摘要:由人工经验控制到动态智能控制是转炉炼钢自动化的发展方向，而利用质谱仪在线分析转炉烟气进行动态控制是实现转炉炼钢自动化最有效的途径:介绍了烟气分析动态控制炼钢技术在马钢120t转炉的开发应用情况，对提局转炉终点命中率，实现炼钢自动化，特别是对国内中小型转炉具有借鉴作用。
关键词:转炉 烟气分析 自动化炼钢 应用成效
1 前言
2004年6月马钢三座120t转炉先后引进了澳钢联烟气分析(LOMAS)进行全程动态控制炼钢技术,并结合马钢实际情况对该技术进行了优化和进一步开发,实现了在转炉吹炼时全程快速分析炉气成分(1.5秒周期),根据炉气变化情况动态计算脱碳速率和钢水C含量,特别在吹炼末期炉内[C]、[O]反应趋于平衡后,动态计算、校正熔池温度,准确预报吹炼末期熔池的碳、温度值,根据动态计算、预报的终点[C]、T并结合转炉烟气变化曲线确定吹炼终点并自动提枪结束吹炼,实现转炉不倒炉直接出钢自动化炼钢技术。
2 系统组成
整个系统由三部分组成(见图1):①负责转炉烟气采集、处理的低维护量的LOMAS系统; ②在线分析质谱仪;③转炉烟气分析动态控制系统。
2.1 LOMAS烟气采集和处理系统
LOMAS烟气采集和处理系统可以采集温度高达1800℃、烟尘含量高达100mg/m3的气体。LOMAS系统由两个气体采集探头、现场处理柜、气体处理柜、控制柜、分析柜组成。
分析系统借助每一转炉上的2个探头来保证无间断连续性测量的进行,其中一个探头用于烟气周期性取样,另一个进行清洗备用,将多余的测量烟气反吹到烟气冷却段。
2.2 在线分析质谱仪
在线分析质谱仪对LOMAS系统采集处理后的转炉烟气进行成分分析,其主要特点是分析速度快、精度高分析转炉烟气中的六种主要气体成分的周期小于1.5秒,可根据转炉烟气中CO、CO2和O2含量的变化进行及时、准确的测定，以便动态模型对吹炼后期脱碳速率变化进行计算，为终点的[C],T预报提供准确的计算依据。
2.3 转炉烟气分析动态控制系统
转炉烟气分析动态控制系统主要由静态模型和动态模型两部分组成。
2.3.1 静态控制模型
静态控制模型(一次、二次加料计算)的主要任务是依据原料条件寻找最佳原料配比，并根据实际配料确定冶炼方案，如造渣制度、吹炼制度，转炉根据静态控制模型设定的吹炼方案进行吹炼，在吹炼过程中一级系统根据静态模型的设定值自动进行加料、吹氧(包括枪位控制)等操作，并根据铁水、废钢以及加入炉内造渣料的信息计算终点钢水温度。
由于采用烟气分析后获得的信息量增加，在以下几个方面对传统转炉静态模型进行了改进:
1)在静态模型的热平衡计算中，二次燃烧率CO2/(CO十CO2)为设定值，使用烟气分析后它可使用实际测量数据，因而可获得一个符合实际吹炼的数值;
2)在静态模型的物料平衡计算中，炉气中CO与CO2的比值为假定值，现在也可由烟气分析获得一个与实际情况更加吻合的数值;
3)在静态模型中，渣中的氧化铁含量为设定值，采用烟气分析后，通过对渣中的氧累积量进行动态计算，可对该值进行更精确的设定;
4)在静态模型中,炉气量和炉气温度都取经验值,采用烟气分析后,这些值可直接获得。
2.3.2 动态控制模型
转炉动态控制模型是整个系统的核心部分,同时是对静态模型精度的补偿。根据物料平衡、能量平衡、热力学、动力学等理论,以及炉气分析结果建立脱C速度计算模型、温度变化计算模型、其它元素变化计算模型等,采用增量校验技术和神经网络技术实现对分析结果延误的矫正和系统误差的消除,提高转炉终点命中率。
动态模型主要山炉气定碳模块、温度预报模块、喷溅预报模块、冷却剂控制模块构成。模型的自学习、自适应功能的实现是提高模型精度和实用性的关键。
动态控制模型主要在吹炼末期2分钟,炉内[C],[O]反应趋于平衡后,通过取样系统和质谱仪连续采集、分析(1.5秒周期)转炉炉口逸出的炉气成分,根据炉气成分的变化,动态控制模型计算脱碳速率,为操作人员提供吹炼结束前2分钟钢中碳含量的变化情况,根据动态模型计算的终点[C]、T并结合转炉烟气变化曲线由模型自行确定吹炼终点。
3 工艺流程控制
整个系统以二级服务器为中心,一级PLC采集的数据经过操作室的HMI(人机接口计算机)输入服务器，服务器内的工艺模型根据输入数据进行各种模型计算，并将计算结果显示在操作室的HMI上，由操作人员确认后将计算结果发送到一级系统执行计算结果。
3.1 加料计算
一次和二次加料计算:这两个模型一起决定所有入炉原料，相当于吹炼过程的完整预计算，二者区别在于，一次加料计算开始前依据生产计划和钢种定义来计算合适的铁水和废钢数量，二次加料计算是在基于己经兑入炉中的铁水和废钢数量来计算需要的吹氧量、造渣料量以及加热或冷却剂量。
加料计算输入值为①铁水成分、温度;②废钢分类重量;③出钢钢水成分、温度;模型计算输出值为①供氧总量;②转炉造渣料分类以及加料量。
强调成分、温度、重量的准确性，造渣料每周抽查二次成分及时更新。一次，二次加料静态模型计算所需要散状料和氧气量，以使吹炼结束时钢水温度和碳含量达到目标值。
3.2 钢水液面计算
模型依据转炉尺寸和原料加入量来决定钢水液面位置，在每炉吹炼前自动启动以保证最合适的枪位高度。另一方面，当测量实际液面后，模型会及时做出反映炉衬侵蚀的反馈计算。当模型接受到装入的铁水和废钢重量时，自动进行熔池液面计算。熔池液面计算结果为以固定点为参照的熔池高度和熔池位置，熔池液面计算考虑到了转炉几何尺寸和因转炉炉衬寿命引起的实际磨损。
3.3 过程动态控制计算
动态控制(DYNACON)的目的是计算吹炼的必要氧气量,以使钢中C浓度达到指定的目标值,并确保吹炼结束时钢水达到满意状态(渣中Fe含量和氧活度)。周期计算的脱碳率到吹炼结束时的剩余时间和脱碳量等数据可用图表的形式表示,并提供相关工艺过程信息。
在吹炼过程中,模型周期性地计算脱碳速率和熔池中实际含碳量,吹炼结束前约两分钟模型进行“脱碳速率递减”，计算同时烟气成分的显著变化能够帮助模型决定吹炼终点，精确命中目标碳含量:[C]=f(CO、CO2,dc/dt;N2,O2)
终点确定分为以下三个步骤:
1)当通过烟气将约85%碳除去时，模型根据碳平衡周期性调整静态模型计算供氧量。
2)模型采用在参数表中列出的参数周期性地检查烟气组分。最后，模型采用计算出的铁水中含碳量来确定最终的吹氧量。
3)碳计算以脱碳率计算和其它几个工艺参数为基础。这些参数取自模型参数表，由模型自身定义并根据以往铁水的特定数据在计算中调整。
3.4 补吹校正计算
在主吹炼结束和出钢开始之间，可以对温度和含碳量进行校正。校正以温度测量值和域试样成分为基础。
补吹校正计算包括以下两个部分:
1)进行整个冶炼状态的二次计算。结果为钢水和渣成分、钢水和渣重量。
2)校正计算以前面的二次计算为基础,并检查成分和目标温度是否达到目标值。
校正类型应由操作者选择，系统将根据所选校正类型计算原料和氧气。
3.5 反馈计算
反馈计算的目的是对转炉炉役中发生变化的工艺模型进行在线调整，反映整个炉役过程中发生缓并变化的模型参数。原因有转炉炉衬侵蚀、吹炼氧枪喷嘴磨损、额外热损失、氧利用率。
3.6 出钢合金模型
根据钢水终点情况，计算合金加入量，同时考虑合金因素，既满足成分要求又做到最经济。
4 结合实际进一步开发完善模型
1)开发转炉底吹搅拌与长寿炉龄同步技术，以使熔池的钢水成分和温度搅拌均匀，并使烟气中的一氧化碳、二氧化碳和氧浓度能真实反映转炉熔池氧化反应过程，保持全炉役烟气分析有效、准确。
2)针对所用造渣料质量差、成分波动大，相应对平衡方程计算原理进行修改。如对吹炼时石灰中含有CaCO3高温分解过程在方程中加入吸热效应的理论计算的完善措施等，使终点温度达到目标值的准确率大大提高。
3)针对马钢高炉铁水的磷、硅含量波动大,吹炼过程易发生喷溅和氧枪粘钢的现象,经过实践摸索和总结,制定了不同的供氧模式和加料模式。
4)全过程追踪参数,提高终点碳、温度的达标率,实现直接出钢,在奥钢联提供的基本平衡方程的基础上,经过1000多炉现场跟踪数据的统计回归和烟气成分分析数据,对修正系数方程的各项系数逐项进行调整,使平衡方程与转炉实际工艺参数和结果接轨。
5 应用成效
投入烟气分析动态炼钢系统后,转炉终点碳、温度达标率较之以前明显提高,校正补吹率明显下降,喷溅减少,金属料损失减少,缩短了冶炼周期,加快了生产节奏。
5.1 转炉炼钢参数达到目标范围
在采用烟气分析动态控制炼钢技术后,所有钢种终点 C均设定在0.04%～0.07%,2005年3月～12月共进行了5276炉终点C,温度预报准确性的统计分析(其中在炉前测温取样的炉次为3079炉,直接出钢过程中在炉后测温、取样的炉次为2197炉)。在统计炉次中终点 C预报值命中(士0.01%偏差)的为4975炉,终点温度预报值(士16℃偏差)命中的为4917炉,合格率分别为
C(±0.01%):4975/5276×100%=94.3%
T(士16℃):4917/5276×100%=93.2%
C-T同时命中:4674/5276×100%=88.6%
转炉校正补吹率逐渐下降,己由模型投用以前的90%降低到目前7.4%,对发挥转炉快节奏生产的潜能起到了有力的支撑作用。
5.2 吹炼过程的喷溅明显下降
经过对烟气分析曲线变化趋势的研究,掌握了喷溅发生与曲线的对应关系,开发了对可能出现喷溅的预报模式,提醒操作者及时采取措施制止喷溅发生,转炉喷溅发生率明显下降,由原来的21%降低到现在的5.9%。由此使吹炼的金属料消耗由原来的9.1%降低到8.6%。
5.3 转炉冶炼时间缩短
采用数字化全过程动态控制后,操作工可以直观地看到炉内的冶金反应情况,特别是对冶炼末期钢水碳含量和温度的变化可以直接从数字化曲线上得知，因此终点碳、温度命中率很高。为了匹配薄板坯连铸周期，经过对工艺制度的修定，开发出了直接出钢的冶炼模式，使转炉冶炼周期从34min缩短到31min,实现直接出钢，日产钢增量3炉/座。以单炉出钢量120t计算，三座转炉每天净增产量1000t;月增产量3万t,年生产按90%作业率计算，增产量近35万t。
5.4 吹炼过程平稳和钢水质量稳定提高
针对冶炼原料条件变化较大的特点对烟气分析动态控制模型区间做了适应性调整，首次在模型中开发了不同原料条件下的供氧制度和造渣料加入制度，减少了人为因素的影响，保证吹炼过程的平稳性，确保终点[P]、[S]含量达到内控标准，特别是实现不倒炉直接出钢，防止钢水过吹，使终点钢水活度氧含量由平均758ppm下降到535ppm,提高了钢水质量，降低了合金消耗，为下道工序提供稳定高质量钢水。
6 结束语
马钢120t转炉通过引进烟气分析动态控制炼钢技术,并结合马钢情况进行了优化和进一步开发,提高了终点碳、温度命中率,降低了喷溅发生率,实现全过程自动控制不倒炉直接出钢技术,该技术具有可靠性强,投资少(三座转炉2000万元),运行成本低(0.6元/吨钢),设备维护方便,基建改造简单(只在烟道上安装取样探头),无需停产,避免了上副枪设备复杂,维护、操作费用较高的缺点,适用于各类转炉,特别是对国内中、小转炉实现自动化炼钢具有现实意义。
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