钢包行为及钢水温度优化控制.ppt

洁净钢生产工艺技术 长治2011 08 钢包行为及钢水温度控制 问题的提出 高炉 转炉之间 铁水包或者鱼雷罐车转炉和连铸之间 钢包连铸和轧钢机之间 铸坯 问题的提出 问题的提出 内容 钢包在钢铁制造流程中的作用钢包热状态研究钢包周转与钢厂物流调控钢包行为研究与应用的典型实例 钢包在钢铁制造流程中的作用 钢水容器 强度 耐材 保温性 容量 工艺适应性 冶金反应器 合理结构 适应性 物流载体 合理周转时间 钢包热状态研究 实测研究数值模拟传热反问题研究及其应用 钢包热状态研究 钢包热状态研究 钢包热状态研究 钢包热状态研究 钢包烘烤预热阶段 0 1 出钢等待阶段 1 2 出钢装钢阶段 2 3 静置转运阶段 3 4 精炼阶段 4 5 连铸 模铸浇注阶段 5 6 数值模拟 钢包烘烤预热阶段 数值模拟 钢包烘烤预热阶段 能量平衡方程为 Q燃 q气 iFi式中 Q燃 燃料燃烧供热量 J 小时 q气 i 燃烧产物向包盖 包壁和包底的热通量 J m2 h i V 表示包底 i T 表示包盖 i B 表示包壁 Fi 包底 盖 壁面积 m2 数值模拟 钢包烘烤预热阶段 高温烟气对钢包壁 包底和包盖的耐火材料层的传热 应考虑气体辐射和对流传热 这样 热流q气 i为 qi Fi T气4 Ti4 气 i T气 Ti 式中 辐射常数 5 67 10 8w m2 K i 钢包内表面黑度Fi 传热面积 m2A 钢包内表面吸收率 气 燃烧气体黑度 T气 Ti时 气 Ai 气 i 燃烧气体与钢包表面的对流传热系数 w m2 KTi 包内表面温度 K T气 燃烧烟气温度 K 欲求包壁的温度分布 需求解热传导方程 包侧壁看作无限长园筒 只有径向热流 包底和包盖看作无限大平板 只存在轴向热流 数值模拟 钢包烘烤预热阶段 包壁的热传导方程为 r壁内 r r壁外 0 1初始条件 0T壁 T室温边界条件 1 0r r壁内 q q气 i i B r r壁外 q 壁 环 T壁外 T环 包底的热传导方程为 z底内 z z底外 1 0初始条件 0T底 T室温边界条件 1 0z z底内 q q气 I i V z z底外q 底 环 T底外 T环 包盖的热传导方程为 z底内 z z底外 1 0初始条件 0T盖 T室温边界条件 1 0z z盖内 q q气 i i T z z盖外q 盖 环 T盖外 T环 包壁 包底 包盖的热传导差分方程 采用显式差分格式 数值模拟 出钢等待阶段 钢包壁 包底内部的温度分布及随时间的变化可用前面类似的热传导方程进行计算 只是内表面处的边界条件不同 包壁 2 1时 r r壁内 q q 气 i i B包底 2 1时 z z底内 q q 气 i i V另外 初始条件由烘烤终了的包衬状态确定 即 1时 T壁 T壁 r T底 T底 z 数值模拟 出钢装钢阶段 数值模拟 出钢装钢阶段 假设 钢包锥度忽略 包壁看作无限长圆筒 包底为无限大平板 钢流搅动钢水 使包内钢水均匀 且不存在炉渣的影响 由于出钢时间相对比较短 自由表面直接对外传热 暂时尚未浸入钢水的侧壁传热不予考虑 数值模拟 出钢装钢阶段 钢水与包壁及包底耐火材料之间的传热可由求解热传导方程获得 包壁热传导方程如前所示 边界条件为 3 2时 r r壁内 q 钢 壁 T钢 T壁内 r r壁外 q 壁 环 T壁外 Tf 初始条件 2时 T壁 T壁 r 包底热传导方程如前所示 边界条件为 3 2时 z z底内 q 钢 底 T钢 T底内 z z底外 q 底 环 T底外 Tf 初始条件 2时 T底 T底 z 上述初始条件由空包运至出钢处的状态确定 数值模拟 出钢装钢阶段 假定 转炉出钢过程中 钢水温度恒定 出钢口流出质量流量恒定 钢水入包符合自由落体规律 钢流为圆形断面 取钢流微元控制体 由能量平衡原理有 微元体向外传热量 向环境辐射传热 向环境对流传热 即 r02v 钢Cp钢 dT钢 2 r0dy 钢 T钢4 T环4 钢 环 T钢 T环 式中 r0 钢流断面半径 v 钢流速度 钢 钢水密度 Cp钢 钢水比热 T钢 钢流温度 dy 微元体高度 钢 钢水黑度系数 钢 环 钢水对外对流换热系数 T环 周围环境温度 将上式整理得 数值模拟 出钢装钢阶段 钢水进入钢包后的能量平衡为 M钢 Cp钢 dT钢 d Cp钢 r02v进包 钢 T进包 T钢 q底内 A底 q壁内 A壁 q自由面 A自由面式中 M钢 包内钢水质量 v进包 钢水进入钢包液面的速度 T进包 钢水进入钢包液面的温度 T钢 任一时刻包内钢水温度 q底内 钢水通过包底的传热流量 q壁内 钢水通过包壁的传热流量 A底 包底面积 A壁 钢水与包侧壁接触面积 它随时间变化 q自由面 自由表面向外传热流量 q自由面 渣 T钢 4 T环4 渣 环 T钢 T环 A自由面 自由表面面积 A自由面 A底这样 由上式即求得包内钢水在出钢过程中的温度变化 方程的求解可用欧拉方法 在出钢过程中 由于脱氧和合金化操作要加入部分铁合金 影响钢水温度变化 按经验式计算 数值模拟 静置转运阶段 数值模拟 静置转运阶段 出钢完毕 钢水将运送到精炼站 其间存在一个静置传运阶段 此刻炉渣上浮至钢水表面形成渣层 为保温 还要在渣面加碳化稻壳作为保温剂 一般不加盖 钢水通过包壁 包底 渣层向外传热 如图所示 包内钢水能量平衡为 M钢Cp钢 dT钢 d q底内 A底 q壁内 A壁 q渣层 A渣层由上式即可求得静置阶段钢水随时间的变化 其中 q壁内 q底内 q渣层 均可求解相应的热传导方程获得 包壁热传导方程同前 边界条件为 4 3时 r r内壁 r r外壁 q 壁 环 T外壁 T环 初始条件为 3时 T壁 T外壁 r T钢水 T钢水 3 包底热传导方程同 5 5 边界条件 4 3时 z z内壁 T底内 T钢 底z z外壁 q 底 环 T底外 T环 初始条件 3时 T底 T底外 z T钢水 T钢水 3 在此需要说明的是 钢水在静置状态下 包内存在钢水温度分层现象 在确定边界条件时 应考虑钢水沿钢包高度方向的温度变化 数值模拟 静置转运阶段 在实际情况下 钢水自由表面上覆盖的渣层上方存在一个自由空间 自由面与其上方钢包侧壁 环境之间有辐射换热 但一般来讲 装满钢水时 此自由空间很小 故在此不考虑这部分辐射换热 只考虑渣面对环境的辐射传热 这样 热传导方程和包盖的热传导方程与前述相同 边界条件 4 3 时 z z渣内 T渣 T钢 渣内z z渣外 q q渣外 环 5 19 初始条件 3时 T渣 T钢水 3 数值模拟 钢水精炼阶段 数值模拟 钢水精炼阶段 钢水精炼方式较多 以宝钢炼钢厂为例 选择下述方式 a 钢包在线吹Ar b CAS CAS OB c RH RH OB d KIP无论哪一种精炼方式 开始精炼处理时 先底吹Ar 并加入少量合金调整成分 CAS OB与RH OB处理时 还可吹O2提温 此时钢水的温降为 T T熔 dT钢 d T吹Ar TOB T合金 5 20 T熔 开始吹Ar时 表面渣熔化温降 dT钢 d 处理过程中通过包壁 底 自由面散热温降 T吹Ar 吹入Ar导致的温降 TOB OB处理温升 T合金 加入合金导致温降 其中 T熔 T吹Ar TOB T合金可根据现场确定或由经验统计式计算 数值模拟 钢水精炼阶段 处理期间的热平衡式为 dT钢 d 1 M钢Cp钢 q壁内 A壁 q底内 A底 Q表 5 21 其时间范围为 4 5q壁内 q底可依据式 5 17 5 18 计算 Q表依据精炼方式不同而有所变化 吹Ar时 Q表 裸 T钢 T环 钢 T钢 4 T环4 A裸 渣 T渣 T环 渣 T渣 4 T环4 A渣CAS或RH时 Q表 渣 T渣 T环 渣 T渣 4 T环4 A渣 5 22 5 22 式中有关参数应根据具体情况进行修正 实际生产中 若需多次处理时 其传热机理是相同的 数值模拟 连铸阶段 数值模拟 连铸阶段 钢包水口开启 从时刻 6开浇 浇铸过程中 钢包中的钢水逐渐减少 自由表面缓慢下降 一般情况下 钢包是加盖的 此过程可看成转炉出钢时钢包盛钢的逆过程 这样钢包内钢水的热量平衡式为 M钢 Cp钢 dT钢 d q底内 A底 q壁内 A壁 q盖 A盖 m浇Cp钢T钢 式中 m浇为钢水质量流量 m浇 v拉坯 流数 铸坯截面积 钢 q底 q壁 q盖 均由热传导方程求解 因为钢水自由表面下降 露出的侧壁 自由表面与包盖内表面形成的封闭空间不断扩大 包盖内表面接收到的辐射传热量不断变化 另外 接触钢水的侧壁包衬沿高度方向的温度也是不同的 为计算这个阶段的包壁通过的热流的相应温度分布 应将钢包内高度分为n个小垂直段求解 每一个垂直段内表面温度由其中点温度表示 图5 25 为计算空腔中的辐射角系数 将钢包内腔进一步几何简化为图5 26所示的园筒 内筒半径为r0 空径总高度为h 将其沿高度方向分为n段 每段长度I h n 数值模拟 连铸阶段 为计算空腔中的辐射角系数 将钢包内腔进一步几何简化为图5 26所示的园筒 内筒半径为r0 空径总高度为h 将其沿高度方向分为n段 每段长度I h n 根据辐射角系数 即可计算自由空间内的辐射换热 假定该空间的热量交换只有辐射方式的同时还需假设 辐射空间的气体透明 构成自由腔体的表面为灰体 各表面为等温面 包盖和包底自身只有轴向热流 包壁内只有径向热流 每一个面的投射辐射密度为 Gi Jk ik 5 31 即G1 J1 11 J2 12 J3 13G2 J1 21 J2 22 J3 23G3 J1 31 J2 32 J3 33 数值模拟 连铸阶段 每一个面的自辐射为 Ei i Tis4 5 32 即E1 1 T1s4E2 2 T2s4E3 3 T3s4每一个面的有效辐射为 Ji Ei 1 i Gi 5 33 即J1 E1 1 1 G1J2 E2 1 2 G2J3 E3 1 3 G3将 5 31 5 32 代入 5 33 式得 Ji i Tis4 1 i Jk ik 5 34 解此方程即可求出Ji 相应地可求出qi 作为计算过程中的边界条件 求解 求解即解钢包的不稳态传导传热问题 计算过程中 从钢包烘烤开始至连铸结束整个周期中依次求解 由于温度的变化范围较大 计算时考虑各类耐材的导热系数和热容随温度的变化 为将来使用方便 将每阶段的计算程序视为单独的模块进行调试 计算 每阶段计算结果作为下阶段的初始条件 各阶段的边界条件视相应的具体情况而定 有限差分 有限差分 包壁内部节点差分方程推导 进入微元体的热量 离开微元体的热量 微元体内热量蓄积 进入微元体热量 离开微元体热量 热量积蓄 代入热平衡式整理得 其中 有限差分 包壁内表面节点差分方程 其中 有限差分 包壁内界面节点差分方程 有限差分 包壁外表面节点差分方程 其中 有限差分 包底内部同种耐材内节点差分方程 其中 有限差分 包底内表面节点差分方程 其中 有限差分 包底耐材内部内界面节点差分方程 有限差分 包底外表面节点差分方程 其中 钢包传热问题的反问题研究 前面所讨论的钢包传热问题都是在研究对象的几何形状 热物性参数 初始条件和边界条件已知的情况下 求解其内部的温度分布以及与其相关的钢水温度变化的 实际情况下 计算中所用到的已知条件 如对流换热系数等却是近似计算得到的 计算的误差较大且不容易预知 而基于上述求解的未知量中 有些较容易测出 引发出能否从反面来思考问题 即以实验手段测得部分未知量后再通过某种方法 较准确得计算出一些边界条件中用到的有关参数 再按传统的方法求解 这就是传热问题的反问题 这一问题的提出在实际过程中的应用价值较大 航天 电力等领域已经比较成功地使用传热反问题解决了很多难题 对于冶金过程 意义也是重大的 仅对钢包而言 现场运行中的钢包总能够测得部分希望获得的参数 如钢包包壁表面温度 包衬内部某些点的温度等 通过不断测量的数据修正模型的边界条件 使运算结果接近实际情况 它为数学模型计算的准确性提供依据 也为数学模型的在线应用打下了基础 钢包传热问题的反问题研究 求解传热反问题比求解正问题困难 原因在于 反问题的求解结果对内点的温度测量误差极其敏感 导热是一种扩散过程 内点对边界上的温度或热流变化的响应是经过衰减的 在时间上也有滞后 钢包传热问题的反问题研究 钢包传热问题的反问题描述在传热的正问题中 钢包包壁内表面的热流或传热系数是作为边界条件提出的 与其它控制方程联立求解后 才得出钢包包衬的温度分布 再经实际测量加以修正 按钢包对钢水温度的影响规律 最终求出钢水的过程温度变化 而反问题则是通过某一点或多点测量 来确定包衬内表面热流q 或传热系数 再按正问题方法求解 得出的q 或传热系数比经验估算值更逼近实际情况 结果也更实用 钢包传热问题的反问题描述示意见下图 具体操作是在钢包距中心线r1深处埋入热电偶 在不同时刻i 测得温度Yi 并假设 包衬为大园筒 只存在径向导热 包底为大平板 只存在轴向导热 钢包传热问题的反问题研究 钢包传热问题的反问题研究 钢包传热问题的反问题研究 其中 T 包壁耐材内部温度 耐材密度 Cp 耐材热容 耐材导热系数 T r 0 时刻0时的包壁耐材内部温度 T0 初始包壁温度 R外 钢包外壳内径 R内 钢包耐材内径 外壁 环 钢包外壁与环境的对流换热系数 T壁外 钢包包壳外壁温度 T环 外壁处环境温度 T ri i 钢包包壁内r ri处在i时刻的温度 Yi T r1 Ti 的实测值 通过求解上述模型即可得出与Yi对应的q 值 传热反问题研究中的测温 因测量有误差 热扩散过程具有阻尼效应和滞后效应 会影响内表面热流密度的误差确定 为此测温点设置在内表面一定距离处 即r1既不能太大 也不能太小 太大会加大误差 太小又会损坏测温头 为获得更多的表面热流随时间的变化信息 还要考虑时间步长的取值 以保证解的稳定性和正确反映表面热流变化 钢包传热问题的反问题研究 钢包传热问题的反问题研究 钢包传热反问题应用 钢包热状态研究 钢包周转与钢厂物流调控 钢包在钢铁制造流程中的作用钢包热状态研究钢包周转与钢厂物流调控钢包研究与应用的典型实例 钢包周转与钢厂物流调控 钢包的新含义 钢铁制造流程的物流载体钢包周转与钢厂时间调控钢包周转与钢水温度调控循环钢包个数的确定及其意义 钢包周转与钢厂物流调控 钢包周转与钢厂物流调控 钢包周转与钢厂物流调控 钢包周转与钢厂物流调控 1 时间计算法 2 周期匹配计算法 钢包周转与钢厂物流调控 钢包周转个数 班浇铸炉数和钢包周转周期关系表 钢包行为研究与应用的典型实例 BritishSteel钢包智能管理系统 钢包行为研究与应用的典型实例 BritishSteelOnlineLadleThermalTrackingModelOnlineSteelTemperatureFlight PathModel 钢包行为研究与应用的典型实例 BritishSteelOnlineLadleThermalTrackingModelOnlineSteelTemperatureFlight PathModel 钢包智能管理系统 钢包是盛纳 运输钢水并进行相应二次冶金的容器 与钢水过程温度的控制和管理有着密切的关系 钢包缺乏有效的定位和称量装置 导致钢包调度混乱和物料计算不准 钢包热状态过程难以与钢包周转过程进行实际结合 未能形成真正实际应用的钢水温度预定系统和钢包寿命预测系统 钢包的优化调度对于节能降耗 提高产能具有重要意义 钢包智能管理系统 钢包智能管理系统 美国的惠林 匹兹堡公司俄亥俄钢厂的计算机钢包跟踪系统钢包号是在转炉操作台手工录入的 其他数据根据炉次号进行自动跟踪采集 基于钢包跟踪获得的历史数据 分析了各个操作变量对耐火材料性能的影响 包括 转炉出钢温度 钢包温度 钢水接触时间 钢包加热次数 钢包脱硫次数和吹氩搅拌时间 其中 对钢包使用寿命影响最大的变量是平均吹氩搅拌时间和钢包脱硫次数 最后 基于这些分析结果开发了简单的钢包寿命预报系统 缺点是 没有实现钢包的定位和有效跟踪 钢包智能管理系统 福建三钢闽光股份公司的天车钢水自动计量系统系统硬件的实现方法是根据对天车监控精度的要求 沿天车轨道按照一定间隔 1米或2米 埋设了电子标签 同时在转炉和连铸机等关键点埋设了三块电子标签 保证有足够定位范围 在天车上对应的位置安装车载读写器 所有埋设的电子标签都存储有互补重复的地址编码 当天车途径或到达所埋设的电子标签位置时 车载读写器读出该标签的地址编码 并传送给数据采集发射器 与智能称量显示器的重量数据一同打包传送给地面站 钢包智能管理系统 福建三钢闽光股份公司的天车钢水自动计量系统 缺点是 算法上比较复杂 定位精度不高 设备容易遭受电磁干扰 钢包智能管理系统 宝钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机调度系统宝钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机系统从生产计划触发 并和工艺路径紧密结合 不但实现了钢水 钢包等重要物资的跟踪和管理 还在某种程度上掌握着生产情况和物流动态 该系统连接了整个炼钢生产的各个工序 对整个生产过程都起到了不可替代的作用 钢包智能管理系统 宝钢不锈钢公司的钢包跟踪和起重机调度系统 钢包智能管理系统 建立钢包周转过程的实时跟踪子系统 并根据钢包的重量和位置信息构建精确的物料跟踪子系统 为单体工序的成本核算和配置计算提供精确的数据基础 更为重要的是 通过对钢包周转过程的热状态分析 建立钢包炉衬寿命预测模型 钢水温度精确预定模型和钢包选配工艺规则模型 实现钢包调度的优化控制 这种优化控制会带来巨大的经济效益 钢包智能管理系统 系统结构 LIMS的系统结构 建立行车和台车定位 称量硬件系统 实时采集钢包位置和重量等数据信息 实现对钢包周转过程的跟踪 进而实现钢包的热状态管理 开发钢包周转过程的钢包炉衬寿命预测模型 结合行车和台车的定位称量系统 实时预测钢包炉衬的使用情况 钢包智能管理系统 开发钢包周转过程的钢水温度精确预定模型 结合行车和台车的定位称量系统 实时指导出钢温度的终点控制 开发钢包周转过程的钢包选配工艺规则模型 结合行车和台车的定位称量系统 实时指导钢包调度的优化控制 LIMS的系统结构 钢包智能管理系统 开发钢包智能管理系统 包括钢包跟踪子系统 钢包热转态子系统 钢包炉衬精确预测子系统 钢包选配工艺规则子系统 钢水温度精确预定子系统和钢包调度优化控制子系统 实现在线运行 LIMS的系统结构 钢包智能管理系统 行车和台车的定位 称量技术 钢包炉衬寿命预测模型 钢水温度精确预定模型 钢包选配工艺规则模型 钢包智能管理软件系统的开发 该技术是以上所有技术的软件整合 LIMS的关键技术 钢包智能管理系统 LIMS的关键技术 行车和台车的定位 称量技术 该系统包括 1 台车定位系统 2 称重系统 3 行车定位系统 LIMS的关键技术 行车和台车的定位 称量技术 台车定位系统 每台台车配置一台激光定位设备 位置信号可以提供给台车控制PLC和行车定位系统 LIMS的关键技术 行车和台车的定位 称量技术 称重系统 每台行车配置一套称重系统 称重信号实时传送到行车定位系统 定位系统根据作业指令的要求 及时地把相关重量信息发送到钢包智能管理系统 LIMS的关键技术 行车和台车的定位 称量技术 行车定位系统 行车定位系统可分为 三维定位系统 无线数据传输系统和终端控制系统等三个部分 LIMS的关键技术 LIMS的关键技术 三维定位系统 三维定位是指大车位置 小车位置和吊钩吊钩高度 大车 小车定位采用激光定位设备 吊钩高度采用编码器 无线数据传输系统包括 无线地面站 网络设备 以及安装在行车控制终端上的无线网卡及天线等 终端控制系统包括接口处理控制箱和操作终端等 接口处理控制箱采集并处理定位 称重信号 完成库图 工位转换 接受智能钢包管理系统发送的作业指令 作业指令完成后发送作业实绩 实现与系统的连锁等 操作终端向行车司机提供人机界面 LIMS的关键技术 钢水温度精确预定模型 1 确定影响钢水温降的关键因素 重点考虑 钢水温度 钢包实际受钢量 钢包空包时间 钢包运输时间 包底冷钢残渣量 各过程合金加入量 精炼处理时间 等待时间 精炼过程辅料加入量 各过程运输时间和钢水浸泡时间 LIMS的关键技术 钢水温度精确预定模型 2 建立钢水温降的分阶段数学模型 重点考虑 转炉出钢过程钢水温降数学模型 出钢完至精炼运输等待过程钢水温降数学模型 炉外精炼过程钢水温降数学模型 精炼结束至回转台运输等待过程钢水温降数学模型 LIMS的关键技术 钢水温度精确预定模型 对于转炉出钢过程钢水温降数学模型 主要考虑的因素包括 转炉出钢钢水温度 出钢时间 出钢量 钢包浇注结束至出钢前周转时间 合金加入量 转炉出钢前钢水炉内等待时间 LIMS的关键技术 钢水温度精确预定模型 对于出钢结束至精炼站运输等待过程钢水温降数学模型 主要考虑的因素包括 出钢结束时钢包钢水温度 钢包运输时间 钢包内钢水量 钢包周转时间和渣层厚度 LIMS的关键技术 钢包炉衬寿命预测模型 基于钢包跟踪获得的历史数据 分析了各个操作变量对耐火材料性能的影响 包括 转炉出钢温度 钢包温度 钢水接触时间 钢包加热次数 钢包脱硫次数和吹氩搅拌时间 生产过程数据表明 对钢包使用寿命影响最大的变量是平均吹氩搅拌时间和钢包脱硫次数 LIMS的关键技术 钢包选配工艺规则模型 钢包调度需要考虑的因素很多 包括钢种 钢包的材质 温度和钢包的位置等 涉及的设备很多 其中 本系统中对温度和钢包的材质给予重点考虑 对于其他因素 拟通过建立钢包选配工艺规则模型来实现 LIMS的关键技术 钢包选配工艺规则模型 材质限定规则IF能使用高铝质的钢包 THEN一定能使用铝镁碳材质的钢包 IF使用铝镁碳材质的钢包 THEN不能使用高铝材质的钢包 LIMS的关键技术 钢包选配工艺规则模型 温度选取规则IF有红包 THEN选择红包 浇铸结束后经过0 5小时 IF没有红包 THEN选择半冷包 浇铸结束后停用8小时内再投入使用的钢包 IF没有红包也没有半冷保 THEN选择冷包 LIMS的关键技术 钢包智能管理软件系统的开发