轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制模型研究

摘" 要：通過(guò)探究轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制模型的構(gòu)建策略，達(dá)到提高最終冶煉命中率的目的。該文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制分為靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制2個(gè)階段，利用靜態(tài)計(jì)算模型對(duì)比副槍探頭實(shí)測(cè)值與設(shè)定值是否相同，如果相同說(shuō)明命中吹煉目標(biāo)，無(wú)需校正；如果不同，則運(yùn)用動(dòng)態(tài)計(jì)算模型進(jìn)行校正，重復(fù)判斷模型預(yù)測(cè)結(jié)果是否處于冶煉終點(diǎn)的目標(biāo)范圍，在預(yù)測(cè)值處于目標(biāo)范圍后說(shuō)明命中吹煉目標(biāo)。采用基于靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的自動(dòng)控制策略，顯著提高最終冶煉命中率。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼；自動(dòng)控制；靜態(tài)控制；動(dòng)態(tài)控制；命中率

中圖分類(lèi)號(hào)：TF711" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0119-04

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，由于材料自身成分、冶煉設(shè)備工況以及物理化學(xué)反應(yīng)等諸多因素的影響，該過(guò)程存在較大的不確定性。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能以及自動(dòng)化控制等技術(shù)的成熟發(fā)展，基于數(shù)學(xué)模型構(gòu)建全自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程的自動(dòng)和閉環(huán)控制，一方面能讓冶煉過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)得以直觀(guān)呈現(xiàn)，以便于工作人員隨時(shí)監(jiān)督和調(diào)控冶煉過(guò)程；另一方面又能減少人為干預(yù)，對(duì)保障作業(yè)安全和提高煉鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳和終點(diǎn)溫度的命中率也有積極幫助。在這一背景下，探究轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制模型的構(gòu)建策略成為當(dāng)前的熱門(mén)研究課題。

1" 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制策略

計(jì)算機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程的自動(dòng)控制分為靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制2個(gè)階段。

1.1" 靜態(tài)控制

計(jì)算機(jī)在接收上級(jí)下達(dá)的生產(chǎn)指令后，首先運(yùn)行靜態(tài)控制模型并計(jì)算本次煉鋼所需的主材料（由鐵水和廢鋼組成），然后裝料機(jī)構(gòu)根據(jù)計(jì)算結(jié)果將主材料裝入爐內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)冶煉鋼的種類(lèi)自動(dòng)選擇冶煉模式，如底吹模式、副原料投入模式等。確定冶煉模式后，計(jì)算出吹煉期間所需的吹氧量、溶劑用量、冷卻劑用量等參數(shù)。控制系統(tǒng)收集計(jì)算結(jié)果完成閉環(huán)控制。在開(kāi)始冶煉后，隨著冶煉時(shí)間的增加熔池鋼水的成分與溫度逐漸逼近設(shè)定的出鋼目標(biāo)。在達(dá)到設(shè)定的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)后如果副槍采樣結(jié)果與設(shè)定目標(biāo)不一致，則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至動(dòng)態(tài)控制[1]。

1.2" 動(dòng)態(tài)控制

根據(jù)副槍熔池采樣結(jié)果以及煙氣成分分析，重新調(diào)整補(bǔ)吹氧氣量和冷卻劑量，優(yōu)化冶煉后期的控制策略，達(dá)到提高最終冶煉命中率的目的。

轉(zhuǎn)爐煉鋼采取上述分段控制策略，一方面能夠利用副槍實(shí)時(shí)獲取鋼水成分（碳含量）、溫度等重要參數(shù)，保證在最佳時(shí)機(jī)完成靜態(tài)控制向動(dòng)態(tài)控制的切換；另一方面又能提升冶煉過(guò)程的終點(diǎn)命中率，彌補(bǔ)了靜態(tài)控制精度不足的缺陷。靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制原理如圖1所示。

2" 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制模型的構(gòu)建

2.1" 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制流程

步驟一：在確定生產(chǎn)計(jì)劃、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)學(xué)模型（包括溫度模型、主原料模型、供氧量模型等）計(jì)算出鐵水用量、廢鋼用量、冷卻劑用量等各項(xiàng)參數(shù)，并將計(jì)算參數(shù)輸入到自動(dòng)化控制機(jī)（I級(jí)機(jī)）中。

步驟二：向爐內(nèi)添加廢鋼、鐵水后，I級(jí)機(jī)根據(jù)設(shè)定的冶煉模式以及氧氣復(fù)吹轉(zhuǎn)爐（Ⅱ級(jí)機(jī)）提供的設(shè)定參數(shù)開(kāi)始進(jìn)行冶煉，并且在冶煉過(guò)程中根據(jù)吹氧量、溶劑量、冷卻劑量等參數(shù)實(shí)現(xiàn)加料控制。

步驟三：在冶煉過(guò)程中，以副槍作為傳感器獲取鋼水溫度、成分等參數(shù)，并觸發(fā)動(dòng)態(tài)模型。然后通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算將副槍實(shí)時(shí)采集的數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)字進(jìn)行對(duì)比。以實(shí)測(cè)值與設(shè)定值的差作為模型輸入量，計(jì)算出新的吹氧量和冷卻劑添加量，控制系統(tǒng)根據(jù)最新計(jì)算參數(shù)優(yōu)化控制策略[2]。重復(fù)上述過(guò)程，直到鋼水溫度、熔池碳含量等實(shí)測(cè)值等于設(shè)定值，跳出循環(huán)程序，并向I級(jí)機(jī)發(fā)送提槍申請(qǐng)。

步驟四：I級(jí)機(jī)接受該申請(qǐng)后，發(fā)出提槍指令，前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)提起副槍?zhuān)Y(jié)束冶煉過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉的自動(dòng)化控制，獲得最佳冶煉效果。

2.2" 靜態(tài)計(jì)算模型

轉(zhuǎn)爐煉鋼靜態(tài)模型的運(yùn)行原理如下：通過(guò)模型計(jì)算物料平衡與熱平衡，在此基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析求得修正系數(shù)，最終確定廢鋼、鐵水、石灰等材料的加入量和氧氣的消耗量，并預(yù)測(cè)最終的鋼水溫度和成分。在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中，鐵的顯熱、礦石的分解熱以及碳、硅等元素的氧化熱，與爐渣、鋼水等產(chǎn)物的顯熱以及冶煉過(guò)程中的熱損失維持平衡，熱平衡如圖2所示。

同樣的，轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中存在物料平衡，冶煉前加入的鐵水、廢鋼、石灰、礦石及氧氣等材料，與冶煉后生成的鋼水和副產(chǎn)物爐灰、爐渣等維持平衡，如圖3所示。

根據(jù)計(jì)算內(nèi)容的不同，可以將靜態(tài)計(jì)算模型細(xì)分為若干類(lèi)型，例如主原料模型以終渣成分作為輸入量，以廢水和廢鋼的添加量作為輸出量；氧氣量模型主要用于計(jì)算各個(gè)冶煉階段需要消耗的氧氣量；溶劑模型用于計(jì)算石灰、螢石、白云石等材料的加入量，該模型的輸入量包括3類(lèi)：其一是鐵水溫度；其二是各類(lèi)溶劑的冷卻劑系數(shù)和氧當(dāng)量系數(shù)；其三是主原料模型輸出的鐵水量。該模型的輸出量見(jiàn)表1。

在應(yīng)用溶劑模型求各溶劑的加入量時(shí)，還要考慮鐵水磷以及轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度對(duì)輸出結(jié)果的干擾。因此本文在設(shè)計(jì)溶劑模型時(shí)采取了“變堿度”方法，如果渣量較小則提高轉(zhuǎn)爐終渣的堿度；反之，如果渣量較大則自動(dòng)降低轉(zhuǎn)爐終渣的堿度，從而保證最終計(jì)算的溶劑需要量更加符合轉(zhuǎn)爐煉鋼的真實(shí)需要。

2.3" 動(dòng)態(tài)計(jì)算模型

2.3.1" 動(dòng)態(tài)模型的功能設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)爐冶煉的自動(dòng)控制策略下，控制系統(tǒng)以靜態(tài)計(jì)算模型計(jì)算的設(shè)定值作為參考，與副槍測(cè)量的實(shí)際值（如鋼水溫度、含碳量）進(jìn)行對(duì)比。如果存在“設(shè)定值等于實(shí)測(cè)值”的情況，說(shuō)明計(jì)算終點(diǎn)可以直接命中吹煉目標(biāo)，此時(shí)無(wú)需校正控制，直接完成吹煉即可；反之，如果存在“設(shè)定值小于實(shí)測(cè)值”或“設(shè)定值大于實(shí)測(cè)值”的情況，說(shuō)明靜態(tài)模型的計(jì)算終點(diǎn)無(wú)法直接命中吹煉目標(biāo)，此時(shí)需要啟用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行校正[3]。

動(dòng)態(tài)計(jì)算模型的功能設(shè)計(jì)如下：一方面基于副槍探頭的測(cè)量結(jié)果求得轉(zhuǎn)爐煉鋼動(dòng)態(tài)控制階段的末期吹氧量以及冷卻劑添加量2個(gè)重要參數(shù)；另一方面則基于冶煉標(biāo)準(zhǔn)明確冶煉終點(diǎn)的大致范圍，在此基礎(chǔ)上結(jié)合吹氧量、冷卻劑添加量預(yù)測(cè)鋼水溫度和碳含量。執(zhí)行一個(gè)判斷程序“預(yù)測(cè)值是否處于冶煉終點(diǎn)的目標(biāo)范圍？”如果判斷結(jié)果為“否”，則再次預(yù)測(cè)鋼水溫度與含碳量，重復(fù)上述流程，直到判斷結(jié)果為“是”，此時(shí)上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）向下位機(jī)（PLC）發(fā)出一個(gè)“停吹”指令，前端執(zhí)行機(jī)構(gòu)提起副槍并停止吹煉。此時(shí)動(dòng)態(tài)控制模型也暫停計(jì)算，至此完成了動(dòng)態(tài)校正任務(wù)[4]。

2.3.2" 動(dòng)態(tài)計(jì)算模型的構(gòu)建

在構(gòu)建動(dòng)態(tài)計(jì)算模型時(shí)，首先需要明確該模型的輸入量、計(jì)算量和輸出量。結(jié)合轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動(dòng)控制需要，該模型的輸入量有目標(biāo)碳、目標(biāo)溫度以及碳和溫度計(jì)算結(jié)果的閾值范圍；該模型的計(jì)算量包括吹氧量、冷卻劑加入量、終點(diǎn)碳含量和終點(diǎn)鋼水溫度；該模型的輸出量包括供氧量、冷卻劑加入量、鋼水溫度（預(yù)測(cè)值）與碳含量（預(yù)測(cè)值）。本文以Meyer數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)構(gòu)件了動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，這里以鋼水溫度計(jì)算為例，數(shù)學(xué)模型如下

式中：TM表示副槍在冶煉期間測(cè)量的鋼水溫度，單位為℃；λ表示升溫系數(shù)；A表示升溫常數(shù)；Q1表示吹煉初始狀態(tài)的送氧量，Q2表示副槍開(kāi)始測(cè)量時(shí)的送氧量，單位均為Nm3/t；W表示鋼水量，單位為t，K表示冷卻劑的冷卻能力，單位為℃/t；R表示副槍完成測(cè)量后加入冷卻劑的量，單位為t。

3" 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

3.1" 探頭連接程序

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)控制系統(tǒng)的程序基于西門(mén)子S7-GRAPH編程工具設(shè)計(jì)。工作人員首先選定并取出探頭，設(shè)定連接周期后通過(guò)運(yùn)輸鏈將探頭運(yùn)送到翻轉(zhuǎn)臂處。利用翻轉(zhuǎn)臂兩側(cè)的夾緊裝置固定探頭后，噴槍以0.8 MPa的壓力吹出氮?dú)?，清掃探頭表面的雜質(zhì)，保證探頭干凈，提高測(cè)量精度。氮吹掃結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)臂從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，使導(dǎo)向錐合攏。副槍緩慢勻速地向下移動(dòng)，直到檢測(cè)到探頭連接正常后停止下降，至此完成副槍探頭的連接。連接完成后，導(dǎo)向錐以及探頭的夾緊裝置都調(diào)整為打開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)探頭翻轉(zhuǎn)臂按照原路線(xiàn)重新回到水平位置，最后副槍重新提升至初始高度[5]。整個(gè)連接程序如圖4所示。

如果圖4程序結(jié)束但是探頭并未成功連接，說(shuō)明探頭本身存在問(wèn)題，需要在更換新的探頭后重新啟動(dòng)連接程序，直到探頭成功連接。

3.2" 測(cè)量程序

副槍探頭本質(zhì)上是一類(lèi)傳感器，主要功能是在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量鋼水溫度、含碳量等參數(shù)，因此測(cè)量程序也是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。在啟動(dòng)測(cè)量程序后，副槍探頭從初始的鏈接位旋轉(zhuǎn)移動(dòng)到測(cè)量位，準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)量。使副槍緩慢、勻速下降，在到達(dá)設(shè)定高度后副槍停止動(dòng)作，并打開(kāi)副槍端部的密封帽。為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在正式測(cè)量前同樣需要進(jìn)行氮?dú)獯祾撸ＷC副槍探頭的干凈。繼續(xù)向下移動(dòng)副槍?zhuān)蛊溥_(dá)到測(cè)量高度，在該位置停止等待接收下一步的指令。當(dāng)接收到從計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）發(fā)送的聯(lián)鎖信號(hào)后，PLC（下位機(jī)）根據(jù)該信號(hào)計(jì)算出需要的吹氧量和底吹攪拌流量，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)副槍探頭插入轉(zhuǎn)爐熔池鋼水中，要求探頭沒(méi)入深度要達(dá)到50 cm，根據(jù)設(shè)定好的采樣頻率獲取溫度、碳含量等數(shù)據(jù)。在接收到停止測(cè)量指令后，將副槍提起并達(dá)到設(shè)定高度，在副槍探頭冷卻后蓋上密封帽，繼續(xù)提升副槍至可選擇高度，然后將副槍旋轉(zhuǎn)并回到鏈接位。工作人員依次拆卸副槍及探頭，至此完成測(cè)量任務(wù)。測(cè)量流程如圖5所示。

4" 結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)冶煉控制是冶煉行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，面向轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制模型以副槍探頭采集冶煉過(guò)程中的鋼水溫度、碳含量等參數(shù)，將這些參數(shù)的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，以對(duì)比結(jié)果重新調(diào)整控制策略，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整后確保最終的冶煉結(jié)果命中吹煉目標(biāo)，達(dá)到了縮短吹煉周期和獲得更高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉書(shū)超，王國(guó)棟，孫杰.數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐智能吹煉控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].鋼鐵，2023（9）：92-103.

[2] 郭金恒，殷志輝，郭宗華.鋼廠(chǎng)一鍵式智能煉鋼轉(zhuǎn)爐副槍測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)[J].變頻器世界，2023（4）：98-101.

[3] 趙安，劉輝，陳甫剛，等.基于CJS-SLLE降維與即時(shí)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)碳溫軟測(cè)量方法[J].控制理論與應(yīng)用，2023（10）：1839-1850.

[4] 苗利明，常超，聶日光.轉(zhuǎn)爐副槍自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)科技縱橫，2022（12）：100-101.

[5] 劉旭琛，劉輝，陳甫剛，等.一種DDMCN火焰圖像特征提取的轉(zhuǎn)爐煉鋼碳含量實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)方法[J].控制與決策，2023（10）：38-40.

Abstract： By exploring the construction strategy of automatic control model for converter steelmaking， the purpose of improving the final smelting hit rate is achieved. The automatic control of converter steelmaking designed in this paper is divided into two stages： static control and dynamic control. A static calculation model is used to compare whether the measured value of the sub-lance probe is the same with the set value. If they are the same， it means that the blowing target has been hit and no correction is needed; if they are different， the dynamic calculation model is used to correct， and it is repeatedly judged whether the model prediction result is in the target range of the smelting end point. When the predicted value is in the target range， it means that the blowing target has been hit. An automatic control strategy based on the combination of static and dynamic conditions is adopted to significantly improve the final smelting hit rate.

作者簡(jiǎn)介：張翰威（1998-），男，助理工程師。研究方向?yàn)橐苯鸸こ獭?/p>