（控制理论与控制工程专业论文）转炉炼钢智能控制方法的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 转炉炼钢智能控制方法的研究 摘 .任石 3七 转炉炼钢是世界 一 最主要的炼钢方法之一，日前全球共有约 6 0 0台氧气转炉 正在运行，年产量约 4 5 0 0 0力吨，! 片 总产量的 6 0 %左右。作为钢铁工业的重要组 成部分，其主要任务是冶炼出成分和温度均台 格、 勺 钢水。由于 钢水的成分和温度 小能连续检测，同时冶炼过程控制的边界条件变化频繁，这给转炉冶炼过程的控 制带来 r 困难，在实际生产过程中，难以准确拎制熔池碳温，因而提高转炉炼钢 终点控制命中率具有重要意义。本文以汀苏淮钢 “ 十五”技改转炉自动化项日为 背景，对转炉炼钢过程的控制方法展升了研究 本文采用静态控制结合以副枪检测为基础的动态控制，并将神经元网络、模 糊控制、专家系统等智能方法应用到转护炼钢过程的建模和控制中， 提出了 转炉 炼p i 智能控制方法。具体工作内容如下: i ,转炉静态拧制方法的研究:针对常规转炉静态控制模型的不足，将人i 神 经元网络引入转炉炼钢静态控制领域，提出了基于神经网络的转炉智能0 4态控制 方法，从而提高了转炉炼钢静态控制的精度 2 ,转炉动态拎制方法的研究:木文将神经网络、模糊控制等技术与 转炉炼钢 动态控制方法相结合，提出了转炉炼钢智能动态控制的新方法。该方法由动态吹 炼过程的补吹氧最预设定模型、补吹氧气量和冷却剂量校正模型、熔池碳含量和 温度预测模型和动态停吹决策系统组成。其中，基于模糊聚类神经网络建立预设 定模型及预测模型，基于模糊推理建,y .校 卜 模型，基j 几 专家系统进行停吹次策。 该方法的提出大大提高了转炉炼钢过程熔池碳温的命中率。仿真结果表明，该力 法是性能良好，完全可用于实际转炉炼钢过程。 关 键 词:智能控制转炉炼钢静态控制 动态抖制终点控制 东北大学 硕士学 位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h o n i n t e l l i g e n t c o n t r o l me t h o d f o r b o f s t e e l m a k i n g ab s t r a c t b a s i c o x y g e n f u rn a c e ( b o f ) s t e e l m a k i n g i s a n i m p o r t a n t s t e e l m a k i n g m e t h o d , a n d it s o n e o f t h e m o s t i m p o r t a n t p a r t s o f t h e ir o n 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名: 签字日期: 2 0 0 s . 2 导师签名 签字日期 :, 6 w :州 1 1, z 3 td , 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 1 . 1 . 1 转炉炼钢简介 转炉炼钢的发展过程 钢铁工业是国民经济的基础工业之一 ，其产品以成本低廉、品种多样、性能 良好而成为当代建筑、机械、汽车、运输等行业的重要原材料。 转炉炼钢法起源于1 8 5 5 年英国h . 贝塞麦提出的贝塞麦法， 即酸性空欢 毛 底吹转 炉炼钢法，这种方法的诞生掀开了转炉批量生产钢水的历史。它是将空气直接吹 入铁水，利用空气中的氧气氧化铁水中铁、硅、锰、碳等元素，并依靠这些元素 氧化时放出的热量将液体金属加热到能顺利进行浇铸所需的高温。它用酸性耐火 材料制作炉衬，并采用酸性炉渣冶炼操作。1 8 7 9年，英国人托马斯发明了 托马斯 法，即碱性空气底吹转炉炼钢法，改用碱性耐火材料制作炉衬，在吹炼过程中加 入石灰，造具有脱磷能力的碱性渣，以提高高磷铁水的冶炼能力。由于空气中除 含有一定量的氧气外，还含有大量的氮气、二氧化碳等多种气体，因此，以上两 种用吹入空气进行炼钢的方法，存在多种缺陷，如热效率低、生产能力有限等等。 直到1 9 2 8 年， 林德一 弗兰科 ( l i n d e - f r a n k e l ) 制氧法的发展，使氧气大规模生 产成为可能，从而为转炉富氧操作和纯氧操作创造了条件。1 9 5 2年， 在奥地利的 林茨 ( l i n z )建立了第一座纯氧顶吹转炉并顺利投产，接着在 1 9 5 3 年，多纳维茨 ( d o n a w i t z ) 的l d ( 以l i n z - d o n a w i t z 命名 ) 炼 钢厂投产， 从此转炉炼钢进入了 一 个新 的阶段，标志着l d炼钢方法的诞生。 从 l d转炉炼钢方法出现之后，转炉炼钢得到了迅速的发展。1 9 6 0年，氧气 转炉产钢量仅占 全世界产量的5 %， 到二十世纪7 0 年代上升到4 0 %， 二十世纪8 0 年代提高到5 0 ，二十世纪9 0 年代达到6 0 ，成为占统治地位的炼钢方法。随 着l d转炉炼钢方法的不断推广应用， 人们对其进行了不断的改进和完善， 同时也 继续探索全新的方法。2 0 世纪 6 0 年代末期和7 0 年代出现的氧气底吹转炉和复吹 转炉， 使氧 气转炉炼钢技术得以 不断 发展、 完善 m 针对炼钢原料的不同以及对钢的品质要求不同，各国相继开发出了多种不同 的转炉炼钢工艺。 1 9 6 8 年， 德国马克希米利安钢铁公司与加拿大液化气公司合作， 试验成功底吹转炉炼钢的o b m法。 该方法在转炉底部由铜管通入氧气， 以碳氢化 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 1 . 1 . 1 转炉炼钢简介 转炉炼钢的发展过程 钢铁工业是国民经济的基础工业之一 ，其产品以成本低廉、品种多样、性能 良好而成为当代建筑、机械、汽车、运输等行业的重要原材料。 转炉炼钢法起源于1 8 5 5 年英国h . 贝塞麦提出的贝塞麦法， 即酸性空欢 毛 底吹转 炉炼钢法，这种方法的诞生掀开了转炉批量生产钢水的历史。它是将空气直接吹 入铁水，利用空气中的氧气氧化铁水中铁、硅、锰、碳等元素，并依靠这些元素 氧化时放出的热量将液体金属加热到能顺利进行浇铸所需的高温。它用酸性耐火 材料制作炉衬，并采用酸性炉渣冶炼操作。1 8 7 9年，英国人托马斯发明了 托马斯 法，即碱性空气底吹转炉炼钢法，改用碱性耐火材料制作炉衬，在吹炼过程中加 入石灰，造具有脱磷能力的碱性渣，以提高高磷铁水的冶炼能力。由于空气中除 含有一定量的氧气外，还含有大量的氮气、二氧化碳等多种气体，因此，以上两 种用吹入空气进行炼钢的方法，存在多种缺陷，如热效率低、生产能力有限等等。 直到1 9 2 8 年， 林德一 弗兰科 ( l i n d e - f r a n k e l ) 制氧法的发展，使氧气大规模生 产成为可能，从而为转炉富氧操作和纯氧操作创造了条件。1 9 5 2年， 在奥地利的 林茨 ( l i n z )建立了第一座纯氧顶吹转炉并顺利投产，接着在 1 9 5 3 年，多纳维茨 ( d o n a w i t z ) 的l d ( 以l i n z - d o n a w i t z 命名 ) 炼 钢厂投产， 从此转炉炼钢进入了 一 个新 的阶段，标志着l d炼钢方法的诞生。 从 l d转炉炼钢方法出现之后，转炉炼钢得到了迅速的发展。1 9 6 0年，氧气 转炉产钢量仅占 全世界产量的5 %， 到二十世纪7 0 年代上升到4 0 %， 二十世纪8 0 年代提高到5 0 ，二十世纪9 0 年代达到6 0 ，成为占统治地位的炼钢方法。随 着l d转炉炼钢方法的不断推广应用， 人们对其进行了不断的改进和完善， 同时也 继续探索全新的方法。2 0 世纪 6 0 年代末期和7 0 年代出现的氧气底吹转炉和复吹 转炉， 使氧 气转炉炼钢技术得以 不断 发展、 完善 m 针对炼钢原料的不同以及对钢的品质要求不同，各国相继开发出了多种不同 的转炉炼钢工艺。 1 9 6 8 年， 德国马克希米利安钢铁公司与加拿大液化气公司合作， 试验成功底吹转炉炼钢的o b m法。 该方法在转炉底部由铜管通入氧气， 以碳氢化 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 合物气体作为保护性气体保护氧气喷嘴。1 9 7 1 年，美国钢铁公司引进 o b m法试 验成功q - b o p 法， 它采用喷石灰粉冶炼低磷铁水， 取得了很好的效果。日 本的京 滨制铁所于 1 9 7 7年开发出了氧枪回旋法，即l d - c l法。它是在纯氧顶吹时一面 使氧枪回旋面进行吹炼的方法，从而减少了钢中锰和铁的氧化，促进了作为造 渣剂加入炉中的生石灰的渣化，并提高了脱磷特性。1 9 9 2年，在俄罗斯的西西伯 利亚钢铁公司开发出了 z - b o p转炉炼钢技术2 1 ，使用废钢的比例可以达到 3 0 % - - 1 0 0 %， 克服了一般转炉炼钢使用废钢少的缺点， 为转炉炼钢升辟了一条新的 途 径。 1 9 9 7 年， 出 现一 种新 的 炼 钢 i 艺 即a r c o n ( c o n v e r t e r d c a r c f u rn a c e ) 工 艺 ， ， 它是将转炉和直流电弧炉结合起来的新的炼钢方法。该方法将两座炉子构成一个 炼钢单元，炉子与一般的转炉非常相似，每座炉子有单独的氧枪，两座炉子共用 一 个电极。一炉钢的前半段时间作为转炉使用，后半段则作为直流电弧炉使用。 在正常冶炼时，两座炉子是交替进行的，也就是说，当一座炉子作为转炉进行吹 炼时，另一座炉子作为电弧炉进行冶炼。 目 前，氧气转炉技术的发展，主要呈现如下的趋势:转炉炉体向大型化的发 展;冶炼过程控制和终点控制技术的发展;炉外精炼技术的发展;底吹、顶底复 合吹炼、二次燃烧技术的发展。 这些技术的发展与应用，进一步巩固了氧气转炉 炼钢的统治地位，增强了转炉炼钢的竞争能力。 1 . 1 .2转炉炼钢的设备及工艺过程 1 . 工 .2 . 1转炉炼钢的设备 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。 转炉炉体及倾动系统: 转炉炉体包括炉壳和炉衬， 如图1 . 1 所示。 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 工艺操作要求。 顶底复吹系统: 归 纳起来主 要有三种类型， 即: ( 1 ) 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; ( 2 ) 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， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 合物气体作为保护性气体保护氧气喷嘴。1 9 7 1 年，美国钢铁公司引进 o b m法试 验成功q - b o p 法， 它采用喷石灰粉冶炼低磷铁水， 取得了很好的效果。日 本的京 滨制铁所于 1 9 7 7年开发出了氧枪回旋法，即l d - c l法。它是在纯氧顶吹时一面 使氧枪回旋面进行吹炼的方法，从而减少了钢中锰和铁的氧化，促进了作为造 渣剂加入炉中的生石灰的渣化，并提高了脱磷特性。1 9 9 2年，在俄罗斯的西西伯 利亚钢铁公司开发出了 z - b o p转炉炼钢技术2 1 ，使用废钢的比例可以达到 3 0 % - - 1 0 0 %， 克服了一般转炉炼钢使用废钢少的缺点， 为转炉炼钢升辟了一条新的 途 径。 1 9 9 7 年， 出 现一 种新 的 炼 钢 i 艺 即a r c o n ( c o n v e r t e r d c a r c f u rn a c e ) 工 艺 ， ， 它是将转炉和直流电弧炉结合起来的新的炼钢方法。该方法将两座炉子构成一个 炼钢单元，炉子与一般的转炉非常相似，每座炉子有单独的氧枪，两座炉子共用 一 个电极。一炉钢的前半段时间作为转炉使用，后半段则作为直流电弧炉使用。 在正常冶炼时，两座炉子是交替进行的，也就是说，当一座炉子作为转炉进行吹 炼时，另一座炉子作为电弧炉进行冶炼。 目 前，氧气转炉技术的发展，主要呈现如下的趋势:转炉炉体向大型化的发 展;冶炼过程控制和终点控制技术的发展;炉外精炼技术的发展;底吹、顶底复 合吹炼、二次燃烧技术的发展。 这些技术的发展与应用，进一步巩固了氧气转炉 炼钢的统治地位，增强了转炉炼钢的竞争能力。 1 . 1 .2转炉炼钢的设备及工艺过程 1 . 工 .2 . 1转炉炼钢的设备 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。 转炉炉体及倾动系统: 转炉炉体包括炉壳和炉衬， 如图1 . 1 所示。 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 工艺操作要求。 顶底复吹系统: 归 纳起来主 要有三种类型， 即: ( 1 ) 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; ( 2 ) 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， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 加强反应速度; ( 3 ) 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。 底吹检测 炉 底 一箭 图1 . 1 转炉炼钢过程的系统结构 f i g . 1 . 1 t h e s y s t e m s t r u c t u r e o f b o f s t e e l m a k i n g p r o c e s s 氧气及传动系统: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。 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。 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。 ( 1 ) 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。( 2 ) 上料系统， 从贮料间经由 给料器由 皮带运输器将熔剂和合金 东 北大学 硕士学位论文 第一章绪论 运到转炉旁并由卸料小车 加入炉顶料仓。 ( 3 ) 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fu 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。 1 . 1 .2 .2转炉炼钢的冶炼过程 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，为一炉铡的冶 炼过程。一炉钢的吹氧时间通常为 1 2 - 1 8 m i n ，冶炼周期为3 0 m 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、碱度随冶幼时间 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 脱碳速度提高而降低; 渣中s i 0 2 , m n o , p 2 0 5 含量取决于钢中s i , 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 0 c _ 1 0 0 0 c 14 ,5 1 0 1 . 1 .2 . 3转炉炼钢的工艺制度 转炉炼钢的基本工艺制度包括装料、供氧、造渣、终点控制和出钢、脱氧和 合金化。 ( 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 东北大学硕士学位论文第一章绪论 使熔池搅拌不好，造渣困难，喷溅增加，延长冶炼时间，增加金属损头，缩短炉 衬特别是炉帽寿命。 装入制度有三种: 1 ) 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。 z ) 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变。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。 3 ) 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， 是控制整个吹炼过捍的主导因素， 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衬;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 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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，由于它们同时义是化渣剂，加入时间往往与造渣同时考虑，多采用分 批加入方式。主要的冷却剂有废钢、氧化铁皮和石灰石。 ( s ) 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( 0 .0 2 % 一 。 .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。 1 .2转炉炼钢智能控制的发展状况 .2 . 1传统转炉炼钢控制技术 转炉炼钢过程是一个非常复杂的物理化学变化过程，要炼出满足要求的合格 钢水，就必须控制钢水的终点温度、碳含量和其他一些成分。而炼钢使用的原材 料 ( 包括高炉铁水、废钢及造渣材料等等) 种类多、数量大，冶炼过程温度高、 时间短，可变因素多，变化范围大。因此转炉炼钢过程具有以下特点: ( 1 ) 该 过程是 一 个典 型的多 输入 多 输出 过 程， 许多 输 入 输出 变量 之间 很 难用 数 学模型定量描述，同时各变量之间存在强非线性关系，另外在熔池各元素 ( c , s i , m n 等) 氧化、 熔池升温之间 存在较强的 祸合关系; ( 2 ) 控制过程的 边界条件不断变化， 具体涉及到原料条件、 设备条件和操作条 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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，由于它们同时义是化渣剂，加入时间往往与造渣同时考虑，多采用分 批加入方式。主要的冷却剂有废钢、氧化铁皮和石灰石。 ( s ) 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( 0 .0 2 % 一 。 .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。 1 .2转炉炼钢智能控制的发展状况 .2 . 1传统转炉炼钢控制技术 转炉炼钢过程是一个非常复杂的物理化学变化过程，要炼出满足要求的合格 钢水，就必须控制钢水的终点温度、碳含量和其他一些成分。而炼钢使用的原材 料 ( 包括高炉铁水、废钢及造渣材料等等) 种类多、数量大，冶炼过程温度高、 时间短，可变因素多，变化范围大。因此转炉炼钢过程具有以下特点: ( 1 ) 该 过程是 一 个典 型的多 输入 多 输出 过 程， 许多 输 入 输出 变量 之间 很 难用 数 学模型定量描述，同时各变量之间存在强非线性关系，另外在熔池各元素 ( c , s i , m n 等) 氧化、 熔池升温之间 存在较强的 祸合关系; ( 2 ) 控制过程的 边界条件不断变化， 具体涉及到原料条件、 设备条件和操作条 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 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，由于它们同时义是化渣剂，加入时间往往与造渣同时考虑，多采用分 批加入方式。主要的冷却剂有废钢、氧化铁皮和石灰石。 ( s ) 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( 0 .0 2 % 一 。 .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。 1 .2转炉炼钢智能控制的发展状况 .2 . 1传统转炉炼钢控制技术 转炉炼钢过程是一个非常复杂的物理化学变化过程，要炼出满足要求的合格 钢水，就必须控制钢水的终点温度、碳含量和其他一些成分。而炼钢使用的原材 料 ( 包括高炉铁水、废钢及造渣材料等等) 种类多、数量大，冶炼过程温度高、 时间短，可变因素多，变化范围大。因此转炉炼钢过程具有以下特点: ( 1 ) 该 过程是 一 个典 型的多 输入 多 输出 过 程， 许多 输 入 输出 变量 之间 很 难用 数 学模型定量描述，同时各变量之间存在强非线性关系，另外在熔池各元素 ( c , s i , m n 等) 氧化、 熔池升温之间 存在较强的 祸合关系; ( 2 ) 控制过程的 边界条件不断变化， 具体涉及到原料条件、 设备条件和操作条 东北大学硕士学位论文第一章绪论 件等频繁变化，同时冶炼过程也伴随着高度的随机性和不确定性，因而转炉冶炼 过程是一个时变系统; ( 3 ) 熔池温度太高、冶炼条件太恶劣， 熔池的成分和温度不能直接连续检测。 所有的这些特点都给转炉炼钢过程的建模与控制带来了困难。传统的转炉模 型，根据机理、统计和增量方法，存在许多假设条件，并对许多因素进行了忽略 其控制也仅仅局限于基础自动化级，即针对转炉炼钢的各个一级控制回路建立相 应的控制系统，而在冶炼过程中由人工经验协调控制各个回路系统，实现经验炼 钢过程。这些各个一级控制回路基本覆盖了转炉炼钢的各个工艺，包括顶吹系统， 底吹系统，转炉本体及倾动系统，副原料及铁合金加料系统，副枪测温、定氧、 定碳、采样系统，烟气冷却及净化回收系统。因而，控制效果、精度、自 适应能 力，都难以得到理想的结果。 面对现代社会越来越高的精度要求，传统方法的弊端也越来越明显，炼钢工 业迫切的需要寻找一条新的途径。 进入二十世纪8 0 年代以后，计算机科学与技术取得了惊人的进步。功能强大 的微型机己经成为科学技术人员最得力的助手与工具。各种专门用途的软件如雨 后春笋地涌现出来。计算机软硬件条件的改进为新的控制理论与控制技术的高速 发展提供了良 好的上壤， ， 人工智能、专家系统、神经元网络、 模式识别、现场总 线技术、全数字直流传动装置和变频装置等技术逐渐成熟，并在很多领域应用成 功，这引起了炼钢工业的极大兴趣。智能控制技术所带来的全新的思维方法和处 理手段，令人振奋，耳目一新。 1 .2 . 2智能控制理论在转炉炼钢中的应用 智能控制理论进入转炉炼钢研究领域，是炼钢理论和炼钢技术发展史上一件 具有划时代意义的大事，为转炉炼钢控制理论发展树立了新的里程碑。 将人工智能、专家系统、模式识别、神经网络等先进技术应用于转炉吹炼过 程的控制，与传统方法不同，它避开了过去那种对炼钢过程深层规律无止 境的探 求，转而模拟人脑来处理那些实实在在发生了的事情。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。利用大量的数据通过 “ 训 练”的过程告诉计算机，在什么条件下、什么钢种、多高的温度、需要吹氧量多 少、需要冷却剂是多少、需要熔剂多少、什么时刻出钢?经过千百万次的训练， 计算机硬 “ 记住”了这种因果关系。当再次给出相似范围内的具体条件，问讯需 要多少吹氧量时，计算机就会给出一个答案。这个答案是可信的，因为它基于事 东北大学硕士学位论文第一章绪论 件等频繁变化，同时冶炼过程也伴随着高度的随机性和不确定性，因而转炉冶炼 过程是一个时变系统; ( 3 ) 熔池温度太高、冶炼条件太恶劣， 熔池的成分和温度不能直接连续检测。 所有的这些特点都给转炉炼钢过程的建模与控制带来了困难。传统的转炉模 型，根据机理、统计和增量方法，存在许多假设条件，并对许多因素进行了忽略 其控制也仅仅局限于基础自动化级，即针对转炉炼钢的各个一级控制回路建立相 应的控制系统，而在冶炼过程中由人工经验协调控制各个回路系统，实现经验炼 钢过程。这些各个一级控制回路基本覆盖了转炉炼钢的各个工艺，包括顶吹系统， 底吹系统，转炉本体及倾动系统，副原料及铁合金加料系统，副枪测温、定氧、 定碳、采样系统，烟气冷却及净化回收系统。因而，控制效果、精度、自 适应能 力，都难以得到理想的结果。 面对现代社会越来越高的精度要求，传统方法的弊端也越来越明显，炼钢工 业迫切的需要寻找一条新的途径。 进入二十世纪8 0 年代以后，计算机科学与技术取得了惊人的进步。功能强大 的微型机己经成为科学技术人员最得力的助手与工具。各种专门用途的软件如雨 后春笋地涌现出来。计算机软硬件条件的改进为新的控制理论与控制技术的高速 发展提供了良 好的上壤， ， 人工智能、专家系统、神经元网络、 模式识别、现场总 线技术、全数字直流传动装置和变频装置等技术逐渐成熟，并在很多领域应用成 功，这引起了炼钢工业的极大兴趣。智能控制技术所带来的全新的思维方法和处 理手段，令人振奋，耳目一新。 1 .2 . 2智能控制理论在转炉炼钢中的应用 智能控制理论进入转炉炼钢研究领域，是炼钢理论和炼钢技术发展史上一件 具有划时代意义的大事，为转炉炼钢控制理论发展树立了新的里程碑。 将人工智能、专家系统、模式识别、神经网络等先进技术应用于转炉吹炼过 程的控制，与传统方法不同，它避开了过去那种对炼钢过程深层规律无止 境的探 求，转而模拟人脑来处理那些实实在在发生了的事情。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。利用大量的数据通过 “ 训 练”的过程告诉计算机，在什么条件下、什么钢种、多高的温度、需要吹氧量多 少、需要冷却剂是多少、需要熔剂多少、什么时刻出钢?经过千百万次的训练， 计算机硬 “ 记住”了这种因果关系。当再次给出相似范围内的具体条件，问讯需 要多少吹氧量时，计算机就会给出一个答案。这个答案是可信的，因为它基于事 东 北大学硕士学 位论文第一章绪论 实，是干百万次实实在在发生了的真实情况。 这样，我们就不必再去担心哪一条基本假设脱离实际，也不必怀疑哪一步简 化处理过于粗糙，只要相信传感器，相信过去发生的事件、采集到的数据是真实 可靠的，就有理由相信预报的结果。 智能控制使我们手中又多了一个强有力的工具。短短儿年间己经成功地应用 于 从投料到供氧、造渣、温度控制、终点控制等整条生产线的各个环，ji ，完成管 理、参数预报、过程优化、监控等多方面的工作。这if . 是人1智能近年来颇受炼 钢工作者青睐的原因。 1 .2 .3国内外发展状况 智能控制理论在转炉炼钢中的应用，为转炉炼钢过程的控制开辟了 新途径， 并成为世界主要产钢国家竞相研究的热点，一轮新的国际竞争己 经开始，2 1 世纪 将是转炉控制技术发展的智能化时代。在这个新时代的到来之际，首先回顾一下 近年来智能控制理论在炼钢领域应用的发展状况，以 利于做好思想上、技术上的 准备，赶上时代的步伐，与国际先进水平接轨。 日 本住友公司鹿岛厂开发研制出了参数自 调整转炉终点控制系统，整个系统 包 括动 态 控制 模型 和反 馈 计算 模 型 f8 1 。 动 态 控 制 模型 计 算 从副 枪 测 量时 刻到 吹 炼终 点所需的氧气量和冷却剂量，并能根据副枪测得的碳含量、温度和氧气流量实时 估计出钢水温度和碳含量。通常，转炉炼钢中每炉的脱碳效率都不同，因此，在 整个一个炉役期间采用固定参数的氧平衡方程很难准确地估计出熔池温度和碳含 量。模型根据质谱仪检测到的废气信息进行参数自 调整，使估计精度大为提高。 而反馈模型计算动态模型的估计误差并对动态控制模型中的误差进行调整，调整 规则按误差趋势分成三种情况分别处理。另外专家系统也被引入该系统，进行静 态控制模型补偿。 日 本 新日 铁公 司 研究 开 发了 转炉 炼 钢 专家 系 统l d - e s f l 。 该 系统 将知识 程 概念和操作者的经 验引 入到转炉吹炼控制过程。 它包 括三个子系 统: ( 1 ) 实时数 据 接收和处理子系统; ( 2 ) 推理子系统: ( 3 ) 数 据输入及推理结果显 示子系统。 整个 系 统共有3 0 0 条产生式规则，3 5 0 个框架和2 0 0 个l i s p函数。转炉操作者的经验知 识作为知识库贮存在计算机中， l d - e s根据从过程计算机得到的大量 信息完成推 理，并将推理结果作为操作指导显示给操作者，这样根据操作指导进行操作就可 以获得与熟练操作者同样的冶炼效果。 此系统应用于实时过程控制具有如下三 个 优点: ( 1 ) 提高吹炼控制精度; ( 2 ) 节省吹 炼操作中的人力: ( 3 ) 根据操作状况很容易 东 北大学硕士学 位论文第一章绪论 实，是干百万次实实在在发生了的真实情况。 这样，我们就不必再去担心哪一条基本假设脱离实际，也不必怀疑哪一步简 化处理过于粗糙，只要相信传感器，相信过去发生的事件、采集到的数据是真实 可靠的，就有理由相信预报的结果。 智能控制使我们手中又多了一个强有力的工具。短短儿年间己经成功地应用 于 从投料到供氧、造渣、温度控制、终点控制等整条生产线的各个环，ji ，完成管 理、参数预报、过程优化、监控等多方面的工作。这if . 是人1智能近年来颇受炼 钢工作者青睐的原因。 1 .2 .3国内外发展状况 智能控制理论在转炉炼钢中的应用，为转炉炼钢过程的控制开辟了 新途径， 并成为世界主要产钢国家竞相研究的热点，一轮新的国际竞争己 经开始，2 1 世纪 将是转炉控制技术发展的智能化时代。在这个新时代的到来之际，首先回顾一下 近年来智能控制理论在炼钢领域应用的发展状况，以 利于做好思想上、技术上的 准备，赶上时代的步伐，与国际先进水平接轨。 日 本住友公司鹿岛厂开发研制出了参数自 调整转炉终点控制系统，整个系统 包 括动 态 控制 模型 和反 馈 计算 模 型 f8 1 。 动 态 控 制 模型 计 算 从副 枪 测 量时 刻到 吹 炼终 点所需的氧气量和冷却剂量，并能根据副枪测得的碳含量、温度和氧气流量实时 估计出钢水温度和碳含量。通常，转炉炼钢中每炉的脱碳效率都不同，因此，在 整个一个炉役期间采用固定参数的氧平衡方程很难准确地估计出熔池温度和碳含 量。模型根据质谱仪检测到的废气信息进行参数自 调整，使估计精度大为提高。 而反馈模型计算动态模型的估计误差并对动态控制模型中的误差进行调整，调整 规则按误差趋势分成三种情况分别处理。另外专家系统也被引入该系统，进行静 态控制模型补偿。 日 本 新日 铁公 司 研究 开 发了 转炉 炼 钢 专家 系 统l d - e s f l 。 该 系统 将知识 程 概念和操作者的经 验引 入到转炉吹炼控制过程。 它包 括三个子系 统: ( 1 ) 实时数 据 接收和处理子系统; ( 2 ) 推理子系统: ( 3 ) 数 据输入及推理结果显 示子系统。 整个 系 统共有3 0 0 条产生式规则，3 5 0 个框架和2 0 0 个l i s p函数。转炉操作者的经验知 识作为知识库贮存在计算机中， l d - e s根据从过程计算机得到的大量 信息完成推 理，并将推理结果作为操作指导显示给操作者，这样根据操作指导进行操作就可 以获得与熟练操作者同样的冶炼效果。 此系统应用于实时过程控制具有如下三 个 优点: ( 1 ) 提高吹炼控制精度; ( 2 ) 节省吹 炼操作中的人力: ( 3 ) 根据操作状况很容易 东北大学硕士学位论文第一章绪论 建立吹炼控制系统。 日本福山钢铁厂将专家系统引入转炉冶炼过程中，少 发了新的转炉自动吹炼 控制系统。该系统小仅对原有系统的数学模型进行了完善，增加了 转变点预测模 型， 而且建立了三个专家系统模型，即:( 1 ) 静态成渣、喷溅预测模型; ( 2 ) 动态成 渣、喷溅预测模型;( 3 ) 出钢判定模型。前两个模型用来判断吹炼各时期的化渣情 况及喷溅的可能性，并确定与吹炼条件相对应的最佳吹炼控制模式，同时根据吹 炼过程的具体情况进行调节。后一个模型根据副枪中间检测数据和动态模型计算 结果，作出吹炼木期的调节指示，并作出出钢判断。 装料平衡模型 动态控制 自动控制 副枪操作 终点吹炼模# ? 性能估计 二次精炼 连铸 图1 . 2 全自 动吹炼系统 f i g . 1 .2 a u t o m a t i c b l o w i n g s y s t e m 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， 整个系统如图1 .2 所示i t o 1 。 总的 来说， 生 产计划提供所需 钢种和时间的详 细情 况，过程控制计算机计算出装料量、氧枪高度和助熔剂加入量，并操纵副枪和完 成停吹控制，协调系统控制转炉、二次精炼与铸机之间的操作时序。由装料模型 计算出废钢、铁水和助熔剂装入量以 达到钢水要求的目 标温度和化学成分，并根 据实际装料量修正所需氧气和冷却剂的预计算值。通过连续测量废气成分和流率 计算出 脱碳率， 用安装在废气罩上的测声装置监视炉渣体积，实现动态控制。自 动吹炼要求由过程计算机控制氧枪升降，它分两个不同的阶段，在第一阶段，按 照预先 确定的模式 ( 与 铁水成分 有关) 移动氧枪， 当 氧枪达到主 吹高度时开 始第二阶 段，氧枪控制转到以模糊逻辑为基础的系统控制，该系统使用 9条语言 规则确定 氧枪的移动。副枪测量分两次进行，吹氧量达到由装料平衡计算出的氧气量的 8 5 % - 9 0 % 时进行第一次，吹炼终点时进行第二次。 每次副枪测量都是由计算机控 制自 动进行，主要测定熔池的温度和碳含量，并由第一次副枪测量得到的试样分 东北大学硕士学 位论文第一章绪论 析结果计算出吹炼终点mn . p 和s的含量，操作人员根据这些信息确定是否立即 出钢。公司所属四个) 一 的转炉炼钢都实现了全自 动过程控制，其中包括氧枪高度 控制、助熔剂加入控制以及惰性气体底部搅拌系统控制。针对冶炼过程中缺乏真 正可以信赖的数据和熔池高度，使用专家系统对自 动吹炼信号和冶金性能进行估 计，规则是以计算机代码写出的，对每个转换程序它描述了一系列过程事件数据 之间的关系。 宝钢在原有转炉模型的基础h ，开发研制出宝钢转炉吹炼控制模拟专家系统 整个系统选用了 3台微机 ( 分别用作专家系统机、辅助机、仿过程机) 模拟在线 专家系统，整个