转炉炼钢终点控制技术探讨

2022-01-01朱建华

中国金属通报 2021年13期

朱建华

（天津荣程联合钢铁集团有限公司，天津 300350）

转炉炼钢终点控制主要是炼钢后期的重要操作，这一步骤会直接对炼钢的质量造成一定的影响，所以应该得到更加广泛的重视。就目前我国炼钢技术的发展来看，在连铸工艺、炉外精炼手段方面在不断发展，因此转炉炼钢终点的控制成为了限制钢铁行业发展的重要环节。对炼钢的终点控制主要可以分为静态控制和动态控制，如今伴随着我国科技的不断进步，智能终点控制法已经被研究，并得到使用，从而使得炼钢过程中的终点控制变得更为简单。因此，相关炼钢企业需要不断的改进转炉炼钢终点，从而不断的提高炼钢质量。

1 转炉炼钢终点控制技术的发展

此技术主要是需要控制炼钢过程中钢水的成分和温度，在控制成分方面主要是需要合理控制钢水的碳含量，如果过高会对脱磷脱硫产生一定的影响，而过低又会造成刚中的氧、氮含量增加，不利于炼钢。控制温度的过程中一旦温度不合理，那么便会加大原材料的消耗，也会对炉衬的使用寿命造成一定的影响，从而影响钢材的质量，提高成本。

在终点控制的技术发展过程中主要经历了人工经验控制，静态控制，动态控制，自动控制四个过程，每经历一个过程中终点的准确率都在不断的提高，最终可以更好的提高炼钢的质量。在人工控制阶段，操作者主要是根据自己已有的经验对炼钢过程中观察炉火的变化，声音，然后再通过借助测温定碳、炉前取样快速分析等常规检测手段来进一步确定终点，但是这种方法过于片面，并不能很好的把控终点，因此准确率较低，一般在30%-50%，会极大的浪费原材料和影响炼钢的质量。静态控制法准确率稍微有所提高，大概为40%-60%，但是操作过程较为复杂，需要大量的计算，并且还想要借助操作者的经验进行合理的调整。此种控制法主要是建立在静态模型的基础上，操作者需要根据钢水的成分，温度来建立模型，然后根据模式进行物料平衡和热平衡的计算，并且对一些经验数据和参数进行纠正，对材料加以指导。当然，根据模型计算出来的数据有时并不准确，所以需要根据经验来对最终的参考进行有效的调整。

动态控制则是需要在静态模型的基础上建立动态模型，主要是在炼钢后期对吹炼过程进行动态的监控，以此来调整参数。这种控制法相对于静态控制法来说较为准确，准确率一般可达50%-70%，如果在控制过程中可以有新进的动态检测仪器的帮助，那么会大大提高准确率，一般可以在80%以上，因此此种控制法也被炼钢企业广泛运用。而自动控制法主要是在动态控制的基础上通过连接计算机来通过进行计算，此种方法可以减少不必要的误差，并且还可以减少人工的使用，通常准确率在85%以上，极大的提高了炼钢的质量。在此过程可以得到一系列的动态信息，随后可以进行在线计算和调整，然后可以将所得结果尽快传递给控制系统，进而直接达到吹炼的目标。

随着我国科技的不断发展，现在已经可以利用光学参数即是图像来进行终点控制，另外，一些人工智能也在不断的被加入到控制过程中来提高准确率，特别是神经网络或其结合算法的预测控制方法，以此来进一步优化控制的准确率。

2 转炉炼钢的终点控制

2.1 终点控制方法

2.1.1 拉碳补吹法

在上文提到终点控制方法主要是控制炼钢过程中钢水中的含碳量，避免出现碳含量不合适而对质量造成影响。而拉碳补吹法，简单来说就是在吹炼的过程中通过拉碳来调整终点的位置，在吹炼到达终点时停止吹氧。其中高拉碳+补吹调整较为常见，主要是因为在我国中高碳钢中的含碳范围内容，所含碳的含量较高，因此脱碳速度较快，因此在判别终点的位置时有一定的困难，所以需要采用高拉碳的方法。具体过程时是首先根据吹炼时的特征来确定供氧时间和耗氧量，然后根据钢种的碳规格来进行拉碳，需要注意的是此时的碳规格需要稍微高一些，随后进行取样分析，再根据这一含碳含量的脱碳速度进行补吹，直至达到所要求的终点。采取此种方法进行终点控制会对铁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%，均符合炼钢过程中所需的含量。高拉碳冶炼钢铁可以保证金属回收率较高，从而减少了资源的浪费，可以对原材料进行二次利用。

2.1.2 一吹到底增碳法

此方法最主要的是“增碳”，可以在终点时按低碳含量进行控制，然后在出钢的过程中进行增碳，使其达到所要求的钢种碳碳含量，在此过程中主要可以多吃废钢，从而降低铁耗。但是，在此过程中对于增碳所用的增碳剂要求较高，不仅需要保证一定的质量，纯度高，还对硫含量有一定的规定，如此才能尽可能的避免对钢水造成污染，影响炼钢效果。

这种方法相对来说较容易操作，但是此过程中需要注意的事项较多也较重要，一旦把控不好很容易影响整个炼钢过程的质量。主要包括增碳剂的质量和收得率。

2.1.3 气相（质谱仪）定碳法

此种方法主要是进行炉气分析，即是利用质谱仪来分析炼钢过程中转炉内的炉气成分，以此来达到通过连续预测钢水的目的。所用到的仪器主要包括两种，红外分析仪和质谱仪，一般来说质谱仪使用较多，因为其准确率高。但是同时质谱仪并未得到推广，主要是因为仪器的精密度较高造成了造价高，并且零件损坏较快，因此成本较高，并未被广泛运用。

质谱仪主要是通过计算烟气流量来计算物料平衡，为终点控制提供数据，在此过程中主要是利用惰性气体氩气，氦气等进行追踪。在此以氦气为例，在质谱仪分析时通过对氦气进行跟踪，从而得出烟气流量的大小以及成分，然后相关操作人员需要根据所得数据进行有效的分析，以此来得出碳含量的大小，并进行调整。此种方法主要的不足之处便是需要确保炉气分析设备的分析精度、炉气流量的校正计算准确性等。当然，此方法的主要优点是可以连续预测钢水的含量和炉气成分，从而可以对炼钢过程中产生的废气进行精准的控制。

总之，在终点控制的过程中，不同方法有不同的优点与缺点，操作人员需要根据具体情况选用合适的方法。

2.2 转炉终点的静态控制

静态控制的主要核心是建立精确的模型，模型的准确度越高，那么静态控制的效果越好。其优点是可以在吹炼的过程中通过初始的数据来进行定量分析，从而解决了人工控制的不定性和不一致性，但是同时由于其并不能对吹炼过程中中的变化进行及时的监控调整，所以准确率无法得到更大的提高。针对静态控制主要有以下几个模型。

2.2.1 机理模型

机理模型需要考虑的参数较多，主要是对冶炼过程中的各种参数进行分析，进而通过计算得出相应的数据，并进行热平衡计算，得出相应的模型，主要包括废钢，铁水以及石灰的模型。但是此种模型所涉及的参数较多，不易控制，因此模型的准确度相对较低。除此之外，因为转炉炼钢的过程中有许多反应机理尚未探明，所以在进行模型构建时通常会借助人工的经验，也就使得机理模型的建立是半经验半机理。

2.2.2 增量模型

增量模型的建立需要有一定的经验，因此也会被称为经验模型。主要是参考历史炉次的冶炼初态和目标状态增量来进一步确定本炉的操作变量，需要相关的操作人员在能准确选取参考的炉次，以此来为接下来的吹炼做好热平衡的计算。同时还需要考虑本炉中的变量差异，相关操作者可以根据建立的增量模型来得出对应的数据，从而进一步确定吹炼过程中的吹氧量和冷却计量。这种模型相对来说较为简便，操作者可以自学，但是同时在选择参考炉次方面需要有较多的经验才能选择合适的参考数据。

2.2.3 统计模型

统计模型的建立前期需要准备的工作较多，因为其只考虑输入量和输出量，并根据这两种参数得出具体的分析。想对其他模型来说，统计模型由于考虑的参数较少，因此操作简便，但是模型的建立需要参考大量的数据，建模前期工作量较大。然而一旦模型建立，那么终点的准确率便会有所提高，由于只考虑输入量与输出量，所以在冶炼过程中其他的不良因素可以不被考虑其中，因此减少了随机因素的影响。

2.2.4 人工神经网络模型

由于科技的发展，人工神经网络模型的发展也越来越快速，已经被广泛的运用到静态控制中。由于人工神经网络具有自学习、自组织、强鲁棒性和能够逼近任意非线性函数的能力，因此为静态控制建立数学模型的困难提供了更好的解决方法。

2.3 转炉终点的动态控制

动态控制相对静态控制来说具有一定的优点，可以对炼钢过程中的变化进行实施监控，但是动态控制与静态控制有一定的关联，其主要建立在静态控制所建立的模型之上。

副枪动态控制主要是转炉吹炼后期需要使用副枪测定钢水的温度和结晶碳浓度，以此来计算为了达到转炉终点所需的钢水碳含量所需的吹氧量和冷却量，然后利用相应的函数来具体推测吹炼过程中的碳含量，及时对相应参数进行调整。

炉气分析的动态控制法主要是可以实现对炼钢转炉过程中的连续检测，从而更好的对参数进行及时的调整。这种检测方法相对来说较为全面，因为在此过程中不仅可以得出相应的碳含量，还可以测出在炼钢过程中的杂质，进而帮助操作者通过分析调整终点的确定，提高准确率。

2.4 转炉终点的自动控制

自动控制法是目前转炉炼钢终点控制法中较为准确和先进的方法，准确率最高可达95%以上，因此相关企业要想提高炼钢的质量，需要加大自动控制发的使用。目前，通过自动控制方法主要可以实现以下几种数据检测。

（1）炉渣在线检测，监控并调整炉渣的状况。

（2）炉气在线分析，进一步预测熔池碳含量和温度。

（3）模糊判断和神经网络系统，调整控制模型。

（4）副枪动态控制技术，检测钢水的温度和成分，调整和控制钢水的碳和温度。

3 转炉终点控制技术的展望

转炉终点控制技术的发展经历了四个不同的阶段，从最开始的人工经验控制法到后面的自动化控制法，不仅展现了我国的科技进步，更是可以帮助我国的炼钢使用快速的发展。但是由于不同炼钢厂的规模和技术水平有所差别，因此在转炉终点控制技术还存在一定的问题。此外，目前我国炉型的类型相对不够完善，在发展过程中很大程度上会由于于炉型而受到阻碍。

目前我国的转炉发展更加趋于大型化，一些小型的转炉已经逐渐被闲置，但是由于大型炉型还有一些限制，还受经济的影响，因此小型的转炉还有存在的必要性。首先，目前小型转炉的自动化水平较低，在使用过程中更多的是要依赖人工经验，从而使得准确率较低，针对此问题主要是需要不断的加大投资力度，使人工智能来促进小型转炉的进一步使用。其次，目前我国大部分使用的是中型炉，马钢、本钢、攀钢都都是选用了炉气分析设备来进行转炉终点控制，并且取得了较高的准确率。