1、轉爐煉鋼自動化控制龔 偉東北大學鋼鐵冶金研究所2006年9月.第1頁，共38頁。轉爐煉鋼自動化的必要性轉爐煉鋼是一個非常復雜的過程，要煉出滿足要求的合格鋼水，就必須控制熔鋼的終點溫度、含碳量和其它一些成分。而煉鋼實用的原材料（包括高爐鐵水、廢鋼及造渣材料等）種類多、數量大，冶煉過程溫度高、時間短，可變因素多，變化范圍大，這就給轉爐煉鋼的控制帶來一定的困難。隨著計算機和自動化技術的不斷發展，轉爐煉鋼也逐漸從靜態控制、人工經驗控制向動態控制方向發展。目前人工智能技術已逐漸應用于轉爐煉鋼中，從而使終點命中率大大提高，冶煉時間縮短，同時也減輕了工人的勞動強度。.第2頁，共38頁。計算機控制煉鋼的發展概

2、要最初的計算機控制煉鋼是用數字計算機計算鐵水、廢鋼和石灰用量,采用靜態模型在線對終點碳含量和溫度進行控制；20世紀70年代后,隨著計算機應用飛速的發展和數學模型的研制與開發,加上采用副槍監測、爐氣分析和聲納噪音分析,計算機控制煉鋼取得突破性進展；近期成熟的計算機控制煉鋼,其數學模型是以冶金反應機理和傳輸理論為基礎,以經驗或半經驗關系式和數據為補充,以數值計算方法為手段的半機理半經驗模型,以運行速度不斷提高的計算機和副槍監測、爐氣分析和聲納噪音分析為工具,使過程預測、優化和工藝過程控制日臻完善。.第3頁，共38頁。計算機控制煉鋼的優點較精確地計算吹煉參數計算機控制煉鋼計算模型是半機理半經驗的模型

3、,且可不斷優化,比經驗煉鋼的粗略計算精確得多,因此其吹煉所需的氧量和造渣劑用量控制在最佳范圍;無倒爐出鋼計算機控制煉鋼后吹率一般80%，先進水平 90%,比經驗煉鋼終點命中率60%左右大幅提高。.第4頁，共38頁。計算機控制系統的結構及其功能.第5頁，共38頁。煉鋼過程計算機(二級機)系統控制框圖計算機控制煉鋼以過程計算機控制為核心實行對冶煉全過程的參數計算和優化、數據和質量跟蹤、生產順序控制和管理。.第6頁，共38頁。轉爐吹煉模型概述轉爐煉鋼數學模型是用數學式來定量表達吹煉過程所關心的主要參數,如化學元素和熔池溫度在吹煉過程中的變化規律,以及各種操作因素對這些參數的影響;按建立數學模型所采用

4、的方法,數學模型可分為理論模型(機理模型)、統計模型和經驗模型等;按數學模型所描述的變量在過程中的狀態不同,數學模型又可分為靜態模型和動態模型,而靜態模型和動態模型是目前在計算機控制煉鋼中普遍采用的較成熟的數學模型。.第7頁，共38頁。靜態模型靜態模型是依據初始條件(如鐵水的質量、成分和溫度；廢鋼的質量和分類)，要求的終點目標(如終點溫度和終點成分)，計算出本爐次的氧耗量，確定各種副原料的加入量和吹煉過程中氧槍的高度 ；靜態模型的建模方法有很多種，包括基于物料平衡和熱平衡的理論模型、統計模型和經驗型等；目前應用較為廣泛的是靜態增量模型，即：輔以參考爐次的參考數據，計算出本爐次的氧耗量，確定各種

5、副原料的加入量和吹煉過程中氧槍的高度。.第8頁，共38頁。靜態增量模型靜態增量控制模型，首先將冶煉過程的冷卻劑投入量和氧氣用量作為控制變量，將鋼水吹止C濃度和吹止溫度作為被控量，而其它的成份和要求不直接列為被控內容，其次，建模的主要依據不是單純依靠物理和化學方面的理論推導，而是依據人們通常所認可的再現性的經驗考慮。考慮再現性原理的靜態增量模型必須要有參考爐次作為冶煉過程的參考。.第9頁，共38頁。靜態增量模型計算方法轉爐煉鋼靜態增量控制的計算過程可以歸納為：在參考爐次冶煉實績的基礎上，同時考慮本爐次與參考爐次之間各操作因素差異的影響，應用增量計算方法建立冶煉過程相應的熱平衡和氧平衡關系式，從而

6、最終確定本爐次整個冶煉過程的吹氧量和冷卻劑用量。.第10頁，共38頁。增量模型的基本算法 靜態模型計算是假定整個爐役的冶煉參數與目標值的關系是一個連續函數；即在同一原料條件下，采用同樣的吹煉工藝，則應獲得相同的冶煉效果。基本公式如下： y=y0+(x-x0) y本爐次計算的終點目標值; y0參考爐次的實際目標值; x本爐次確定目標值的因素; x0參考爐次確定目標值的因素。.第11頁，共38頁。增量模型的組成靜態增量模型通常包括吹氧量模型、槍位模型和副原料模型；氧量模型的計算包括：按化學反應式計算吹煉一爐鋼所需的氧量；計算由于加入礦石而帶入的氧量；按一定吹煉比例計算一爐鋼所需的氧量；按氧耗進程計

7、算每個進程的氧量；槍位模型的計算包括：按氧耗進程計算槍位；按液面高度計算槍位。副原料模型的計算包括：礦石加入量的計算；石灰加入量的計算；螢石加入量的計算和白云石加入量的計算。.第12頁，共38頁。動態模型動態模型是指：當轉爐供氧量達到氧耗量的85%左右時，降低吹氧流量，副槍開始測溫、定碳，并把測到的溫度及碳含量值送入過程計算機。過程計算機根據副槍測到的實際值，計算出達到目標溫度和目標碳含量所需補吹的氧量及冷卻劑加入量，并以副槍測到的實際值作為初值，以后每吹3s的氧，啟動一次動態計算，預測熔池內溫度和目標碳含量，當溫度和碳含量都進入目標范圍時，發出停吹命令。.第13頁，共38頁。副槍動態模型副槍

8、動態模型的任務：在獲得SL1副槍測定數據后，計算冶煉過程后期應補吹的氧氣量和冷卻劑投入量。在轉爐冶煉后期開始補吹氧氣之后，動態模型實時計算當前補吹氧氣量和冷卻劑量條件下，熔池的含碳量和溫度。當補吹氧量和冷卻劑量等于整個動態過程的氧氣量和冷卻劑量時，模型的計算結果就是其對轉爐冶煉終點成份和溫度的估算值。.第14頁，共38頁。脫碳過程計算公式C(t)為t時刻的熔池C濃度（10-2%）；C0為常數（臨界C）；CM為吹煉中副槍測定時的C濃度；D、D為系數；VO(t)為考慮對象t時刻的送氧量（Nm3）（VOVOM）；VOM為吹煉中副槍測定時的送氧量；WST為目標制出鋼量（Ton）；ri(t)為副槍測定到

9、t時刻間投入的冷卻材i的量（Ton）；hi為冷卻材i的單位含氧量(Nm3/Ton)。.第15頁，共38頁。升溫過程計算公式T(t)為t時刻鋼水溫度（）；TM為吹煉中副槍測定時的鋼水溫度（）；D為系數（Ton/Nm3）；D為系數（）；D為系數；ki為冷卻材i的冷卻能系數（/Ton）。.第16頁，共38頁。動態控制量的計算公式 動態控制量的計算，是在明確了本爐的冶煉目標（目標碳、目標溫度）并獲得SL1副槍檢測結果之后，由動態模型計算本爐仍需補吹的氧氣量和冷卻劑量。在動態過程控制量的計算中，我們人為限制不得加入其它輔助原料。將VOE、WORE、CEAIM和TEAIM代入公式，可得需要的冷卻劑WORE

10、有： .第17頁，共38頁。動態控制量的計算公式 在模型的計算中，如果WORE0，則取WORE0。將計算出的WORE代入方程中，得到動態停吹時刻的吹氧量VOE ：.第18頁，共38頁。熔池碳含量和溫度的計算公式 動態模型對熔池碳含量和溫度的估算過程，是在獲得SL1副槍檢測數據，并開始動態補吹過程之后才啟動計算過程的。熔池含碳量的計算：.第19頁，共38頁。熔池碳含量和溫度的計算公式 動態模型對熔池碳含量和溫度的估算過程，是在獲得SL1副槍檢測數據，并開始動態補吹過程之后才啟動計算過程的。熔池溫度的計算： .第20頁，共38頁。修正計算用實際值ri(VOE-VOM)反算D后，以一定比例對熔池中碳

11、含量公式進行修正計算；用實際值ri(VOE-VOM)，以及式(1)中新的D、D對熔池溫度計算公式中的D、D 和D及冷卻能力系數Ki的修正；動態模型學習系數D、D 、D、D 和D可通過過程計算機自學習模型進行修正，也可采用人工智能神經網絡予以修正。.第21頁，共38頁。動態控制鋼水溫度與碳含量預測.第22頁，共38頁。爐氣分析模型轉爐爐氣分析就是在轉爐煙道上安裝在線氣體分析儀，在線實時分析轉爐爐氣成分，測定或計算轉爐爐氣流量等信息，通過模型計算，實時在線預報鋼水中的碳、錳、磷等成分和溫度的變化，進行噴濺預報與控制，并在線調整吹氧制度和造渣制度，以提高鋼水質量和終點命中率。這是有別于副槍終點動態控

12、制的一種方法，能實現轉爐全程動態控制。.第23頁，共38頁。基礎控制級示意圖.第24頁，共38頁。熔池中碳含量質量平衡以CO、CO2等排走鋼水殘留鋼 水 碳 含 量鐵水碳生鐵塊碳廢鋼碳輔料碳.第25頁，共38頁。脫碳模型建立熔池碳主要來源: 鐵水/廢鋼/生鐵塊： 熔池碳元素即時含量： 初期和中期脫碳模型.第26頁，共38頁。脫碳模型建立 脫碳后期脫碳模型模型轉換點VCtAB.第27頁，共38頁。脫碳模型的求解 在脫碳前期和中期階段，都要用到CO和CO2含量，這兩個參數直接由流量計與紅外測試儀（質譜議）測得。但是實際生產過程中，測試點的溫度并不是室溫，并且由于爐口不封閉，部分氣體有可能溢出，所以

13、對積分模型進行修正： K1，K2 氣體膨脹系數，爐形影響系數.第28頁，共38頁。由脫碳速度,可以得到鋼水中的即時碳含量: 其他元素氧化速度計算原則: 假設熔池內的氧全部參與反應,脫碳耗氧以外的部分用于除雜質元素。.第29頁，共38頁。溫度模型建立生鐵熔化吸熱鋼水物理熱成渣吸熱熱損失加料吸熱煙氣帶走生鐵物理熱廢鋼物理熱殘留熱鐵水物理熱鋼水物理熱C, Si, Mn, P, Fe放熱廢鋼熔化吸熱轉爐系統熱平衡：.第30頁，共38頁。轉爐即時溫度公式： j 時間步長溫度模型的建立.第31頁，共38頁。 開吹前的溫度計算： 溫度模型的求解.第32頁，共38頁。 元素氧化放熱： 各元素氧化速度： 元素氧

14、化比：.第33頁，共38頁。 廢鋼、生鐵吸熱 爐氣帶走熱量 成渣吸熱 過程加料吸熱 以輻射等形式熱損失 .第34頁，共38頁。脫碳計算界面 .第35頁，共38頁。終點預報界面.第36頁，共38頁。計算機控制煉鋼應具備的條件用計算機對轉爐煉鋼吹煉進要計算機硬件設備和描述轉爐吹煉型為轉爐煉鋼計算機提供運行所且轉爐煉鋼廠必須具備以下條件：計算機控制煉鋼要求生產連續穩定，因此要求轉爐系統設備工作正常，基礎自動化運行正常，設備無故障或故障很低，設備準確地執行基礎自動化發出的工作指令，基礎自動化準確控制設備運行，保證生產能連續正常地按順序進行。.第37頁，共38頁。計算機控制煉鋼應具備的條件計算機控制煉鋼要