鐵水脫硫控制模型的測試與實現(xiàn)

張麗榮,鄭 強(qiáng)

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司自動化部,271104）

在鋼鐵冶金行業(yè)中，硫是大多數(shù)鋼種中的有害元素，對鋼的機(jī)械性能和表面質(zhì)量等具有一定影響，控制硫的含量是冶煉高品質(zhì)高附加值鋼種的先決條件。對比石灰基脫硫方法，鎂粒脫硫具有脫硫效果好、脫硫劑消耗量少、脫硫渣量少、鐵損少等優(yōu)點，因此得到了廣泛應(yīng)用。目前脫硫所采用的經(jīng)驗系統(tǒng)較為簡單，計算得出的噴鎂量并不準(zhǔn)確，造成了鎂粉的利用率低下，需要進(jìn)行改進(jìn)。然而，鐵水中的硫元素含量在生產(chǎn)過程中無法實時監(jiān)測，為鐵水脫硫系統(tǒng)的改進(jìn)造成了障礙，克服這一瓶頸問題，將為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益，并可以推廣至其它目標(biāo)成分難以實時監(jiān)控的冶煉系統(tǒng)之中，降低原材料消耗，提高產(chǎn)品精度。

1 前言

目前脫硫環(huán)節(jié)主要參數(shù)有：鐵水初始硫、鐵水目標(biāo)硫、鐵水溫度、鐵水重量、噴吹速度、噴吹壓力、噴鎂量。其中鐵水初始硫與鐵水重量由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳至主控室，鐵水溫度和噴吹壓力由現(xiàn)場實時測定，噴吹速度人工設(shè)定，根據(jù)以上參數(shù)，由經(jīng)驗系統(tǒng)計算得出所需要的噴鎂量，再以恒定的噴吹速度進(jìn)行生產(chǎn)。通過對脫硫的工藝特點以及現(xiàn)有的資料進(jìn)行分析，不同鐵水溫度、鐵水成分、噴鎂速度，脫硫效果并不相同，在脫硫過程中，鎂粒作為一種貴重金屬原料，其利用率卻一直較低。因此需要改進(jìn)鐵水脫硫的控制系統(tǒng)，同時可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化，對噴鎂速度進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，以達(dá)到單位鎂粉脫硫的最優(yōu)效果。

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前對于脫硫工藝的鎂量計算數(shù)學(xué)模型已有相關(guān)研究，主要是從工藝出發(fā)，分析鐵水脫硫系統(tǒng)的物理及化學(xué)過程，研究影響鎂粉利用效率的因素，并采用改變脫硫劑成分，減少鎂粉體積等方法來達(dá)到節(jié)約成本的目的。但是因脫硫過程中，硫含量無法實時測定，傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ图庸潭ㄋ冁V噴吹的生產(chǎn)方式并沒有得到改進(jìn)，因此本文研究的內(nèi)容是建立一套鐵水脫硫系統(tǒng)的控制模型，而且根據(jù)該模型確定鎂粉脫硫效率的最優(yōu)曲線，通過改變噴吹速度，來實現(xiàn)優(yōu)化鎂粉利用率的目標(biāo)。

1.2 研究方法

利用回歸統(tǒng)計的方法建立參數(shù)之間的回歸方程，分析參數(shù)間的相關(guān)度，及模型曲線的擬合效果，再通過西門子S7-400系統(tǒng)予以實現(xiàn)。

1.3 預(yù)期結(jié)果

建立鐵水脫硫模型，并把生產(chǎn)過程拆分為多個周期，根據(jù)控制系統(tǒng)確定每個周期內(nèi)的最佳噴鎂速度，并可對每個周期結(jié)束時的鐵水硫含量作出預(yù)估。

2 技術(shù)路線

2.1 鎂粉脫硫工藝原理

鎂的熔點為651℃，沸點為1110℃，遠(yuǎn)低于一般鐵水溫度，因此鎂進(jìn)入鐵水后，將經(jīng)歷溶化、氣化、溶解的過程。根據(jù)日本鋼鐵協(xié)會的統(tǒng)計，鎂蒸氣壓在不同壓強(qiáng)單位下的計算方法為：

其中P為鎂蒸氣壓，可以看出在一般鐵水溫度下（鐵水脫硫過程中的鐵水溫度約在1200℃以上），鎂蒸氣壓高達(dá)0.405-0.993MPa，如此高的蒸氣壓使鎂進(jìn)入鐵水中立即氣化，以很快的氣化速度向外排除。鎂的溶解率只有0.0064%～0.0330%，因此在鐵水上升中，大量的鎂以氣體的方式與鐵水進(jìn)行反應(yīng)，僅有少量鎂粒溶解于鐵水中。

鎂粒在鐵水中的氣化溶解，因此鎂在鐵水中與硫的反應(yīng)表現(xiàn)形式為：

因此根據(jù)以上分析，用鎂進(jìn)行鐵水脫硫的反應(yīng)包括以下幾個步驟：

(1)鎂在進(jìn)入鐵液后氣化、溶解過程；

(2)鎂蒸氣氣泡與溶解的硫在鐵水與鎂氣泡界面處發(fā)生反應(yīng)；

(3)溶解的鎂與溶解的硫均勻反應(yīng)，在熔池中形成MgS；

(4)形成的MgS顆粒從鐵水中排除掉。

2.2 脫硫控制系統(tǒng)參數(shù)的選取

從以上的分析看出，鎂粉的脫硫是一個比較復(fù)雜的化學(xué)及熱動力學(xué)過程，相關(guān)的因素較多，難以從工藝上進(jìn)行把握。因此需要將整體脫硫環(huán)節(jié)做為一個系統(tǒng)，建立模型，研究其輸入輸出間的關(guān)系。

首先利用現(xiàn)場采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提取可能影響鎂粉脫硫效率的參數(shù)，然后對其進(jìn)行統(tǒng)計分析。主要數(shù)據(jù)包括鐵水含硫量，鐵水溫度，噴吹速度，噴吹時間，鐵水質(zhì)量。

（1）鐵水含硫量

根據(jù)鐵水脫硫的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鐵水中的含硫量高低會影響脫硫過程中鎂粒的利用率，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 鐵水硫含量對鎂粒利用率的影響

從表內(nèi)數(shù)據(jù)可以看出，鐵水中的硫含量越高，脫硫反應(yīng)越易進(jìn)行。鎂粉的利用效率越高。因此，鐵水的初始硫含量和鐵水的結(jié)果硫含量都是建立鐵水脫硫模型的重要變量。

（2）鐵水溫度

鐵水溫度對鎂粒脫硫效率的影響較為復(fù)雜。根據(jù)圖1中提供的實驗結(jié)果分析，相同的鐵水硫含量下，鐵水溫度越高，鐵水中需溶解平衡的鎂元素也越高，用于脫硫的鎂比例越小，鎂粉的脫硫效率逐漸下降。

圖1 鎂硫在不同鐵水溫度下的平衡

（3）噴吹時間與噴吹速度

采用同樣的方法，建立以噴吹速度和噴吹時間為自變量，鎂粉脫硫效率為因變量的模型，并擬合出曲面圖?？梢灾庇^的看出三者之間的關(guān)系，但是實際生產(chǎn)過程中鐵水脫硫的噴吹速度會隸屬于一個區(qū)間之內(nèi)，因此對噴吹速度的取值需要加以限制。

（4）鐵水重量

鐵水重量直接影響鎂粉用量的多少，同時決定了噴吹時間的長短，因此也會影響鎂粉脫硫效率的高低，因此也作為建立模型的所需變量。

（5）其他因素

除了上述主要因素外，很多生產(chǎn)過程中的其他因素也會影響鎂粒的脫硫效率，如噴槍插入鐵水的深度、噴槍口徑、鎂粉顆粒大小等等。但是就單一工位來說，這些參數(shù)近似為固定值，因此不再加以分析。

3 技術(shù)研究方案

脫硫噴吹優(yōu)化的模型及算法利用現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)予以實現(xiàn)，通過采集現(xiàn)場各設(shè)備的運行情況以及脫硫的各個主要參數(shù)，送入PLC內(nèi)的模型進(jìn)行處理，對噴吹速度進(jìn)行實時的調(diào)節(jié)，然后通過以太網(wǎng)通訊，將設(shè)備的控制信號與控制變頻器進(jìn)行通訊。上位機(jī)使用step7 V5.4進(jìn)行控制程序編制，使用WINCC V6.2進(jìn)行人機(jī)交互界面制作，界面主要內(nèi)容包括鋼包號的輸入、手動噴吹速度、鐵水目標(biāo)硫的選擇、以及對槍位、噴吹時間、鐵水重量、鐵水溫度的監(jiān)控。

該模型建立的過程如下：將每爐鐵水目標(biāo)硫、鐵水初始硫、鐵水重量、鐵水溫度、噴吹速度、噴吹時間等信息作為統(tǒng)計變量，把現(xiàn)場采集的變量值作為數(shù)據(jù)源，通過統(tǒng)計分析軟件SPSS輸入后進(jìn)行處理，分析各變量間的相關(guān)度，選取合適的模型并加以驗證。

其中忽略鐵水脫硫過程中的溫降，再計算出每個樣本的單位鎂粉脫硫效率，建立以單位鎂粉脫硫效率為因變量的回歸方程。模型建立之后，在step7中建立一個功能塊，每周期進(jìn)行計算，并對一定數(shù)值以下的單位鎂粉脫硫效率值進(jìn)行過濾。同時組態(tài)噴鎂模型系統(tǒng)所用的畫面，其中不僅對各類變量進(jìn)行監(jiān)控，同時可以設(shè)定程序計算的周期長度、單位鎂粉脫硫效率的最小值還有鎂粉噴吹速度的范圍。

當(dāng)鐵水進(jìn)行脫硫時，因每個計算周期內(nèi)的鐵水重量和鐵水溫度近似為恒定值，鎂粉的噴吹速度成為唯一影響鎂粉利用效率的因素，利用PLC使噴吹速度在其區(qū)間內(nèi)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，使鎂粉的使用效率保持在較高的水平上，以達(dá)到鎂粉優(yōu)化利用的目的。

4 模型的測試

本測試通過對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，建立了大量的數(shù)據(jù)樣本，再進(jìn)行回歸統(tǒng)計分析之后得到了鐵水脫硫的模型，進(jìn)而建立其控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，對鐵水中硫元素的含量進(jìn)行實時預(yù)報，并通過鎂粉噴吹速度的調(diào)節(jié)予以實現(xiàn)。與國內(nèi)外同類型的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，鎂粉利用率較高，且鐵水成分把握較好。

5 小結(jié)

系統(tǒng)運行以來，通過預(yù)測鐵水中硫元素含量，可以控制鎂粉噴吹量，減少了鎂粉消耗，提高了鐵水出站質(zhì)量，減少后續(xù)的轉(zhuǎn)爐石灰消耗量；通過控制噴鎂速度，減少了鐵水噴濺。總之，該項目應(yīng)用效果良好，改造難度低，費用少，適宜進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用。

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