唐文明

(河鋼數(shù)字技術(shù)股份有限公司)

轉(zhuǎn)爐煉鋼通過供氧造渣，實(shí)現(xiàn)鐵水、廢鋼等金屬原料的脫碳升溫、脫磷、脫硫等處理，使冶煉終點(diǎn)達(dá)到出鋼的要求。吹煉前期要求早化渣、化好渣，最大限度去磷、硫；吹煉中期要求繼續(xù)化好渣、化透渣、快速脫碳、不噴濺、熔池均勻升溫；吹煉后期要求終點(diǎn)溫度成分命中，終渣做粘、出鋼能掛上。

傳統(tǒng)的煉鋼方法要求煉鋼工經(jīng)驗(yàn)豐富，看火水平高，因此培養(yǎng)一名合格的煉鋼工往往需要有足夠多的試錯(cuò)機(jī)會(huì)和多年的經(jīng)驗(yàn)積累。為了減少對煉鋼工操作經(jīng)驗(yàn)的依賴，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化煉鋼和提高冶煉終點(diǎn)命中率，需要入爐原料信息精準(zhǔn)，控制設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，專家模型算法可靠，以及自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)功能完善。

1 轉(zhuǎn)爐冶煉過程自動(dòng)冶煉模型

轉(zhuǎn)爐冶煉過程自動(dòng)冶煉模型包括了冶金計(jì)算模型和冶煉控制模型兩部分。冶金計(jì)算模型又可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)算模型；同理，冶煉控制模型也可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制模型。冶金靜態(tài)計(jì)算模型主要是根據(jù)冶煉鋼種要求、冶金熱力學(xué)原理、操作經(jīng)驗(yàn)、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和人工智能等方法進(jìn)行物料、熱量平衡和元素變化的計(jì)算，得出金屬原料加入量、輔原料加入量、吹氧量，以便為冶煉控制提供指導(dǎo)；冶煉靜態(tài)控制模型主要依據(jù)冶煉鋼種要求、冶金動(dòng)力學(xué)原理、原料物理化學(xué)特性、操作經(jīng)驗(yàn)以及冶金計(jì)算結(jié)果制定相對應(yīng)氧槍槍位、流量和加料時(shí)機(jī)等冶煉操作模式。另外，由于受到原料質(zhì)量、儀表精度和冶煉環(huán)境變化等影響，實(shí)際的冶煉必然與計(jì)算結(jié)果有一定偏差，這就需要建立動(dòng)態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)控制模型，根據(jù)實(shí)際冶煉過程中的各種檢測數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以達(dá)到冶煉過程均勻升溫、全程平穩(wěn)化渣、終點(diǎn)成分溫度命中的目的。

2 轉(zhuǎn)爐冶煉過程動(dòng)態(tài)信息檢測技術(shù)

轉(zhuǎn)爐冶煉過程主要通過對煙氣信息、爐渣信息、火焰信息、鋼水信息的檢測進(jìn)行推演和判斷，并在這些基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉過程的動(dòng)態(tài)控制。轉(zhuǎn)爐煙氣信息的檢測通常采用質(zhì)譜儀或激光氣體分析儀，連續(xù)地檢測轉(zhuǎn)爐煙氣信息進(jìn)行鋼水碳含量和溫度的預(yù)測，還可以計(jì)算鋼水的脫碳速度以便推測爐渣的狀態(tài)，并指導(dǎo)化渣操作控制。爐渣渣態(tài)的檢測方法一般有吹煉噪聲法、氧槍振動(dòng)法、爐體振動(dòng)法、微波渣面高度檢測法和爐內(nèi)壓力測量法等，這類方法比煙氣信息推測爐渣渣態(tài)更直接有效，是轉(zhuǎn)爐冶煉過程化渣的主要?jiǎng)討B(tài)控制手段?；鹧嫘畔⒉捎霉I(yè)相機(jī)或紅外相機(jī)進(jìn)行采圖和分析，用于爐渣渣態(tài)的判斷和噴濺的識(shí)別，也可以用于熔池過程溫度和末期碳含量預(yù)測。鋼水信息通過副槍或投彈系統(tǒng)直接進(jìn)行測量，其作業(yè)率和測成率高，可用于吹煉后期的動(dòng)態(tài)控制來提高終點(diǎn)命中率。

2.1 副槍(投彈)系統(tǒng)

副槍與投彈系統(tǒng)功能基本相同，均可實(shí)現(xiàn)冶煉過程溫度和碳含量測定。不同的是投彈系統(tǒng)不具備取樣和測量熔池液面高度的功能。目前，國內(nèi)外大中型轉(zhuǎn)爐普遍實(shí)現(xiàn)了基于副槍的全自動(dòng)化煉鋼(如寶鋼、武鋼和萊鋼新區(qū)等)。

副槍動(dòng)態(tài)控制技術(shù)是在吹煉接近終點(diǎn)時(shí)(吹氧量的85%～90%)，向熔池內(nèi)插入副槍，檢測鋼水溫度T和碳含量[C]，并取出鋼樣。根據(jù)副槍快速測定的結(jié)晶碳及鋼水溫度，分別利用指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法來動(dòng)態(tài)調(diào)整吹氧量、加料量，指導(dǎo)槍位、氧流量的控制，并推算吹煉停止時(shí)的鋼水溫度和碳含量，副槍檢測與轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制原理見圖1。目標(biāo)溫度TAim上下限與目標(biāo)碳CAim上下限共同構(gòu)成了一個(gè)矩形區(qū)域A。副槍的動(dòng)態(tài)終點(diǎn)控制是將鋼水從B點(diǎn)轉(zhuǎn)移到A點(diǎn)區(qū)域內(nèi)。在轉(zhuǎn)爐煉鋼后期，鋼水溫度和碳含量是按一定的規(guī)律軌跡移動(dòng)的。若B點(diǎn)落在上下邊界線內(nèi)時(shí)，只要按照計(jì)算的所需吹氧量控制，即可達(dá)到終點(diǎn)；若B點(diǎn)落在上邊界線之上時(shí)，則需要添加一定量的冷卻劑并吹入所需的氧氣量，方可達(dá)到終點(diǎn)；若B點(diǎn)落在下邊界之下時(shí)，則需要添加一定量的增碳劑或者發(fā)熱劑并吹入所需的氧氣量，方可達(dá)到終點(diǎn)。

圖1 副槍檢測及轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制

采用副槍測量實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐吹煉后期的動(dòng)態(tài)控制，能在一定程度上消除轉(zhuǎn)爐入爐信息偏差的影響和系統(tǒng)誤差，且能夠精確調(diào)整后期操作和終點(diǎn)預(yù)測，大幅度提高終點(diǎn)命中率。最終，利用停吹時(shí)的鋼水溫度和碳含量信息對模型參數(shù)進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)冶金計(jì)算模型自學(xué)習(xí)和自優(yōu)化，提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。寶鋼、武鋼等鋼廠采用副槍作為動(dòng)態(tài)檢測手段，其終點(diǎn)命中均能達(dá)到85%～90%(控制精度：[C]± 0.01%～0.015%、T± 12～13 ℃)[1]。

2.2 煙氣分析系統(tǒng)

除了副槍，部分鋼廠則采用煙氣分析作為主要?jiǎng)討B(tài)檢測手段實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化煉鋼。煙氣分析能夠?qū)D(zhuǎn)爐冶煉進(jìn)行全程分析。

首先，根據(jù)流量計(jì)測得的煙氣流量，以及煙氣分析儀測得的煙氣中CO和CO2的濃度，利用碳元素質(zhì)量守恒原理，計(jì)算熔池中脫碳速度：

dC/dt=12/22.4×Qoff-gas×[φoff-gas(CO)+φoff-gas(CO2)]

(1)

式中：dC/dt為脫碳速度，kg/s；Qoff-gas為煙氣流量，m3/s；φoff-gas(CO)、φoff-gas(CO2)為煙氣中的CO和CO2濃度。

然后，計(jì)算向熔池里輸入的氧量(包括氧槍供氧以及含鐵輔料帶入的氧量)：

dO/dt=32FO2/22.4+48WFe2O3/MFe2O3

(2)

式中：dO/dt為向熔池里輸入的氧量，kg/s；FO2為氧槍吹入的氧量，m3/s；WFe2O3為熔化的含鐵物料中Fe2O3重量，kg/s；MFe2O3為Fe2O3分子量。

最后，計(jì)算得出熔池內(nèi)的瞬時(shí)脫碳氧效率dC/dO，該指標(biāo)間接反映了爐渣的氧勢。因?yàn)樵谝睙捴泻笃?，氧主要用來脫碳，脫碳反?yīng)生成的CO和CO2進(jìn)入煙氣，而剩余的氧與鋼水其它成分發(fā)生氧化還原反應(yīng)后進(jìn)入渣中。因此，脫碳氧效率與爐渣氧勢成反比關(guān)系。

在整個(gè)冶煉期間，CO、CO2和N2濃度具有一定的變化規(guī)律。冶煉中期CO、CO2和N2濃度變化較平緩；接近終點(diǎn)時(shí)，CO濃度急劇下降，CO2和N2濃度上升。計(jì)算的dC/dO曲線也具有相似的規(guī)律：冶煉前期近乎直線上升；冶煉中期變化不大，接近水平；接近終點(diǎn)快速下降。轉(zhuǎn)爐典型的煙氣氣體特征曲線與計(jì)算的dC/dO曲線見圖2。

圖2 典型的爐氣成分與dC/dO曲線

計(jì)算的dC/dO曲線可用來指導(dǎo)操作工或采用自動(dòng)化控制策略來調(diào)整氧槍操作。冶煉中期dC/dO曲線出現(xiàn)明顯下降，說明脫碳效率下降，或者脫碳反應(yīng)產(chǎn)生的CO在爐渣中聚集形成泡沫渣，噴濺可能性加大，應(yīng)適當(dāng)降低槍位或增大供氧強(qiáng)度；當(dāng)dC/dO曲線在冶煉中期出現(xiàn)明顯的上升時(shí)為爐渣返干征兆，應(yīng)提高槍位或減小供氧強(qiáng)度。韓國浦項(xiàng)采用英國ONIX公司的Prima600S磁扇式質(zhì)譜儀進(jìn)行煙氣檢測和噴濺預(yù)測，預(yù)測符合率達(dá)到了81%[2]。馬鋼采用奧鋼聯(lián)爐氣分析(LOMAS)，預(yù)測噴濺成功率達(dá)到85%以上，轉(zhuǎn)爐噴濺發(fā)生率由原來的21%降低到目前的4.3%[3]。

吹煉末期，當(dāng)影響碳氧反應(yīng)速度的因素由供氧強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)樘紨U(kuò)散的速度時(shí)，煙氣中CO濃度開始急劇下降。此時(shí)，CO濃度與熔池中碳含量有相對可靠的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)對應(yīng)關(guān)系，可以發(fā)出轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)壓槍、停吹操作的指令，預(yù)測熔池的碳含量。

2.3 聲納化渣系統(tǒng)

聲納化渣檢測技術(shù)主要是通過檢測以超音速氧氣沖擊到熔融金屬表面產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度大小來估算泡沫渣厚度。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中泡沫渣厚度h、聲音強(qiáng)度I、時(shí)間t和頻率w，指數(shù)關(guān)系為：

I(h(t),ω)=I0e-βf(ω)h(t)

(3)

式中：I0是沒有渣時(shí)的聲音強(qiáng)度；音頻系數(shù)βf(ω)由氣泡尺寸和材料決定。

方程(3)兩邊取對數(shù)得到

(4)

這意味著泡沫渣厚度取決于某特定的頻率聲強(qiáng)的對數(shù)。因此，聲納化渣對冶煉化渣狀態(tài)識(shí)別具有一定指導(dǎo)意義，可以通過計(jì)算的泡沫渣厚度及時(shí)調(diào)整氧槍或加料操作。當(dāng)冶煉過程中某特定頻率聲強(qiáng)變大并持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，采取降低氧氣流量、提高槍位或投入化渣物料，以便及時(shí)化渣；反之，則增大氧氣流量、降低槍位或投入能讓爐渣稠化的物料。安陽鋼鐵二煉鋼廠采用聲納化渣進(jìn)行渣態(tài)預(yù)測，噴濺和返干預(yù)報(bào)命中率分別大于85%和90%[5]。本鋼采用聲納化渣進(jìn)行氧槍自動(dòng)控制煉鋼，氧槍自動(dòng)化綜合使用率達(dá)到了75.6%，剔除不符合使用條件的爐次，實(shí)際使用率為93.47%；這期間，采用聲納化渣控槍的7號爐噴濺率僅為1.38%，低于其它轉(zhuǎn)爐2.44%的平均水平[6]。

2.4 火焰圖像分析系統(tǒng)

聲納化渣噴濺檢測有一定的滯后性，爐口火焰圖像分析則是一種直接的、實(shí)時(shí)性好的檢測手段。通過爐口火焰圖像的分析，以明亮火焰圖像為背景，識(shí)別火焰中暗斑的數(shù)量、大小以及持續(xù)出現(xiàn)的時(shí)間，對爐渣的活躍程度進(jìn)行評估，判斷是否有噴濺的征兆；以昏暗的爐口裙板為背景，識(shí)別爐口裙板中明亮的范圍和持續(xù)的時(shí)間，對冶煉噴濺的程度進(jìn)行評估，判斷噴濺的大小。同時(shí)，爐口火焰隨著爐內(nèi)熔池溫度升高而逐漸明亮，火焰濃厚程度也與熔池中碳含量息息相關(guān)，一定程度上可以對過程熔池溫度和末期熔池碳含量進(jìn)行預(yù)測。

目前，爐口火焰圖像分析常常被用于熔池碳溫的預(yù)測，鮮有用于轉(zhuǎn)爐冶煉動(dòng)態(tài)控制。根據(jù)爐口火焰圖像分析判斷的無噴濺、預(yù)噴濺和噴濺程度，以及冶煉所處的不同階段的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)對措施，進(jìn)行氧槍和加料動(dòng)態(tài)控制，可以避免或抑制噴濺，同時(shí)預(yù)防爐渣返干。在冶煉前期，出現(xiàn)預(yù)噴濺或噴濺信號時(shí)，將氧槍槍位適當(dāng)提高，并提前投入下一批輔料，再將槍位降至原位。在冶煉中期，出現(xiàn)預(yù)噴濺時(shí)，將槍位適當(dāng)降低；出現(xiàn)噴濺時(shí)，先將槍位適當(dāng)提高再加入抑渣輔料壓噴，幾秒后將槍位降低且低于原槍位；隨后在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)無預(yù)噴濺和噴濺，則適當(dāng)提高槍位；若每隔預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)無預(yù)噴濺和噴濺，則繼續(xù)提高槍位，直至最高槍位或收到預(yù)噴濺信號，形成一個(gè)控制周期。筆者在120 t轉(zhuǎn)爐上做了爐口火焰圖像分析測試，將結(jié)果與操作工的判斷進(jìn)行對比，其判斷爐渣活躍有噴濺征兆的準(zhǔn)確率達(dá)到了95%以上，識(shí)別出現(xiàn)噴濺的準(zhǔn)確率達(dá)到了98%以上，為自動(dòng)冶煉過程中控制噴濺提供了最直接、可靠的依據(jù)。進(jìn)行了轉(zhuǎn)爐冶煉聯(lián)動(dòng)控制嘗試，取得了一定效果，能夠?qū)崿F(xiàn)過程化渣操作動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制，并有效抑制住80%以上的噴濺。

2.5 常用動(dòng)態(tài)檢測及控制技術(shù)比較

副槍檢測能夠在吹煉末期進(jìn)行一次比較精確的溫度動(dòng)態(tài)調(diào)整，比較適用于吹煉末期的吹氧量的動(dòng)態(tài)控制和終點(diǎn)碳溫的預(yù)測。但是，其不能提供連續(xù)的信息，也不能實(shí)現(xiàn)冶煉過程化渣操作的調(diào)整，實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的絕大部分時(shí)間仍是在靜態(tài)模型的指導(dǎo)下進(jìn)行的，與真正意義的自動(dòng)煉鋼存在一定的差距。另外，對入爐信息的準(zhǔn)確、穩(wěn)定性有一定依賴，會(huì)因?yàn)楦睒寽y量結(jié)果偏差過大，而無法一次調(diào)整到位而造成補(bǔ)吹，也會(huì)因?yàn)檫^程化渣不良導(dǎo)致生產(chǎn)和質(zhì)量事故發(fā)生。

煙氣分析能夠用于低碳鋼吹煉末期的碳含量預(yù)測和過程化渣動(dòng)態(tài)控制。但是受到氧槍、加料，甚至是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)爐底吹等影響，抗干擾性差，特征提取不穩(wěn)定。因此，其溫度檢測精度不如副槍，化渣檢測不如聲吶化渣。

聲納化渣檢測比較適用于過程化渣動(dòng)態(tài)控制。但聲納化渣檢測極易受到爐外其他噪聲的干擾，以及受到爐型、爐口大小和爐口積渣等影響，往往需要人為對其狀態(tài)是否正常進(jìn)行判斷。另外，由于爐內(nèi)聲音噪點(diǎn)多，噪聲曲線波動(dòng)大，為了降噪，往往需要進(jìn)行濾波處理，導(dǎo)致了一定的信息延遲，而吹煉過程的噴濺，往往是瞬間的、爆發(fā)性的，因此不能滿足個(gè)別鋼廠對爐渣控制比較活躍的要求。

爐口火焰圖像分析比較適用于過程化渣動(dòng)態(tài)控制。雖然也能夠用于過程熔池溫度和低碳鋼吹煉末期的碳含量預(yù)測，但是由于爐口火焰受到供氧強(qiáng)度、化渣效果、爐渣渣量、爐型、爐口內(nèi)徑、爐口積渣等影響，爐口火焰并不能與熔池溫度和碳含量精確對應(yīng)，導(dǎo)致預(yù)測精度和準(zhǔn)確性不能滿足現(xiàn)場終點(diǎn)控制的要求。

3 建議

自動(dòng)化煉鋼建設(shè)或升級改造的轉(zhuǎn)爐，根據(jù)實(shí)際的工況、原料管控和控制精度要求，采取一種或多種動(dòng)態(tài)檢測及控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化煉鋼，以達(dá)到成本投入和控制效果的最佳平衡點(diǎn)。結(jié)合上述檢測及控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，建議如下：

(1)對于冶煉條件較好，冶煉低碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，可采用煙氣分析作為動(dòng)態(tài)控制的手段。

(2)對于冶煉條件較好，控制精度要求較高或者冶煉中高碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，可采用副槍作為動(dòng)態(tài)控制的手段。

(3)對于冶煉條件不太好或者希望適用范圍比較大，冶煉低碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，可采用聲納化渣、爐口火焰圖像分析和煙氣分析共同作為動(dòng)態(tài)控制的手段。

(4)對于冶煉條件不太好或者希望適用范圍比較大，控制精度要求較高或者中高碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，可采用聲納化渣、爐口火焰圖像分析和副槍共同作為動(dòng)態(tài)控制的手段。目前轉(zhuǎn)爐冶煉過程動(dòng)態(tài)信息檢測手段存在種種不足，即使組合使用，也無法使轉(zhuǎn)爐冶煉過程完全數(shù)字化、透明化，對冶煉條件很差的轉(zhuǎn)爐進(jìn)行自動(dòng)化煉鋼建設(shè)，很難取得較好的冶金和控制效果。因此，加強(qiáng)入爐原料質(zhì)量的管控、保證入爐信息采集的精確性，是保障轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化煉鋼成功、終點(diǎn)命中率高的重要途徑。