LF精煉爐溫度預(yù)測的研究和應(yīng)用

孫小強(qiáng)

摘 要：鋼水溫度是精煉生產(chǎn)過程中的重要控制指標(biāo)，本文建立了一種LF精煉爐溫度預(yù)測方法，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與修正方法相結(jié)合的方式，從能量輸入和輸出平衡的角度出發(fā)，應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對溫度變化進(jìn)行初步預(yù)報，再根據(jù)現(xiàn)場工藝經(jīng)驗知識對一些特殊情況進(jìn)行處理，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果進(jìn)行修正。與其他預(yù)測方法相比較，鋼水溫度預(yù)測的準(zhǔn)確性得到了較大提高。

關(guān)鍵詞：LF爐；溫度預(yù)測；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TF769 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）14-0062-01

1 溫度預(yù)測模型開發(fā)應(yīng)用背景

LF精煉爐是煉鋼生產(chǎn)的主要工序，生產(chǎn)中鋼水溫度控制、合金加入、底吹氬氣控制的精度和準(zhǔn)確性，直接影響鋼水的質(zhì)量和工序的順行?，F(xiàn)有的LF爐冶煉過程控制基本靠崗位工的經(jīng)驗。為了滿足煉鋼生產(chǎn)需要，提高自動化水平，減少人為因素造成的工藝設(shè)備事故，提高鋼水成分的控制精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，就要對LF爐的生產(chǎn)過程進(jìn)行全自動控制，實現(xiàn)“一鍵精煉”。

針對LF爐精煉環(huán)節(jié)鋼水溫度檢測，國內(nèi)國外這方面的探究非常多，其中包含從LF爐能量守恒的視角，探究對熱效應(yīng)有作用的因子以及提升熱效率的方法[1]；也有經(jīng)過LF爐溫度情況的探究，獲得鋼包在不一樣的情況下，鋼水溫度下降速度、鋼水浸泡時間和鋼水溫度回歸聯(lián)系[2]；還有探討了不相同鋼包熱情況和預(yù)熱體制下的鋼包吸熱狀況，得到溫度提升速率[3]；還有借助于LF爐全面熱守恒的方式對鋼水溫度預(yù)測模型探討等等。

本次研究將承鋼150噸的2座LF精煉爐確定成分析對象，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭配一個修正模型的方式構(gòu)建出150噸LF爐精煉系統(tǒng)溫度預(yù)測模型，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的溫度預(yù)測。

2 模型設(shè)計思路和功能實現(xiàn)

2.1 建模對象的確定

由于溫度預(yù)測主要是針對鋼包內(nèi)鋼水溫度進(jìn)行，LF爐精煉時所有物料的加入，以及電極加熱，都是針對鋼包內(nèi)的鋼水來操作，我們以鋼包內(nèi)鋼水的溫度變化為研究對象來建立溫度預(yù)測模型。

2.2 溫度預(yù)測方案

LF爐精煉過程異常繁瑣，如果僅通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，無法完成鋼水溫度的有效預(yù)報。若想讓現(xiàn)場與工藝技術(shù)兩種信息的價值得到體現(xiàn)，本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一個修正模型搭配在一起，共同進(jìn)行處理。

首先利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為溫度變化量進(jìn)行預(yù)測，然后通過一個修正模型對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸出溫度變化量 進(jìn)行修正，從而得到一個修正后的的溫度預(yù)估值，將修正溫度加上進(jìn)站測量溫度，就得到當(dāng)前的溫度預(yù)測值T。圖1描述了鋼水溫度預(yù)估模型的邏輯結(jié)構(gòu)。

2.3 BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸入量的確定

經(jīng)熱平衡研究，明確了精煉期間的傳熱行為與鋼水溫度的動態(tài)表現(xiàn)，以此為前提，分析模型所需要的輸入量：

（1）加熱功率：LF精煉爐是通過三相電極進(jìn)行加熱的，電極通電加熱是精煉爐內(nèi)鋼水升溫的主要來源。此項可以由變壓器功率表直接測得。

（2）初始溫度：一般將實際測量的溫度作為初始溫度，可以采集現(xiàn)場測溫表數(shù)據(jù)，當(dāng)轉(zhuǎn)爐出鋼測溫，或者在LF爐進(jìn)站測溫時，記錄溫度值，也是溫度預(yù)報必不可少的初始溫度。

（3）氬氣量：通過氬氣處理能夠使?fàn)t內(nèi)鋼水溫度處于均衡狀態(tài)，確保鋼水與后期補(bǔ)充的合金發(fā)生徹底的化學(xué)反應(yīng)，而且能夠使鋼液內(nèi)雜質(zhì)達(dá)到渣層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)成分的調(diào)整。然而，過多氬氣則會造成熱量損失，特別是旁吹、強(qiáng)吹氬的過程匯總，LF爐鋼水溫度出現(xiàn)劇烈變化，所以此項也需要進(jìn)行考慮，吹氬量可以通過現(xiàn)場氬氣流量監(jiān)測采集。

（4）鋼包冷卻時間：停止加熱的時間，這時溫度將會隨著時間的變化而降低。分為鋼包等待處理時間，和鋼包處理時間兩部分，區(qū)別在于鋼包加蓋保溫，渣層厚度等因素的不同，造成散熱速度不同。此項通過初始溫度測量時刻，以及精煉處理時間來確定。

（5）鋼水自重：不同爐鋼包內(nèi)鋼水自重始終有著區(qū)別，這也會使?fàn)t溫發(fā)生相應(yīng)的變化，對預(yù)測結(jié)果也會造成影響，所以也要考慮進(jìn)來。此項可以通過天車稱重來采集。

（6）渣層厚：渣層能夠避免鋼液溫度大量擴(kuò)散，可以使鋼液、合金之間的化學(xué)反應(yīng)更徹底。由于渣層厚度現(xiàn)場無法準(zhǔn)確測量，可以利用崗位工人工確認(rèn)手動錄入的方式來采集，也可以根據(jù)鋼包在連鑄下線后的渣余量來替代。

（7）加入的合金和渣料：加入合金和渣料會造成溫度的變化，加入量可以通過現(xiàn)場料倉稱重數(shù)據(jù)獲得。

（8）其他因素：鋼包周轉(zhuǎn)次數(shù)對散熱的影響，由于季節(jié)原因，造成的環(huán)境溫度差異，以及鋼包是否加蓋，加熱過程中是否出現(xiàn)埋弧不好，底吹氬氣是否出現(xiàn)大流量翻攪等情況，都有可能能造成鋼包散熱速度的差異，可以將這些因素量化，然后通過修正模型來進(jìn)行處理。

通過對LF爐精煉過程中能量收支情況的探索，明確了精煉期間的傳熱行為與鋼水溫度的動態(tài)表現(xiàn)，以此為前提，將8個要素定義成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量：鋼包等待時間，電極化渣功率，電極加熱功率，鋼水重量，吹氬量，旁吹時長，合金加入量，渣料加入量。

2.4 修正模型的建立

LF爐精煉時流程較為繁瑣，如果僅通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，無法完成鋼水溫度的有效預(yù)報。若想讓現(xiàn)場與工藝技術(shù)兩種信息的價值得到體現(xiàn)，本文利用一個修正模型對BP網(wǎng)絡(luò)的輸出進(jìn)行修正，最終得到準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。

鋼包的狀態(tài)，冷包，熱包等狀態(tài)，吹氬過程中的旁吹，電極加熱時，埋弧的好壞，電流是否平穩(wěn)，等情況與鋼液溫度之間均存在著直接的關(guān)系，所以，全部借助修正模型給予有效分析與修正。

3 模型的實現(xiàn)和應(yīng)用

實際應(yīng)用中，采用高級語言來實現(xiàn)模型的現(xiàn)場應(yīng)用。模型計算軟件采用C#.NET編程，具有良好的人機(jī)交互界面，采用SQL數(shù)據(jù)庫對所需的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，與L3系統(tǒng)和檢化驗系統(tǒng)進(jìn)行接口，能接受L3系統(tǒng)計劃數(shù)據(jù)和檢化驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)爐次數(shù)據(jù)自動匹配；中間計算過程參數(shù)可根據(jù)需要自由調(diào)整。以達(dá)到較好的計算效果；程序具備自學(xué)習(xí)功能，可以利用已有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自動優(yōu)化計算模型。

抽取實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證，可以看出模型在估測終點(diǎn)溫度時，所得結(jié)果精度合理，實際誤差處于±10℃以下的數(shù)據(jù)為85%，±15℃以內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到90%。而其中誤差明顯的爐次主要受到現(xiàn)場其他要素的影響，比如，人為因素帶來的影響以及升溫期間的效率問題等?；诂F(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行評估，模型基本符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，可以在精煉階段提供合理的技術(shù)支持。

4 結(jié)語

自模型上線以來，通過對現(xiàn)場模型的跟蹤情況可知，預(yù)報不準(zhǔn)確的因素為現(xiàn)場技術(shù)環(huán)境給模型造成的影響。不難發(fā)現(xiàn)，若想保證模型精度，需要確保工作人員按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行作業(yè)，同時需要利用更加先進(jìn)的輔助技術(shù)協(xié)調(diào)完成，所以，后期需要對模型精度作進(jìn)一步調(diào)整與優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]Hoppmann W，F(xiàn)ett FN.Energy Balance of a Ladle Furnace[J].MPT，1989，（3）：38-42.

[2]劉曉，顧文斌，王洪兵，等.LF爐的溫度行為[J].寶鋼技術(shù)，1998，（3）：13-17.

[3]賀友多.傳輸過程數(shù)值方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991：333-352.