转炉炼钢终点控制技术的探讨

目前，转炉炼钢生产是钢铁生产环节中的重中之重，占据着重要的生产地位，而且在经济和社会不断发展的影响之下，正在被广泛地应用和推广。转炉炼钢终点控制技术是转炉后期操作工序中的重要环节，可以明显地提升钢铁的冶炼效率。但是，转炉炼钢技术仍然存在着较多的不足之处，因此，要不断优化转炉炼钢终点控制技术，不断增强转炉炼钢的使用性能和安全性能。

1 转炉炼钢的终点控制技术研究

1. 1 人工经验控制

1. 1. 1 拉碳补吹法

拉碳补吹法是人工经验控制中最为常见的一种方法，主要是指在吹炼后期中由一定的人工来进行判定和参与，当碳含量达到固定目标时就可以停止吹氧。在中、高碳钢的生产中，大多数会采用拉碳补吹的操作方法，主要由于目标碳含量比较高、氧化速度比较快所导致的。结合吹炼特征可以看出，供氧时间和供氧含量的终点设置要高于冶炼钢种的含碳量，在进行必要的取样以后，进行适当地补吹、调温工作。此外，拉碳补吹法具有操作简单，原料消耗较低等优势，适用于高碳钢种，既而在中、高碳钢生产中得到了广泛地应用，然而终点的命中最高比率在 70% 左右。

1. 1. 2 直吹增碳法

直吹增碳法在吹炼过程中可以免受额外限度因素的影响，实现一吹到底的操作目标。而且通过人工经验可以将终点钢中的碳质量分数和温度控制在合理的范围中，提升了出钢过程中的冶炼效率。直吹增碳法节省了大量的补吹时间，具有时间短、效率高、迅速化渣以及终渣 FeO 较高等特征，终点命中率大都高于 80% ，因此比较适用于低碳钢的生产中。

1. 2 静态控制

转炉炼钢终点的静态控制要求要根据原材料条件和吹炼钢种的目标，通过对铁水、废钢、铁合金等加入量、供氧量的计算，再开始进行装料和吹炼的操作。但是，静态控制很难对吹炼过程发生更改，在一定程度上终点命中率会受到极大地影响。在实际的应用中，转炉炼钢静态控制需要运用一定的人工经验来将终点控制在合理的范围。一般来说，终点碳温命中率最高可达到 80% 。此外，转炉炼钢静态控制主要包括机理模型、经验模型以及人工神经网络模型等。其中，机理模型是通过对冶炼过程中各种参数的分析，并且提出一些假设性的方案，通过计算物料平衡和热平衡，进而获得相应的装料模型。在实际的应用过程中，转炉炼钢过程非常复杂繁琐，有多种影响因素，特别对于某些物料平衡和热平衡数据来说，需要设置相关的假设条件来予以确定。因此，一般的机理模型多数为半机理经验模型，而且涉及的参数比较多，很难进行操控。而人工神经网络模型发展的速度比较快，在转炉炼钢的终点控制中也得到了广泛地应用。通过人工神经网络模型与以往传统的控制模型相对比，人工神经网络具有较强的自主学习，也能够利用随意精度逼近非线性函数的能力，因此建立起来的模型可以进行科学准确地指导生产，应用前景也比较广阔。例如: 日本一座氧气顶吹转炉应用 BP 神经网络建模，所预测钢水温度和碳质量分数动态变化与实际工艺数据非常接近。而且 CSN 工厂的转炉也广泛地应用了神经网络模型，借助于反演模拟算法来进行接近终点时吹氧量的计算工作，最终完成转炉吹炼过程的自动化控制目标。CSN 工厂的 40 炉工业试验图乳下如示:

1. 3 动态控制

1. 3. 1 副枪动态终点控制技术

在快到达吹炼终点时，将副枪插入到熔池中，获取熔池温度和碳含量的检测值[1]。结合检测结果不断改正静态模型的计算结果，在满足吹炼终点的供氧量和副原料的加入量时，保证转炉冶炼的稳定、合理的终点命中率，借助于计算机操作不断完成转炉冶炼的动态控制目标。此外，由于受到设备上的影响，副枪和炉口尺寸的大小有很大的关联，通常情况下应用在 100 t 左右的转炉中。而且在钢中的碳质量分数比较低的情况下，利用结晶定碳技术来测定钢水碳质量分数，可以获取较强的测量精度; 反之，在钢中碳质量分数比较高的情况中，测量精度也会随之降低，准确率很难得以保障，因此，副枪动态终点控制技术大多数都是应用在中低型碳钢生产中。

1. 3. 2 炉气分析动态终点控制技术

主要是指在吹炼后期，根据检测炉口表的炉气成分来进一步获取钢铁熔池的脱碳速率，通过对钢水成分和温度的确定，不断实现转炉炼钢终点的动态控制目标。炉气分析动态终点控制技术可以对钢水碳含量和温度做出连续提示，并且对控制系统进行动态化校正，还可以提示钢水 S、P 的变化情况。在终点钢水碳质量分数比较低的情况下，测量精度和命中率都会保持在较高的水平中，最低在 90% 。总而言之，采用转炉炼钢动态控制，终点碳温命中率最低在 70% 左右。首先，对于光学方法来说，主要是由于转炉口火焰的光谱在吹炼过程中会发生一些变化，在转炉炼钢终点中已经得到了取得了较为理想的尝试。其次，模式识别法主要是将图像进行分解，划分成不同的区域范围，通过特定区域内特征像素点的发生频率来作为主要的表现特征，也是识别炼钢终点的重要方法; 最后，纹理分析法主要是要通过图像处理中的纹理分析法，在炉口火焰图像的纹理结构特征的深入分析中，来对吹炼终点加以判别。

1. 4 自动控制

转炉炼钢自动控制技术主要是指炉渣在线检测技术，对炉渣状态进行实时监控与查看，在整个吹炼过程中，可以很好地控制和调整好钢水碳质量分数和温度，将其控制在适度的范围中。同时，并不需要补吹和倒炉[2]，终点命中率通常在 85% 左右。但是，由于我国受到资金、人才等方面的制约，并没有完全进入到全自动化的控制阶段中，转炉炼钢设备水平仍然比较低下。在转炉炼钢系统中，终点温度和碳质量分数的影响因素比较多，但是各个因素之间一般都是属于非线性关系。

人工神经网络技术在处理非线性关系上得到了较多的应用，是一种先进的技术方法。例如: 本钢炼钢工艺也开始实施了自动化控制技术，在施工现场较为恶劣的情况之下，质量检查人员严格按照自动化的控制标准来执行。其中，轴线误差最高不得超过 0. 1 mm，在专业人士经过系统严苛的上道工序进行时，在达到相应的标准后才能进行下道工序。进而在不断的重修改造中，第一炉钢水顺利炼制成功，由此展开了本钢炼炉转炉炼钢工艺的自动化发展趋势，特别对于引进的副枪系统和炉器分析技术。

各种转炉炼钢的终点控制技术的优缺点如表 1所示。

2 转炉炼钢终点控制技术的应用分析及发展趋势

2. 1 应用案例分析

我国转炉炼钢终点技术始终处于起步发展阶段，以武钢三炼钢为例，取得了较为理想的应用效果。2014 年，转炉炼钢终点控制双命中率最高可高达 85% 以上( 控制偏差: Δw( C) ± 0. 01% 、Δt ± 12℃ ) ，补吹率 7% 左右。2015 年时终点碳温双命中率已达到 95. 23% ，当目标 w( C) 小于 0. 05% 时，控 制 偏 差 为 ± 0. 01% ，当 目 标 w ( C) 大 于 0. 05% 时，控制偏差为 ± 0. 015% ，吹炼终点温度控制为 ± 12℃，平均补吹率仅为 2. 8% 。到 2016 年时，已经全面采用了全自动控制炼钢技术，，Δw ( C) 为 ± 0. 02% 、Δt 为 ± 15℃ 的碳、温双命中率最低可达到 90% 。宝钢第二炼钢厂在 2016 年采用神经元网络和专家知识库相结合的转炉动态模型，转炉终点碳质量分数控制偏差为 ± 0. 015% 、温度控制偏差为 ± 13℃，双命中率均在 90% 以上。

2. 2 转炉炼钢终点控制技术的发展现状分析

转炉炼钢终点控制技术的水平与产品的生产效率、质量有着紧密的联系，也就是转炉炼钢终点控制技术水平较高，产品的质量也会随之提升上来。而且大多数只关乎到钢水碳质量分数和冶炼温度的控制，碳含量如果过高就会导致含铁矿物质脱硫，温度的高低变化是原料的消耗量和冶炼时间的重要影响因素，从而影响到钢铁质量的好坏。针对转炉炼钢终点控制技术的发展现状来进行分析，要从而有所领悟，要积极展望未来，使转炉炼钢 终 点 控 制 技 术 得 以 更 加 全 面 的 改 善 和优化。

2. 3 发展趋势

2. 3. 1 适度提高小型转炉的自动化应用水平

目前，转炉的发展趋势更加偏向于大型转炉控制技术，大中型转炉的自动化水平显著提升。我国攀钢和武钢等都将炉气分析设备应用在转炉炼钢终点控制中，应用效果比较明显。但是，对于一些小型转炉来说，终点命中率比较低，而且控制技术较为局限，仍然采用经验控制。因此，要加大小型转炉的应用力度，提高其自动化控制水平。

2. 3. 2 加强先进科学机械设备的使用冶炼工艺大多数都由人工操作进行，技术人员的管理经验也比较匮乏，很难得到精准化的要求。比如拉碳补吹法，通过冶炼过程中炉内材料特点来预测耗氧量和碳化率的变化情况，既而存在着较大的误差性，在应用程度上会受到一定的局限。因此，要开发出更为先进、科学以及完善的机械设备，减少人工经验操作方法的使用，实现精准化、效率化的技术目标。

2. 3. 3 静态控制技术与人工经验控制技术相比

具有较为精确的静态控制模型，使实验效果的精确性更强。静态控制技术的应用，可以将相关的经验理论转换为精密性极强的操作公式，并且可以迅速计算出冶炼过程中的相关指标、数值，但是，终点控制效率仍然保持在较低的水平中。因此，要加强静态控制后期技术的创新工作，控制好相应 的 参 数 值，增强试验过程中的风险预测能力。

3 结语

综上所述，提升转炉炼钢的终点控制技术势在必行，可以不断实现自动化的控制目标，为钢铁企业带来巨大的经济效益与社会效益，不断向炼钢领域地发展目标迈进。

( 1) 充分掌握人工经验控制、静态控制、动态控制以及自动化控制等，不断提升转炉炼钢的终点控制技术，并且要做到具体问题具体分析，提升转炉炼钢终点控制效率，确保转炉炼钢终点技术的功能发挥。

( 2) 不断提升小型转炉的自动化应用水平，正确使用科学先进的机械设备，以提高产品质量。同时，技术人员也要以较高的行为规范来约束自己，避免风险性因素的发生，转炉炼钢的终点控制技术中注入一定的创新因素，使之更好地适应炼钢领域的发展需求，从而实现钢铁企业可持续发展的战略性目标。