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在基本氧氣煉鋼工藝中，基本氧氣爐或轉(zhuǎn)爐通過將高爐制造的熱金屬的碳含量從4.5%左右降至0.03%至1.0%來生產(chǎn)液體鋼。轉(zhuǎn)爐將大量的純氧吹入熱金屬，并在短時間內(nèi)將其精煉成鋼。目前，基本的氧氣煉鋼工藝采用了聯(lián)合吹氣（頂吹和底吹）。底部吹氣是用惰性氣體完成的。在精煉過程中，轉(zhuǎn)爐使用了各種材料。除了熱金屬和廢鐵作為主要原料外，在基本氧氣煉鋼過程中使用的其他材料是煅燒石灰、煅燒白云石或煅燒菱鎂礦，用于適當(dāng)?shù)某稍?，以及過程中的不同冷卻劑（如礦石、海綿鐵等）。轉(zhuǎn)爐的運行需要將氣體溫度調(diào)高，并且會產(chǎn)生大量的粉塵。

基本氧氣煉鋼工藝的目的是精煉液態(tài)金屬（熔融廢鋼+熱金屬），調(diào)整鋼液的成分和溫度。為了達(dá)到這一目的，煉鋼過程采用自動化和控制系統(tǒng)，通常由基本自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)組成。

基本氧氣煉鋼的工程設(shè)施實際上是對各種子系統(tǒng)的設(shè)計和裝配?；A(chǔ)氧氣煉鋼的主要設(shè)備是一個內(nèi)襯耐火材料的轉(zhuǎn)爐（基礎(chǔ)氧氣爐），煉鋼過程就在其中進行。除轉(zhuǎn)爐容器外，煉鋼過程還有幾個子系統(tǒng)，包括：(i)轉(zhuǎn)爐容器傾斜驅(qū)動，(ii)氧槍系統(tǒng)，(iii)惰性氣體底部攪拌系統(tǒng)，(iv)頂部氣體（轉(zhuǎn)爐氣體）冷卻、清潔、分析和回收系統(tǒng)，(v)副槍測量系統(tǒng)，(vi)防滑系統(tǒng)，(vii)材料處理系統(tǒng)。(viii)廢鋼加料系統(tǒng)，(ix)焊劑和冷卻劑加料系統(tǒng)，(x)鐵合金加料系統(tǒng)，(xi)水平測溫和取樣系統(tǒng)，(xii)自動攻絲系統(tǒng)，(xiii)擋渣系統(tǒng)，(xiv)二次除塵系統(tǒng)，(xv)聯(lián)鎖和報警系統(tǒng)，以及(xvi)人機界面系統(tǒng)。

除了這些子系統(tǒng)外，氧氣煉鋼將與上游和下游工藝綜合運行。此外，煉鋼過程將與外部系統(tǒng)相連接，如(i)鋼鐵熔煉車間實驗室，其中包括光學(xué)發(fā)射光譜儀和X射線熒光光譜儀及其他分析設(shè)備，以及(ii)監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)。

基礎(chǔ)氧氣煉鋼是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，有大量的影響因素。有兩種方法用于控制轉(zhuǎn)爐中的吹氣。第一種方法是采用廢氣的間接測量，而第二種方法是采用副槍的直接測量。在第二種方法中，在吹煉過程中同時對鋼液的溫度（攝氏度）進行直接測量。這種方法也可用于各種目的，如水浴平整、爐渣平整、測量氧氣濃度和爐渣取樣。

在基本的氧氣煉鋼過程中，經(jīng)典的工藝模型仍然有效，要求操作者盡可能多地了解輸入、工藝參數(shù)和輸出，他需要自由地獲得這些信息，以便對工藝進行必要的調(diào)整，從而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要使用各種控制和估計技術(shù)，這些技術(shù)要以一種有組織的方式發(fā)揮作用，以便為操作者的行動提供所需信息。

適合這個工程層次的子系統(tǒng)是：（i）熱金屬質(zhì)量測量，（ii）熱金屬分析，（iii）惰性氣體底部攪拌，（iv）氧氣供給，（v）裝料溫度和分析，（vi）熔劑和冷卻劑裝料系統(tǒng)，（vii）鐵合金裝料系統(tǒng)，（viii）過程控制計算機，和（ix）管理計算機。在煉鋼過程中需要進行的測量有：（i）溫度測量，（ii）熔池碳含量，（iii）熔池深度，以及（iv）完整的化學(xué)分析。這通常是通過停止工藝、傾斜轉(zhuǎn)爐、手動取溫和取樣來實現(xiàn)的。

過程控制是基本氧氣煉鋼操作的一個重要部分，因為產(chǎn)熱時間受其影響。目前有幾種煉鋼過程控制策略，鋼鐵廠根據(jù)其設(shè)施和需求使用策略。過程控制模型大致可分為兩類，即（一）靜態(tài)，和（二）動態(tài)。

最簡單的工藝控制形式是基于靜態(tài)工藝模型的。它包括一組熱、氧、鐵和渣的平衡，并與狀態(tài)方程相結(jié)合。后者描述了爐渣中鐵含量、鋼中錳和碳的實際含量以及爐渣的堿性之間的關(guān)系。靜態(tài)模型在給定熱量的初始和最終信息的情況下，確定吹氧量和爐子的裝料，但在吹氧過程中沒有產(chǎn)生關(guān)于工藝變量的信息。靜態(tài)模型基本上就像射箭一樣。一旦箭離開弓，就沒有進一步的控制。

在動態(tài)過程控制的情況下，需要準(zhǔn)確的吹煉過程的實際狀態(tài)的信息。理想情況下，鋼、渣和氣體成分以及溫度的連續(xù)信息是可用的，并在線用于過程監(jiān)督。任何偏離預(yù)期進程的情況都可以被檢測出來，根據(jù)模型，可以調(diào)整氧氣供應(yīng)或向轉(zhuǎn)爐中添加額外的助熔劑。在一個基本的煉鋼轉(zhuǎn)爐中，這只有在理想的情況下才有可能。在實踐中，情況則完全不同。特別是在基本的氧氣煉鋼過程中，連續(xù)測量有很強的實際限制，例如振動、灰塵、高溫和液態(tài)金屬及渣相。動態(tài)模型在吹氧過程中根據(jù)某些吹氣中的測量結(jié)果進行調(diào)整。

動態(tài)控制過程的要求是：（i）不中斷過程和（ii）獲得實時測量。為此，我們使用了一個能夠處理工藝條件并在槍頭上使用一次性傳感器的副槍系統(tǒng)。不同的傳感器以其測量功能為特征，最重要的是（i）浴槽溫度測量，（ii）浴槽碳測量，以及（iii）浴槽液位測量?？梢允褂萌魏谓M合。

基本自動化系統(tǒng)的主要功能包括氧槍控制、材料控制、底部攪拌控制、子槍檢測控制和終點控制。過程控制系統(tǒng)進行生產(chǎn)管理、控制模型、過程控制和數(shù)據(jù)管理。過程控制系統(tǒng)用于控制基本的自動化系統(tǒng)。首先，它收集有關(guān)熔化過程的信息和副槍的檢測信息。然后，它根據(jù)模型計算的結(jié)果來判斷熔化過程的狀態(tài)。最后，它向基本自動化系統(tǒng)發(fā)送信號，控制調(diào)整后的參數(shù)。

基礎(chǔ)氧氣煉鋼的自動化和控制不僅要考慮轉(zhuǎn)爐的具體工藝功能，還要考慮到裝料的相關(guān)參數(shù)，包括熱金屬準(zhǔn)備、廢鋼場管理和物流調(diào)度。工藝優(yōu)化（Level-2）解決方案是基于先進的算法方程，準(zhǔn)確地表示復(fù)雜的熱力學(xué)冶金反應(yīng)。這些解決方案主要適用于大多數(shù)操作條件，例如，可變的廢鋼與熱金屬比率、最小的爐渣做法和不同的磷含量。

基本氧氣煉鋼過程的自動化和控制的主要目標(biāo)是：（i）滿足煉鋼的要求，和（ii）提供操作幫助。此外，煉鋼過程的自動化和控制是一種有效的方式：（i）提供全面和一致的過程信息，以指導(dǎo)操作人員；（ii）確保標(biāo)準(zhǔn)化操作，以獲得均勻的鋼液質(zhì)量；（iii）提高過程的性能；（iv）提高終點控制的準(zhǔn)確性；（v）縮短熱循環(huán)；（vi）通過優(yōu)化煉鋼提高生產(chǎn)率；（vii）通過使用優(yōu)化材料使用和能源輸入的過程模型，降低生產(chǎn)成本。自動化和控制主要依靠計算機，與煉鋼過程的機械化密不可分。

基本氧氣煉鋼過程的自動化和控制的總體結(jié)構(gòu)包括：（i）企業(yè)信息系統(tǒng)，（ii）煉鋼車間管理信息系統(tǒng)，（iii）過程控制，以及（iv）現(xiàn)場儀器和設(shè)備。

從不同的子系統(tǒng)和它們之間存在的接口可以推斷出，很明顯，傳統(tǒng)的（模擬）電路無法實現(xiàn)所需的相互聯(lián)系。 因此，必須廣泛使用數(shù)字過程控制設(shè)備，它具有各種優(yōu)勢，如（i）可以很輕松地增加和改變系統(tǒng)，（ii）可以處理先進的控制策略，（iii）可以在系統(tǒng)中進行智能編程，（iv）可以存在有效的備份設(shè)施，（v）CRT（陰極射線管）操作界面可以納入大量的顯示選項，（v）存在存儲數(shù)據(jù)，（vi）容易訪問信息和存儲數(shù)據(jù)，以及（vii）高級和低級別的通信。圖1顯示了基本氧氣煉鋼的基本自動化和過程控制體系。

圖1 基本氧氣煉鋼的基本自動化和過程控制體系

計算機速度和容量的提高，電氣和控制系統(tǒng)中可編程邏輯控制器（PLC）的采用，以及從模擬儀表到數(shù)字儀表的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致了控制精度的顯著提高。此外，最近直接數(shù)字控制的應(yīng)用加快了煉鋼過程的自動化。

隨著工藝計算機和外圍測量技術(shù)的進步，轉(zhuǎn)爐的吹掃控制已經(jīng)從靜態(tài)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)或全自動的操作控制系統(tǒng)。此外，由于電氣和控制系統(tǒng)的技術(shù)進步，控制器已經(jīng)從儀表盤轉(zhuǎn)向CRT顯示器，允許操作人員在CRT屏幕上監(jiān)測和控制煉鋼過程。另外，隨著數(shù)學(xué)模型和專家系統(tǒng)（使用人工智能程序）的使用，煉鋼過程的自動化和控制已經(jīng)變得更加方便操作者。

不同子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)經(jīng)常被配置為DCS（分布式控制系統(tǒng)）和PLC（可編程邏輯控制器），它們與基本氧氣爐的DCS無縫連接并提供綜合監(jiān)測和控制。這種集成方式的獨特優(yōu)勢在于，它涵蓋了工藝穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量、操作靈活性和改善工作環(huán)境等方面，同時保障了效率和成本效益。

分布式控制儀器容納了（i）生產(chǎn)操作員控制臺，（ii）現(xiàn)場模擬，（iii）儀器顯示和控制，（iv）趨勢圖，（v）和日志。數(shù)據(jù)高速公路上的分布式計算機使用所需的I/O（輸入/輸出）來處理（i）水系統(tǒng)，（ii）稱重系統(tǒng)，（iii）底部攪拌系統(tǒng)，（iv）氧氣系統(tǒng)，以及（v）與主計算機的通信。管理信息/控制計算機通常是一個大容量的系統(tǒng)，主要用于（i）提供信息，即班/日/月報告，（ii）處理交互式生產(chǎn)，（iii）下游/上游設(shè)備之間的調(diào)度，（iv）準(zhǔn)備收費（廢品的預(yù)裝等。 適應(yīng)靜態(tài)模型，如熱平衡，確定通量（石灰/白云石）和冷卻劑（海綿鐵/鐵礦石），數(shù)量以及何時裝料，以及氧氣平衡（確定速率、持續(xù)時間和吹氣模式），（vi）適應(yīng)動態(tài)模型，在子長槍提供實時信息后開始運行。該系統(tǒng)產(chǎn)生一個主動顯示，使操作者能夠在目標(biāo)上結(jié)束過程，計算最終結(jié)果，并提出小的修改建議和添加最終合金。

控制模型是自動煉鋼控制系統(tǒng)的核心部分。它們整合了熔煉機制、數(shù)學(xué)統(tǒng)計、專家原則和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的知識?？刂品匠淌抢萌蹮挋C制的知識得出的，關(guān)鍵控制參數(shù)是由數(shù)學(xué)統(tǒng)計和專家原則確定的。此外，這些控制參數(shù)可以通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)定期修改?？刂颇Ｐ褪侵胳o態(tài)控制模型、主要材料模型、熔渣形成模型、溫度模型、耗氧量模型、動態(tài)控制模型、傾斜模型、合金模型和終點模型等。此外，還有一個自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型。使用的不同檢測設(shè)備有副槍、質(zhì)譜儀、火焰光譜儀、微波測距儀和氧槍振動監(jiān)測裝置等。

此外，目前有幾種控制模型，如機制模型、統(tǒng)計學(xué)模型和增量模型等。機制模型是以熱和質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)的。它通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)來確定各變量之間的關(guān)系。然而，由于熔化過程的復(fù)雜性，它不適合于應(yīng)用。統(tǒng)計學(xué)模型以黑箱理論為基礎(chǔ)。在這個模型中，物理化學(xué)過程被忽略了。它只關(guān)注輸入和輸出參數(shù)之間的統(tǒng)計關(guān)系。只要熔化條件改變，這個模型的計算精度就不能保持。使用增量模型，可以通過與記錄的生產(chǎn)率數(shù)據(jù)進行比較來完善操作參數(shù)。它可以克服由熔化條件變化引起的影響。然而，這個模型的主要缺點是計算精度低。圖2顯示了控制系統(tǒng)和工藝模型的功能。

圖2 控制系統(tǒng)和過程模型的功能

端點碳預(yù)測

端點碳的預(yù)測最初是依靠操作者的經(jīng)驗和技能。眾所周知，這種方法效率低，難度大，特別是對于中高碳鋼的熔煉過程。隨著計算機和信息技術(shù)的發(fā)展，對基本氧氣煉鋼的計算機控制的研究已經(jīng)開展起來。基于計算機計算的靜態(tài)電荷模型首先被Jones & Laughlin鋼鐵公司利用，用于計算帶電的熱金屬、廢鋼和渣料的數(shù)量，并指導(dǎo)液體鋼的終點碳控制。

隨著自動檢測方法、數(shù)學(xué)模型和算法的快速發(fā)展，動態(tài)和智能的端點碳預(yù)測已可用于煉鋼過程。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)的特點，用來計算端點碳含量，端點碳預(yù)測分為三個階段，如靜態(tài)預(yù)測、動態(tài)預(yù)測和智能預(yù)測。

靜態(tài)預(yù)測--在基本氧氣煉鋼的整個過程中，操作人員通常會得到計算機指導(dǎo)系統(tǒng)的幫助，該系統(tǒng)會根據(jù)質(zhì)量和能量平衡的計算以及熱力學(xué)計算，提出工藝參數(shù)和操作人員的行動。靜態(tài)端點碳預(yù)測主要依靠基于質(zhì)量和熱平衡建立的數(shù)學(xué)模型，它可以根據(jù)初始爐料參數(shù)（如帶電的熱金屬和廢鋼，以及熱金屬的成分和溫度）計算出鋼液中的端點碳含量。圖3顯示了基本氧氣煉鋼的終點預(yù)測的靜態(tài)模型。

圖3 基礎(chǔ)氧氣煉鋼終點預(yù)測的靜態(tài)模型

靜態(tài)端點碳預(yù)測的關(guān)鍵點在于數(shù)學(xué)模式的合理建立和初始量數(shù)據(jù)的獲取。與基于操作者經(jīng)驗和技能的端點碳預(yù)測的隨機性和不確定性相比，靜態(tài)端點碳預(yù)測可以對吹氧和端點碳含量進行定量計算，從而提高端點碳的預(yù)測精度。通常用于靜態(tài)端點碳預(yù)測的數(shù)學(xué)模型主要包括理論模型和統(tǒng)計模型。

理論模型可以根據(jù)煉鋼過程中質(zhì)量和熱量平衡的計算，計算出吹氧量和終點碳含量。由于基本煉鋼過程中各種影響因素之間復(fù)雜的相互作用，質(zhì)量和熱量平衡的計算通常是用經(jīng)驗值完成的，并不準(zhǔn)確，因此，理論模型在基本煉鋼轉(zhuǎn)爐端點碳預(yù)測上表現(xiàn)得相對較差。

統(tǒng)計模型只關(guān)注輸入變量和輸出變量之間的關(guān)系，使用收集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，而不考慮液態(tài)浴中的化學(xué)反應(yīng)機制，這由方程式X=F（W，S，T，t，Z）來描述，其中'F'是一個線性或非線性函數(shù)。W "是熱金屬和廢鋼的帶電重量，"S "是鋼液中終點成分的目標(biāo)值，"T "是熱金屬的初始溫度，"t "是吹氧時間，"Z "是其他重要影響因素（如頂槍高度和氧氣壓力）。

作為一種統(tǒng)計模型，近年來，反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合不同的算法被廣泛應(yīng)用于基本氧氣煉鋼的終點預(yù)測中。與理論模型相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長分析隨機偏差，消除隨機因素的影響，可以為端點碳預(yù)測提供更可靠的參考。圖4顯示了用于端點碳預(yù)測的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖4 用于端點碳預(yù)測的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

然而，上節(jié)所述的理論和統(tǒng)計模型只是建立在對初始條件和靜態(tài)過程數(shù)據(jù)的考慮上（沒有時間序列特征的小數(shù)據(jù)集不能代表實際生產(chǎn)），使得靜態(tài)端點碳預(yù)測模型不適合于實際生產(chǎn)，因為預(yù)測精度有限。靜態(tài)端點碳預(yù)測的一個特殊挑戰(zhàn)是如何在具有時間序列特征的大型生產(chǎn)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上合理建立預(yù)測模型。基于上述挑戰(zhàn)，動態(tài)端點碳預(yù)測在靜態(tài)預(yù)測的基礎(chǔ)上被迅速發(fā)展。

動態(tài)預(yù)測--與靜態(tài)控制不同，動態(tài)端點碳預(yù)測可以預(yù)測鋼液中的端點碳含量，并通過計算監(jiān)測設(shè)備收集的時間序列數(shù)據(jù)（噴槍運動、廢氣中的一氧化碳和二氧化碳含量、火焰的光譜特征）建立動態(tài)模型，實現(xiàn)操作參數(shù)的在線調(diào)整。目前，副槍系統(tǒng)、廢氣分析系統(tǒng)和火焰光譜分析系統(tǒng)是應(yīng)用于基本氧氣煉鋼的動態(tài)端點碳預(yù)測的主要方法。圖5顯示了用副槍系統(tǒng)進行動態(tài)終點碳預(yù)測的情況。

圖5 子長槍系統(tǒng)的動態(tài)終點碳含量預(yù)測

采用副槍系統(tǒng)進行動態(tài)終點預(yù)測，直接測量鋼液在吹煉過程后期的含碳量，建立在線預(yù)測模型，動態(tài)預(yù)測不同吹煉時間的含碳量。通過應(yīng)用副槍系統(tǒng)，可以減少初始偏差對帶電材料的影響，與靜態(tài)預(yù)測相比，終點碳含量預(yù)測更加準(zhǔn)確和精確。一些日本的鋼鐵熔煉車間實現(xiàn)了90%以上的碳預(yù)測精度，誤差公差為+/-0.02%。

通過監(jiān)測廢氣信息（吹氧過程中一氧化碳和二氧化碳的含量變化），可以用基于廢氣信息的數(shù)學(xué)模型動態(tài)推斷出鋼液的碳含量，并通過計算結(jié)果的反饋來預(yù)測和控制終點碳含量。由于這是一種間接估算方法，采集的數(shù)據(jù)（如廢氣含量和流速）的準(zhǔn)確性和數(shù)學(xué)模型的響應(yīng)時間對終點碳的預(yù)測精度影響很大。因此，廢氣分析系統(tǒng)通常與副槍系統(tǒng)一起使用，以控制幾個熔鋼車間的端點碳的精度。

基本氧氣轉(zhuǎn)爐口的火焰光譜特征與鋼液的碳含量有關(guān)，因此，在基本煉鋼過程中會發(fā)生變化?；诨鹧孑椛湫畔⒌墓庾V特征，開發(fā)了火焰光譜分析系統(tǒng)來預(yù)測終點碳含量。通過分析不同吹煉時間的火焰光譜和轉(zhuǎn)爐水浴狀態(tài)之間的關(guān)系，可以完成對鋼液碳含量的在線預(yù)測。

光學(xué)傳感器已被用于動態(tài)預(yù)測鋼水熔煉車間基本氧氣煉鋼中的低碳熱（目標(biāo)終點碳含量低于0.06%）的碳含量，這使其得到了很大的改善。

盡管與靜態(tài)預(yù)測相比，動態(tài)端點碳預(yù)測可以得到明顯的預(yù)測改善，但收集真實的、全尺寸的、豐富的、可以代表整個煉鋼過程整體行為的數(shù)據(jù)集，預(yù)測模型的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)是動態(tài)端點碳預(yù)測的特殊挑戰(zhàn)。因此，智能端點碳預(yù)測是在動態(tài)端點碳預(yù)測的基礎(chǔ)上建立的。

智能預(yù)測--隨著數(shù)據(jù)收集和智能模型的發(fā)展，目前基本氧煉鋼的智能端點碳預(yù)測已經(jīng)出現(xiàn)。它建立在具有不同特征的全尺寸豐富數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，具有很強的自我學(xué)習(xí)能力，可以提高預(yù)測精度。除了子長槍系統(tǒng)外，基本氧氣煉鋼自動化系統(tǒng)主要采用了其他技術(shù)，即（i）吹氧過程中的在線熔渣檢測，為熔渣操作提供指導(dǎo)；（ii）廢氣分析系統(tǒng)，動態(tài)估計吹氧過程中鋼液的碳含量和溫度；以及（iii）具有較強自學(xué)和自適應(yīng)能力的智能模型。圖6顯示了智能模型的建立。

圖6 智能模型的建立

通過上述技術(shù)的應(yīng)用，基本氧氣煉鋼的智能端點碳預(yù)測可以用計算機自動有效地實現(xiàn)，而不是人工操作，端點碳含量的預(yù)測精度也大大提升。隨著智能端點預(yù)測技術(shù)在某煉鋼廠的實際應(yīng)用，使重吹率從14%降至1%，水龍頭到水龍頭的時間從37分鐘降至29分鐘，從而大大提高了基本氧煉鋼工藝的效率。

毫無疑問，智能預(yù)測大大提高了終點碳含量的預(yù)測精度。最近，越來越多的自動檢測技術(shù)被開發(fā)出來并應(yīng)用于基礎(chǔ)氧煉鋼的終點碳控制，如機器人取樣測溫系統(tǒng)、無線成分測量系統(tǒng)等。同時，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）伴隨著第五代移動通信技術(shù)（5G）和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)迅速發(fā)展，并逐步應(yīng)用于智能鋼鐵制造。因此，基礎(chǔ)氧氣煉鋼的智能終端碳預(yù)測在未來越來越受到關(guān)注。

從工業(yè)實施的角度來看，具有高精度的智能端點碳預(yù)測模型可以安裝在現(xiàn)有的工藝系統(tǒng)上，持續(xù)預(yù)測工藝碳含量，并根據(jù)基本氧煉鋼過程中的實際事件和計劃事件為操作人員提供指導(dǎo)。

專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個綜合的工藝模型組，它對煉鋼過程進行成像和優(yōu)化。專家系統(tǒng)監(jiān)測冶金和熱工過程，循環(huán)計算鋼水和鋼渣的實際狀況。這提供了任何時候鋼水和爐渣的分析和溫度，設(shè)定點模型的計算總是基于實際情況。

在轉(zhuǎn)爐的整個處理過程中，專家系統(tǒng)的工藝模型對煉鋼工藝進行優(yōu)化和控制。Level-2系統(tǒng)根據(jù)基于每個鋼種存儲的生產(chǎn)方案的模型計算，為操作人員提供幫助。專家系統(tǒng)在處理過程中不斷向操作人員通報熱量的整體狀態(tài)（即重量、溫度和分析）。

專家系統(tǒng)中大量的設(shè)定點模型組決定了專家系統(tǒng)的設(shè)定點，它負(fù)責(zé)確定不同處理步驟所需的原料供應(yīng)、氣體量和/或能源。這里介紹一些設(shè)定點模型。

專家系統(tǒng)第一次收費的計算是通過對可變輸入數(shù)據(jù)的不同情況（如可變廢鋼和可變熱金屬，可變廢鋼和固定熱金屬，或固定廢鋼和可變熱金屬）可以應(yīng)用。此外還可以使用廢鋼成本優(yōu)化。作為模型的輸出，可以提供最佳的爐料組合，以達(dá)到生產(chǎn)計劃中計劃鋼種的目標(biāo)。

專家系統(tǒng)的第二次爐料計算是在收到與爐料金屬和廢鋼有關(guān)的實際數(shù)據(jù)，包括不同廢鋼類型的部分重量后立即進行的。第二次裝料計算模型計算出必要的容器添加量和氧氣量，以實現(xiàn)目標(biāo)分析和吹煉結(jié)束時鋼材的目標(biāo)溫度。

專家系統(tǒng)的吹氣校正計算是由子槍模型完成的。根據(jù)數(shù)據(jù)的可用性（溫度、碳），循環(huán)在線模型接管測量值，并應(yīng)用一些糾正措施，因為副槍測量是在靠近熱點的地方進行的。剩余的所需氧氣量、加熱劑或冷卻劑以及額外的成渣劑都被計算出來。

如果在吹煉結(jié)束時，某些鋼水特性（如溫度、碳含量或磷含量）不在規(guī)定的目標(biāo)范圍內(nèi)，可以啟動專家系統(tǒng)的再吹煉校正計算。實際的鋼浴分析和溫度取自溫度測量或?qū)嶋H的鋼樣。計算出所需的氧氣量、加熱劑或冷卻劑以及再吹的額外成渣劑。

專家系統(tǒng)的合金模型計算成本，優(yōu)化必要的合金和脫氧材料添加到出鋼桶中。合金劑的分析和它們的具體損失被考慮在內(nèi)。

專家系統(tǒng)預(yù)測模型通過使用監(jiān)督和設(shè)定點模型的結(jié)果對整個生產(chǎn)過程進行模擬。它提供了對進度和最終熱度的預(yù)測。它還預(yù)測所有需要增加的內(nèi)容和行動，并為優(yōu)化生產(chǎn)過程服務(wù)。在預(yù)測模型的典型HMI屏幕中，屏幕的不同部分顯示了目標(biāo)和輸入數(shù)據(jù)、模型結(jié)果、對鋼鐵的計算分析，以及爐渣和具體消耗量。

專家系統(tǒng)預(yù)計算模型模擬了廢鋼和熱金屬被裝入轉(zhuǎn)爐之前/之后的完整煉鋼過程。專家系統(tǒng)預(yù)測模型決定了最佳的吹氣和攪拌策略，以及容器添加的確切時間和分量。預(yù)計算模型是基于預(yù)先定義的工藝步驟清單（如裝料、主吹、攪拌和出鋼等）和工藝工程師定義的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范（SOP）的目標(biāo)值。

預(yù)計算模型包括五個不同的部分，即（i）計算熱金屬和廢料的輸入，（ii）計算和分配加熱劑和冷卻劑、合金、廢料和熔劑，以達(dá)到目標(biāo)重量、分析和基本度。(iii) 計算吹氣設(shè)定點，以達(dá)到目標(biāo)碳含量和溫度，(iv) 計算正在進行的反應(yīng)，以預(yù)測每個工藝步驟后鋼、渣和廢氣的重量和分析，以及 (v) 如果沒有達(dá)到某個工藝階段的目標(biāo)值，向操作員提供信息和警告。

專家系統(tǒng)監(jiān)督模型是一個在線模型，在吹煉過程中循環(huán)計算鋼水和爐渣中正在發(fā)生的反應(yīng)。這包括氧化和還原反應(yīng)，氧氣、氮氣和氫氣的吸收，硫和磷在鋼和渣之間的分布，以及二氧化碳和氫氣的后期燃燒。通過這種方式，不同的吹氣、攪拌或材料添加模式的影響以及帶電材料的溶解都被考慮到過程中。

專家系統(tǒng)動態(tài)控制（專家系統(tǒng)監(jiān)督模型的一部分）是根據(jù)實際廢氣數(shù)據(jù)對碳進行動態(tài)吹掃結(jié)束預(yù)測。根據(jù)實際的廢氣數(shù)據(jù)（如廢氣流量、廢氣分析（一氧化碳、二氧化碳、氧氣和氮氣）以及實際的工藝數(shù)據(jù)，專家系統(tǒng)動態(tài)控制從接近吹掃結(jié)束的廢氣數(shù)據(jù)的典型剖面預(yù)測吹掃過程結(jié)束時的碳含量。其結(jié)果是預(yù)測吹掃過程結(jié)束時的碳含量（通常為碳含量低于0.3%）和吹掃結(jié)束要求，以達(dá)到吹掃結(jié)束時的目標(biāo)碳含量。與循環(huán)在線模型（專家系統(tǒng)監(jiān)督模型）相結(jié)合，可以對鋼和渣進行完整的預(yù)測（溫度、分析和重量），其中碳含量取自專家系統(tǒng)動態(tài)控制，所有其他數(shù)據(jù)由專家系統(tǒng)監(jiān)督模型計算。

在專家系統(tǒng)中，吹入式測量的碳含量計算是基于來自副槍測量裝置的原始數(shù)據(jù)（即液相溫度Tliq），而不是使用測量裝置計算的碳含量。吹氣中的碳含量是用公式Cin-bolw = a0 + a1xTliq + a2x Tliq的平方計算的。調(diào)整參數(shù)a0、a1、a2保留在Level-2數(shù)據(jù)庫中，并通過采用液相溫度和吹入樣品的碳含量對其進行擬合。

從吹瓶測量中計算出的碳含量被在線模型所替換，從而修正了碳預(yù)測模型。為了完善現(xiàn)有的基于動態(tài)廢氣測量的基本氧氣轉(zhuǎn)換器的自動吹停功能，該功能也被用于副槍系統(tǒng)。自動吹停功能延長或縮短了最后的吹氣階段，以達(dá)到吹氣結(jié)束時的溫度和碳的目的。

循環(huán)過程模型也被稱為飽和模型，它考慮了復(fù)雜的煉鋼爐渣中CaO（石灰）和MgO（菱鎂）的飽和濃度。當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的飽和濃度時，石灰和白云石的溶解就會暫停，當(dāng)爐渣成分允許進一步溶解成渣的添加物時，就會繼續(xù)溶解。因此，工藝模型一直在跟蹤液態(tài)爐渣的數(shù)量和分析，以及未溶解的熔劑添加物。平衡磷分配率的計算是基于光學(xué)堿度模型。為了確定光學(xué)堿度，只采用了液態(tài)渣相的組成，而在計算傳質(zhì)系數(shù)時要考慮未溶解的通量部分。通常情況下，飽和模型允許優(yōu)化堿度（CaO/SiO2）和氧化鎂，目的是為了避免在吹煉結(jié)束時有太多未溶解的通量材料。

專家系統(tǒng)工藝模型考慮了在熱金屬裝填前已經(jīng)裝填的成渣添加物的熱裂化。對于這些添加物，二氧化碳和水蒸氣的部分被完全去除。這可以防止高估石灰石或原白云石等預(yù)加料的冷卻效果，從而改善溫度計算。此外，在熱金屬裝料后，轉(zhuǎn)爐中前次加熱產(chǎn)生的剩余爐渣部分被硅還原，其反應(yīng)為2（FeO）+[Si]=2[Fe]+（SiO2），2（Fe2O3）+3[Si]=4[Fe]+3（SiO2），2（MnO）+[Si]=2[Mn]+（SiO2），在很小程度上也被碳還原。在有大量剩余爐渣的情況下，F(xiàn)eO、Fe2O3和MnO的減少會影響溫度曲線。

雖然模型是根據(jù)不同子系統(tǒng)的特殊要求而專門調(diào)整的，但專家系統(tǒng)的原則是將預(yù)測、監(jiān)督和設(shè)定點模型的特點結(jié)合起來，以達(dá)到完美的質(zhì)量，這一點在整個煉鋼自動化中得到了應(yīng)用。