一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，本发明专利技术以电弧炉炼钢过程主要元素氧化反应行为的原理为基础，结合熔池搅拌的动力学条件，对电弧炉熔池区域进行划分，使用循环运算的方法对熔池主要成分的含量进行计算，为电弧炉炼钢过程成分的实时预报提供了一个理论的直接方法。

A method based on mechanism model for real-time composition prediction of arc furnace smelting process

The invention discloses a method for real-time prediction of electric arc furnace smelting process component model based on mechanism principle, the invention of steelmaking process to oxidation reaction behavior of the main elements of arc furnace based on the combination of dynamic conditions of bath stirring, to divide the molten pool arc furnace area, use cycle operation content on the main components of melting the pool is calculated, provides a direct method for real time forecast theory of EAF steelmaking process components.

【技术实现步骤摘要】
一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法
本专利技术属于电弧炉炼钢领域，特别涉及一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法。
技术介绍
电弧炉炼钢的过程中，要根据熔池的元素成分来对钢液进行成分、温度的调整以达到出钢要求。实际钢铁企业生产过程中，这种对熔池成分的控制是根据工人的经验判断结合终点控制来实现的，不直观。由于电弧炉炼钢流程短、节奏快，通常忽视过程成分控制，同时缺乏一个冶炼过程中成分预判的直观方法作为支撑。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种可以在电弧炉炼钢过程中实时计算成分变化的预报模型。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是，一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，包括以下步骤：步骤一：输入初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分；作为模型的初始计算条件；其中入炉金属料成分包括C、Si、Mn、Fe，炉渣成分包括CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO、FeO、Fe2O3；步骤二：用非标准态选择性氧化模型对输入的初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分进行计算，得到元素氧化反应的非标准态吉布斯自由能，非标准态选择性氧化模型为：ΔG＝ΔGΘ+RTlnJ其中ΔG是反应的非标准态吉布斯自由能变化量，ΔGΘ为标准态吉布斯自由能变化量，R是热力学常数，R＝8.314J/(mol·K)，T为反应温度，J为活度商；步骤三：将电弧炉内分为钢液流动的A区和完全混匀的B区，A区与B区进行物质交换；其中B区内包括单位时间内流失的元素氧化生成的氧化物的C区，和单位时间内B区流向A区的物质交换量的D区；A区内包括单位时间内A区对B区的物质补充量的C’区，和单位时间内A区流向B区的物质交换量D’区；则针对B区有如下反应：[O]+[C]＝CO[O]+[Si]＝(SiO2)[O]+[Mn]＝(MnO)[O]+[Fe]＝(FeO)步骤四：B区成分每个周期减少量为nΔm，则B区成分每个周期减少量nΔm有如下对应关系：其中m代表当反应ΔG最小时C、Si、Mn、Fe中的一种元素；且途中各区域物质的量的对应关系有C＝nΔm，C’＝C，D＝B×k，D’＝D；则计算区域C’、D’的成分如下：其中，为组分i在A区中的物质的量，k为钢液流动系数；步骤五、计算下一周期A、B的初始值A’、B’如下：步骤六：根据步骤二，炉渣成分MnO、SiO2、FeO变化量表示如下：若冶炼过程加入含有相应炉渣成分的辅料，则辅料直接进入炉渣不参与反应计算，该元素相应的氧化物增加nΔm。所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，所述的步骤二包括以下计算过程：步骤1、计算氧化反应在标准态下的吉布斯自由能改变量ΔGΘ：ΔGΘ＝U+VT其中T为温度；U、V为线性方程系数，根据现有氧化反应资料得到；步骤2、计算成分的摩尔分数x：任取一种金属料或炉渣，设为组分H，则组分H的摩尔分数xH为其中nH表示组分H的物质的量，ni表示任一组分i的物质的量，mB表示组分H的质量，mi表示任一组分i的质量，MH表示组分H的相对分子质量，Mi表示任一组分i的相对分子质量；步骤3、计算成分的活度a：有ai＝xifi则其中f为活度系数，fi为相应组分i的活度系数，e为相互作用系数，表示物质i对自身的相互作用系数，表示物质j对物质i的相互作用系数；步骤4、计算化学反应的活度商J，则对于电弧炉内四个主要氧化反应：[C]+[O]＝CO、1/2[Si]+[O]＝1/2(SiO2)、[Mn]+[O]＝(MnO)、[Fe]+[O]＝FeO有：步骤5、计算主要氧化反应的非标准态吉布斯自由能改变量ΔG：其中i＝C、Si、Mn、Fe。所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，所述的步骤三中，所述的B区为氧枪直接喷吹的区域，电弧炉内除B区外的区域为A区。所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，所述的步骤四中，每个周期设为1秒。所述的一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，还包括将以摩尔为单位表示的钢液和渣中主要成分转换为质量分数的步骤七：钢液中某元素b质量分数计算方法b％如下：其中，为一个周期计算后元素b在A区的物质的量，为一个周期计算后元素b在B区的物质的量，为一个周期计算后任一元素i在A区的物质的量，为一个周期计算后任一元素i在B区的物质的量，Mb为元素b的相对原子质量，Mi为任一元素i的相对原子质量；渣中某氧化物d的质量分数d％计算方法如下：其中Md为氧化物d的相对分子质量，Mi为任一氧化物i的相对分子质量，为炉渣中任一氧化物i的物质的量。本专利技术的技术效果在于，以电弧炉炼钢过程主要元素氧化反应行为的原理为基础，结合熔池搅拌的动力学条件，对电弧炉熔池区域进行划分，使用循环运算的方法对熔池主要成分的含量进行计算，为电弧炉炼钢过程成分的实时预报提供了一个理论的直接方法。附图说明图1为本专利技术的流程图；图2为本专利技术电弧炉熔池区域划分示意图；其中A：钢液流动区、B：完全混匀区、C：周期B区减少量、D：周期B区交换量、C’：周期B区补充量、D’：周期A区交换量。具体实施方式一种通过计算元素氧化反应的吉布斯自由能判断元素氧化优先顺序，结合熔池搅拌动力学条件，根据吹氧量和电弧提供热量来实时计算成分变化的方法。包括以下步骤：步骤一：输入初始入炉金属料量与成分(C、Si、Mn、Fe)、炉渣量与成分(CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO、FeO、Fe2O3)；作为模型的初始计算条件；步骤二：根据所采集的炉渣成分数据和钢液成分数据计算元素氧化反应的非标准态吉布斯自由能，判断元素氧化优先顺序，非标准态吉布斯自由能计算公式为：ΔG＝ΔGΘ+RTlnJ其中ΔG是反应的非标准态吉布斯自由能变化量，R是热力学常数，R＝8.314J/(molK)，J为活度商，为便于计算，本模型以摩尔为统一计量单位。步骤三：如图所示，本模型将钢液分为两个区域：钢液流动区和完全混匀区，钢液流动区流动缓慢(下文简称A区)，完全混匀区为氧枪直接喷吹区域，搅拌强度大，反应剧烈(下文简称B区)，A区与B区进行物质交换，B区反应均匀且充分反应，炉内除A区外均为B区，A区的大小由炉型决定，B区的大小由氧枪操作决定。C区域为B区单位时间元素氧化生成的氧化物，流向渣中，D区为单位时间B区流向A区的物质交换量，其中D区的大小由钢液流动系数k决定，C区和D区均包含在B区内。由于C区的流失，令C’区为单位时间A区对B区的物质补充量，作为D区的交换，令D’区为单位时间A区流向B区的物质交换量，C’区和D’区均包含在A区内。则针对B区有如下反应：[O]+[C]＝CO(1)[O]+[Si]＝(SiO2)(2)[O]+[Mn]＝(MnO)(3)[O]+[Fe]＝(FeO)(4)令循环计算周期为1秒，则B区成分每个周期减少量nΔm有如下对应关系：其中m代表当反应ΔG最小的元素，即根据步骤二，是优先氧化的元素；且途中各区域物质的量的对应关系有C＝nΔm，C’＝C，D＝B×k，D’＝D。步骤四：为简化计算，区域名称仅代表该区域物质的量。则可以计算区域C’、D’的成分如下：步骤五：计算下一周期A、B的初始值A’、B’如下：其中B’的计算中，当m代表哪一种元素，则哪种元素的计算式减去nΔm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：输入初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分；作为模型的初始计算条件；其中入炉金属料成分包括C、Si、Mn、Fe，炉渣成分包括CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO、FeO、Fe2O3；步骤二：用非标准态选择性氧化模型对输入的初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分进行计算，得到元素氧化反应的非标准态吉布斯自由能，非标准态选择性氧化模型为：ΔG＝ΔG

【技术特征摘要】
1.一种基于机理模型的电弧炉冶炼过程成分实时预报的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：输入初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分；作为模型的初始计算条件；其中入炉金属料成分包括C、Si、Mn、Fe，炉渣成分包括CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO、FeO、Fe2O3；步骤二：用非标准态选择性氧化模型对输入的初始入炉金属料量与成分、炉渣量与成分进行计算，得到元素氧化反应的非标准态吉布斯自由能，非标准态选择性氧化模型为：ΔG＝ΔGΘ+RTlnJ其中ΔG是反应的非标准态吉布斯自由能变化量，ΔGΘ为标准态吉布斯自由能变化量，R是热力学常数，R＝8.314J/(mol·K)，T为反应温度，J为活度商；步骤三：将电弧炉内分为钢液流动的A区和完全混匀的B区，A区与B区进行物质交换；其中B区内包括单位时间内流失的元素氧化生成的氧化物的C区，和单位时间内B区流向A区的物质交换量的D区；A区内包括单位时间内A区对B区的物质补充量的C’区，和单位时间内A区流向B区的物质交换量D’区；则针对B区有如下反应：[O]+[C]＝CO[O]+[Si]＝(SiO2)[O]+[Mn]＝(MnO)[O]+[Fe]＝(FeO)步骤四：B区成分每个周期减少量为nΔm，则B区成分每个周期减少量nΔm有如下对应关系：其中m代表当反应ΔG最小时C、Si、Mn、Fe中的一种元素；且途中各区域物质的量的对应关系有C＝nΔm，C’＝C，D＝B×k，D’＝D；则计算区域C’、D’的成分如下：其中，为组分i在A区中的物质的量，k为钢液流动系数；步骤五、计算下一周期A、B的初始值A’、B’如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凌志，朱荣，姜涛，李光辉，郭宇峰，王柏惠，范晓慧，黄柱成，杨永斌，张元波，李骞，陈许玲，朱忠平，彭志伟，徐斌，饶明军，甘敏，易凌云，王超，谢鑫，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43