基于LF精炼炉合金加料模型的研究.doc

基于LF精炼炉合金加料模型的研究李延昭宁夏天地奔牛集团第二加工分厂摘要：本文对LF精炼炉炼钢精炼环节合金加料的常用方法作了简单的介绍，LF精炼炉合金加料模型的优劣直接影响到成品钢的质量及生产成本，由于LF精炼炉合金加料过程中存在很多非线性因素，影响着加料的准确性，采用传统建模方法建立准确的合金加料模型显得较为困难，这已成为提高炼钢工艺水平的一个瓶颈补加系数法计算速度快，但是没有考虑价格因素，单纯形法可以弥补人工计算方法和补加系数法的缺陷，但当约束条件过多时，会产生无解的情况。因此，根据实际采集的数据对多种建模方法进行比较，选择合适的建模方法，对改善精炼环节工艺有其特别的意义。关键词：LF精炼炉；合金配料；单纯形法；元素收得率；91. 前言LF炉作为转炉的精炼设备, 具有脱硫、温度调节、精确的成分微调、改善钢水纯净度、造渣等功能，可以保证浇铸时温度及成分的要求。其主要工作之一是对转炉所来的钢液成份进行微调,这也正是合金配料的主要目的。成份微调首先要保证成品钢的元素含量全部符合标准要求。现有钢种成分标准中，多数元素的成分规格范围较宽，控制成分容易实现。然而，同样合格的若干炉相同钢种，性能差异往往很大，这主要是钢中化学成分上的差异，为此往往要求更精确地把成分控制在一个狭窄的范围内，称为控制成分。钢水的合金化是一个比较复杂的过程，合金加料的准确与否直接影响着成品钢的性能,加料的准确对成品钢的质量显得尤为重要。优化配料不仅可以实现工艺操作的最优化，而且还能够降低企业的生产成本，避免原材料的浪费。本文就常用的建模方法作以探讨。2合金加料模型21传统的加料模型2.1.1机理建模机理建模是从系统的物理(化学)机理出发,依据能量和物质守恒等确定体系中各变量之间的基本关系,再利用实验数据对模型参数进行标定。但是,在对系统研究还不够深入,缺乏足够信息的情况下,就难于建立精确的机理模型,特别是变量之间存在强烈的相互作用时,更是这样。因此,对精炼炉合金加料模型来说机理建模显然是不合适的2.1.2一般计算公式合金加入量=（钢种规格中限%-终点残余成分%）*1000*钢水量/（铁合金的合金元素含量%*合金元素收得率%） （2-1）式中 合金元素需要量的目标值,kg;目标钢种元素i的目标含量，%；现时钢水成分i的含量，%；指某一种特殊合金中所含元素i的质量分数，spi=1，2，,f,%；指各种特殊合金的实际加入量，spi=1，2，,f,kg；钢水重量，t;合金元素i的收得率，%。该公式可以推导出炼钢过程中各种情况的计算公式，这些公式适合在冶炼现场通过人工方式比较快速地进行相关计算。但是它也存在着缺点，首先，加入铁合金对钢液质量的增加量计算不准确；另外，常忽略多元素铁合金对钢液化学成分的附加影响，这种影响在多元素合金钢冶炼时更为显著。2.1.3补加系数法补加系数即某种合金在钢液中所占的比分，所以也叫比分系数。补加系数是计算每加入100kg合金料，要配成合乎规格的钢液，需要配加的某种合金的量。该方法在计算各合金料用量时，同时考虑了加入的所有合金对钢液重量的影响。因为增加的钢液同样需要达到成分的要求，特别需要考虑合金中的磷对最终钢液磷成分的影响。在实际生产的过程中，冶炼钢种的控制成分和所使用的合金料成分是已知的，所以补加系数在事先可计算好。合金料用量的计算公式如下： (22)式中G钢液重量，kg；某种合金用量，kg；某种元素的目标含量，；某种元素在钢液中的含量，：某种元素在合金料中的含量，；某种元素的收得率，；某种合金的补加系数：各种合金的初步总用量，kg；某种合金的补加量。其中： (23)（2-4）式中某种合金在钢液中所占的比分，。不含合金的纯钢液所占的比分，。2.1.4基于单纯形法的合金补加计算模型合金化计算的原则是在满足钢种成分要求的前提下,使合金化成本最低。单纯形法是运筹学中线性规划的一种方法，是一种解决线性最优化问题的一种标准算法，其已被证明是求解具有任意多个变量和约束条件的线性规划问题的有效方法。计算中模型需要以下一些数据：(1)当前钢液重量；(2)当前钢液中各元素实际含量；(3)钢种所要求的化学成分数据：包括钢种中每一合金元素含量的目标值、目标上限、目标下限值。若有确定的目标值，计算结果将按此确定的目标值进行逼近，否则，利用目标上限、目标下限值来确定一个合理的值进行逼近。(4)可获得的(可参加计算的)合金材料数据：包括每种合金材料的化学成分、价格、合金材料的效率因子、冷却系数等。(5)各合金元素的收得率：要考虑各合金元素在不同温度、不同渣系的冶炼状况下的收得率。线性规划模型的计算结果可包括以下一些数据：(1)选择添加的合金材料数据：包括材料代码、需加料重、所有需加材料的总重。(2)所有需加的合金材料花费总额：(3)加料后预期的钢液化学成分；(4)加料后的预期钢液重量。a.决策变量:设需合金化的元素为i,共n个(即i=1,2,n),调整C,Si,Mn,Cr的合金种类为m种,每种合金的加入量是决策变量 。 。b.目标函数：以配料成本最低为目标,即(2-5)其中, 为第j种铁合金的价格,元/t;；Z为合金总成本。c. 约束条件:(1) 对钢水目标成分的要求铁合金的加入量在不影响钢的成分和性能的前提下，应将合金元素的含量向规格的中下限控制，以节省合金料的用量。根据钢种元素成分的目标上、下限值以及目标值确定用于计算的元素成分上、下限约束，使约束加强，计算结果更优。 (2-6)i=1,2n共n个不等式,j=1,2m式中:为第j种铁合金中元素i的含量.为元素i的收得率. 为元素i在合金化前钢水的原始含量.为钢水重量. 为元素i的成分下限. 为元素i的成分上限.(2) 每种铁合金允许用量的约束 j=1,2m (2-7)其中为第j种合金的最大许用量。(3) 非负条件 j=1,2m (2-8) (4)合金优化计算数学模型求解3、合金化模型中存在的问题收得率：是向钢液中加入一公斤某元素的合金后,该元素有多少熔入钢液的比率,相对于元素的烧损率而言。元素收得率的准确性直接影响合金计算的准确性。前面的计算中用的是元素的平均收得率。钢液中合金主元素的含量与该元素的收得率密切相关。在实际生产中收得率是一个动态变化的量，同一炉次中元素的早期，中期，晚期的收得率是不同的，不同炉次的平均收得率也不一定相同。因此如何确定元素的收得率直接关系到计算的准确性。元素收得率的统计可用以下三种方案进行：3.1参考炉次法(1)参考炉次法计算合金元素收得率的基本公式为:(3-1)其中,RE为要求的本炉次合金元素的收得率.Ri为参考炉次i的合金元素收得率.RER为本钢种该合金元素收得率的基准值. 为待定系数.在上式中涉及到两个问题,即如何选择参考炉次和怎样确定合金元素收得率的基准值。(2)参考炉次的选择:参考炉次选取原则是:与当前冶炼炉次钢种相同,且生产时间距当前炉次最近的5个历史正常冶炼炉次.在当前炉次计算结束后,如果满足前述两个条件,则将该炉次作为最新炉次加入到参考炉次中,并自动将最先的参考炉次排除。(3)收得率基准值的确定:按不同钢种进行分类,选取历史正常冶炼炉次, 并对每一钢种大量正常炉次的收得率取代数平均值,即为基准值。随着生产进行,每一炉最新冶炼的炉次将参加对原来基准值的更新计算。考虑以下几个原因，可采用参考炉次法计算合金元素的收得率：(1)工厂实际生产过程中冶炼的钢种十分繁多,添加合金的种类和数量也多种多样, 并具有很强的非线性，很难采用统一的理论模型来计算。(2)这种方法建模过程相对简单，易于维护,具有一定自动更新和自学习能力。(3)除了考虑的添加合金过程的初态、终态和控制变量外,其他变量如果与参考炉次相比变化不大则可以忽略,这对模型精度影响不大。(4)随着冶炼的进行,炉在不同炉役时期自身会发生一些变化,通过参考炉次的不断更新可以起到跟踪炉役变化的作用。3.2线性回归统计整理各元素收得率的函数形式，进行线性回归可统计出各种工艺情况下的元素收得率。3.3神经元网络优化算法建立一个具有一隐含层的反向传播的BP神经元网络。神经元网络输出层求的元素收得率，输人层为影响元素收得率的各种变量，调用神经元网络学习算法进行训练，确定元素收得率。根据工艺分析，具体确定网络输人层的变量。在钢包炉精炼过程中，影响合金收得率的主要有钢水温度、钢水含氧量及造渣用的，量，还有添加的脱氧剂、量，把这个因素作为神经网络的输入变量。4实现方法 下面使用C#编程用补加系数方法实现多元高合金钢合金加入量计算，合金计算界面上元素有最大最小和目标值，根据化验值计算出还需要添加合金的种类和重量，查看元素含量可以根据化验值和合金添加量反算出元素的含量，一个钢种的控制成分和使用的合金是已知的，为了降低成本，可以选择不同的配方。计算时需先手动输入钢水重量。例如 冶炼0Cr18Ni9Nb时，钢液重15000Kg，钢水的化学成分如下： 元 素 C Si Mn Cr Ni Nb 控制成分/%（目标） 0.06 0.65 1.50 19.00 9.50 0.50 分析成分/%（实际） 0.06 0.60 1.50 17.00 8.90 0.48 图4-1合金计算的实现第一步，先计算各合金占有量和纯钢水占有，然后合金占有和纯钢水占有比值就是合金补加系数。第二步，按照单一元素计算合金补加量。上面的计算过程经验算结果符合要求。在实际生产的过程中，冶炼钢种的控制成分和所使用的合金料成分是已知的，所以补加系数在事先就计算好，炼钢工计算合金只要按步骤计算即可。所以补加系数法看起来复杂，实际计算时方便而精确，是十分有效的办法。5总结钢水的合金化是一个比较复杂的过程，补加系数法考虑了加入的所有合金对钢液重量的影响，相对于人工计算方法准确并且计算速度快，但是没有考虑合金成本问题，使用单纯型法对合金加料进行优化计算，使得合金成本最低，其优点是中间变量少，运算量小，适宜解决变量多，约束多的计算问题。影响模型最终结果的主要因素就是单纯形法的约束条件，约束条件太松，则算法的计算结果不一定是问题的最优解；约束条件过紧，算法则可能产生无解的情况。以上计算中元素收得率是一个动态变化量，如何确定元素的收得率直接关系到计算的准确性，实际生产中通常使用参考炉次法计算元素合金收得率，这种方法易于维护并且具备自动更新和自学习能力。合金加料的准确与否直接影响着成品钢的性能,优化配料不仅可以实现工艺操作的最优化，而且还能够降低企业的生产成本，避免原材料的浪费。选择合适的建模方法,得出较为精确的模型,对改善精炼环节工艺有其特别的意义。