轉爐煉鋼過程工藝控制的發展與展望分析

黃曉平

在鋼廠進行轉爐煉鋼的過程中，之所以要進行工藝控制，就是為了減少冶煉過程工藝損耗并保證最終生產的鋼水符合相關標準。伴隨我國經濟的持續增長，市場競爭日益激烈，轉爐煉鋼過程中的工藝控制不僅需要完成對鋼水的質量把控，還要實現煉鋼過程的低污染、低消耗。由于原輔料條件的波動、冶煉過程中的連續檢測手段受限等原因，轉爐冶煉精準控制具有一定難度。當今世界，以計算機、信息技術為代表的技術創新快速發展，應用新技術實現轉爐煉鋼過程控制的精準化和智能化控制，必然會成為轉爐煉鋼過程控制的重要發展方向。

1 轉爐煉鋼過程工藝控制發展現狀

我國從1952年開始推廣轉爐煉鋼工藝，之后不久就大面積取代了在它之前的平爐煉鋼。伴隨轉爐煉鋼工藝的廣泛應用以及迅速發展，轉爐煉鋼過程工藝控制也處于不斷發展和進步的狀態。

轉爐煉鋼過程工藝控制經歷了經驗控制、靜態控制、動態控制、全自動吹煉控制的發展過程。

1.1 靜態控制

靜態控制是根據物料平衡和熱平衡的基礎關系公式用計算機進行裝料計算，然后按照計算結果進行裝料和吹煉的控制方法，吹煉過程中不做任何測試和修正的控制方法。1959年美國瓊斯.勞夫林鋼鐵公司率先推導出理論裝料模型，由于靜態控制不依賴冶煉過程檢測技術，應用相對簡單，很快得到了廣泛的工業推廣。

1.2 動態控制

動態控制在吹煉前與靜態控制一樣先作裝料計算，在吹煉過程中檢測儀器測出鋼液溫度和含碳量，造渣情況等連續變化的信息，對終點進行預測和判斷，從而調整和控制吹煉參數，使之達到規定的目標。與靜態控制相比，動態控制具備準確性，可以實現最佳控制。動態控制的關鍵為在吹煉過程中快速、正確、連續地獲得熔池的各參數，尤其是熔池的溫度和碳含量這兩個參數更為重要。美國瓊斯·勞夫林鋼鐵公司在靜態控制獲得成功后，最先進行了動態控制方法的研究。1966年該公司克里夫蘭廠提出軌道修正法對氧氣頂吹轉爐進行動態控制。隨后各國除進一步研究軌道修正法外，還進行各種動態控制方法的研究應用。

近幾十年中，在計算機等科學技術的大力支持下，國內外轉爐煉鋼過程工藝控制在從靜態模型向動態模型過渡，以及動態模型的優化完善方面進行了長期的研究和應用，采用副槍、爐氣分析、聲吶、紅外等多種動態檢測方法，并同時采用參考爐次更新和模型系數學習等方法，提高控制模型的適應能力，提高模型的預報和控制精度，轉爐煉鋼的生產效率也得到了顯著提升。

根據冶煉過程工藝控制程度將轉爐動態控制分為定點控制和全程動態優化控制兩種方式。定點控制為在冶煉進程的某一時刻根據動態檢測獲取的信息對轉爐工藝進行必要的校正；全程動態優化控制是在冶煉全過程動態檢測獲取信息，全過程對轉爐工藝進行校正，從而最大限度地優化吹煉工藝，實現優質、低耗、高效目標。全程動態優化程度高度依賴冶煉過程獲取吹煉信息的質量和數量，但在實際生產中,由于受到檢測技術、生產效率的影響，對熔池鋼液成分和溫度進行全程直接檢測還存在相當的困難，但通過爐氣分析和音頻測渣等方式獲取的間接信息對全程動態優化分析可發揮一定作用。

由于信息檢測技術的成熟性、動態模型的適應性仍然需要提高，我國只有部分大型轉爐采用了全程動態優化控制法，而更多的中小型轉爐采用的是定點控制法。

1.3 全自動吹煉控制

全自動吹煉控制是煉鋼過程動態控制的進一步發展，它保留了動態控制的全部內容留，并增加爐渣狀況檢測、爐氣分析設備和Mn光譜強度連續檢測。通過在線計算機閉環控制頂吹供氧、底吹攪拌、造渣操作，終點預報[C]、[S]、[P]，全程預報碳含量和溫度，解決了過程動態控制不能對吹煉造渣過程進行有效控制，不能降低轉爐噴濺率，不能對終點[S]、[P]進行準確控制等問題。上世紀末，日本新日鐵、川崎等鋼鐵公司進行了轉爐全自動吹煉控制技術的研究和應用，并獲得了良好的應用效果。我國在全自動吹煉控制方面的研究和應用進展緩慢，轉爐工程容量≥200t的大型鋼企在動態控制的優化方面取得了不少成績和經驗，大部分中小鋼企受限于原料條件、技術條件等因素制約，當前仍處于從靜態控制向動態控制過渡發展階段。

2 結合現狀分析轉爐煉鋼工藝優化控制

2.1 轉爐煉鋼過程的工藝優化

前文已述及，我國大部分中小鋼企受限于原料條件、技術條件等因素制約，當前仍處于從靜態控制向動態控制過渡發展階段，且動態控制大部分仍采用的是定點控制方法，導致這一問題的核心因素是轉爐煉鋼過程的工藝控制精準度較低、精細化程度較低等，致使許多鋼廠的轉爐控制模型的穩定程度達不到標準要求。在轉爐吹煉過程中，氧槍槍位、氧氣流量和輔料的加入方式等都是轉爐煉鋼過程控制的主要變量，因此針對氧氣流量控制、槍位控制、投料控制等環節進行優化是優化轉爐煉鋼過程的工藝控制的核心要點。

2.1.1 槍位控制

操作人員根據長期的工作經驗，總結了幾種槍位控制的固定模式，例如由高到低再到高的三段式模式等。如果入爐原料處于相對穩定的狀態時，使用其中任何一種模式都可以靠經驗控制或靜態控制實現一定的冶煉效果。但是這種固定的控制模式也存在著明顯的缺陷，即使這些固定的槍位模式在考慮了原輔料條件變化情況準備了多種細化方案，也難以實現精細化控制。因為轉爐熔池的情況變化是一個漸變過程，而設定的槍位控制模式是臺階式突變的，二者之間存在不匹配的問題。再者，槍位控制與化渣緊密相關，模式化的槍位控制在應對突發情況時難免捉襟見肘。精細化的槍位自動控制模型還有賴于化渣模型和渣況檢測技術的發展。

2.1.2 氧氣流量控制

業內傳統操作大部分采用恒壓變槍方法進行供氧操作，也就是轉爐從冶煉開始到結束始終保持同一氧壓進行氧氣供應，使得氧氣的供應一直處于穩定狀態，但也正是這種氧氣供應的穩定性對轉爐煉鋼產生一定負面影響。在實際的鋼冶煉過程中，冶煉過程可以劃分為幾個不同的階段，而不同的階段對氧氣的需求也存在一定差別，甚至同一階段的需氧量也存在一定差別。例如當冶煉進入脫碳階段時，轉爐的爐渣狀況就會使得需氧量發生變化。針對氧氣流量的控制進行優化不但能夠提升氧氣的利用率、減少氧氣的浪費，還能降低熔池的氧化程度，減少不必要的合金耗損。除此之外，針對氧氣流量的控制進行優化可以提高對脫碳速率與爐渣的泡沫化程度的把控程度，進而使得整個煉鋼過程表現出更好的穩定性。

2.1.3 投料控制

投料控制包括轉爐冶煉所需的造渣劑、化渣劑的投入時機和投入量的控制。由于轉爐化渣是一個復雜的物理化學變化過程，而造渣料的添加數量以及添加時間都會對造渣與脫碳的具體進程造成比較關鍵的影響，因此針對熔渣分析的復雜程度遠遠超過脫碳分析。在進行渣況在線檢測的過程中，核心任務是要完成爐渣噴濺現象檢測，完成這一核心任務的難點在于對是否存在返干現象進行判斷。傳統煉鋼采用投料模式控制表進行指導操作，這種控制方法來自實際工作的經驗總結，針對多數爐況都能夠表現出較高的適應度。但是完全仰仗這種控制方面無法針對實際冶煉過程中出現的噴濺、返干等情況達到良好的控制效果。這種投料控制方法雖然由實踐所得，針對冶煉過程的熔池變化進行了一定考量，但是這種考量明顯不夠細致與充分，無法針對處于連續變化狀態中的爐況進行有效應對，需要通過通過數學模型的建立，以及檢驗方法的創新，來實現精準化控制。

2.2 轉爐煉鋼過程的工藝控制的仿真實驗

轉爐爐況的復雜程度較高，國內大部分鋼廠自動化程度較低，適應轉爐煉鋼過程的工藝控制精細化、專業化的發展迫切需要，大量開展轉爐煉鋼過程的工藝控制仿真試驗是十分必要的。在采用仿真實驗進行優化時，需要按照冶金原理建立相應的數學或者物理模型，針對模型進行相應的條件設置。條件設置是仿真實驗中較為繁瑣的環節，因為仿真實驗需要主要通過條件設置完成對轉爐冶煉環境的模擬，冶煉環境的復雜程度決定了條件設置的繁瑣。完成條件設置后，需要進行冶煉模擬，然后參考模擬結果分析工藝控制因素對冶煉過程造成的影響，進而對相關控制工藝進行科學的優化。仿真試驗針對轉爐造渣過程、熔池脫碳升溫過程進行了單獨仿真以及綜合仿真。

2.2.1 造渣過程仿真

造渣是轉爐煉鋼過程中的重點內容，造渣過程不但決定了整個煉鋼過程中的平穩程度，而且對鋼水成分的優劣產生了較為關鍵的影響。在具體的轉爐煉鋼進程中，爐渣溶液的堿度、爐渣含有鐵氧化物的百分比都是造渣時應嚴格把控的參數。近年來，我國研究者們運用仿真實驗針對全程動態控制方法進行了大量的仿真實驗。該仿真實驗針對轉爐煉鋼過程中的影響造渣效果的熔池溫度、槍位控制、氧氣流量控制以及造渣料的加入方式等因素進行模擬，針對入爐原料初始條件以及冶煉過程的工藝信息進行了參數設置，并通過建立物理模型分析煉鋼過程中槍位控制等因素對爐渣泡沫化的影響規律，然后根據相關規律完成了成渣模型，進而完成了成渣工藝的優化分析。為轉爐煉鋼過程的工藝控制的優化提供了指導。

2.2.2 脫碳升溫過程仿真

進行熔池脫碳升溫仿真試驗，主要對影響脫碳過程的變量展開研究，并對相關轉爐煉鋼過程的工藝控制進行優化，同時對不同條件下鋼水的碳含量進行較為專業的預測。現階段我國已經完成了建立在物理化學反應科學分析基礎上的鋼水碳含量以及溫度變化的仿真預測。仿真實驗證明，在轉爐煉鋼過程工藝控制的應用過程中，槍位控制、氧氣流量控制，以及溫度是使得脫碳速率發生變化的重要原因。應通過加強槍位控制、氧氣流量控制，以及對溫度的控制來進行轉爐煉鋼過程中的工藝控制。

2.2.3 綜合仿真

轉爐煉鋼涉及較為復雜的物理化學反應，在這個物理化學反應中，影響反應的因素較多，而且這些因素彼此之間還存在一定的關聯與影響。因此將造渣過程與熔池的脫碳升溫過程進行分割，然后分別進行仿真試驗極有可能會導致某些變量因素被忽略，因此還需要將兩個過程聯系在一起，進行綜合性仿真實驗。我國冶金研究單位及寶鋼等大型鋼企都開展了綜合性仿真試驗工作，模擬了轉爐冶煉過程的造渣和脫碳情況，為轉爐煉鋼過程工藝控制的優化提供了指導作用。

2.3 現階段我國轉爐煉鋼過程的工藝控制的工業應用

國內大、中型鋼鐵企業轉爐在從靜態控制、定點動態控制、全程動態優化動態控制應用過程中，經歷了引進、優化、創新的發展過程，主要采用副槍、爐氣分析等過程檢測方式，控制方法逐步從單一向綜合、從模型化向智能化方向優化發展。了解到部分國內代表性鋼鐵企業當前轉爐煉鋼過程控制情況如下。

寶鋼的轉爐在上世紀九十年代已全面采用計算機自動煉鋼技術，動態代數模型是根據副槍快速測定的鋼中碳含量以及鋼水溫度，終點一次命中率達80%以上（控制精度：[C]±0.015%T±13℃），補吹率在10%以下。近年來，寶鋼在300t和250t轉爐上開發了轉爐吹煉控制模擬在線專家系統。它是以煉鋼專家和操作工多年豐富經驗基礎上總結研制而成，用多臺微機來模擬轉爐吹煉控制的整個過程，通過正反向推理、模糊推理、框架推理和混合推理，來識別這多變的信息，理解并對每種信息進行處理，分析、推理，并做出決策。

武鋼第二煉鋼廠90t轉爐1996年采用爐氣分析模型進行終點控制，終點碳控制可達到目標值的+0.02%，終點溫度達到目標值+10℃。武鋼第三煉鋼廠250t頂底復吹轉爐通過計算機過程控制，近年轉爐終點[C]、T雙命中率達80%以上。

馬鋼一煉鋼采用爐氣分析模型，縮短了冶煉時間，深吹比率減少，鋼水、鋼渣氧化性降低。

濟鋼三煉鋼120t轉爐基于副槍的控制系統終點雙命中率達到了88%。

安陽鋼鐵公司從達涅利公司引進副槍系統，通過一系列新技術的開發和應用，實現了自動化煉鋼，終點[C]、T雙命中率也達到90%以上沙鋼180t轉爐采用副槍檢測，在靜態控制的基礎上對煉鋼原材料和控制系統參數（模型參數 操作參數）進行優化，設計出了符合沙鋼實際情況的自動煉鋼工藝，實現了轉爐過程的動態控制，提高了煉鋼自動化水平。逐步建立優化碳溫模型，不同條件下碳溫數學模型；建立了物料平衡和熱平衡模型，并通過對物料平衡、熱平衡的過程中眾多的計算參量進行了評估，不斷優化轉爐加料方案；持續優化氧槍高度控制方案，根據不同的入爐鐵水硅含量、鐵水溫度、爐廢鋼情況、轉爐爐齡，設計了幾十種氧槍槍位控制模型，提高了生產運用的適應性；終點鋼水[C]、T命中率逐步提高，低碳鋼的鋼水終點[C]、T雙命中率達到80%以上;中碳鋼鋼水終點[C]、T雙命中率達到70%以上。

3 轉爐煉鋼過程工藝控制的展望

3.1 轉爐煉鋼過程工藝控制向精細化發展

從轉爐煉鋼過程工藝控制的優化發展中就可以看出煉鋼過程檢測技術的進步以及數學物理模型的建立與進一步發展是其工業控制未來發展的主要方向。但就目前的情況而言，國外先進企業已進入全自動吹煉控制煉鋼階段，國內只有部分大型轉爐采用了全程動態優化控制法，而更多的中小型轉爐采用的是定點控制或靜態控制階段，但仍能看出國內轉爐煉鋼過程工藝控制正在向精細化方向發展。首先，轉爐煉鋼過程工藝控制的精細化發展將會成為優化煉鋼技術的重要入手點，工藝控制將會受到更多的重視。其次，轉爐煉鋼過程的工藝控制將會向專業化、高精準度的方向發展，前文提及的槍位控制、氧氣流量控制、輔原料加入方式都將取得巨大突破，修正現存問題，無論是槍位控制、氧氣流量控制，還是輔料、原料加入方式都會與煉鋼過程中的不同時段的需求更具匹配度。最后，在煉鋼控制手段獲得較大突破后，氧氣流量作為煉鋼的重要能源或許會成為主要控制變量。

3.2 轉爐煉鋼過程工藝控制的智能化發展

目前我國已經進入工業4.0時代，工業4.0時代的主要任務就是使用人工智能技術輔助工業生產，加快工業生產效率。現階段我國轉爐煉鋼自動化程度較低，多數工作都需要人工操控，精準度低。當轉爐煉鋼的工藝控制完成優化后，鋼廠將會考慮引入人工智能技術，以機械操作取代人工操作。通過人工智能系統對造渣過程與脫碳升溫過程進行檢測，一旦出現造渣質量不佳以及脫碳速率較低的情況，工作人員能夠通過計算機系統中的數據分析及時發現并進行調整。

3.3 轉爐煉鋼過程工藝控制的綠色環保發展

工業發展在未來一定是走節能與環保發展路線的，節能降耗和環境保護將是國家長期發展戰略，鋼鐵企業也必將更注重生產和環境協調發展，轉爐煉鋼過程工藝優化控制也必須適應綠色環保發展要求。

我國已明確提出來“雙碳”目標：2030年實現碳達峰，2060年實現碳中和。鋼鐵企業是耗能大戶，轉爐冶煉生產更要注重節能降耗。目前國內主流鋼鐵企業轉爐工序能耗已降至-25kgce/t以下，部分優秀企業已降至-30kgce/t左右。未來的鋼鐵廠在轉爐煉鋼工藝上，選用綜合節能技術，在“負能”煉鋼的基礎上進一步降低轉爐工序能耗，是必由之路。動態控制技術、全自動吹煉控制技術勢必要將提高轉爐煤氣回收量、減少轉爐冶煉過程中物理熱和化學熱損失方面納入數學模型進行細化控制。

轉爐冶煉煙氣量大，大氣污染治理投入大，多年來企業不斷地按照環保要求去加強治理措施，但相對于從根本上消除大氣環境污染，很顯然先破壞后治理需要花費更多的人力物力財力，時間花費得更久。為了持續提高治理效果和效率，必須從優化轉爐冶煉工藝和煙氣治理技術兩個方面同時入手進行探索。轉爐煉鋼工藝控制也必須通過優化造渣制度和供氧制度，減少污染物的產生。

4 結語

目前，世界上多數轉爐主要采用靜態模型控制與動態模型控制相結合的控制形式，國內外已經在轉爐煉鋼過程物理模型建立、仿真試驗、工業應用取得了一定成效，先進企業已發展到全自動吹煉控制研究和應用階段。但是我國針對動態控制多采用定點控制法，由于在精細化控制上的差距，冶煉過程中存在嚴重的資源浪費等問題。對全程動態優化控制法進行優化，擴大全程動態優化控制法的應用范圍，進而實現全自動吹煉控制必然會是轉爐煉鋼過程工藝控制未來發展的大趨勢。