劉博，李超，賈春輝，牛興明，翟寶鵬

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口 115007；2.鞍鋼集團(tuán)財(cái)務(wù)公司，遼寧 鞍山 114001；3.鞍鋼集團(tuán)信息產(chǎn)業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114051）

鋼水中磷含量高會(huì)造成鋼材“冷脆”現(xiàn)象，降低鋼材的機(jī)械性能如塑性、韌性等，還會(huì)影響其熱加工性能。轉(zhuǎn)爐冶煉的重要任務(wù)之一是脫磷，主要通過(guò)造渣、供氧等手段實(shí)現(xiàn)。以往轉(zhuǎn)爐冶煉中，操作者通過(guò)化渣情況、鋼水溫度等綜合因素預(yù)測(cè)和判斷終點(diǎn)的磷含量范圍，誤差大，存在質(zhì)量事故風(fēng)險(xiǎn)。朱坦華等［1-3］通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)磷含量，預(yù)測(cè)偏差為±0.004%以下，冶煉終點(diǎn)磷含量命中率達(dá)到79%以上，但該研究考慮的因素與變量有限，復(fù)雜的煉鋼生產(chǎn)條件下預(yù)測(cè)磷含量還需深入研究。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉鋼部（以下簡(jiǎn)稱“煉鋼部”）目前轉(zhuǎn)爐煉鋼磷含量的智能預(yù)測(cè)模型已運(yùn)行多年，存在問(wèn)題如下：數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)響應(yīng)準(zhǔn)確性與及時(shí)性較差；轉(zhuǎn)爐、副槍儀表與服務(wù)器之間的實(shí)時(shí)通訊存在偏差，無(wú)法保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳遞，極易造成預(yù)測(cè)延時(shí)或不準(zhǔn)確；另外，原料種類、工藝參數(shù)都有一定變化，原有參數(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足復(fù)雜原料和生產(chǎn)工藝條件的要求，因此需對(duì)該預(yù)測(cè)模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水磷含量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，提高生產(chǎn)效率。

1 自動(dòng)化裝備現(xiàn)狀

煉鋼部擁有三座260 t轉(zhuǎn)爐，配有三個(gè)自主研發(fā)的自動(dòng)化二級(jí)模型，配套副槍、質(zhì)譜儀等自動(dòng)化輔助設(shè)備。自動(dòng)化系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備功能情況如下：

圖1 自動(dòng)化系統(tǒng)基本架構(gòu)Fig.1 Basic Architecture for Automation System

（1）副槍。對(duì)轉(zhuǎn)爐鋼水進(jìn)行過(guò)程和終點(diǎn)溫度與碳含量的測(cè)試，轉(zhuǎn)爐吹氧累80%左右時(shí)對(duì)鋼水進(jìn)行過(guò)程測(cè)試，包括測(cè)試轉(zhuǎn)爐冶煉溫度和取樣，根據(jù)過(guò)程測(cè)試獲得鋼水溫度及成分，動(dòng)態(tài)控制終點(diǎn)提槍和加料參數(shù)；轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)提槍后，進(jìn)行終點(diǎn)測(cè)試，包括測(cè)試終點(diǎn)溫度、測(cè)定氧電勢(shì)、測(cè)定液面高度及鋼水取樣。

（2）質(zhì)譜儀。自動(dòng)化動(dòng)態(tài)模型控制需要冶煉中的連續(xù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，但副槍等設(shè)備并不具備這樣測(cè)試的條件，質(zhì)譜儀能夠連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)試爐氣成分，起到輔助控制的作用。

圖2為自動(dòng)化系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖，終點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制可計(jì)算冶煉脫碳速度，鋼渣成分、溫度，以及判斷根據(jù)目標(biāo)溫度需要加入的冷卻劑或提溫劑的重量并決定吹煉終點(diǎn)，根據(jù)鋼-渣反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)及其和爐氣成分的變化關(guān)系預(yù)測(cè)鋼水溫度和成分，包括磷含量的預(yù)測(cè)。

圖2 自動(dòng)化系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖Fig.2 Production Process Flow Chart for Automation System

2 轉(zhuǎn)爐脫磷理論分析

2.1 熱力學(xué)因素分析

脫磷反應(yīng)是鋼-渣間的界面反應(yīng)，轉(zhuǎn)爐脫磷反應(yīng)為放熱反應(yīng)，具體反應(yīng)如式（1）［4］。

由式（1）分析可知，影響轉(zhuǎn)爐脫磷的主要因素有：溫度、渣中CaO含量和FeO含量。

（1）溫度

由于脫磷反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，根據(jù)熱力學(xué)原理，低溫條件有利于脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。

（2）渣中CaO含量

CaO是影響堿度的最重要因素，從式（1）看出CaO提高有利于促進(jìn)反應(yīng)向正向進(jìn)行。

（3）渣中FeO含量

渣中FeO為反應(yīng)的氧化性指標(biāo)，在冶煉反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。從式（1）看出，F(xiàn)eO含量增加有利于反應(yīng)向正向進(jìn)行，促進(jìn)脫磷反應(yīng)，同時(shí)有利于降低反應(yīng)產(chǎn)物熔點(diǎn)，有利于泡沫渣的形成，是脫磷反應(yīng)的有利因素。

（4）造渣料重量

渣量較多時(shí)，相對(duì)降低P2O5含量，使得反應(yīng)向正向進(jìn)行；相反渣量較少則不利于反應(yīng)向正向進(jìn)行。

2.2 動(dòng)力學(xué)因素分析

整個(gè)脫磷反應(yīng)主要限制環(huán)節(jié)為氧的擴(kuò)散［4］。

（1）氧槍槍位的影響。氧槍槍位過(guò)低時(shí)，氧氣射流對(duì)熔池的沖擊動(dòng)能大，熔池?cái)嚢杓訌?qiáng)，氧氣利用率高，脫碳速率較快，渣中FeO含量低，影響脫磷效果；氧槍槍位較高時(shí)，將減弱熔池的攪拌能力，使渣中FeO增加，化渣較快，脫磷速率提高。

（2）底吹效果的影響。復(fù)吹能明顯縮短鋼水的混勻時(shí)間，加強(qiáng)攪拌，增加熔渣與金屬接觸機(jī)率，改善動(dòng)力學(xué)條件，促進(jìn)脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)如果底吹供氣量過(guò)大也會(huì)加速碳氧反應(yīng)的進(jìn)行，降低渣中FeO含量。

3 優(yōu)化相關(guān)參數(shù)

3.1 優(yōu)化溫度的采集

冶煉過(guò)程中副槍測(cè)溫示意圖如圖3所示。主要溫度點(diǎn)如A、B及C點(diǎn)，測(cè)溫元件進(jìn)入鋼水測(cè)試，溫度不斷升高并進(jìn)入平臺(tái)期到達(dá)A點(diǎn)，測(cè)溫偶頭緩慢提起后，溫度穩(wěn)定到達(dá)B點(diǎn)，當(dāng)測(cè)溫偶頭完全進(jìn)入渣層后，溫度達(dá)到最高C點(diǎn)，測(cè)溫偶頭離開熔渣后溫度急劇下降。記錄三點(diǎn)的溫度取平均值以提高溫度準(zhǔn)確性。

圖3 冶煉過(guò)程中副槍測(cè)溫示意圖Fig.3 Schematic Diagram for Temperature Measurement by Sublance during Smelting Process

3.2 優(yōu)化鋼水氧含量的采集

鋼液氧活度檢測(cè)方法為，通過(guò)副槍終點(diǎn)探頭測(cè)量鋼水的氧電勢(shì)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)公式換算出鋼水氧活度。其中爐渣氧勢(shì)的檢測(cè)原理主要是利用終點(diǎn)測(cè)試的電勢(shì)能差電池在鋼水中為回路的一端，大地為回路的另一端，二者之間的電勢(shì)差就是爐渣的氧電勢(shì)。優(yōu)化了副槍電勢(shì)參數(shù)表，在測(cè)試氧電勢(shì)過(guò)程中，除記錄鋼水氣氧活度，還記錄了爐渣的氣溫活度，使測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。

3.3 優(yōu)化堿度的計(jì)算

原模型采用二元堿度計(jì)算方法，即R=CaO/SiO2，優(yōu)化后采用四元堿度計(jì)算方法，即R=（CaO+MgO）/（Al2O3+SiO2），使得堿度計(jì)算更加合理，預(yù)測(cè)磷含量也更加準(zhǔn)確。

3.4 優(yōu)化其他參數(shù)

引入造渣總量參數(shù)，通過(guò)采集所加熔劑、冷卻料、護(hù)爐料等物料量，計(jì)算出總造渣量，作為預(yù)測(cè)終點(diǎn)磷含量的參數(shù)。渣量較少時(shí)，適當(dāng)提高終點(diǎn)預(yù)測(cè)磷含量；通過(guò)前5爐平均碳氧積數(shù)值判斷轉(zhuǎn)爐復(fù)吹效果的好壞，作為預(yù)測(cè)磷含量的參數(shù)；同樣條件下，碳氧積較高時(shí)，提高終點(diǎn)磷含量的預(yù)測(cè)值，可起到磷含量超標(biāo)預(yù)警的作用。

4 系統(tǒng)流程與模型總體優(yōu)化

對(duì)系統(tǒng)流程及模型總體進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)，內(nèi)容包括：完善與檢化驗(yàn)系統(tǒng)的通訊，提高傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性，保證終點(diǎn)磷含量預(yù)測(cè)參數(shù)中相關(guān)元素的取值可靠性；改進(jìn)轉(zhuǎn)爐儀表PLC與OPC服務(wù)器之間的通訊，保證冶煉中裝入量等原料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)與準(zhǔn)確；修改副槍PLC與OPC服務(wù)器之間的通訊程序，保證過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確與及時(shí)。

4.1 系統(tǒng)流程優(yōu)化

優(yōu)化動(dòng)態(tài)模型的迭代計(jì)算，優(yōu)化后動(dòng)態(tài)控制流程如圖4所示。磷含量預(yù)測(cè)模型計(jì)算流程與工藝操作流程相適應(yīng)，優(yōu)化后如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后動(dòng)態(tài)控制流程示意圖Fig.4 Schematic Diagram for Dynamic Control Flow after Optimization

圖5 優(yōu)化后磷含量預(yù)測(cè)流程示意圖Fig.5 Schematic Diagram for Optimized Phosphorus Content Prediction Process

爐次開始后，從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前參數(shù)和冶煉終點(diǎn)磷預(yù)測(cè)機(jī)收集的相關(guān)冶煉數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)本爐終點(diǎn)磷含量。轉(zhuǎn)爐進(jìn)行TSO測(cè)試時(shí)，將本爐的鐵水成分、鐵水重量、廢鋼種類及數(shù)量、轉(zhuǎn)爐加入的造渣材料種類及對(duì)應(yīng)數(shù)量、TSC測(cè)試數(shù)據(jù)、TSC測(cè)試后吹氧量、最近5爐碳氧積平均值、TSO測(cè)試結(jié)果等通過(guò)各自的PLC存入到磷預(yù)測(cè)計(jì)算系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 磷含量預(yù)測(cè)模型優(yōu)化

4.2.1 顯著因子及公式回歸

根據(jù)前文理論分析，并結(jié)合冶煉中影響脫磷的生產(chǎn)條件，選取2年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Minitab逐步回歸法，將預(yù)測(cè)磷的顯著影響因子進(jìn)行多元線性回歸，形成磷預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)公式?；貧w法中顯著影響因子根據(jù)影響磷反應(yīng)進(jìn)行的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)確定［4］，其它影響較小或不相關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)未進(jìn)行回歸分析，具體數(shù)據(jù)構(gòu)成為：

轉(zhuǎn)爐吹煉開始后，模型計(jì)算系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取最新的 500爐數(shù)據(jù)，包括鐵水成分（C、Si、Mn、P、S）、入爐鐵水及廢鋼重量、轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程的各種造渣材料重量、TSC測(cè)試后的吹氧量、TSC和TSO測(cè)試數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量、碳氧積等。將讀取的數(shù)據(jù)組成矩陣，以P元素為Y列，其余數(shù)據(jù)組成因子矩陣，求解每列因子相應(yīng)的參數(shù)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)所有參數(shù)與數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣運(yùn)算，求解終點(diǎn)磷含量。

4.2.2 參數(shù)自學(xué)習(xí)

按照本模型預(yù)測(cè)方法構(gòu)造公式，為確保數(shù)據(jù)與生產(chǎn)參數(shù)的可靠性與實(shí)效性，優(yōu)化了參數(shù)的自學(xué)習(xí)模型。在模型進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，讀取自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)500爐數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)回歸運(yùn)算，以自學(xué)習(xí)參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)的磷含量進(jìn)行修正。

5 取得的效果

磷含量預(yù)測(cè)模型優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)成品磷含量＜0.05%鋼種終點(diǎn)磷含量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，磷含量預(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差＜±0.003%的比例達(dá)到90%以上，對(duì)比情況如圖6所示。

圖6 終點(diǎn)磷含量實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比Fig.6 Comparison of Actual Phosphorus Content and Predicted One at the End Point

兩者最大偏差為±0.004%，對(duì)于成品磷上限0.025%的品種，實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)磷含量＜0.020%不等樣出鋼。統(tǒng)計(jì)80爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)得出轉(zhuǎn)爐平均取樣時(shí)間縮短1.2 min/爐，對(duì)提高生產(chǎn)效率、減少生產(chǎn)質(zhì)量事故的發(fā)生起到良好的控制效果。

6 結(jié)語(yǔ)

基于轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中影響脫磷的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，分析了鋼水溫度、渣氧化性及堿度等影響脫磷的相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)的采集和計(jì)算，優(yōu)化了磷含量預(yù)測(cè)模型的系統(tǒng)流程、模型計(jì)算和參數(shù)自學(xué)習(xí)。模型優(yōu)化應(yīng)用后，提高了終點(diǎn)鋼水磷含量預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，轉(zhuǎn)爐平均取樣時(shí)間縮短1.2 min/爐，對(duì)提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)質(zhì)量事故的發(fā)生起到良好的控制效果。