（光学工程专业论文）炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究.pdf

博上论文炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 摘要 转炉炼钢在线终点的准确控制是全世界冶炼行业一直亟待解决的难题。转炉炼钢 是世界上最主要和效率最高的炼钢方法。转炉终点的准确控制在提高炼钢质量、节能 减排、降低生产成本和提高吹炼自动化水平等方面均具有重要意义。然而在转炉吹炼 过程中，由于加入原材料的不稳定性、吹炼过程中复杂的化学反应和吹炼钢种范围的 严格性等各方面的原因，对终点的碳、温度进行准确控制至今仍然难以实现。 为了准确地判定转炉终点，本文展开了一系列研究，具体内容为：构建了炉口辐 射多频道信息获取系统，该系统主要包括光纤光学系统和火焰视频捕获系统两大部 分，其中光纤光学系统细分为炉口辐射获取分系统，光纤谱分复用分系统和多光谱复 合探测分系统。光纤光学系统在避免高温和污染的环境下，一方面可以把可见光波段 炉口辐射的光谱信息较完整的采集下来，利用光纤谱分复用技术，使得到达各通道探 测器前的光谱能量均匀一致，并把转炉炉口光辐射信息进行光电转换处理后，通过串 口传送给计算机用于后续判定；另一方面，同时采集炉口火焰的视频图像信息，利用 颜色模型空间转换技术，实现了图像特征信息的提取。综合考虑分析光谱光强和图像 的特征曲线，得到了能够反映转炉吹炼过程的潜在光辐射吹炼规律，该规律曲线可以 分为前中后三个阶段，不同阶段的曲线变化情况都较好地符合该阶段的炉内碳氧反应 情况。为了准确地判定炼钢终点，本文选用上述规律中的一些特征值作为模型的输入 输出变量，利用各自训练样本数据建立了用于判定转炉终点的回归预测模型和神经网 络预测模型，并把建立好的两种预测模型对非样本数据空间的其他炉次情况进行了实 际预测，其中回归预测模型在4 秒内的预测精度为9 0 4 ，神经网络预测模型在5 了 内的预测精度为7 6 9 ，系统响应时间为1 6 8 8 s ，满足预测精度和快速判定的要求。 研究所用的方法和技术为今后转炉终点控制技术的发展提供了一定的参考价值， 它将对提升传统产业科技水平，推进工艺装备现代化有较好的效果。 关键词：辐射，光谱光强，图像，转炉，终点，回归分析，神经网络，预测 博十论文 炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 a b s t r a c t t h eb a s i co x y g e nf u r n a c e ( b o f ) s t e e l m a k i n ge n d p o i n t sa c c u r a t ec o n t r o lo n l i n ei sa p r o b l e mt ob es o l v e du r g e n t l yi nt h ew o r l ds m e l t i n gi n d u s t r y t h eb o fs t e e l m a k i n gi st h e m o s ti m p o r t a n ta n dt h em o s te f f i c i e n ts t e e l m a k i n gm e t h o di nt h ew o r l d t h ea c c u r a t e c o n t r o lo ft h es t e e l m a k i n ge n d p o i n th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r t h ei m p r o v e m e n to ft h e s t e e lq u a l i t y , e n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o n ，t h er e d u c t i o no fp r o d u c t i o nc o s ta n d t h ei m p r o v e m e n to ft h eb l o w i n ga u t o m a t i o nl e v e l h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h e e n d p o i n tc a r b o na n dt e m p e r a t u r ea c c u r a t e l yb e c a u s eo fm a n yr e a s o n si n t h eb l o w i n g p r o c e s s ，s u c ha st h ei n s t a b l er a wm a t e r i a l s ，t h ec o m p l e xc h e m i c a lr e a c t i o n s ，a n dt h es t r i c t s t e e lg r a d es c o p ea n ds oo n t oj u d g et h es t e e l m a k i n ge n d p o i n ta c c u r a t e l y , as e r i e so fr e s e a r c hh a v eb e e nd o n ea s b e l o w ：ab o fm o u t hr a d i a t i o nm u l t i f r e q u e n c yi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mw a s d e s i g n e d ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e dt h eo p t i c a lf i b e ro p t i c a ls y s t e ma n dt h em o u t hf l a m e i m a g ec a p t u r i n gs y s t e m t h eo p t i c a lf i b e rs p e c t r u mw a s d i v i d e di n t ot h em o u t hr a d i a t i o n a c q u i s i t i o ns u b s y s t e m ，f i b e rs p e c t r u md i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs u b s y s t e ma n dt h e m u l t i s p e c t r u ml i g h ti n t e n s i t yd e t e c t i o ns u b s y s t e m o nt h eo n eh a n d ，t h ev i s i b l eb a n dr a d i a t i o n i n f o r m a t i o nw a sc o l l e c t e dc o m p l e t e l ya n dd i v i d e di n t ot h es a m es p e c t r u me n e r g yu s i n gt h e f i b e rs p e c t r u md i v i s i o nm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yw h e nt h e ya r r i v e da tv a r i o u sc h a n n e l d e t e c t o r s t h e s p e c t r u m r a d i a t i o ni n f o r m a t i o nw a sp r o c e s s e db yt h e e l e c t r o - o p t i c a l t r a n s f o r m a t i o na n dt h e nt r a n s m i t st ot h ec o m p u t e rf o rs u b s e q u e n tj u d g m e n tt h r o u g ht h e s e r i a lp o r t o nt h eo t h e rh a n d ，t h ef l a m ei m a g ei n f o r m a t i o nw a sc a p t u r e d ，a n dt h e nt h e i m a g ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o ni se x t r a c t e db yt h e c o l o rs p a c ec o n v e r s i o nm e t h o d c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no nt h es p e c t r u ml i g h ta n di m a g ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，t h e l a t e n to p t i c a lr a d i a t i o nb l o w i n gl a ww a so b t a i n e d ，w h i c hc o u l dr e f l e c tt h es t e e l m a k i n g b l o w i n gp r o c e s s t h el a w c o u l dd i v i d ei n t ot h r e es t a g e s ，a n dt h ec u r v ec h a n g eo fd i f f e r e n t s t a g ec o i n c i d e dw i t ht h ec a r b o n o x y g e nr e a c t i o ni nt h es a m es t a g e t h ee n d - p o i n tr e g r e s s p r e d i c t i o nm o d e la n dt h ee n d - p o i n tn e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e lw e r ee s t a b l i s h e db a s e d o nt h er e s p e c t i v et r a i n i n gs a m p l ed a t aa n dt h ep a r a m e t e r ss e l e c t e df r o mt h eo p t i c a lr a d i a t i o n b l o w i n gl a w t h en o n - t y p ed a t as p a c ew a sf o r e c a s t e db yt h em o d e l sa n dt h ea n t i c i p a t e d e f f e c ti sa c h i e v e d t h er e g r e s sm o d e lp r e d i c t i o na c c u r a c yi s9 0 4 w h e nt h em e a s u r e m e n t e r r oi sl e s st h a n4 s t h en e u r a ln e t w o r km o d e lp r e d i c t i o na c c u r a c yi s7 6 9 w h e nt h e m e a s u r e m e n te r r oi sl e s st h a n5 s ，a n dt h em o d e lr e s p o n s et i m ei s1 6 8 8 s t h er e s u l t ss h o w i i i t h a tt h ea n t i c i p a t e dp r e d i c t i o na c c u r a c ya n dt h er e q u i r e m e n t so fo n l i n ee n d p o i n tj u d g m e n t a l ea c h i e v e d t h em e t h o da n dt e c h n o l o g yi nt h i s s t u d yh a v ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h e d e v e l o p m e n to ft h eb o f s t e e l m a k i n ge n d - p o i n tc o n t r o lt e c h n o l o g y i tw i l lh a v eg o o de 虢c t o np r o m o t i n gt h et r a d i t i o n a l i n d u s t r yt e c h n o l o g yl e v e la n dt h ea d v a n c e m e n tc r a f t e q u i p m e n tm o d e r n i z a t i o n k e yw o r d s ：r a d i a t i o n ，s p e c t r u ml i g h t ，i m a g e ，b a s i co x y g e n f u m a c e ，e n d - p o i n t ，r e g r e s s a n a l y s i s ，n e u r a ln e t w o r k ，p r e d i c t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：蕴匡加。阵7 月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：醚匿 加7 年7 r 月日 博士论文炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 炼钢在线终点控制是世界炼钢界多年来一直亟待解决的问题。炼钢是钢铁生产的 重要工序，钢铁生产通常是指从炼铁到生产出成品钢材的这一全过程，包括了炼铁、 炼钢、铸造、轧钢等四个方面的工艺流程。炼钢工艺按照炉种一般分为平炉炼钢、转 炉炼钢和电炉炼钢三种，其中转炉炼钢又分为底吹、侧吹和顶吹等种类。目前氧气顶 吹转炉炼钢由于具有生产效率高、冶炼品种多、炼钢质量高和投资省、见效快等优点， 已经成为世界上最主要和效率最高的炼钢方法。在世界钢的总产量中，转炉钢产量的 平均份额达到了7 0 ，2 0 0 3 年我国转炉钢产量已超过全国的8 0 。钢铁生产的主体 是中小型转炉，它们的钢产量占到了转炉钢总产量的7 5 左右【l 】。 转炉终点控制是转炉生产中的关键技术之一，是转炉吹炼后期的一项重要操作， 直接关系到最后钢水的质量。终点控制的基本要求是当吹氧过程结束时，钢水的化学 成分和温度均能同时达到出钢的要求。由于脱硫、脱磷比脱碳过程复杂，一般总是尽 可能在吹炼的中间过程就使硫、磷等杂质去除掉，使之达到终点要求的范围。可以说， 终点控制实际上就是指终点含碳量和终点钢水温度的控制。转炉终点的准确控制可以 大大提高所炼钢种的质量，减少不必要的补吹等操作，具有以下几点的意义： ( 1 ) 提高转炉冶炼终点命中率，缩短冶炼时间，从而提高生产效率，降低成本， 避免资源浪费。 ( 2 ) 精确了解钢水含碳量和温度的全部变化过程，避免了人工测温、取样时常 常需要的补吹和重吹等操作，可保证钢种的质量。 ( 3 ) 可实现吹炼终点自动控制，减轻炼钢工人的劳动强度，提高转炉炼钢的自 动化水平。 提高冶炼过程的自动化控制水平和转炉终点命中率，可以获得更大的竞争优势。 然而由于加入原材料的不稳定性、吹炼过程中复杂的化学反应和吹炼钢种所要求 范围的严格性，而不同钢种的碳含量的差异又较小，因而对转炉的终点碳和温度进行 准确地在线控制一直是一个国内外亟待解决的难题。 1 2 转炉炼钢吹炼过程 氧气顶吹转炉是用纯氧从转炉顶部吹炼铁水成钢的转炉炼钢方法。自上世纪5 0 年代初投入工业生产以来，在世界范围内得到迅速推广，逐步取代空气转炉法和平炉 l 博1 论女 炼钢法，成为现代炼钢的主要方法。最早建于奥地利的林茨( l i n z ) 和多纳维茨 ( d o n a w i z ) ，因而亦称l d 法，在美国通常称为b o f 法( b a s i c o x y g e nf u r n a c e ) 。氧 气顶吹转炉炼钢的原料包括：铁水、废钢、合金钢、造渣材料、熔剂、冷却剂、氧气、 氢气、氩气等。其中金属炉料主要是铁水，约占金属总装料量的7 0 - 8 5 ，通过氧枪 从熔池上面垂直向f 吹入高压的纯氧，氧化去除铁水中的硅、锰和磷等杂质，并通过 遗渣过程进行脱磷和脱硫操作，使钢水达到规定的化学成分和温度。氧气顶吹转炉炼 钢的示意图例如图12 1 所示。 石灰等躁 浓烟炉气( c o c 0 2 ) 圜i2 i 转炉烁钢不意图 转炉炼钢的目的就是通过造渣材料和氧气的共同作用，将含有较多杂质的铁水与 吹入的氧气发生反应，以去除杂质柬获得达到要求的钢水成分和温度。这是一个极为 复杂的高温物理化学反应过程，涉及到气体、液体、固体在钢液、炉渣和炉气问的高 温化学反应等复杂现象，转炉内的成分也发生着不断的变化。一炉钢的冶炼周期为3 0 分钟左右，吹炼时间通常为1 2 ，1 8 分钟，吹炼过程根据碳氧反应的剧烈程度和炉内成 分的变化情况，通常分为欧炼前期、吹炼中期和吹炼后期三个阶段口】。 由于炉内碳氧反应的剧烈程度本质上是脱碳速率不同造成的，所以上述三个吹炼 阶段也可以用吹炼过程中的脱碳速率曲线表示。图122 表示的就是脱碳速率曲线1 4 j 其中横坐标为转炉冶炼的时剧，纵坐标为脱碳速率的单位，0 - a 为吹炼前期，a - b 为吹 博上论文炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 炼中期，b c 为吹炼后期。 昌 若 支 、。一 遗 煅 篷 錾 时间m i n 图1 2 2 脱碳速率曲线 现在结合该曲线对转炉炼钢吹炼过程进行说明。 ( 1 ) 吹炼前期。在吹炼的初期，由于铁水温度不高，硅、锰的氧化速度比碳快， 开吹几分钟后，硅、锰基本上被氧化；同时，铁水也被氧化形成氧化亚铁进入渣中， 石灰逐渐溶解，磷也被氧化到炉渣中。硅、锰、磷、铁的氧化过程放出大量热，使熔 炉迅速升温。吹炼初期炉口出现黄褐色的烟尘，然后燃烧成火焰，这是由于带出的铁 粉和小铁珠在空气中燃烧而形成。吹炼前期的任务是化好渣、早化渣，以利硫、磷的 去除；同时也要注意造渣，以减少炉渣对炉衬材料的侵蚀。这一阶段脱碳速率较低， 随着硅的去除和熔炉温度的升高，脱碳速率逐渐升高。 ( 2 ) 吹炼中期。铁水中的硅、锰元素被氧化后，熔池的温度升高，炉渣也基本 化好，碳的氧化速度加快。此时从炉口冒出的浓烟急剧增多，火焰变大，亮度也提高； 同时炉渣起泡，炉口有小渣块溅出，这意味着进入了吹炼中期。这个阶段是碳氧反应 剧烈的时期，此间供熔池中的氧气几乎完全和碳反应，脱碳速度达到最大。由于碳氧 剧烈反应，使炉温升高，渣中氧化亚铁的含量降低，由于高温、低氧化亚铁、高氧化 钙的存在，使脱硫反应得以大量进行，吹炼中期的任务是脱碳和去硫，这一阶段脱碳 速率达到了一个较宽的高峰期。 ( 3 ) 吹炼后期。在该阶段，铁水中碳含量低，从炉口排出的火焰逐渐收缩，透 明度增加。这是吹入熔池中的氧气使铁被部分氧化，使渣中氧化亚铁和钢水中氧含量 增加。同时，温度达到出钢要求，钢水中硫、磷杂质得以去除。这一阶段脱碳速率开 始降低，通常对应着熔炉中碳的含量也在减少。吹炼后期要重点做好吹炼终点的控制， 以保证温度和硫、磷、碳的含量满足出钢的要求。 转炉的终点控制【5 j 主要是指终点钢水温度和成分的控制。具体来说，终点就是指 当经过一系列吹炼反应后，所炼钢种的碳、硫、磷等含量和温度均能达到出钢要求的 时刻。由于铁水中的硫、磷等杂质易于去除，因而转炉吹炼的终点控制主要指终点的 含碳量和温度的控制。 驴炼钏的现场图。转炉炼钢过程中，加入的铁水中的硫、自 方程可以在吹炼中阿期就使其满足生产的要求。碳合量的， ，它的控制主要依靠改变畋氧量来实现。出钢温度对于钢 同钢种的凝固温度不同。由_ 二凝吲温度与含碳龋有关，因“ 上相关联，控制好熔炉温度能够确保吹炼按照标准进行。 l 刳12 3 转炉炼钢现场 现状及分析 法出现以束，人们就为了能精确控制终点进行若小懈地努 历了人工经验控制、静态控制再l 动态控制等几个发展阶段 的方法，如光学陌像方法、冶炼噪声分析方沾和智能方法 称为经验炼钢，是利片 热电偶测温定碳和炉自取样快速分 r 的转炉终点进 ，人i ：判断控制。经验炼铡方法普遍应用z 博士论文炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 经验炼钢一般分为“增碳”法和“拉碳 法两种操作方法【7 】。采用的操作方法一 般和所炼钢种有关，“增碳”法就是终点按低碳钢控制，然后在出钢过程中增碳，使 钢水中的碳含量达到所炼钢种的要求范围之内，但是这样对钢的质量有较大的影响， 这种方法并不是很常用。“拉碳”法就是按所炼钢种需要的终点碳和温度的范围进行 吹炼，当判定已达终点时停止吹氧的方法。由于在中、高碳钢种的含碳范围内，脱碳 速率比较快，一次拉碳的终点命中率较低，所以一般常采用“高拉补吹 的办法。 从脱碳速率曲线和炼钢过程可以看出，炉口火焰主要由氧碳反应决定的，在吹炼 的各个阶段，碳氧反应有不同的特点，与此同时炉口火焰也呈现出了一定的规律性变 化。尤其是在吹炼的末期，由于碳含量的减少，碳氧反应速率发生变化，这种规律性 的变化会变得非常明显。这也就是传统的经验炼钢法的主要依据。工人一般通过观察 炉口火焰、火花和供氧时间等来综合判断终点，工人凭经验判断终点的方法如下【5 j ： ( 1 ) 观测火花变化情况。从炉口被炉气带出的金属液滴，遇到空气发生氧化，使 金属液滴中的碳与氧反应生成一氧化碳气体，由于气体的体积膨胀将金属粒爆裂成许 多碎片。金属液滴含碳量越高，生成气体越多，产生的爆裂程度越大，表现为火球状 和羽毛状。随着液滴中的碳含量的降低，爆裂的碳火花分叉变少；当碳含量较小时， 爆裂的碳火花分叉几乎消失，形成的均是小火星和流线。但是由于火花并非在吹炼过 程中一直存在，所以无法作为判断终点的有力依据。 ( 2 ) 观测火焰形状及力度。吹炼中期，熔池中的碳被大量氧化，生成一氧化碳气 体数量较多，使炉口火焰白亮、有力，火焰长度也增加。随着吹炼的进行，脱碳速度 明显变慢，生成的一氧化碳气体也显著减少，此时炉口火焰收缩、发软、打晃，看起 来火焰也较为稀薄，且色泽发黄。 ( 3 ) 参考供氧时间和供氧量。当氧枪喷头结构和供氧压力一定时，单位时间内的 供氧量是一定的。在装入量、冷却剂用量和冶炼钢种均没有什么变化时，单位金属的 需氧量也几乎不变。因此，吹炼一炉钢水的供氧时间和耗氧量也变化不大。这样就可 以根据冶炼过程统计的耗氧量和供氧时间，结合平均脱碳速度作为该炉次终点判定的 参考，再结合观察火焰和火花情况综合判断终点。由于相同容积转炉的吹炼时间是在 一定范围内的，所以供氧时间也可以被作为终点判断的有力依据。 ( 4 ) 取、看钢样进行判断。这个操作是在正常吹炼情况下，提氧枪倒炉之后所进 行的一步必要的工序。取钢样的样勺内一般都有热电偶，在样勺插入熔池取样的同时， 电子电位差计直接把温度的相应读数传递到操作间供参考判定。工人取出钢样，将表 面的覆盖渣拨开，根据钢水沸腾等情况可判断终点碳含量。依照工人的经验，不同的 碳含量所对应的钢水沸腾情况不同；由于钢水中的碳含量不同，在样模内的碳氧反应 和凝固也有区别，因此工人根据凝固后的钢样表面出现的结膜和毛刺，凭经验判断碳 含量。 绪论博l 镕女 削i3 ii 1 人进行取钢样操： h 13 121 人进行看刑样操作 博士论文炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 图1 3 1 1 和图1 3 1 2 分别表示了倒炉后工人需进行的取钢样和看钢样的操作。有 经验的工人可以通过这步操作，较为准确地判定钢水中的碳含量，如果符合预期吹炼 的碳含量的范围，则判定该炉次吹炼结束；如果没有达到预期的要求，则需要进行补 吹操作，补吹操作完成后，再次进行取、看钢样的操作，这就是目前大多数转炉所普 遍采用的一种方法。 但是由于转炉吹炼是一个复杂的高温物理化学反应过程，单纯依靠人工经验来对 终点进行控制很不精确。在操作时，温度和含碳量的一次命中率很低，需要一次或多 次补吹的炉次占居了不少的比重。补吹的炉次不仅冶炼时间变长，转炉寿命由此缩短， 所耗费的金属量也增加较多，钢水的质量受到影响，同时工人的劳动强度加大，生产 效率低。另外，钢厂培养一名合格的有经验的操作工人，常常需要3 5 年的时间，这 期间也要耗费大量的人力物力。由此可见，现行的这种经验炼钢方法无论在吹炼精度 还是在吹炼成本等方面都有着较大的问题。 1 3 2 转炉终点静态模型控制 转炉终点静态控制是按照己知的原材料条件和吹炼钢种的终点成分和温度，依据 物料平衡原理和热平衡原理，参考统计分析和经验炼钢所确定的基本公式，计算各种 原料和氧气的加入量，通常选取钢水终点温度和终点碳作为目标值，并按照计算结果 进行装料和吹炼的方法。根据建模方法的不同，静态控制分为机理模型、统计模型、 经验模型三种瞄。1 l j ： ( 1 ) 机理模型是根据炼钢反应理论，以物料平衡和热平衡为基础建立的，具有 一定的通用性。物料平衡是炼钢过程中加入炉内参与炼钢过程的全部物料与炼钢过程 的产物之间的平衡关系。热平衡是炼钢过程的热量来源与支出之间的平衡关系。由于 对于冶炼过程中的内部反应机理没有完全掌握，因而理论模型还不十分完善，另外， 生产过程中的一些随机性的实际情况在模型中没有完全反映，实用效果不太好。 ( 2 ) 统计模型是不考虑过程中的物理化学规律，应用数理统计方法，对大量的 生产数据进行统计分析，确定各种原材料加入量与各种影响因素之间的数量关系而建 立的数学模型。 ( 3 ) 经验模型为减小系统误差常以增量的方式出现，即根据前一炉次的吹炼结 果作为参考，对本炉的影响进行修正，以此作为本炉次操作的数学模型。也就是说， 在这种模型下，所有炉次问的相互影响视为一个连续过程，从而忽略相邻炉次间的工 艺因素变化等对吹炼的影响。 与人工经验控制方法相比，静态控制能更加有效地利用吹炼过程的初始条件进行 定量计算并进行控制，使终点钢水温度与碳含量的命中率有所提高。但由于炼钢反应 的复杂性和随机性，许多因素很难用准确的数学方程和统计方法进行描述，同时由于 7 l 绪论博士论文 忽略了冶炼过程中的动态信息，因此上述三种静态模型的准确性受到很大的限制，未 考虑吹炼过程的信息，不能进行在线跟踪实时修正。 现在，炼钢界中占主体的中小型转炉钢厂仍主要使用这种以单一静态模型为基 础，以操作台仪表显示和工人经验为依据的终点判定方法。在实际操作中( 可以参见 图1 3 1 1 和图1 3 1 2 ) ，倒炉进行测温定碳，然后按照观测结果再进行下一步操作， 但是一般情况下，受吹炼过程的复杂程度和工人的精神状态的影响，一次拉碳的命中 率往往比较低，常常需要进行补吹操作，这就降低生产率，影响钢水质量，加大了工 人的劳动强度。 1 3 3 转炉终点动态控制 自2 0 世纪6 0 年代以来，以美国、西欧和日本为首的世界炼钢界在转炉动态控制 方面作了大量的尝试，得到了许多有益的经验。动态控制是在静态控制的基础上，应 用副枪等仪器检测吹炼过程中的有关变量随时间变化的动态信息，依据检测到的动态 信息对吹炼参数及时进行修正，以达到预定的吹炼目标。目前，动态控制的方法主要 有副枪和炉气分析两种。 1 副枪动态控制 副枪是在氧枪一侧为转炉设置的一个专用探测系统，枪头上有可拆换的多功能探 测器。副枪动态控制是指当吹炼接近终点时，根据静态控制模型确定的副枪插入时刻， 向熔池内插入副枪，检测钢水的温度和含碳量，并取出钢水样本，根据检测的数据， 来修正静态模型的计算结果，确定达到吹炼终点所需要的供氧量和副原料加入量，目 的是配合计算机实现对转炉冶炼的动态控制，从而提高转炉冶炼自动化率和终点命中 率的方法。 美国和日本等发达国家于上世纪7 0 年代采用了副枪技术并且将其扩展到钢水取 样：美国以伯利恒( b e t h e l e h m ) 公司和麦克劳斯( m c l o u t h ) 公司为代表的大型钢铁 公司把副枪应用到其生产条件相对较好的大型转炉中用于终点判定；日本钢铁工程控 股公司、新日铁、神户制钢以及住友金属等日本四大钢铁公司在其新建的大型钢厂使 用了副枪装置；在北美、西欧、澳大利亚等工业化国家副枪也已被广泛使用，如加拿 大多法斯柯( d o f a s c o ) ，荷兰达涅利康力斯( d a n i e l ic o r u s ) 公司和澳大利亚博思 格( b l u e s c o p e ) 钢铁公司等都在其大型转炉中使用副枪系统。1 1 2 - 1 7 】 副枪动态控制的优点【l8 j 是可以通过把在转炉的吹炼过程中副枪测得的结果与预 定的吹炼目标进行比较，按照两者的偏差来修正吹炼操作；不需要进行倒炉操作，吹 炼周期可缩短5 1 0 分钟；减少了倒炉所造成的污染，改善了劳动环境，减轻了工人的 劳动强度。 但是，安装副枪动态控制系统的钢厂一般都需具备转炉炉型大、吹炼过程平稳、 8 博士论文炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 自动化水平高的特征才能真正使用，否则副枪系统不能起到很好的作用。另外，副枪 仅能确定进行测量时刻的钢水碳含量及温度值，无法反应整个吹炼过程中钢水的情况 【l9 1 ，而且受副枪的尺寸及副枪投资成本高的限制，现在仅使用在大型的转炉钢厂，还 无法推广到中小型转炉厂。 2 炉气分析动态控制 炉气分析动态控制4 】是使用质谱仪口0 1 等专用仪器，连续检测从炉1 3 逸出的炉气成 分( 主要是一氧化碳和二氧化碳等气体) ，将即时得到的脱碳速率和氧含量等数值反 馈给动态控制模型，并及时调整吹氧量等参数。该系统可以根据前一时刻的检测值来 预报下一时刻的成分和温度变化，通过比较每一时刻计算值与检测值的误差，不断对 结果进行校正，从而提高控制精度和命中率。 目前，国外如日本钢铁工程控股公司( j f e ) ，韩国浦项( p o s c o ) 钢铁公司以及 德国迪林根( d i l l i n g e rh u e t t e ) 钢铁公司、意大利拉涅利( d a n i e l i ) 公司、荷兰霍戈 文( h o o g o v e n ) 公司、奥地利奥钢联集团公司( v o e s t a l p i n e ) 等欧洲公司有使用炉气 分析动态控制的应用实例 2 1 - 2 3 。但是这种方法在国内的应用情况较少，仅在如宝钢和 本钢等少数钢厂的大型转炉中装备了炉气分析技术2 4 2 6 1 。国内的何平2 8 1 等人提出的在 烟气管道上安装激光气体分析仪的方法，即属于这类炉气分析法。 但是，炉气分析动态控制一般只适用于低碳钢吹炼终点控制，作为一种间接测量 法，其测量精度受仪器精度、炉气流量和模型响应时间等因素的影响【2 7 】。另外，由于 质谱仪等仪器的造价很高，而且气体探针在恶劣的炉气环境中需要经常维修，维护费 用昂贵，现在仅在大型转炉使用因而较难在中小型钢厂得到推广使用。 1 3 4 光学图像终点判定方法 由于上述传统方法具有终点判断不准确和成本高适用性不广的问题，从上世纪8 0 年代开始，逐渐出现了利用炉口辐射的光学参数等因素，对转炉终点进行判断的新型 终点控制方法。 1 光学判定方法 由于炉口的光强光谱会随着吹炼的过程呈现出一定的规律，而且光强光谱探测准 确、理论成熟，所以已经有使用光学方法来判断转炉炼钢终点的一些尝试。 ( 1 ) 国外出现了一种用红外激光穿透炉气时发生的变化情况来判断终点的光电 探测器f 2 3 】，该探测器通过检测穿过炉气激光发生的变化情况来测量炉气成分来判断终 点，它的主要原理就是由于c o 等炉气吸收发射到其上的红外激光的能量，根据红外 能量的衰减变化与被测气体浓度间的关系可以确定被测气体的浓度，求出炉气的c 、 s 等元素的含量，进而来进行终点控制。 但是，这种光电探测器仅对于碳含量很低( 0 0 6 的情况时，其测量误差很大。目前，该技术只适 用于供氧稳定的2 0 0 t 以上大型转炉、含碳量低于0 0 6 范围内的钢水终点碳含量的控 制，而且装置中有繁琐的冷却装置。它的这些局限性使得其在非上述条件炉型的推广 使用中面临着较大的困难。 2 图像分析方法 随着图像处理分析、计算机视觉等学科的发展，图像分析方法在许多领域得到了 广泛的应用。由于其有模拟人工判断的可能，因此出现了一些利用图像处理方法判断 炼钢终点的方法。 布毅涵【3 l 】提出将图像分成若干个区域，根据特定区域内的特征像素点的出现概率 作为特征，通过模式识别的手段将图像识别为炼钢特定阶段的图像，用划分炼钢阶段 的方法来判断终点。尤佳【3 2 , 3 3 提出利用图像处理中的纹理分析的方法，通过分析计算 每幅图像的纹理结构特征，根据图像的纹理特征的变化来判断终点。姬翔1 3 4 j 根据对火 焰图像的亮度分析和纹理分析，发现火焰图像的亮度变化曲线和图像的熵、角二矩阵 等纹理特征与吹炼过程有着一定的对应关系。这些方法都是利用摄像机用非接触的方 式进行炉口火焰的采集，能够较好地得到炉口火焰的图像信息。 但是，这些从与图像有关属性出发的统计分析方法，虽然对图像的识别十分准确， 但是由于自身的算法复杂，采样时间相对较长，失去了判断火焰图像短时间变化的可 能，而在炼钢过程中火焰的平稳总是相对短暂的，因而在炼钢终点判断上仍然有速度 慢的缺点，无法准确判断炼钢的终点；另外，这些方法没有详细考虑到图像采集系统 的防尘、耐热保护等问题，因而系统工作的稳定性存在着一定的隐患。 1 3 5 冶炼噪声终点判定方法 冶炼噪声分析方法【3 5 - 4 0 l 是利用转炉吹炼过程产生的噪声参数进行的终点判定方 法。此类方法通过研究精炼期间产生的噪声在低频范围的声密度发现，冶炼噪声可以 用于碳含量的测量。音响计测定一氧化碳燃烧所产生的噪音，在所选的低频范围，音 响的变化与脱碳速率有关。该系统的主要部件是一个电容式传声器，装在一个水冷探 测器中，放在炉罩内没有灰尘的地方。在接近转炉吹炼终点时，出现一个明显的曲线 l o 博士论文炉口辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 下降结束信号，这一信号与所炼钢的种类无关，也与吹炼期间添料的方法无关。但是 噪声出现明显下降时钢水碳含量因吹炼条件不同而不同。 然而冶炼噪声分析法是仅建立在数据分析基础之上，由于缺乏冶炼噪声产生机理 的理论分析，当炉型和原料加入量等吹炼条件发生变化时，这种方法就会产生较大的 误差，对炉况变化适应性较差。 1 3 6 智能终点判定方法 随着智能控制技术的不断深入，转炉炼钢终点控制的建模方向开始转向神经网络 和专家系统的智能方法建模，智能方法的相关理论用于转炉的终点碳、温、磷等方面 的预测判定方法已经开始得到了应用【4 卜4 9 。 1 基于神经网络的终点预测 神经网络由于自身的许多优点，被作为一种建模基础应用到转炉炼钢的终点预测 中来，它可以避开过去那种对炼钢过程深层规律无止境的探求，转而模拟人脑等因素 来处理实际吹炼过程。它不是从基本原理出发，而是以事实和数据作根据，来实现对 过程的优化控制。这种模型主要是以副枪测定时刻、钢水检测数据作为神经网络的输 入矢量，以目标钢水成分、温度及补吹时间为输出矢量，运用具有学习功能的神经网 络，结果表明钢水温度和含碳量能大体上反映实际的变化趋势。神经网络中应用最广 泛的是b p 和r b f 两种网络，因而现有的预测模型大多都是建立在这两种神经网络之 上的。 比较典型的如：韩国s y 和k s c a n g 等人【5 0 】用b p 神经网络建立了氧气顶吹 转炉工艺控制的新型动态模型，采用了韩国浦项钢铁有限公司一座氧气项吹转炉实时 采集的数据进行训练和预报，结果表明，所预测出的钢水温度和含碳量的动态情况与 实际工艺数据相似，而磷和锰的动态预测效果不是很理想，他们认为这是是由于训练 的数据样本数太少而造成的。冯明霞等人1 5 1 1 以标准b p 神经网络的算法为基础，应用 改进的b i 算法建立了复吹转炉终点预报模型，结果表明该模型同已有的b p 网络模型 的预测结果相比具有更好的预测精度，在同等误差要求下亦具有更高的命中率。丁容 等人【5 2 l 提出基于b p 神经网络技术与传统的增量模型结合，开发出转炉炼钢人工智能 静态模型，通过在武钢集团转炉的生产实验证明，该模型提高了静态模型的控制精度 和终点命中率。谢书明等人【5 3 】采用r b f 神经网络预报转炉炼钢终点温度和含碳量， 在此基础上提出了基于神经网络的动态终点控制方法来确定在补吹阶段需要的吹氧 量和加入的冷却剂量，克服了传统控制方法中基于热平衡和氧平衡控制模型不准确的 缺点，提高了终点命中率。 总体上来说，神经网络的相关理论在转炉终点预测判定方面的应用大都是利用炼 钢过程中实际采集的吹炼数据，这从原理上具有较好的实时性，但是现有的这些方法 1 绪论博士论文 都存在着为获得准确数据而造成了成本增高或数据不及时等方面的问题。 2 基于专家系统的终点预测 现在专家系统在转炉中的应用比较广泛【5 4 弓6 1 。比如英国钢铁公司以模糊逻辑为基 础，实现了转炉吹炼过程氧枪的全自动吹炼控制【5 7 】。日本新日铁( n i p p o ns t e e l ) 公司 开发了转炉炼钢专家系统【5 引，通过研究，该系统把操作经验和模糊推理系统加入到控 制过程，取得了一定的成效。我国宝钢集团在原有转炉模型的基础上，研制开发出宝 钢转炉吹炼控制模拟专家系统【5 9 1 ，通过利用静态模型设定的过程量，系统对吹炼过程 进行动态仿真，从而判定出终点的碳含量和温度。 以上出现的这些智能方法模型均根据实际炼钢过程的统计数据建立的，使用黑箱 原理，重点考虑输出量与输入量之间的统计关系，消除了随机偏差，保证了一定的精 度。虽然这种黑箱原理并非最理想的建模方法，但是针对转炉炼钢这种多元多相的高 温物理化学反应过程，目前机理研究尚不透彻的前提下，它的确具有某些独到的优势。 它们本身除了具备统计模型的优势外，还具有很强的非线性函数逼近能力及对不确定 性的描述能力等。 但是，这几种智能控制方法是以原料及吹氧量和副枪测得的一些数据作为输入数 据，一是很难在现场直接准确获取数据，二是由于采样时间不能太短，所以造成了所 获数据的及时性不能很好地保证，三是副枪的使用造成了成本的提高，现在仅用在大 型转炉，使得智能模型在推广方面存在着不小的困难。 1 3 7 终点控制方法的现状分析 前面相对系统地对国内外转炉炼钢终点控制现状进行了综述，为了更清晰地认识 这些方法，下面用表1 3 7 1 对现行国内外终点控制方法的使用手段及优缺点进行一下 综合分析。 表1 3 7 1 目前终点控制方法的现状分析 现行终点控制方法手段优点缺点 1 热电偶测温定碳 命中率低 经验炼钢 2 炉前取样快速分析工人劳动强度大 机理模型：统计模型；经较之经验炼钢能 静态模型控制命中率低 验模型进行定量计算 副枪检测副枪插入钢水检测不倒炉检测 尺寸大，成本高 动态 维护昂贵、困难 控制 炉气检测质谱仪检测炉气的成分适用于低碳范围仅能用在大型转炉 1 2 博士论文炉【】辐射信息用于转炉终点判定的建模及预测研究 表1 3 7 1 ( 续) 1 光电探测器检测炉气 1 近炉工作，寿命低 吸收的红外激光能量 供氧平稳的大型 2 冷却装置繁琐，成本高 定碳 光学分析转炉、低碳范围内3 中高碳范围测量误差很 光学 2 美国伯利恒公司使用 有一定的精度大 图像 的光学探头检测炉气 4 仅能用在大型转炉 方法 光强度来判定碳含量 1 模式识别算法复杂； 图像分析2 图像纹理分析非接触测量没有对火焰图像连续分析； 3 火焰亮度分析没有考虑抗高温问题 音响计测定一氧化碳燃烧下降结束信号与 缺乏冶炼噪声产生机理的 冶炼噪声分析方法理论分析，对炉况变化适应 产生的低频噪音所炼钢种无关 性较差 1 很难在现场直接准确获 神经网络 取数据 副枪作为检测数据的一个避开了不明确的2 采样时间不能太短，数 智能 重要手段，参考加入料等炉内反应机理；采据的及时性不能很好地 控制 参数，利用相应理论方法用黑箱原理，保证 保证 方法 专家系统 进行建模了一定的精度 3 副枪的使用造成了成本 的提高 4 仅能用在大型转炉 从表1 3 7 1 我们可以得出以下结论： 1 虽然炉气分析仪和副枪等装置较之人工经验控制和静态控制方法有更好的终 点预测精度，但是由于这些设备存在着造价昂贵，维护困难，尺寸大等一些问题，目 前仅在一些大型钢厂所使用。 2 另外一些非传统的方法虽然提出了一些较好的终点判定的思路，但是这些方法 却存在着生产条件的限制、抗干扰能力弱、模型自身算法复杂或者难以在线准确获取 数据等许多的困难，因而上述控制方法仅能用在大型钢厂，目前并不能在中小型转炉 中真正地进行推广使用。 3 能够适用于所有炉型的转炉终点判定方法有经验炼钢、静态控制模型、图像分 析方法和噪声分析等几种方法，前两种是目前国内外转炉所普遍使用的方法；后两种 由于自身存在着无法对图像进行连续分析和对炉况变化适应性较差的问题，目前较难 l 绪论博士论文 在为数众多的中小型转炉中进行推广。 4 占据着世界转炉炼钢界主体地位的主力炉型的中小型转炉，它现在所使用的终 点控制方法相对落后，越来越不能适应日益增长的钢铁产量和质量等方面的需求。相 对于大型转炉，中小型转炉吹炼条件较差，在吹炼过程容易产生不平稳情况，且技术、 资金等方面的限制因素多。