朱建華
(天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司,天津 300350)
轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制主要是煉鋼后期的重要操作,這一步驟會(huì)直接對煉鋼的質(zhì)量造成一定的影響,所以應(yīng)該得到更加廣泛的重視。就目前我國煉鋼技術(shù)的發(fā)展來看,在連鑄工藝、爐外精煉手段方面在不斷發(fā)展,因此轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)的控制成為了限制鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。對煉鋼的終點(diǎn)控制主要可以分為靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制,如今伴隨著我國科技的不斷進(jìn)步,智能終點(diǎn)控制法已經(jīng)被研究,并得到使用,從而使得煉鋼過程中的終點(diǎn)控制變得更為簡單。因此,相關(guān)煉鋼企業(yè)需要不斷的改進(jìn)轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn),從而不斷的提高煉鋼質(zhì)量。
此技術(shù)主要是需要控制煉鋼過程中鋼水的成分和溫度,在控制成分方面主要是需要合理控制鋼水的碳含量,如果過高會(huì)對脫磷脫硫產(chǎn)生一定的影響,而過低又會(huì)造成剛中的氧、氮含量增加,不利于煉鋼。控制溫度的過程中一旦溫度不合理,那么便會(huì)加大原材料的消耗,也會(huì)對爐襯的使用壽命造成一定的影響,從而影響鋼材的質(zhì)量,提高成本。
在終點(diǎn)控制的技術(shù)發(fā)展過程中主要經(jīng)歷了人工經(jīng)驗(yàn)控制,靜態(tài)控制,動(dòng)態(tài)控制,自動(dòng)控制四個(gè)過程,每經(jīng)歷一個(gè)過程中終點(diǎn)的準(zhǔn)確率都在不斷的提高,最終可以更好的提高煉鋼的質(zhì)量。在人工控制階段,操作者主要是根據(jù)自己已有的經(jīng)驗(yàn)對煉鋼過程中觀察爐火的變化,聲音,然后再通過借助測溫定碳、爐前取樣快速分析等常規(guī)檢測手段來進(jìn)一步確定終點(diǎn),但是這種方法過于片面,并不能很好的把控終點(diǎn),因此準(zhǔn)確率較低,一般在30%-50%,會(huì)極大的浪費(fèi)原材料和影響煉鋼的質(zhì)量。靜態(tài)控制法準(zhǔn)確率稍微有所提高,大概為40%-60%,但是操作過程較為復(fù)雜,需要大量的計(jì)算,并且還想要借助操作者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理的調(diào)整。此種控制法主要是建立在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上,操作者需要根據(jù)鋼水的成分,溫度來建立模型,然后根據(jù)模式進(jìn)行物料平衡和熱平衡的計(jì)算,并且對一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行糾正,對材料加以指導(dǎo)。當(dāng)然,根據(jù)模型計(jì)算出來的數(shù)據(jù)有時(shí)并不準(zhǔn)確,所以需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來對最終的參考進(jìn)行有效的調(diào)整。
動(dòng)態(tài)控制則是需要在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上建立動(dòng)態(tài)模型,主要是在煉鋼后期對吹煉過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)控,以此來調(diào)整參數(shù)。這種控制法相對于靜態(tài)控制法來說較為準(zhǔn)確,準(zhǔn)確率一般可達(dá)50%-70%,如果在控制過程中可以有新進(jìn)的動(dòng)態(tài)檢測儀器的幫助,那么會(huì)大大提高準(zhǔn)確率,一般可以在80%以上,因此此種控制法也被煉鋼企業(yè)廣泛運(yùn)用。而自動(dòng)控制法主要是在動(dòng)態(tài)控制的基礎(chǔ)上通過連接計(jì)算機(jī)來通過進(jìn)行計(jì)算,此種方法可以減少不必要的誤差,并且還可以減少人工的使用,通常準(zhǔn)確率在85%以上,極大的提高了煉鋼的質(zhì)量。在此過程可以得到一系列的動(dòng)態(tài)信息,隨后可以進(jìn)行在線計(jì)算和調(diào)整,然后可以將所得結(jié)果盡快傳遞給控制系統(tǒng),進(jìn)而直接達(dá)到吹煉的目標(biāo)。
隨著我國科技的不斷發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)可以利用光學(xué)參數(shù)即是圖像來進(jìn)行終點(diǎn)控制,另外,一些人工智能也在不斷的被加入到控制過程中來提高準(zhǔn)確率,特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其結(jié)合算法的預(yù)測控制方法,以此來進(jìn)一步優(yōu)化控制的準(zhǔn)確率。
2.1.1 拉碳補(bǔ)吹法
在上文提到終點(diǎn)控制方法主要是控制煉鋼過程中鋼水中的含碳量,避免出現(xiàn)碳含量不合適而對質(zhì)量造成影響。而拉碳補(bǔ)吹法,簡單來說就是在吹煉的過程中通過拉碳來調(diào)整終點(diǎn)的位置,在吹煉到達(dá)終點(diǎn)時(shí)停止吹氧。其中高拉碳+補(bǔ)吹調(diào)整較為常見,主要是因?yàn)樵谖覈懈咛间撝械暮挤秶鷥?nèi)容,所含碳的含量較高,因此脫碳速度較快,因此在判別終點(diǎn)的位置時(shí)有一定的困難,所以需要采用高拉碳的方法。具體過程時(shí)是首先根據(jù)吹煉時(shí)的特征來確定供氧時(shí)間和耗氧量,然后根據(jù)鋼種的碳規(guī)格來進(jìn)行拉碳,需要注意的是此時(shí)的碳規(guī)格需要稍微高一些,隨后進(jìn)行取樣分析,再根據(jù)這一含碳含量的脫碳速度進(jìn)行補(bǔ)吹,直至達(dá)到所要求的終點(diǎn)。采取此種方法進(jìn)行終點(diǎn)控制會(huì)對鐵水的含硫量和含磷量有很好的把控,含硫量在0.02%~0.03%,含磷量全部在 0.048%~0.080%,均符合煉鋼過程中所需的含量。高拉碳冶煉鋼鐵可以保證金屬回收率較高,從而減少了資源的浪費(fèi),可以對原材料進(jìn)行二次利用。
2.1.2 一吹到底增碳法
此方法最主要的是“增碳”,可以在終點(diǎn)時(shí)按低碳含量進(jìn)行控制,然后在出鋼的過程中進(jìn)行增碳,使其達(dá)到所要求的鋼種碳碳含量,在此過程中主要可以多吃廢鋼,從而降低鐵耗。但是,在此過程中對于增碳所用的增碳劑要求較高,不僅需要保證一定的質(zhì)量,純度高,還對硫含量有一定的規(guī)定,如此才能盡可能的避免對鋼水造成污染,影響煉鋼效果。
這種方法相對來說較容易操作,但是此過程中需要注意的事項(xiàng)較多也較重要,一旦把控不好很容易影響整個(gè)煉鋼過程的質(zhì)量。主要包括增碳劑的質(zhì)量和收得率。
2.1.3 氣相(質(zhì)譜儀)定碳法
此種方法主要是進(jìn)行爐氣分析,即是利用質(zhì)譜儀來分析煉鋼過程中轉(zhuǎn)爐內(nèi)的爐氣成分,以此來達(dá)到通過連續(xù)預(yù)測鋼水的目的。所用到的儀器主要包括兩種,紅外分析儀和質(zhì)譜儀,一般來說質(zhì)譜儀使用較多,因?yàn)槠錅?zhǔn)確率高。但是同時(shí)質(zhì)譜儀并未得到推廣,主要是因?yàn)閮x器的精密度較高造成了造價(jià)高,并且零件損壞較快,因此成本較高,并未被廣泛運(yùn)用。
質(zhì)譜儀主要是通過計(jì)算煙氣流量來計(jì)算物料平衡,為終點(diǎn)控制提供數(shù)據(jù),在此過程中主要是利用惰性氣體氬氣,氦氣等進(jìn)行追蹤。在此以氦氣為例,在質(zhì)譜儀分析時(shí)通過對氦氣進(jìn)行跟蹤,從而得出煙氣流量的大小以及成分,然后相關(guān)操作人員需要根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析,以此來得出碳含量的大小,并進(jìn)行調(diào)整。此種方法主要的不足之處便是需要確保爐氣分析設(shè)備的分析精度、爐氣流量的校正計(jì)算準(zhǔn)確性等。當(dāng)然,此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)預(yù)測鋼水的含量和爐氣成分,從而可以對煉鋼過程中產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。
總之,在終點(diǎn)控制的過程中,不同方法有不同的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),操作人員需要根據(jù)具體情況選用合適的方法。
靜態(tài)控制的主要核心是建立精確的模型,模型的準(zhǔn)確度越高,那么靜態(tài)控制的效果越好。其優(yōu)點(diǎn)是可以在吹煉的過程中通過初始的數(shù)據(jù)來進(jìn)行定量分析,從而解決了人工控制的不定性和不一致性,但是同時(shí)由于其并不能對吹煉過程中中的變化進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控調(diào)整,所以準(zhǔn)確率無法得到更大的提高。針對靜態(tài)控制主要有以下幾個(gè)模型。
2.2.1 機(jī)理模型
機(jī)理模型需要考慮的參數(shù)較多,主要是對冶煉過程中的各種參數(shù)進(jìn)行分析,進(jìn)而通過計(jì)算得出相應(yīng)的數(shù)據(jù),并進(jìn)行熱平衡計(jì)算,得出相應(yīng)的模型,主要包括廢鋼,鐵水以及石灰的模型。但是此種模型所涉及的參數(shù)較多,不易控制,因此模型的準(zhǔn)確度相對較低。除此之外,因?yàn)檗D(zhuǎn)爐煉鋼的過程中有許多反應(yīng)機(jī)理尚未探明,所以在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)通常會(huì)借助人工的經(jīng)驗(yàn),也就使得機(jī)理模型的建立是半經(jīng)驗(yàn)半機(jī)理。
2.2.2 增量模型
增量模型的建立需要有一定的經(jīng)驗(yàn),因此也會(huì)被稱為經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?。主要是參考?xì)v史爐次的冶煉初態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)增量來進(jìn)一步確定本爐的操作變量,需要相關(guān)的操作人員在能準(zhǔn)確選取參考的爐次,以此來為接下來的吹煉做好熱平衡的計(jì)算。同時(shí)還需要考慮本爐中的變量差異,相關(guān)操作者可以根據(jù)建立的增量模型來得出對應(yīng)的數(shù)據(jù),從而進(jìn)一步確定吹煉過程中的吹氧量和冷卻計(jì)量。這種模型相對來說較為簡便,操作者可以自學(xué),但是同時(shí)在選擇參考爐次方面需要有較多的經(jīng)驗(yàn)才能選擇合適的參考數(shù)據(jù)。
2.2.3 統(tǒng)計(jì)模型
統(tǒng)計(jì)模型的建立前期需要準(zhǔn)備的工作較多,因?yàn)槠渲豢紤]輸入量和輸出量,并根據(jù)這兩種參數(shù)得出具體的分析。想對其他模型來說,統(tǒng)計(jì)模型由于考慮的參數(shù)較少,因此操作簡便,但是模型的建立需要參考大量的數(shù)據(jù),建模前期工作量較大。然而一旦模型建立,那么終點(diǎn)的準(zhǔn)確率便會(huì)有所提高,由于只考慮輸入量與輸出量,所以在冶煉過程中其他的不良因素可以不被考慮其中,因此減少了隨機(jī)因素的影響。
2.2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
由于科技的發(fā)展,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的發(fā)展也越來越快速,已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用到靜態(tài)控制中。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自組織、強(qiáng)魯棒性和能夠逼近任意非線性函數(shù)的能力,因此為靜態(tài)控制建立數(shù)學(xué)模型的困難提供了更好的解決方法。
動(dòng)態(tài)控制相對靜態(tài)控制來說具有一定的優(yōu)點(diǎn),可以對煉鋼過程中的變化進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控,但是動(dòng)態(tài)控制與靜態(tài)控制有一定的關(guān)聯(lián),其主要建立在靜態(tài)控制所建立的模型之上。
副槍動(dòng)態(tài)控制主要是轉(zhuǎn)爐吹煉后期需要使用副槍測定鋼水的溫度和結(jié)晶碳濃度,以此來計(jì)算為了達(dá)到轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)所需的鋼水碳含量所需的吹氧量和冷卻量,然后利用相應(yīng)的函數(shù)來具體推測吹煉過程中的碳含量,及時(shí)對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。
爐氣分析的動(dòng)態(tài)控制法主要是可以實(shí)現(xiàn)對煉鋼轉(zhuǎn)爐過程中的連續(xù)檢測,從而更好的對參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。這種檢測方法相對來說較為全面,因?yàn)樵诖诉^程中不僅可以得出相應(yīng)的碳含量,還可以測出在煉鋼過程中的雜質(zhì),進(jìn)而幫助操作者通過分析調(diào)整終點(diǎn)的確定,提高準(zhǔn)確率。
自動(dòng)控制法是目前轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制法中較為準(zhǔn)確和先進(jìn)的方法,準(zhǔn)確率最高可達(dá)95%以上,因此相關(guān)企業(yè)要想提高煉鋼的質(zhì)量,需要加大自動(dòng)控制發(fā)的使用。目前,通過自動(dòng)控制方法主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾種數(shù)據(jù)檢測。
(1)爐渣在線檢測,監(jiān)控并調(diào)整爐渣的狀況。
(2)爐氣在線分析,進(jìn)一步預(yù)測熔池碳含量和溫度。
(3)模糊判斷和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),調(diào)整控制模型。
(4)副槍動(dòng)態(tài)控制技術(shù),檢測鋼水的溫度和成分,調(diào)整和控制鋼水的碳和溫度。
轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)不同的階段,從最開始的人工經(jīng)驗(yàn)控制法到后面的自動(dòng)化控制法,不僅展現(xiàn)了我國的科技進(jìn)步,更是可以幫助我國的煉鋼使用快速的發(fā)展。但是由于不同煉鋼廠的規(guī)模和技術(shù)水平有所差別,因此在轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制技術(shù)還存在一定的問題。此外,目前我國爐型的類型相對不夠完善,在發(fā)展過程中很大程度上會(huì)由于于爐型而受到阻礙。
目前我國的轉(zhuǎn)爐發(fā)展更加趨于大型化,一些小型的轉(zhuǎn)爐已經(jīng)逐漸被閑置,但是由于大型爐型還有一些限制,還受經(jīng)濟(jì)的影響,因此小型的轉(zhuǎn)爐還有存在的必要性。首先,目前小型轉(zhuǎn)爐的自動(dòng)化水平較低,在使用過程中更多的是要依賴人工經(jīng)驗(yàn),從而使得準(zhǔn)確率較低,針對此問題主要是需要不斷的加大投資力度,使人工智能來促進(jìn)小型轉(zhuǎn)爐的進(jìn)一步使用。其次,目前我國大部分使用的是中型爐,馬鋼、本鋼、攀鋼都都是選用了爐氣分析設(shè)備來進(jìn)行轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制,并且取得了較高的準(zhǔn)確率。
綜上所述可以得知,轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制技術(shù)對于煉鋼過程中有著重要意義,在我國科技不斷進(jìn)步的背景下,應(yīng)該不斷加強(qiáng)對重點(diǎn)控制技術(shù)的研究,以此來提高終點(diǎn)的準(zhǔn)確率,促進(jìn)我國鋼鐵行業(yè)的發(fā)展。對于終點(diǎn)控制技術(shù)的四個(gè)發(fā)展階段,相關(guān)操作人員可以從其中采取優(yōu)點(diǎn)來完善后續(xù)的控制技術(shù),做到取其精華,去其糟粕。