钢包的运行控制.pdf

27 卷 第 2 期北 京Vol.27 No.2 20054Journal of University of Science and Technology BeijingApr. 2005 收稿日期 2004–07–26 修回日期2004–11–02 作者简介刘青1967 男 副教授 博士 钢水温度是炼钢二次冶金连铸过程的 一项重要工艺参数 特别是高效全连铸生产体制 对温度提出了更为严格的要求 钢水温度的控制 不仅要重视各工序自身的控制水平 [1-7] 更应注意 对衔接各工序的钢包运行规律的掌握 [8-13] 钢包 运行状况是炼钢厂系统运行效率的重要体现 本 文运用冶金过程的工程理论 在已有研究的基础 上 [13] 进一步深化钢包运行过程的研究形成较 为完整的钢包运行控制的研究思路与方法 为建 立炼钢连铸生产过程温度调控体系奠定基础 1钢包运行过程解析 钢包运行过程解析涉及炼钢厂生产过程的 诸工序是炼钢厂系统运行优化的炉机对应原 则 能耗最小原则 拉速决定流量原则和连浇原 则 [14]在生产过程中的集中体现 高速连铸的实现 加快了生产节奏 高效连铸钢水的温度控制比常 规连铸要求更为严格 作为炼钢厂生产过程钢水 载体的钢包 其运行状况直接关联高效连铸生产 的顺行与否 因此 认识钢包运行规律 开展钢包 运行的基础研究意义重大 1.1炼钢厂车间平面布置 B炼钢厂有20 t氧气顶吹转炉2座 2 个吹氩/ 喂丝精炼站 2 个钢包精炼站 3 台三流连铸机 构成典型的炼钢二次冶金连铸三位一体的 小转炉生产流程 该厂的车间平面布置如图 1 1.2 钢包运行的时间参数解析 钢包在炼钢厂内运行过程可划分为满包转 运和空包转运两个阶段 [13] 钢包转运过程受车间 平面布置 工艺路线 生产过程组织等因素的影 响 在对B炼钢厂制造过程时间参数解析的基础 上 可 提取 出钢包转运过程的时间参数值 见 表 1 [15] 1.3钢包运行的过程钢水温降 根据国内一般全连铸工厂的现状 将钢水在 炼钢厂各工序和工序间过程温度变化分成四段 相连的闭区间 [15] 1转炉吹炼终点钢水精炼之 前过程钢水温度的变化 2二次冶金过程钢水温 钢包的运行控制 刘青 1 赵平 2 吴晓东 3 田乃媛 1 1北京科技大学冶金与生态工程学院 北京100083 2新疆天基钢铁公司奎屯833200 3江苏大学材料学院 镇江212013 摘要运用冶金过程工程理论 对钢包运行过程进行深入的解析和较为系统的研究 形成 了钢包运行控制技术 包括钢包运行过程解析 钢包运行时间的数学描述 钢包运行个数的 三种计算方法 钢包运行过程温降 钢包运行频率及运行过程的优化 该项技术已经应用于5 个工厂 并取得了明显的效益 关键词冶金过程工程 转炉炼钢厂 钢包运行 时间参数 温度参数 分类号 TF758 N 941.3 1 炼钢平台2修炉区3废钢存放区4辅料存放区 5 渣位6修包位7烘烤位8中包砌包区9中包 存放区10连铸平台11备用品存放区12坯库 图1 B炼钢厂车间平面布置 Fig.1 Layout of BOF steelmaking shop at B Steel 236 20052 度的变化 3钢水精炼结束钢包到达连铸平台 过程钢水温度的变化 4钢包到达连铸平台钢 水浇注过程温度的变化 将各区间温度变化综合 起来可得全连铸工厂整个生产过程的钢水温度 变化趋势图 2 所示 B 炼钢厂 Q235 钢生产过程 钢水温降及时间 1.4钢包运行时间参数的数学表述 在钢包运行过程时间参数解析的基础上 提 出钢包运行过程时间参数的数学表达式如下 1i2j i 1 m 1i j 1 n 2j1 式中为炼钢厂生产过程钢包运行时间 s1i为 满包钢水在各工位间传搁及动作时间s2j为空 包在各工位间传搁及动作时间s B 厂的1i,2j详 见表 1 1.5钢包运行的 柔性时间 为进一步研究钢包转运的优化问题 借助钢 包运行过程 柔性时间 的概念 [13] 所谓钢包转运 过程的柔性时间是指在炼钢厂系统运行过程 中 钢包在不同工位之间传搁当中等待作业所用 时间 钢包转运过程中的柔性时间见表 2[15] 钢包运转过程中的柔性时间是客观存在的 重要的是应加强生产过程组织和生产控制使其 表1B炼钢厂钢包转运过程的时间解析 Table 1 Time analysis of ladle running in BOF steelmaking shop at B Steels 序 号 过程时间数据项名称 1号转炉2号转炉 平均值最大值最小值样本容量平均值最大值最小值 样本容量 1 转炉出钢时间 1102064434913227239339 2 出钢毕至吹氩站运行时间 1402761027514137410294 3 到站至开始吹氩时间 1334233613292252 4 吹氩时间 941995031712319854264 5 吹氩后测温至钢包离站时间 153942201535159259 6 钢包离站至到达起吊位时间 92233229164329 7 钢包等待吊运时间 5313133194711010257 8 天车吊钢包至连铸平台时间 115285730317329345298 9 钢包到台至回转台开动时间 37597228345447114021357 10 回转台转动时间 354917343385420352 11 回转台到位至钢包开浇时间 56153103475912810350 12 大包钢水浇注时间 119116188873471 0731404735360 13 大包浇毕至天车下钩时间 1435682833610122339351 14 天车下钩至大包离台时间 2486333515353355 15 大包离台至天车放钢包时间 691583031512033220290 16 钢包过跨时间 378710612378710612 17 钢包过跨毕至天车下钩时间 49129105164912910516 18 天车下钩至天车离开时间 1850561718505617 19 天车离开至挂副钩开始时间 1950161619501616 20 挂副钩开始至到倒渣位时间 2759460727594607 21 钢包到达倒渣位至开始倒渣时间 1131259811312598 22 倒渣时间 1845262018452620 23 钢包倒渣结束至到达修包位时间 581962606581962606 24 修包时间 52111971015465211197101546 25 修包完毕至天车挂钩时间 2315982037323159820373 26 天车挂钩至钢包到引流沙区时间 3797557737975577 27 钢包到引流沙区至天车离开时间 381192591381192591 28 天车离开至钢包到达钢包车时间 1042441230710424412307 29 钢包放到钢包车至开始烘烤时间 48156123364815612336 30 钢包烘烤时间 3346951233633469512336 31 钢包等待出钢时间 15237624297514152262249 注 围绕1号2号转炉钢包运行的周期分别为69.1 min和76.2 min Vol.27 No.2刘青等 钢包的运行控制237 处于一个合理的范围内 优化钢包转运过程主要 是通过缩短钢包转运过程的柔性时间 结合实测 数据的统计分析结果 可提出相关操作环节柔性 时间的推荐值 详见文献[15] 结合柔性时间的推荐值 由下式可得出钢包 转运过程时间的参考值 钢包转运过程时间的实 际值与参考值的有关情况见表 3 表中柔性时间 与转运过程时间的比值反映了进行钢包转运过 程优化的空间该值越小表明钢包运行的速度 快 制造过程的温降相对较小 生产过程控制的 较好 系统运行水平较高 2 式中为钢包转运过程时间参考值 min钢包 转运过程时间实测值 min 钢包转运过程柔性 时间 min 钢包转运过程柔性时间参考值 min 通过优化钢包转运过程缩短柔性时间可 将钢包转运过程的时间逐步缩短至参考值 研究 表明1 号转炉生产 Q235 钢与 2 号转炉生产 20MnSi 钢的钢包转运过程时间的参考值分别为 55.7 min 和 56.6 min [15] 2钢包运行个数的计算方法 随着对钢包运行研究的深入 需要定量掌握 炼钢厂在一定工作时间内运行的钢包数量 本文 提出了生产过程中钢包使用个数的三种计算方 法 [15] 2.1产量计算法 在炼钢厂产量一定的前提下 可由下式确定 生产过程中理想的钢包使用个数与实际的钢包 使用个数之间的关系 n n 3 式中 n 理想的钢包使用个数个 n 实际的钢包 使用个数 个 将相关时间数据带入式3 按照 2 座转炉产 量均衡 得出该炼钢厂在当前生产水平下的理想 钢包使用个数约为 6 个 2.2时间计算法 设炼钢厂每个生产作业班组 8 h 冶炼n 炉钢 图2 B厂Q235钢生产过程温降及时间 Fig. 2 Temperature loss and corresponding time in BOF steelmaking shop at B Steel carbon steel 平均时间4.2 min 温降速率10.0 /min 平均时间3.1 min 温降速率5.2 /min 平均时间2.0 min 温降速率2.0 /min 平均时间10.8 min 温降速率6.8 /min 转炉出钢精炼吹氩 钢水 钢水到台中包测温1 4216473 表2钢包转运过程中的柔性时间 Table 2 Flexible time in ladle operating process 序 号 过程时间数据项名称 1号转炉2号转炉 平均值最大值最小值样本容量平均值最大值最小值样本容量 1 钢水精炼毕等待吊运时间/s 5313133194711010257 2 钢包到台至回转台开动时间/s 37597228345447114021357 3 回转台到位至钢包开浇时间/s 56153103475912810350 4 钢包浇毕至天车下钩时间/s 1435682833610122339351 5 钢包过跨毕至天车下钩时间/s 49129105164912910516 6修包毕至天车下钩时间/s2315982037323159820373 7钢包放到钢包车至开时始烘烤时间/s48156123364815612336 8钢包等待出钢时间/s15237624297514152262249 9柔性时间总计/min18.451.52.324.662.85.7 表3钢包运行过程的实测时间与参考时间值 Table 3 Measured value and reference value of process time of ladle turnaround 转炉 编号 实测时间值参考时间值 /min/min//min/min/ 169.118.426.655.759.0 276.224.632.356.658.8 238 20052 水钢包运行周期为则钢包使用个数可由下 式计算 n n 608 4 式中 n 为每班最大冶炼炉数 炉 由式4可得出钢包使用个数 每班冶炼炉数 与钢包转运时间的定量对应关系 B厂每个炼钢生产班组平均冶炼 42 炉钢水 钢包周转个数为 89 个 实测钢包转运过程时间 分别为 69 min 1 号转炉和 76 min 2 号转炉 按 照一座转炉每班生产21 炉钢水考虑 由文献[15] 可知两座转炉分别需要 3 个钢包和 3.5 个钢包 即共需7个钢包 比实际钢包使用个数少12个 表明优化钢包周转减少钢包个数是完全可能 的 据前文对钢包转运柔性时间的分析 1号转炉 生产Q235 钢与2 号转炉生产20MnSi钢的钢包转 运过程时间的参考值分别为55.7min和56.6 min 同样 按照一座转炉每班生产 21 炉钢水考虑 查 文献[15]表6.17可知 两座转炉分别需要2.5个钢 包 即用 6 个钢包在线运转即可满足生产要求 2.3周期匹配法 在炼钢生产过程中 钢包使用个数与炼钢炉 的生产节奏和钢包转运过程的时间有关 可用炼 钢炉冶炼周期与钢包转运时间来计算转炉炼钢 过程的钢包使用个数 见下式 n 5 式中炼钢炉冶炼周期 min 由式5可得钢包运行个数与转炉冶炼周期 钢包转运时间的定量关系表 [15] 根据该表转炉 冶炼周期为19.6min时 在正常生产条件下 对应 于 1 号炉的钢包转运周期为 69 min时 相应需要 的钢包数是 3.5 个对应于 2 号炉的钢包转运周 期为76min时 相应需要的钢包数是3.9 个 即两 座转炉共需 8 个钢包 这正是实际生产中钢包使 用的情况 当优化钢包转运过程后 钢包转运时 间缩短至 5657 min 由上表可查知 每座转炉需 要钢包个数为 2.9 个即共需 6 个钢包可满足生 产要求 由此可见 上述三种计算方法是从不同的角 度来分析炼钢系统运行过程中钢包的使用个数 其计算结果是一致的 3钢包运行频率 为进一步认识问题 本文提出了描述钢包运 行频率的概念 [15] 即在一定时间内通常以一个 生产作业班组的工作时间8h为标准 炼钢厂生 产过程中参与运转的钢包数量与钢包运转周期 的比值 称之为钢包运行频率 单位是 1/h 如下 式所示 表 4 所示 5 个转炉炼钢厂钢包转运的有 关情况 [15] 按照钢包吨位升高的顺序依次对应 于 G B J S 和 H 等 5 个工厂 f n 6 式中 f 为钢包运行频率 h 1 n 为 8h内的钢包使 用个数 根据表 4 从钢包运行频率来看随着钢包 吨位的增加 钢包运行频率减小 即大转炉炼钢 厂的钢包转运要比小转炉炼钢厂慢 由表 4 知 J 厂钢包运转最快 原因是其钢包转运过程中柔性 时间仅1210 s 在5个厂中最短 表明该厂生产过 程的协调 控制水平最高 B厂次之 相比之下 G 厂在此方面 也存在一定的差距 此外 还有一个 值得注意的问题 即评价一个炼钢厂系统运行的 水平和温度状况 不能简单的以钢包运行个数的 多少作为依据 需要进行综合分析 其中钢包运 行频率就是一个重要的概念 从表 4 可见 J厂在 5 个厂之中使用的钢包数量是最多的达 15 个 而 B厂仅用 8 个 在 5 个炼钢厂当中最少 J 厂系 统运行水平则是最高的 生产过程温度控制也是 最好的 表45个转炉炼钢厂的钢包转运情况 Table 4 Ladle cycling status of 5 LD workshops 工 厂 钢包容 量/t 实际运行时间柔性时间 一个班使用的 钢包个数/个 钢包运行频 率/h 1 周期/s满包/s空包/s满包/s空包/s占运行周期的比例/ G15564623163330532198044.595.7 B2543672249211854779430.786.6 J3570612905415637783317.1157.6 S85842164082013814184931.6114.7 H30012360756647941776213631.7113.2 Vol.27 No.2刘青等 钢包的运行控制239 4钢包运行优化 钢包运转的过程时间分析见表 5 [15] 表中可 优化时间比例是指钢包转运过程的柔性时间与 转运时间的比值由表 5 可知钢包在满包运行 阶段中 可优化时间占转运时间的1/4左右 钢包 在空包运行阶段中可优化时间占转运时间的 1/3 左右表明钢包运转过程的优化存在一定的 空间 按照图 1 的数据 满包运行阶段钢水过程平 均温降速率若取4.7/min 则意味着每包钢水至 少有40 温降损失于钢包转运的柔性时间之中 空包转运柔性时间长 将会增大空包的温降 事 实上 转炉吹炼终点的钢水温度要承担满包运行 阶段的钢水过程温降并补偿空包接受钢水时产 生的温升 若钢包管理不好 钢包烘烤效率不佳 势必会造成转炉出钢温度偏高后吹率高等现 象 同时 高温出钢不仅会缩短钢包寿命 增加生 产成本 更重要的是不利于高效连铸生产 因此 钢包运行的优化是以高拉速为核心高效连铸生 产的必然要求可从两个方面来加速钢包的运 转 其一从工序运行关系方面 减少柔性时间 缩 小可优化时间比例 加速钢包的转运 其二从工 序制造过程方面在满足制造工艺的约束条件 下 优化工序的功能 缩短工序作业时间 提高工 序的运行水平 将上述结果应用于实际生产 钢 包使用个数已由原来的 9 个减至 7 个 同系统运 行控制相结合 出钢温度已降低38 总之 随着 钢包运行的不断优化 炼钢系统运行节奏更趋合 理 生产过程的最大温降值 钢水的过程温降及 速率不断减小 系统过程能耗逐步降低 系统运 行水平相继提高 炼钢厂的运行效率不断增加 5结论 1 钢包运行的研究涉及炼钢厂系统运行的 各工序 本文从钢包运行过程解析 钢包运行时 间的数学描述钢包运行个数的三种计算方法 钢包运行过程温降 钢包运行频率及运行过程的 优化六个方面对钢包转运过程进行了深入的研 究 归纳形成钢包运行控制技术 2 钢包运行控制技术已经应用于 5 个高效 连铸工厂 本文以B厂的研究工作为模板进行了 阐述 三种钢包运行个数的计算方法是从不同的 角度来分析炼钢厂系统运行过程中的钢包个数 其结果一致 计算得出在 B 厂的操作条件下 优 化的钢包使用个数为 6 个 将研究结果应用于 B 厂实际生产 钢包使用个数已由原来的 9 个减至 7 个 同系统运行控制相结合出钢温度降低 38 3本文提出钢包运行频率概念 它是炼钢厂 过程时间温度协调控制的重要体现 随着钢包 容量的增加 钢包运行频率降低 钢包运行频率 的提出 形成一项评价炼钢厂系统运行效率和温 度状况的指标 4 钢包运行控制的研究为炼钢连铸过程 钢水温度的优化与控制充实了新的内容 参考文献 [1]Omotani M AHeaslip L J Mclean A. 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Thermomechanical stu 表5钢包运转的过程时间分析 Table 5 Analysis of ladle cycle time 转炉 满包运行阶段空包运行阶段 转运时间/min柔性时间/min可优化时间比例/转运时间/min柔性时间/min可优化时间比例/ 136.88.523.132.310.632.8 237.99.725.638.315.941.5 下转第 249 页