轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制技術(shù)探討

朱建華

（天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津 300350）

轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制主要是煉鋼后期的重要操作，這一步驟會(huì)直接對(duì)煉鋼的質(zhì)量造成一定的影響，所以應(yīng)該得到更加廣泛的重視。就目前我國(guó)煉鋼技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，在連鑄工藝、爐外精煉手段方面在不斷發(fā)展，因此轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)的控制成為了限制鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。對(duì)煉鋼的終點(diǎn)控制主要可以分為靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制，如今伴隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步，智能終點(diǎn)控制法已經(jīng)被研究，并得到使用，從而使得煉鋼過(guò)程中的終點(diǎn)控制變得更為簡(jiǎn)單。因此，相關(guān)煉鋼企業(yè)需要不斷的改進(jìn)轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)，從而不斷的提高煉鋼質(zhì)量。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制技術(shù)的發(fā)展

此技術(shù)主要是需要控制煉鋼過(guò)程中鋼水的成分和溫度，在控制成分方面主要是需要合理控制鋼水的碳含量，如果過(guò)高會(huì)對(duì)脫磷脫硫產(chǎn)生一定的影響，而過(guò)低又會(huì)造成剛中的氧、氮含量增加，不利于煉鋼?？刂茰囟鹊倪^(guò)程中一旦溫度不合理，那么便會(huì)加大原材料的消耗，也會(huì)對(duì)爐襯的使用壽命造成一定的影響，從而影響鋼材的質(zhì)量，提高成本。

在終點(diǎn)控制的技術(shù)發(fā)展過(guò)程中主要經(jīng)歷了人工經(jīng)驗(yàn)控制，靜態(tài)控制，動(dòng)態(tài)控制，自動(dòng)控制四個(gè)過(guò)程，每經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程中終點(diǎn)的準(zhǔn)確率都在不斷的提高，最終可以更好的提高煉鋼的質(zhì)量。在人工控制階段，操作者主要是根據(jù)自己已有的經(jīng)驗(yàn)對(duì)煉鋼過(guò)程中觀察爐火的變化，聲音，然后再通過(guò)借助測(cè)溫定碳、爐前取樣快速分析等常規(guī)檢測(cè)手段來(lái)進(jìn)一步確定終點(diǎn)，但是這種方法過(guò)于片面，并不能很好的把控終點(diǎn)，因此準(zhǔn)確率較低，一般在30%-50%，會(huì)極大的浪費(fèi)原材料和影響煉鋼的質(zhì)量。靜態(tài)控制法準(zhǔn)確率稍微有所提高，大概為40%-60%，但是操作過(guò)程較為復(fù)雜，需要大量的計(jì)算，并且還想要借助操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理的調(diào)整。此種控制法主要是建立在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，操作者需要根據(jù)鋼水的成分，溫度來(lái)建立模型，然后根據(jù)模式進(jìn)行物料平衡和熱平衡的計(jì)算，并且對(duì)一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行糾正，對(duì)材料加以指導(dǎo)。當(dāng)然，根據(jù)模型計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)有時(shí)并不準(zhǔn)確，所以需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)最終的參考進(jìn)行有效的調(diào)整。

動(dòng)態(tài)控制則是需要在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上建立動(dòng)態(tài)模型，主要是在煉鋼后期對(duì)吹煉過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)控，以此來(lái)調(diào)整參數(shù)。這種控制法相對(duì)于靜態(tài)控制法來(lái)說(shuō)較為準(zhǔn)確，準(zhǔn)確率一般可達(dá)50%-70%，如果在控制過(guò)程中可以有新進(jìn)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀器的幫助，那么會(huì)大大提高準(zhǔn)確率，一般可以在80%以上，因此此種控制法也被煉鋼企業(yè)廣泛運(yùn)用。而自動(dòng)控制法主要是在動(dòng)態(tài)控制的基礎(chǔ)上通過(guò)連接計(jì)算機(jī)來(lái)通過(guò)進(jìn)行計(jì)算，此種方法可以減少不必要的誤差，并且還可以減少人工的使用，通常準(zhǔn)確率在85%以上，極大的提高了煉鋼的質(zhì)量。在此過(guò)程可以得到一系列的動(dòng)態(tài)信息，隨后可以進(jìn)行在線計(jì)算和調(diào)整，然后可以將所得結(jié)果盡快傳遞給控制系統(tǒng)，進(jìn)而直接達(dá)到吹煉的目標(biāo)。

隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用光學(xué)參數(shù)即是圖像來(lái)進(jìn)行終點(diǎn)控制，另外，一些人工智能也在不斷的被加入到控制過(guò)程中來(lái)提高準(zhǔn)確率，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其結(jié)合算法的預(yù)測(cè)控制方法，以此來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化控制的準(zhǔn)確率。

2 轉(zhuǎn)爐煉鋼的終點(diǎn)控制

2.1 終點(diǎn)控制方法

2.1.1 拉碳補(bǔ)吹法

在上文提到終點(diǎn)控制方法主要是控制煉鋼過(guò)程中鋼水中的含碳量，避免出現(xiàn)碳含量不合適而對(duì)質(zhì)量造成影響。而拉碳補(bǔ)吹法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在吹煉的過(guò)程中通過(guò)拉碳來(lái)調(diào)整終點(diǎn)的位置，在吹煉到達(dá)終點(diǎn)時(shí)停止吹氧。其中高拉碳+補(bǔ)吹調(diào)整較為常見(jiàn)，主要是因?yàn)樵谖覈?guó)中高碳鋼中的含碳范圍內(nèi)容，所含碳的含量較高，因此脫碳速度較快，因此在判別終點(diǎn)的位置時(shí)有一定的困難，所以需要采用高拉碳的方法。具體過(guò)程時(shí)是首先根據(jù)吹煉時(shí)的特征來(lái)確定供氧時(shí)間和耗氧量，然后根據(jù)鋼種的碳規(guī)格來(lái)進(jìn)行拉碳，需要注意的是此時(shí)的碳規(guī)格需要稍微高一些，隨后進(jìn)行取樣分析，再根據(jù)這一含碳含量的脫碳速度進(jìn)行補(bǔ)吹，直至達(dá)到所要求的終點(diǎn)。采取此種方法進(jìn)行終點(diǎn)控制會(huì)對(duì)鐵水的含硫量和含磷量有很好的把控，含硫量在0.02%～0.03%，含磷量全部在 0.048%～0.080%，均符合煉鋼過(guò)程中所需的含量。高拉碳冶煉鋼鐵可以保證金屬回收率較高，從而減少了資源的浪費(fèi)，可以對(duì)原材料進(jìn)行二次利用。

2.1.2 一吹到底增碳法

此方法最主要的是“增碳”，可以在終點(diǎn)時(shí)按低碳含量進(jìn)行控制，然后在出鋼的過(guò)程中進(jìn)行增碳，使其達(dá)到所要求的鋼種碳碳含量，在此過(guò)程中主要可以多吃廢鋼，從而降低鐵耗。但是，在此過(guò)程中對(duì)于增碳所用的增碳劑要求較高，不僅需要保證一定的質(zhì)量，純度高，還對(duì)硫含量有一定的規(guī)定，如此才能盡可能的避免對(duì)鋼水造成污染，影響煉鋼效果。

這種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)較容易操作，但是此過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)較多也較重要，一旦把控不好很容易影響整個(gè)煉鋼過(guò)程的質(zhì)量。主要包括增碳劑的質(zhì)量和收得率。

2.1.3 氣相（質(zhì)譜儀）定碳法

此種方法主要是進(jìn)行爐氣分析，即是利用質(zhì)譜儀來(lái)分析煉鋼過(guò)程中轉(zhuǎn)爐內(nèi)的爐氣成分，以此來(lái)達(dá)到通過(guò)連續(xù)預(yù)測(cè)鋼水的目的。所用到的儀器主要包括兩種，紅外分析儀和質(zhì)譜儀，一般來(lái)說(shuō)質(zhì)譜儀使用較多，因?yàn)槠錅?zhǔn)確率高。但是同時(shí)質(zhì)譜儀并未得到推廣，主要是因?yàn)閮x器的精密度較高造成了造價(jià)高，并且零件損壞較快，因此成本較高，并未被廣泛運(yùn)用。

質(zhì)譜儀主要是通過(guò)計(jì)算煙氣流量來(lái)計(jì)算物料平衡，為終點(diǎn)控制提供數(shù)據(jù)，在此過(guò)程中主要是利用惰性氣體氬氣，氦氣等進(jìn)行追蹤。在此以氦氣為例，在質(zhì)譜儀分析時(shí)通過(guò)對(duì)氦氣進(jìn)行跟蹤，從而得出煙氣流量的大小以及成分，然后相關(guān)操作人員需要根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，以此來(lái)得出碳含量的大小，并進(jìn)行調(diào)整。此種方法主要的不足之處便是需要確保爐氣分析設(shè)備的分析精度、爐氣流量的校正計(jì)算準(zhǔn)確性等。當(dāng)然，此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)預(yù)測(cè)鋼水的含量和爐氣成分，從而可以對(duì)煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。

總之，在終點(diǎn)控制的過(guò)程中，不同方法有不同的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，操作人員需要根據(jù)具體情況選用合適的方法。

2.2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的靜態(tài)控制

靜態(tài)控制的主要核心是建立精確的模型，模型的準(zhǔn)確度越高，那么靜態(tài)控制的效果越好。其優(yōu)點(diǎn)是可以在吹煉的過(guò)程中通過(guò)初始的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行定量分析，從而解決了人工控制的不定性和不一致性，但是同時(shí)由于其并不能對(duì)吹煉過(guò)程中中的變化進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控調(diào)整，所以準(zhǔn)確率無(wú)法得到更大的提高。針對(duì)靜態(tài)控制主要有以下幾個(gè)模型。

2.2.1 機(jī)理模型

機(jī)理模型需要考慮的參數(shù)較多，主要是對(duì)冶煉過(guò)程中的各種參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行熱平衡計(jì)算，得出相應(yīng)的模型，主要包括廢鋼，鐵水以及石灰的模型。但是此種模型所涉及的參數(shù)較多，不易控制，因此模型的準(zhǔn)確度相對(duì)較低。除此之外，因?yàn)檗D(zhuǎn)爐煉鋼的過(guò)程中有許多反應(yīng)機(jī)理尚未探明，所以在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)通常會(huì)借助人工的經(jīng)驗(yàn)，也就使得機(jī)理模型的建立是半經(jīng)驗(yàn)半機(jī)理。

2.2.2 增量模型

增量模型的建立需要有一定的經(jīng)驗(yàn)，因此也會(huì)被稱為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。主要是參考?xì)v史爐次的冶煉初態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)增量來(lái)進(jìn)一步確定本爐的操作變量，需要相關(guān)的操作人員在能準(zhǔn)確選取參考的爐次，以此來(lái)為接下來(lái)的吹煉做好熱平衡的計(jì)算。同時(shí)還需要考慮本爐中的變量差異，相關(guān)操作者可以根據(jù)建立的增量模型來(lái)得出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步確定吹煉過(guò)程中的吹氧量和冷卻計(jì)量。這種模型相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)便，操作者可以自學(xué)，但是同時(shí)在選擇參考爐次方面需要有較多的經(jīng)驗(yàn)才能選擇合適的參考數(shù)據(jù)。

2.2.3 統(tǒng)計(jì)模型

統(tǒng)計(jì)模型的建立前期需要準(zhǔn)備的工作較多，因?yàn)槠渲豢紤]輸入量和輸出量，并根據(jù)這兩種參數(shù)得出具體的分析。想對(duì)其他模型來(lái)說(shuō)，統(tǒng)計(jì)模型由于考慮的參數(shù)較少，因此操作簡(jiǎn)便，但是模型的建立需要參考大量的數(shù)據(jù)，建模前期工作量較大。然而一旦模型建立，那么終點(diǎn)的準(zhǔn)確率便會(huì)有所提高，由于只考慮輸入量與輸出量，所以在冶煉過(guò)程中其他的不良因素可以不被考慮其中，因此減少了隨機(jī)因素的影響。

2.2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

由于科技的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的發(fā)展也越來(lái)越快速，已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用到靜態(tài)控制中。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自組織、強(qiáng)魯棒性和能夠逼近任意非線性函數(shù)的能力，因此為靜態(tài)控制建立數(shù)學(xué)模型的困難提供了更好的解決方法。

2.3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的動(dòng)態(tài)控制

動(dòng)態(tài)控制相對(duì)靜態(tài)控制來(lái)說(shuō)具有一定的優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)煉鋼過(guò)程中的變化進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，但是動(dòng)態(tài)控制與靜態(tài)控制有一定的關(guān)聯(lián)，其主要建立在靜態(tài)控制所建立的模型之上。

副槍動(dòng)態(tài)控制主要是轉(zhuǎn)爐吹煉后期需要使用副槍測(cè)定鋼水的溫度和結(jié)晶碳濃度，以此來(lái)計(jì)算為了達(dá)到轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)所需的鋼水碳含量所需的吹氧量和冷卻量，然后利用相應(yīng)的函數(shù)來(lái)具體推測(cè)吹煉過(guò)程中的碳含量，及時(shí)對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

爐氣分析的動(dòng)態(tài)控制法主要是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煉鋼轉(zhuǎn)爐過(guò)程中的連續(xù)檢測(cè)，從而更好的對(duì)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。這種檢測(cè)方法相對(duì)來(lái)說(shuō)較為全面，因?yàn)樵诖诉^(guò)程中不僅可以得出相應(yīng)的碳含量，還可以測(cè)出在煉鋼過(guò)程中的雜質(zhì)，進(jìn)而幫助操作者通過(guò)分析調(diào)整終點(diǎn)的確定，提高準(zhǔn)確率。

2.4 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的自動(dòng)控制

自動(dòng)控制法是目前轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制法中較為準(zhǔn)確和先進(jìn)的方法，準(zhǔn)確率最高可達(dá)95%以上，因此相關(guān)企業(yè)要想提高煉鋼的質(zhì)量，需要加大自動(dòng)控制發(fā)的使用。目前，通過(guò)自動(dòng)控制方法主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾種數(shù)據(jù)檢測(cè)。

（1）爐渣在線檢測(cè)，監(jiān)控并調(diào)整爐渣的狀況。

（2）爐氣在線分析，進(jìn)一步預(yù)測(cè)熔池碳含量和溫度。

（3）模糊判斷和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，調(diào)整控制模型。

（4）副槍動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，檢測(cè)鋼水的溫度和成分，調(diào)整和控制鋼水的碳和溫度。

3 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)的展望

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)不同的階段，從最開(kāi)始的人工經(jīng)驗(yàn)控制法到后面的自動(dòng)化控制法，不僅展現(xiàn)了我國(guó)的科技進(jìn)步，更是可以幫助我國(guó)的煉鋼使用快速的發(fā)展。但是由于不同煉鋼廠的規(guī)模和技術(shù)水平有所差別，因此在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)還存在一定的問(wèn)題。此外，目前我國(guó)爐型的類型相對(duì)不夠完善，在發(fā)展過(guò)程中很大程度上會(huì)由于于爐型而受到阻礙。

目前我國(guó)的轉(zhuǎn)爐發(fā)展更加趨于大型化，一些小型的轉(zhuǎn)爐已經(jīng)逐漸被閑置，但是由于大型爐型還有一些限制，還受經(jīng)濟(jì)的影響，因此小型的轉(zhuǎn)爐還有存在的必要性。首先，目前小型轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)化水平較低，在使用過(guò)程中更多的是要依賴人工經(jīng)驗(yàn)，從而使得準(zhǔn)確率較低，針對(duì)此問(wèn)題主要是需要不斷的加大投資力度，使人工智能來(lái)促進(jìn)小型轉(zhuǎn)爐的進(jìn)一步使用。其次，目前我國(guó)大部分使用的是中型爐，馬鋼、本鋼、攀鋼都都是選用了爐氣分析設(shè)備來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制，并且取得了較高的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述可以得知，轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制技術(shù)對(duì)于煉鋼過(guò)程中有著重要意義，在我國(guó)科技不斷進(jìn)步的背景下，應(yīng)該不斷加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)控制技術(shù)的研究，以此來(lái)提高終點(diǎn)的準(zhǔn)確率，促進(jìn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)的發(fā)展。對(duì)于終點(diǎn)控制技術(shù)的四個(gè)發(fā)展階段，相關(guān)操作人員可以從其中采取優(yōu)點(diǎn)來(lái)完善后續(xù)的控制技術(shù)，做到取其精華，去其糟粕。