宝钢集成式精炼过程控制模型成套技术与应用

1、宝钢集成式精炼过程控制模型成套技术与应用杜斌1郑贻裕2（1宝钢股份技术中心2宝钢股份炼钢厂）摘要：本文介绍了集成式精炼过程控制模型的研发，并着重介绍了其在RH、LF、CAS等精炼炉上 的应用。该模型具有独立于任何中间软件及过程机应用系统的特点，具有广泛应用价值。关键词：集成式模型，二次精炼，过程控制，自动建模INTEGRATED SE COND REFINING CONTROLMODELTECHNOLOGYAND APPLICATIONTechnology Center of Baosteel Corp. Baosteel Steel-making plant Baosteel Equipme

2、nt Department ABSTRACT : An integrated refining process control model system is presented. The applications of the model system in RH and LF are introduced. The system is independent of any middle software and control system and can be used in any second refining furnace.KEY WORD : Integrated Model，

3、Second refining，Process Control，Auto-modeling1概述因此主要开发了针对以上三个精炼炉的过程控制模目前，二次精炼工艺被广泛用于钢铁生产，以型。并根据各个精炼炉处理工艺的共性、个性以及RH LF与CAS为代表的二次精炼设备在国内的使用 逐渐增多。随着用户对钢材的质量、品种与性能的要 求越来越高，对精炼处理工艺的过程控制也提出了更 高的要求。借助于过程控制模型的精确计算与对一些 过程信息的预报基本上可以满足这一要求。过程控 制计算机是实现炼钢自动化的重要控制 设备，而实现 过程控制的核心是过程模型。它涉及冶金工艺、自 控、计算机等多门学科，国内过去长期依赖

4、引进，宝 钢在九十年代中期开始研制炼钢模 型用三年时间完 成了转炉全部模型的开发与应用。2000年开始研制精炼炉模型。有了转炉模型开发 经验，对精炼模型的开发要求更高，既要缩短从 开发到应用的时间，又要从原来的只研发模型本 体，变为开发所有与模型相关的画面、通用数据 库接口、进程控制、维护手段等，还要从特定精 炼炉模型的研究提升到开发适合绝大部分精炼炉 的模型。一句 话，研发过程除了可以解决宝钢内 部工业需求外，研发成果还应具备商品特征和市 场竞争力。我们把 这样的模型称为集成式模型， 其特征是系列化、成 套性和独立性，通俗地说， 就是一张光盘集成了全 部模型功能，可以安装到 各类常见的控制系

5、统。本文从模型原理与组成、 集成式模型软件技术、自动建模技术及实际应用 的情况等方面作简要的论述。2 模型基本组成与原理应用较多的二次精炼炉主要有RH、LF、CAS， 对过程控制的要求，开发了一系列模型。有的模型， 如智能合金最小成本模型与成分预报模型不但适用 于以上三个精炼炉，也适用于其它精炼炉；有的模 型为某个精炼炉所独有，如静态脱碳模型与动态脱 碳模型只能用于RH，LF脱硫模型只能用于LF 炉；有的模型，如温度模型，虽然各个精炼炉都 有，但 是由于各个精炼处理工艺加热原理以及其它 方面的不同，虽然建模的方法与所采用的技术基本 相同，但是模型的基本原理与构成不同。限于篇 幅，我们以RH模型

6、为轴心进行介绍。2.1模型简介RH 模型由静态脱碳、动态脱碳、合金最小 成本、成分预报、温度预报与实时推定、脱氧铝 计算等近10个模型组成。LF 炉模型主要有合金最小成本、成分预报、脱 硫模型、温度预报与实时推定、吹氩搅拌等模型组 成。LATS（ CAS）模型主要有合金最小成本、成分 预报、温度预报与实时推定模型组成。处理过程中将各个模型有效组合与综合判断， 达到过程控制目的。图1以RH处理为例，说明 实 际应用时各模型大致的启动时间、顺序与相互联 系。其它的精炼模型的上述关系与RH基本相 同。图1 RH模型启动顺序示意图图1是模型顺序简单示意图，实际应用要复杂 得多。如合金模型的计算信息在一

7、定时间段里要提 供给温度模型使用。又如，动态脱碳在一次抽真空 处理中要启动几十次之多。为了适应不同的用户需求，模型可以分为主要和次要二类。主要模型有脱 碳、温度、合金等。在模型研制过程中，我们还形成了 5、6个工艺 诀窍供用户选择。特别是一些建立在冶金机理基础 上的工艺、技术对于新建精炼炉的企业具有重要参 考价值。2.2脱碳模型概述脱碳模型是RH精炼所独有的模型。RH脱碳模型是根据各类分析测试信息预报 钢水的碳含量，这对于冶炼超低碳钢是十分重要 的。我们以静态脱碳和动态脱碳二个模型的组合 方式投入生产应用，以适应不同检测设备配置的 RH的需 要。比如，对于没有废气分析装置的 RH，主要通过静态

8、脱碳模型给出钢水碳含量的预 报。而对于安装废气实时分析装置的 RH，则以 动态脱碳模型为 主预报碳含量。用户可以根据自 己的检测设备及钢种来选用RH脱碳模型。静 态脱碳与动态脱碳模型在时间上的关系如图2所 示：理出发，在一定的假设基础上建立的模型。RH真空 脱碳是钢液中的碳和游离氧反应的过程，在真空度 和温度一定的情况下，如果脱碳反应达到平衡，碳 和游离氧的乘积为一常数；同时假定参与脱碳反应 的氧的固定百分比（庶）来自于钢液，而其他部分 来自于钢渣中金属氧彳化物的被还原，则钢液中碳和 游离氧的下降遵从特定的比 例关系，由以上两个规 律综合可以 求得平衡碳和平衡氧浓度。在达到目标真空度前，近似认

9、为碳和游离氧浓度按指数规律逼 近平衡碳和平衡氧浓度，方程为：k =k叩 +(q -C片T（1）式（1）中Cti : t时刻钢包内钢液的碳浓度（C：v：真空槽平衡碳徇度（C：钢包初始碳浓度：脱碳si时间常数（min）。因此本模型能预测RH处理过程中碳和游离氧 含量变化，对需要脱碳的钢种，在RH处理初期还能 预报为达到目标碳浓度所必须的处理时间和吹氧量 等综合信息，对脱碳钢种的生产过程有一定的指导 意义。实际生产线上投入的静态脱碳模型要比上述 描述复杂得多，有兴趣的读者可以参考文献1。 有必要指出，静态脱碳模型仅仅依靠处理前的一个 分析值来预报整个处理过程的钢水碳的变化规律， 其精度不高。2.1.

10、2动态脱碳模型简述动态脱碳模型是基于分析碳及抽真空产生的废 气信息，结合自适应控制技术实时预报钢水碳含量 的模型。该模型可以大大提高如质谱仪、红外分析 仪等废气设备的利用率和实际效果。模型原理如下：动态模型计算间隔时间T2T10 02100图2脱碳过程示意图C心心是当前推定碳成分Corgn初始碳分析值w是钢水重量“RH静态脱碳预报模型是从冶金学碳氧2.2.1 静态脱碳模型简述平衡原Oas废气流量c0是废气中CO百分含量C 是废气中CO2百分含量为了提高动态 02脱碳模型的使用效果，在上述原理的基础上，我们做了大量如自适应、软件优化、 图形提示等工作。动态脱碳模型的另一技术特点是： 模型和废气分

11、析设备紧密地联系在一起，给操作带 来较大的便利。下面的动态模型主画面（图3 ）可 以部分反映这方面的工作结果。介绍。表1是RH温度模型在宝钢二炼钢 RH炉 上实 际应用的结果，对电工钢和IF钢进行了现场 测试，模型预报误差 8C范围的命中率达到 96.7 %模型预报误差 5 C范围的命中率为 70%。以下是30炉数据的测试结果，其中电工钢 21炉、IF 钢9炉。需要说明的是，实际处理中通过多于一 次的测温确保温度100%命中RH温度模型的详 细内容请参考文献2误差范围处理中有一次测温的命中率5C70%6C83.3 %8C96.7 %图4是RH温度模型在梅山钢铁公司 RH表1温度模型现场测试命中

12、率图4 RH温度模型梅钢在线画面图3动态脱碳模型在线画面精炼 炉过程控制计算机上应用的主画面。实际应 用结果的精度令人满意。2.3温度预报及实时推定模型简述钢液温度是精炼处理终了的一个重要指标，要 求钢液的温度控制在很小的范围（土5）这样才既 能保证钢液的质量，又保证下工序的顺利进行。RH、LF、CAS 都有温度模型，但是由于各自的处理工艺、加热方式等方面的不同，模型的基本原理及构成有所区别。下面介绍的温度模型的建模技术也适用于其它精炼炉温度模型的建立。温度模型是一个建立在人工智能技术与冶金学机理基础上的模型。它的作用是用来预测及实时推定钢水温度，供操作工确定进一步的操作方法及操 作量，以及确

13、定处理时间，这对于降低成本、稳定 产品质量具有重大意义。它另外一个明显的作用是： 减少测温次数、节省探头（仅此一项就可为生产厂 带来可观的经济效益）和减轻操作工劳动强度。温 度模型由若干子模型构成，有：人工智能模型、冶 金机理模型、信息管理模型等。这种结构的最大特 点是模型精度比上述其它单一结构的模型明显高。 温度模型的另一重要技术是：利用我们独立开发的 自动建模软 AIMT （ Automatic Intelligent Modeling Tools ）来建立其人工智能模型。因此，该 模型具备了可以由冶金工程师直接将测温数据输到 模型调整 画面来调整模型参数，而不需要任何编 程。这是冶金模型

14、技术的重要进步。关于 AIMT 后面将作简要LF温度模型主要有如下功能：根据钢液温度已 有的实际测量值与采取的工艺操作，实时推定钢液 的当前温度和预报未来时刻钢液的温度，并根据所 预报的在标准处理时刻钢液的温度与目标温度的差 值计算需要的通电量。该模型即将在宝钢一炼钢和 上钢一厂的LF炉上投入应用。图5为LF炉温度 模型的在线应用画面。2.4智能合金最小成本模型合金最小成本模型的目的是根据钢种元素 需 求、元素收得率、钢水成分分析值等信息，计 算出一组成本最低的合金组合，供精炼时使用。 目前国际上提供的炼钢合金模型基本上是建立在 线性规划算法的基础上，该方法的好处是除了给出满足生产图5 LF温

15、度模型在线应用画面要求的合金投入配比外，使总投入合金的价格最便 宜。下式是合金模型LP部分的数学描述：MinTC(X )=私 C XS T.电X=1+ A X + A X + . + A X =, = B , Bu , Blt A11 X112213 31n n111+ A X + A X + . + A X =, = B , Bu , Bl21 122223 32n n222t tJA ml + Am 2X + Am3X + I/ =, = Rm mBuX23n1tJX =, =, XlmttC1c1, Xset C1 t. t .X=, = Xset , Xlmt其中：X ：合金j的投入量

16、；jC：合金j的单价；jA :为合金j中元素i的含有ij率；B :元素i的需要量；iBi需元素i的需要量上限，Blj :元素i要量下限；Xset :合金设定投入量，Xlmtt :合金使用限制 量。新算法中考虑了加入合金的重量对目标出钢量 的影响。但该方法也容易出现无解，且出现频率较 高。为了克服线性规划合金最小成本模型的这个不 足，我们为此专门研制了以线性规划和人工智能技 术相结合的组合模型。该模型既给出符合最小成本 要求的合金投入配方，又确保任何情况都不会出现 无解的情况。宝钢炼钢合金最小成本模型研制经历 了 5年时间，推出了好几代产品，应用到了所有的 5 大转炉及精炼炉。上述的组合模型是最

17、新版 本，比目前国内引进的同类模型要先进和实用。 此外，我们的合金模型在分析值、收得率选取方2.5成分预报模型成分预报模型是上述合金模型的反模型，即根 据实际合金投入量、钢水分析值、收得率预测钢水 中元素的成分供操作时参考。与合金最小成本模型 配合，能使合金模型的实用性大大增强。此外，也 给操作人员提供了按照他们自己的投入量来估计钢 水元素含量结果的手段，具有重要的实用价值。2.6脱硫模型脱硫模型为LF炉所独有的模型。脱硫模型首 先根据处理前渣量与渣中各组分含量，计算应加的铝质脱氧剂，从而将处理前渣中的 T.Fe与MnO降到一定程度；第二，根据所处理 钢种目标硫含量的要求、处理前钢水中硫含量、

18、 渣中硫含量添加一定量的合成渣与石灰，从而使 钢液中硫含量降到目标上限以下。既达到脱硫处 理的工艺目的，又节省脱硫剂的投入。3集成式模型的软件技术特点2000年以前，宝钢炼钢过程控制模型的研发工作主要针对企业内部的需要进行，加上技术起步时 间不长，因此工作主要围绕模型的算法及其编程实面也颇具特色，灵活实用。对该模型有兴趣的读者 可以参考文献3现来进行。模型从算法研究到应用大概经历了算法 研究、实验室仿真、现场离线考核等过程，最后进 行在线过程机软件的开发。模型工程师只关心模型 本体的精度、计算速度等问题。与模型在线应用开 发相关的画面、维护工具、进程启动、数据接口等 技术工作则交给有关机房或专

19、业软件公司的计算机 工程师去完成。由于这些工作的开发人员是随工程 不同而不同因此大多是针对特定对象进行开发的， 不可重复使用。这种开发方式是宝钢模型从以引进 为主到自主开发的过程中必然要经历的过程。随着 宝钢模型技术研发能力的增强以及多学科在宝钢研 究院内部的良好合作，我们在精炼模型的开发项目 里，开发了所谓集成式的成套精炼模型。这种模型 最大的特点是：拜具有成套性，即模型是完整、系列化的精炼模型， 可以满足各类精炼炉或不同用户的需求。拜广泛的适应性，通俗地说，这样的模型不再过 分依赖过程计算机应用系统的软硬件构成。集 成式 精炼模型可以嵌入任何常见的计算机系 统，甚至 安装到基础自动化系统的

20、服务器上。按冶金系统习惯的说法是可以嵌入L1.5级或 L1的计算机系统中。这样大大降低了模型的硬 件成本。拜低成本，具有较强的市场竞争力。因为一次性将模型相关的所有画面、维护、接口等系统均开发 完4人工智能自动建模软件AM成，重复利用率比较高，过程机开发成本大幅 度下（Automatic降，所以，可以让利给用户，用户的成本也必然下Modli ng Tools）简介我国作为人工智能的研究大 降。具有以上特点的模型才是真正意义下的商品模 国，取得了大量理论成果，应用领域从文献上看 型。从技术上说，这种集成式的成套模型，除了模 型 也十分广泛。但存在不少问题，首先，我国发表了 技术本身以外我们还必需

21、完成通用数据库接口、不基大量算法方面的文章，却缺乏实用、方便的商品 于特定中间软件平台的画面、模型独立的进程调度等软件工具人们往往利用技术的开发。图6从模型与软件系统的关系描述了模型研 发的软件技术过程。箭头表示技术进步的方向。 由图 可知，模型本体需要从操作系统、中间软件 到应用 软件系统的支持，而集成式模型只需建立 在常见的 操作系统和通用数据库的基础上。这 样，大大减轻了模型维护难度和使用成本。本体图6模型技术进步与系统的关系图7是集成式模型的结构示意图，带背景色部 分是核心。实时数据输入与输出模块是直接与DCS 或总线系统连接的功能，这部分功能尚在开发中。本研究成果是国内冶金行业第一个

22、具有自主知 识产 权的集成式过程控制模型。可与外商在中国市 场上推出的集成式冶金过程控制模型相抗衡。系统数据库象MATLAB之类的软件里的人工智能模块来工作。这 样的数据分析和建模十分麻烦，除了要熟悉MATLAB 外，还要求使用者对人工智能有深入到具体算法的 能力，另外这类软件计算速度十分慢（同等问题经 比较研究证实AIMT上匕MATLAB!高效率达200- 500倍）又不能实现在线应用，这些都大大限制了人 工智能技术的推广应用。其次，人们往往热衷于 算法 的改进，而不重视研究精度、速度、可靠 性、鲁棒性都很好的商品算法。这导致当企业需 要这类源代码级的人工智能技术或成熟的商业软 件的时候无从

23、 获得。也使我国工业界人工智能技 术的推广缺乏适 合的工具，对于深入的工业应用 各单位都不得不低水平重复的开发。因此，能否开发出容易掌握、使 用要求低、适合各界应用的人工智能软件成为我们 关注的重点。此外，实际的数据分析与建模问题还必须考虑 数据的噪音等现状。多年工业建模的实际经验告诉 我们，数据、专家经验及理化公式都是可以利用的 信息。AIMT正是基于这样的背景来开发的。人工智能自动建模软件AIMT是我们独立开 发 的通用工具软件。该软件填补了我国人工智能 商品软件的空白。利用该软件建立的转炉动态模 型已经在宝钢一炼钢3座转炉上试运行。温度实 时预报模型的主体是用该软件来建模的，已投入 多处

24、工业应用。我们用该软件建立的连铸漏钢预 报模型仿真精度非常高。该软件还被上海交大用 到国内外期货及 其它商业或经济学研究，取得了 成果。另外，还有 些公司准备用该软件开发智能 仪表。该软件的主要特点有：拜 软件包含组合神经网络（BP，RBF等数个模 型组合建模）模糊逻辑自动寻优（共4个算法） 等多种数据建模方法。拜 软件可综合利用数据、人工经验、简单的公式 表达三方面信息建模。拜 经第三方对软件的测试和比较研究，结论是AIMT建模精 度略优于SAS、MATLAB等著名软图7集成式模型功能框架示意件的相应模块，效率比MATLAB 高数百倍。图拜AIMT可以自动生成在线模型代码该技术属 国内首创。

25、旋 软件可以广泛应用于工业、医学、农业、社会 学等各领域。拜使用十分简便不要求使用者掌握人工智能技 术本身，是一个傻瓜型软件，点击数十次鼠标 就可完成建模工作。拜长期使用AIMT很容易形成对特定问题的 建 模经验。该软件主要由数据导入、经验导 入、机理公式导入形成的导入层；神经元网络 组合建模与4种模糊逻辑组合建模等形成的建模层；、 FORTRAVB文本文件（供智能仪表开发代码生 成、模型记录、建模过程记录、模型预 报、模型 性能指标分析等形成的结果输出层构成。此外， 还有图形显示等为了使用方便的直观功能模块。 AIMT技术的详细内容请参考文献45精炼模型的工业应用表2描述了精炼模型目前已经应用及已经确定 将要工业应用的项目的情况。时间研究动态应用状况-模型特征99年10月-00年10预研期月）年10月-03年10开发期月2年3月温度模型在宝钢3号RH上投运成功本体式模型02年12月主要模型（脱碳、温度、合金）在梅钢新建RH上投运成功国内第一个集成式模型