（钢铁冶金专业论文）转炉终点预测的模糊神经网络模型.pdf

东北大学硕士学位论文 摘曼 转炉终点预测的模糊神经网络模型 摘要 炼钢的主要任务是脱碳，升温，去除杂质和调整钢的成分，生产出质量好 的钢水。由于转炉冶炼过程不确定因素很多，是一个非常复杂的周期性降碳升 温过程，单纯依靠人工经验控制保证吹炼终点温度及成分同时命中既定的目标 值是很困难的，针对这一过程建立的传统的数学摸型也不能得到令人满意的结 果。 模糊神经网络是近十几年发展起来的新兴学科，它同时具备了神经网络与 模糊逻辑的特点，取长补短，集二者优点于一身。利用神经网络的自学习能力 自动调整模糊系统的参数，又具备了模糊逻辑的表达能力，有效利用了专家经 验，对非线性系统有较好的逼近能力。本文针对转炉炼钢过程的特殊性，建立 了预报转炉终点成分及温度的模糊神经网络模型，合理选取模型参数，通过对 转炉冶炼大量生产数据的学习，优化模型结构，使其对转炉终点温度及成分作 出有效的预报。 本文在建立模型之前，对所采集的数据进行预处理( 如数据筛选，聚类等) ， 分析影响转炉吹炼终点的因素，最终确定：预测终点碳含量的变量选择为铁水 碳含量，铁水硅含量，炉耗氧量，供氧时间；预测终点磷含量的变量选择为铁 水硅含量，铁水磷含量，石灰加入量，供氧时间；预测终点温度的变量选择为 铁水碳含量，铁水硅含量，铁水温度，废钢加入量，炉耗氧量，供氧时间。 在此基础上采用网络学习型模糊神经网络结构和b p 算法建立了预测转炉 终点碳、磷、温度三个预报模型。选用某钢厂转炉车间2 0 0 3 年全年的生产数据， 从中筛选出1 8 9 8 炉数据训练网络，9 9 炉数据作为检测样本，其运行结果如f 。 ( 1 ) 终点碳含量的预报模型：该模型由三个规则网络和一个适用度网络组 成，这四个网络均采用单隐层b p 网络结构，选择规则网络隐层节点数为5 ，适 用度网络隐层节点数为6 。对模型进行检测，其中误差在0 0 2 以内的命中率 为7 77 8 ，o 0 3 以内的命中率为8 9 9 0 ，0 0 4 以内的命中率为9 6 、9 7 ， 最大误差小于o 0 5 ，平均误差为0 0 1 4 。 ( 2 ) 终点磷含量的预报模型：该模型由四个规则网络和一个适用度网络组 成，这五个网络均采用单隐层b p 网络结构，选择规则网络隐层节点数为5 ，适 l i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a f u z z yn e u r a ln e t w o r k m o d e lf o re n d p o i n t p r e d i c t i o no fb o f a b s t r a c t d e c a r b o n i z a t i o n ，h e a t i n g u p ，r e f i n e m e n ta n da d j u s t m e n to fc o m p o n e n t si n s t e e l t op r o d u c eq u a l i f i e ds t e e l ，a r et h ep r i m a r ym i s s i o n so fb o fs t e e l m a k i n g ，t h e r ea r e m a n yu n c e r t a i n i n f l u e n c ef a c t o r si n t h eb o fs t e e l m a k i n gp r o c e s s ，w h i c hi sa c o m p l i c a t e dd e c a r b o n i z a t i o na n dh e a t i n g - u pp r o c e s s t h e r e f o r ei t i sv e r yd i f f i c u l t t h a ts t e e lc o m p o s i t i o na n dt e m p e r a t u r ea te n d p o i n to fs m e l t i n gh i tt h eg i v e nt a r g e t v a l u ea tt h es a m et i m ew i t ho n l ye x p e r i e n c ec o n t r o l l i n g ，a n ds a t i s f i e dr e s u l tc a n n o t b eo b t a i n e db yt h ec o n v e n t i o n a lm a t h e m a t i cm o d e l t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kh a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n tt e ny e a r s ，w h i c hh a s v i r t u e so ft h en e u r a ln e t w o r ka n dt h ef u z z yl o g i c i tc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h e p a r a m e t e r so ft h ef u z z ys y s t e mu s i n gs e l f - l e a r n i n ga b i l i t yo ft h en e u r a ln e t w o r k ，a n d h a se x p r e s s i o na b i l i t yo ft h ef u z z yl o g i c ，a n dm a k e su s eo fp r o f e s s i o n a le x p e r i e n c e e f f e c t i v e l y , a n da p p r o a c h e st h en o n l i n e a rs y s t e mb e t t e r a i m i n ga tt h ep a r t i c u l a r i t i e s o f t h eb o f p r o c e s s ，t h eb o fe n d p o i n ts t e e lc o m p o s i t i o na n dt e m p e r a t u r ep r e d i c t i o n m o d e l sb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r ka r ed e v e l o p e di n t h i sw o r k u s i n g s e l f - a d a p t i n ga b i l i t yo ft h en e u r a ln e t w o r k ，t a k i n gt h es u i t a b l ep a r a m e t e r so ft h e m o d e l ，t h em o d e ls t r u c t u r ei so p t i m i z e dt h r o u g ht h et r a i n i n go ft h en e t w o r k t h e r e b y t h ee n d p o i n tc o m p o s i t i o na n dt e m p e r a t u r eo fs t e e lc a nb ee f f e c t i v e l yp r e d i c t e d t h ed a t aw e r ep r e t r e a t e d ，i n c l u d i n gd a t as e l e c t i n ga n dt r a i n i n gd a t ac l u s t e r i n g ， a n dt 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 ft h em o d e l t h er e s u l t sa r e ；t h ef a c t o r s f o rp r e d i c t i n ge n d p o i n t c a r b o nc o n t e n tw e r ed e t e r m i n e da st h ec a r b o nc o n t e n ta n ds i l i c o nc o n t e n ti nh o t m e t a l ，t h eo x y g e nc o n s u m p t i o n ，t h et i m eo fo x y g e nb l o w i n g ，e t c ；t h ef a c t o r sf o r p r e d i c t i n ge n d p o i n tp h o s p h o r u sc o n t e n tw e r ed e t e r m i n e da st h es i l i c o nc o n t e n ta n d p h o s p h o r u sc o n t e n ti nh o tm e t a l ，t h el i m ea d d i t i o n ，t h et i m eo fo x y g e nb l o w i n g ，e t c ； t h ef a c t o r so fp r e d i c t i n ge n d p o i n tt e m p e r a t u r ew e r ed e t e r m i n e da st h ec a r b o n 1 v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t e n ta n ds i l i c o nc o n t e n ta n dt h et e m p e r a t u r eo fh o tm e t a l ，t h ea d d i t i o no fs c r a p ， t h eo x y g e nc o n s u m p t i o n ，t h et i m eo fo x y g e nb l o w i n g ，e t c t h r e ep r e d i c t i o nm o d e l so fe n d p o i n tc o n t e n t ( c ，p ) a n dt e m p e r a t u r eo fs t e e l w e r ee s t a b l i s h e d ，b a s e do nn e t l e a r n i n gf u z z yn e u r a ln e t w o r ks t r u c t u r ea n db p a l g o r i t h m a f t e rt r a i n i n gt h en e t w o r kw i t ht h ed a t ao fl8 9 8h e a t sa n dv e r i f i y i n gi t w i t ht h ed a t ao f9 9h e a t sf r o mac o n v e r t e rp l a n ti n2 0 0 3 、t h er e s u l t sw e r eo b t a i n e da s f o l l o w s ( i ) t h ep r e d i c t i o nm o d e lo f e n d p o i n tc a r b o nc o n t e n t ：i tw a sc o m p o s e do f t h r e e r o l en e t w o r k sa n do n er e l e v a n c ew e i g h tn e t w o r k ，a n dt h e ya l la d o p t e db pn e t w o r ko f s i n g l eh i d d e nl a y e ga n dh a v et h en u m b e ro fh i d d e nl a y e r5 i nr o l en e t w o r ka n d6i n r e l e v a n c ew e i g h tn e t w o r k t h em o d e lw a sv e r i f i e dw i t ht e s t i n gd a t a w h e nt h e p r e d i c t i o ne r r o ri si nt h er a n g eo fi 0 0 2 ，t h eh i tr a t ei sa b o u t7 7 7 8 w h e nt h e p 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 3 ，t h eh i tr a t ei sa b o u t8 9 9 0 w h e nt h e p 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 6 9 7 t h e m a x i m u me r r o ri s 士o 0 5 t h ea v e r a g ee r r o ri s 士0 ，014 ， ( 2 ) t h ep r e d i c t i o nm o d e lo fe n d p o i n tp h o s p h o r u sc o n t e n t ：i tw a sc o m p o s e do f f o u rr o l en e t w o r k sa n do n er e l e v a n c ew e i g h tn e t w o r k ，a n d t h e ya l la d o p t e db p n e t w o r ko fs i n g l eh i d d e nl a y e r ，a n dh a v et h en u m b e ro fh i d d e nl a y e r5 i nr o l e n e t w o r ka n d7i nr e l e v a n c ew e i g h tn e t w o r k t h em o d e lw a sv e r i f i e dw i t ht e s t i n gd a t a 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 fi 0 0 0 2 ，t h eh i tr a t ei sa b o u t6 2 ，6 3 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 4 t h eh i tr a t ei sa b o u t9 2 9 3 t h em a x i m u me r r o ri s 士o 0 0 8 t h ea v e r a g ee r r o ri s 士o 0 0 18 ( 3 ) t h ep r e d i c t i o nm o d e lo fe n d p o i n tt e m p e r a t u r e ：i tw a sc o m p o s e do ff o u rr o l e n e t w o r k sa n do n er e l e v a n c ew e i g h tn e t w o r k ，a n dt h e ya l la d o p t e db pn e t w o r ko f s i n g l eh i d d e nl a y e r , a n dh a v et h en u m b e ro fh i d d e n1 a y e r6 ，7 ，7 ，6i nr o l en e t 骥：o r k a n d8i nr e l e v a n c ew e i g h tn e t w o r k ，t h em o d e lw s sv e r i f i e dw i t ht e s t i n gd a t a w h e n t 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12 t h eh i tr a t ei sa b o u t6 5 6 6 w h e nt h e p r e d i c t i o ne r r o ri si nt h er a n g eo f 土2 0 t h eh i tr a t ei sa b o u t8 2 8 3 t h em a x i m u m e r r o ri s 士4 0 。0 t h ea v e r a g ee r r o ri s 士1 3 7 4 c 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 tc o n t e n t sa n dt e m p e r a t u r eo fs t e e lc a nb e w e l lp r e d i c t e db yt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r km o d e l ，a n dt h ei n f l u e n c e so fm a i n p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ee n d p o i n to fc o n v e r t e rw e r ea n a l y z e dr e a s o n a b l y 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 sw e r ed i s c u s s e d v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 7 f h et 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 rw e r et h u sp r o v i d e d t h ee f f e c t so ft h ei n d i v i d u a li n p u tv a r i a b l e so i lt h e e n d p o i n to fs m e l t i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d t h eg i s ta n dt e c h n i c a ls u p p o r t sa r e p r o v i d e sf o rt h ec o n t r o lo fe n d p o i n to fs m e l t i n gp r o c e s s t h em o d e l sw h i c hw e r ee s t a b l i s h e di n t h i s s u b j e c th a v es o m ee r r o r ，t h e p r e c i s i o no fm o d e l sw a sa f f e c t e db yt h el i m i t a t i o ni nb pa r i t h m e t i c ，t h ec h a r a c t e r i s t i c o fd a t a ，t h ea p p l i c a b i l i t yo fs u b t r a c t i v ec l u s t e r i n g ，t h es e l e c t i o no fp a r a m e t e r sa n d t h ei n p u to r d e ro ft r a i n i n gs a m p l et h ep r e c i s i o no fm o d e l sw i l lb ei n c r e a s e dt h r o u g h i m p r o v i n gt h ef a c t o r so fm e n t i o n e da b o v e k e yw o r d sf u z z yn e u r a ln e t w o r k ，e n d p o i n tp r e d i c t i o n ，c o n v e r t e r ，e n d p o i n t t e m p e r a t u r e ，e n d - p o i n tc o m p o s i t i o n v i 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己在论文中作r 明 确的说明并表示谓 意。 学位论文作者签名：王叔阉 日期：丸，p fo ，j 严 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：导师签名： 签字日期：签字目期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 钢铁工业是原材料工业，也是基础工业，它的发展与国家整体经济发展规 模和速度是相适应的。钢铁产品又是用途广，用量大的材料，钢铁工业与各经 济部门的发展密切相关。各经济部门使用钢材的数量和品种质量是不尽相同的， 凶此产业结构的变化和发展将直接影响到钢铁工业的发展速度和产品结构。一 般情况下，在经济发展初期，基础设施、基础工业和建筑业发展较快，钢材消 费量增长较快，而当第三产业和高技术产业发展到一定比例时，钢材消费量便 相对下降【“。 2 1 世纪钢铁工业的高速发展正是适应现代工农业大生产的需要。在发达国 家，由于基础设施、基础工业和加工制造业已趋于饱和，发展缓慢，发展战略 已转向全力发展高新技术，并用高新技术发展新兴高科技产业和改造传统工业。 信息革命带来全球经济一体化，使为第一、第二产业服务的通讯信息产业、银 行、保险、流通运输、旅游等行业得到发展，而对钢铁产品的需求则有所下降。 在发展中国家继续发展基础设施、基础工业、加工制造业的同时也逐渐转入到 发展高新技术和高新技术产业，改变经济结构，参与世界市场的竞争。因此， 对钢铁产品的需求也将转入到缓慢增长的势态。所以钢铁工业的前景将是低增 长率的发展状况。我国的粗钢产量己居于世界首位，但钢铁产品的性能却远远 不能达到用户的要求，在此情况下，提高钢铁产品的质量就成为冶金工作者长 期研究的课题。 炼钢是钢铁生产过程中的一个重要环节，丽转炉炼钢则是种非常重要的 方法。白上世纪5 0 年代初氧气顶吹转炉问世以来，转炉炼钢取得了长足发展。 在生产规模、工艺流程设备和自动控制水平、品种和质量等方面发展迅速，对 糗个钢铁工业发展起到了积极的推动作用。 1 1 转炉炼钢的起源与发展 1 8 5 5 年，英国贝赛麦发明了酸性空气转炉炼钢法，当时提出了用纯氧炼钢 的重要意义。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费根钢厂2 5 吨转炉上进行顶 东北大学硕士学位论文第一章绪论 吹氧试验，并于1 9 4 8 年3 月获得成功，该实验一壹进行到1 9 4 9 年前后。1 9 5 2 年奥地利联合钢铁公司在林茨建立了一个炉容量为3 0 吨的转炉工厂。第二年， 奥地利阿尔卑斯矿业公司在多那维茨也建成了一个转炉工厂开始生产，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 ) 【2 】。 l d 转炉炼钢法是世界炼钢技术的一次巨大变革，自投产以来得到了迅速 的推广应用，成为世界上最主要的炼钢方法之一。由于l d 转炉有高生产效率、 建设费用低、质量好、生产周期短、低能耗等诸多优点，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。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 1 年已升至6 ，到1 9 6 7 年超过了平炉钢 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 年世界钢铁总产量为7 2 l 亿吨，转炉钢比例占 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p j 。 1 9 6 8 年，底吹氧气转炉炼钢法诞生。人们发现，底吹工艺与项吹工艺相比 有显著的优点，如对转炉熔池搅拌强烈、在熔池钢液碳很低时脱碳速度较快、 反应趋于平衡、钢中的氧含量低、铁镁烧损小、铁合金回收率高等，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，这种方法在世界 上并不多用。 由于顶吹转炉与底吹转炉特点的互补性，人们结合二者之优点开发了顶底 复吹转炉技术，此项吹炼技术是上世纪7 0 年代末、8 0 年代初由德国钢铁研究院 和卢森堡阿尔贝德公f 3 联合开发的一种先进炼钢工艺。此工艺以原有氧气顶 吹转炉为基础，安装底部供气元件，在顶枪吹氧的同时进行底部供气( n 2 、a r 、 c 0 2 、0 2 ) 。这种顶底复合吹炼技术既利用了底吹气流克服顶吹氧气流对熔池搅 拌不足的弱点，叉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，加速了转炉内金属炉渣气体之间的反应平衡，吹炼过 程平稳，钢水温度和成分均匀，渣中氧化铁少，不仅提高了钢水质量与金属收 得率，还减少了喷溅及金属与铁合金的消耗。因此可以说，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顶吹法而 成为转炉炼钢的主流。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 转炉终点成分及温度的控制 炼钢的主要任务是脱碳，升温，去除杂质和调整钢的成分，生产出质量好 的钢水。钢中的杂质主要包括硫、磷、氧、氢、氨，残余元素有硅、锰等。 1 2 1 复吹转炉炼钢的特点 顶底复吹转炉是炼钢生产叶1 最重要的冶金设备之。它的主要目的是将铁 水中的碳、硅、锰、磷等元素通过氧化的方法去除。在顶底复吹转炉上方通过 氧枪将氧气吹入熔池，同时从转炉底部吹入惰性气体，加强对熔池的搅拌作用。 冶炼开始前，装入废钢和兑入铁水后，将炉体摇正。氧枪下降的同时，由炉口 e 方的高位料仓加入第一批造渣料，当氧枪降到规定枪位时，吹炼正式开始。 当氧流与熔池面接触时，碳、硅、锰、磷、铁歼始氧化。吹炼中期脱碾反应激 烈，渣中氧化铁浓度降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大，并可能出现“返干” 现象。此时适当提高枪位，并加入第二批造渣料。吹炼末期，钢水含碳量大大 降低，脱碳反应减弱，最后根据火焰情况、供氧数量和吹炼刚问等因素，按所 炼钢种的成分和出钢温度要求，确定吹炼终点，并提枪停止供氧，倒炉、测温、 取样。根据分析结果，决定出钢或补吹。 转炉炼钢终点控制是转炉吹炼后期的重要操作，所谓吹炼终点是指钢水达 到欢炼目标要求的时刻。 转炉炼钢过程是一个非常复杂的降碳升温的物理化学过程，其冶炼过程不 确定性因素很多，建立准确的数学模型非常困难。转炉炼钢的特点是脱碳速度 快，冶炼蒯期短，造成热效率高，升温速度较快；容易发生炉渣或金属喷溅， 甲期炉渣容易返干，造成回磷：后期脱碳反应偏离平衡，熔池容易过氧化。由 于转炉吹炼的上述特点，对于传统的依靠人工经验控制，保证吹炼终点成分与 温度一次同时命中既定的目标值是很困难的。通常需要通过倒炉取样测温和分 析控制终点，不仅造成畋炼停顿，影响生产，而且还将污染钢水。多次届吹， 往往造成钢水过氧化和大量吸n 2 和吸h 2 ，严重影响钢水质量，所以提高转炉终 点控制技术就成为世界炼钢工作者长期研究的重要课题。 1 2 2 转妒终点碳和终点温度的控制 转炉吹炼是根据铁水成分，温度和重量等原料条件和冶炼铡种的技术要求来 确定终点钢水成分要求，终点控制主要是指吹炼终点成分和温度的控制，然后确 定所需的废钢辅料和吹氧量等指标及适当的枪位变化曲线，进行转炉生产。 由于转炉炼钢工艺的进步，对于在冶炼过程中难以脱除的硫，一般采用铁水预 由于转炉炼钢工艺的进步，对于在冶炼过程中难以脱除的硫，一般采用铁水预 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 转炉终点成分及温度的控制 炼钢的主要任务是脱碳，升温，去除杂质和调整钢的成分，生产出质量好 的钢水。钢中的杂质主要包括硫、磷、氧、氢、氮，残余元素有硅、锰等。 1 2 1 复吹转炉炼钢的特点 顶底复吹转炉是炼钢生产中最重要的冶金设备之一。它的主要目的是将铁 水中的碳、硅、锰、磷等元素通过氧化的方法去除。在顶底复吹转炉上方通过 氧枪将氧气吹入熔池，同时从转炉底部吹八惰性气体，加强对熔池的搅拌作用。 冶炼开始前，装入废钢和兑入铁水后，将炉体摇正。氧枪下降的同时，由妒口 e 方的高位料仓加入第一批造渣料，当氧枪降到规定枪位时，吹炼正式开始。 当氧流与熔池面接触时，碳、硅、锰、磷、铁开始氧化。吹炼中期脱碳反应激 烈，渣中氧化铁浓度降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大，并可能出现“返干” 现象。此时适当提高枪位，并加入第二批造渣料。吹炼末期，钢水含碳量大大 降低，脱碳反应减弱，最后根据火焰情况、供氧数量和吹炼时间等因素，按所 炼钢种的成分和出钢温度要求，确定吹炼终点，并提枪停止供氧，倒炉、测温、 取样。根据分析结果，决定出钢或补吹。 转炉炼钢终点控制是转炉吹炼后期的重要操作，所谓吹炼终点是指钢水达 到欢炼目标要求的时刻。 转炉炼钢过程足一个非常复杂的降碳升温的物理化学过程，其冶炼过程不 确定性因素很多，建立准确的数学模型非常困难。转炉炼钢的特点是脱碳速度 快，冶炼周期短，造成热效率高，升温速度较快：容易发生炉渣或金属喷溅， 中期炉渣容易返干，造成回磷：后期脱碳反应偏离平衡，熔池容易过氧化。由 于转炉吹炼的上述特点，对于传统的依靠人工经验控制，保证吹炼终点成分与 温度一次同时命中既定的目标值是很困难的。通常需要通过倒炉取样测温和分 析控制终点，不仅造成吹炼停顿，影响生产，而且还将污染钢水。多次后吹， 往往造成钢水过氧化和大量吸n 2 和吸h 2 ，严重影响钢水质量，所以提高转炉终 点控制技术就成为世界炼钢工作者长期研究的重要课题。 1 2 2 转妒终点碳和终点温度的控制 转炉吹炼是根据铁水成分，温度和重量等原料条件和冶炼钢种的技术要求来 确定终点钢水成分要求，终点控制主要是指欢炼终点成分和温度的控制，然后确 定所需的废钢，辅料和吹氧量等指标及适当的枪位变化蓝线，进行转妒生产。 由于转炉炼钢工艺的进步，对于在冶炼过程中难以脱除的硫，一般采用铁水预 o 东北大学颁士学位论丈 第一章绪论 新渣以及渣微粒在熔池中的缓慢上升，熔池脱磷实际上和脱碳同时进行。 氧气顶吹转炉原先是为处理低磷铁水( 0 3 p ) 发展起来的。高压氧流冲 击到熔池面上，冲击出的液滴与氧气接触，发生脱碳反应，同时表面上的铁被 氧化，生成氧化铁，有助于炉内石灰的熔化，生成碱性氧化渣，发生脱磷反应。 氧气与熔池接触的火点区，温度很高，因此，在开吹初期，石灰就能开始熔化， 形成含氧化铁的，具有高反应能力的炉渣，这样，l d 转炉的脱磷从吹炼初期就 开始了。 顶底复吹转炉综合了氧气顶吹转炉和底吹转炉的优点，项底复吹转炉由于 加强了熔池的搅拌，使化渣加速，传质较快，金属和炉渣迅速接近平衡，可以 在较低氧化铁条件下，把钢水中的磷去除到与项吹转炉相同的水平。 1 3 终点控制模型概述 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。终点控制不谁确，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。由于转炉炼钢过程的特殊性，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，只能 根据火焰、喷溅、声音等二次信息，依靠人的经验来观察分析冶炼情况和控制 冶炼终点。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，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 厂的全盘自动化控制系统，包括由原料、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构成。其中最为关键的子系统是转炉冶炼的自 动控制系统，由计算机系统、电子称量系统、检钡调节系统、逻辑控制系统、 显示装置、以及副枪系统等构成【5 j 。转炉炼钢从经验炼钢到科学控制炼钢是转 炉炼钢技术发展的一个重要方面。 随着氧气炼钢、电子计算机和检测技术的迅速发展，1 9 5 9 年美国琼斯、劳 夫林钢铁公司1 6 ”首先利用模拟电子计算机对项欧氧气转炉耗氧量和冷却剂用 量进行了计算。最初，转炉利用电子计算机仅仅是以控制转炉终点为目的的， 随着计算机主体及外围设备的发展，现在已被用于对冶炼过程进行全面控制， 并与转炉操作密切结合起来，为转炉控制技术的发展提供了便利条件。 所谓模型就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，是 计算机控制转炉炼钢的核心。模型主要分为两类：理论模型和经验模型。理论 模型是根据物理化学原理用数学式描述各个过程，而经验模型不考虑实际过程 本身，只选择一定的数学方程式结构，在使用中通过与实践作比较来逐步校正 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 方程式中的系数，使偏羞减小。 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个方面：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，从方程式中便可容 易看出系统的输入输出关系；从数学模型可以很容易地看出系统的功能和特点； 由系统的数学模型便于研究系统的运动规律和进行特性分析；由系统的数学模 型便于研究它的设计方法和改善其特性的方法等；系统的静态与动态性能指标， 应该从它的数学模型中通过计算得出才比较合理。 转炉控制技术经历了三个阶段：静态控制，动态控制和转炉全自动控制。 静态模型是动态模型的基础，动态模型则是对静态模型精度的补偿。 1 3 1 静态控制模型 静态模型是指转炉吹炼前，根据冶炼的初始条件( 如铁水量、成分、温度； 废钢加入量) 和终点要求( 终点温度、成分) ，以及参考炉次的参考数据刘转炉 吹炼过程进行模型计算，制定吹炼方案，确定本炉次的氧耗量，确定各种副原 料加入量和吹炼过程中氧枪的高度，按计算结果进行装料和吹炼，在吹炼过程 中不再进行修正，并保证能基本命中控制目标值的控制方法。转炉冶炼的静态 模型一般是以终点温度和终点成分作为控制目标的计算模型，通常包括装料模 型，供氧模型，冷却剂加入模型，造渣模型和铁合金加入模型等。 对于转炉冶炼而言，静态理论模型是根据炼钢过程的物料平衡与热平衡方 程式以及生产实际情况作一系列假设建立起来的模型，而经验模型则是以积累 的经验数据建立的或通过对大量生产数据用数理统计的方法进行统计分析而建 立起来的模型，模型中的系数由生产中新的数据经数理统计分析不断修正。实 践证明，理论模型的命中率很低，经验模型的命中率较高。 静态模型首先提供物料平衡条件，根据吹炼之前加入的废钢与铁水，通过 物料平衡和热平衡计算出达到终点目标所要求的各种熔剂剂量。现在正在使用 的静态模型包括从简单的经验模型到复杂豹热化学和冶金平衡模型，前者只能 提供一般的指导，而把大部分的吹炼决定留给操作工，后者因为热化学和冶金 平衡模型提高了控制水平。静态控制模型是静态控制的核心，是转炉吹炼过程 自动控制的基础，其精度直接影响终点成分与温度命中率的高低。目前普遍采 用的静态模型分为四种，即机理模型、统计模型、增量模型和人工智能模型。 四种模型各有特点。由于转炉冶炼过程熔池反应的复杂性，这四种模型大都以 终点碳温作为控制目标。前三种静态模型由于缺乏对生产过程中影响终点碳温 的各种随机因素变化的应变能力和处理能力，影响了静态模型的使用效果。而 基于神经网络的智能模型，由于操作等对终点磷氧含量的影响较大，般神经 一6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 向受到一定的限制。对于固定的转炉，在相同原料条件下，采用相同的操作1 艺参数，应当能够获得相同的冶炼结果，这就是转炉冶炼的再现性原理。静态 增量模型就是基于冶炼过程的再现性原理而建立的。在历史炉次控制变量的基 础上，通过对照历史炉次与当前炉次的冶炼初始状态以及目标状态，并采用增 量计算的方法从而确定本炉次的主要操作参数。增量模型的基本方程见式( i ) 。 n 一= _ 。+ a 。a x 。+ ( 11 ) l = l 式中j ，一本炉次的某一吹炼控制参数； ，。一参考炉次( 标准炉或上炉) 该控制参数的实际结果； 血一本炉次与参考炉次各种吹炼条件( 初始条件及操作条件) 的差值； 髓，、口一各种经验校正系数。 参考炉次与各项系数的选取是建立转炉炼钢增量控制模型的关键它们对 模型计算精度的影响很大。为提高模型对不同冶炼模式的适应能力与控制精度， 并使模型具有在整个炉役期内跟踪变化的能力，参考炉通常包含几个标准炉次 以及本炉次的前几个炉次。标准参考炉的选取原则为：将正常生产的炉次，按 入炉状态及出钢状态的不同，分为不同的组，每一组存储一定数量的有代表意 义的正常炉次的数据。在模型的运行中依据聚类分析法，自动选择最为接近的 组进行增量计算，求取控制变量的数值。和其它数模方法一样，增量法也需要 统计分析大量的实际生产数据。这种建模方式过程相对简单，维护容易，且具 有一定的自动更新和自学习能力。它的另一优点在于，除了所考虑的冶炼过程 的初态、终态和控制变量以外，其它变量如果与参考炉次相比变化不大则可以 忽略，对模型精度影晌不大。由于增量模型能够较好地校正各种系统误差，提 高计算精度和命中率，因而被广泛应用于转炉控制中【l 9 1 。 ( 4 ) 智能控制模型 本模型能够在一定程度上消除随机误差和系统误差的影响，控制效果较好， 但是该模型没有对控制变量进行研究，建立模型的样本数太大，时间跨越太长， 从而影响模型的控制水平。 ( a ) 自学习模型 自学习模型是使用最早和应用最广的一种算法，在每炉吹炼结束后，根据 本炉实际吹炼结果与模型计算结果的偏差重新校正模型系数，将校正后的系数 取代原来的系数进行下一炉的计算，增强模型的自学习能力，可提高模型的计 算精度。自学习模型的缺点是受系统随机因素影响较为严重，会产生较大的随 机误差，模型稳定性不高。 ( b ) 模糊控制与专家系统 近二十多年来，专家系统在钢铁行业中得到了广泛的应用【2 “3 0 j 。由于冶金 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 过程的特点，传统的控制技术是阱精确数学模型为基础，当遇到难以克服困难 的时候，必须求助于人工智能技术。人工智能技术广义讲包括专家系统、模糊 逻辑控制和机器学习，其中应用最广、使用最成熟的是专家系统。 专家系统利用专家的知识经验建立知识库，通过推理机和知识解释系统来 解决某一领域的专门问题。一般专家系统由知识库、知识库管理系统、推理机、 专家接口和用户接口五大部分组成。专家系统的功能主要取决于知识库的质量 和容量，知识库质量越高，知识库容量越大，专家系统功能就越强。 日本钢铁采用人工智能控制技术最多，居领先地位，“泛应用于高炉、连 铸、烧结、轧钢等生产过程。如高炉异常炉况诊断专家系统、炉热控制专家系 统、连铸漏钢预报专家系统等，在实际生产中取得了较好的效果。 专家系统在转炉炼钢控制中也得到了应用，如新日铁开发的转炉畋炼过程 辅助专家系统【 1 - 3 2 ，包括三部分内容：静态推理、副枪测量前后的推理和终点 成分的推理。静态推理的主要功能是根据当前条件和钢种，考虑副枪测量时间， 测量后采取修正措旖的时间，吹炼后期脱碳和升温系数，决定副枪测试时的目 标成分和温度，辅助静态模型。副枪前后的推理主要是关于估计炉渣金属反应 规则的推理。终点成分的估计主要是根据吹炼过程情况，估计冶炼终点成分。 日本n k k 公司福山制铁所第三炼钢厂将静态模型、副枪控制、炉气分析和 专家系统结合起来，形成了转炉吹炼过程人工智能控制系统。主要包括吹炼过 程造渣情况的判断和出钢预报以及反应转变点的预报。通过应用专家系统，把 操作工感性的经验和知识转化为控制模型，引入“成渣”和“喷溅”的判断， 通过判断结果，确定吹炼模式，调节吹炼参数。同时专家系统包括根据终点副 枪数据和钢水磷含量的推测值等信息，进行出钢、补欢、控制终点温度操作的 判断功能。