溫宏愿 1，周木春 2
（1.南京理工大學泰州科技學院， 江蘇 泰州 225300；2.南京理工大學電子工程與光電技術(shù)學院， 江蘇 南京 210094）
摘 要：針對國內(nèi)外主流的多種轉(zhuǎn)爐終點控制技術(shù)方法進行了研究，分析了不同方法的應用場和各自優(yōu)勢與不足，提出智能化、自動化、低成本、簡易可靠的技術(shù)方法和設備裝置是今后轉(zhuǎn)爐終點控制技術(shù)的研究重點。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；終點；控制技術(shù)
引言
中國是世界上最早生產(chǎn)鋼的國家之一，從春秋晚期起中國就有煉鋼生產(chǎn)了，隨著時代和技術(shù)的發(fā)展，人們對鋼材的質(zhì)量和類型要求越來越高，這就意 味著對鋼材中碳等元素含量占比的要求也越來越苛刻，從而促使著對煉鋼終點的判定和控制技術(shù)需要 不斷改進，頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼作為目前煉鋼的最重要方 式，其終點控制技術(shù)也在不斷翻新和變化。但是至今對吹煉終點的準確判定依然存在這較大的問題，問 題產(chǎn)生的主要原因在于爐型的差異、原材料的差異 以及吹煉過程的復雜性等多種因素[1]。本文把目前 轉(zhuǎn)爐終點控制的主要技術(shù)方法進行對比分析，以求 從某一個程度上，對仍舊處于不斷發(fā)展階段的轉(zhuǎn)爐終點控制技術(shù)提供借鑒和參考。
1 轉(zhuǎn)爐終點控制的主要技術(shù)方法及應用
1.1 經(jīng)驗煉鋼法
經(jīng)驗煉鋼法就是人工經(jīng)驗控制方法，通過人眼 觀測、配合倒爐取鋼樣等形式的一種終點控制方法， 目前普遍應用在國內(nèi)外的轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，尤其是占比較大的中小型轉(zhuǎn)爐。轉(zhuǎn)爐體和爐蓋之間留有空 間，通過此間隙可以觀察到爐口火焰的形態(tài)變化，爐 口火焰的這些形態(tài)變化與鋼水吹煉的化學反應密切 相關(guān)并不斷變化著。但是由于原材料的不同，導致這 種方法經(jīng)常存在著無法一次命中的情況，因而需要 繼續(xù)吹煉，這種補吹方式導致了冶煉時間加長、鋼水 質(zhì)量不能較好保證、生產(chǎn)率低、人工勞動強度及危險 程度大等諸多問題，且有經(jīng)驗的工人培養(yǎng)時間偏長，在吹煉精度和成本上都是該方法無法從根本上解決 的問題。
1.2 靜態(tài)模型控制方法
靜態(tài)模型控制方法是結(jié)合了人工經(jīng)驗控制方 法，以單一測算的靜態(tài)模型為基礎的終點判定方法， 是目前轉(zhuǎn)爐煉鋼廠使用最廣泛的技術(shù)手段之一。這 種靜態(tài)模型是在經(jīng)驗煉鋼法的基礎上，基于熱平衡原理、物料平衡原理，以設定好的原材料種類和擬 要吹煉的鋼種條件來預定終點溫度以及碳等元素的 含量。靜態(tài)控制的模型主要有統(tǒng)計、經(jīng)驗、機理等，這 些方法的主要區(qū)別就在于，是否考慮吹煉過程的物理化學變化規(guī)律以及前一爐次對本爐次吹煉的增量 變化。這些方法克服了經(jīng)驗煉鋼的不確定性，通過對 原材料、添加劑、吹氧量等參數(shù)數(shù)量相對精確控制， 使得煉鋼產(chǎn)物的技術(shù)參數(shù)控制在一個相對穩(wěn)定的 范圍內(nèi)，但是由于原材料的質(zhì)量每次不能完全一致，且吹煉過程不能實時調(diào)整，命中率一般僅有 80%左右。
1.3 副槍動態(tài)控制方法
副槍動態(tài)控制方法是目前在大型轉(zhuǎn)爐中所普遍流行使用的一種方法，它是在鋼水臨近終點前，由靜 態(tài)控制模型所預定的時刻，不需要進行倒爐操作，而 直接使用專用探測槍頭，檢測終點時鋼水的相關(guān)數(shù) 據(jù)狀態(tài)，并把結(jié)果反饋給整體控制系統(tǒng)對吹煉過程的一些輸入?yún)?shù)，如吹氧量等，進行不斷修正和調(diào)整[2]。相較于上述兩種方法，副槍動態(tài)控制方法使得吹 煉時長變短、減少了倒爐的次數(shù)及可能產(chǎn)生的一系 列污染、提高了終點預測值結(jié)果、并使得工人的勞動 強度得到了大大降低。然而，由于副槍設備價格昂貴，一般安裝副槍系統(tǒng)的煉鋼廠都是大型轉(zhuǎn)爐廠，大 型轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中相對平穩(wěn)、工業(yè)控制系統(tǒng)的自 動化水平高，在此基礎上，副槍作為輔助測量方式才可以起到較好的作用。
1.4 爐氣分析控制方法
由于轉(zhuǎn)爐吹煉過程中，熔爐中鋼水的脫碳速度與爐口爐氣成分間有密切關(guān)系，因而爐氣分析動態(tài)控制也是一種較有效方法。該方法一般需要專用的 測量儀器，如質(zhì)譜儀等，在吹煉后期，通過不間斷測 量爐氣成分含量[3]，利用脫碳速率模型以吹煉原理，實時分析出脫碳速率和含氧量等數(shù)據(jù)反饋給工業(yè)控制系統(tǒng)，及時進行吹煉過程的校正。但是這種方 法的確定也較為明顯，主要有受惡劣的爐氣環(huán)境和 爐氣流量的限制，而且具有儀器昂貴、維護費用高等 缺點，目前仍只適用于大型的轉(zhuǎn)爐廠，使用范圍明顯 受限。
1.5 噪聲終點判定方法
轉(zhuǎn)爐噪聲終點判定方法是利用音響計對冶煉過 程中發(fā)出的噪聲作為主要判定依據(jù)來實行的。噪聲 與吹煉過程的反應密切相關(guān)，尤其是在低頻率的范圍，可以測定 CO 燃燒時的噪聲值，其變化程度與鋼 水吹煉時的脫碳速率之間有著極大的相關(guān)性。但是由于煉鋼廠的環(huán)境條件惡劣，外界干擾噪聲較多難以較好去除，同時不同爐型的噪聲模型存在一定的 差異性，在目前尚未對冶煉噪聲產(chǎn)生的機理明確的 前提下，這種方法經(jīng)常會有較大的誤差，因而在終點判定中使用情況較少。
1.6 光譜光學判定方法
轉(zhuǎn)爐爐口火焰的輻射光譜中包含著大量的鋼水 潛在信息，國內(nèi)外已經(jīng)有多家公司使用光譜光學判 定方法來對轉(zhuǎn)爐煉鋼終點進行預測和嘗試。美國Bethlehem 鋼鐵公司曾在 200 t 以上的大型轉(zhuǎn)爐，低碳范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)爐終點碳含量的控制中采用了一種光 譜光學分析方法，通過測定爐口火焰輻射的光譜中 的 560 nm 左右的波長的輻射光強度，利用模型測算 得到對終點碳含量判定；南京理工大學和南京鋼鐵集團煉鋼廠研發(fā)了一種多光譜輻射測量的方法[4]，通過檢測和分析吹煉過程中光譜輻射的光強度信息，得到了特定光譜與吹煉終點的密切聯(lián)系，通過相關(guān)模型進行實時預測判定；這種非接觸測量方法的 最大好處就是可以不中斷煉鋼吹煉過程、不影響鋼 水的質(zhì)量。
1.7 圖像處理判定方法
圖像處理判定方法與光譜光學判定方法類似， 都是屬于非接觸測量方法的一種，但是更多地是側(cè) 重于監(jiān)測轉(zhuǎn)爐爐口火焰的變化情況，通過紋理分析、 顏色模型轉(zhuǎn)換、特征提取等多種方式[5]，把隱含在火焰圖像中與吹煉過程有關(guān)聯(lián)的潛在信息提取出來，通過系統(tǒng)建模進行終點的預測與判定。這種方法在 本質(zhì)上是模擬人眼，因為在經(jīng)驗煉鋼中主要是利用工人的眼睛直接觀察火焰獲取信息并進行判斷，這 種方法需要大量的訓練并逐步獲取變化規(guī)律。
1.8 機器人輔助測量方法
隨著工廠車間智能化的發(fā)展以及安全級別的提 升，機器人參與輔助測量也逐漸開始應用，比如奧地 利 Voestalpine 鋼鐵公司已采用機器人測溫系統(tǒng)替換 原來的副槍系統(tǒng)；國內(nèi)的鐳目科技有限公司，其所開發(fā)的 RAMON 機器人溫度測量采樣系統(tǒng)是一種高性 能的自動智能設備，采用工業(yè)機器人作為操作平臺， 利用柔性機器人在測量槍上自動安裝探頭，自動將 探頭插入鋼水中，實現(xiàn)溫度測量和采樣，以及卸載過 時的探針。該機器人具有自動化程度高，操作簡便， 安全可靠等特點。隨著國內(nèi)人工成本的升高、機器人 價格的整體下降，相信今后機器人參與轉(zhuǎn)爐煉鋼替代人工進行輔助測量將會愈發(fā)增多，但是對于多種爐型的實用性和穩(wěn)定性需要進一步實踐檢驗。
1.9 智能終點控制方法
以神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等技術(shù)為代表的智能終 點控制方法，可以避開過去那種對煉鋼過程深層規(guī) 律無止境的探求，轉(zhuǎn)而以事實和數(shù)據(jù)作根據(jù)，來實現(xiàn)對過程的優(yōu)化控制，因而在煉鋼終點中使用較多。韓國 Pohang 鋼鐵公司就曾利用神經(jīng)網(wǎng)絡對轉(zhuǎn)爐的在線數(shù)據(jù)進行提取和訓練，預報結(jié)果與實際工藝數(shù)據(jù)較為符合；日本 Nippon 鋼鐵公司研發(fā)了一種特殊的 專家系統(tǒng)，把經(jīng)驗煉鋼法和黑盒推理等原理應用于 控制過程，對吹煉結(jié)果有一些提升；國內(nèi)多家大型鋼 廠也在神經(jīng)網(wǎng)絡等技術(shù)應用到了轉(zhuǎn)爐煉鋼終點控 制中?？傮w上來說，這些方法側(cè)重考察輸入輸出量 間的關(guān)系，消除了隨機偏差，對當前轉(zhuǎn)爐煉鋼這種 機理研究尚不透徹的多元多相的高溫物理化學反應過程，該方法可以保持一定的精度，具有某些獨到的優(yōu)勢。
2 終點控制技術(shù)方法對比及預測分析
1）大型煉鋼廠所普遍使用的是不倒爐檢測的副 槍系統(tǒng)，但是這種自動化程度較高、終點預測精度較 好的系統(tǒng)，由于自身設備費用高等一些突出的問題， 目前還未完全普及到中小型鋼廠。爐氣分析系統(tǒng)、神 經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)等方法也有使用，雖然各有優(yōu)點，但是由于它們還是需要主要依靠較穩(wěn)定的測量過程，所以在大型轉(zhuǎn)爐的使用效果要普遍好于中小型 轉(zhuǎn)爐。
2）非傳統(tǒng)的、相對較新的這些終點控制方法在 判定終點的方法上拓寬了思路，但由于生產(chǎn)條件、造 價等諸多因素的限制，在大型轉(zhuǎn)爐的終點控制中效 果較好的這些方法，目前并不能在中小型轉(zhuǎn)爐中真 正地進行推廣使用。
3）大型轉(zhuǎn)爐由于吹煉過程穩(wěn)定，今后應不斷嘗 試新技術(shù)、新方法、新系統(tǒng)，不斷引領(lǐng)和提升煉鋼的終點控制技術(shù)，產(chǎn)出質(zhì)量更好的鋼材。
4）占據(jù)著世界轉(zhuǎn)爐煉鋼界主要爐型的中小型煉鋼廠目前所使用的這些終點控制方法已經(jīng)跟不上產(chǎn) 能結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求。今后世界煉鋼界急切需要針對 體量較大的中小型轉(zhuǎn)爐，研發(fā)轉(zhuǎn)爐一次倒爐的可靠性高、低成本的終點控制方法及系統(tǒng)。隨著智能制造技術(shù)和人工智能技術(shù)的普及，相信今后自動化水平 和冶煉能力將會得到更大提升。
參考文獻
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