[科普中国]-终点控制

背景

转炉炼钢是目前世界上应用最广泛、最高效的炼钢方法，冶炼终点控制是转炉生产中的关键技术之一，终点的准确判断在提高钢水质量、缩短冶炼周期方面具有重要的意义。但由于入炉原料不稳定、复杂的化学反应和所炼钢种的严格等原因，冶炼终点的准确控制仍是难点。

转炉冶炼终点的基本要求是，吹氧结束时，钢水的成分和温度能同时达到出钢要求。由于在冶炼的中间过程需要去除硫、磷等杂质，才能达到终点要求的范围，因此终点控制实际上就是对钢水中碳质量分数和温度的控制。

人工经验是最早出现的转炉终点控制方法，并且仍在许多钢厂应用。随着电子计算机技术的发展，出现了静态控制模型和动态控制模型以及光学图像控制法，全部监控手段均在计算机上完成，计算机网络技术的发展使炼钢控制系统功能更加全面、完善。人工智能技术的出现，使静态控制的建模方式开始转向神经网络和专家系统，智能控制理论在转炉终点判定中逐步得到应用。

操作目标控制转炉炼钢过程的进行时间，以保证钢水温度和成分在吹炼结束时符合要求的操作技术。终点控制的具体目标是：

1、钢水的碳含量应达到所炼钢种要求的目标范围；

2、钢中磷、硫含量应低于规格下限要求的范围；

3、出钢温度应保证下步工序：如炉外精炼、浇注的顺利进行；

4、在冶炼沸腾钢、半镇静钢时还应保持钢水应有的氧化性。

组成环节转炉炼钢终点控制由以下主要环节组成：

1、原材料准备中的精料控制，即所谓起点控制；

2、炉料和供氧量的静态控制，即吹炼过程始态控制；

3、吹炼过程主要冶金反应的标准轨道跟踪，即吹炼过程的动态控制；

4、吹炼中间对钢水直接检测和后期修正；

5、出钢时进行反馈计算，为最后补救措施和以后炉次的控制打下基础；

6、作为补救措施的炉外微调控制。

检测方法人工控制即凭经验操作。其准确性直接依赖操作者的经验，有很大的主观性，难以满足严格的质量要求。常用的人工终点控制包括碳的判断和温度的判断。

1、碳的判断

(1)看火焰。即从观察金属熔池中被氧化的碳生成的CO气体在炉口与空气相遇燃烧形成的火焰的颜色、亮度、形状来判断钢中的碳含量。

(2)看火花。以从炉口被炉气带出的金属小粒遇空气被氧化，使金属粒爆裂成碎片的程度、火花形状、弹跳情况等判断熔池含碳量。一般与看火焰法结合运用判断终点。

(3)利用供氧时间和耗氧量判断。供氧喷嘴尺寸一定，单位时间的供氧量一定。为此在装入量、冷却剂加入量和冶炼钢种变化不大时，吹炼每吨金属所需的氧量是一定的，吹炼一炉钢的供氧时间和耗氧量的变化也不大，因此可以上几炉的供氧时间和耗氧量为本炉的参考。由于各炉情况不可能完全相同，所以此法也应与看火焰、火花等方法结合运用。

2、温度的判断

(1)火焰判断。熔池温度高，炉口火焰即白亮、浓厚有力，火焰周围有白烟；温度低，则火焰透明而淡薄、略带蓝色、白烟少，火焰形状有刺无力，喷出的渣子发红常伴有未化的石灰粒；温度再低时火焰则发暗呈灰色。

(2)取样判断。取钢样后将样勺内渣子拨开，如样勺内渣子容易拨开，样勺周围有青烟，钢水白亮，倒入样模内钢水活跃，结膜时间长，说明钢水温度高；如果渣子不易拨开，钢水呈暗红色，混浊发黏，倒入模内不活跃，结膜时间也短即钢水温度低。也可用秒表计算钢水在样勺中的结膜时间来判断钢水温度的高低。

(3)利用喷枪冷却水温度判断。当冷却水流量一定时，喷枪冷却水的进口与出口的温度差和熔池温度有一定的对应关系，温差大反应熔池温度较高，小则反应熔池温度较低。

(4)渣样判断。出钢时的渣样倒入样模时如果四周发亮，从边缘到中间由红变黑的时问长，说明钢水温度高。

(5)根据炉膛情况判断。倒炉时的炉膛如发亮、有泡沫涌出，表示温度高；如无泡沫涌出且渣子发黏，炉膛不很白亮则表示炉温低。

(6)热电偶测定温度。倒炉后直接向熔池插入快速热电偶测定熔池钢液温度。

自动控制指用电子计算机对冶炼终点的自动控制。随着计算机和计算技术的迅猛发展，转炉自动控制的发展也很快。转炉炼钢计算机控制是近30年的事，计算机控制的目的，是提高吹炼终点钢水含碳量和温度的命中率。常用的自动控制包括静态控制和动态控制。

1、静态控制

即按照已知的原材料条件(如铁水、废钢和熔剂装入量)和吹炼操作条件(如炉龄、出钢后等待时间)，根据吹炼终点的目标温度及含碳量，利用静态模型计算出需要吹入的氧量、冷却剂量、造渣材料及其他原材料的加入量，并据以进行吹炼，在吹炼过程中无任何新信息修正的吹炼控制方法。

2、动态控制

即在吹炼操作过程中获得金属熔池的信息，并用这个信息来校正吹炼的最后阶段，从而得到出钢时所要求的含碳量和温度的技术。实现吹炼过程动态控制必须解决：

选择装备可靠的检测手段，并能迅速取得代表脱碳和成渣反应进行的信息；

确定最佳的脱碳和成渣过程(轨道)，使吹炼中的故障(如喷溅)减到最小，并保证以最小渣量和最短吹炼时间达到终点目标；

精确了解枪位、氧流量、底部吹气量和加料的变化对吹炼过程的脱碳和成渣反应的影响，以便确定最佳操作。

已经发展的过程动态控制方法有：

废气检测法。通过测定废气组成和废气流量，对所得数据进行处理，得出脱碳速度和炉渣中累积氧的程度，以脱碳轨道跟踪和成渣轨道跟踪的方法对冶炼过程进行控制。

声强检测法。在炉口附近置放麦克风接收炉内发出的声响，判断成渣情况，利用声响信息来调整操作，使之跟踪已确认的标准声强轨道进行吹炼控制。

炉子测重法。用测压装置在吹炼过程中连续取得3种信息：包括全部炉料在内的转炉总重量；转炉吹炼时的振动能量和转炉总重量随时间变化的速度dW/dt。根据转炉中信息加以分析、了解和判断反应进行的情况而加以控制。

废气温变法。废气中的CO完全燃烧时，脱碳速度与废气温度间有很好的符合关系，废气温度的快速变动又与喷溅有关。所以可利用废气温度的测定对吹氧强度进行自动监控。

其他方法。用来控制吹炼进行的动态控制方法还有氧枪振动法、炉子振动法以及渣中铁滴测定等等。

副枪检测动态控制的各种方法都不能直接测量熔池的信息，直接检测熔池钢水的手段是用副枪。副枪在转炉厂已被广泛应用。副枪检测的项目包括：测量钢水温度、碳含量并取样，还可测量熔池液位、钢渣含氧量和取渣样。

控制策略转炉炼钢终点控制的策略思想是采用逐步逼近，即通过原材料精料控制和准确检测来保证建立具有一定精度的炉料和供氧量静态模型控制；再通过吹炼过程动态模型控制来提高控制的精度；最后通过中间检测和后期修正模型来达到高精度的终点目标命中率；对于少数未达到高精度终点目标命中的熔炼则采用炉外微调来挽救。

实现转炉的自动化控制不能仅靠装备一台或几台合用的计算机，而是涉及许多技术管理问题。首先加强原材料的管理，实现“精料”方针，提高入炉材料的质量和稳定程度，准确了解入炉材料的有关信息。其次要做到初级测量仪表齐全、可靠，能满足数学模型所要求的精度。最后要实现操作规范化，严格按操作规程炼钢，按制度办事。有规矩才能成方圆。做到这几点，转炉吹炼过程才是可控制的和可再现的。再配合正确的数学模型和合用的计算机，就能够实现转炉炼钢的闭环控制。

重要意义转炉炼钢终点控制的好坏直接关系到炼钢的生产率、金属收得率、生产成本、能耗、资源利用率和钢的品质等一系列指标。利用终点控制可实现不补吹倒炉出钢，终点碳温命中率一般可达85%以上。1

副枪和炉气分析法是目前工业化程度最高的转炉终点自动控制技术，比传统的人工经验、静态模型控制预测转炉终点的精度高，但副枪设备昂贵、维护困难，并且尺寸大，使其仅适用于大型转炉；炉气分析法对于中高碳钢的命中率不高，在大型钢铁企业常与副枪配合使用。与大型转炉相比，世界上为数众多的中小型转炉受炉口尺寸、吹炼条件等因素影响，现在所使用的终点控制方法普遍是人工经验和静态模型，已经不能适应日益增长的钢铁质量等方面的要求。

光学图像处理技术、智能控制方法的出现，为中小型转炉冶炼终点的判定提供了新的思路，但也受生产条件的限制以及模型自身缺陷的影响，在工业上推广应用还需解决许多技术问题。其他方面的测量技术方法独特，优势明显，虽然存在一些问题，且仅在个别钢厂使用，但方法新颖，可为钢铁企业自主研发或对外技术合作拓展思路。为了提高转炉作业效率，研制开发造价低廉、预测准确且性能稳定的终点在线检测系统，是国内外炼钢领域研究的一项重要内容。