馮聚和，薛月凱，田鵬，陳超，宮永煜

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009;2.河北鋼鐵集團(tuán)承鋼公司提釩鋼軋二廠，河北承德067000)

在快節(jié)奏的轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)環(huán)境下，沒(méi)有充分時(shí)間根據(jù)原料成分及當(dāng)前爐次的實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，人工經(jīng)驗(yàn)配料只能根據(jù)上一爐的情況和鐵水條件進(jìn)行估算，往往會(huì)造成原材料消耗高、能源利用率低等缺陷。轉(zhuǎn)爐冶煉靜態(tài)控制模型將理論模型和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的確切參數(shù)相結(jié)合，根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉所使用的原料條件和冶煉鋼種的要求，對(duì)原材料進(jìn)行優(yōu)化配料計(jì)算，從而優(yōu)化了爐料結(jié)構(gòu)，降低了原材料消耗，提高終點(diǎn)溫度和終點(diǎn)碳含量控制精度，減少補(bǔ)吹次數(shù)、優(yōu)化冶煉成本。

1 靜態(tài)控制模型選擇

1.1 靜態(tài)模型的分類(lèi)

1.1.1 理論模型

理論模型建立在物料平衡和熱平衡基礎(chǔ)上，描述轉(zhuǎn)爐內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)及其傳熱傳質(zhì)的過(guò)程，反映轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程的基本規(guī)律，計(jì)算出為了達(dá)到終點(diǎn)目標(biāo)碳含量和溫度所需的各種原材料和輔料加入量、吹氧量和冷卻劑加入量［1］。理論模型在實(shí)際生產(chǎn)中投入使用，并取得了較好的控制效果。

1.1.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪歉鶕?jù)前一爐的吹煉結(jié)果，以?xún)蔂t作業(yè)條件之差異對(duì)輸出的影響作為修正依據(jù)，計(jì)算出本爐應(yīng)加的冷卻劑量和氧氣量。

典型的一類(lèi)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎迷隽磕Ｐ?，其一般表達(dá)式如(1)式所示。

式中，Y1為當(dāng)前爐的輸出量(終點(diǎn)溫度或碳含量)，Y0為上一爐對(duì)應(yīng)的輸出量，△X1為本爐輸入與上爐對(duì)應(yīng)輸入的差值，△X2為本爐輸入與上兩爐對(duì)應(yīng)輸入的差值，Xn為本爐輸入與上n爐對(duì)應(yīng)輸入的差值，ai為待求的回歸系數(shù)，β為干擾項(xiàng)。

1.1.3 統(tǒng)計(jì)模型

統(tǒng)計(jì)模型是依據(jù)黑箱原理，不考慮過(guò)程中的物理化學(xué)規(guī)律，只考慮系統(tǒng)輸入量與輸出量間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在收集大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的手段，統(tǒng)計(jì)計(jì)算冶煉過(guò)程各主要控制變量的大?。?］。這類(lèi)模型可以對(duì)隨機(jī)偏差進(jìn)行分析，消除隨機(jī)因素的影響，因而能保證一定的精度，并且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。但這類(lèi)模型有較強(qiáng)的條件性和針對(duì)性，要求統(tǒng)計(jì)大量的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，建模前期工作量較大。

1.1.4 智能模型

智能模型能夠在一定程度上消除轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的影響，應(yīng)用的智能控制學(xué)習(xí)方式主要有自學(xué)習(xí)自適應(yīng)方式、專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，其控制效果一般優(yōu)于普通模型。

1.2 靜態(tài)模型選擇

單純依靠理論模型建立的靜態(tài)控制準(zhǔn)確度較低，采用統(tǒng)計(jì)修正的方法，可以提高軟件的實(shí)用性，有效避免機(jī)理建模過(guò)程當(dāng)中的一些未知影響因素和過(guò)程變化對(duì)結(jié)果造成的誤差。因此，本靜態(tài)控制模型采用理論模型與統(tǒng)計(jì)修正相結(jié)合的方式。

統(tǒng)計(jì)修正采用“再現(xiàn)”性原理對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試。所謂“再現(xiàn)性”原理指同類(lèi)事件的重復(fù)過(guò)程，在原料條件相同和操作影響因素不變的情況下，得到的結(jié)論應(yīng)該基本相同［3］。轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程當(dāng)中，對(duì)于同一轉(zhuǎn)爐冶煉的同一鋼種，在冶煉工藝相同、鐵水和原料成分波動(dòng)較小的情況下，吹煉結(jié)果應(yīng)該相差很小。采用理論模型與統(tǒng)計(jì)修正相結(jié)合的方法既提高模型的實(shí)用性，又能節(jié)省了建模與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的時(shí)間。

2 靜態(tài)控制模型組成

本模型主要由四個(gè)部分組成:原始數(shù)據(jù)、優(yōu)化配料計(jì)算、冶煉模式選取和合金加入量計(jì)算。

2.1 原始數(shù)據(jù)界面

原始數(shù)據(jù)界面主要包括了原材料成分、鐵水條件和鐵水帶渣情況三部分內(nèi)容，使模型適應(yīng)了原材料成分和鐵水條件的變化，使模型具有通用性。原材料成分模塊包含了轉(zhuǎn)爐冶煉常用的各種散狀料，主要包括石灰、螢石、鎂球、輕燒白云石、氧化鐵皮和鐵礦石，能夠適應(yīng)不同鐵水條件的轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)使用。鐵水帶渣模塊的設(shè)計(jì)主要考慮到高爐鐵水帶渣量往往波動(dòng)較大，影響轉(zhuǎn)爐配料計(jì)算的精度，因此靜態(tài)控制模型在進(jìn)行原料計(jì)算時(shí)要考慮鐵水帶渣量，使模型具有通用性。

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2.2 優(yōu)化配料界面

優(yōu)化配料界面主要是通過(guò)物料平衡與熱平衡計(jì)算建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所使用的原料成分、冶煉鋼種等原料條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行優(yōu)化配料計(jì)算，確定出各種原料的合理加入量。

在優(yōu)化配料計(jì)算界面上，通過(guò)“冶煉鋼種選擇”按鈕，操作者選擇本爐冶煉所需達(dá)到的終點(diǎn)鋼水成分要求，再通過(guò)爐渣堿度文本框確定本爐造渣所需的終渣堿度?！吧盍线x擇”界面便于操作者選擇造渣所使用的各種散狀料，操作方便、應(yīng)用性強(qiáng)。

加料列表模塊分為三部分:第一部分為鋼鐵料，包括廢鋼、鐵水和鐵塊;第二部分為散狀料，包括:白云石、螢石、氧化鐵皮、石灰、鎂球、鐵礦石以及爐襯損失;第三部分為耗氧量。加料列表模塊采用此布置方式主要是為了方便操作者的控制。鋼鐵料在降槍吹氧前加入，而散狀料則是由加料系統(tǒng)自動(dòng)控制、在冶煉過(guò)程當(dāng)中分批加入。該加料列表模塊便于數(shù)據(jù)的傳輸和控制。

2.3 冶煉模式界面

在冶煉過(guò)程中根據(jù)鐵水條件，采用模式控制。根據(jù)鐵水含Si量的不同，冶煉模式分為十種，包括八種基本冶煉模式和兩種特殊冶煉模式。每種冶煉模式根據(jù)實(shí)際爐況，按氧流量、氧槍高度、底吹氣體量、底吹氣體等參數(shù)的不同，將主吹煉期分成若干步驟。采用氧步控制整個(gè)煉鋼過(guò)程，使鋼水的質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。解決了因鋼水成分和溫度波動(dòng)而引起的鋼水產(chǎn)量、質(zhì)量下降和難以歸檔分析的問(wèn)題［4］。

鐵水中的Si含量和爐渣堿度直接影響造渣材料所用的石灰量，因此根據(jù)Si含量來(lái)確定不同的冶煉模式具有一定的可行性。在忽略廢鋼帶來(lái)的合金元素情況下，1 kg鐵水帶入的SiO2為2.14 kg，為保證爐渣堿度為R，則冶煉每噸鐵水應(yīng)加入的石灰量為:

式中，CaO有效為石灰中CaO有效含量;%Si為鐵水中Si含量;R為熔渣堿度;2.29即1 kg P氧化生成2.29 kg P2O5;0.90為轉(zhuǎn)爐脫P(yáng)率(一般為90～95%)。

在冶煉過(guò)程中，當(dāng)石灰加入量少時(shí)，造渣劑在冶煉前期盡量加完。前期盡早化渣，減輕(SiO2)和(FeO)對(duì)爐襯侵蝕;當(dāng)石灰加入量大時(shí)，采用分批次加入的模式。由于冶煉中期，C、O劇烈反應(yīng)，爐渣和鋼水呈乳化狀態(tài)，脫C速度大，此時(shí)加入第二批造渣劑可能會(huì)引起噴濺或爐渣返干［5］，造渣劑應(yīng)少加。一般在冶煉時(shí)間的60%以前將散狀料加完。

2.4 鐵合金界面

鐵合金具有調(diào)整鋼液成分和脫除鋼中氧的作用。由于鐵合金成分、純凈度等條件的差異，鐵合金的價(jià)格相差甚大。冶煉一爐鋼根據(jù)鋼水條件和鋼種要求的差值確定合金加入量，在滿足產(chǎn)品要求的基礎(chǔ)上使用最廉價(jià)的高碳鐵合金是節(jié)約生產(chǎn)成本的一個(gè)有效途徑。考慮各種不同合金的收得率和價(jià)格的差異，本模型的合金控制優(yōu)化模塊對(duì)合金的加入量也進(jìn)行了計(jì)算。

加入鋼包中的合金量一般采用(3)式計(jì)算。

式中，Wi為元素i需要的加入量，t;Xaim為i元素的目標(biāo)含量，t;Xi為i元素出鋼時(shí)的實(shí)際含量，%;Ws為出鋼重量，t;ηi為i元素的收得率，%。

實(shí)際生產(chǎn)中，常加入的合金通都不是單一合金，脫氧合金化操作是采用幾種鐵合金配合使用，多牌號(hào)合金的計(jì)算可以采用線性規(guī)劃的方法來(lái)選擇最優(yōu)化的合金加入量，實(shí)現(xiàn)成本最低又能滿足目標(biāo)鋼種的合金加入量要求。

3 靜態(tài)控制模型應(yīng)用

在原始數(shù)據(jù)模塊，列出了常用的散狀料種類(lèi)，并給出了各散狀料的成分、含量等信息，如圖1所示。點(diǎn)擊圖1當(dāng)中的“確定物料平衡計(jì)算”按鈕可以進(jìn)入優(yōu)化配料計(jì)算界面(如圖2所示)，“返回”按鈕將退出返回到系統(tǒng)主界面當(dāng)中。該模塊能夠快速進(jìn)行配料計(jì)算，計(jì)算無(wú)滯后，可以直接得出需要的數(shù)據(jù)，用以滿足煉鋼生產(chǎn)的快節(jié)奏生產(chǎn)的要求。

圖2 優(yōu)化配料界面

圖2所示的優(yōu)化配料模塊中，根據(jù)冶煉鋼種的不同，確定目標(biāo)鋼水中各元素百分含量，通過(guò)點(diǎn)擊優(yōu)化配料確定按鈕，準(zhǔn)確計(jì)算出冶煉一爐鋼各種散狀料的加入量。本模塊列出了大多數(shù)鋼廠廣泛使用的散狀料的種類(lèi)，操作人員可以根據(jù)本鋼廠的實(shí)際使用情況選擇散狀料的種類(lèi)。

圖3給出了鐵合金選擇模塊，列出了煉鋼常用的十余種鐵合金。點(diǎn)擊鐵合金名稱(chēng)，系統(tǒng)自動(dòng)將所選擇鐵合金的成分顯示到“所選鐵合金”選項(xiàng)中去，通過(guò)加入量按鈕計(jì)算出所選鐵合金加入量，并顯示在文本框當(dāng)中。根據(jù)鋼種成分和鋼水成分以及選取鐵的鐵合金種類(lèi)，來(lái)計(jì)算所選鐵合金的加入量。

圖3 鐵合金選擇模塊

圖4給出了冶煉模式選取模塊，操作者可以根據(jù)實(shí)際的鐵水條件選擇不同的冶煉模式。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的鐵水情況提供一種建議模式供操作者使用，但由于煉鋼過(guò)程的影響因素較多，操作者可在建議模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用情況選取自己所需要的冶煉模式。通過(guò)單擊“確定模式”按鈕，操作者可以用自己所選的冶煉模式進(jìn)行吹煉。

圖4 冶煉模式選擇模塊

通過(guò)使用本系統(tǒng)模型，可以得到以理論模型為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)爐配料的真實(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)選擇冶煉模式分批次加入散狀料，減少轉(zhuǎn)爐噴濺，對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。鐵合金計(jì)算模塊能夠在滿足鋼種成分要求的基礎(chǔ)上選擇最廉價(jià)的合金，對(duì)降低成本具有重要的意義。

4 結(jié)論

中小型轉(zhuǎn)爐采用靜態(tài)控制模型系統(tǒng)能夠克服冶煉過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)配料的不足，有效指導(dǎo)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)降低冶煉成本具有重要意義。本研究采用理論模型與統(tǒng)計(jì)修正相結(jié)合的方法構(gòu)建了轉(zhuǎn)爐冶煉靜態(tài)控制模型，具有較高的實(shí)用性，其優(yōu)勢(shì)在于:

(1)根據(jù)原料條件和冶煉鋼種要求，采用本軟件優(yōu)化配料計(jì)算可以科學(xué)的組織生產(chǎn)，減少操作的盲目性，減低各種原材料的消耗和煉鋼成本。

(2)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況和原料狀況，制定合理的冶煉模式。采用氧步控制煉鋼過(guò)程，使獲得的鋼水質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。

(3)根據(jù)鋼種的要求及鐵合金種類(lèi)和價(jià)格，確定合金的種類(lèi)，在滿足鋼種要求的前提下選擇適宜的合金種類(lèi)，優(yōu)化生產(chǎn)成本。

［1］ 朱光俊，梁本川.轉(zhuǎn)爐煉鋼靜態(tài)控制優(yōu)化模型［J］.煉鋼，1999，15(4)，25-28.

［2］ 馮聚和.煉鋼設(shè)計(jì)原理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005，21-33.

［3］ 姚勇.煉鋼靜態(tài)模型的應(yīng)用［J］.武鋼技術(shù)，2001，55-59.

［4］ 馬杰，杜佳，李志軍等.轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中能量的利用與回收［J］.冶金叢刊.2009(6)，44-49.

［5］ 張西濤.濟(jì)鋼自動(dòng)化煉鋼靜動(dòng)態(tài)模型的應(yīng)用［J］.鞍鋼技術(shù)，2007(1)，32-35.