1、转炉炼钢自动化控制转炉炼钢自动化控制龚龚 伟伟东北大学钢铁冶金研究所东北大学钢铁冶金研究所2006年年9月月.转炉炼钢自动化的必要性转炉炼钢自动化的必要性 转炉炼钢是一个非常复杂的过程，要炼出满足转炉炼钢是一个非常复杂的过程，要炼出满足要求的合格钢水，就必须控制熔钢的终点温度、要求的合格钢水，就必须控制熔钢的终点温度、含碳量和其它一些成分。而炼钢实用的原材料含碳量和其它一些成分。而炼钢实用的原材料（包括高炉铁水、废钢及造渣材料等）种类多、（包括高炉铁水、废钢及造渣材料等）种类多、数量大，冶炼过程温度高、时间短，可变因素数量大，冶炼过程温度高、时间短，可变因素多，变化范围大，这就给转炉炼钢的控制
2、带来多，变化范围大，这就给转炉炼钢的控制带来一定的困难。随着计算机和自动化技术的不断一定的困难。随着计算机和自动化技术的不断发展，转炉炼钢也逐渐从静态控制、人工经验发展，转炉炼钢也逐渐从静态控制、人工经验控制向动态控制方向发展。目前人工智能技术控制向动态控制方向发展。目前人工智能技术已逐渐应用于转炉炼钢中，从而使终点命中率已逐渐应用于转炉炼钢中，从而使终点命中率大大提高，冶炼时间缩短，同时也减轻了工人大大提高，冶炼时间缩短，同时也减轻了工人的劳动强度。的劳动强度。.计算机控制炼钢的发展概要计算机控制炼钢的发展概要 最初的计算机控制炼钢是用数字计算机计算铁水、废钢和石灰用量,采用静态模型在线对终
3、点碳含量和温度进行控制； 20世纪70年代后,随着计算机应用飞速的发展和数学模型的研制与开发,加上采用副枪监测、炉气分析和声纳噪音分析,计算机控制炼钢取得突破性进展； 近期成熟的计算机控制炼钢,其数学模型是以冶金反应机理和传输理论为基础,以经验或半经验关系式和数据为补充,以数值计算方法为手段的半机理半经验模型,以运行速度不断提高的计算机和副枪监测、炉气分析和声纳噪音分析为工具,使过程预测、优化和工艺过程控制日臻完善。.计算机控制炼钢的优点 较精确地计算吹炼参数计算机控制炼钢计算模型是半机理半经验的模型,且可不断优化,比经验炼钢的粗略计算精确得多,因此其吹炼所需的氧量和造渣剂用量控制在最佳范围;
4、 无倒炉出钢计算机控制炼钢后吹率一般80%，先进水平 90%,比经验炼钢终点命中率60%左右大幅提高。.计算机控制系统的结构及其功能.炼钢过程计算机炼钢过程计算机(二级机二级机)系统控制框图系统控制框图计算机控制炼钢以过程计算机控制为核心实行对冶炼全过程的参数计算和优化、数据和质量跟踪、生产顺序控制和管理。.转炉吹炼模型概述转炉吹炼模型概述 转炉炼钢数学模型是用数学式来定量表达吹炼过程所关心的主要参数,如化学元素和熔池温度在吹炼过程中的变化规律,以及各种操作因素对这些参数的影响;按建立数学模型所采用的方法,数学模型可分为理论模型(机理模型)、统计模型和经验模型等;按数学模型所描述的变量在过程中
5、的状态不同,数学模型又可分为静态模型和动态模型,而静态模型和动态模型是目前在计算机控制炼钢中普遍采用的较成熟的数学模型。.静态模型静态模型 静态模型是依据初始条件(如铁水的质量、成分和温度；废钢的质量和分类)，要求的终点目标(如终点温度和终点成分)，计算出本炉次的氧耗量，确定各种副原料的加入量和吹炼过程中氧枪的高度 ； 静态模型的建模方法有很多种，包括基于物料平衡和热平衡的理论模型、统计模型和经验型等； 目前应用较为广泛的是静态增量模型，即：辅以参考炉次的参考数据，计算出本炉次的氧耗量，确定各种副原料的加入量和吹炼过程中氧枪的高度。.静态增量模型静态增量模型 静态增量控制模型，首先将冶炼过程的
6、冷却剂投入量和氧气用量作为控制变量，将钢水吹止C浓度和吹止温度作为被控量，而其它的成份和要求不直接列为被控内容，其次，建模的主要依据不是单纯依靠物理和化学方面的理论推导，而是依据人们通常所认可的再现性的经验考虑。考虑再现性原理的静态增量模型必须要有参考炉次作为冶炼过程的参考。.静态增量模型计算方法静态增量模型计算方法 转炉炼钢静态增量控制的计算过程可以归纳为：在参考炉次冶炼实绩的基础上，同时考虑本炉次与参考炉次之间各操作因素差异的影响，应用增量计算方法建立冶炼过程相应的热平衡和氧平衡关系式，从而最终确定本炉次整个冶炼过程的吹氧量和冷却剂用量。.增量模型的基本算法增量模型的基本算法 静态模型计算
7、是假定整个炉役的冶炼参数与目静态模型计算是假定整个炉役的冶炼参数与目标值的关系是一个连续函数；即在同一原料条标值的关系是一个连续函数；即在同一原料条件下，采用同样的吹炼工艺，则应获得相同的件下，采用同样的吹炼工艺，则应获得相同的冶炼效果。基本公式如下：冶炼效果。基本公式如下： y=y0+(x-x0) y本炉次计算的终点目标值; y0参考炉次的实际目标值; x本炉次确定目标值的因素; x0参考炉次确定目标值的因素。.增量模型的组成增量模型的组成 静态增量模型通常包括吹氧量模型、枪位模型和副原料模型； 氧量模型的计算包括：按化学反应式计算吹炼一炉钢所需的氧量；计算由于加入矿石而带入的氧量；按一定吹
8、炼比例计算一炉钢所需的氧量；按氧耗进程计算每个进程的氧量； 枪位模型的计算包括：按氧耗进程计算枪位；按液面高度计算枪位。 副原料模型的计算包括：矿石加入量的计算；石灰加入量的计算；萤石加入量的计算和白云石加入量的计算。.动态模型动态模型 动态模型是指：当转炉供氧量达到氧耗量的85%左右时，降低吹氧流量，副枪开始测温、定碳，并把测到的温度及碳含量值送入过程计算机。过程计算机根据副枪测到的实际值，计算出达到目标温度和目标碳含量所需补吹的氧量及冷却剂加入量，并以副枪测到的实际值作为初值，以后每吹3s的氧，启动一次动态计算，预测熔池内温度和目标碳含量，当温度和碳含量都进入目标范围时，发出停吹命令。.副
9、枪动态模型副枪动态模型副枪动态模型的任务：副枪动态模型的任务：在获得在获得SL1副枪测定数据后，计算冶炼过程副枪测定数据后，计算冶炼过程后期应补吹的氧气量和冷却剂投入量。后期应补吹的氧气量和冷却剂投入量。在转炉冶炼后期开始补吹氧气之后，动态模在转炉冶炼后期开始补吹氧气之后，动态模型实时计算当前补吹氧气量和冷却剂量条件型实时计算当前补吹氧气量和冷却剂量条件下，熔池的含碳量和温度。当补吹氧量和冷下，熔池的含碳量和温度。当补吹氧量和冷却剂量等于整个动态过程的氧气量和冷却剂却剂量等于整个动态过程的氧气量和冷却剂量时，模型的计算结果就是其对转炉冶炼终量时，模型的计算结果就是其对转炉冶炼终点成份和温度的估
10、算值。点成份和温度的估算值。.脱碳过程计算公式脱碳过程计算公式1)C) t (Cexp(1)CCMexp(ln10WST)t (r*h(VOM) t (VOD0D0DDiiiC(t)为为t时刻的熔池时刻的熔池C浓度（浓度（10-2%）；）；C0为常数（临界为常数（临界C）；）；CM为吹炼中副枪测定时的为吹炼中副枪测定时的C浓度；浓度；D、D为系数；为系数；VO(t)为考虑对象为考虑对象t时刻的送氧量（时刻的送氧量（Nm3）（）（VOVOM）；）；VOM为吹炼中副枪测定时的送氧量；为吹炼中副枪测定时的送氧量；WST为目标制出钢量（为目标制出钢量（Ton）；）；ri(t)为副枪测定到为副枪测定到t
11、时刻间投入的冷却材时刻间投入的冷却材i的量（的量（Ton）；）；hi为冷却材为冷却材i的单位含氧量的单位含氧量(Nm3/Ton)。.升温过程计算公式升温过程计算公式)()()()(trktCCMWSTVOMtVOTMtTiiiDDDT(t)为为t时刻钢水温度（时刻钢水温度（）；）；TM为吹炼中副枪测定时的钢水温度（为吹炼中副枪测定时的钢水温度（）；）；D为系数（为系数（Ton/Nm3）；）；D为系数（为系数（）；）；D为系数；为系数；ki为冷却材为冷却材i的冷却能系数（的冷却能系数（/Ton）。）。.动态控制量的计算公式动态控制量的计算公式 动态控制量的计算，是在明确了本炉的冶炼目标（目标碳、
12、目标温度）并获得SL1副枪检测结果之后，由动态模型计算本炉仍需补吹的氧气量和冷却剂量。 在动态过程控制量的计算中，我们人为限制不得加入其它辅助原料。将VOE、WORE、CEAIM和TEAIM代入公式，可得需要的冷却剂WORE有： */)()(1)exp(1)exp(ln1000WSThkCEAIMCMTMTEAIMCCEAIMCCMWOREOREDOREDDDDDDD.动态控制量的计算公式动态控制量的计算公式 在模型的计算中，如果WORE0，则取WORE0。将计算出的WORE代入方程中，得到动态停吹时刻的吹氧量VOE ：)( )(*CEAIMCMTMTEAIIMKOREWOREWSTVOMVO
13、E.熔池碳含量和温度的计算公式熔池碳含量和温度的计算公式 动态模型对熔池碳含量和温度的估算过程，是在获得SL1副枪检测数据，并开始动态补吹过程之后才启动计算过程的。 熔池含碳量的计算：)WST)t (r*h(VOM) t (VO(10exp1)CCMexp(1lnC) t (CiiiDDD0D0.熔池碳含量和温度的计算公式熔池碳含量和温度的计算公式 动态模型对熔池碳含量和温度的估算过程，是在获得SL1副枪检测数据，并开始动态补吹过程之后才启动计算过程的。 熔池温度的计算： )()()()(trktCCMWSTVOMtVOTMtTiiiDDD.修正计算修正计算 用实际值ri(VOE-VOM)反算
14、D后，以一定比例对熔池中碳含量公式进行修正计算； 用实际值ri(VOE-VOM)，以及式(1)中新的D、D对熔池温度计算公式中的D、D 和D及冷却能力系数Ki的修正； 动态模型学习系数D、D 、D、D 和D可通过过程计算机自学习模型进行修正，也可采用人工智能神经网络予以修正。.动态控制钢水温度与碳含量预测动态控制钢水温度与碳含量预测.炉气分析模型炉气分析模型 转炉炉气分析就是在转炉烟道上安装在线气体分析仪，在线实时分析转炉炉气成分，测定或计算转炉炉气流量等信息，通过模型计算，实时在线预报钢水中的碳、锰、磷等成分和温度的变化，进行喷溅预报与控制，并在线调整吹氧制度和造渣制度，以提高钢水质量和终点
15、命中率。这是有别于副枪终点动态控制的一种方法，能实现转炉全程动态控制。.基础控制级示意图基础控制级示意图.熔池中碳含量质量平衡熔池中碳含量质量平衡以CO、CO2等排走钢水残留钢 水 碳 含 量铁水碳生铁块碳废钢碳辅料碳.脱碳模型建立脱碳模型建立 熔池碳主要来源: 铁水/废钢/生铁块： 熔池碳元素即时含量： 初期和中期脱碳模型cmcmscschmhmCCWCWCWW %100jsteeljCWWjC jQjCOjCOjVC2%4 .2212.脱碳模型建立脱碳模型建立 脱碳后期脱碳模型脱碳后期脱碳模型 min21exp1CjCkkjVC模型转换点VCtAB. 脱碳模型的求解脱碳模型的求解 在脱碳前
16、期和中期阶段，都要用到CO和CO2含量，这两个参数直接由流量计与红外测试仪（质谱议）测得。但是实际生产过程中，测试点的温度并不是室温，并且由于炉口不封闭，部分气体有可能溢出，所以对积分模型进行修正： K1，K2 气体膨胀系数，炉形影响系数 jQjCOjCOKKjVC221%4 .2212. 由脱碳速度,可以得到钢水中的即时碳含量: 其他元素氧化速度计算原则: 假设熔池内的氧全部参与反应,脱碳耗氧以外的部分用于除杂质元素。 tjWjVjCjCsteelC1 tjVjVjVjVjVjVWjWPMnSiCcmscsteelsteel0.温度模型建立温度模型建立生铁熔化吸热生铁熔化吸热钢水物理热钢水物
17、理热成渣吸热成渣吸热热损失热损失加料吸热加料吸热烟气带走烟气带走生铁物理热生铁物理热废钢物理热废钢物理热残留热残留热铁水物理热铁水物理热钢水物理热钢水物理热C, Si, Mn, P, Fe放热放热废钢熔化吸热废钢熔化吸热转炉系统热平衡：转炉系统热平衡：. 转炉即时温度公式： j 时间步长 slagslagpslagsteelpsteeljialiaoSiOCaOOPCaOgasscescPFeMnSiCMjWjCjWjCQQQjQjQjQjQjQjQjQjQjTjT561252温度模型的建立. 开吹前的温度计算： slaghmslaghmslaghmpslaghmFeFeFepFescscsc
18、pschmhmhmphmallTMWCTMWCTMWCTMWCQ.slaghmslaghmpslaghnFeFepFescscpschmhmphmallMWCMWCMWCMWCQT0温度模型的求解. 元素氧化放热：元素氧化放热： 各元素氧化速度：各元素氧化速度： 元素氧化比：元素氧化比： tjCOjQtjCOjCOjQjQC2786524 .22%1394204 .22%22 tjVjQSiSi29202000 tjVjQMnMn6594000 tjVjQPP18980000 tjVjQFeFe4250000 jVjViOfeiitan3228 jjiKji. 废钢、生铁吸热废钢、生铁吸热 炉
19、气带走热量炉气带走热量 成渣吸热成渣吸热 过程加料吸热过程加料吸热 以辐射等形式热损失以辐射等形式热损失 jVjQscsc 215000 tTjQjCjQgaspgasgas4 .22tVQPOPCaO1155200052tVQSiSiOCaO44400002 transfslagslagpslagjiQjTMWCQ jQjQjQjQjQjQFePMnSiCesc02. 0.脱碳计算界面脱碳计算界面 .终点预报界面终点预报界面.计算机控制炼钢应具备的条件计算机控制炼钢应具备的条件 用计算机对转炉炼钢吹炼进要计算机硬件设备和描述转炉吹炼型为转炉炼钢计算机提供运行所且转炉炼钢厂必须具备以下条件：
20、计算机控制炼钢要求生产连续稳定，因此要求转炉系统设备工作正常，基础自动化运行正常，设备无故障或故障很低，设备准确地执行基础自动化发出的工作指令，基础自动化准确控制设备运行，保证生产能连续正常地按顺序进行。.计算机控制炼钢应具备的条件计算机控制炼钢应具备的条件 计算机控制炼钢要进行操作条件如吹炼所需的装入量、氧气量和造渣材料的用量等计算，这些计算以冶炼参考炉次和正常冶炼控制反应为基准，因此要求吹炼前的初始条件如铁水、废钢、造渣材料成分和铁水温度等稳定，使计算值修正变化量较少，使吹炼处于平稳状态； 计算机控制炼钢是一个复杂的系统工程，它对原材料管理、工艺过程控制、设备运行等要求高，因此，要求企业要有很高的管理水平，要有高素质的管理人员、技术人员、操作人员和设备维修人员，保证整个系统的正常运转。.
