论文部分内容阅读
摘要：随着我国科学技术的发展,在转炉炼钢生产中,终点控制已成为限制性环节。本文通过分析转炉炼钢终点控制技术的现状,研究转炉炼钢终点控制的方法及模型,不断提高炼钢终点控制水平,对降低消耗、提高炼钢生产效率具有重要的意义。
关键词：转炉炼钢；终点控制；动态；静态
中图分类号：TF71文献标识码： A 文章编号
引言
转炉炼钢的终点控制方法有拉碳补吹法、一吹到底增碳法、副枪测定法、成分测算法和气相分析法等终点控制方法，通常分为经验控制、静态控制、动态控制以及自动控制。除了经验控制之外，其余的控制方法都是在建立了控制模型的基础上进行的。这些控制模型都是在一定的假设条件下，通过统计处理、机理分析或回归分析等得到的。由于转炉炼钢过程是高温条件下的复杂的物理化学反应过程，受很多因素的影响，而且有些因素还无法准确地定量描述，因此依现有的技术水平建立的静态模型、动态模型、自动控制模型，来控制转炉炼钢的终点，其效果还很难达到完全令人满意的程度。
1、转炉炼钢的终点控制方法
1.1拉碳补吹法
所谓“拉碳”，就是在吹炼时判定已达终点而停止吹氧，由于在中、高碳钢种的含碳范围内，脱碳速度较快，一次判别终点不太容易，所以采用高拉碳+补吹调整的办法。国内在采用高拉补吹法吹炼中、高碳钢时，一般根据吹炼时特征，参考供氧时间及耗氧量，按所炼钢种碳规格稍高一些来拉碳，取样分析(或测温定碳)，再按这一含碳量碳的脱碳速度补吹一定时间，以使其达到所要求的终点。国外常采用“高拉碳”操作冶炼高碳钢，如美国普韦洛厂用氧气转炉生产高碳钢占全部产量的6l%，采用“高拉碳”法生产高碳钢，是因为所用铁水含硫量在0.02%～0.03%，含磷量全部在0.048%～0.080%之间。用这样的铁水炼钢，成品中硫和磷含量几乎无须考虑。“高拉碳”法冶炼高碳钢，渣中氧化铁低，金属收得率略高，氧气和脱氧剂消耗略低，终点鋼水中气体含量较低。
1.2一吹到底增碳法
一吹到底增碳法就是终点按低碳钢控制，然后在出钢过程中增碳，使钢水中的含碳量达到所炼钢种的要求范围之间。要求所用的增碳剂，质量要高，纯度要高，硫含量要低，以免对钢水造成污染。
这种方法在操作上易于掌握，但在其后的增碳过程中，应着重把握两个环节：一是增碳剂的质量，二是增碳剂的收得率。
1.3气相(质谱仪)定碳法
炉气分析是利用质谱仪通过检测转炉的炉气成分来连续预测吹炼过程中钢水碳含量的一种方法，气相定碳主要应用的分析仪器为红外分析仪和质谱仪两种。从目前情况看，质谱仪的使用较为普遍。同时，质谱造仪造价很高，而且气体探针在恶劣的炉气环境中需要经常维修，因而耽误时间，不能及时提供有关数据很难推广使用。气相定碳是通过分析转炉炉气成分
质谱法的测定原理是将氩、氦等惰性气体作为示踪剂，通过气体物料平衡来计算烟气流量。以氩为例，用质谱仪测定烟道内的烟气氩含量，根据氩含量的稀释程度计算烟气流量，然后再根据烟气成分和烟气流量，对熔池脱碳速度和渣中氧的吸收速度做出评价，最终确定港中碳的含量。其测量精度受诸多因素的影响，比如炉气分析设备的分析精度、对炉气流量的校正计算准确性、炉气分析系统的响应时间、模型本身的精度等。
1.4静态控制
即按照已知的原材料条件(如铁水、废钢和熔剂装入量)和吹炼操作条件(如炉龄、出钢后等待时间)，根据吹炼终点的目标温度及含碳量，利用静态模型计算出需要吹入的氧量、冷却剂量、造渣材料及其他原材料的加入量，并据以进行吹炼，在吹炼过程中无任何新信息修正的吹炼控制方法。转炉作为一个控制对象，输入转炉的各种参．数(原料和操作参数)为x1，x2，……，xn，控制目标函数(含碳量、温度等)为Y。由于转炉炉内的冶金反应，可达到目标值Y=(x1，x2，……，xn)静态模型就是要找到能正确反映冶炼过程的函数厂的形式。建立静态模型的方法一种是根据物料平衡和热平衡计算，建立若干平衡方程以计算需要加入的废钢量、石灰量、供氧量等，有人还把冶金反应的物理化学原理也包括在函数中，这种模型为理论模型；另一种是把转炉看作一个“黑箱”，不考虑其中的变化，只是输入变量和输出变量用统计数学的方法归纳出经验方程，称之为经验模型。为了便于在计算机上计算，模型通常采用线性方程组的形式。为了增加模型计算的准确性，实用上常选用若干和当前冶炼条件接近的炉次作为参考，计算各种变量的差值，这种方法称为增量法。各种参考次炉都储存在计算机的数据库中，便于查找。静态控制不是仅在转炉装料之前计算一次，在装料后还要根据实际装入情况进行调整计算，出钢后根据实际得到的结果进行反馈计算。还可以利用反馈计算以修正控制模型中的系数。
1.5转炉终点的动态控制
动态控制是在静态控制的基础上，应用副枪、炉气分析仪、自动测温装置等检测吹炼过程中有关变量随时间变化的动态信息，依据检测到的动态信息对吹炼参数及时进行修正，以达到预定的吹炼目标，提高命中率。目前主要的转炉动态控制是副枪动态终点控制和炉气分析动态控制。
副枪动态终点控制是根据转炉吹炼进入后期过程中用副枪测定得到的钢水温度、结晶碳浓度，计算为了达到目标出钢温度及钢水碳含量所需的吹氧量与冷却剂的加入量，并利用指数函数及线性函数来实时推定吹止时的钢水碳含量及温度，利用终点试样碳及温度的信息对控制参数进行校正。副枪系统被用来测定钢水熔池的实际成分和温度，主要目的是控制并缩短炼钢时间，避免或减少倒炉次数或补吹次数，从而节省能源，加少工人的劳动强度，改善工作条件和环境状况，降低耐火材料消耗，提高生产效率。副枪动态控制技术能基本消除转炉初始条件波动的影响和系统误差及吹炼过程中产生的各种随机误差，但由于设备上的原因，要受限于炉口尺寸的大小，一般仅适用于100t以上的转炉，另外由于副枪采用结晶定碳技术测定钢水熔池含碳量，在生产低碳钢时的测量精度和命中率都较高，一般可达90%以上，甚至大95%以上，而生产高碳钢时测量精度和命中率都较差。
1.6转炉终点的自动控制
指用电子计算机对冶炼终点的自动控制。随着计算机和计算技术的迅猛发展，转炉自动控制的发展也很快。早期的转炉自动控制局限在用物理化学反应式或经验公式通过吹炼之前的预先计算，控制钢水的含碳量和温度，使之达到设定的目标值，命中效果不佳。60年代开始至70年代前期则致力于开发各种仪表来检测炉内反应的情况。这期间，废气分析仪、氧枪振动仪、声纳仪以及各种测温热电偶和各种检测枪相继问世，并建立和完善了各种数学模型，从而达到了能在吹炼过程高速进行的同时对它实行控制。其中副枪测温定碳法是最行之有效的方法。
转炉炼钢计算机控制是近30年的事。计算机控制的目的，是提高吹炼终点钢水含碳量和温度的命中率。为了实现这一目标，关键是炼钢生产过程的正常、稳定进行，吹炼过程具有再现性并能找到合理反映吹炼过程特征的数学模型。由于所反映的问题和应用条件不同，模型有静态和动态模型两类。日本将动态控制和静态控制模型相互配合，使炼钢自动控制达到很高的水平，碳和温度同时命中率达90％以上，已经做到闭环控制，即完全自动化吹炼。
2、转炉终点控制技术的展望
转炉发展趋向于大型化，小型转炉将逐步的被淘汰，但是，由于经济原因及小型转炉其自身的优点，其存在目前还有一定的必要性。小型转炉的自动化水平普遍较低，由于其经济条件和炉型的限制，其投资于终点控制设备的能力有限，相当一部分主要采用经验控制，终点命中率较低，根据小型存在的问题，主要是开发出投资费用小、可靠、适用的转炉终点控制模型，目前人工智能技术的发展，为小型转炉终点的发展提供了一个解决的途径；目前中型转炉的发展很快，中型转炉的自动化水平已经有了很大提高，伴随着终点控制技术的发展，许多先进的终点控制技术得到应用。
结束语
随着现代炼钢技术的发展,转炉终点控制技术大致经历了静态、动态和自动控制三个发展阶段。静态控制阶段的主要特征是以碳含量、温度控制为主,实现终点的基本命中;动态控制阶段的主要特征是在吹炼后期测定熔池碳含量、温度,对静态模型进行动态校正,实现终点的精确命中;自动控制的主要特征是在静态、动态控制的基础上,实施在线检测和控制喷溅,实现全自动控制。
参考文献
[1]王玲，张佳华，李开勇.转炉动态炼钢控制[J].山东冶金，2006
[2]王茂华，惠志刚，施雄梁.转炉终点控制技术[J].鞍钢技术，2005
关键词：转炉炼钢；终点控制；动态；静态
中图分类号：TF71文献标识码： A 文章编号
引言
转炉炼钢的终点控制方法有拉碳补吹法、一吹到底增碳法、副枪测定法、成分测算法和气相分析法等终点控制方法，通常分为经验控制、静态控制、动态控制以及自动控制。除了经验控制之外，其余的控制方法都是在建立了控制模型的基础上进行的。这些控制模型都是在一定的假设条件下，通过统计处理、机理分析或回归分析等得到的。由于转炉炼钢过程是高温条件下的复杂的物理化学反应过程，受很多因素的影响，而且有些因素还无法准确地定量描述，因此依现有的技术水平建立的静态模型、动态模型、自动控制模型，来控制转炉炼钢的终点，其效果还很难达到完全令人满意的程度。
1、转炉炼钢的终点控制方法
1.1拉碳补吹法
所谓“拉碳”，就是在吹炼时判定已达终点而停止吹氧，由于在中、高碳钢种的含碳范围内，脱碳速度较快，一次判别终点不太容易，所以采用高拉碳+补吹调整的办法。国内在采用高拉补吹法吹炼中、高碳钢时，一般根据吹炼时特征，参考供氧时间及耗氧量，按所炼钢种碳规格稍高一些来拉碳，取样分析(或测温定碳)，再按这一含碳量碳的脱碳速度补吹一定时间，以使其达到所要求的终点。国外常采用“高拉碳”操作冶炼高碳钢，如美国普韦洛厂用氧气转炉生产高碳钢占全部产量的6l%，采用“高拉碳”法生产高碳钢，是因为所用铁水含硫量在0.02%～0.03%，含磷量全部在0.048%～0.080%之间。用这样的铁水炼钢，成品中硫和磷含量几乎无须考虑。“高拉碳”法冶炼高碳钢，渣中氧化铁低，金属收得率略高，氧气和脱氧剂消耗略低，终点鋼水中气体含量较低。
1.2一吹到底增碳法
一吹到底增碳法就是终点按低碳钢控制，然后在出钢过程中增碳，使钢水中的含碳量达到所炼钢种的要求范围之间。要求所用的增碳剂，质量要高，纯度要高，硫含量要低，以免对钢水造成污染。
这种方法在操作上易于掌握，但在其后的增碳过程中，应着重把握两个环节：一是增碳剂的质量，二是增碳剂的收得率。
1.3气相(质谱仪)定碳法
炉气分析是利用质谱仪通过检测转炉的炉气成分来连续预测吹炼过程中钢水碳含量的一种方法，气相定碳主要应用的分析仪器为红外分析仪和质谱仪两种。从目前情况看，质谱仪的使用较为普遍。同时，质谱造仪造价很高，而且气体探针在恶劣的炉气环境中需要经常维修，因而耽误时间，不能及时提供有关数据很难推广使用。气相定碳是通过分析转炉炉气成分
质谱法的测定原理是将氩、氦等惰性气体作为示踪剂，通过气体物料平衡来计算烟气流量。以氩为例，用质谱仪测定烟道内的烟气氩含量，根据氩含量的稀释程度计算烟气流量，然后再根据烟气成分和烟气流量，对熔池脱碳速度和渣中氧的吸收速度做出评价，最终确定港中碳的含量。其测量精度受诸多因素的影响，比如炉气分析设备的分析精度、对炉气流量的校正计算准确性、炉气分析系统的响应时间、模型本身的精度等。
1.4静态控制
即按照已知的原材料条件(如铁水、废钢和熔剂装入量)和吹炼操作条件(如炉龄、出钢后等待时间)，根据吹炼终点的目标温度及含碳量，利用静态模型计算出需要吹入的氧量、冷却剂量、造渣材料及其他原材料的加入量，并据以进行吹炼，在吹炼过程中无任何新信息修正的吹炼控制方法。转炉作为一个控制对象，输入转炉的各种参．数(原料和操作参数)为x1，x2，……，xn，控制目标函数(含碳量、温度等)为Y。由于转炉炉内的冶金反应，可达到目标值Y=(x1，x2，……，xn)静态模型就是要找到能正确反映冶炼过程的函数厂的形式。建立静态模型的方法一种是根据物料平衡和热平衡计算，建立若干平衡方程以计算需要加入的废钢量、石灰量、供氧量等，有人还把冶金反应的物理化学原理也包括在函数中，这种模型为理论模型；另一种是把转炉看作一个“黑箱”，不考虑其中的变化，只是输入变量和输出变量用统计数学的方法归纳出经验方程，称之为经验模型。为了便于在计算机上计算，模型通常采用线性方程组的形式。为了增加模型计算的准确性，实用上常选用若干和当前冶炼条件接近的炉次作为参考，计算各种变量的差值，这种方法称为增量法。各种参考次炉都储存在计算机的数据库中，便于查找。静态控制不是仅在转炉装料之前计算一次，在装料后还要根据实际装入情况进行调整计算，出钢后根据实际得到的结果进行反馈计算。还可以利用反馈计算以修正控制模型中的系数。
1.5转炉终点的动态控制
动态控制是在静态控制的基础上，应用副枪、炉气分析仪、自动测温装置等检测吹炼过程中有关变量随时间变化的动态信息，依据检测到的动态信息对吹炼参数及时进行修正，以达到预定的吹炼目标，提高命中率。目前主要的转炉动态控制是副枪动态终点控制和炉气分析动态控制。
副枪动态终点控制是根据转炉吹炼进入后期过程中用副枪测定得到的钢水温度、结晶碳浓度，计算为了达到目标出钢温度及钢水碳含量所需的吹氧量与冷却剂的加入量，并利用指数函数及线性函数来实时推定吹止时的钢水碳含量及温度，利用终点试样碳及温度的信息对控制参数进行校正。副枪系统被用来测定钢水熔池的实际成分和温度，主要目的是控制并缩短炼钢时间，避免或减少倒炉次数或补吹次数，从而节省能源，加少工人的劳动强度，改善工作条件和环境状况，降低耐火材料消耗，提高生产效率。副枪动态控制技术能基本消除转炉初始条件波动的影响和系统误差及吹炼过程中产生的各种随机误差，但由于设备上的原因，要受限于炉口尺寸的大小，一般仅适用于100t以上的转炉，另外由于副枪采用结晶定碳技术测定钢水熔池含碳量，在生产低碳钢时的测量精度和命中率都较高，一般可达90%以上，甚至大95%以上，而生产高碳钢时测量精度和命中率都较差。
1.6转炉终点的自动控制
指用电子计算机对冶炼终点的自动控制。随着计算机和计算技术的迅猛发展，转炉自动控制的发展也很快。早期的转炉自动控制局限在用物理化学反应式或经验公式通过吹炼之前的预先计算，控制钢水的含碳量和温度，使之达到设定的目标值，命中效果不佳。60年代开始至70年代前期则致力于开发各种仪表来检测炉内反应的情况。这期间，废气分析仪、氧枪振动仪、声纳仪以及各种测温热电偶和各种检测枪相继问世，并建立和完善了各种数学模型，从而达到了能在吹炼过程高速进行的同时对它实行控制。其中副枪测温定碳法是最行之有效的方法。
转炉炼钢计算机控制是近30年的事。计算机控制的目的，是提高吹炼终点钢水含碳量和温度的命中率。为了实现这一目标，关键是炼钢生产过程的正常、稳定进行，吹炼过程具有再现性并能找到合理反映吹炼过程特征的数学模型。由于所反映的问题和应用条件不同，模型有静态和动态模型两类。日本将动态控制和静态控制模型相互配合，使炼钢自动控制达到很高的水平，碳和温度同时命中率达90％以上，已经做到闭环控制，即完全自动化吹炼。
2、转炉终点控制技术的展望
转炉发展趋向于大型化，小型转炉将逐步的被淘汰，但是，由于经济原因及小型转炉其自身的优点，其存在目前还有一定的必要性。小型转炉的自动化水平普遍较低，由于其经济条件和炉型的限制，其投资于终点控制设备的能力有限，相当一部分主要采用经验控制，终点命中率较低，根据小型存在的问题，主要是开发出投资费用小、可靠、适用的转炉终点控制模型，目前人工智能技术的发展，为小型转炉终点的发展提供了一个解决的途径；目前中型转炉的发展很快，中型转炉的自动化水平已经有了很大提高，伴随着终点控制技术的发展，许多先进的终点控制技术得到应用。
结束语
随着现代炼钢技术的发展,转炉终点控制技术大致经历了静态、动态和自动控制三个发展阶段。静态控制阶段的主要特征是以碳含量、温度控制为主,实现终点的基本命中;动态控制阶段的主要特征是在吹炼后期测定熔池碳含量、温度,对静态模型进行动态校正,实现终点的精确命中;自动控制的主要特征是在静态、动态控制的基础上,实施在线检测和控制喷溅,实现全自动控制。
参考文献
[1]王玲，张佳华，李开勇.转炉动态炼钢控制[J].山东冶金，2006
[2]王茂华，惠志刚，施雄梁.转炉终点控制技术[J].鞍钢技术，2005