转炉终点控制技术的发展

鹏
710055）
要 ： 简要介绍了氧气转炉炼钢过程静态终点控制技术与动态终点控制技术的基本类型 及各种 类 型 的
基本原理与建模方法 ， 并对不同类型终点控制技术的特点进行了对比 。
关键词 ： 转炉炼钢 ； 终点控制 ； 静态控制 ； 动态控制 中图分类号 ： TF703.8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1005 - 6084 （2010） 02 - 0054 - 06
The Progress of End-point Controlling Technology for Converter
XING Man-hua， YUAN Shou-qian ， ZHAO Tian-li， LI Xue-jie， DONG Peng
（The School of Metallurgical Engineering ， Xian University of
1 .2
统计模型 这类模型依据黑箱原理， 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。 应用数理统计方法， 对大量生产 数据进行统计分析来建立模型。 该模型的结构 比较简单， 但是由于转炉冶炼影响因素众多， 要想覆盖所有的冶炼模式需要建立非常庞大的 数据库 ， 因而其适用范围有限 。
2010 年第 2 期
邢曼华等 ： 转炉终点控制技术的发展
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理论模型又称机理模型， 这类模型是以冶 金过程的传输机理和反应机理等为基础， 即以 热力学参数反映炉内反应， 根据物料平衡和热 平衡方程， 参考生产实际并在一系列的假设条 件下推导得出并建立模型的。 描述现象的数学 关系多为常微分或偏微分方程 （ 组 ）， 与相应的 边 界 或 （和 ） 初 始 条 件 一 起 用 数 值 法 求 解 ， 得 出转炉冶炼过程中所需的渣量， 冷却剂量及耗 氧量等函数。 进而将这些函数编制成计算机程 序运用到生产当中 。 理论性模型的适应性很强 ， 但是由于转炉是一个高温复杂多相的反应体系 ， 对转炉炼钢过程的认识有限， 其中大部分影响 因素尚未认识， 至今还没有能准确描述反映转 炉炼钢过程的方程 ， 所以在此基础上建立的模
2.2.1
检测原理 炉气分析主要应用的分析仪器为红外分析
不需要对原有的炉型进行改造， 应用前景好。 转炉炉气分析动态控制可以对吹炼过程中产生 的 烟 气 成 分 （ CO 、 CO2、 N2、 O2、 Ar 、 H2） 和 烟气流量进行连续检测 ［15］。 但是炉气分析是一种 间接测量方法， 不能直接测定炉内的碳含量， 可以通过炉气成分分析获得炉内的反应信息， 根据模型动态预报吹炼碳含量。 通过炉气分析 过程曲线可以有效地预测炉渣返干与喷溅， 进 行过程控制动态炼钢 ［16，17］。 但是炉气分析技术在 温度控制方面预报有待提高 ［18］。
Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ
精度， 还通过改进动态控制模型， 主要是终点 碳的动态预测方程及终点温度预测方程， 在此 方面很多人做了大量的工作。 下面是比较经典 的转炉终点脱碳方程与温度预测方程 ［12］：
2
动态控制技术
转炉终点动态控制技术在转炉冶炼的前半
期由静态模型控制， 进入到冶炼后期后通过副 枪或者炉气分析等技术对炉内情况进行实时监 测， 进而转为动态控制模型阶段。 动态控制模 型根据冶炼后期炉内的实际反应情况建立相应 的反应方程， 即碳含量与温度的控制方程， 由 检测到的实际数值来判断冶炼所需的氧量及冷
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金 属 材 料 与 冶 金 工 程
Vol.38
No.2
却剂量， 同时预测终点时刻， 以求达到终点时 碳温双命中。 目前国内外动态控制技术主要包 括副枪控制技术、 炉气分析技术、 激光检测技 术以及图像分析技术等 。
2.1
副枪控制技术 动态副枪控制技术是在吹炼进入后期时 图1 副枪控制系统
（ 供氧量的 85% 左右 ）， 插入副枪测定熔池碳 含 量和温度， 矫正静态模型的计算误差并计算达 到终点所需要的供氧量和冷却剂加入量， 并分 别利用指数函数及线性函数来实时估算钢水碳 含量及温度。 副枪技术的应用大大提高了转炉 终点的命中率， 减少了倒炉次数， 增强了转炉 生产的连续性和效率 。 目前国内的宝钢 、 武钢 、 莱钢等钢厂都引用了副枪检测技术。 副枪控制 系统的基本结构如图 1 所示 。
［1］
系数 。 在 Δx1， Δx2 … Δxn， β 全为零时 ， yb = yr， 本 模型依据再现性原理， 即在原材料及工艺条件 相同的情况下， 采用相同的冶炼模式， 结果应 该重现。 但是随着冶炼的进行炉内耐火材料的 耗损等条件的改变， 必然导致在相同的原材料 前提下应用相同的操作而结果不相同的情况。 因此在冶炼过程中需要不断更新数据库， 使数 据库中的工艺条件尽量靠近本炉的工艺条件。 如果有任一参数不为零， 可根据本炉次与参考 炉次的原料、 工艺等条件的差异， 推算出本炉 次的目标值。 从模型计算式可知， 模型计算结 果与参考炉次关系密切， 参考炉次的选取是模 型自适应的关键。 增量模型的最大缺点是与时 间无关， 但在实际吹炼过程中， 炉龄增加、 炉 况变化及原材料成分等操作条件都与时间有关 。
2.1.1
副枪检测系统 在转炉冶炼过程当中副枪进行两次检测，
2.1.2
模型的建立 提高转炉终点的命中率不仅靠副枪检测的
吹氧末期 （ 供氧量的 80% ~ 85% ） 进行第一次检 测， 检测探头发出的信号通过正确的处理之后 传到静态和动态模型计算机， 计算机通过动态 模型重新进行计算得出到达终点目标所需的吹
控制、 静态控制、 动态控制和全自动控制四个 发展阶段。 经验控制主要是工人通过测温定碳 和炉前取样快速分析等辅助手段凭借自己的经 验进行。 转炉终点控制模型主要有静态控制模
收稿日期 ： 2010 - 01 - 06
1.1
理论模型
作者简介 ： 邢曼华 （1986 - ）， 女 ， 研究生 。 研究方向 ： 转炉终点控制技术 。
型终点命中率比较低。 而且模型中的某些参数 或系数可能是未知的， 尽管可以根据生产经验 进行假设， 但是由于所假设与生产实际数值不 尽相同， 因此所推导出的理论模型无法准确描 述实际生产过程， 从而导致了终点命中率低的 结果 。
1 .4
静态控制模型的建立
自 W J Slatosky ［4］ 首次将静态控制模型引入到 转炉生产之后 ， 陈忠伟 ［5］、 田超 ［6］、 丁容等 ［7］ 都 在理论及模型方面做了大量研究工作。 在实际 应用中， 往往根据不同类型的特点， 采用理论 模型与经验模型或统计模型与经验模型相结合 的方法进行建模， 并在实践中对模型不断检验 和修正。 经验模型中的系数可以通过热力学数 据进行理论计算得出也可以通过统计分析的方 法得出。 根据获得系数的不同途径可以建立不 同类型的方程 。 孟祥宁等 ［8］ 采用多元回归的方法 建立了静态增量模型。 由于转炉终点动态控制 模型在冶炼的前期操作由静态模型控制， 所以 对提高静态模型终点控制率的研究， 无论从我 国钢厂的基本情况出发还是从提高动态模型命 中率出发都是有意义的 。
［2］
型 、 动态控制模型和全自动控制模型 ［3］。
1
静态控制技术
转炉炼钢过程静态控制就是在吹炼前根据
原材料条件以及所炼钢种的规格， 由计算机计 算出冶炼要达到终点的温度和碳含量所需要消 耗的氧气量以及冷却剂量等。 在整个吹炼过程 中不考虑炉内 ［C ］ 含量和温度的变化 ， 不做任 何实时修正。 这种控制方法根据建模方法的不 同可以分为理论模型 、 统计模型 、 经验模型 。
第 38 卷 第 2 期
金 属 材 料 与 冶 金 工 程
2010 年 4 月
METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING
Vol.38 No.2 Apr 2010
转Biblioteka Baidu终点控制技术的发展
邢曼华，袁守谦，赵田丽，李雪洁，董
（ 西安建筑科技大学冶金工程学院 ， 陕西 摘 西安
氧气转炉炼钢过程依据其反应特点可大致 分为前半期和后半期 2 大区 ［1］， 转炉终点控制是 转炉吹炼末期的重要操作。 在吹炼前半期氧气 主要与 C 、 Si 、 Mn 、 P 反应 。 因此在吹炼过程中 已将 Si 、 Mn 、 P 降至较低含量 ， 所以 转 炉 的 终 点控制主要是对终点碳含量和终点温度的控制 。 自 从 20 世 纪 60 年 代 计 算 机 应 用 到 转 炉 炼 钢 过 程中以后 ， 转炉终点控制技术先后经历了经验
［9］
氧量和冷却剂用量 ， 进行吹炼末期的操作指导 。 在吹炼过程中检测用的是 TSC 型探头 ， 主要用 于测量转炉过程中温度、 碳含量并且进行取样 供分析参考。 在吹炼的终点时刻副枪进行第二 次取样、 检测， 主要对钢水的温度以及自由氧 含量进行检测， 进而预测终点碳含量。 此次检 测主要用的是 TSO 型探头 ， 主要测量的是终点 钢水温度 、 氧含量 、 碳含量及液面高度等 ［10-14］。
Σ ΣΣ ΣΣΣ ΣΣΣ ΣΣΣ Σ Σ ΣΣ ΣΣΣ ΣΣΣ ΣΣΣ ΣΣΣ Σ ΣΣ
c = c0 + βlg 1 + exp
c -c 10α -1 β × exp β β β β β
m 0
Q0 + Σ（hi × ri）
i
（2 ）
WST
式中 c0 为 100 倍临界碳质量分数的值 ； c、 cm 分 别 为 100 倍 吹 炼 终 点 和 第 1 次 副 枪 测 量 时 碳 质 量分数的值 ； Q0 为动态吹氧量 ， m3； α 、 β 为模 型系数 ， 其 中 α 为 最 大 脱 碳 系 数 ， 其 理 论 值 为 · 1.07 kg ／ （m3 t）； ri 为从副枪测定后加入冷却剂 i 的总量 ， t ； hi 为 i 冷却剂的单位含氧量 ， m3 ／ t ； WST 为转炉出钢量 ， t。 Q （3 ） t（τ） = tM + γD 0 + δD - εD ΔC - kr WST 式中 t （τ ） 为 τ 时刻钢水温度 ， ℃ ； tM 为吹炼中副 枪测定时的钢水温度 ， ℃ ； γD 为系数 ， ℃ · t ／ m3 ；
Architecture &Technology ， Xian
710055， China）
ABSTRACT ： This paper describes briefly the basic types of static and dynamic end -point controlling technology in the BOF steelmaking process ， and introduces the fundamental principle and modeling method. The features of different types of end -point controlling technology have been compared. KEY WORDS ： converter steelmaking ； end-point controlling ； static controlling ； dynamic controlling
1 .3
经验模型 经验模型又称增量模型， 利用了转炉炼钢
过程的再现性原理。 为减少系统误差的影响和 提高模型的适应能力， 许多厂家采用以参考炉 为基准的增量方式， 并以单位冷却剂量和单位 氧耗量表示。 即建立本炉与参考炉各参数之差 的增量模型， 本炉的冷却剂加入量和氧耗量等 于参考炉的冷却剂量和氧耗量加上各自的增量 。 增量模型建模简单， 有自学习能力。 基本公式 如下 ［6］： （1 ） yb = yr + α 1 Δ x1 + α 2 Δ x2 + Λ + α n Δ xn + β 式 中 ： yb 为 本 炉 次 目 标 值 输 出 ； yr 为 参 考 炉 次 目标值输出 ； Δx1， Δx2 … Δxn 为本炉与参考炉次 各初始变量及操作参数之差 ； α1， α2 … αn， β 为