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[摘 要]本文对铁水脱硫的工艺原理进行了研究，开发了基于表格模型的预测控制系统，实现了对搅拌桨搅拌速度及脱硫剂加入量的自动计算和“一键脱硫”的全自动控制。
[关键词]预测控制；表格模型；一键脱硫
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0016-02
1 引言
KR法搅拌脱硫由日本新日铁广畑制铁所于1965年应用于工业生产。目前国内少数钢厂已经实现了铁水预处理的全过程自动控制，大多数具有KR脱硫的钢厂都因资金、技术等原因，没有实现全过程自动控制，还处在经验炼钢阶段[1]。本文论述的一键脱硫全自动控制系统，对提高脱硫效率和提高脱硫生产的自动化水平，降低脱硫剂浪费，具有重要的实际意义。
2 基于表格模型的预测控制系统开发
铁水脱硫过程是一个非常复杂的多元非线性反应过程。要实现一键脱硫的目标，必须开发出一个能够无限逼近于这一严重非线性多输入多输出系统的智能控制模型来替代操作工人的经验。为降低开发难度，系统采用了模型预测控制方法。在预测控制算法中，需要有一个描述对象动态行为的基础模型，称为预测模型。铁水脱硫过程与脱硫剂消耗、搅拌桨速度、插入深度、铁水温度等参数有关，难以给出定量模型，故采用表格模型作为预测模型。
2.1 石灰加入量、搅拌桨插入深度和搅拌速度的最优化确定
深脱硫与铁水条件、脱硫剂条件、搅拌条件、脱硫剂加入条件等因素有关，其中石灰加入量、搅拌桨插入深度和搅拌速度是3个最重要的因素。石灰加入量越大，脱硫越多，但加入量很大时，脱硫到一定程度，硫难以再大幅降低，这就需要确定一个经济的石灰加入量。KR铁水脱硫时的搅拌速度是根据铁水硫含量、铁水温度以及搅拌头状况确定的[2，3]。铁水温度与含硫量一定值时，在一定范围内搅拌器转速越高脱硫效率越高。为提高脱硫率，在生产试运行过程中选择铁水温度（1310-1390）℃、初始硫含量（0.015-0.028）%、铁水吨数（110-130）t、净空间高度（0.7-0.9）m等个条件做为必要条件进行正交试验。脱硫程度采用脱硫率作为标准，加入量（A）选择的范围为约7kg/t、8kg/t、9kg/t，插入深度（B）选择的范围为1500mm、1600mm、1700mm，搅拌速度（C）选择的范围为110r/min、120r/min、130r/min。共进行9组正交试验，结果见表1。
分别对A、B、C三个元素计算正交参数（K、k）值，并计算极值（R）得出正交因素主次表，见表2。其中，参数计算公式如下：
K1A=x1+x2+x3=20.00+68.75+80.00=168.75
k1A=K1A/3=168.75/3=56.25
K2A=x4+x5+x6=87.50+92.86+41.67=222.02
k2A=K1A/3=222.02/3=74.01
K3A=x7+x8+x9=88.75+55.99+85.19=229.93
k3A=K1A/3=183/3=61
同理，可以计算出K1BK1CK2AK2B等
将每列的k1、k2、k3中最大值与最小值之差称为极值（R）。即：
对于A因素，R=K3A-K1A=76.64-56.25=20.39
对于B因素，R=K2B-K1B=72.53-65.42=3.58
对于C因素，R=K3C-K1C=87.20-39.22=47.98
R值越大，标明该因素对实验结果影响最大，为主要因素。本例中，因素主次依次为：C（R=47.98）、A（R=20.39）、B（R=3.58）。本例中，要求指标越大越好，故选取每个因素中k1、k2、k3最大的那个水平，即A3B2C3。
在目前的生产条件下，试验结果表明，选择石灰加入量9kg/t、插入深度1600mm、搅拌速度130r/min可使脱硫率最高。从降低脱硫剂消耗和延长搅拌桨寿命（即要求降低搅拌速度）的角度出发，可根据不同的终点硫要求选择合适的脱硫剂消耗量和搅拌速度。
2.2 加料方式优化（石灰萤石混合料加入取代石灰萤石分别加入）
脱硫粉剂采取采用预先将石灰和萤石按照9：1的比例预先混合好，加入大的喷吹罐内，直接喷吹混合料脱硫。混合喷吹加料试验效果优于单独喷吹加料顺序。节约了一套喷吹系统；同时节约加料时间40%以上，整个处理周期缩短4min；便于控制，脱硫程度可以预测，脱硫率从85.03%提高到87.22%，见图1。
2.3 表格模型的建立
在前期工作的基础上，以C#语言编写了相应程序代码，实现了KR脱硫的脱硫剂预测控制表格模型。
2.3.1样本制作
对实际生产中的样本进行分析，选取工况稳定情况下的符合脱硫目标值的样本做为有效样本，有效样本分类保存在数据库中，系统能够实现数据的时序化和归一化处理，从而生成模型样本集。
2.3.2模型计算与系统学习
通过冶金学脱硫理论计算、正交参数计算等方式计算出各种工况下，各种目标硫含量的脱硫剂最优参数（K）并形成模型表格。同时，系统可根据系统误差曲线对参数进行再计算，及时调整表格模型的数据。表格模型的建立，把脱硫这一多元非线性反应过程简化成为一个单输入输出的预测控制过程。
以目标硫0.010%、铁水温度（1310-1390）℃、插入深度1700mm、搅拌桨转数（100-110）r/min为例，建立的脱硫剂表格模型如表3所示。
在实际应用中，相同的工况条件下，每个班次脱硫效果最好的样本其K值和处理周期将做为参考值列入表格模型用来指导下一段时间的生产，表格模型将根据原料的变化、工况的变化等对相应的参数进行学习修正，以确保更好的指导生产。
3 应用效果
该一键脱硫控制技术，对提升管理水平和产品质量有重大意义。
1）提高了铁水的脱硫效率，脱硫效率提高到90%以上，处理周期缩短到23-27分钟，其中月度脱硫处理周期23分钟的指标达到国内先进水平。
2）减少了原料消耗，脱硫剂粉剂消耗降到6.5kg/t左右，搅拌头寿命达到300次以上。
3）脱硫过程温降逐步降低，过程温降从40℃左右降到30℃左右。
4）计算机自控系统可以有效控制人工操作造成的不确定因素，提高劳动生产率和产品质量。
参考文献
[1] 马竹梧，邹立功，孙彦广，等.钢铁工业自动化-炼钢卷[M].北京：冶金工业出版社，2003：97-99
[2] 阎凤仪.镁基粉剂脱硫工艺优化与实践[J].钢铁，2003（2）：13
[3] 孙恩茂.铁水脱硫在鞍钢的生产及应用[J].钢铁，2003（4）：13
作者简介
孟伟（1983-），男，汉族，山东莱芜人，工程师，工程硕士，主要从事炼钢自动控制方面的工作。
[关键词]预测控制；表格模型；一键脱硫
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0016-02
1 引言
KR法搅拌脱硫由日本新日铁广畑制铁所于1965年应用于工业生产。目前国内少数钢厂已经实现了铁水预处理的全过程自动控制，大多数具有KR脱硫的钢厂都因资金、技术等原因，没有实现全过程自动控制，还处在经验炼钢阶段[1]。本文论述的一键脱硫全自动控制系统，对提高脱硫效率和提高脱硫生产的自动化水平，降低脱硫剂浪费，具有重要的实际意义。
2 基于表格模型的预测控制系统开发
铁水脱硫过程是一个非常复杂的多元非线性反应过程。要实现一键脱硫的目标，必须开发出一个能够无限逼近于这一严重非线性多输入多输出系统的智能控制模型来替代操作工人的经验。为降低开发难度，系统采用了模型预测控制方法。在预测控制算法中，需要有一个描述对象动态行为的基础模型，称为预测模型。铁水脱硫过程与脱硫剂消耗、搅拌桨速度、插入深度、铁水温度等参数有关，难以给出定量模型，故采用表格模型作为预测模型。
2.1 石灰加入量、搅拌桨插入深度和搅拌速度的最优化确定
深脱硫与铁水条件、脱硫剂条件、搅拌条件、脱硫剂加入条件等因素有关，其中石灰加入量、搅拌桨插入深度和搅拌速度是3个最重要的因素。石灰加入量越大，脱硫越多，但加入量很大时，脱硫到一定程度，硫难以再大幅降低，这就需要确定一个经济的石灰加入量。KR铁水脱硫时的搅拌速度是根据铁水硫含量、铁水温度以及搅拌头状况确定的[2，3]。铁水温度与含硫量一定值时，在一定范围内搅拌器转速越高脱硫效率越高。为提高脱硫率，在生产试运行过程中选择铁水温度（1310-1390）℃、初始硫含量（0.015-0.028）%、铁水吨数（110-130）t、净空间高度（0.7-0.9）m等个条件做为必要条件进行正交试验。脱硫程度采用脱硫率作为标准，加入量（A）选择的范围为约7kg/t、8kg/t、9kg/t，插入深度（B）选择的范围为1500mm、1600mm、1700mm，搅拌速度（C）选择的范围为110r/min、120r/min、130r/min。共进行9组正交试验，结果见表1。
分别对A、B、C三个元素计算正交参数（K、k）值，并计算极值（R）得出正交因素主次表，见表2。其中，参数计算公式如下：
K1A=x1+x2+x3=20.00+68.75+80.00=168.75
k1A=K1A/3=168.75/3=56.25
K2A=x4+x5+x6=87.50+92.86+41.67=222.02
k2A=K1A/3=222.02/3=74.01
K3A=x7+x8+x9=88.75+55.99+85.19=229.93
k3A=K1A/3=183/3=61
同理，可以计算出K1BK1CK2AK2B等
将每列的k1、k2、k3中最大值与最小值之差称为极值（R）。即：
对于A因素，R=K3A-K1A=76.64-56.25=20.39
对于B因素，R=K2B-K1B=72.53-65.42=3.58
对于C因素，R=K3C-K1C=87.20-39.22=47.98
R值越大，标明该因素对实验结果影响最大，为主要因素。本例中，因素主次依次为：C（R=47.98）、A（R=20.39）、B（R=3.58）。本例中，要求指标越大越好，故选取每个因素中k1、k2、k3最大的那个水平，即A3B2C3。
在目前的生产条件下，试验结果表明，选择石灰加入量9kg/t、插入深度1600mm、搅拌速度130r/min可使脱硫率最高。从降低脱硫剂消耗和延长搅拌桨寿命（即要求降低搅拌速度）的角度出发，可根据不同的终点硫要求选择合适的脱硫剂消耗量和搅拌速度。
2.2 加料方式优化（石灰萤石混合料加入取代石灰萤石分别加入）
脱硫粉剂采取采用预先将石灰和萤石按照9：1的比例预先混合好，加入大的喷吹罐内，直接喷吹混合料脱硫。混合喷吹加料试验效果优于单独喷吹加料顺序。节约了一套喷吹系统；同时节约加料时间40%以上，整个处理周期缩短4min；便于控制，脱硫程度可以预测，脱硫率从85.03%提高到87.22%，见图1。
2.3 表格模型的建立
在前期工作的基础上，以C#语言编写了相应程序代码，实现了KR脱硫的脱硫剂预测控制表格模型。
2.3.1样本制作
对实际生产中的样本进行分析，选取工况稳定情况下的符合脱硫目标值的样本做为有效样本，有效样本分类保存在数据库中，系统能够实现数据的时序化和归一化处理，从而生成模型样本集。
2.3.2模型计算与系统学习
通过冶金学脱硫理论计算、正交参数计算等方式计算出各种工况下，各种目标硫含量的脱硫剂最优参数（K）并形成模型表格。同时，系统可根据系统误差曲线对参数进行再计算，及时调整表格模型的数据。表格模型的建立，把脱硫这一多元非线性反应过程简化成为一个单输入输出的预测控制过程。
以目标硫0.010%、铁水温度（1310-1390）℃、插入深度1700mm、搅拌桨转数（100-110）r/min为例，建立的脱硫剂表格模型如表3所示。
在实际应用中，相同的工况条件下，每个班次脱硫效果最好的样本其K值和处理周期将做为参考值列入表格模型用来指导下一段时间的生产，表格模型将根据原料的变化、工况的变化等对相应的参数进行学习修正，以确保更好的指导生产。
3 应用效果
该一键脱硫控制技术，对提升管理水平和产品质量有重大意义。
1）提高了铁水的脱硫效率，脱硫效率提高到90%以上，处理周期缩短到23-27分钟，其中月度脱硫处理周期23分钟的指标达到国内先进水平。
2）减少了原料消耗，脱硫剂粉剂消耗降到6.5kg/t左右，搅拌头寿命达到300次以上。
3）脱硫过程温降逐步降低，过程温降从40℃左右降到30℃左右。
4）计算机自控系统可以有效控制人工操作造成的不确定因素，提高劳动生产率和产品质量。
参考文献
[1] 马竹梧，邹立功，孙彦广，等.钢铁工业自动化-炼钢卷[M].北京：冶金工业出版社，2003：97-99
[2] 阎凤仪.镁基粉剂脱硫工艺优化与实践[J].钢铁，2003（2）：13
[3] 孙恩茂.铁水脱硫在鞍钢的生产及应用[J].钢铁，2003（4）：13
作者简介
孟伟（1983-），男，汉族，山东莱芜人，工程师，工程硕士，主要从事炼钢自动控制方面的工作。