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转炉炼钢终点控制技术应用浅析王波

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第12期作者：王波聂玉龙

[导读] 摘要：中国是世界上最早生产钢的国家之一，从春秋晚期起中国就有炼钢生产了，随着时代和技术的发展，人们对钢材的质量和类型要求越来越高，这就意味着对钢材中碳等元素含量占比的要求也越来越苛刻，从而促使着对炼钢终点的判定和控制技术需要不断改进，顶吹转炉炼钢作为目前炼钢的最重要方式，其终点控制技术也在不断翻新和变化。

        新疆和钢新能科技股份有限公司新疆维吾尔自治区 841309
        摘要：中国是世界上最早生产钢的国家之一，从春秋晚期起中国就有炼钢生产了，随着时代和技术的发展，人们对钢材的质量和类型要求越来越高，这就意味着对钢材中碳等元素含量占比的要求也越来越苛刻，从而促使着对炼钢终点的判定和控制技术需要不断改进，顶吹转炉炼钢作为目前炼钢的最重要方式，其终点控制技术也在不断翻新和变化。但是至今对吹炼终点的准确判定依然存在这较大的问题，问题产生的主要原因在于炉型的差异、原材料的差异以及吹炼过程的复杂性等多种因素。本文把目前转炉终点控制的主要技术方法进行对比分析，以求从某一个程度上，对仍旧处于不断发展阶段的转炉终点控制技术提供借鉴和参考。
        关键词：转炉；终点；控制技术
        引言
        近年来，我国城市化建设进程不断加快，城市的房屋建筑数量与日俱增，对钢材的需求量也随之不断提高。从现阶段炼钢技术的发展情况而言，转炉炼钢技术可谓最为常见，应用的频率很高，与钢材的质量之间存在着密切的关联。不过，对于国内的转炉炼钢技术来说，依然处于初期阶段，需要进一步强化炼钢技术的优化工作，以便发挥出其良好的作用。为此，系统思考和分析转炉炼钢终点控制技术的应用现状显得尤为必要，拥有一定的研究意义与实践价值。
        1转炉炼钢终点控制技术的发展现状
        转炉炼钢终点控制技术发展开始质变飞跃的转折点是在上世纪60年代。传统的终点控制技术主要是人工经验控制，主要是通过观察冶炼过程中的火焰、火花、钢水温度变化等物理和化学变化现象来判断钢水的含碳量，这与技术人员、工作人员的经验水平关系很大，一旦遇到工作人员经验不足，再加上工作条件中出现的复杂多变的状况原因，很容易造成钢铁质量难达到高标准。而随着计算机的出现和广泛应用，计算机技术也开始被应用于转炉炼钢的生产过程中。技术人员通过冶炼过程中各种材料在环环相扣生产过程中产生的物理和化学变化现象，如热量、温度、废气产生、含碳量等数据的采集，通过计算机技术从而编制成一套适合现代冶炼生产操作的控制方式。当前转炉炼钢终点控制技术包括对钢水的温度和碳含量的控制，碳含量的变化影响着钢的质量，如果控制不当，过低会提高氮和氧的含量，过高又会使钢的磷、硫脱离不够彻底，从而影响钢的品质，进而会造成原材料的浪费消耗，也容易造成熔炉等生产成本的增加。当前转炉炼钢终点控制技术的衍生过程大概包括人工经验控制技术、静态控制技术、动态控制技术、自动控制技术等。以上各种技术都存在着一定的利弊，下面通过简要分析比较来探讨终点控制技术的发展趋势。
        2转炉炼钢终点控制技术应用
        2.1智能控制技术。炼钢终点控制技术发展以神经网络和专家系统作为基础，其技术表现有：基于专家系统与传统的人工经验控制方法，将丰富的经验及专家知识有效融合，从而将转炉炼钢终点控制的目标实现。转炉炼钢终点控制借助神经网络从炼钢期间深层机理的研究中脱离出来，借助输入的数据资料信息使终点控制水平得以不断优化，该技术中可将接近终点时所需要的吹氧量模拟实现，自动控制能够使钢铁的生产质量及效率极大提高。
        2.2静态控制技术。该技术是指按照吹炼终点的含碳量和目标温度，将已知的吹炼操作及原材料条件借助静态模型将所需的冷却剂量、其他原材料的加入量和吹入的氧量等进行计算，之后进行吹炼，吹炼期间没有任何新信息修正的吹炼控制方法。静态模型之一是对加入的石灰、废钢量等，接触计算热与物料平衡将若干平衡方程建立后进行计算，该模型为理论模型。另一种是对转炉中的变化不考虑，而将其作为一个黑箱，借助统计数学方法将输出与输入变量归纳出经验方程，该模型为经验模型。
        2.3确保动态管控技术运用的科学性。第一，合理运用副枪技术。

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通过借助此种技术，可以对转炉炼钢时候相应的动态吹氧量加以科学管控，让耗氧量下降，并缩减补吹的数量，进一步增强冶炼的成效，完善相关的运行条件。比如：日本国家一些企业对副枪技术加以合理应用之后，使终点的命中率超过了91%。对于我国来说，副枪技术正处于飞速的进步阶段。第二，炉气分析法的科学利用。此类方法主要应用了质谱仪设备，对炉口逸出气体的构成成分加以持续测定，并及时把获取到的脱碳速率、氧体积分数等相关结果反馈到相应的动态管控模型当中，并对有关吹氧量加以科学调控。显而易见，此方法属于间接测定的方式。
        2.4人工经验控制技术。在转炉炼钢技术未广泛使用前，转炉炼钢技术的雏形是由人工经验控制技术所衍生。人工经验控制技术最初是通过炼钢工人的肉眼观察，在冶炼时工人在炼钢炉中投入不同比例的原材料，通过观察煅烧中产生的明火颜色、大小变化等来判断钢水的含碳比例。这必须依靠工人的长期工作经验来判断调整。经过不断的技术改良和发展，人工经验技术中出现2种终点控制技术：拉碳补吹法和直吹增碳法。补吹法是通过一定的人工在炼钢过程后期，对不同生产环节中原材料的投入比例是否合理进行判断，如果钢水中碳的含量达到指定目标就停止吹氧。如出现过高或过低，就要通过取样观察后进行适当的补吹氧气、调整温度等工序，从而达到调整冶炼氧化速度的目的，从而较高量的生产含碳量达标的钢材。通过补吹法技术生产的钢材氧化废渣较少，也减低了企业处理废渣的成本。
        2.5机器人辅助测量方法。随着工厂车间智能化的发展以及安全级别的提升，机器人参与辅助测量也逐渐开始应用，比如奥地利Voestalpine钢铁公司已采用机器人测温系统替换原来的副枪系统；国内的镭目科技有限公司，其所开发的RAMON机器人温度测量采样系统是一种高性能的自动智能设备，采用工业机器人作为操作平台，利用柔性机器人在测量枪上自动安装探头，自动将探头插入钢水中，实现温度测量和采样，以及卸载过时的探针。该机器人具有自动化程度高，操作简便，安全可靠等特点。随着国内人工成本的升高、机器人价格的整体下降，相信今后机器人参与转炉炼钢替代人工进行辅助测量将会愈发增多，但是对于多种炉型的实用性和稳定性需要进一步实践检验。
        3发展趋势
        3.1对技术及管理人员的需求降低。先进控制技术及设备使以往的管理经验不足和人工经验操作转炉炼钢终点控制导致的各种问题逐渐得以解决。如传统的控制对耗氧量及碳化率的预测准确率不高，钢铁生产质量常常会受到这些误差的直接影响，而炉气分析法等技术的应用不断减少了人工操作导致的各种问题。
        3.2智能控制技术会成为主流。智能控制技术与精密公式和理论合理转化的终点控制相比较，能够融合转炉炼钢的参数变化将自身预测风险的能力不断提高，且这种控制的有效性将伴随其在智能控制领域的持续发展而进一步提高。
        3.3不断提高的自动化水平。自动化转录控制技术伴随不断提升的大中型转入自动化水平而得到了广泛应用，显著提升了生产效率。但也应注意当前小型转炉在国内外依然有较低终点命中率及自动化水平的情况，因此未来依然需对中小型转炉的情况高度重视。
        结语
        随着科学技术的发展，相信大型转炉技术自动化将成为一种不可避免的时代潮流终。总之，要继续加大对自动化控制水平不断提高的研发力度，创新研究人工经验控制以及静态、动态、自动化控制该怎样相结合来达到不断提高自动化的控制水平目的，从而实现生产工艺和技术优化，生产高效率的最终目标。
        参考文献
        [1]冯士超，王艳红，丁瑞锋.转炉炼钢终点控制技术应用现状[J].冶金自动化，2019，（102）：1111-1116.
        [2]刘义.转炉炼钢终点控制技术应用现状[J].环球市场，2019，（131）：1605-1608.