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东北大学硕士学位论文摘要 基于神经网络的转炉炼钢控制方法研究 摘要 氧气转炉炼钢法从1 9 5 2 年出现以来，得到了迅速的发展，目前已成为世界上最主 要的炼钢方法之一，其生产过程是一个周期性的升温降碳过程，包含非常复杂的多元多 相高温反应，其主要目的是在吹炼终点尽可能达到目标钢水所要求的温度和成分含量。 影响终点钢水成分和温度的因素很多，人工控制很难一次达到终点目标值。在实际生产 过程中，经常出现由于难以准确控制熔池碳温而引起“返工”的现象，因而提高转炉炼钢 终点控制命中率具有重要意义。本文以江苏淮钢“十五”技改转炉自动化项目为背景，对 转炉炼钢过程的控制方法展开了研究。 本文采用静态控制和结合以副枪检测信息为基础的动态控制，对转炉冶炼过程进行 控制。将t s 模糊神经网络、b p 神经网络、r b f 神经网络等神经网络方法应用到转炉 炼钢过程的建模和控制中，提出了基于神经网络的转炉炼钢过程控制的新方法。具体工 作内容如下： 1 转炉静态控制方法研究。针对转炉传统静态控制的控制效果差、精度不高、难以 达到期望结果等问题，结合模糊神经网络的特点，提出了基于减法聚类t - s 模糊神经网 络的转炉炼钢静态控制新方法。仿真结果表明，该方法比传统方法具有更好的计算精度 和适应能力，为提高转炉炼钢静态冶炼过程的命中精度给出了一个有效的方法。 2 转炉动态控制方法研究。针对转炉这一被控对象的非线性和不确定特性，本文在 对转炉动态模型进行深入研究的基础上，将r b f 神经网络和b p 神经网络应用到转炉炼 钢动态过程的建模控制中，提出了基于神经网络的转炉炼钢动态控制的新方法。先用 r b f 神经网络建立预报钢水终点温度和碳含量的预报模型，即对象的正模型；再用正模 型逆系统方法建立转炉炼钢动态阶段的神经网络逆系统模型，即控制模型，它是利用 逆神经网络的期望输入与受控系统正模型输出之差最小来调整逆神经网络的权值，从而 提高了转炉冶炼熔池碳温的命中率。仿真结果表明了该方法的有效性，该方法也为在实 际应用中提高转炉熔池命中率提供了一条新的途径。 关键词：转炉炼钢；静态控制；动态控制；预报模型；模糊神经网络 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc o n t r o lm e t h o df o rb o f s t e e l m a k i n g p r o c e s sb a s e do nn n a b s t r a c t s i n c eb o fs t e e l m a k i n ga p p e a r si n1 9 5 2 ，i th a sg o tr a p i d l yd e v e l o p m e n t , n o wi th a s b e c o m eo n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts t e e l m a k i n gm e t h o d si nt h ew o r l d i t sp r o d u c i n gp i ( n 3 e s si s ac o m p l e xs e a s o n a lp r o c e s so fr i s i n gt e m p e r a t u r e & l o w e rc a r b o nc o n t e n to ft h em o l t e n s t e e l ，a n di n c l u d ev e r yc o m p l e xh i 曲t e m p e r a t u r er e a c t i o no fm u l t i m e m b e r & m u l t i p h a s e ，a n d i t sp r i m a r yt a s ki st oa c q u i r eb o t ht h ec o m p o s i t i o na n dt e m p e r a t u r eh i tt h et a p p i n ga i ms l o ta t t h e s t e e l m a k i n ge n d p o i n ts i m u l t a n e o u s l y b e c a u s e t h e r ea r e m a n y f a c t o r si n f e c tt h e t e m p e r a t u r e & c o m p o s i t i o no ft h em o l t e ns t e e l , i t sh a r dt or e a c ht h ei d e a lt a r g e tv a l u ei nt h e s t e e l m a k i n ge n d p o i n t i na c t u a lb o fs t e e l m a k i n gp r o c e s s ，i to f t e nh a p p e n st h a to p e r a t o r sh a v e t or e s m e l tt h es t e e lb a t hd u et ot h el o w e rc o n t r o lp r e c i s i o n s oi m p r o v i n gt h ec o n t r o lp r e c i s i o n o fb o fs t c c l m a k i n gh i r i n gr a t i oi sv e r yi m p o r t a n t at h o r o u g hr e s e a r c ho ni m p r o v i n gt h e h i t t i n gr a t i oo f b o fs t e e l m a k i n g i sm a d eb a s e do nh u a i - s t e e li nj i a n g s up r o v i n c e i nt h i st h e s i s ，s t a t i cc o n t lm e t h o da n dd y n a m i cc o n t r o lm e t h o dw h i c hb a s e do n a u x i l i a r yg u nd e t e c ta r eu s e dt oi m p r o v et h eb o fs t e c i m a k i n gh i t t i n gr a t i o t - sf u z z yn n , b p n na n dr b fn nh a v eb e e nu s e dt om o d e la n dc o n t r o lt h eb o f s t e e l m a k i n gp r o c e s s n e w c o n t r o lm e t h o df o rb o fs t e e l m a k i n gp r o c e s sb a s e do nn ni sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s n 地 d e t a i l so f t h en e w i n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d sa r ea sf o l l o w s 1 r e s e a r c ho nt h es t a t i cc o n t r o lm e t h o d ： c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e mo f p o o rp r e c i s i o na n dp o o rh i t t i n gr a t i oo f t h et r a d i t i o n a lb o f s t a t i cm o d e lc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef u z z yn e u r a ln e t w o r k , w ep r e s e n tn f w m e t h o df o rb o fs t a t i cc o n t r o lb a s e do nt - sf u z z yn e l l r a ln e t w o r kb ys u b t r a c tc l u s t e r i n g n 坞 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h i sn e wm e t h o dh a v eab e t t e rc a l c u l a t ep r e s i s o na n d h i t t i n gr a t i o t h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s s oi ti sa ne f f e c t i v em e t h o di ni m p r o v i n gt h eb o f s t e e l m a k i n g h i t t i n gr a t i o 2 r e s e a r c ho nt h ed y n a m i cc o n t r o lm e t h o d ： a i ma tb o fi sac o m p l e xo b j e c tw i t hc h a r a c t e r i s t i co fn o n l i e a n e ra n di n d e t e r m i n a t i o n , o nt h eb a s i so f a t h o r o u g hr e s e a r c ho nb o fd y n a m i cm o d e l , r b fn na n db pn n i sa p p l i e d t om o d e la n dc o n t r o lt h eb o f d y n a m i cp r o c e s s an e wm e t h o df o rb o fd y n a 血cc o n t r o lh a s e d 0 1 1n ni sp r e s e n t e di nt h i s t h e s i s f i r s t , p r e d i c tm o d e li sb u i l dt op r e d i c tt h ee n d p o i n t t e m p e r a t m ea n dc o m p o s i t i o no ft h em o l t e ns t e e l ，t h ep r e d i c tm o d e lc a na l s ob ec a l l e do b j e c t s p o s i t i v em o d e l t h e n , r e v e r s en nm o d e li sb u i l dt om o d l et h er e v e r s eb o fd y n a m i cp r o c e s s b ym e t h o do fp o s i t i v em o d e l & r e v e r s es y s t e m 啊1 er i g h to ft h er e v e r s en nm o d e lt b p n e t w o r ki su s e di no t i sp a p e r ) i sa j u s t e db ym a k i n gt h ee r r o rw k i c hi sb e t w e e nt h ei d e a li n p u t 东北大学硕士学位论文 o f n e g a f i v en e t w o r k a n dt h eo u t p u to f t h ep o s i t i v em o d e lm i n i m u m , 8 0t h eb a t h sh i t t i n gr a t i o o f c o m p o s i t i o na n dt e m p e r a t u r ec a nb ei m p m v e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t st e s t i f i e dt h i sm o d e l s e f f e c t i v e n e s s t h i sm o d e lc a na l s ob eu s e dt oi m p r o v et h ep r e s e n tm e l t i n g - p o o l sh i t t i n gr a t i o o f t e m p e r a t u r ea n dc o m p o s i t i o r l k e y w o r d s ：b o fs t e e l m a k i n g ；s t a t i cc o n t r o l ；d y n a m i cc o n t r o l ；p r e d i c tm o d e l ；f u z z yn e u r a l n e t w o r k i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：鱼址纯 签字日期：文p 7 多久 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：熏盘，懈导师签名：矿篷乏秀 签字日期：孙口7 参少 签字日期 扣7 5 矿 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 转炉炼钢发展现状 钢铁工业是国民经济的基础工业，钢铁产品在各类原材料中用途最广泛，当 今世界的文化和经济的发展与钢铁生产有着非常密切的关系，它对国家工业化和 国防现代化具有举足轻重的作用。转炉作为钢铁工业流程中的重要一环，对生产 出合格的钢铁产品起着至关重要的作用，转炉炼钢的技术水平也直接影响着钢铁 行业的发展。概括氧气转炉从1 9 5 2 年诞生到现在5 0 多年技术的发展，大致有以 下四个方面1 】： ( 1 ) 氧气转炉的完善和大型化 一个新生技术的诞生，往往是主要工艺技术方面的突破，在实现工业化生产 以后，有一个完善的过程。氧气顶吹转炉也是这样，氧枪在钢液面上用高速氧流 射入钢液，实现氧气炼钢。工业化生产还有许多问题，烟气的除尘和煤气的回收、 氧枪的改进，单孔氧枪到多孔氧枪、原料的适应性、高磷生铁的应用，出现l d a d 法和o l p 法、品种的扩大，从早期冶炼低碳钢逐步扩大中高碳钢合金钢等品种。 氧气转炉的诞生在二次世界大战后的经济恢复建设时期，钢铁工业高速发展，转 炉大型化发展很快。2 0 世纪6 0 年代初，出现炉容为2 0 0 t 的炉子，2 0 世纪6 0 年 代末，出现炉容为3 0 0 t 的炉子。大型化使得整个炉子及厂房工程设计方面都有了 很大的进步。 ( 2 ) 科学控制炼钢 科学控制炼钢包括过程控制和终点控制，由于转炉炼钢时间短，反应速度快， 很难采用取样分析的方法来监控反应过程，也不能像平炉、电炉那样直接观察炉 内反应过程，而是根据火焰、喷溅、声音等二次信息，依靠人的经验，观察分析 冶炼过程和控制终点。所以，一百年以来，贝氏麦、托马斯转炉都是依靠经验炼 钢。转炉从经验炼钢到科学控制炼钢是转炉炼钢技术发展的一个重要方面。 2 0 世纪5 0 年代末期到6 0 年代初期，转炉炼钢工作者依靠利用热力学成果， 利用热力学实验数据可以精确地计算出炼钢过程的化学反应生成热。另外，检测、 分析仪表仪器的发展，对加入转炉的主、副原料的质量、温度及化学成分等都可 以进行测量，故可以做到准确的计量加入原料。对转炉吹氧和废气可以连续监控 和分析计量，加之副枪的开发，这一切均为转炉静态计算、静态控制和动态控制 等科学控制炼钢创造了条件。目前，对冶炼过程中炉渣的监控也有了几种行之有 效的方法，科学炼钢已达到很高的水平，终点命中率达到很高的精度。后吹率的 降低，为保证钢水质量、降低各种消耗和提高劳动生产率方面发挥了重要的作用。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 炉外精炼 很长一个时期以来，各种炼钢方法的冶炼任务都是在炼钢炉内完成的，随着 钢材品种、质量要求的不断提高，这已不能满足要求。因此，出现了铁水预处理 和钢包精炼技术，且该技术很快得到了发展。所谓“炉外”精炼是相对炼钢炉炉内 冶炼而言，过去也曾概括称为炉外处理。炉外精炼可以使各种成分控制精度很高， 波动很小，对清洁钢的元素可精炼到很低的水平。 ( 4 ) 底吹转炉和顶底复合吹炼二次燃烧技术的发展 1 9 6 8 年，o x y g e n b o t t o m m a x h i i t t e 工业化生产成功，从此，底吹氧气转炉诞 生。与此同时，法国l w s 底吹氧气转炉也开发成功，它是由c r e u e e t l u i e e w e n d d s p i d e l e rs p r a n g k 共同开发的，被命名为l w s ，日本川崎等公司也新建了 一些底吹转炉的工厂。2 0 世纪7 0 年代末，德国钢铁研究院和卢森堡阿尔贝德公 司开发了l b e 顶底复吹冶炼技术，从炉底吹入氮、氩等惰性气体搅拌熔池，特别 是对低碳钢，在碳低时，熔池搅动减弱，采用底吹搅拌，可加速脱碳反应并使各 种反应接近平衡状态，减少铁、锰烧损，提高脱硫能力。1 9 9 0 年，采用项底复合 吹炼技术的钢产量占转炉钢产量的百分比在日本为8 3 5 ，西欧为6 0 1 。由于 复合吹炼铁锰烧损减少，降低了消耗，但同时也带来由于热量减少，影响废钢消 耗的一些问题。目前，底吹转炉和顶底复合吹炼二次燃烧技术已扩展到许多冶金 领域，如电弧炉，铁水预处理，预炼炉，冶炼不锈钢的k o b m s 法，煤气熔化 废钢的e o f 炉，s m p 法【2 】的废钢熔化炉，熔融还原h i m a l t 法、d i o s 法等等。 上述技术的发展与应用进一步巩固了氧气转炉炼钢的统治地位，增强了氧气 转炉炼钢在该行业中的竞争能力。 1 2 智能控制在钢铁工业中的应用 近年来，智能控制技术得到了广泛的应用，极大的促进了社会各行各业的发 展。同样，其在钢铁工业中从高炉炼铁、转炉炼钢到连铸、连轧等各个工艺流程 中也获得了不同程度的应用p 】。 自从日本钢管公司的b a i s y s ( 高炉人工智能系统) 在富山厂的高炉运行以 来，各公司纷纷在其高炉开发和使用人工智能，且规模越来越大并使用中型计算 机和网络，不仅用于高炉炉况诊断而且用于辅助工艺线如水渣控制和t r t 等。在 日本已经运行的a i 系统有；川崎制铁的带a i 的g o s t o p 系统、出铁操作指导 专家系统、热风炉燃烧模糊控制系统、炉顶装入物分配a i 系统( 日本钢管公司 也有这样的系统) 、新日铁军津厂的a l i s 系统、大分厂的s a f a i a 系统、名古屋 厂的高炉作业专家系统、炉瘤状况预测系统、神经元数据模式化系统，神户制钢 的炉热预报a i 系统，住友金属的铁水温度t - s 模型与a i 的混合系统等。此外， 几乎所有主要产钢国家都在开发和使用高炉a i 系统，如韩国浦项的高炉专家系 2 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 统( 进行风压预报并诊断高炉下部不活跃区和不稳定的煤气流以指导高炉操作) ， 英钢联的高炉专家系统( 使用a r t 开发工具并为r e r c a i 高炉开发的，己于1 8 9 8 年投运，可预报崩料、悬料等异常炉况) ，意大利i l v a 公司的高炉专家系统( 在 其塔兰托厂使用) ，比利时国家研究中心c r a m 的高炉专家系统a c c e s s ( 预报炉 况，诊断结瘤以及渣皮脱落) ，芬兰罗德洛基钢铁集团公司拉赫钢厂的罗德洛基 日本川崎高炉专家系统( 作为高炉监控系统的一部分) ，奥钢联的高炉监控和专 家系统( 在其林茨厂及南非的i s c o r 厂使用) ，澳大利亚b h p 公司的高炉工长指 导系统。美国和俄罗斯也在开始使用或开发高炉专家系统，如美国美钢联在其 m o uv a l l e y 厂高炉开始使用专家系统。 美国s t a n d f o r d 大学的w e s t a i b 等人于1 9 9 0 年成功地将人工神经网络技术 应用于电弧炉炼钢过程控制中【4 5 】，开发出了智能电弧炉。该技术在全世界几十座 不同吨位的交流电弧炉上得到了实际应用。k o m u r a 等研制出一种结晶器液位在 线实时诊断模糊专家系统【6 1 。该系统能用一个模糊隶属函数经过复杂计算和推理， 发现可能引起液位波动的异常数据，指导浇铸操作，从而减少铸坯缺陷。t a k a s h i 等人将模糊建模方法应用于轧制过程的厚度控制系统中【7 1 ，通过在线校正模糊规 则( 隶属函数) 来适应轧制条件的变化，通过对大量的轧制过程数据进行学习， 建立了冷连扎机某一机架的轧制力模糊预测模型。n p i c a n 等人采用多层感知器 神经网络对轧机的轧制辊进行重新调整【引，减少了钢材不良端头的损失 宝钢开发研制出宝钢转炉欧炼控制模拟专家系统【9 l ，整个系统选用了3 台微 机模拟在线专家系统，整个控制系统的工作过程为：静态模型根据已设定的吹炼 参数计算本炉冷却能和氧耗；推理机修正上述结果，并计算全程所需的供氧量、 辅料量和冷却剂量；另外，系统还对冶炼后期进行动态仿真，推定终点碳与温度， 并对磷、锰的含量进行评估。推理策略包括正反向推理、混合推理、框架推理和 模糊推理。上海工业大学的裴祖安在文【1 0 l 中介绍了转炉造渣操作专家系统，它包 括操作指导子系统，知识解释子系统和知识库维护子系统。冶金部自动化研究院 的徐广新等【1 1 1 在计算机静态控制基础上开发了用于转炉炼钢后期补吹的专家系 统，它包括管理级和控制级。管理级运行静态控制模型及后期补吹专家系统，控 制级控制炼钢过程各种操作及部分数据处理，它们通过通讯接口进行信息交换。 由于神经网络强大的自适应功能和对非线性系统的任意逼进能力，使得神经 网络一出现就吸引着世界各行各业对它的关注。神经网络也在很多科学研究和实 际工程领域中显示了很大的威力在理论上，对它的计算能力、对任意连续映射 的逼进能力、学习理论及动态网络的稳定性分析都取得了丰硕的成果；在应用上 它也迅速扩展到如下许多重要领域。( 1 ) 模式识别与图像处理：如语音识别、签字 识别、指纹识别、r n a 和d n a 识别、油气贮藏勘测、图像压缩、图像复原等。 ( 2 ) 控制与优化：化工过程控制、机械手运动控制、电弧炉电极控制、石油精炼和 食品工业中优化控制、v l s i 布线设计等。( 3 ) 预测与管理：股票市场预测、有价 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 证券管理、借贷风险分析、信用卡管理等。( 4 ) 通信：自适应均衡、回波抵消、路 由选择、a t m 网络中的呼叫接纳识别及控制等。以及其它应用如导航、光学望 远镜聚焦、运载体轨迹控制、电机故障检测以及多媒体技术等。 神经网络技术的应用与发展，同样也为转炉过程的建模与自学习功能的实现 提供了一条新路。北京钢铁研究总院丁容等将b a c kp r o p a g a t i o n ( b p ) 神经网络技 术应用到转炉炼钢过程控制【l 孔，建立两个网络，分别逼近转炉冶炼的终点碳浓度 和终点温度。东北大学谢书明d 3 采用灰色模型和神经网络补偿技术预报转炉冶炼 终点碳含量和温度，并提出了基于智能技术的转炉动态终点控制方法，该方法通 过神经网络预设定在不加入冷却剂条件下达到目标终点碳含量所需要补吹的氧 气量，并采用模糊规则校正控制动态冶炼过程氧气用量和冷却剂的用量。 目前，发达国家转炉过程控制已达到很高水平，各工序也基本实现自动化， 静态控制+ 副枪检测+ 动态控制的控制模式被广泛采用，同时随着检测技术和控 制技术的发展，转炉模型的水平仍在不断提高，这也促使了转炉炼钢的控制精度 进一步提高。概括之，转炉过程控制显现如下趋势和特点【1 4 】： ( 1 ) 人工智能技术的应用是进一步提高转炉终点控制命中率的一个有效方 法，它可解决部分传统方法难以处理的问题，扩大模型处理问题的范围，提高控 制的精度。因此，人工智能技术的应用已成为各国竞相研究的焦点。 ( 2 ) 转炉控制模型将更多的精力转移到冶炼过程控制，并将目标致力于喷吹 过程的完全自动化与最佳化控制。 1 3 转炉炼钢存在的主要问题 转炉炼钢经过几十年的发展，已经达到了比较先进的程度。炉子吨位从最初 的几十吨发展到3 0 0 , - , 4 0 0 吨；转炉工艺从单独的顶吹发展到具有顶吹、底吹以及 顶底复合吹炼的多种炼钢工艺；转炉炼钢的自动化程度也取得了巨大发展，从人 工经验控制、静态控制发展成为以副枪检测为主的动态控制，并逐渐向智能控制 方向发展。但是，转炉炼钢远没有达到完美的程度，在某些方面仍存在一定的问 题，主要表现为： ( 1 ) 由于转炉炼钢是在极高的温度下进行的，无法直接连续测温，即使有一 些通过间接方法可以对其进行连续测温，但精度还不能达到令人满意的程度，因 此对温度的测量一般是采用倒炉测温或副枪测温。对钢水成份以及其他一些量的 测量也存在同样的问题。因此使转炉炼钢与一般的过程控制相比有其特殊性。 ( 2 ) 对转炉炼钢的机理目前还不十分清楚，因此所建立的静态模型和动态模 型大都是在一定假设条件下，通过机理分析或回归分析得到的，其精度受到一定 的影响，还有待于进一步提高。 ( 3 ) 正是因为转炉炼钢过程的复杂性，所建立的静态模型和动态模型还无法 4 东北大学硕士学位论文 第一幸绪论 达到令人满意的程度，因而使得对转炉炼钢终点的预报显得非常重要。转炉炼钢 是一个非常复杂的高温物理化学过程，影响终点的因素很多，有些是可以定量描 述的，而有些却是无法定量描述的。现有的预报方法一般只考虑定量因素的作用， 对非定量因素的作用缺乏考虑，因而预报精度受到一定的影响。 ( 4 ) 转炉炼钢的控制包括两个方面：一是过程控制，二是终点控制。过程控 制主要是吹氧造渣操作，其目的是造出具有较强脱除杂质能力的、流动性良好的 碱性渣，以便使转炉炼钢过程得以乎稳进行，减少溢出和喷溅等情况的发生。终 点控制则是在吹炼终点使钢水达到要求的温度和成分，目前还不能达到一次命 中，还需要进行副枪检测，根据检测结果进行补吹。转炉炼钢是一个具有多输入 多输出、存在严重非线性并具有大滞后特征的复杂工业过程，而且对过程无法做 到准确适时地检测，因此给其控制带来很大困难。 1 4 本文主要工作 由上述可知，转炉炼钢是一个非常复杂的工业过程，其中很多问题有待于进 一步解决。本文的主要工作是将神经网络法( 包括b p 神经网络、r b f 神经网络、 t s 模糊神经网络) 应用到转炉炼钢过程的建模和控制中，提出了基于神经网络 的转炉炼钢过程控制的新方法。本文的主要工作包括： ( 1 ) 阐述转炉炼钢的发展现状、设备及工艺流程。分析目前转炉炼钢的控制 模型，包括静态模型和动态模型，并指出了这些模型的不足之处，提出建立转炉 炼钢过程控制新模型的必要性。 ( 2 ) 对t s 模糊神经网络、b p 神经网络、r b f 神经网络进行了研究。对网络 的输入输出、网络结构、网络学习算法及网络的优缺点进行了分析，并针对b p 神经网络易陷入局部极小、收敛速度慢的缺点，采用引入动量项和变步长的权值 改进方法。 ( 3 ) 转炉炼钢静态控制方法研究。针对转炉传统静态模型控制效果差、精度 不高等问题，结合模糊神经网络的特点，提出了基于t s 模糊神经网络的转炉炼 钢静态控制的新方法。通过仿真研究表明该方法的有效性。 ( 4 ) 转炉炼钢动态控制方法研究。通过分析转炉炼钢动态阶段特点，提出了 基于神经网络的转炉炼钢动态控制的新方法。先用r b f 神经网络建立预报钢水终 点碳温的r b f 神经网络预报模型，即对象的正模型；再用正模型逆系统方法建 立转炉炼钢动态过程的神经网络逆系统模型。通过利用逆神经网络的期望输入与 受控系统正模型输出之差最小调整逆神经网络权值，使系统正模型输出与期望输 出之差最小而不是使逆神经网络输出与系统输入之差最小，从而提高了转炉炼钢 控制模型的计算精度，改善了转炉熔池终点碳温的命中率，通过仿真研究证明了 该方法在处理转炉这一非线性、不确定性被控对象时的有效性。该方法结构简单， 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 易于实现，也为在实际应用中提高转炉动态冶炼的终点命中率提供了一条有效途 径。 6 东北大学硕士学位论文 第二章转炉炼钢工艺设备及模型 第二章转炉炼钢工艺设备及模型 2 1 转炉炼钢工艺设备 2 1 i 转炉炼钢的基本任务 钢和生铁都是铁基合金，都含有碳、硅、锰、磷、硫5 种元素。它们的区别 如表2 1 所示。 表2 1 钢和生铁的主要区别 t a b l e2 1t h em a i nd i f f e f e n c eb e t w e e ni r o na n ds t e e l 由表2 i 可知，钢和生铁最根本的区别是其含碳量不同，生铁中 c 】 2 ，钢 中 c 】2 。含碳量的不同引起了铁碳合金性能质的变化。钢的综合性能，特别是 机械性能( 抗拉强度、韧性、塑性) 比生铁好得多，从而用途也比生铁广泛得多。 而钢性能的好坏也取决于钢内含碳量和其它杂质的含量。因此所谓炼钢，就是通 过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢种性能的要求加入适量的合 金元素，使之成为具有性能优良的钢。转炉炼钢在整个钢铁工业中的位置见图 2 1 。 图2 1 钢铁工业流程图 f i g 2 1f l o wo fi r o n s t e e lp r o d u c i n gp r o c e s s 由图2 1 所示转炉在钢铁工业流程中的位置可知：转炉炼钢部分即要脱去高 炉铁水中的过量杂质，保证钢水中的含碳量在目标范围内，又要将钢水温度提高 到出钢温度。归纳起来，转炉炼钢的基本任务如下： 7 东北大学硕士学位论文 第二章转炉炼钢工艺设备及模型 ( 1 ) 脱碳。在高温熔融状态下进行氧化熔炼，把生铁中的碳氧化降低到所炼 钢号的规格范围内，是炼钢过程的一项最主要任务。 ( 2 1 去磷和去硫。把生铁中的有害杂质磷和硫降低到所炼钢号的规格范围内。 ( 3 ) 去气和去非金属夹杂物。把熔炼过程中进入钢液中的有害气体( 氢和氮) 及非金属夹杂物( 氧化物、硫化物和硅酸盐等) 排除掉。 ( 4 ) 脱氧与合金化。把氧化熔炼过程中生产的对钢质有害的过量的氧从钢液 中排除掉；同时加入合金元素，将钢液中的各种合金元素的含量调整到 所炼钢号的规格范围内。 ( 5 ) 调温。按照熔炼工艺的需要，适时地提高和调整钢滚温度到出钢温度。 ( 6 ) 浇注。把熔炼好的合格钢液浇注成一定尺寸和形状的钢锭或连铸坯，以 便下一步轧制成钢材，浇注包括铸锭或连续铸钢。 2 1 2 转炉炼钢设备 转炉炼钢的设备通常主要包括炉体及倾动装置、复吹装置、吹氧及传动装置、 副枪及传动装置、熔剂和合金化装置等，还包括其他一些附属设备，如炉气除尘、 炉渣处理系统等。其结构如图2 2 所示。 图2 2 转炉炼钢过程的系统结构 f i g 2 2s t r u c t u r eo fb o fs t e e l m a k i n gp r o c e s s ( 1 ) 转炉炉体及倾动系统：转炉炉体包括炉壳和炉衬，炉壳由锥形炉帽、筒 形炉身和球形炉底三部分组成，为钢板焊接结构，其作用为承受耐火材料、钢液 和渣液的全部重量与其他附加重量，并在炉体倾动时承受扭转力矩作用。炉衬由 工作层、永久层和填充层构成。炉体倾动装置的作用是倾动炉体，以满足工艺操 8 东北大学硕士学位论文第二章转炉炼钢工艺设备及模型 作要求。 ( 2 ) 顶底复吹系统；归纳起来主要有三种类型： a ) 底吹惰性气体，加强搅拌型：从炉体底部通过多孔砖或喷嘴，吹入少量惰 性气体，强化熔池搅拌，改善炉内渣、钢反应条件，加速吹炼过程并减少喷溅； b ) 底吹氧气型：从转炉底部由喷嘴吹入一定量的氧气，在加强熔池搅拌的同 时还使底吹氧气与杂质元素直接反应，加强反应速度； c ) 底吹氧喷熔剂型；从氧气顶吹转炉的底部喷吹氧气的同时，还喷入熔剂( 主 要是石灰粉) ，以提高熔池的脱磷、脱硫能力。 ( 3 ) 氧枪及传动系统：供氧在氧气转炉炼钢中起主导作用，其中氧枪为该系 统的关键设备，它由喷头、枪身和枪尾组成。喷头一般由脱氧铸铜制作，由喷孔 向熔池表面喷吹超高音速氧气流股，并进行熔池脱碳升温作用。枪身由三层无缝 钢管套装而成，兼作供氧和冷却之用。氧枪提升装置用于更换氧枪和改变枪位操 作，主要包括氧枪升降小车、横移台车及升降卷扬装置，其中升降小车上固定有 氧枪、氧气和冷却水软管。 ( 4 ) 副枪和传动系统：副枪是氧气转炉炼钢的主要测量设备，主要用于冶炼 过程中后期和冶炼终点测定熔池的碳含量、温度和钢水取样。副枪系统主要包括 副枪及升降小车、副枪旋转装置、台车升降驱动装置、探头供给及装着装置、探 头拔取及试样切断装置、探头回收溜槽、副枪枪体刮渣装置、副枪口密封装置、 副枪枪体矫直装置。 ( 5 ) 副原料、铁合金输送系统：该系统由进料、上料和加料等三部分组成。 a ) 进料系统，由火车或汽车将副原料、铁合金运入贮料间( 高位贮料仓或地 下贮料仓) 内，并分类储存。 。 b ) 上料系统，从贮料问经由给料器由皮带运输器将熔剂和合金运到转炉旁并 由卸料小车加入炉顶料仓 c ) 加料系统，由炉顶高位料仓下方电磁振动给料器将铁合金送入称量漏斗， 然后通过称量斗下方的皮带机送入中间料斗或汇总斗，再通过电磁振动给料器和 相应的管道加入转炉炉内或钢包内。 2 1 3 转炉炼钢工艺制度 转炉炼钢的基本工艺制度包括装料制度、供氧制度、造渣制度、温度制度、 终点控制和出钢制度、脱氧和合金化制度等，具体如下。 ( 1 ) 装料制度：是指向转炉中装入基本金属原料废钢和铁水的方法或规程。 实践表明，装入量有最佳值。装入量过小，会使炉子产量减小，同时因熔池过浅， 炉底容易受到氧气射流区的高温和高氧化铁循环流冲击而损坏。装入量过大，会 使熔池搅拌不好，造渣困难，喷溅增加，延长冶炼时间，增加金属损失，缩短炉 9 东北大学硕士擘位论文第二章转炉炼钢工艺设备及模型 衬特别是炉帽寿命。装入制度有三种： a ) 定量装入，就是在整个炉役期中，每炉的装入量保持不变。其优点是生产 组织简便，操作稳定，有利于实现过程自动控制，适宜于大型转炉采用。缺点是 炉役前期装入量相对偏大而熔池偏深，炉役后期装入量相对偏小而熔池偏浅。 ”定深装入，在整个炉役期中，逐渐增加装入量，使每炉的金属熔池深度保 持不交。其优点是氧枪操作稳定，有利于提高供氧强度和减少喷溅，而且能够保 护炉底，并可以充分发挥转炉的生产能力。缺点是装入量和出钢量变化频繁，与 模铸生产难以配合，给生产组织带来很大困难。但对于连铸生产则不存在这些缺 点。 c ) 分阶段定量装入，在整个炉役期中，根据炉膛扩大程度划分为几个阶段， 每个阶段采用定量装入的方法。它保持了整个炉役中具有比较合适的熔池深度， 在每个阶段又保持了装入量的相对稳定性，既能增加装入量，又便于组织生产， 是适用性较强的一种方法。 ( 2 ) 供氧制度：是转炉炼钢的最重要操作，是控制整个吹炼过程的主导因素， 直接影响冶炼效果和钢的质量。它是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣速 度、控制喷溅和去除钢中气体与杂质的关键操作。它还影响终点碳和温度的控制， 影响炉龄，对转炉强化冶炼、扩大钢的品种和提高质量都有重要影响。供氧就是 要控制供氧强度和氧枪枪头在熔池面以上的高度，通过操作氧枪来完成。主要工 艺参数包括：氧气流量、氧气压力、氧枪枪位。通常的氧枪控制分恒压变枪、恒 枪变压和分阶段恒压变枪等操作。恒枪变压操作除了因氧流量变化而引起相关的 一些差别外，在许多方面相当于恒压变枪的操作效果。变压和变枪都可以改变射 流对熔池的穿透深度和冲击面积，因而都可以控制渣中氧化铁的含量、化渣速度， 还可以在很大程度上控制喷溅大小和在一定程度上控制熔池的升温速度。 ( 3 ) 造渣制度：主要是通过加入适量的石灰、白云石等熔剂，合理地控制炉 渣碱度、粘度以及成分，以提高炉渣的冶炼性能( 氧化性、流动性和泡沫程度等) ， 提高炉衬寿命。在吹炼初期，要求炉渣具有较高的氧化性，以促进石灰熔化，迅 速提高炉渣碱度，尽量提高前期脱磷、脱硫速度，避免酸性炉渣侵蚀炉村；吹炼 中期，炉渣氧化性不得过低，以避免炉渣返干；吹炼末期，同样要求炉渣保证脱 磷、脱硫所需的高碱度，并合理控制炉渣的氧化性。 ( 4 ) 温度制度：是指转炉吹炼过程中温度和终点温度的控制制度，它对转炉 的化学反应方向、程度、各元素间的相对反应速度及熔池的传热都有很大的影响。 温度制度的目标是希望吹炼过程均衡升温，终点时钢水温度和化学成分同时命中 钢种要求的范围。温度控制的办法主要是适时加入所需数量的冷却剂，以控制好 过程温度，并为直接命中终点温度提供保证。冷却剂的加入时间因条件不同而各 异。由于废钢在吹炼时加入不便，通常是在开吹前加入。利用矿石或氧化铁皮作 冷却剂时，由于它们同时又是化渣剂，加入时间往往与造渣同时考虑，多采用分 1 0 东北大学硕士学位论文第二幸转炉炼钢工艺设备及模型 批加入方式。主要的冷却剂有废钢、氧化铁皮和石灰石 ( 5 ) 终点控制和出钢制度：所谓吹炼终点，是指钢水达到吹炼目标要求的时 刻。其主要目标是指钢水成分和温度，因此终点控制主要是终点成分和温度的控 制由于硫、磷的去除比脱碳复杂，所以总是尽可能提前让硫、磷去除达到终点 要求的范围。这样，终点控制便可简化为钢水碳含量和温度的控制。转炉的终点 控制，包括经验控制和自动控制方式两种。经验控制只凭操作者对炼钢的经验， 通过火焰、声音等进行判断，因而终点命中率较低，且因操作者不同而出现较大 的波动。随着计算机在转炉炼钢中的应用，转炉吹炼自动控制得到了迅速发展， 出现了多种静态控制模型和动态控制模型以及取得吹炼过程信息的手段，可以对 吹炼过程中各种复杂参数进行快速、高效的计算和处理，并给出综合动作指令。 因此，自动控制可以比较准确地控制吹炼过程和终点，达到较高的终点命中率。 当钢水温度和成分调整到所炼钢种要求的范围之内时，就可以出钢。 ( 6 ) 脱氧和合金化制度：转炉炼钢是氧化精炼过程，冶炼终点的钢水中氧含 量较高( o 0 2 0 0 8 ) ，为了保证钢的质量和顺利浇铸，钢水必须进行脱氧和合金 化操作。常用的脱氧剂主要为m n 、a l ，s i 等，而且多以铁合金形式使用。脱氧 方法有三种：沉淀脱氧、扩散脱氧和真空脱氧。合金化操作是指向钢种加入一种 或几种合金元素，使其达到成品钢成分要求，脱氧和合金化大多同时进行。 2 1 4 转炉炼钢冶炼过程 在转炉炼钢中，从倒完上一炉熔渣开始到本炉钢倒完渣结束，4 为一炉钢的冶 炼过程。一炉钢的吹氧时间通常为1 2 1 8 r a i n ，冶炼周期为3 0 r a i n 左右。炼一炉 钢的典型操作顺序为：把废钢装入空炉内，倒入铁水并将转炉转至吹炼位置；将 氧枪下至炉内废钢和铁水以上的预定高度，并开始吹氧；分期分批加入石灰、白 云石和萤石等造渣材料；以预定流量和氧枪高度吹炼预定时间之后，进行副枪检 测( 或倒炉拉碳) ，根据检测结果进行补吹；达到要求的钢水成分和温度之后出钢， 并倒出熔渣。根据熔池成分和温度的变化，转炉吹炼过程可分为三期：硅锰氧化 期( 吹炼前期) 、碳氧化期( 吹炼中期) 、碳氧化末期( 吹炼末期) 硅锰氧化期：约占吹炼过程的前1 3 1 4 时间，这个阶段硅、锰迅速氧化到 很低的含量。同时碳也被氧化，熔池温度迅速上升； 碳氧化期：当硅、锰氧化基本结束后，随着熔池温度的升高，碳的氧化速度 迅速提高，同时伴随锰的还原现象，该时期钢水升温速度趋于缓慢； 碳氧化末期：当碳含量小于0 1 5 以后，脱碳速度趋于下降同时铁的氧化更 强烈，并出现锰的二次氧化，该时期熔池升温又明显加快。 熔渣成分与钢中元素氧化、成渣情况有关。渣中c a o 含量、碱度随冶炼时间 延长而逐渐提高，中期提高速度稍慢些；渣中氧化铁含量前后期较高，中期随着 东北大学硕士学位论文 第二幸转炉炼钢工艺设备反模型 脱碳速度提高而降低；渣中威凸，m n o 、只d j 含量取决于钢中，m n ，p 氧化的 数量和熔渣中其他成分含量的变化。转炉吹炼过程中金属升温大致分为三个阶 段：第一阶段升温速度很快，第二阶段升温速度趋于缓慢，第三阶段升温速度又 加快。熔池中熔渣温度比金属温度约高2 0 1 0 0 度。 通常转炉操作是按以下顺序进行：主原料装入开始主原料装入结束开吹点 火- 吹炼结束出钢开始一出钢结束排渣开始排渣结束。实际转炉操作中有时会出 现不能转入废钢、中断吹炼、再吹、出钢中断等操作，这些也包括在上述顺序中。 相应地，转炉计算机控制的执行过程如下： ( 1 ) 在上一炉次的终点或出钢时启动本炉次的装料计算。根据出钢量和出钢计划 用装料模型计算出本炉装入的铁水重量和废钢种类及重量，分别通知铁水站 ( 混铁炉) 和废钢场准备铁水和废钢。 ( 2 ) 称量铁水重量，取样分析和测量铁水温度，按要求的废钢类别分别称量废钢 重量，将这些实际数据输入计算机。 ( 3 ) 在铁水和废钢装入转炉后，启动副原料和静态终点控制模型，计算出本炉所 需的石灰、白云石、萤石、铁矿石等原料的重量以及吹氧总量。 (