转炉炼钢过程工艺控制的发展与展望分析.docx

雌炼钢®更田翰I糠展与飕分析在钢厂进行转炉炼钢的过程中，之所以要进行工艺控制，就是为了减少冶炼过程工艺损耗并保证最终生产的钢水 符合相关标准。伴随我国经济的持续增长，市场竞争日益激烈，转炉炼钢过程中的工艺控制不仅需要完成对钢水的质量 把控，还要实现炼钢过程的低污染、低消耗。由于原辅料条件的波动、冶炼过程中的连续检测手段受限等原因，转炉冶 炼精准控制具有一定难度。当今世界，以计算机、信息技术为代表的技术创新快速发展，应用新技术实现转炉炼钢过程 控制的精准化和智能化控制，必然会成为转炉炼钢过程控制的重要发展方向。1转炉炼钢过程工艺控制发展现状我国从1952年开始推广转炉炼钢工艺，之后不久就大面积取代了在它之前的平炉炼钢。伴随转炉炼钢工艺的广泛 应用以及迅速发展，转炉炼钢过程工艺控制也处于不断发展和进步的状态。转炉炼钢过程工艺控制经历了经验控制、静态控制、动态控制、全自动吹炼控制的发展过程。1-1静态控制静态控制是根据物料平衡和热平衡的基础关系公式用计算机进行装料计算，然后按照计算结果进行装料和吹炼的 控制方法，吹炼过程中不做任何测试和修正的控制方法。1959年美国琼斯.劳夫林钢铁公司率先推导出理论装料模型， 由于静态控制不依赖冶炼过程检测技术，应用相对简单，很快得到了广泛的工业推广。1.2 动态控制动态控制在吹炼前与静态控制一样先作装料计算，在吹炼过程中检测仪器测出钢液温度和含碳量，造渣情况等连 续变化的信息，对终点进行预测和判断，从而调整和控制吹炼参数，使之达到规定的目标。与静态控制相比，动态控制 具备准确性，可以实现最佳控制。动态控制的关键为在吹炼过程中快速、正确、连续地获得熔池的各参数，尤其是熔池 的温度和碳含量这两个参数更为重要。美国琼斯劳夫林钢铁公司在静态控制获得成功后，最先进行了动态控制方法的研 究。1966年该公司克里夫兰厂提出轨道修正法对氧气顶吹转炉进行动态控制。随后各国除进一步研究轨道修正法外， 还进行各种动态控制方法的研究应用。近几十年中，在计算机等科学技术的大力支持下，国内外转炉炼钢过程工艺控制在从静态模型向动态模型过渡， 以及动态模型的优化完善方面进行了长期的研究和应用，采用副枪、炉气分析、声呐、红外等多种动态检测方法，并同 时采用参考炉次更新和模型系数学习等方法，提高控制模型的适应能力，提高模型的预报和控制精度，转炉炼钢的生产 效率也得到了显著提升。根据冶炼过程工艺控制程度将转炉动态控制分为定点控制和全程动态优化控制两种方式。定点控制为在冶炼进程 的某一时刻根据动态检测获取的信息对转炉工艺进行必要的校正；全程动态优化控制是在冶炼全过程动态检测获取信 息，全过程对转炉工艺进行校正，从而最大限度地优化吹炼工艺，实现优质、低耗、高效目标。全程动态优化程度高度 依赖冶炼过程获取吹炼信息的质量和数量，但在实际生产中,由于受到检测技术、生产效率的影响，对熔池钢液成分和温 度进行全程直接检测还存在相当的困难，但通过炉气分析和音频测渣等方式获取的间接信息对全程动态优化分析可发挥 一定作用。由于信息检测技术的成熟性、动态模型的适应性仍然需要提高，我国只有部分大型转炉采用了全程动态优化控制 法，而更多的中小型转炉采用的是定点控制法。1.3 全自动吹炼控制全自动吹炼控制是炼钢过程动态控制的进一步发展，它保留了动态控制的全部内容留，并增加炉渣状况检测、炉 气分析设备和Mn光谱强度连续检测。通过在线计算机闭环控制顶吹供氧、底吹搅拌、造渣操作，终点预报C、S、P, 全程预报碳含量和温度，解决了过程动态控制不能对吹炼造渣过程进行有效控制，不能降低转炉喷溅率，不能对终点S、 P进行准确控制等问题。上世纪末，日本新日铁、川崎等钢铁公司进行了转炉全自动吹炼控制技术的研究和应用，并获 得了良好的应用效果。我国在全自动吹炼控制方面的研究和应用进展缓慢，转炉工程容量？200t的大型钢企在动态控制 的优化方面取得了不少成绩和经验，大部分中小钢企受限于原料条件、技术条件等因素制约，当前仍处于从静态控制向 动态控制过渡发展阶段。2结合现状分析转炉炼钢工艺优化控制转炉炼钢过程的工艺优化前文已述及，我国大部分中小钢企受限于原料条件、技术条件等因素制约，当前仍处于从静态控制向动态控制过 渡发展阶段，且动态控制大部分仍采用的是定点控制方法，导致这一问题的核心因素是转炉炼钢过程的工艺控制精准度 较低、精细化程度较低等，致使许多钢厂的转炉控制模型的稳定程度达不到标准要求。在转炉吹炼过程中，氧枪枪位、 氧气流量和辅料的加入方式等都是转炉炼钢过程控制的主要变量，因此针对氧气流量控制、枪位控制、投料控制等环节 进行优化是优化转炉炼钢过程的工艺控制的核心要点。2.1.1 枪位控制操作人员根据长期的工作经验，总结了几种枪位控制的固定模式，例如由高到低再到高的三段式模式等。如果入 炉原料处于相对稳定的状态时，使用其中任何一种模式都可以靠经验控制或静态控制实现一定的冶炼效果。但是这种固 定的控制模式也存在着明显的缺陷，即使这些固定的枪位模式在考虑了原辅料条件变化情况准备了多种细化方案，也难 以实现精细化控制。因为转炉熔池的情况变化是一个渐变过程，而设定的枪位控制模式是台阶式突变的，二者之间存在 不匹配的问题。再者，枪位控制与化渣紧密相关，模式化的枪位控制在应对突发情况时难免捉襟见肘。精细化的枪位自 动控制模型还有赖于化渣模型和渣况检测技术的发展。2.1.2 氧气流量控制业内传统操作大部分采用恒压变枪方法进行供氧操作，也就是转炉从冶炼开始到结束始终保持同一氧压进行氧气 供应，使得氧气的供应一直处于稳定状态，但也正是这种氧气供应的稳定性对转炉炼钢产生一定负面影响。在实际的钢 冶炼过程中，冶炼过程可以划分为几个不同的阶段，而不同的阶段对氧气的需求也存在一定差别，甚至同一阶段的需氧 量也存在一定差别。例如当冶炼进入脱碳阶段时，转炉的炉渣状况就会使得需氧量发生变化。针对氧气流量的控制进行 优化不但能够提升氧气的利用率、减少氧气的浪费，还能降低熔池的氧化程度，减少不必要的合金耗损。除此之外，针 对氧气流量的控制进行优化可以提高对脱碳速率与炉渣的泡沫化程度的把控程度，进而使得整个炼钢过程表现出更好的 稳定性。2.1.3 投料控制投料控制包括转炉冶炼所需的造渣剂、化渣剂的投入时机和投入量的控制。由于转炉化渣是一个复杂的物理化学 变化过程，而造渣料的添加数量以及添加时间都会对造渣与脱碳的具体进程造成比较关键的影响，因此针对熔渣分析的 复杂程度远远超过脱碳分析。在进行渣况在线检测的过程中，核心任务是要完成炉渣喷溅现象检测，完成这一核心任务 的难点在于对是否存在返干现象进行判断。传统炼钢采用投料模式控制表进行指导操作，这种控制方法来自实际工作的 经验总结，针对多数炉况都能够表现出较高的适应度。但是完全仰仗这种控制方面无法针对实际冶炼过程中出现的喷溅、 返干等情况达到良好的控制效果。这种投料控制方法虽然由实践所得，针对冶炼过程的熔池变化进行了一定考量，但是 这种考量明显不够细致与充分，无法针对处于连续变化状态中的炉况进行有效应对，需要通过通过数学模型的建立，以 及检验方法的创新，来实现精准化控制。2.2 转炉炼钢过程的工艺控制的仿真实验转炉炉况的复杂程度较高，国内大部分钢厂自动化程度较低，适应转炉炼钢过程的工艺控制精细化、专业化的发 展迫切需要，大量开展转炉炼钢过程的工艺控制仿真试验是十分必要的。在采用仿真实验进行优化时，需要按照冶金原 理建立相应的数学或者物理模型，针对模型进行相应的条件设置。条件设置是仿真实验中较为繁琐的环节，因为仿真实 验需要主要通过条件设置完成对转炉冶炼环境的模拟，冶炼环境的复杂程度决定了条件设置的繁琐。完成条件设置后， 需要进行冶炼模拟，然后参考模拟结果分析工艺控制因素对冶炼过程造成的影响，进而对相关控制工艺进行科学的优化。 仿真试验针对转炉造渣过程、熔池脱碳升温过程进行了单独仿真以及综合仿真。2.2.1 造渣过程仿真造渣是转炉炼钢过程中的重点内容，造渣过程不但决定了整个炼钢过程中的平稳程度，而且对钢水成分的优劣产 生了较为关键的影响。在具体的转炉炼钢进程中，炉渣溶液的碱度、炉渣含有铁氧化物的百分比都是造渣时应严格把控 的参数。近年来，我国研究者们运用仿真实验针对全程动态控制方法进行了大量的仿真实验。该仿真实验针对转炉炼钢 过程中的影响造渣效果的熔池温度、枪位控制、氧气流量控制以及造渣料的加入方式等因素进行模拟，针对入炉原料初 始条件以及冶炼过程的工艺信息进行了参数设置，并通过建立物理模型分析炼钢过程中枪位控制等因素对炉渣泡沫化的 影响规律，然后根据相关规律完成了成渣模型，进而完成了成渣工艺的优化分析。为转炉炼钢过程的工艺控制的优化提 供了指导。2.2.2 脱碳升温过程仿真进行熔池脱碳升温仿真试验，主要对影响脱碳过程的变量展开研究，并对相关转炉炼钢过程的工艺控制进行优化, 同时对不同条件下钢水的碳含量进行较为专业的预测。现阶段我国已经完成了建立在物理化学反应科学分析基础上的钢 水碳含量以及温度变化的仿真预测。仿真实验证明，在转炉炼钢过程工艺控制的应用过程中，枪位控制、氧气流量控制, 以及温度是使得脱碳速率发生变化的重要原因。应通过加强枪位控制、氧气流量控制，以及对温度的控制来进行转炉炼 钢过程中的工艺控制。2.2.3 综合仿真转炉炼钢涉及较为复杂的物理化学反应，在这个物理化学反应中，影响反应的因素较多，而且这些因素彼此之间 还存在一定的关联与影响。因此将造渣过程与熔池的脱碳升温过程进行分割，然后分别进行仿真试验极有可能会导致某 些变量因素被忽略，因此还需要将两个过程联系在一起，进行综合性仿真实验。我国冶金研究单位及宝钢等大型钢企都 开展了综合性仿真试验工作，模拟了转炉冶炼过程的造渣和脱碳情况，为转炉炼钢过程工艺控制的优化提供了指导作用。2.3 现阶段我国转炉炼钢过程的工艺控制的工业应用国内大、中型钢铁企业转炉在从静态控制、定点动态控制、全程动态优化动态控制应用过程中，经历了引进、优 化、创新的发展过程，主要采用副枪、炉气分析等过程检测方式，控制方法逐步从单一向综合、从模型化向智能化方向 优化发展。了解到部分国内代表性钢铁企业当前转炉炼钢过程控制情况如下。宝钢的转炉在上世纪九十年代已全面采用计算机自动炼钢技术，动态代数模型是根据副枪快速测定的钢中碳含量 以及钢水温度，终点一次命中率达80%以上（控制精度：C±0.015%T±13）,补吹率在10%以下。近年来，宝钢在 300t和250t转炉上开发了转炉吹炼控制模拟在线专家系统。它是以炼钢专家和操作工多年丰富经验基础上总结研制而 成，用多台微机来模拟转炉吹炼控制的整个过程，通过正反向推理、模糊推理、框架推理和混合推理，来识别这多变的 信息，理解并对每种信息进行处理，分析、推理，并做出决策。武钢第二炼钢厂90t转炉1996年采用炉气分析模型进行终点控制，终点碳控制可达到目标值的+0.02%,终点温 度达到目标值+10。武钢第三炼钢厂250t顶底复吹转炉通过计算机过程控制，近年转炉终点C、T双命中率达80% 以上。马钢一炼钢采用炉气分析模型，缩短了冶炼时间，深吹比率减少，钢水、钢渣氧化性降低。济钢三炼钢120t转炉基于副枪的控制系统终点双命中率达到了 88%o安阳钢铁公司从达涅利公司引进副枪系统，通过一系列新技术的开发和应用，实现了自动化炼钢，终点C、T双 命中率也达到90%以上沙钢180t转炉采用副枪检测，在静态控制的基础上对炼钢原材料和控制系统参数（模型参数操 作参数）进行优化，设计出了符合沙钢实际情况的自动炼钢工艺，实现了转炉过程的动态控制，提高了炼钢自动化水平。 逐步建立优化碳温模型，不同条件下碳温数学模型；建立了物料平衡和热平衡模型，并通过对物料平衡、热平衡的过程 中众多的计算参量进行了评估，不断优化转炉加料方案；持续优化氧枪高度控制方案，根据不同的入炉铁水硅含量、铁 水温度、炉废钢情况、转炉炉龄，设计了几十种氧枪枪位控制模型，提高了生产运用的适应性；终点钢水C、T命中率 逐步提高，低碳钢的钢水终点C、T双命中率达到80%以上;中碳钢钢水终点C、T双命中率达到70%以上。3转炉炼钢过程工艺控制的展望转炉炼钢过程工艺控制向精细化发展从转炉炼钢过程工艺控制的优化发展中就可以看出炼钢过程检测技术的进步以及数学物理模型的建立与进一步发 展是其工业控制未来发展的主要方向。但就目前的情况而言，国外先进企业已进入全自动吹炼控制炼钢阶段，国内只有 部分大型转炉采用了全程动态优化控制法，而更多的中小型转炉采用的是定点控制或静态控制阶段，但仍能看出国内转 炉炼钢过程工艺控制正在向精细化方向发展。首先，转炉炼钢过程工艺控制的精细化发展将会成为优化炼钢技术的重要 入手点，工艺控制将会受到更多的重视。其次，转炉炼钢过程的工艺控制将会向专业化、高精准度的方向发展，前文提 及的枪位控制、氧气流量控制、辅原料加入方式都将取得巨大突破，修正现存问题，无论是枪位控制、氧气流量控制， 还是辅料、原料加入方式都会与炼钢过程中的不同时段的需求更具匹配度。最后，在炼钢控制手段获得较大突破后，氧 气流量作为炼钢的重要能源或许会成为主要控制变量。3.1 转炉炼钢过程工艺控制的智能化发展目前我国已经进入工业4.0时代，工业4.0时代的主要任务就是使用人工智能技术辅助工业生产，加快工业生产效 率。现阶段我国转炉炼钢自动化程度较低，多数工作都需要人工操控，精准度低。当转炉炼钢的工艺控制完成优化后， 钢厂将会考虑引入人工智能技术，以机械操作取代人工操作。通过人工智能系统对造渣过程与脱碳升温过程进行检测， 一旦出现造渣质量不佳以及脱碳速率较低的情况，工作人员能够通过计算机系统中的数据分析及时发现并进行调整。3.2 转炉炼钢过程工艺控制的绿色环保发展工业发展在未来一定是走节能与环保发展路线的，节能降耗和环境保护将是国家长期发展战略，钢铁企业也必将 更注重生产和环境协调发展，转炉炼钢过程工艺优化控制也必须适应绿色环保发展要求。我国已明确提出来“双碳”目标：2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。钢铁企业是耗能大户，转炉冶炼生产更 要注重节能降耗。目前国内主流钢铁企业转炉工序能耗已降至25kgce/t以下，部分优秀企业已降至-30kgce/t左右。未 来的钢铁厂在转炉炼钢工艺上，选用综合节能技术，在“负能”炼钢的基础上进一步降低转炉工序能耗，是必由之路。动 态控制技术、全自动吹炼控制技术势必要将提高转炉煤气回收量、减少转炉冶炼过程中物理热和化学热损失方面纳入数 学模型进行细化控制。转炉冶炼烟气量大，大气污染治理投入大，多年来企业不断地按照环保要求去加强治理措施，但相对于从根本上 消除大气环境污染，很显然先破坏后治理需要花费更多的人力物力财力，时间花费得更久。为了持续提高治理效果和效 率，必须从优化转炉冶炼工艺和烟气治理技术两个方面同时入手进行探索。转炉炼钢工艺控制也必须通过优化造渣制度 和供氧制度，减少污染物的产生。4结语目前，世界上多数转炉主要采用静态模型控制与动态模型控制相结合的控制形式，国内外已经在转炉炼钢过程物 理模型建立、仿真试验、工业应用取得了一定成效，先进企业已发展到全自动吹炼控制研究和应用阶段。但是我国针对 动态控制多采用定点控制法，由于在精细化控制上的差距，冶炼过程中存在严重的资源浪费等问题。对全程动态优化控 制法进行优化，扩大全程动态优化控制法的应用范围，进而实现全自动吹炼控制必然会是转炉炼钢过程工艺控制未来发 展的大趋势。