（钢铁冶金专业论文）复吹转炉神经网络终点预测模型.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 复吹转炉神经网络终点预测模型 摘要 顶底复吹转炉炼钢法是世界上最主要的两大炼钢方法之一，目前全世界转炉 钢产量约占总钢产量的7 0 以上。转炉炼钢生产的自动化和智能化是提高产量和 降低消耗最有效的技术措施之一，也是炼钢生产的主要发展趋势。由于转炉冶炼 过程周期短、使用的原材料以及影响过程参数的因素多而复杂，传统的数学模型 建立方法在处理这一类极为复杂、快速的问题时就显得十分乏力，所制定的工艺 往往难以处于最佳的工作状态。 人工神经网络具有较强的非线性问题处理能力且容错性能强，可实现实时应 用以及在线响应。针对转炉炼钢过程复杂，影响终点因素多，而且难以进行连续 准确测量的特点，本文开发了基于人工神经网络技术的转炉炼钢终点预报模型。 人工智能技术的应用有利于进一步提高转炉炼钢过程的自动化控制水平，利用人 工神经网络良好的自学习功能和容错能力，选取适当的输入参数，通过转炉生产 的大量历史数据进行训练，求得合理优化的网络权重，可对转炉终点c 、p 成分 做离线预报，当预报目标误差2 0 时，预报命中率 t 9 0 。 本课题应用s q ls e r v e r 数据库系统建立了转炉生产记录数据库。数据库包括 了转炉生产记录中的所有数据项，足以保证进行人工神经网络训练的需要。 在建立神经网络模型的过程中，分析了影响转炉吹炼终点的因素。应用模式 识别的方法，对所有影响因素进行分析筛选，从降低维数、减少模型运算量方面 考虑，剔除了部分变量。最后确定作为神经网络输入变量的因素有：铁水成分( c 、 s i 、m n 、p 、s ) 及温度、铁水量、废钢量、供氧时间、冶炼周期、炉耗氧量、石 灰加入量、轻烧白云石加入量共1 3 个因素。 在此基础上建立了一个三层b p 神经网络模型，实现了对转炉终点的全面预 测。采用某钢铁厂转炉车间2 0 0 3 年上半年的生产数据，从中选取3 3 0 0 炉数据训 练网络，得到了如下的网络参数： 1 ) 预测终点碳含量：隐含层节点数( n ) 1 2 、学习率( q ) o 5 、动量系数( a ) 0 6 、 传递函数中的温度参数( n 1 9 。 2 ) 预测终点温度：隐含层节点数( n ) 7 、学习率( q ) o 4 、动量系数( a ) 0 6 、传 递函数中的温度参数( 的2 0 。 i i 东北大学硕士学位论文摘要 3 ) 预测终点磷含量：隐含层节点数( n ) 7 、学习率( ) o 2 、动量系数( a ) o 7 、 传递函数中的温度参数( 2 5 。 从数据库中另选1 9 5 组数据用于校验网络模型精度，所得结果如下： 1 ) 预测终点碳含量：预报误差在o 0 2 以内的命中率为5 3 8 5 ，4 - o 0 4 以内的命中率为9 0 ，7 7 ，最大误差小于0 0 7 。 2 ) 预测终点温度：预测误差在6 。c 以内的命中率为5 3 0 6 ，1 2 。c 以内的 命中率8 2 6 5 ，最大误差小于土2 1 。 3 ) 预测终点磷含量：预报误差在0 0 0 2 以内的命中率为4 7 4 ，o 0 0 4 以内的命中率为8 6 4 6 ，最大误差小于o 0 0 7 。 以上结果表明，本文所建立的神经网络预测模型离线预报结果比较准确，命 中率较高，其精度满足现场生产工艺要求。 对模型预测误差的分析表明，训练集样本数据的选择对模型的精度具有至关 重要的影响。在考虑所有对冶炼终点存在影响的因素的前提下，增加采集的数据 种类，可使模型精度得到提高。同样，保证采集数据的连续性以及分布的均匀性， 均会对所得模型的精度有适当改善。 本模型探讨了转炉炼钢过程的影响因素，为生产合格钢水及转炉的动态控制 提供了理论依据，分析了主要工艺参数( 如铁水温度、吹氧时间、耗氧量等) 对转 炉冶炼终点的影响。为今后转炉冶炼终点的在线预报和快速出钢模型的开发提供 了依据和技术支持。 关键词复吹转炉冶炼模型神经网络终点预测 一i 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n d p o i n t p r e d i c t i o no fc o m b i n e d b l o w n c o n v e r t e rb a s e do na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a b s t r a c t a tp r e s e n tt h ec o m b i n e d - b l o w nc o n v e r t e ri so n eo ft h et w om a j o rs t e e l m a k i n g m e t h o d s t h es t e e lp r o d u c e db yc o m b i n e d - b l o w nc o n v e r t e ra c c o u n t sf o rm o r et h a n 7 0 o ft h et o t a ls t e e lp r o d u c t i o ni nt h ew o r l d t h ep r o c e s si n t e l l e c t u a l i z a t i o na n d a u t o m a t i o no fb o f ( b a s i co x y g e nf u r n a c e ) s t e e l m a k i n gi sn o to n l yo n eo ft h e e f f e c t i v em e 丛u r e st oi m p r o v et h eo u t p u ta n dt or e d u c et h ec o s t ，b u ta l s ot h em a j o r t r e n do f t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t i ns t e e lp r o d u c t i o n t h eb o f s t e e l - m a k i n gp r o c e s si s as h o r tp e r i o d i cp r o c e s s i nt h ep r o c e s s ，v a r i o u sm a t e r i a l sa r ea d d e d ，a n dt h e r ea r eal o t o f c o m p l i c a t e di n f l u e n c ef a c t o r s t h e r e f o r et h ec o n v e n t i o n a lm o d e l i n gm e t h o d s c a n n o t m e e tt h e r e q u i r e m e n t o f t h et r e n d t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sc a p a b l eo f d e a l i n gw i t l ln o n l i n e a rp r o b l e m sa n d o ff a u l t - t o l e r a n t i tc a bb eu s e df o ro n l i n er e s p o n s e a i m i n ga tt h eb o f p r o c e s s ，w h i c h i s c o m p l i c a t e d ，h a sm a n yf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee n d r ，o i n t , a n d i sd i f f i c u l tt ob e m e a s l l r e dc o n t i n u o u s l y , t h eb o f c n d p o i n tp r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nt h ea r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r ki sd e v e l o p e di nt h i sw o r k 。t h ee n d p o i n tt e m p e r a t u r ea n dc o m p o s i t i o n o fs t e e la r ep r e d i c t e db yu s i n gt h em o d e l t h ea p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t e c h n o l o g y i sf a v o r a b l et of u n l l e ri m p r o v et h ea u t o m a t i cc o n t r o ll e v e li nt h ep r o c e s so f b o fs t e e l - m a k i n g ，u s i n gs e l f - l e a r n i n gf u n c t i o na n df a u l t t o l e r a n c ea b i l i t yo ft h e n e u r a ln e t w o r k ，t a k i n gt h er e l e v a n tc o n v e r t e ro p e r a t i n gf a c t o r sa st h ei n p u tp a r a m e t e r s ， t h e o p t i m i z e dw e i g h t so ft h e n e t w o r kw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h et r a i n i n go ft h e n e t w o r k t h e r e b y , t h ee n d - p o i n t c o n t e n t so fca n dpi ns t e e lc o u l db eo f f - l i n ep r e d i c t e d t h eh i tr a t eo ft h ep r e d i c t i o ni sm o r et h a n9 0 w h e nt h et a r g e te r r o ri ss m a l l e rt h a n 2 0 。 ad a t a b a s eo fb o f p r o d u c t i o nr e c o r d w a se s t a b l i s h e d 1 1 1 ed a t a b a s ei sb a s e do n t h es q ls e r v e r i ti n c l u d e sa l lt l l ed a t ao f b o fp r o d u c t i o nr e c o r dw h i c h a r ee n o u g hf o r n e u r a ln e t w o r k t r a i n i n g 一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ee n d p o i n to fc o n v e r t e rw e r ei n v e s t i g a t e dd u r i n gt h e d e v e l o p m e n to f t h en e u r a ln e t w o r km o d e l a l lo ft h ei n f l u e n c ef a c t o r sw e r ea n a l y z e d a n ds e l e c t e db ya p p l y i n gt h em e t h o do f p a t t e r nr e c o g n i t i o n f r o mt h ec o n s i d e r a t i o no f l o w e r i n gt h ed i m e n s i o n so f t h es a m p l e sa n dr e d u c i n gt h ec a l c u l a t i o nq u a n t i t yo ft h e m o d e l ，s o m ef a c t o r sw e r ee l i m i n a t e d f i n a l l y , t h i r t e e nf a c t o r su s e di nt h em o d e lw e r e d e t e r m i n e da st h ec o m p o s i t i o n ( c ，s i ，m n ，p ，s ) a n dt e m p e r a t u r eo fh o tm e t a l ，t h eh o t m e t a lw e i g h t ，t h ea d d i t i o no f s c r a p ，t h et i m eo fo x y g e ns u p p l t h es m e l t i n gc y c l e ，t h e o x y g e nc o n s u m p t i o n ，t h el i m ea d d i t i o n ，t h el i g h t b u r n e dd o l o m i t ea d d i t i o n ，e t c a t h r e e l a y e rb p n e u r a ln e t w o r km o d e lw a se s t a b l i s h e d t h eu s eo ft h i sm o d e l m a k e si tp o s s i b l et of u l l yp r e d i c tt h ee n d - p o i n to ft h ec o n v e r t e rs m e l t i n g a f t e rt r a i n i n g t h en e t w o r kw i t hd a t ao f3 3 0 0h e a t sf r o mac o n v e r t e rp l a n tf r o mj a n u a r yt oj u n eo f 2 0 0 3 ，t h ea p p r o p r i a t en e t w o r kp a r a m e t e r s w e r eo b t a i n e da sf o l l o w s 1 ) t h ep r e d i c t i o no f e n d - p o i n t 【c 】：t h en u m b e r o f h i d d e n l a y e rn o d e s ( n ) b e i n g1 2 ， t h el e a r n i n gr a t e ( ) b e i n g0 5 ，t h ei n o l t t e n t l n t li t e m ( a ) b e i n g0 6 ，t h e t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n to f t r a n s f e rf u n c t i o n ( b e i n g1 9 2 、t h e p r e d i c t i o no f e n d - p o i n tt e m p e r a t u r e ：t h en u m b e r o f h i d d e nl a y e rn o d e s ( n ) b e i n g 7 ，t h e l e a r n i n gr a t e ( q ) b e i n g0 4 ，t h e m o m e n t u mi t e m ( d ) b e i n g0 6 ，t h e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f t r a n s f e rf u n c t i o n ( k ) b e i n g 2 0 3 ) t h cp r e d i c t i o no f e n d p o i n t p ：t h en u m b e ro f h i d d e nl a y e rn o d e s ( n ) b e i n g7 ， t h e l e a r n i n gr a t e ( ， ) b e i n g0 2 ，t h em o m e n t u mi t e m ( a ) b e i n g0 7 ，t h et e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n to f t r a n s f e r f u n c t i o n ( 蚰b e i n g 2 5 t h em o d e lw a sv e r i f i e dw i t hd a t ao fo t h e r 1 9 5h e a t sf r o mt h ed a t a b a s e ( 2 0 0 3 1 - 2 0 0 3 6 1 t h er e s u l t sa r eo b t a i n e d 船f o l l o w s 1 ) t h e p r e d i c t i o no fe n d - p o i n t 【c 】：w h e nt h ep r e d i c t i o n 窃f r o ri si nt h er a n g eo f 士0 0 2 ，t h eh i tr a t ei sa b o u t5 3 8 5 ：a n dw h e nt h ep r e d i c t i o ne r r o ri si nt h er a n g eo f 士0 0 4 ，t h eh i tr a t ei sa b o u t9 0 7 7 t h em a x i m u me r r o ri si nt h er a n g eo f 士o 0 7 2 ) n l e p r e d i c t i o no fe n d p o i n tt e m p e r a t u r e ：w h e nt h ep r e d i c t i o ne r r o ri si nt h e r a n g eo f 士6 ，t h eh i tr a t ei sa b o u t5 3 0 6 ；a n dw h e n t h ep r e d i c t i o ne r r o ri nt h er a n g e o f 士1 2 ，t h eh i tr a t ei sa b o u t8 2 6 5 t h em a x i m u me r r o ri si nt h er a n g eo f 士2 1 3 ) t h e p r e d i c t i o no fe n d - p o i n t p 1 ：w h e nt h ep r e d i c t i o ne r r o ri si nt h er a n g eo f 士o 0 0 2 ，t h eh i tr a t ei sa b o u t4 7 4 ：a n dw h e nt h ep r e d i c t i o ne r r o ri nt h er a n g eo f 士0 0 0 4 t h eh i tr a t ei sa b o u t8 6 4 6 t h em a x i m u me r r o ri si nt h er a n g eo f 士o 0 0 7 t h e s er e s u l t ss h o wt h a tt h ee n d - p o i n to fc o n v e r t e rc a nb ew e l lp r e d i c t e db yt h e v 一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t n e u r a ln e t w o r km o d e la n dt h eh i tr a t ei ss a t i s f a c t o r y t h ep r e c i s i o no ft h em o d e lc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t o f p r a c t i c a lp r o d u c t i o n b ya n a l y z i n gt h ep r e d i c t i o ne r r o r , i t i ss h o w nt h a tt h ed a t as e l e c t i o no ft h e t r a i n i n gs e th a sf u n d a m e n t a le f f e c to nt h em o d e lp r e c i s i o n t a k i n ga l lt h ei n f l u e n c i n g f a c t o r so nt h es m e l t i n g e n d p o i n ti n t oa c c o u n t ，e x t e n d i n g t h er a n g eo f t h ed a t at y p e ，t h e p r e c i s i o n w i l lb ei m p r o v e d m o r e o v e r , t h ep r e c i s i o nw i l la l s ob ec o r r e s p o n d i n g l y i m p r o v e db ye n s u r i n g t h ec o n f i n u i t ya n d g o o d d i s t r i b u t i o no f t h e d a t as e t 。 t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ec o n v e r t e rs t e e l m a k i n gp r o c e s sa r ed i s c u s s e d t h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rq u a l i f i e dl i q u i ds t e e lp r o d u c t i o na n dd y n a m i cc o n t r o lo ft h e c o n v e r t e ri st h u sp r o v i d e d t h ee f f e c t so ft h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r s ( s u c ha s t e m p e r a t u r e o fh o tm e t a l ，b l o w i n gt i m e ，o x y g e nc o n s u m p t i o na n ds oo n ) o nt h e e n d p o i n to fs m e l t i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d a l lt h e s ec a r lp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i s a n dt e c h n i c a ls u p p o r t sf o rt h ed e v e l o p m e n to fb o f o n l i n ep r e d i c t i o na n df a s tt a p p i n g m o d e li nt h ef u t u r e k e y w o r d sc o m b i n e d - b l o w nc o n v e r t e r , s m e l t i n gm o d e l ，n e u r a ln e t w o r k ，e n d p o i n t p r e d i c t i o n v i - 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，不包括其他人已经发表或撰写 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 表示感谢。 本人签名： 日期： 蔓! 堕鲎堡主芏堡垒查 篁二主墨些堡兰 1 1 引言 第一章文献综述 当今的时代是以信息技术为主导的时代。然而，世界终究是由物质构成的， 人类社会的生存和发展不可能脱离物质，物质生产以及物质供应保障仍然是人类 社会赖以生存和发展的永恒主题。由于钢材独特的物理化学性质，优良且全面的 性能，尤其是钢铁材料具有可再生性，加之其在价格方面的上升趋势也相对较缓 慢，所以钢铁不仅是重要的结构材料，而且是迄今为止世界上销售量最大的功能 材料。 上世纪7 0 年代中后期，钢铁工业在世界范围内进入相对停滞阶段。目前发 达国家的钢产量已达到社会所需的饱和值，人均钢材消费量日趋平衡，世界的粗 钢产量也渐渐趋向平衡。与此同时，发展中国家正致力于国民经济的发展，不可 避免地要大力发展钢铁工业以满足经济发展的需要。我国属于发展中国家，虽然 目前粗钢产量已居世界首位，但人均钢材消费量低，且高质量高品位钢所占比例 相对较小，所以，钢铁工业在目前并且在今后的较长时期内仍将是我国国民经济 的基础工业。 进入2 1 世纪，人类正经历着第三次科技革命，信息与自动控制技术的发展 为大工业生产的自动化提供了可能。炼钢技术的发展始终围绕着提高生产效率、 降低生产成本和改善钢水质量三个环节。要达到这三方面的要求，就必须对炼钢 生产进行科学精确的自动控制，而科学的控制正是来源于对炼钢生产本质的理解 并用数学语言准确的进行描述。随着社会的进步和技术的更新，钢铁企业的竞争 更加激烈。如何保证在现有生产技术的基础上进一步加深对炼钢生产过程的本质 的理解，并用准确的数学语言来描述它，无疑又给冶金工作者提出了新的挑战。 1 1 1 复吹转炉起源与发展 近代钢铁工业于资本主义发展初期逐渐兴起。炼钢方面，转炉炼钢方法起源 于1 8 5 5 年英国的h 贝赛麦提出的酸性转炉炼钢法。1 9 3 0 年，德国南部马克西米 利安厂在托马斯转炉上实验用含3 0 氧的空气炼钢，1 9 3 8 年用于生产，证实了此 法不仅可提高生产率，而且降低了钢中的含氮量，从而提高了钢的质量，由此掀 开了转炉批量生产钢水的历史。1 9 4 7 年，杜勒和他的同事赫尔瑞格在瑞士的格拉 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 费根钢厂2 5 吨转炉上进行顶吹氧气试验，并于1 9 4 8 年3 月获得成功。1 9 5 2 年在 奥地利林茨建立了一个炉容量为3 0 吨的转炉工厂。翌年，奥地利阿尔卑斯矿业公 司在多那维茨也建成了一个工厂开始用转炉炼钢，并把这种炼钢方法命名为l d 氧气顶吹转炉炼钢法( l i n z - - d e n a w i t z ) i t 。 l d 转炉炼钢法是世界炼钢技术的一次巨大变革，自1 9 5 2 年在奥地利投产以 来得到了迅速推广应用，成为世界上最主要的炼钢方法之一。l d 炼钢法是世界 炼钢技术的一次革命，它对世界钢铁生产在2 0 世纪5 0 年代开始所产生的飞跃发展 起了决定性作用。由于l d 炼钢法有高质量、高生产效率、低能耗等诸多优点， 自诞生伊始，就迅速在全世界范围推广开来。1 9 5 6 年氧气转炉生产钢水总量仅占 世界钢产量的1 ，1 9 6 0 年升至5 ，到1 9 6 7 年已经超过平炉钢的产量。1 9 7 3 年 的调查结果表明，转炉钢的生产能力已达到每年3 6 6 亿吨，上升到世界钢产量的 4 0 。1 9 9 2 年世界钢铁总产量7 2 1 亿吨，转炉钢所占比例为5 9 3 。目前转炉钢 生产量已达到全世界钢产量的6 0 以上，成为占据统治地位的炼钢方法 1 】。 2 0 世纪6 0 年代，底吹氧气转炉炼钢法诞生。人们发现，底吹工艺与顶吹工 艺相比有显著的优点，如熔池搅拌强烈、脱碳速度较快、钢中的氧含量低、铁合 金收得率高等，有利于冶炼低碳钢。但是，由于底吹转炉的化渣效率不高，而且 在底吹供气元件处的耐材消耗高，钢中氢含量增高，且底吹氧系统结构复杂。因 此，这种方法并不多用。 氧气转炉顶底复合吹炼的出现是考察顶吹转炉和底吹转炉的特点后所导致 的必然结果。复吹转炉既利用底吹气流克服了顶吹氧气流对熔池搅拌不足的弱点， 又保留了顶吹法容易控制造渣过程的优点，加速脱碳反应，明显改善了转炉终点 操作，使吹炼后期钢渣反应趋近平衡，钢水温度和成分均匀，降低了终点钢水、 炉渣的氧化性，不仅提高了钢水质量与金属收得率，还提高脱硫能力，减少了喷 溅及耐火材料的消耗。复合吹炼技术具有更好的技术经济指标，将氧气转炉炼钢 向提高质量、降低消耗方向大大推进了一步，它是转炉炼钢技术进步的又一重要 方面，因而成为近年来氧气转炉炼钢发展的方向。可以说，到2 0 世纪8 0 年代末， 复吹转炉炼钢法已取代了项吹氧气炼钢法，成为转炉炼钢的主流 2 1 。 由于转炉炼钢周期短，反应速度快，很难采用取样分析的方法来监控反应过 程。转炉也不能像平炉、电炉那样可以直接观察炉内的反应过程，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冶炼终点。为 了进一步提高钢的产量和质量，改善作业环境，人们提出了对转炉炼钢过程实旋 科学控制的要求，即在经验炼钢的基础上发展科学控制炼钢。科学控制炼钢包括 过程控制和终点控制。转炉炼钢从经验炼钢到科学控制炼钢是转炉炼钢技术发展 一2 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 的一个重要方面。 计算机应用于钢铁企业的管理和转炉冶炼控制，使得转炉生产率显著提高， 原材料、能源和人工消耗及生产成本降低，产品质量提高，同时也减轻了劳动强 度。目前，转炉终点静态控制的命中率可达6 0 7 0 ，比人工控制命中率约高 1 0 2 0 。动态控制终点成分和温度的同时命中率可达9 0 以上。 1 1 2 转炉炼钢的发展前景 顶底复吹转炉是炼钢生产中最重要的冶金设备之一。转炉炼钢的主要目的是 将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素通过氧化的方法去除。炼钢过程是一个极复杂 的高温多项物理化学过程，生产品种多、冶炼周期短、产量高、影响因素多且吹 炼反应复杂，人工操作不易控制，很难采用取样分析的方法来监控炼钢反应过程， 也无法直接观察炉内连续升温脱碳的反应过程，通常只能根据火焰、喷溅、声音 等可观测的二次信息，依靠操作人员的经验来调节分析冶炼过程和控制终点，即 所谓的经验炼钢。操作者必须随时判断炉况变化的趋势和幅度，查找引起变化的 原因并及时进行调节反应过程，达到对终点的控制。由于操作者是凭各自经验对 炉况进行判断和调节的，操作者的水平参差不齐，对炉况的判断不一致，调节的 方法也就不同，这种局限性常常导致人为的炉况波动。况且，即便是优秀的操作 者也可能会对炉况做出错误的判断。因此，不断总结优秀操作经验，统一操作标 准，建立智能模型，通过计算机控制系统对炉况进行在线判断与预测，并及时给 出操作指导。是完全有益和必要的。 在当代炼钢生产中，自动化技术的应用是装备结构优化的主要内容，是优化 工艺流程和提高产品质量的必要条件，因而是当代炼钢生产工艺及装备优化不可 缺少的主体部分。生产自动化是优化工艺流程和提高产品质量的必要条件，也是 提高劳动生产率、降低消耗与成本、提高经济效益的必要条件，是增强市场竞争 力的有效手段。转炉炼钢过程自动控制的目的是为了进一步挖掘转炉冶炼这高 效率炼钢法的潜力，减轻操作者的劳动强度以及降低生产成本、提高产品质量。 自动控制技术的应用程度已不仅是当代钢铁生产装备和管理结构的优化所考虑的 关键内容，同时亦成为对工艺过程稳定性的判定以及评价一个流程、工厂和整个 企业的优化水平以及衡量一个炼钢厂是否现代化、是否优化、能否稳定地进行优 质、高效生产的重要标志。 在生产的一系列优化过程中，自动控制技术的作用对象也在迅速的由单一的 装备和工艺范围向着整体的系统过程扩展。以计算机控制和管理为核心的现代自 控技术所引起的技术变革正在对传统的钢铁工业产生着深刻的影响，信息与自动 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 控制技术的发展为人类工业生产自动化的实现提供了可能。由于计算机科学、电 子技术、控制论等的发展及其对冶会工业的不断渗透，使得人们把转炉炼钢的控 制，部分或全部地交给计算机去完成的想法正在不断变成现实。1 9 5 9 年，美国j o n e l a u g h l i n 钢铁公司首先使用计算机计算转炉供氧量和冷却剂用量，对转炉终点 实行静态控制【3 , 4 1 。1 9 9 5 年美国的蒂姆肯公司在俄亥俄州的甘布林纳斯厂设计应 用的碱性氧气转炉自动控制系统包括两级监督控制模型，其中1 级( 直接控制级) 用p l c 及微处理器对过程变量进行控制，为操作人员提供过程设定的直接或自动 控制的方案，2 级用于实现监控诸如编制装料程序、分析化学成分、绘制记录表 格等功能。该模型将倒炉命中率从7 0 提高到9 0 ，离散率从1 5 下降到0 5 ， 收得率提高了0 7 p j 。 计算机控制系统已经成为现代转炉炼钢生产中不可或缺的重要部分，其强大 的计算能力使复杂控制算法的在线应用成为可能。通过以计算机为核心的自动化 技术，按照最优化的工艺模型对生产全过程实行监控，从而以稳定的生产、最少 的事故，取得最佳的质量和技术经济指标，真正实现高效益。随着计算机技术的 全面推广以及各种检测手段的迅速发展，计算机在冶金生产过程中的应用程度也 已经成为衡量现代钢铁冶金企业现代化生产水准的重要指标之一，标志着一个国 家技术水平的先进程度【6 。 在发展转炉过程控制技术的同时，生产管理系统的自动控制也得到了很大发 展。出现了联机实时管理系统、计算机网络系统和数据库系统，形成了包括生产 计划、作业管理、工艺控制、库存管理、质量及其它业务管理的自动化系统。 目前转炉的自动控制还处于发展和逐步完善阶段。由于某些系统的控制模型 主要依靠经验建立，目标命中率尚不高：转炉全部工艺过程的自动控制，例如脱 磷和脱硫的控制，还有待研究开发：目前，自动控制系统的功能也还有限，例如 还不能满意地消除喷溅等异常事故。因此，转炉的自动控制仍然是需要深入开展 工作和迫切需要研究的重要课题。 1 2 转炉冶炼模型概述 模型是用物理化学或数学方法对实际过程进行描述的一种工具，过程的数学 模型，即描述生产或其它变化过程中因果之间数量关系的数学表达式。数学模型 的功用主要有下列几方面：简明而准确地描述物理系统的主要特性，例如用线性 方程或非线性方程来描述仪器仪表的校准曲线，从方程式便可容易看出系统的输 入输出的关系：数学模型可以准确表述系统的功能和特点；系统数学模型的建立 一4 一 东北大学硕士学位论文 茎二兰查竺堡垒 且有利于研究系统的设计方法以及改善有利于研究系统的运动规律和特性分析， 方法等：系统的静态与动态性能指标，应该从它的数学模型中计算才比较合理。 炼钢是钢铁生产流程中的重要环节，转炉炼钢则是一种非常重要的、占统治 地位的炼钢方法。转炉的冶炼是一个非常复杂的多元、多相的高温物理化学过程， 完整的氧气转炉炼钢过程是一个由传质、传热、造渣、固体添加料的加热和溶解、 化学动力学、质量平衡与热平衡等子过程所组成的复杂的高温冶金过程，其中各 子过程之间也相互关联并相互影响着f 7 1 。转炉炼钢的特点是炉内反应速度快，冶 炼时间短，反应复杂且影响因素多，操作不易控制，且每炉冶炼均独立进行，属 于一类介于连续工业过程与断续工业过程之间的复杂工业过程，这就使其控制具 有一定的特殊性和复杂性，仅凭经验和直接观察已很难适应现代转炉炼钢生产的 需要。 终点控制是转炉吹炼后期的重要操作，要实现符合钢种要求的大部分吹炼目 标，其主要内容是指终点成分和温度的控制。终点控制不准确，将会延长冶炼时 间、降低炉衬寿命、增加金属消耗和恶化钢的质量。为了提高钢的质量，进一步 提高产量以及降低原、燃料消耗，改善经营管理，炼钢过程的计算机应用成为了 转炉过程控制发展的重要方向。现有的转炉炼钢厂的全盘自动化控制系统，由包 括原料、冶炼、钢水处理、浇注及生产管理等全部工艺环节在内的若干子系统组 成。其中的关键部分是转炉冶炼的自动控制系统，由计算机系统、电子称量系统、 检测调节系统、逻辑控制系统、显示装置、以及副枪系统等构成【8 】。 转炉的控制模型是实现炼钢过程计算机控制的核心。几十年来，转炉模型经 历了由静态模型到动态模型的发展阶段。近年来，随着各项技术的发展，又呈现 出了新的发展趋势，即对冶炼中间过程进行建模与控制。上述的三种模型既相互 独立又相互关联着：静态控制是动态控制的基础和重要组成部分，其预报精度直 接影响动态模型中检测时间的选择以及命中率；动态模型可以对静态模型的精度 进行补偿，而过程控制模型则是对前两者功能的综合以及补充【9 】。图1 + 1 给出了 三种模型的功能及工艺过程的相互关系。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 1 转炉控制模型的功能与相互关系 f i g 1 1f u n c t i o n so f b o f m o d e l sa u dr e l a t i o n sa m o n gt h e m 1 2 1 传统转炉冶炼模型 应用计算机对转炉炼钢进行过程控制以及终点预报，是提高钢的产量和质量、 降低原料消耗和改善作业环境的重要技术措施之一。由于近年来多种信息检测手 段的出现，可以对吹炼过程中各种复杂参数进行快速、高效率的计算和处理，并 给出综合动作指令，已经能够比较准确地控制转炉吹炼过程和预报终点，达到较 高的命中率，开始了转炉炼钢的自动控制时代。目前，发达国家转炉过程控制广 泛采用“静态模型+ 副枪检测+ 动态模型”的控制模式，用以预报转炉炼钢终点钢 水温度及碳含量，命中率可达7 5 以上。 1 2 1 1 静态控制模型 氧气转炉炼钢过程的静态控制，就是在吹炼前根据已知的原材料条件以及期 望的钢水终点温度与成分，以化学热力学为主要理论依据，按静态模型计算吹氧 量、冷却剂加入量、造渣剂以及其它原材料的加入量，在吹炼过程中不按任何新 信息修正吹炼的控制方法【s 】。数学模型或是通过物料平衡与热平衡的理论计算、 或是通过对生产实验数据的统计分析、或是以相近参考炉次与实际值和计算值的 差异进行修正的经验方法建立，利用计算机计算达到目标终点的成分及温度所需 要的供氧量与冷却剂的用量，从而确定吹炼方式和停吹时间，再由计算机控制吹 炼过程。模型的主要任务是依据原料条件寻找最佳原料配比，并根据实际的原料 条件确定冶炼方案( 如造渣制度、喷吹制度等) 。静态控制模型是静态控制的核心， 一 一 东北大学硕士学位论文 箜二兰墨壁堡些 静态控制模型可大致其精度直接影响终点命中率的高低。按照建模方法的不同， 分为理论模型、统计模型和增量模型三类。 1 ) 理论模型 理论模型根据冶金过程的物理化学原理，以物料平衡与能量平衡为基础，用 数学方程式来描述转炉炼钢的各个过程，从而确定各变量之间的相互关系。由于 是以冶余机理作为出发点，理论模型的开发相对复杂，周期较长，无法对吹炼过 程中产生的某些复杂情况进行准确估计，也不能对各种初始条件的波动、转炉本 体和称量检测系统的系统误差以及吹炼过程中产生的随机误差进行有效的修正， 导致计算精度差，目标命中率低，因而限制了其在实际生产中的应用【1 0 1 。 铁水成分、温度 空炉时阌 辅料成分、块度 氧气纯度 捶篮臣盎 铁度石营矿氧氧氯 水钢灰石石气气枪 量量量量量压耗高 力量度 铁 舍 金 出钢量 成 分 吹炼过程 -终点温度- 调 终点成分 整 炉 气 冷 毒p 水 圈1 2 转炉炼钢过程的主要影响因素和操作因素 f i g 1 2m a j o r f a c t o r si ne o n v e r t e rp r o c e s s 如图1 2 所示，由于转炉炼钢的过程复杂、影响因素众多，而且对部分过程 的反应机理尚未完全清楚，因此严格来说，至今人们还未能建立起真正能够实际 应用的纯理论模型。通常所谓的理论模型只熊算是半理论半经验的模型，这种模 型是从理论角度出发，以物料及能量平衡为基础，通过运用冶金热力学和动力学 理论进行推导，得出主要的控制方程式，同时在模糊与难以建模的问题上结合人 工经验而建立的 1 1 - 1 3 。 陈忠伟等人【1 4 1 根据炼钢过程的物料平衡和热平衡方程式以及生产情况建立了 以理论模型为主，结合经验的静态数学模型，即根据炼钢过程的物料平衡和热平 一7 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 衡方程式以及生产实际情况做一系列假设建立起来的模型。此模型根据输入有关 参数，可以分别得到物料平衡表、热平衡表和全炉物料表，其计算结果可以用于 评价选定的工艺方案与冶炼参数是否适当，然后做出进一步优化。 2 ) 统计模型 统计模型是单纯采用数理统计的方法，通过对大量现场数据进行收集、整理 与统计分析，或是根据积累的经验数据，找出变量间存在的相互关系，从而建立 模型的方法。这种方法不考虑转炉吹炼过程本身，只是选择一定的数学方程式结 构，在使用过程中通过与实际结果比较，逐步校正方程式的系数从而使偏差减小。 因此，静态统计模型并无物理意义