转炉炼钢的终点控制技术.doc

转炉炼钢的终点控制技术许刚 雷洪波 李惊鸿 叶印鹏 薛军（鞍钢股份有限公司技术中心）摘要： 概述了转炉炼钢终点控制技术的发展， 介绍了拉碳补吹法、一吹到底增碳法和气相分析法等终点控制方法，指出采用神经网络、模糊推理、专家系统等多种控制技术的终点智能控制技术，是大、中型转炉终点控制技术的发展方向。确认采用终点智能控制技术，可在线准确地预测、检测和控制转炉炼钢终点时的钢水成分和温度，有效缩短冶炼时间，减少消耗，降低成本，提高产品质量。关键词： 转炉炼钢；终点控制；智能控制中图分类号：TF724 文献标识码：A 文章编号：End-Point Control Techniques for Converter Steelmaking Xu Gang Lei Hongbo Li Jinghong Ye Yinpeng Xue Jun(Technology Center of Angang Steel Co.， Ltd.)Abstract： Summarized development of the end point control technique for converter steelmaking， introduced end point control methods for converter steelmaking， as， the catch carbon- add blow method， the end point- add carbon method，the end gas analyze method， etc， point out end point intelligence control technique used neural network， fuzzy inference， and expert system， be development direction of end control technique for big-medium sized converter. Affirm that used end point intelligence control technique can on-line accurately calculate， check， control molten steel composition and temperature for end point of converter steelmaking， sorted steelmaking time， reduced consumption， reduced production costs， improved product quality. Key words： converter steelmaking; end point control; intelligence control 转炉炼钢终点控制是转炉冶炼后期的重要操作，终点控制的水平直接影响生产效率和产品质量。近些年来，随着连铸工艺的发展、炉外精炼手段的不断完善，炼钢生产节奏大大加快，使得转炉炼钢终点控制在炼钢生产中成为限制性环节。转炉炼钢终点控制的基本方法是静态控制法和动态控制法，目前，基于神经网络技术的智能型控制技术已开始应用于转炉炼钢终点控制。结合我国转炉炼钢终点控制的现状，分析转炉炼钢终点控制技术的现状，研究转炉炼钢终点控制的方法及模型，通过对转炉炼钢终点控制模型的比较分析和优化改进，研究出成本低廉、适应性强、性能可靠、终点命中率高的智能型终点控制技术，对于提高我国转炉炼钢终点控制总体水平、提高炼钢生产效率和产品质量有着重要的现实意义。转炉炼钢终点控制指的是吹炼终点时钢水温度和成分的控制，一般是对终点钢水碳含量和温度的控制1。对碳含量而言，控制过高不利脱磷脱硫，控制过低又会增加钢中的氧、氮含量；终点温度控制过高或过低，会增加副原料和冷却剂的消耗，会延长冶炼时间，降低炉衬寿命，增加金属消耗，影响钢的质量。1. 转炉炼钢终点控制技术的发展转炉炼钢终点控制的对象是钢水的成分和温度，主要是钢水的碳含量和钢水的温度。转炉终点控制技术的发展主要经历了人工经验控制、静态控制、动态控制和自动控制几个发展阶段2。人工经验控制是操作者根据自己的炼钢经验，通过观察转炉火焰的变化、声音的变化，同时借助测温定碳、炉前取样快速分析等常规检测手段，来判断转炉炼钢的终点，这是一种古老、基本的控制方法；由于操作者们的经验和水平，存在着不同和差别，因而这种方法的终点命中率较低，一般在3050%。静态控制是通过建立静态控制模型，根据冶炼初始条件，如铁水温度、铁水成分等和冶炼控制目标，进行物料平衡计算和热平衡计算，辅以一些经验数据和修正参数，对吹炼及加料操作进行指导，吹炼终点还要借助人工经验控制，对终点进行适当的调整；这种方法的终点命中率可达4060%。动态控制是在静态模型的基础上建立动态控制模型，通过直接或间接测定吹炼过程中特别是吹炼后期的熔池成分、温度以及炉渣状况等动态信息，对吹炼参数进行修正，以达到控制吹炼终点的目的，这种方法的终点命中率一般可达5070%以上，如配有先进的动态检测技术，其终点命中率可达80%以上。自动吹炼控制是在动态控制的基础上，通过计算机的网络技术，对吹炼过程中得到的动态信息，进行在线计算和修正，并将结果指令及时、连续下达给控制系统，对吹炼过程和吹炼终点进行自动控制，达到直接出钢的目的，这种方法的终点命中率一般可达85%以上，最高可达95%以上。在转炉终点静态控制模型主要有机理模型、增量模型、统计模型，而动态终点控制主要采用副枪终点控制和炉气分析终点控制，近些年来随着技术的发展，又出现了关于利用转炉炉口的光学参数(图像参数)来对终点进行判断的新型终点控制方法，而且，一些基于人工智能技术特别是神经网络或其结合算法的预测控制方法广泛应用到转炉生产过程的控制和优化中来。由于人工神经网络具有自学习、自组织、强鲁棒性和能够逼近任意非线性函数的能力3，因此，基于此建立的转炉终点模型更能准确的指导生产，将人工智能方法运用于转炉终点控制已成为转炉终点控制发展的一个重要方向。2.转炉炼钢的终点控制目前，转炉炼钢的终点控制方法有拉碳补吹法、一吹到底增碳法、副枪测定法、成分测算法和气相分析法等终点控制方法，通常分为经验控制、静态控制、动态控制以及自动控制。除了经验控制之外，其余的控制方法都是在建立了控制模型的基础上进行的。这些控制模型都是在一定的假设条件下，通过统计处理、机理分析或回归分析等得到的。由于转炉炼钢过程是高温条件下的复杂的物理化学反应过程，受很多因素的影响，而且有些因素还无法准确地定量描述，因此依现有的技术水平建立的静态模型、动态模型、自动控制模型，来控制转炉炼钢的终点，其效果还很难达到完全令人满意的程度。2.1 转炉炼钢的终点控制方法2.1.1 拉碳补吹法 所谓 “ 拉碳”， 就是在吹炼时判定已达终点而停止吹氧， 由于在中、 高碳钢种的含碳范围内， 脱碳速度较快， 一次判别终点不太容易， 所以采用高拉碳+补吹调整的办法。 国内在采用高拉补吹法吹炼中、高碳钢时， 一般根据吹炼时特征， 参考供氧时间及耗氧量， 按所炼钢种碳规格稍高一些来拉碳， 取样分析( 或测温定碳)， 再按这一含碳量碳的脱碳速度补吹一定时间， 以使其达到所要求的终点。国外常采用“ 高拉碳”操作冶炼高碳钢， 如美国普韦洛厂用氧气转炉生产高碳钢占全部产量的 6l%， 采用 “ 高拉碳” 法生产高碳钢， 是因为所用铁水含硫量在0.02%0.03%， 含磷量全部在 0.048%0.080%之间。 用这样的铁水炼钢， 成品中硫和磷含量几乎无须考虑。 “ 高拉碳” 法冶炼高碳钢， 渣中氧化铁低， 金属收得率略高， 氧气和脱氧剂消耗略低， 终点钢水中气体含量较低。一般而言， 拉碳法具有终点钢水氧含量和终渣( FeO) 较低、 终点钢中含锰量较高、 氧气消耗较少等优点。 2.1.2 一吹到底增碳法 一吹到底增碳法就是终点按低碳钢控制，然后在出钢过程中增碳， 使钢水中的含碳量达到所炼钢种的要求范围之间。要求所用的增碳剂，质量要高，纯度要高， 硫含量要低， 以免对钢水造成污染。这种方法在操作上易于掌握， 但在其后的增碳过程中， 应着重把握两个环节： 一是增碳剂的质量，二是增碳剂的收得率。在某些炼钢能力大于炼铁能力的场合下， 为了用有限的铁水生产更多的钢， 多吃废钢降低铁耗， 往往采用增碳法终点控制。欧洲大多数钢厂都把终点含碳量控制在 0.07%左右， 然后在钢包内用石油焦增碳操作来冶炼中高碳钢。增碳法省去倒炉、 取样及随后的补吹时间， 因而生产率高， 终渣 ( FeO) 高， 化渣好， 出磷率高， 热收入较多， 有利于增加废钢用量等。2.1.3气相 ( 质谱仪) 定碳法 炉气分析是利用质谱仪通过检测转炉的炉气成分来连续预测吹炼过程中钢水碳含量的一种方法，气相定碳主要应用的分析仪器为红外分析仪和质谱仪两种4。从目前情况看， 质谱仪的使用较为普遍。同时，质谱造仪造价很高，而且气体探针在恶劣的炉气环境中需要经常维修，因而耽误时间，不能及时提供有关数据很难推广使用。气相定碳是通过分析转炉炉气成分质谱法的测定原理是将氩、氦等惰性气体作为示踪剂， 通过气体物料平衡来计算烟气流量。以氩为例， 用质谱仪测定烟道内的烟气氩含量，根据氩含量的稀释程度计算烟气流量， 然后再根据烟气成分和烟气流量， 对熔池脱碳速度和渣中氧的吸收速度做出评价，最终确定港中碳的含量。其测量精度受诸多因素的影响，比如炉气分析设备的分析精度、对炉气流量的校正计算准确性、炉气分析系统的响应时间、模型本身的精度等。质谱仪的优点是可以连续预测钢水碳含量和炉气成分， 因而有利于控制有用炉气的回收和废气的排放， 而且其使用不受炉容量大小的限制。 但仅采用质谱仪， 还不能预测和控制转炉炉内的钢水温度。在吹炼中， 采用何种操作方法， 除取决于技术水平、设备和原料条件及所炼钢种外， 还涉及诸多因素。2.2 转炉终点的静态控制静态控制是按照己知的原材料条件和吹炼钢种的终点成分和温度，依据物料平衡和热平衡原理，参考统计分析和操作经验等所确定的基本公式，计算铁水、废钢、冷却剂、渣料、铁合金及供氧量的加入量，并按计算结果进行装料和吹炼操作，这种控制方法在吹炼过程中基本不做修正5。它的主要理论依据是冶金热力学与数学统计学。转炉静态控制的核心和关键是建立准确的静态模型，模型越精确其实用性也就越高。静态控制能有效地利用吹炼过程的初始条件进行定量计算，克服了人工经验控制时的随机性和不一致性，终点命中率有所提高。静态控制的缺点是没有考虑吹炼过程中冶炼状况的变化，因而也就不能对吹炼过程进行修正，终点命中率的提高受到限制。纵观转炉炼钢静态控制的发展历程，理论模型、经验模型、统计模型和人工神经网络模型是转炉炼钢静态控制常用的模型。机理模型是根据对冶炼过程中各种参数的分析再加上一系列的假设，通过进行物料平衡、热平衡计算，得到了关于废钢、铁水和石灰的装料模型，机理模型在实际应用中涉及的参数较多且不易控制。由于转炉炼钢过程非常复杂，影响因素多，人们尚未完全搞清楚某些过程的反应机理，所以至今还没有建立起有实际应用价值的纯理论模型。某些物料平衡需要的数据，不是测量所能得到的，存在着很多的假设(依据经验)，所以平常所说的理论模型，多为半机理半经验模型。增量模型也称为经验模型，从历史与本炉冶炼初态和目标状态增量计算本炉操作变量，即静态增量控制模型在参考炉次冶炼实绩的基础上，同时考虑本炉次与参考炉次之间各操作因素差异的影响，应用增量计算方法建立冶炼过程相应的热平衡和氧平衡关系式，从而最终确定本炉次整个冶炼过程的吹氧量和冷却剂用量。增量模型建模简单，有自学习能力，但参考炉次和各个模型参数的选取困难。统计模型是依据黑箱原理，不考虑过程中的物理化学规律，只考虑系统输入量与输出量间的实际关系，在收集大量试验数据的基础上，通过数学统计的手段，统计计算冶炼过程各主要控制变量的大小。这类模型由于只考虑输出量与输入量间的统计关系，可以对随机偏差进行分析，消除随机因素的影响，因而能保证一定的精度，且结构比较简单。但这类模型有较强的条件性和针对性，要求统计大量的实际生产数据，建模前期工作量较大。人工神经网络模型发展很快，国内外己有很多学者将人工神经网络技术应用于转炉终点的静态控制。近年来，一些基于人工智能技术特别是神经网络或其结合算法的预测控制方法广泛应用到转炉生产过程的控制和优化中来。与传统的静态模型相比，由于人工神经网络具有自学习、自组织、强鲁棒性和能够逼近任意非线性函数的能力6，7，神经网络的出现为克服传统数学模型难以描述的问题提供了一条新的途径。基于此建立的静态模型更能准确的指导生产，其应用也越来越广泛。尽管基于副枪、炉气系统的动态控制技术是目前转炉终点控制的主流技术，但是，静态控制是实施动态控制的基础，良好的静态控制可以为动态终点控制创造非常有利的条件，对于提高终点命中率具有重要意义，因而静态控制仍然是转炉炼钢的一个重要方面。由于资金和技术两方面的原因，我国的大多数中小型转炉仍只能是采用人工经验控制或经验控制与一些较简单静态控制相结合的控制方案，因此，研究静态控制目前在我国现有技术装备条件下仍具有重要的意义。2.3 转炉终点的动态控制动态控制是在静态控制的基础上，应用副枪、炉气分析仪、自动测温装置等检测吹炼过程中有关变量随时间变化的动态信息，依据检测到的动态信息对吹炼参数及时进行修正，以达到预定的吹炼目标，提高命中率。目前主要的转炉动态控制是副枪动态终点控制和炉气分析动态控制。副枪动态终点控制是根据转炉吹炼进入后期过程中用副枪测定得到的钢水温度、结晶碳浓度，计算为了达到目标出钢温度及钢水碳含量所需的吹氧量与冷却剂的加入量，并利用指数函数及线性函数来实时推定吹止时的钢水碳含量及温度，利用终点试样碳及温度的信息对控制参数进行校正。副枪系统被用来测定钢水熔池的实际成分和温度，主要目的是控制并缩短炼钢时间，避免或减少倒炉次数或补吹次数，从而节省能源，加少工人的劳动强度，改善工作条件和环境状况，降低耐火材料消耗，提高生产效率。副枪动态控制技术能基本消除转炉初始条件波动的影响和系统误差及吹炼过程中产生的各种随机误差，但由于设备上的原因，要受限于炉口尺寸的大小，一般仅适用于 100t 以上的转炉，另外由于副枪采用结晶定碳技术测定钢水熔池含碳量，在生产低碳钢时的测量精度和命中率都较高，一般可达90%以上，甚至大95%以上，而生产高碳钢时测量精度和命中率都较差。转炉炉气分析的动态控制是指通过连续检测炉口逸出的炉气成分，来计算钢水熔池的脱碳速率等，从而确定钢水中的碳含量、杂质含量，以及钢水熔池的温度和炉渣的成分，并及时调整供氧强度和冷却剂用量，从而达到对转炉冶炼全程的动态控制8，9。炉气分析动态控制技术能通过对炉气的在线分析及对钢水碳含量和温度的连续预报，不断地对转炉冶炼全程的动态控制进行动态校正，除预报钢水的碳含量和温度之外，还可以预报钢水的S、P以及炉渣成分变化，而且其设备安装，不受炉口尺寸的限制，但炉气分析一般是利用质谱仪通过检测转炉的炉气成分来推算冶炼终点，其测量精度受诸多因素的影响，在生产低碳钢时的测量精度和命中率较高，一般90%或95%以上，另外，质谱仪的构造复杂，维修和保养都非常重要，而且其价格也较高。转炉炼钢的动态控制技术还有一些其它方法，如光学方法：由于炉口的火焰的光谱会随着吹炼的过程呈现出一定规律的变化，己经有利用光学方法来判断转炉炼钢终点的尝试。与光学方法类似的还有模式识别法10和纹理分析法11，模式识别法是将图像分成若干个区域，根据特定区域内特征像素点的出现概率作为特征，通过模式识别的手段来识别和判断炼钢阶段的方法；纹理分析法是利用图像处理中的纹理分析法，通过分析和比较每幅图像的纹理结构特征，并根据图像的纹理特征的变化来判断炼钢终点。由于这几种方法都不是直接测定和判断钢水的温度和成分，准确率受到限制，故实际应用的意义很有限。2.4 转炉终点的自动控制目前，自动化炼钢主要采用静态控制和以副枪监测信息为基础的动态控制相结合的方法。动态控制的关键是准确预报转炉吹炼终点的温度和碳，及时调整加入的原材料、辅助材料及氧气，从而提高吹炼终点命中率。转炉生产记录数据真实、准确和实时性强，对其分析处理并根据诸多操作参数间的相互关系可确定对目标函数影响较大的操作参数，建立数学模型，实现目标函数的预测以及信息的反馈，这对改善转炉冶炼的过程控制有极其重要的意义。日本于八十年代末期开始开发转炉全自动吹炼技术，它在转炉动态控制的基础上采用以下技术：炉渣在线检测技术，监测和调整炉渣的状态；炉气在线分析技术，预测熔池碳含量和温度；模糊判断和神经网络系统，调整控制模型；副枪动态控制技术，检测钢水的温度和成分，调整和控制钢水的碳和温度。副枪动态控制技术就是在吹炼接近终点时，向熔池内插入副枪，检测熔池温度T和碳含量C，同时对钢水进行取样。根据检测数据和化验结果，修正控制模型的计算结果，计算命中终点所需的供氧量(或供氧时间)和冷却剂加入量。采用了以上技术，就可实现转炉吹炼的全自动控制。对于转炉炼钢系统，影响终点温度和碳含量的因素很多，各因素之间存在着严重的非线性关系。将人工神经网络技术应用于转炉炼钢控制中，开发转炉人工智能静态控制模型和动态模型，可进一步提高模型控制精度，提高模型对炼钢过程各因素之间复杂的非线性关系的处理能力和对系统随机因素变化的反应能力和适应能力，提高终点命中率。多种神经网络模型各具特点，在所有的模型中 w (C) 误差为 0. 02 %时，命中率的最好水平为80 %，温度误差为 15 时，命中率最好水平为88 %。毫无疑问，全自动吹炼控制将是未来转炉炼钢终点控制的发展方向。表 1 转炉炼钢终点控制方法的比较控制方法优点缺点适用范围拉碳补吹法、辅助原料消耗较低处理时间长，生产率低低磷硫铁水，适于中高碳钢种一吹到底增碳法处理时间短，生产率高辅助原料消耗较高高废钢比，适于中低碳钢种人工经验控制法操作简单，运行费用低终点命中率低，波动较大原料不稳定，适于小型转炉静态控制法操作简单，运行费用较低终点命中率较低，波动较大原料稳定，适于大中型转炉动态控制法终点命中率较高，波动较小设备投资较大，维护费用较高原料稳定，适于大中型转炉自动控制法终点命中率高，波动小设备投资大，维护费用高原料稳定，适于大中型转炉3. 转炉终点控制技术的应用效果2004年攀钢转炉“低拉增碳”炼钢工艺下的生产数据记录，对基于GA-BP 的终点控制静态模型进行应用测试，训练误差 e=0.001，作为检验样本的100 条冶炼记录数据不参与模型训练。为了比较训练样本数对预测结果（即神经网络泛化能力）的影响，选择训练样本数为 1000 的训练样本集，在C0.02%、T15的情况下，碳和温度的命中率分别 94%和 96%，碳、温同时命中率为92%。攀钢1#转炉以冶炼Stb32系列钢的生产过程炉次数据416炉数据对神经网络模型进行训练，当网络累计误差小于预定误差值时视为计算收敛。通过生产实绩数据进行测试，在控制精度 T 15， C0.03%时，预测温度命中率为 75.8%，预测碳含量命中率为 72.6%，碳、温同时命中率为 58.1%，转炉终点命中率达到较好的效果。基于时间的 BP 神经网络终点控制模型Stb32 BP 算法 43.0准动态终点控制模Stb32BP 算法58.1%。我国武钢第三炼钢厂采用全自动控制炼钢技术，碳、温双命中率达到 90%以上12；美国内陆公司用副枪进行终点控制， 一次倒炉率达91 %; 美钢联未安装副枪， 而采用投入式热电偶在吹炼接近终点时从烟罩上方投入炉内进行不倒炉测温， 同时利用炉气温度监测和观察炉口火焰的方法估计终点碳含量， 一次倒炉率也可达85 %。 最近， 伯利恒公司开发了一种测定吹炼终点火焰亮度的光学探测仪， 已成功地用于冶炼低碳钢时终点碳(C0.06 % )的控制， 有92 %的低碳钢炉次出钢碳含量的误差小于0.01 %。此外， 美国能源部(DO E)和钢铁协会还联合资助开发了放置在氧枪内用于在线测定熔池温度和枪位的光学探头， 以及平行于炉口上部用于测定炉气成分和温度的激光探头， 目前已取得了阶段性成果。随着转炉装备水平的进步，基于人工智能的模型方法成为控制技术的主流，并且作为转炉动态控制基础的静态模型对转炉控制水平有重要影响。表2 转炉终点控制的应用效果钢厂采用的方法控制标准碳、温同时命中率宝钢自动控制C0.02%、T1590%以上武钢自动控制C0.02%、T1590%以上鞍钢静态+人工C0.02%、T1580%以上首钢自动控制C0.02%、T1590%以上攀钢神经网络模型C0.02%、T1592%日本自动控制C0.02%、T1590%以上美国（伯利恒）动态控制 光学探测仪C0.01%92 %韩国自动控制C0.02%、T1590%以上4转炉终点控制技术的展望转炉终点控制技术的发展经历了四个阶段，使转炉终点命中率得到大步的提高，同时也使转炉的自动化水平得到进一步的发展，但是，由于炼钢厂的现存的实际的各不相同，转炉操作自动化水平参差不齐，采用的转炉终点技术存在很大的差异。由于转炉炼钢终点控制技术的发展受炉型的限制，不同类型的转炉对终点控制技术的需求也各不相同。转炉发展趋向于大型化，小型转炉将逐步的被淘汰，但是，由于经济原因及小型转炉其自身的优点，其存在目前还有一定的必要性。小型转炉的自动化水平普遍较低，由于其经济条件和炉型的限制，其投资于终点控制设