轉(zhuǎn)爐冶煉過程動態(tài)檢測及控制技術探討

唐文明

(河鋼數(shù)字技術股份有限公司)

轉(zhuǎn)爐煉鋼通過供氧造渣，實現(xiàn)鐵水、廢鋼等金屬原料的脫碳升溫、脫磷、脫硫等處理，使冶煉終點達到出鋼的要求。吹煉前期要求早化渣、化好渣，最大限度去磷、硫；吹煉中期要求繼續(xù)化好渣、化透渣、快速脫碳、不噴濺、熔池均勻升溫；吹煉后期要求終點溫度成分命中，終渣做粘、出鋼能掛上。

傳統(tǒng)的煉鋼方法要求煉鋼工經(jīng)驗豐富，看火水平高，因此培養(yǎng)一名合格的煉鋼工往往需要有足夠多的試錯機會和多年的經(jīng)驗積累。為了減少對煉鋼工操作經(jīng)驗的依賴，實現(xiàn)自動化煉鋼和提高冶煉終點命中率，需要入爐原料信息精準，控制設備運行穩(wěn)定，專家模型算法可靠，以及自動煉鋼系統(tǒng)功能完善。

1 轉(zhuǎn)爐冶煉過程自動冶煉模型

轉(zhuǎn)爐冶煉過程自動冶煉模型包括了冶金計算模型和冶煉控制模型兩部分。冶金計算模型又可以分為靜態(tài)和動態(tài)計算模型；同理，冶煉控制模型也可以分為靜態(tài)和動態(tài)控制模型。冶金靜態(tài)計算模型主要是根據(jù)冶煉鋼種要求、冶金熱力學原理、操作經(jīng)驗、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計和人工智能等方法進行物料、熱量平衡和元素變化的計算，得出金屬原料加入量、輔原料加入量、吹氧量，以便為冶煉控制提供指導；冶煉靜態(tài)控制模型主要依據(jù)冶煉鋼種要求、冶金動力學原理、原料物理化學特性、操作經(jīng)驗以及冶金計算結(jié)果制定相對應氧槍槍位、流量和加料時機等冶煉操作模式。另外，由于受到原料質(zhì)量、儀表精度和冶煉環(huán)境變化等影響，實際的冶煉必然與計算結(jié)果有一定偏差，這就需要建立動態(tài)計算和動態(tài)控制模型，根據(jù)實際冶煉過程中的各種檢測數(shù)據(jù)和信息進行動態(tài)調(diào)整，以達到冶煉過程均勻升溫、全程平穩(wěn)化渣、終點成分溫度命中的目的。

2 轉(zhuǎn)爐冶煉過程動態(tài)信息檢測技術

轉(zhuǎn)爐冶煉過程主要通過對煙氣信息、爐渣信息、火焰信息、鋼水信息的檢測進行推演和判斷，并在這些基礎上實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉過程的動態(tài)控制。轉(zhuǎn)爐煙氣信息的檢測通常采用質(zhì)譜儀或激光氣體分析儀，連續(xù)地檢測轉(zhuǎn)爐煙氣信息進行鋼水碳含量和溫度的預測，還可以計算鋼水的脫碳速度以便推測爐渣的狀態(tài)，并指導化渣操作控制。爐渣渣態(tài)的檢測方法一般有吹煉噪聲法、氧槍振動法、爐體振動法、微波渣面高度檢測法和爐內(nèi)壓力測量法等，這類方法比煙氣信息推測爐渣渣態(tài)更直接有效，是轉(zhuǎn)爐冶煉過程化渣的主要動態(tài)控制手段?；鹧嫘畔⒉捎霉I(yè)相機或紅外相機進行采圖和分析，用于爐渣渣態(tài)的判斷和噴濺的識別，也可以用于熔池過程溫度和末期碳含量預測。鋼水信息通過副槍或投彈系統(tǒng)直接進行測量，其作業(yè)率和測成率高，可用于吹煉后期的動態(tài)控制來提高終點命中率。

2.1 副槍(投彈)系統(tǒng)

副槍與投彈系統(tǒng)功能基本相同，均可實現(xiàn)冶煉過程溫度和碳含量測定。不同的是投彈系統(tǒng)不具備取樣和測量熔池液面高度的功能。目前，國內(nèi)外大中型轉(zhuǎn)爐普遍實現(xiàn)了基于副槍的全自動化煉鋼(如寶鋼、武鋼和萊鋼新區(qū)等)。

副槍動態(tài)控制技術是在吹煉接近終點時(吹氧量的85%～90%)，向熔池內(nèi)插入副槍，檢測鋼水溫度T和碳含量[C]，并取出鋼樣。根據(jù)副槍快速測定的結(jié)晶碳及鋼水溫度，分別利用指數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法來動態(tài)調(diào)整吹氧量、加料量，指導槍位、氧流量的控制，并推算吹煉停止時的鋼水溫度和碳含量，副槍檢測與轉(zhuǎn)爐終點控制原理見圖1。目標溫度TAim上下限與目標碳CAim上下限共同構(gòu)成了一個矩形區(qū)域A。副槍的動態(tài)終點控制是將鋼水從B點轉(zhuǎn)移到A點區(qū)域內(nèi)。在轉(zhuǎn)爐煉鋼后期，鋼水溫度和碳含量是按一定的規(guī)律軌跡移動的。若B點落在上下邊界線內(nèi)時，只要按照計算的所需吹氧量控制，即可達到終點；若B點落在上邊界線之上時，則需要添加一定量的冷卻劑并吹入所需的氧氣量，方可達到終點；若B點落在下邊界之下時，則需要添加一定量的增碳劑或者發(fā)熱劑并吹入所需的氧氣量，方可達到終點。

圖1 副槍檢測及轉(zhuǎn)爐終點控制

采用副槍測量實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐吹煉后期的動態(tài)控制，能在一定程度上消除轉(zhuǎn)爐入爐信息偏差的影響和系統(tǒng)誤差，且能夠精確調(diào)整后期操作和終點預測，大幅度提高終點命中率。最終，利用停吹時的鋼水溫度和碳含量信息對模型參數(shù)進行校正，實現(xiàn)冶金計算模型自學習和自優(yōu)化，提高模型計算的準確性。寶鋼、武鋼等鋼廠采用副槍作為動態(tài)檢測手段，其終點命中均能達到85%～90%(控制精度：[C]± 0.01%～0.015%、T± 12～13 ℃)[1]。

2.2 煙氣分析系統(tǒng)

除了副槍，部分鋼廠則采用煙氣分析作為主要動態(tài)檢測手段實現(xiàn)了自動化煉鋼。煙氣分析能夠?qū)D(zhuǎn)爐冶煉進行全程分析。

首先，根據(jù)流量計測得的煙氣流量，以及煙氣分析儀測得的煙氣中CO和CO2的濃度，利用碳元素質(zhì)量守恒原理，計算熔池中脫碳速度：

dC/dt=12/22.4×Qoff-gas×[φoff-gas(CO)+φoff-gas(CO2)]

(1)

式中：dC/dt為脫碳速度，kg/s；Qoff-gas為煙氣流量，m3/s；φoff-gas(CO)、φoff-gas(CO2)為煙氣中的CO和CO2濃度。

然后，計算向熔池里輸入的氧量(包括氧槍供氧以及含鐵輔料帶入的氧量)：

dO/dt=32FO2/22.4+48WFe2O3/MFe2O3

(2)

式中：dO/dt為向熔池里輸入的氧量，kg/s；FO2為氧槍吹入的氧量，m3/s；WFe2O3為熔化的含鐵物料中Fe2O3重量，kg/s；MFe2O3為Fe2O3分子量。

最后，計算得出熔池內(nèi)的瞬時脫碳氧效率dC/dO，該指標間接反映了爐渣的氧勢。因為在冶煉中后期，氧主要用來脫碳，脫碳反應生成的CO和CO2進入煙氣，而剩余的氧與鋼水其它成分發(fā)生氧化還原反應后進入渣中。因此，脫碳氧效率與爐渣氧勢成反比關系。

在整個冶煉期間，CO、CO2和N2濃度具有一定的變化規(guī)律。冶煉中期CO、CO2和N2濃度變化較平緩；接近終點時，CO濃度急劇下降，CO2和N2濃度上升。計算的dC/dO曲線也具有相似的規(guī)律：冶煉前期近乎直線上升；冶煉中期變化不大，接近水平；接近終點快速下降。轉(zhuǎn)爐典型的煙氣氣體特征曲線與計算的dC/dO曲線見圖2。

圖2 典型的爐氣成分與dC/dO曲線

計算的dC/dO曲線可用來指導操作工或采用自動化控制策略來調(diào)整氧槍操作。冶煉中期dC/dO曲線出現(xiàn)明顯下降，說明脫碳效率下降，或者脫碳反應產(chǎn)生的CO在爐渣中聚集形成泡沫渣，噴濺可能性加大，應適當降低槍位或增大供氧強度；當dC/dO曲線在冶煉中期出現(xiàn)明顯的上升時為爐渣返干征兆，應提高槍位或減小供氧強度。韓國浦項采用英國ONIX公司的Prima600S磁扇式質(zhì)譜儀進行煙氣檢測和噴濺預測，預測符合率達到了81%[2]。馬鋼采用奧鋼聯(lián)爐氣分析(LOMAS)，預測噴濺成功率達到85%以上，轉(zhuǎn)爐噴濺發(fā)生率由原來的21%降低到目前的4.3%[3]。

吹煉末期，當影響碳氧反應速度的因素由供氧強度轉(zhuǎn)變?yōu)樘紨U散的速度時，煙氣中CO濃度開始急劇下降。此時，CO濃度與熔池中碳含量有相對可靠的對應關系。根據(jù)對應關系，可以發(fā)出轉(zhuǎn)爐終點壓槍、停吹操作的指令，預測熔池的碳含量。

2.3 聲納化渣系統(tǒng)

聲納化渣檢測技術主要是通過檢測以超音速氧氣沖擊到熔融金屬表面產(chǎn)生的噪聲強度大小來估算泡沫渣厚度。根據(jù)文獻[4]中泡沫渣厚度h、聲音強度I、時間t和頻率w，指數(shù)關系為：

I(h(t),ω)=I0e-βf(ω)h(t)

(3)

式中：I0是沒有渣時的聲音強度；音頻系數(shù)βf(ω)由氣泡尺寸和材料決定。

方程(3)兩邊取對數(shù)得到

(4)

這意味著泡沫渣厚度取決于某特定的頻率聲強的對數(shù)。因此，聲納化渣對冶煉化渣狀態(tài)識別具有一定指導意義，可以通過計算的泡沫渣厚度及時調(diào)整氧槍或加料操作。當冶煉過程中某特定頻率聲強變大并持續(xù)一定時間時，采取降低氧氣流量、提高槍位或投入化渣物料，以便及時化渣；反之，則增大氧氣流量、降低槍位或投入能讓爐渣稠化的物料。安陽鋼鐵二煉鋼廠采用聲納化渣進行渣態(tài)預測，噴濺和返干預報命中率分別大于85%和90%[5]。本鋼采用聲納化渣進行氧槍自動控制煉鋼，氧槍自動化綜合使用率達到了75.6%，剔除不符合使用條件的爐次，實際使用率為93.47%；這期間，采用聲納化渣控槍的7號爐噴濺率僅為1.38%，低于其它轉(zhuǎn)爐2.44%的平均水平[6]。

2.4 火焰圖像分析系統(tǒng)

聲納化渣噴濺檢測有一定的滯后性，爐口火焰圖像分析則是一種直接的、實時性好的檢測手段。通過爐口火焰圖像的分析，以明亮火焰圖像為背景，識別火焰中暗斑的數(shù)量、大小以及持續(xù)出現(xiàn)的時間，對爐渣的活躍程度進行評估，判斷是否有噴濺的征兆；以昏暗的爐口裙板為背景，識別爐口裙板中明亮的范圍和持續(xù)的時間，對冶煉噴濺的程度進行評估，判斷噴濺的大小。同時，爐口火焰隨著爐內(nèi)熔池溫度升高而逐漸明亮，火焰濃厚程度也與熔池中碳含量息息相關，一定程度上可以對過程熔池溫度和末期熔池碳含量進行預測。

目前，爐口火焰圖像分析常常被用于熔池碳溫的預測，鮮有用于轉(zhuǎn)爐冶煉動態(tài)控制。根據(jù)爐口火焰圖像分析判斷的無噴濺、預噴濺和噴濺程度，以及冶煉所處的不同階段的經(jīng)驗應對措施，進行氧槍和加料動態(tài)控制，可以避免或抑制噴濺，同時預防爐渣返干。在冶煉前期，出現(xiàn)預噴濺或噴濺信號時，將氧槍槍位適當提高，并提前投入下一批輔料，再將槍位降至原位。在冶煉中期，出現(xiàn)預噴濺時，將槍位適當降低；出現(xiàn)噴濺時，先將槍位適當提高再加入抑渣輔料壓噴，幾秒后將槍位降低且低于原槍位；隨后在預設時間內(nèi)無預噴濺和噴濺，則適當提高槍位；若每隔預設時間內(nèi)無預噴濺和噴濺，則繼續(xù)提高槍位，直至最高槍位或收到預噴濺信號，形成一個控制周期。筆者在120 t轉(zhuǎn)爐上做了爐口火焰圖像分析測試，將結(jié)果與操作工的判斷進行對比，其判斷爐渣活躍有噴濺征兆的準確率達到了95%以上，識別出現(xiàn)噴濺的準確率達到了98%以上，為自動冶煉過程中控制噴濺提供了最直接、可靠的依據(jù)。進行了轉(zhuǎn)爐冶煉聯(lián)動控制嘗試，取得了一定效果，能夠?qū)崿F(xiàn)過程化渣操作動態(tài)自動控制，并有效抑制住80%以上的噴濺。

2.5 常用動態(tài)檢測及控制技術比較

副槍檢測能夠在吹煉末期進行一次比較精確的溫度動態(tài)調(diào)整，比較適用于吹煉末期的吹氧量的動態(tài)控制和終點碳溫的預測。但是，其不能提供連續(xù)的信息，也不能實現(xiàn)冶煉過程化渣操作的調(diào)整，實質(zhì)上轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的絕大部分時間仍是在靜態(tài)模型的指導下進行的，與真正意義的自動煉鋼存在一定的差距。另外，對入爐信息的準確、穩(wěn)定性有一定依賴，會因為副槍測量結(jié)果偏差過大，而無法一次調(diào)整到位而造成補吹，也會因為過程化渣不良導致生產(chǎn)和質(zhì)量事故發(fā)生。

煙氣分析能夠用于低碳鋼吹煉末期的碳含量預測和過程化渣動態(tài)控制。但是受到氧槍、加料，甚至是風機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)爐底吹等影響，抗干擾性差，特征提取不穩(wěn)定。因此，其溫度檢測精度不如副槍，化渣檢測不如聲吶化渣。

聲納化渣檢測比較適用于過程化渣動態(tài)控制。但聲納化渣檢測極易受到爐外其他噪聲的干擾，以及受到爐型、爐口大小和爐口積渣等影響，往往需要人為對其狀態(tài)是否正常進行判斷。另外，由于爐內(nèi)聲音噪點多，噪聲曲線波動大，為了降噪，往往需要進行濾波處理，導致了一定的信息延遲，而吹煉過程的噴濺，往往是瞬間的、爆發(fā)性的，因此不能滿足個別鋼廠對爐渣控制比較活躍的要求。

爐口火焰圖像分析比較適用于過程化渣動態(tài)控制。雖然也能夠用于過程熔池溫度和低碳鋼吹煉末期的碳含量預測，但是由于爐口火焰受到供氧強度、化渣效果、爐渣渣量、爐型、爐口內(nèi)徑、爐口積渣等影響，爐口火焰并不能與熔池溫度和碳含量精確對應，導致預測精度和準確性不能滿足現(xiàn)場終點控制的要求。

3 建議

自動化煉鋼建設或升級改造的轉(zhuǎn)爐，根據(jù)實際的工況、原料管控和控制精度要求，采取一種或多種動態(tài)檢測及控制技術實現(xiàn)自動化煉鋼，以達到成本投入和控制效果的最佳平衡點。結(jié)合上述檢測及控制技術的優(yōu)缺點，建議如下：

(1)對于冶煉條件較好，冶煉低碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，可采用煙氣分析作為動態(tài)控制的手段。

(2)對于冶煉條件較好，控制精度要求較高或者冶煉中高碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，可采用副槍作為動態(tài)控制的手段。

(3)對于冶煉條件不太好或者希望適用范圍比較大，冶煉低碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，可采用聲納化渣、爐口火焰圖像分析和煙氣分析共同作為動態(tài)控制的手段。

(4)對于冶煉條件不太好或者希望適用范圍比較大，控制精度要求較高或者中高碳鋼為主的轉(zhuǎn)爐，可采用聲納化渣、爐口火焰圖像分析和副槍共同作為動態(tài)控制的手段。目前轉(zhuǎn)爐冶煉過程動態(tài)信息檢測手段存在種種不足，即使組合使用，也無法使轉(zhuǎn)爐冶煉過程完全數(shù)字化、透明化，對冶煉條件很差的轉(zhuǎn)爐進行自動化煉鋼建設，很難取得較好的冶金和控制效果。因此，加強入爐原料質(zhì)量的管控、保證入爐信息采集的精確性，是保障轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼成功、終點命中率高的重要途徑。