轉爐煉鋼終點控制技術應用現狀

張 杰

BOF 煉鋼是目前世界上應用最廣泛、效率最高的煉鋼方法，控制熔點是BOF 制造的關鍵技術之一，準確確定終點對于提高鋼水質量、縮短熔化周期。因此，由于然而，由于來料的不穩定性、復雜的化學反應以及所鑄造鋼種的剛性，最終的熔點仍難以精確控制。

轉爐煉鋼終點控制是煉鋼過程中后期作業的主要內容，控制水平直接影響鋼材的最終產量和質量。轉爐末端煉鋼控制主要控制鋼水碳含量和溫度，終點鋼水碳含量控制過高，不利于低脫硫控制。并在后期進行脫磷，這將增加鋼的氧含量。轉爐煉鋼終點溫度控制過高過低，對生產過程中的各類原料及冷卻劑消耗都有重要的影響，同時也影響著冶煉時間和轉爐使用壽命，金屬材料消耗的多少，直接影響到鋼水的生產質量。隨著我國當下冶金技術的不斷發展，轉爐的煉鋼過程中，很多大型鋼鐵企業都引入終點控制，并且將其作為主要的生產限制性環節，結合生產實踐分析，轉爐煉鋼終點控制現狀，利用各種控制模型及方法，對生產工藝不斷優化。開發出適合鋼鐵企業生產應用的，適用性強，可靠性高，終點命中率高的智能型重點控制技術，對提高轉爐煉鋼降低能耗，提高鋼產量，都具有重要的意義和價值。在轉爐煉鋼后期，需要展開終點控制操作，此環節技術的運用直接影響煉鋼質量。隨著爐外精煉和連鑄工藝的快速發展，轉爐煉鋼期間終點控制成為影響行業發展重要技術之一。靜態技術、動態技術、智能技術都有所應用，讓終點控制技術取得了更多突破，為煉鋼質量的提升奠定基礎。

1 轉爐煉鋼終點控制技術發展過程

20 世紀中期，鋼鐵研究人員利用熱力學實驗數據精確的計算出煉鋼過程中各種化學反應熱能消耗及熱能產量，同時，計算機控制技術正在應用于轉爐煉鋼。其中，最顯著的是美國Loughlin Steel 公司率先開發出靜態轉爐模型，利用模擬計算機精確控制鋼水廢鋼和造渣材料的量、鋼水溫度。到上世紀末，靜態模型已廣泛應用于轉爐鋼的生產過程中，主要是利用計算機控制鋼鐵生產過程中的各種數據，指導操作人員進行精確操作。隨著計算機技術的不斷發展和應用，各種監測手段開始迅速發展，對鋼鐵冶煉的進步起到了重要作用，它可以連續監測轉爐煉鋼的氧氣供應、煙氣成分等各種數據。轉爐中的冶煉技術發展，將原有的轉爐煉鋼的靜態模型，與轉爐內動態模型相互結合，實現金屬冶煉的全過程控制。在冶金轉爐生產控制技術的發展過程中，主要分為四個階段，分為人工經驗控制、靜態控制、動態控制和自動控制，其中人工經驗控制主要取決于操作人員對冶煉中各種情況的了解。過程，例如鐵水的成分，鐵水溫度生產參數等情況進行重點控制。在冶煉過程中的加料情況，供氧情況等都是根據不斷變化的經驗，在爐料平衡的狀態下實現熱平衡計算，從而指導冶煉生產工藝，定義傳遞給最終端點的各種參數。冶金轉爐動態控制，是在靜態控制的基礎上開始發展，其動態模型根據吹煉過程中，轉爐的后期鋼水成分與溫度發生變化，應用動態模型進行調整的。根據原來的吹煉參數來控制轉爐的終點不同的參數值。轉爐中的自動錘煉控制技術，在動態控制技術中的計算機網絡獲得轉爐煉鋼過程中的各類動態信息。轉爐運行過程中的控制端點發展中主要包括經驗控制、靜態控制、動態控制和自動控制。動態控制方法主要是以當前工程發展的程度為主，形成自動化的轉爐生產控制技術；另外，在現代發展中光學成像的方法與智能控制方法不斷興起，成為轉爐發展的可靠技術；一些鋼鐵冶金發展使用新型測溫技術，該方法可以促進轉爐生產中的產品質量，提高自動化轉爐的發展。實現轉爐煉鋼過程的連續性，在線修正，從而利用自動控制技術，影響轉爐終點各項參數比值。終點控制最終利用人工控制方法，借助以往經驗，根據取樣分析和常規檢測確認終點，準確率在50%左右，此方法運用可能對煉鋼原材料造成浪費。隨著技術的發展，靜態控制的應用使得終點控制準確率達到60%以上，但是該方法應用需要的計算量相對較大，而且需要建立控制模型。動態控制是由靜態控制發展而來，利用吹煉環節的監控對于生產參數進行調整，準確率可以達到70%，在輔助監測儀器的應用下，準確率可以超過80%，推廣價值較高。隨著科技的發展，自動控制方法也被應用其中，利用計算機計算，控制人為誤差，終點確認準確率超過85%，煉鋼質量有極大提升。

2 轉爐煉鋼終點控制方法

2.1 增碳控制方法

增碳控制方法應用的最終目標就是將含碳量增加，對于煉鋼終點含碳量加以控制，保證出鋼階段完成增碳操作，讓煉鋼質量達到要求。應用此工藝可以降低煉鋼過程鐵損耗，消耗更多廢鋼。然而，技術應用環節，增碳劑的選擇十分重要，需要確保其純度和質量能夠達標，要求其中含有特定質量的硫，以避免鋼水產生的污染，對于煉鋼效果造成影響。雖然此技術應用操作簡單，然而注意事項相對較多，如果把控不好，就會對終點控制質量造成影響。

2.2 拉碳補吹方法

控制轉爐鋼生產終點的碳拉后吹掃法是人工控制經驗最常用的方法。該方法是一種終點控制方法，其中手動確定鋼的碳含量以達到目標終點，并在后期吹掃階段停止氧氣吹掃。在中高碳鋼生產過程中，由于目標碳含量高，碳氧化速度快，難以準確確定終點目標碳含量，因此采用碳拉+后吹掃法。經常使用調整，即附加碳拉吹法。一般根據與供氧時間和耗氧量有關的吹掃特性，根據被熔煉鋼的含碳量上限確定終點，測溫取樣后，進行相應的附加吹掃和溫度調整。拉碳補吹法的特點是：終點鋼水氧含量低、終渣FeO 較低、終點鋼中含錳量高、金屬收得率高、氧氣消耗少、終點鋼水中氣體含量低、脫氧劑消耗少等，因而特別適用于中、高碳鋼的生產，但該方法的終點一次命中率較低，一般在50%～70%。

因為終點控制就是煉鋼期間對于鋼水內部含碳量加以控制，防止含碳量控制不合理，對于鋼材品質造成影響。應用拉碳補吹這一方法，簡而言之就是通過吹煉環節進行拉碳，進而對終點位置進行調整，到達終點時可將吹氧工序停止。在此技術應用過程，“拉碳”、“補吹”工藝的調整十分重要。因為中高碳鋼內部含碳量相對較高，所以脫碳的速度也相對較快，這一現象為終點位置判別帶來挑戰，所以需要利用高拉碳這一方法。在技術應用階段，應該按照吹煉環節特點，對于供氧時間、耗氧量等綜合確認，之后按照不同鋼種內部碳含量要求，采取拉碳措施。需要注意，碳規格應該略高，便于后期取樣分析，之后利用此含碳量鋼脫碳速度，對其采取補吹措施，使其可以達到終點品質要求。應用此方法完成終點控制，要求操作人員對于鐵水內部磷、硫等物質含量進行合理把控，含磷量占據0.050%～0.080%之間；含硫量介于0.02%～0.03%之間。使用拉碳的方式對于鋼鐵進行冶煉，可以提高金屬回收率，高效利用資源，二次利用原材料。

2.3 儀器定碳方法

儀器定探法的運用主要是利用氣相質譜儀這種儀器，對于轉爐內的氣體進行分析，檢測爐氣成分，最終達到對鋼水成分的連續預測目的。檢測階段，還可能利用紅外分析儀，但是對比氣相質譜儀，其準確率相對較低。應用此方法對于儀器精密度有較高要求，儀器使用環境要求也相對較高，因此造價成本高昂，尚未得到廣泛運用。

運用質譜儀可以對煙氣流量進行分析，計算出物料平衡點，根據上述數據，展開終點控制。分析過程需要利用氦氣和氬氣這類惰性氣體，作為追蹤氣體。比如：使用氦氣輔助測量的時候，質譜儀能夠對氣體展開追蹤，進而獲得煙氣流量數據、成分信息等，由操作員分析數據，通過計算得出含碳量具體值，根據終點控制要求，對于生產工藝進行調整。需要注意，該方法應用需要保證爐氣分析過程設備精度可靠，對于流量校正操作準確。為提高測量精度，可將成像法和光學法結合使用，該系統通常包括光強采集、圖像采集、數據分析處理等模塊。通過收集、提取和分析轉爐爐頸圖像的光強和圖像信息，綜合確定這些特征參數的變化與吹掃終點的對應關系，從而在線判斷爐況。除此之外，應用此方法的優點就是能對鋼水含量、氯氣成分展開連續測定，有助于隨時控制煉鋼階段廢氣含量。

3 轉爐煉鋼終點技術的應用

3.1 動態控制法

轉爐冶煉中的動態監測主要是在轉爐的靜態監測技術上，并將其很好的應用到轉爐生產上，在鋼鐵材料的后期吹煉中，采用到了輔槍、爐氣分析儀、自動測溫儀等設備進行檢測。在對轉爐進行吹掃過程中，轉爐內的運行狀態會隨著時間發生變化，基于此，轉爐會在線調整吹掃參數。目前，我國應用較為廣泛的技術為動態控制技術，這是轉爐內二次噴槍重點動態技術，與爐氣分析終點動態控制技術。附加槍的終點動態技術，在轉爐內的吹掃接近終點時，要將附加槍插入到熔池當中，檢測熔池內的溫度含量，同時，要對鋼水進行樣本氣體，這其中就需要供氧量，以及制冷劑的用量，利用函數或者線性函數進行實時計算轉爐中的鋼水排污量，并確定出排除污水的地點。輔助槍的主要應用方法是通過測量鋼水的實際成分與轉爐內的溫度來縮短控制煉鋼時間，從而可以避免裝爐內的回爐次數與轉爐內的補吹次數，節約材料能源，減少人工強度，改善勞動條件和環境，降低消耗，提高生產效率。使用副炮動態控制技術原則上可以消除或減少各種因素的影響，例如轉爐初始條件的波動、隨機誤差和系統誤差。由于設備上的原因，副槍受限于爐口尺寸的大小，一般僅適用于100t 以上的轉爐；此外，由于輔助噴槍采用結晶碳檢測技術來測量鋼水的碳含量，當鋼的碳含量低時，測量精度高，而當鋼的碳含量高時，測量精度低，精度較低，因此該技術一般適用于生產中低碳鋼。轉爐終點動態控制，基于爐氣分析，是通過連續確定吹煉后期離開爐口的爐氣成分來計算鋼水的脫碳率，間接確定鋼水的成分。鋼水和鋼水。鋼溫度，及時調整系統，調整預測吹掃終點，實現轉爐煉鋼終點動態控制。爐氣分析終點動態控制技術可連續預測鋼水碳含量和溫度，動態調整控制系統，預測S、P 和鋼渣等成分的變化，其設備安裝為不受爐口大小的限制。終點鋼水含碳量低時，測量精度和命中率高，一般在90%以上，但爐氣分析設備設計復雜，維修保養困難，基礎成本高。采用轉爐煉鋼動態控制，終點碳溫達率一般可達70%～85%。

動態分析方法的應用能夠對煉鋼過程實時監控，該方法運用需要依托靜態控制模型而展開。運用副槍動態控制技術，需要在轉爐吹煉以后，使用副槍對于鋼水溫度、碳濃度進行測定，判斷轉爐處于終點位置含碳量要求所需的冷卻量、吹氧量，進而利用函數對于吹煉過程進行分析，并且調整相關參數。動態控制在邏輯分析中的應用能夠對轉爐生產過程展開連續檢測，以便根據生產需求調整參數。該方法運用能夠及時將含碳量測定出來，還能將煉鋼過程雜質成分測定出來，指導生產者準確控制終點，提高生產質量。

3.2 靜態控制法

使用靜態控制技術確認轉爐煉鋼的終點建立模型，模型精度高，控制效果越優越。該技術運用優勢即為可在吹煉環節完成初始數據定量分析，將人工控制存在的不確定問題解決。然而，并不可以對于吹煉環節發生的變化展開監控或者調整。常用的模型如下：第一，增量模型，利用以往生產環節初態、目標狀態的增量對于本爐操作變量進行初步確認，相關人員在操作過程，需要對參考爐次進行準確選取，為吹煉環節的熱平衡計算提供支持。同時，還需兼顧本爐存在的變量差異，建立增量模型，獲得生產數據，完成冷卻量、吹氧量等計算。第二，統計模型，該控制方法應用需要做好前期準備，因為模型建立需要利用輸入和輸出量，針對二者展開參數分析。統計模型參數少，建立過程操作簡便，前期需要參考較多的數據，才能保證終點確認準確率。第三，機理模型，該模型建立所需參數多，需要相關人員分析冶煉參數，通過計算獲得熱平衡數據，建立石灰、鐵水、廢鋼之間的關系模型，所選參數多，控制不易，因而準確度較低。第四，神經網絡，在科技的發展過程當中，神經網絡在靜態控制當中也有廣泛應用，由于其具備自主學習能力、自組織能力等，可以接近非線性函數，能夠為靜態控制環節模型建立提供更多支持，在轉爐終點控制自動控制階段可以利用該模型。

3.3 自動控制法

目前，自動化煉鋼主要采用基于輔助監控信息的靜態和動態相結合的控制。動態控制的關鍵是準確預測轉爐吹掃結束時的溫度和碳，以及及時調整原料、輔料和氧氣的添加量，從而提高吹掃結束時的命中率。逆變器制造核算數據可靠、準確、可操作，可分析處理，根據眾多運行參數與數學模型的關系，確定對目標函數影響較大的運行參數。可以設置實現目標函數預測和反饋，這對于改進轉爐冶煉過程的控制具有重要意義。

在轉爐煉鋼領域，自動控制技術在終點控制當中的應用屬于先進的方法，終點控制準確率超過95%，所以受到高度關注。煉鋼企業要保證煉鋼質量，就需要對自動控制這項技術加大研發力度，在技術應用階段，需要注意如下數據的監測：第一，對爐渣展開監測，并且對其狀況進行靈活調整；第二，對于爐氣展開在線分析，進而對熔池內部溫度及含碳量數據進行精準判斷；第三，利用神經網絡、模糊判斷等系統，對于控制模型進行調整；第四，使用副槍對鋼水成分、溫度展開動態控制，根據煉鋼需求進行調整。

對于一個轉爐煉鋼系統，影響最終溫度和碳含量的因素很多，而且這些因素之間的關系大多是非線性的。人工神經網絡技術是處理非線性關系的先進技術，將其應用于轉爐煉鋼生產系統，開發人工智能轉爐靜態控制模型和動態模型，提高對復雜非線性關系模型的理解在鋼鐵生產過程中的各種因素之間，加工能力和對系統中隨機因素變化的反應和適應能力，可以有效提高轉爐終點的命中率。爐氣分析法對于中高碳鋼的命中率不高，在大型鋼鐵企業常與副槍配合使用。與大型轉爐相比，世界上為數眾多的中小型轉爐受爐口尺寸、吹煉條件等因素影響，現在所使用的終點控制方法普遍是人工經驗和靜態模型，已經不能適應日益增長的鋼鐵質量等方面的要求。采用轉爐煉鋼自動控制，無須額外吹煉即可出鋼，終點碳溫達到85%以上。

4 結語

目前我國煉鋼轉爐技術正在趨于大型化，自動化水平發展伴隨終點，控制技術的不斷進步，許多先進智能的終點控制技術在大型鋼鐵企業得到了普遍的應用，例如馬鋼，鞍鋼本鋼等等。同時伴隨煉鋼技術的不斷提升將爐氣分析設備應用于轉爐終點控制，結合腹部測溫、碳檢測技術的AI 模型，推動了轉爐煉鋼技術的快速發展，為大中型轉爐端點監測提供了許多重要參考數據，實現了高端轉爐煉鋼生產點命中率。光學成像技術和智能控制方法的出現，它為確定中小型轉爐的熔點提供了新的思路，但也受到制造條件的限制和模型本身的缺陷的影響，工業應用需要解決許多技術問題。應用。其他方面，該測量技術方法獨特，優勢明顯，雖然存在一些問題，僅用于個別冶煉廠，但方法新穎，可為鋼鐵行業自主研發或外部技術拓展思路。不過就目前我國鋼鐵產能實際情況而言，還有很多小型轉爐投入生產運行中，這些轉爐的自動化水平較低，很多的冶煉都依舊沿用傳統的經驗控制終點，命中率較低，所以針對這些生產在用的中小型轉爐開發和應用相關終點控制模型是具有實踐意義的。未來我國轉爐煉鋼的發展趨勢將是大型化，大型轉爐應該更適合高效鋼聯鑄生產。綜上所述，研究終點控制技術在轉爐煉鋼生產階段的應用對行業發展具有重要意義。隨著科技的快速發展，更多先進的技術被應用其中，讓終點控制的準確率更高，所以，行業人員應該深入研究不同技術的應用要求，做到科學應用，為行業發展助力。