管成東

（酒鋼集團(tuán)榆中鋼鐵有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730104）

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程工藝的主要控制方法

1.1 靜態(tài)控制

靜態(tài)控制技術(shù)是提前預(yù)設(shè)鋼水成分或是冶煉溫度的期望值，在轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程中持續(xù)采集實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息，對(duì)比分析實(shí)時(shí)量測(cè)值與期望值，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)準(zhǔn)確判斷實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況，針對(duì)性采取糾偏措施來(lái)控制轉(zhuǎn)爐工藝過(guò)程，并對(duì)下一階段工藝方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。靜態(tài)控制是鋼廠在早期轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)期間采用的一種控制方法，具有技術(shù)成熟與操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，適用于控制轉(zhuǎn)爐冶煉高硫鐵水等工藝。然而，隨著轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的優(yōu)化發(fā)展，靜態(tài)控制方法較為滯后，無(wú)法取得理想的控制效果，根據(jù)我國(guó)攀鋼提釩煉鋼廠等鋼廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)看，在采取脫硫半鋼冶煉連鑄鋼等全新工藝時(shí)，靜態(tài)控制方法對(duì)操作水平、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與產(chǎn)品質(zhì)量均造成程度不一的負(fù)面影響。例如，在轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制方面，靜態(tài)控制方法的控制效果會(huì)受到半鋼物理化學(xué)熱源特性、升溫速度、鋼種目標(biāo)溫度、目標(biāo)供氧時(shí)間、煉鋼輔助材料裝入量等因素的影響，控制效果存在不確定性，整體控制效果較差。

而傳統(tǒng)靜態(tài)模型控制技術(shù)具有一定的局限性，僅采取理論模型、增量模型、統(tǒng)計(jì)模型等少數(shù)種類(lèi)的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述與預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程，無(wú)法做到對(duì)工藝過(guò)程中產(chǎn)生的復(fù)雜變量因素進(jìn)行準(zhǔn)確描述與估算處理，實(shí)際計(jì)算精度較差，終點(diǎn)碳溫命中率的平均值僅為50%~60%。

1.2 動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制

在轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)期間，動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制方法是通過(guò)不斷修正工藝過(guò)程中的動(dòng)態(tài)因素實(shí)現(xiàn)控制目的的一種方法手段，在原有的靜態(tài)模型控制技術(shù)上發(fā)展演變形成，具體控制技術(shù)分為爐氣動(dòng)態(tài)分析與副槍終點(diǎn)檢測(cè)動(dòng)態(tài)控制兩種，與早期的控制技術(shù)相比，顯著提高了轉(zhuǎn)爐命中率，有效加強(qiáng)了工藝過(guò)程控制力度。

其中，爐氣動(dòng)態(tài)分析控制技術(shù)是在工藝過(guò)程中持續(xù)觀測(cè)爐口氣體逸出情況，基于觀測(cè)數(shù)值來(lái)判斷熔池脫碳速度、各成分瞬時(shí)氧化量、溫度瞬時(shí)變化量等工藝參數(shù)，對(duì)比分析實(shí)時(shí)量測(cè)值以及預(yù)期值的差值，開(kāi)展微積分運(yùn)算操作，幫助工作人員準(zhǔn)確掌握工藝過(guò)程中形成的動(dòng)態(tài)變量因素與波動(dòng)誤差值，進(jìn)而采取相應(yīng)控制措施。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，該項(xiàng)技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、不受爐口尺寸限值、具備連續(xù)預(yù)報(bào)與動(dòng)態(tài)校正工藝參數(shù)的優(yōu)勢(shì)。

副槍終點(diǎn)檢測(cè)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)與早期的靜態(tài)控制思路較為相似，額外設(shè)置副槍裝置，工作人員在轉(zhuǎn)爐吹煉臨近終點(diǎn)等特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)下在熔池內(nèi)插入副槍?zhuān)杉倭繕颖?，基于樣本檢測(cè)結(jié)果來(lái)判斷鋼水成分與實(shí)時(shí)溫度，組合應(yīng)用靜態(tài)控制技術(shù)來(lái)獲取煉鋼原料與供氧量等工藝參數(shù)，在轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)期間多用于完成測(cè)溫定碳任務(wù)，我國(guó)首鋼、寶鋼等企業(yè)均采取這項(xiàng)技術(shù)。與其他控制方法相比，副槍終點(diǎn)檢測(cè)動(dòng)態(tài)控制法具有系統(tǒng)誤差小、控制精度與終點(diǎn)命中率高的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，奧鋼聯(lián)等企業(yè)陸續(xù)研發(fā)出傾斜式等全新型式的副槍裝置，自側(cè)面插入熔池，在完成測(cè)溫定碳任務(wù)時(shí)不會(huì)影響到吹煉操作，有效解決了副槍終點(diǎn)檢測(cè)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)在小型轉(zhuǎn)爐中的適用性問(wèn)題。

1.3 全自動(dòng)吹煉控制

全自動(dòng)吹煉控制技術(shù)是近年來(lái)研發(fā)的一種新型工藝控制方法，采取多項(xiàng)信息化手段，憑借其高超的數(shù)據(jù)采集與處理能力，替代人工完成大量的基礎(chǔ)性操作，在無(wú)人工干預(yù)條件下，基于程序運(yùn)行準(zhǔn)則與預(yù)先設(shè)定指令，自動(dòng)完成爐渣狀況檢測(cè)等操作，下達(dá)相應(yīng)的控制指令。與早期的靜態(tài)模型控制與動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制方法相比，全自動(dòng)吹煉控制技術(shù)在特定應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出極強(qiáng)的實(shí)用性，有效解決了復(fù)雜變量因素描述、副槍裝置限制等技術(shù)難題。然而，全自動(dòng)吹煉控制系統(tǒng)的智能化程度不足，無(wú)法替代人工完成復(fù)雜操作任務(wù)，或是有效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程中出現(xiàn)的突發(fā)狀況，實(shí)際控制效果受到諸多客觀條件限制。

2 轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程工藝控制技術(shù)的未來(lái)發(fā)展路徑

2.1 靜態(tài)控制技術(shù)優(yōu)化

2.1.1 靜態(tài)控制模型優(yōu)化

以上提及，在早期開(kāi)展的轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)活動(dòng)中，所采取靜態(tài)模型控制技術(shù)存在難以準(zhǔn)確描述變量因素、終點(diǎn)命中率低、控制效果受多方面因素影響的應(yīng)用難題，技術(shù)優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分發(fā)揮，控制效果有待強(qiáng)化提升。

因此，要積極應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等全新技術(shù)手段，針對(duì)性強(qiáng)化靜態(tài)模型控制技術(shù)的終點(diǎn)預(yù)測(cè)能力，提前模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程，描述可能出現(xiàn)的變量因素與造成的具體影響。為實(shí)現(xiàn)這一目的，企業(yè)結(jié)合實(shí)際工藝控制要求來(lái)選擇靜態(tài)模型的優(yōu)化方法，主要優(yōu)化方法包括 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、群組尋優(yōu)算法模型、遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型三種。

其中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建的模型，由輸入層、中間層與輸出層三部分組成，其具有工作狀態(tài)穩(wěn)定、硬件要求低、具備自主學(xué)習(xí)能力的優(yōu)勢(shì)，提前在模型中導(dǎo)入相關(guān)訓(xùn)練樣本，模型在訓(xùn)練期間不斷積累控制經(jīng)驗(yàn)，以此來(lái)提高控制精度，有效應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況與準(zhǔn)確描述復(fù)雜變量因素，在轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型多用于完成復(fù)雜系統(tǒng)仿真試驗(yàn)與識(shí)別分類(lèi)等控制分析任務(wù)。

群組尋優(yōu)算法模型是在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中采取群組尋優(yōu)算法的一種數(shù)學(xué)模型，研發(fā)目的在于解決BP模型中輸入/輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多的問(wèn)題，基于自適應(yīng)群組尋優(yōu)算法不斷校正網(wǎng)絡(luò)閥值權(quán)值，從而將網(wǎng)路輸出值誤差控制在允許范圍內(nèi)，并預(yù)留一定數(shù)量的數(shù)據(jù)以執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練任務(wù)，在訓(xùn)練后代入求誤差與計(jì)算隱含層數(shù)目，在短時(shí)間內(nèi)完成節(jié)點(diǎn)數(shù)目?jī)?yōu)化與均方誤差值計(jì)算調(diào)整的操作任務(wù)。在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程工藝控制方面，群組尋優(yōu)算法模型主要被用于開(kāi)展輸入?yún)?shù)與操作參數(shù)的優(yōu)化控制任務(wù)。

遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型是在遺傳算法以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相比，該模型的搜索空間得到進(jìn)一步擴(kuò)大，且數(shù)據(jù)計(jì)算效率與自動(dòng)化水平均得到明顯提升，憑借遺傳算法起到模型優(yōu)化效果。例如，在轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程中，變異算子與染色體分別在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起到改進(jìn)群體以及準(zhǔn)確描述網(wǎng)絡(luò)信息的作用。同時(shí)，遺傳算法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型解決了算法迭代運(yùn)行期間易出現(xiàn)的點(diǎn)麻痹以及局部最優(yōu)問(wèn)題，算法可以使節(jié)點(diǎn)快速跳出局部最優(yōu)區(qū)域，減小相鄰步數(shù)誤差值，準(zhǔn)確判斷是否處于逼近最優(yōu)點(diǎn)狀況，針對(duì)性采取調(diào)整措施。

2.1.2 仿真實(shí)驗(yàn)

在轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)準(zhǔn)備階段，為提前發(fā)現(xiàn)后續(xù)工藝過(guò)程期間可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況與變量因素，需要根據(jù)工藝方案與以往工藝數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，用于替代真實(shí)系統(tǒng)模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程，從而做好預(yù)先性的控制部署工作。而主要的仿真實(shí)驗(yàn)為造渣過(guò)程仿真、脫碳升溫仿真、綜合仿真實(shí)驗(yàn)。

其中，在造渣過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)中，在模型中導(dǎo)入爐渣堿度、爐渣氧化物含量等參數(shù)，基于工藝方案模擬造渣過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)期間重點(diǎn)觀察爐渣泡沫化現(xiàn)象的產(chǎn)生過(guò)程，總結(jié)發(fā)展規(guī)律，如副槍插入槍位與氧氣流量等因素對(duì)爐渣泡沫化過(guò)程及程度造成的具體影響，在仿真計(jì)算結(jié)果上構(gòu)建造渣模型，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝方案進(jìn)行調(diào)整，如變更渣料加入方式、調(diào)整槍位。

在脫碳升溫過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)中，在模型中導(dǎo)入相關(guān)參數(shù)信息，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝期間的爐內(nèi)溫度以及碳含量變化過(guò)程加以模擬預(yù)測(cè)，同步觀測(cè)脫碳速率，繪制曲線(xiàn)變化圖，如槍控曲線(xiàn)圖、溫度與時(shí)間預(yù)測(cè)曲線(xiàn)圖，基于仿真計(jì)算結(jié)果來(lái)掌握溫度、氧氣流量等關(guān)鍵參數(shù)與脫碳速率之間的變化發(fā)展規(guī)律。

在綜合仿真實(shí)驗(yàn)中，基于以往的吹煉默契形成的測(cè)試數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)，構(gòu)建多個(gè)獨(dú)立數(shù)學(xué)模型，如脫碳速度模型、鋼水升溫模型、冷卻劑加入模型，并確定模型信息與設(shè)定仿真運(yùn)行時(shí)鐘參數(shù)，全面模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝過(guò)程中的裝料、吹煉、出鋼、濺渣等生產(chǎn)工序，以展示轉(zhuǎn)爐煉鋼的整體運(yùn)行狀況，動(dòng)態(tài)模擬各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的變化情況，幫助工作人員進(jìn)行定量分析，優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝方案。

2.2 全過(guò)程低熱損控制技術(shù)優(yōu)化

根據(jù)相關(guān)調(diào)查結(jié)果顯示，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程工藝控制模式中，普遍存在熱能?chē)?yán)重流失現(xiàn)象，既造成了不必要的能源損耗，同時(shí)，還對(duì)煉鋼生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量造成負(fù)面影響。而這一問(wèn)題的根源在于，早期轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝中的熱損控制技術(shù)滯后，存在諸多技術(shù)難題有待解決，沒(méi)有起到應(yīng)有的控制作用。

因此，企業(yè)應(yīng)提高對(duì)全過(guò)程低熱損控制技術(shù)優(yōu)化工作的重視程度，采取以下優(yōu)化技術(shù)措施：第一，出鋼爐渣固化保溫技術(shù)?；跓崃總鬏斣?，在出鋼工序前增設(shè)爐渣稠化處理環(huán)節(jié)，并調(diào)整副槍低槍位時(shí)間。如此，雖然終渣透氣性能會(huì)發(fā)生變化，但可以明顯增加出鋼環(huán)節(jié)中的鋼水與渣料溫度梯度，同步提升鋼水溫度與增大外散熱驅(qū)動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)控制出鋼降溫速度以及抑制鋼水熱量逸散速度的技術(shù)目的。第二，連鑄加蓋保溫技術(shù)。在鋼水出站以及鋼包車(chē)停穩(wěn)環(huán)節(jié)的間隙，工作人員啟動(dòng)電葫蘆裝置，將包蓋起吊至鋼包的包沿上方0.3m~0.5m處，對(duì)包蓋朝向角度進(jìn)行校正，隨后，緩慢下放包蓋，將鋼包口密封處理，避免熱量通過(guò)鋼包口持續(xù)向外逸散。第三，鋼包底吹氬技術(shù)。在精煉工序與轉(zhuǎn)爐出鋼工序的銜接環(huán)節(jié)中，在鋼包底部吹入氬氣流，將吹氬作業(yè)持續(xù)時(shí)間縮短至8min內(nèi)，受到鋼包底部吹氬與CO攪拌等因素影響，鋼包攪拌期間將保持紊流攪拌狀態(tài)，起到控制吹氬環(huán)節(jié)熱量逸散量、改善鋼水?dāng)嚢栊Ч淖饔?。同時(shí)，綜合分析工藝方式與吹氬持續(xù)時(shí)間來(lái)設(shè)定鋼包底吹氬量。例如，在采取全程吹氬普碳鋼種模式下，分別將2min內(nèi)、2min~10min、10min~20min持續(xù)時(shí)間的吹氬量設(shè)定為400NL/min、40NL/min與15NL/min。

2.3 智能化工藝控制

針對(duì)早期轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程工藝控制期間面臨的全自動(dòng)吹煉控制系統(tǒng)智能化水平不足的問(wèn)題，企業(yè)應(yīng)靈活運(yùn)用人工智能技術(shù)，在原有自動(dòng)化吹煉控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)生產(chǎn)管理智能決策支持系統(tǒng)，為工藝方案的前期制定、過(guò)程質(zhì)量控制提供輔助決策服務(wù)，在真正意義上實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同目標(biāo)，并替代人工完成部分較為復(fù)雜的工藝控制任務(wù)。

例如，在工藝方案制定應(yīng)用場(chǎng)景中，智能化工藝控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)從歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)中提取有用信息，工作人員使用系統(tǒng)中的參數(shù)預(yù)測(cè)與參數(shù)優(yōu)化使用功能，構(gòu)建靜態(tài)控制數(shù)學(xué)模型，在模型中導(dǎo)入原材料成分與加入量等關(guān)鍵工藝參數(shù)，替代人工完成基礎(chǔ)性操作，根據(jù)模型輸出值來(lái)掌握煉鋼終點(diǎn)預(yù)測(cè)值，輔助人工優(yōu)化調(diào)整工藝方案中的操作參數(shù)。在過(guò)程質(zhì)量控制應(yīng)用場(chǎng)景中，智能化工藝控制系統(tǒng)持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)，自動(dòng)對(duì)比分析實(shí)時(shí)量測(cè)值與期望值，在檢測(cè)到工藝參數(shù)超限或是出現(xiàn)異常狀況時(shí)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，幫助操作人員掌握實(shí)時(shí)鍋爐煉鋼生產(chǎn)情況，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。與此同時(shí)，控制系統(tǒng)可以在無(wú)人工干預(yù)條件下自動(dòng)實(shí)施預(yù)設(shè)的響應(yīng)運(yùn)行方案，下達(dá)相應(yīng)控制指令來(lái)調(diào)整操作參數(shù)，將質(zhì)量問(wèn)題消滅于萌芽狀態(tài)，穩(wěn)定維持轉(zhuǎn)爐煉鋼的最佳生產(chǎn)狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為持續(xù)提高轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)品質(zhì)量，滿(mǎn)足特殊性處理工藝的控制需求，實(shí)現(xiàn)煉鋼過(guò)程質(zhì)量控制目標(biāo)。因此，企業(yè)必須提高對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程工藝控制技術(shù)的應(yīng)用研究力度，結(jié)合自身情況，推動(dòng)技術(shù)體系創(chuàng)新，積極探索轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝控制模式的未來(lái)發(fā)展路徑與優(yōu)化方向。