值和合金元素耗用量计算每种合金元素的总计投入量；(3)确定合金投入组合及其投入组合内各种合金的投入量，其中，每种合金元素通过投入组合内所有合金投入的数量等于该种合金元素的总计投入量；以及(4)将投入组合内的各种合金按照确定的投入量投入RH精炼炉，其中，投入顺序为用作脱氧剂的合金、其它合金。
文档编号C21C7/00GK1704484SQ20041002474
公开日2005年12月7日 申请日期2004年5月28日 优先权日2004年5月28日
发明者杜斌, 黄可为, 谢树元 申请人:宝山钢铁股份有限公司