周 廣 王 剛 劉 磊

摘 要：為了更好地提升轉(zhuǎn)爐煉鋼的質(zhì)量和效率，鋼鐵企業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化控制，不斷進(jìn)行工藝優(yōu)化。在此背景下，闡述了轉(zhuǎn)爐冶煉工藝的控制方法，分析了相關(guān)工藝優(yōu)化策略，對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉工藝控制的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望，提出了轉(zhuǎn)爐冶煉工藝控制發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼；冶煉工藝；定點(diǎn)控制；全程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制

以往鋼鐵企業(yè)在對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)過程進(jìn)行工藝控制時(shí)，更多關(guān)注的是鋼水合格率。但隨著競(jìng)爭(zhēng)壓力的增大及社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，人們對(duì)節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)方面的重視程度不斷增強(qiáng)。這就要求相關(guān)鋼鐵企業(yè)在轉(zhuǎn)爐冶煉工藝控制過程中逐漸向節(jié)能降耗方向邁進(jìn)，對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化提升，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

一、轉(zhuǎn)爐冶煉工藝控制方法

1.定點(diǎn)控制

定點(diǎn)控制的主要目標(biāo)是在轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝控制中獲取合格的冶煉終點(diǎn)鋼水成分和溫度。在整個(gè)冶煉過程中的1個(gè)時(shí)間段內(nèi)，使用動(dòng)態(tài)檢測(cè)獲取信息，并將其作為矯正轉(zhuǎn)爐工藝的依據(jù)。定點(diǎn)控制是我國(guó)現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝控制中最常用的方法。其最具代表性的是終點(diǎn)控制。在終點(diǎn)吹煉開始之前，利用副槍對(duì)熔池內(nèi)鋼水的成分及溫度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)冶煉工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到終點(diǎn)鋼水成分及溫度受控的目的。

2.全程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制

全程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制與定點(diǎn)控制的主要差異是最終控制目標(biāo)不同。與定點(diǎn)控制主要追求冶煉終點(diǎn)合格的鋼水成分與溫度相比，全程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制的最終目的是：控制獲得合格的鋼水，同時(shí)盡量對(duì)吹煉工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而降低原材料和輔助材料的消耗，并最大可能將污染物排放降到最低，確保整個(gè)冶煉過程的合理性。這也是對(duì)冶煉工藝控制的最好狀態(tài)。

對(duì)全程動(dòng)態(tài)控制優(yōu)化程度的高低，與冶煉過程中得到的吹煉信息質(zhì)量及數(shù)量密切相關(guān)。全程優(yōu)化控制的好壞，受檢測(cè)信息的準(zhǔn)確性、及時(shí)性及完整性等影響較大。但是在實(shí)際冶煉控制過程中，由于檢測(cè)技術(shù)和生產(chǎn)效率限制，要實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼水成分與溫度的全程精準(zhǔn)檢測(cè)，仍有一定難度。基于此，國(guó)內(nèi)大部分鋼廠多通過檢測(cè)信息間接地對(duì)轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)的情況進(jìn)行判斷，進(jìn)而做出有效分析。在此過程中，國(guó)內(nèi)鋼廠對(duì)轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)情況的檢測(cè)信息獲取，多采用爐氣分析法和音頻測(cè)渣法。此外，這2種方法還可被應(yīng)用到定點(diǎn)控制中，但該技術(shù)的應(yīng)用目前在我國(guó)還處于起步階段。進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制時(shí)，需要對(duì)整個(gè)過程的動(dòng)態(tài)控制不斷優(yōu)化，從而提升檢測(cè)信息的利用價(jià)值。

二、轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝優(yōu)化

1.轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝控制主要變量

由于我國(guó)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展水平限制，轉(zhuǎn)爐過程工藝控制起點(diǎn)較低，國(guó)內(nèi)大多數(shù)鋼廠的轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)控制目前仍主要采用定點(diǎn)控制方式，控制過程中存在檢測(cè)技術(shù)精確度低、及時(shí)性不足、檢測(cè)信息不完整等問題，轉(zhuǎn)爐控制模型的穩(wěn)定性、適應(yīng)性較差，需要對(duì)其進(jìn)行工藝優(yōu)化。轉(zhuǎn)爐過程工藝優(yōu)化主要針對(duì)控制氧槍槍位、氧氣流量和投料方式3個(gè)主要變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）槍位控制

通過長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐積累，對(duì)轉(zhuǎn)爐槍位操作形成了一定范式，如“高—低—高”“高—低—高—低”“低—高—低—高—低”等，即常用的3段式、4段式、5段式槍位操作方法^[1]。若原材料入爐條件穩(wěn)定，對(duì)于大多數(shù)爐次的冶煉可只采用1種模式進(jìn)行，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化操作、細(xì)化工藝。這也是目前大多數(shù)鋼鐵企業(yè)槍位控制采用的主要模式。這種固定槍位操作模式雖然便于生產(chǎn)人員操作，但同時(shí)也存在一定的問題。如，槍位固定操作模式雖然對(duì)于轉(zhuǎn)爐爐況整體性變化有所考慮，但由于其槍位操作分段控制，無(wú)法更好地適應(yīng)爐內(nèi)不斷變化的實(shí)時(shí)情況。同時(shí)，槍位控制與化渣之間關(guān)系密切，現(xiàn)有的模式化槍位控制無(wú)法更好地應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。此外，在自動(dòng)槍位控制方面，由于化渣模型和渣況檢測(cè)發(fā)展瓶頸，導(dǎo)致其在一定程度上受到限制。對(duì)此，目前國(guó)內(nèi)外鋼廠主要以化冶金經(jīng)濟(jì)與管理好渣、化透渣、快脫碳為目標(biāo)，嚴(yán)格控制熔池溫度，使其內(nèi)部溫度均勻提升，以此實(shí)現(xiàn)氧槍槍位的控制與調(diào)整。一些大型鋼廠還會(huì)針對(duì)自身情況，設(shè)計(jì)、開發(fā)專門的氧槍自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高氧槍槍位自動(dòng)化控制水平，使槍位控制更加及時(shí)、準(zhǔn)確、靈活。

（2）氧氣流量控制

轉(zhuǎn)爐冶煉要求轉(zhuǎn)爐供氧氧壓具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。但是在實(shí)際冶煉過程中，氧氣消耗程度在冶煉各工序間有一定差異，脫碳階段不同及爐渣情況差異都會(huì)對(duì)熔池氧氣消耗速度產(chǎn)生影響。因此，為了提升轉(zhuǎn)爐氧氣利用率、降低熔池過氧化、減少合金損耗，需要對(duì)氧氣流量進(jìn)行優(yōu)化控制。此外，對(duì)于脫碳速度和爐渣泡沫化程度，也可通過氧氣流量控制工藝優(yōu)化和細(xì)化操作實(shí)施控制，這對(duì)于平穩(wěn)化實(shí)施轉(zhuǎn)爐吹煉具有重要影響。

（3）投料控制

投料控制包括轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)控制系統(tǒng)內(nèi)的料倉(cāng)下料控制、化渣工藝和渣況的在線檢測(cè)。造渣及脫碳的程度受造渣料加入量及時(shí)間等方面的影響；轉(zhuǎn)爐化渣過程屬于一種具有復(fù)雜性的物理化學(xué)反應(yīng)，爐渣分析的復(fù)雜程度遠(yuǎn)大于脫碳分析；渣況在線檢測(cè)，一般檢測(cè)的是爐渣噴濺現(xiàn)象，目前對(duì)于返干現(xiàn)象還無(wú)法界定。現(xiàn)有投料控制方式中，應(yīng)用最廣的是建立投料模式控制表，該控制表是在總結(jié)實(shí)際工藝操作基礎(chǔ)上，根據(jù)一般爐況所選擇的合適的控制方式。對(duì)于冶煉過程中出現(xiàn)的噴濺、返干等渣況變化，僅靠投料模式控制表無(wú)法滿足需求。雖然該控制表在建立時(shí)考慮了全程冶煉熔池總體變化情況，但缺少適應(yīng)轉(zhuǎn)爐爐況變化的能力，而應(yīng)用相關(guān)數(shù)學(xué)模型及檢測(cè)方式能更好地解決該問題。

2.轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝優(yōu)化策略

（1）造渣過程仿真

轉(zhuǎn)爐冶煉最主要的一項(xiàng)工作就是造渣，轉(zhuǎn)爐冶煉的平穩(wěn)性受造渣程度好壞的影響，同時(shí)造渣過程的好壞也會(huì)直接影響終點(diǎn)鋼水成分。在整個(gè)冶煉過程中，造渣所需控制的重要參數(shù)包括爐渣堿度、渣中鐵的氧化物含量。現(xiàn)在常使用定點(diǎn)控制方式造渣；在獲取爐渣信息時(shí)，通常采用聲吶法、氧槍振動(dòng)加速計(jì)法及微波測(cè)液面法等手段進(jìn)行檢測(cè)；最后，根據(jù)所獲取的信息進(jìn)行冶煉工藝定向調(diào)整。采用動(dòng)態(tài)控制方式對(duì)造渣工藝進(jìn)行全程控制時(shí)，最佳方式是在造渣過程中使用仿真。熔池溫度、氧槍位置、氧氣流量及加入造渣料的方式都會(huì)對(duì)整個(gè)造渣過程造成影響。造渣仿真就是基于成渣機(jī)制，將入爐原材料的最初狀態(tài)和冶煉過程工藝信息結(jié)合，模擬渣形成的過程。

（2）脫碳升溫過程仿真

轉(zhuǎn)爐冶煉的最終目的是所獲取鋼水的碳含量和溫度符合要求。對(duì)熔池脫碳升溫仿真，可在分析對(duì)脫碳產(chǎn)生影響的因素基礎(chǔ)上，對(duì)操作方式進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。轉(zhuǎn)爐冶煉脫碳速率主要影響因素有氧槍位置、氧氣流量及溫度等。基于此，李光輝、劉青等^[2]根據(jù)傳統(tǒng)的3階段理論創(chuàng)建了轉(zhuǎn)爐熔池脫碳升溫仿真模型，該模型實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)爐冶煉過程仿真，依據(jù)仿真結(jié)果可以對(duì)冶煉工藝進(jìn)行合理化分析，并實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)冶煉過程的預(yù)測(cè)。

（3）綜合仿真

在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，造渣過程和熔池脫碳升溫過程之間存在一定聯(lián)系，可對(duì)其綜合考慮進(jìn)行仿真試驗(yàn)。綜合仿真雖然能使研究人員充分了解二者之間的相互影響，但也在一定程度上增加了仿真模型的復(fù)雜性和困難性。寶鋼集團(tuán)是國(guó)內(nèi)最早在實(shí)際生產(chǎn)控制中使用該綜合仿真模型的企業(yè)，在其研發(fā)的轉(zhuǎn)爐吹煉控制模擬專家系統(tǒng)中使用了專家系統(tǒng)機(jī)、輔助機(jī)和仿過程機(jī)，其中仿過程機(jī)就是對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過程進(jìn)行綜合仿真。

三、轉(zhuǎn)爐冶煉工藝控制發(fā)展建議

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展支撐下，鋼鐵企業(yè)不斷對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過程工藝控制進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐冶煉工藝控制的系統(tǒng)化和精準(zhǔn)化。通過長(zhǎng)期不懈的研發(fā)投入，我國(guó)轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)控制在檢測(cè)技術(shù)與數(shù)學(xué)建模方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。國(guó)內(nèi)大型鋼廠已逐步實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)煉鋼，但仍需通過提升精細(xì)化控制水平，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐過程控制工藝的全面優(yōu)化。

1.精細(xì)化

轉(zhuǎn)爐冶煉是鋼鐵企業(yè)最關(guān)鍵的生產(chǎn)工藝，為突破國(guó)內(nèi)外多種因素對(duì)我國(guó)轉(zhuǎn)爐冶煉工藝優(yōu)化控制的影響，轉(zhuǎn)爐冶煉的技術(shù)工藝應(yīng)當(dāng)向精細(xì)化方向發(fā)展。例如，在生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)爐冶煉的控制效率受吹煉工藝直接影響，因此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)當(dāng)提升對(duì)吹煉工藝創(chuàng)新改良的重視程度，強(qiáng)化轉(zhuǎn)爐吹煉技術(shù)，使其向精細(xì)化方向發(fā)展；同時(shí)，由于造渣過程較為復(fù)雜，還會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，為有效提高轉(zhuǎn)爐冶煉工藝控制效率，要對(duì)生產(chǎn)中的造渣工序進(jìn)行科學(xué)合理的改良，依照節(jié)能降耗環(huán)保的理念進(jìn)行調(diào)整，從而有效降低廢棄污染物排放^[3]。

2.自動(dòng)化

為了使轉(zhuǎn)爐冶煉控制工藝更好地發(fā)展，需提升冶煉過程工藝控制水平，使其逐漸向自動(dòng)化的方向發(fā)展。同時(shí)，原有的對(duì)槍位、氧氣流量及加入輔料和原料的控制方法所使用的模式化分段式控制會(huì)逐漸被淘汰，轉(zhuǎn)而由動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制所取代。通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并由動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到轉(zhuǎn)爐冶煉過程自主感知、自主決策和自主執(zhí)行的智能化控制。

3. 節(jié)能環(huán)保

轉(zhuǎn)爐冶煉工藝優(yōu)化創(chuàng)新要符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念，盡量降低生產(chǎn)對(duì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響，同時(shí)還要最大限度地保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提升。在生產(chǎn)過程中，鋼鐵企業(yè)還應(yīng)豐富節(jié)能環(huán)保策略，提升廢棄污染物處理工作效率，降低資源消耗。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著轉(zhuǎn)爐冶煉工藝的平穩(wěn)發(fā)展，相關(guān)冶煉設(shè)備裝置不斷升級(jí)，冶煉成品質(zhì)量及生產(chǎn)效率效持續(xù)提升，傳統(tǒng)冶煉生產(chǎn)方式存在的問題也逐步得到解決。目前，我國(guó)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工藝水平已有較大提高，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中仍存在一些問題亟需解決，鋼鐵企業(yè)要不斷優(yōu)化冶煉工藝過程控制，向著節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的方向發(fā)展，不斷提升生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)能力。

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