溫宏愿 1，周木春 2
（1.南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院， 江蘇 泰州 225300；2.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 210094）
摘 要：針對(duì)國內(nèi)外主流的多種轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)方法進(jìn)行了研究，分析了不同方法的應(yīng)用場(chǎng)和各自優(yōu)勢(shì)與不足，提出智能化、自動(dòng)化、低成本、簡(jiǎn)易可靠的技術(shù)方法和設(shè)備裝置是今后轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)的研究重點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；終點(diǎn)；控制技術(shù)
引言
中國是世界上最早生產(chǎn)鋼的國家之一，從春秋晚期起中國就有煉鋼生產(chǎn)了，隨著時(shí)代和技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)鋼材的質(zhì)量和類型要求越來越高，這就意 味著對(duì)鋼材中碳等元素含量占比的要求也越來越苛刻，從而促使著對(duì)煉鋼終點(diǎn)的判定和控制技術(shù)需要 不斷改進(jìn)，頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼作為目前煉鋼的最重要方 式，其終點(diǎn)控制技術(shù)也在不斷翻新和變化。但是至今對(duì)吹煉終點(diǎn)的準(zhǔn)確判定依然存在這較大的問題，問 題產(chǎn)生的主要原因在于爐型的差異、原材料的差異 以及吹煉過程的復(fù)雜性等多種因素[1]。本文把目前 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制的主要技術(shù)方法進(jìn)行對(duì)比分析，以求 從某一個(gè)程度上，對(duì)仍舊處于不斷發(fā)展階段的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)提供借鑒和參考。
1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制的主要技術(shù)方法及應(yīng)用
1.1 經(jīng)驗(yàn)煉鋼法
經(jīng)驗(yàn)煉鋼法就是人工經(jīng)驗(yàn)控制方法，通過人眼 觀測(cè)、配合倒?fàn)t取鋼樣等形式的一種終點(diǎn)控制方法， 目前普遍應(yīng)用在國內(nèi)外的轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，尤其是占比較大的中小型轉(zhuǎn)爐。轉(zhuǎn)爐體和爐蓋之間留有空 間，通過此間隙可以觀察到爐口火焰的形態(tài)變化，爐 口火焰的這些形態(tài)變化與鋼水吹煉的化學(xué)反應(yīng)密切 相關(guān)并不斷變化著。但是由于原材料的不同，導(dǎo)致這 種方法經(jīng)常存在著無法一次命中的情況，因而需要 繼續(xù)吹煉，這種補(bǔ)吹方式導(dǎo)致了冶煉時(shí)間加長、鋼水 質(zhì)量不能較好保證、生產(chǎn)率低、人工勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn) 程度大等諸多問題，且有經(jīng)驗(yàn)的工人培養(yǎng)時(shí)間偏長，在吹煉精度和成本上都是該方法無法從根本上解決 的問題。
1.2 靜態(tài)模型控制方法
靜態(tài)模型控制方法是結(jié)合了人工經(jīng)驗(yàn)控制方 法，以單一測(cè)算的靜態(tài)模型為基礎(chǔ)的終點(diǎn)判定方法， 是目前轉(zhuǎn)爐煉鋼廠使用最廣泛的技術(shù)手段之一。這 種靜態(tài)模型是在經(jīng)驗(yàn)煉鋼法的基礎(chǔ)上，基于熱平衡原理、物料平衡原理，以設(shè)定好的原材料種類和擬 要吹煉的鋼種條件來預(yù)定終點(diǎn)溫度以及碳等元素的 含量。靜態(tài)控制的模型主要有統(tǒng)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)、機(jī)理等，這 些方法的主要區(qū)別就在于，是否考慮吹煉過程的物理化學(xué)變化規(guī)律以及前一爐次對(duì)本爐次吹煉的增量 變化。這些方法克服了經(jīng)驗(yàn)煉鋼的不確定性，通過對(duì) 原材料、添加劑、吹氧量等參數(shù)數(shù)量相對(duì)精確控制， 使得煉鋼產(chǎn)物的技術(shù)參數(shù)控制在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的 范圍內(nèi)，但是由于原材料的質(zhì)量每次不能完全一致，且吹煉過程不能實(shí)時(shí)調(diào)整，命中率一般僅有 80%左右。
1.3 副槍動(dòng)態(tài)控制方法
副槍動(dòng)態(tài)控制方法是目前在大型轉(zhuǎn)爐中所普遍流行使用的一種方法，它是在鋼水臨近終點(diǎn)前，由靜 態(tài)控制模型所預(yù)定的時(shí)刻，不需要進(jìn)行倒?fàn)t操作，而 直接使用專用探測(cè)槍頭，檢測(cè)終點(diǎn)時(shí)鋼水的相關(guān)數(shù) 據(jù)狀態(tài)，并把結(jié)果反饋給整體控制系統(tǒng)對(duì)吹煉過程的一些輸入?yún)?shù)，如吹氧量等，進(jìn)行不斷修正和調(diào)整[2]。相較于上述兩種方法，副槍動(dòng)態(tài)控制方法使得吹 煉時(shí)長變短、減少了倒?fàn)t的次數(shù)及可能產(chǎn)生的一系 列污染、提高了終點(diǎn)預(yù)測(cè)值結(jié)果、并使得工人的勞動(dòng) 強(qiáng)度得到了大大降低。然而，由于副槍設(shè)備價(jià)格昂貴，一般安裝副槍系統(tǒng)的煉鋼廠都是大型轉(zhuǎn)爐廠，大 型轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中相對(duì)平穩(wěn)、工業(yè)控制系統(tǒng)的自 動(dòng)化水平高，在此基礎(chǔ)上，副槍作為輔助測(cè)量方式才可以起到較好的作用。
1.4 爐氣分析控制方法
由于轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，熔爐中鋼水的脫碳速度與爐口爐氣成分間有密切關(guān)系，因而爐氣分析動(dòng)態(tài)控制也是一種較有效方法。該方法一般需要專用的 測(cè)量?jī)x器，如質(zhì)譜儀等，在吹煉后期，通過不間斷測(cè) 量爐氣成分含量[3]，利用脫碳速率模型以吹煉原理，實(shí)時(shí)分析出脫碳速率和含氧量等數(shù)據(jù)反饋給工業(yè)控制系統(tǒng)，及時(shí)進(jìn)行吹煉過程的校正。但是這種方 法的確定也較為明顯，主要有受惡劣的爐氣環(huán)境和 爐氣流量的限制，而且具有儀器昂貴、維護(hù)費(fèi)用高等 缺點(diǎn)，目前仍只適用于大型的轉(zhuǎn)爐廠，使用范圍明顯 受限。
1.5 噪聲終點(diǎn)判定方法
轉(zhuǎn)爐噪聲終點(diǎn)判定方法是利用音響計(jì)對(duì)冶煉過 程中發(fā)出的噪聲作為主要判定依據(jù)來實(shí)行的。噪聲 與吹煉過程的反應(yīng)密切相關(guān)，尤其是在低頻率的范圍，可以測(cè)定 CO 燃燒時(shí)的噪聲值，其變化程度與鋼 水吹煉時(shí)的脫碳速率之間有著極大的相關(guān)性。但是由于煉鋼廠的環(huán)境條件惡劣，外界干擾噪聲較多難以較好去除，同時(shí)不同爐型的噪聲模型存在一定的 差異性，在目前尚未對(duì)冶煉噪聲產(chǎn)生的機(jī)理明確的 前提下，這種方法經(jīng)常會(huì)有較大的誤差，因而在終點(diǎn)判定中使用情況較少。
1.6 光譜光學(xué)判定方法
轉(zhuǎn)爐爐口火焰的輻射光譜中包含著大量的鋼水 潛在信息，國內(nèi)外已經(jīng)有多家公司使用光譜光學(xué)判 定方法來對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和嘗試。美國Bethlehem 鋼鐵公司曾在 200 t 以上的大型轉(zhuǎn)爐，低碳范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量的控制中采用了一種光 譜光學(xué)分析方法，通過測(cè)定爐口火焰輻射的光譜中 的 560 nm 左右的波長的輻射光強(qiáng)度，利用模型測(cè)算 得到對(duì)終點(diǎn)碳含量判定；南京理工大學(xué)和南京鋼鐵集團(tuán)煉鋼廠研發(fā)了一種多光譜輻射測(cè)量的方法[4]，通過檢測(cè)和分析吹煉過程中光譜輻射的光強(qiáng)度信息，得到了特定光譜與吹煉終點(diǎn)的密切聯(lián)系，通過相關(guān)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)判定；這種非接觸測(cè)量方法的 最大好處就是可以不中斷煉鋼吹煉過程、不影響鋼 水的質(zhì)量。
1.7 圖像處理判定方法
圖像處理判定方法與光譜光學(xué)判定方法類似， 都是屬于非接觸測(cè)量方法的一種，但是更多地是側(cè) 重于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)爐爐口火焰的變化情況，通過紋理分析、 顏色模型轉(zhuǎn)換、特征提取等多種方式[5]，把隱含在火焰圖像中與吹煉過程有關(guān)聯(lián)的潛在信息提取出來，通過系統(tǒng)建模進(jìn)行終點(diǎn)的預(yù)測(cè)與判定。這種方法在 本質(zhì)上是模擬人眼，因?yàn)樵诮?jīng)驗(yàn)煉鋼中主要是利用工人的眼睛直接觀察火焰獲取信息并進(jìn)行判斷，這 種方法需要大量的訓(xùn)練并逐步獲取變化規(guī)律。
1.8 機(jī)器人輔助測(cè)量方法
隨著工廠車間智能化的發(fā)展以及安全級(jí)別的提 升，機(jī)器人參與輔助測(cè)量也逐漸開始應(yīng)用，比如奧地 利 Voestalpine 鋼鐵公司已采用機(jī)器人測(cè)溫系統(tǒng)替換 原來的副槍系統(tǒng)；國內(nèi)的鐳目科技有限公司，其所開發(fā)的 RAMON 機(jī)器人溫度測(cè)量采樣系統(tǒng)是一種高性 能的自動(dòng)智能設(shè)備，采用工業(yè)機(jī)器人作為操作平臺(tái)， 利用柔性機(jī)器人在測(cè)量槍上自動(dòng)安裝探頭，自動(dòng)將 探頭插入鋼水中，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量和采樣，以及卸載過 時(shí)的探針。該機(jī)器人具有自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便， 安全可靠等特點(diǎn)。隨著國內(nèi)人工成本的升高、機(jī)器人 價(jià)格的整體下降，相信今后機(jī)器人參與轉(zhuǎn)爐煉鋼替代人工進(jìn)行輔助測(cè)量將會(huì)愈發(fā)增多，但是對(duì)于多種爐型的實(shí)用性和穩(wěn)定性需要進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)。
1.9 智能終點(diǎn)控制方法
以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等技術(shù)為代表的智能終 點(diǎn)控制方法，可以避開過去那種對(duì)煉鋼過程深層規(guī) 律無止境的探求，轉(zhuǎn)而以事實(shí)和數(shù)據(jù)作根據(jù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)過程的優(yōu)化控制，因而在煉鋼終點(diǎn)中使用較多。韓國 Pohang 鋼鐵公司就曾利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)轉(zhuǎn)爐的在線數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和訓(xùn)練，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際工藝數(shù)據(jù)較為符合；日本 Nippon 鋼鐵公司研發(fā)了一種特殊的 專家系統(tǒng)，把經(jīng)驗(yàn)煉鋼法和黑盒推理等原理應(yīng)用于 控制過程，對(duì)吹煉結(jié)果有一些提升；國內(nèi)多家大型鋼 廠也在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用到了轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控 制中。總體上來說，這些方法側(cè)重考察輸入輸出量 間的關(guān)系，消除了隨機(jī)偏差，對(duì)當(dāng)前轉(zhuǎn)爐煉鋼這種 機(jī)理研究尚不透徹的多元多相的高溫物理化學(xué)反應(yīng)過程，該方法可以保持一定的精度，具有某些獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。
2 終點(diǎn)控制技術(shù)方法對(duì)比及預(yù)測(cè)分析
1）大型煉鋼廠所普遍使用的是不倒?fàn)t檢測(cè)的副 槍系統(tǒng)，但是這種自動(dòng)化程度較高、終點(diǎn)預(yù)測(cè)精度較 好的系統(tǒng)，由于自身設(shè)備費(fèi)用高等一些突出的問題， 目前還未完全普及到中小型鋼廠。爐氣分析系統(tǒng)、神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等方法也有使用，雖然各有優(yōu)點(diǎn)，但是由于它們還是需要主要依靠較穩(wěn)定的測(cè)量過程，所以在大型轉(zhuǎn)爐的使用效果要普遍好于中小型 轉(zhuǎn)爐。
2）非傳統(tǒng)的、相對(duì)較新的這些終點(diǎn)控制方法在 判定終點(diǎn)的方法上拓寬了思路，但由于生產(chǎn)條件、造 價(jià)等諸多因素的限制，在大型轉(zhuǎn)爐的終點(diǎn)控制中效 果較好的這些方法，目前并不能在中小型轉(zhuǎn)爐中真 正地進(jìn)行推廣使用。
3）大型轉(zhuǎn)爐由于吹煉過程穩(wěn)定，今后應(yīng)不斷嘗 試新技術(shù)、新方法、新系統(tǒng)，不斷引領(lǐng)和提升煉鋼的終點(diǎn)控制技術(shù)，產(chǎn)出質(zhì)量更好的鋼材。
4）占據(jù)著世界轉(zhuǎn)爐煉鋼界主要爐型的中小型煉鋼廠目前所使用的這些終點(diǎn)控制方法已經(jīng)跟不上產(chǎn) 能結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求。今后世界煉鋼界急切需要針對(duì) 體量較大的中小型轉(zhuǎn)爐，研發(fā)轉(zhuǎn)爐一次倒?fàn)t的可靠性高、低成本的終點(diǎn)控制方法及系統(tǒng)。隨著智能制造技術(shù)和人工智能技術(shù)的普及，相信今后自動(dòng)化水平 和冶煉能力將會(huì)得到更大提升。
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