碳鋼轉爐二級冶煉模型系統分析

張燕連

（中冶東方工程技術有限公司自動化設計研究所，山東 青島 266555）

引言

轉爐二級工藝控制有助于順利高效地進行煉鋼操作，在這樣的系統中，二級冶煉模型占據重要地位。基于副槍的轉爐自動化煉鋼二級冶煉模型使用靜態和動態兩部分控制模型，目的是為了提高工藝效率和終點溫度以及含碳量的控制精度。這樣的轉爐煉鋼冶煉模型具有以下優點：終點溫度控制精度高；終點含碳量控制精度高；提高工藝效率；減少補吹次數；降低渣中的鐵含量；提高轉爐內襯的壽命；優化廢鋼熔煉效率[1]。本研究依據寶鋼德盛不銹鋼有限公司新煉鋼工程2 座碳鋼轉爐二級冶煉模型應用實際案例，詳細論述二級冶煉模型硬件、軟件和網絡設計，過程控制，過程模型設計等方面內容。

1 轉爐二級冶煉模型的硬件、軟件和網絡設計

1.1 概述

基于副槍的自動化煉鋼控制系統中，轉爐模型包括的模型服務器、操作站、工程師站的硬件和系統軟件[2]。

硬件設備的選擇的原則是在滿足系統要求的可靠性和高性價比的前提下，最大限度的統一設備選型，便于減少設備備件的種類，簡化設備維修。本控制系統在網絡設計方面的原則是全部選用標準TCP/IP 協議的通訊網絡，實現副槍自動化煉鋼系統與其他控制系統的無障礙網絡連接，最大限度滿足整個工廠在共享數據方面的需要。本系統的網絡連接主要包括與基礎自動化（一級）和生產計劃調度信息管理（L2）的數據的通訊。

1.2 硬件和軟件配置

系統涉及的硬件設備主要包括系統服務器、客戶機。

系統涉及的軟件主要包括定制開發的煉鋼模型工藝軟件，定制開發的操作端客戶端軟件，以及相關計算機的操作系統等。系統硬件主要有服務器（每座轉爐配1套），工程師站（只包括冶金工程師站應用軟件），操作員站。

1.2.1 服務器 每座轉爐設置1 臺服務器，實現轉爐模型服務器與其他系統數據交互；轉爐模型服務器基于Windows Server，安裝在計算機室內。服務器采用機柜安裝方式。

服務器軟件配置有：操作系統、應用軟件開發環境、數據庫、轉爐模型與PLC 通訊軟件、轉爐模型與其他計算機通訊軟件、轉爐模型過程控制系統、客戶端軟件。

1.2.2 工程師站 冶金工程師站為基于Windows 的SQL Server 客戶機。其硬件配置有1 臺主機、1 臺顯示器，配套鍵盤、鼠標。

工程師站軟件配置有：操作系統，應用軟件開發環境、數據庫和客戶端軟件。

1.2.3 操作員站 用于實際冶煉在線控制使用，為基于Windows、SQl Server 客戶機，布置在主控制室。操作員站硬件配置有2 臺主機、2 臺顯示器，配套鍵盤、鼠標。

操作員站軟件配置有：操作系統，應用軟件開發環境、數據庫和客戶端軟件。

1.3 硬件及網絡結構

1.3.1 硬件網絡結構圖 根據系統的實際需要，2 座150t 轉爐模型系統硬件網絡結構圖見圖1。

圖1 轉爐模型系統硬件網絡結構

其中：包括2 座轉爐模型服務器2 臺，每臺服務器供一座轉爐使用；包括操作員站（2 臺），供轉爐操作員使用；包括工程師站（1 臺），供冶金工程師使用。

1.3.2 網絡環境 采用基于TCP/IP 協議以太網。服務器采用雙網卡，分別接入一級網和HMI 網；客戶機、工程師站采用HMI 網與服務器相通訊；一級系統與服務器采用一級網進行通訊；三級網采用軟件配置方式進行配置。

1.4 軟件及數據結構

1.4.1 軟件開發及應用環境 轉爐模型系統開發及應用環境見表1。

表1 系統開發及應用環境

1.4.2 系統功能 轉爐模型系統包含系統運行的各種軟件，通訊程序、HMI 程序、模型程序、數據庫，以實現冶煉過程數據采集通訊、模型計算控制、人機交互、數據存儲功能。轉爐模型系統的軟件實現功能分為兩種：模型部分及非控部分[3]。

模型部分（靜態/動態控制模型）包括：主原料計算、熔劑計算、耗氧量計算、冷卻劑計算、動態校正計算及預報、自學習、合金計算等模型。

系統非控程序是一組具有特定功能程序的統稱，完成靜動態控制系統運行環境構建和進程協調工作。系統非控程序實現冶煉計劃、工藝參數、轉爐吹煉模式、鐵水和廢鋼數據通訊，與其它系統（L2 級及L3 級）的通訊、冶煉爐次跟蹤、轉爐日志及報表。

將上述兩種功能集成在一個完整的計算機控制系統中，形成了完整的轉爐模型系統。

1.4.3 數據采集及通訊 轉爐模型系統和一級數據通訊采用OPC 方式，在計算機平臺將一級PLC 數據點配置到實時數據庫的標簽中，實現數據快速采集，根據不同的數據點配置不同的采集頻率，平臺實時數據庫可以為其他應用程序提供最新的一級數據實時值；數據下發一級PLC 功能也由計算機平臺實現[4]。XTransactionService服務可以實現一級信號量快速變化狀態監控和事件輸出。過程控制模塊負責所有調用事件的協調組織；同時利用數據庫實現工藝數據存儲并管理。轉爐模型系統平臺的整體架構圖見圖2。

圖2 轉爐模型系統平臺的整體架構

2 過程控制

2.1 概述

轉爐過程計算機系統建立在基礎自動化的基礎上，用于指導和控制轉爐煉鋼過程，同時監視和收集煉鋼工藝過程的實際數據，處理和存儲大量的工藝和設備數據，形成作業報表[5]。

系統控制過程貫穿整個轉爐的冶煉過程，轉爐控制過程包括的步驟有：爐次開始、生產計劃接管、主原料計算、輔原料計算、發送設定值、吹煉開始、TSC 測量、動態過程、TSO 測量、再吹、吹煉結束、出鋼、合金化、濺渣、出渣/爐次結束。

轉爐模型系統將按照生產計劃所指定的冶煉模式來確定系統控制步驟、模型計算方法。

2.2 系統控制過程的詳述

2.2.1 爐次開始及結束標志 爐次開始的標志規定如下：爐次開始一般采用一級人工確認方式，或者與一級其他約定信號來進行確認（如裝廢鋼開始）。

爐次結束的標志規定如下：爐次結束一般采用一級人工確認方式，或者與一級其他約定信號來進行確認（如出渣結束）。

2.2.2 生產計劃管理 生產計劃三級（L2）下發信息，生產計劃管理包括如下的詳細操作內容及控制過程：（1）三級（L2）發送生產計劃到轉爐模型服務器，該過程由數據庫通訊自動完成；（2） L2 下發本爐生產計劃時候，需要下發出鋼標記、工藝路線、目標溫度、目標碳、鐵包號和廢鋼斗號。（3） 緊急情況下，如無法及時獲得生產計劃信息，操作員可以通過客戶端界面手動建立生產計劃；（4） 如果發送的生產計劃不包括爐次號時，則需經過操作界面的調整完成爐次號的匹配。

2.2.3 主原料計算 完成生產計劃的接管后，系統可進行主原料計算，內容包括冶煉目標計算和廢鋼需求量查詢。半鋼冶煉不進行主原料計算。

冶煉目標計算指出鋼溫度計算，吹煉目標溫度、目標碳由L2 在發送計劃時一并發送給模型系統。操作人員根據實際的需要，可以直接修改、輸入鋼水的吹煉結束溫度確認值。出鋼溫度設定可能對吹煉模式的自動選擇有直接關系。

主原料計算指鐵水和廢鋼計算。鐵水和廢鋼計算依據為鋼種標準、生產計劃，操作人員可對計算結果進行手動修改。計算完成后，操作人員確認所需要的鐵水量和廢鋼量。

2.2.4 副原料計算 副原料計算包括熔劑計算模型和靜態計算模型。根據實際的鐵水成分和溫度以及廢鋼的重量計算如下數據：熔劑加入量、吹氧量、冷卻劑加入量。

根據生產計劃使用的冶煉模式不同，計算模型自動調整選擇對應的計算方法。

計算過程中，熔劑種類、冷卻劑種類與鋼種配置的模式相關，系統自動識別并完成計算。轉爐操作人員根據實際需要，可以對熔劑、吹氧量、冷卻劑計算值進行修改，作為操作員的設定值。在修改熔劑加入量后，操作員可以對耗氧量和冷卻劑重新進行計算。

以上操作完成后，將計算數據和模式數據最終發送到一級系統，作為冶煉實際采用的設定值。

2.2.5 吹煉開始 吹煉開始（首次或中間停吹后的再次吹煉）時，氧槍的流量及槍位由一級系統進行設置并執行。吹煉開始后，一級系統開始按照吹煉和加料模式對吹煉過程進行吹煉和加料控制。轉爐模型系統對生產過程進行連續的在線跟蹤、數據采集。

2.2.6 TSC 測量 一般在吹氧量達到總氧量85%（工程師站參數，絕對值）時啟動副槍測量，測量結果為鋼水碳含量C 和溫度T。TSC 測量時，氧槍槍位及流量控制采用副槍測量模式下設定值；TSC 測量完成后，氧槍槍位及流量恢復至正常吹煉模式動態階段設定值。TSC 測量結果返回時，系統自動啟動動態計算模型，計算結果包括動態氧量、冷卻劑量或發熱劑量。動態計算后，系統進行實時預測計算：采用1～2 s 作為運算周期，根據實際的吹氧量、冷卻劑或發熱劑加入量，實時預測計算熔池C 含量和溫度。

2.2.7 動態過程 動態過程指系統完成TSC 測量至吹煉結束間的控制過程。該控制過程涉及吹氧、加料控制。如果TSC 測量成功且為動態過程自動控制模式，吹煉控制模塊完成氧槍控制、加料控制。轉爐模型系統根據實時預測結果，判斷是否到達冶煉目標，到達時，下發吹煉結束指令至一級。如果第一次TSC 測量不成功，或根據需要進行了第二次TSC 測量（人工方式），系統可以根據后一次測量結果，再次啟動動態計算。如果TSC 測量不成功或為動態過程手動控制模式，則需要操作工手動完成氧槍控制、加料控制及結束吹煉工作。動態過程中，系統實時預測計算熔池C 含量和溫度，為自動及手動停吹提供參考。

2.2.8 TSO 測量 TSO 測量過程由一級系統控制完成，測量結果為熔池氧含量、碳含量和溫度、液面高度。TSO測量后，系統啟動合金計算模型。

2.2.9 合金化 合金化過程包括加入金屬合金料及爐渣改制改質劑過程。合金計算只計算能夠采用合金料倉自動投料的料種。低磷高碳冶煉不涉及合金計算。合金計算依據吹煉結束的鋼水成分，檢化驗結果或TSO 測量結果；至少需要TSO 測量正常進行，在TSO 測量結果到達時，自動啟動合金計算模型。模型計算合金料、脫氧劑、改質劑的加入量。

2.2.10 濺渣 人工選擇濺渣模式，發送給一級系統，由一級系統選擇濺渣氧槍并確認濺渣開始。

濺渣過程中，系統實時采集跟蹤濺渣加料及氧槍的控制情況，濺渣完成后，系統停止過程跟蹤。濺渣加料與留渣均作為下一爐次的計算參數。

2.2.11 出渣 濺渣完成后，需進行轉爐出渣操作。出渣過程涉及留渣操作，操作工需估算留渣量并錄入到系統，作為下一爐次的計算參數。

2.2.12 爐次結束 上述控制過程完成后，本爐次控制過程結束。爐次結束由轉爐模型系統根據一級操作信號完成。爐次結束時，系統自動啟動各自學習模型，完成自學習過程。

3 過程模型設計

3.1 概述

過程模型控制范圍為轉爐操作的全過程。計算模型核心的工藝機理是熔渣和熔池之間的動力學關系。經驗或者統計上的部分占盡可能小的部分，但是又不可能避免。這就確保了系統更廣泛的應用于鋼鐵生產的時間當中。大部分的模型計算的結果都是加入熔池的原料的重量和吹煉過程需要消耗的氧量，最終的目的是在吹煉的終點使鋼水的溫度和成分滿足目標的要求[6]。除此以外，系統的反饋計算模型則根據吹煉過程熱量的損失，脫磷，脫碳等統計數據而自動修正的模型的部分參數。主要的模型見表2。

表2 涉及模型功能描述

3.2 目標溫度計算模型

根據鋼種/計劃查詢得到吹煉終點溫度。

3.3 主原料計算模型

裝料計算模型主要根據鐵水量、鐵水成分計算廢鋼加入量。模型根據能量平衡原理，以盡量不加其他冷卻劑為目標，計算廢鋼加入量。模型支持多種不同廢鋼的配比計算，可根據兩種模式進行廢鋼計算：優先級模式和固定比例模式。優先級模式根據優先級和最大重量限制，按優先級的高低計算每種廢鋼的加入量；固定比例模式根據用戶設定的每種廢鋼的配比比例計算各種廢鋼的加入量。

3.4 熔劑計算模型

熔劑計算模型指當鐵水和廢鋼已經加入或者準備加入時，計算石灰、（輕燒）白云石等熔劑的加入量。由爐渣計算模型分析可知，轉爐爐渣組分來源包括：上一爐留渣、鐵水、廢鋼帶入元素的氧化、熔劑加入、渣鋼帶入（與廢鋼統稱為廢鋼）。

3.5 靜態計算模型

用于計算爐次的吹氧量及冷卻劑量。靜態計算的原理為熱守恒和質量守恒。

熱守恒即冶煉過程產生的總熱量與消耗的總熱量相等；質量守恒及消耗的總氧量與輸入的總氧量相等。經上述計算，模型輸出所需加入冷卻劑量及耗氧量。

3.6 動態計算模型

動態計算模型用于計算動態過程耗氧量及冷卻劑（加熱劑）質量。

轉爐在進行TSC 測量后，進入動態控制過程。動態控制過程即按照TSC 測量的熔池溫度和碳，調整吹入的氧氣量和添加的冷卻劑量以達到吹煉終點目標。動態計算模型用來為了達到出鋼溫度、出鋼碳含量所需吹入的氧氣量和添加的冷卻劑量。同時，根據吹入的氧氣量和添加的冷卻劑量預測實時熔池溫度和碳含量。

3.6.1 碳計算基本式 基本脫碳速度式：

式中：α 為最高脫碳速度，理論值為1.07kg/ (m3·t)；β為系數；C 為鋼水碳含量，0.01%；C0為常數，脫碳速率為0 時的碳含量，0.01%；O2為吹氧量，Nm3；WST為鋼水質量，t。

3.6.2 動態控制量計算步驟 在上述基本計算式的基礎上，通過如下步驟計算動態控制量：（1） 根據TSC 碳和目標碳，計算所需的總氧量，該總氧量不考慮冷卻劑帶入氧的影響。（2） 根據溫度計算式及總氧量，計算冷卻劑加入量。（3） 將冷卻劑需求量帶入氧量計算式，修正氧吹入量。

經上述計算，模型輸出動態過程耗氧量及冷卻劑（加熱劑）質量。

3.7 合金計算模型

合金計算模型用于根據測量或化驗結果，計算達到鋼種成分要求所需加入的合金種類及加入量。同時根據實際加入的合金料，預測實時熔池成分。

3.7.1 改質劑、脫氧劑的計算 渣料合金及爐渣改質劑，該種物料的計算方法為根據工程師站為鋼種配置的計算依據及計算公式計算。計算依據為出鋼時的終點情況，因化驗值一般不會到達，計算依據可以為鋼種成分標準或TSO 測量計算。計算公式為出鋼改質操作要求設定的計算公式，計算公式系數根據鋼種單獨配置。

3.7.2 金屬合金的計算 在考慮單一合金的單一元素情況下，根據元素守恒，合金加入量的基本計算公式如下（采用合金和元素雙收得率計算）：

式中：WAi為i 合金加入量，t；W 為加合金前鋼水重量，t；Xk為鋼水中k 元素的目標含量，%為加合金前鋼水中k 元素的含量，%；αi為i 合金整體收得率；XAi，k為i 合金中k 元素的含量，%；βi，k為i 合金中k 元素收得率。

4 結論

本研究依據寶鋼德盛不銹鋼有限公司新煉鋼工程2座碳鋼轉爐二級冶煉模型應用實際案例，詳細論述了二級冶煉模型硬件、軟件和網絡設計，過程控制，過程模型設計等方面內容。

基于副槍的轉爐自動化煉鋼二級冶煉模型具有以下優點：終點溫度控制精度高；終點含碳量控制精度高；提高工藝效率；減少補吹次數；降低渣中的鐵含量；提高轉爐內襯的壽命；優化廢鋼熔煉效率。

當然，二級冶煉模型系統比較復雜，需要根據工程實際應用不斷完善，不斷增強其實際應用效果。