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基礎(chǔ)氧氣煉鋼的自動(dòng)化、控制和型號化

在基本氧氣煉鋼過程中，基本氧氣爐或轉(zhuǎn)爐通過將高爐生產(chǎn)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(shí)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(yùn)行需要將氣體溫度調(diào)高，并且會(huì)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(dòng)化和控制系統(tǒng)，通常由基本自動(dòng)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(shí)際上是對各種子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝配。基本氧氣煉鋼的主要設(shè)備是一個(gè)內(nèi)襯耐火材料的轉(zhuǎn)爐（基本氧氣爐），煉鋼過程就在其中進(jìn)行。除轉(zhuǎn)爐容器外，煉鋼過程還有幾個(gè)子系統(tǒng)，包括：(i)轉(zhuǎn)爐容器傾斜驅(qū)動(dòng)，(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(dòng)出鋼系統(tǒng)，(xiii)擋渣系統(tǒng)，(xiv)二次除塵系統(tǒng)，(xv)聯(lián)鎖和報(bào)警系統(tǒng)，以及(xvi)人機(jī)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)對鋼液的溫度（攝氏度）進(jìn)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)典的工藝型號仍然有效，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(jìn)行必要的調(diào)整，從而生產(chǎn)出中大型產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要使用各種控制和估計(jì)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(dòng)提供所需信息。

適合這個(gè)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(jì)算機(jī)，和（ix）管理計(jì)算機(jī)。在煉鋼過程中需要進(jìn)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(dòng)取溫和取樣來實(shí)現(xiàn)的。

過程控制是基本氧氣煉鋼操作的一個(gè)重要部分，因?yàn)楫a(chǎn)熱時(shí)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。過程控制型號大致可分為兩類，即（一）靜態(tài)，和（二）動(dòng)態(tài)。

最簡單的工藝控制形式是基于靜態(tài)工藝型號的。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(shí)際含量以及爐渣的堿性之間的關(guān)系。靜態(tài)型號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)型號基本上就像射箭一樣。一旦箭離開弓，就沒有進(jìn)一步的控制。

在動(dòng)態(tài)過程控制的情況下，需要吹制過程的實(shí)際狀態(tài)的準(zhǔn)確信息。理想情況下，鋼、渣和氣體成分以及溫度的不間斷信息是可用的，并在線用于過程監(jiān)督。任何偏離預(yù)期進(jìn)程的情況都可以被檢測出來，根據(jù)型號，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(gè)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(shí)踐中，情況則完全不同。特別是在基本的氧氣煉鋼過程中，不間斷測量有很強(qiáng)的實(shí)際限制，例如振動(dòng)、灰塵、高溫和液態(tài)金屬及渣相。動(dòng)態(tài)型號在吹氧過程中根據(jù)某些吹氣中的測量成果進(jìn)行調(diào)整。

動(dòng)態(tài)控制過程的要求是：（i）不中斷過程和（ii）獲得實(shí)時(shí)測量。為此，我們使用了一個(gè)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。

基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能包括氧槍控制、物料控制、底部攪拌控制、子槍檢測控制和終點(diǎn)控制。過程控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)管理、控制型號、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(dòng)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)型號計(jì)算的成果來判斷熔化過程的狀態(tài)。最后，它向基本自動(dòng)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(dòng)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、廢鋼場管理和調(diào)度物流。工藝優(yōu)化（Level-2）解決方案是基于先進(jìn)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(dòng)化和控制的主要目標(biāo)是：（1）滿足煉鋼的要求，和（2）提供操作幫助。此外，煉鋼過程的自動(dòng)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(diǎn)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型號，降低生產(chǎn)成本。自動(dòng)化和控制主要依靠計(jì)算機(jī)，與煉鋼過程的機(jī)械化密不可分。

基本氧氣煉鋼過程的自動(dòng)化和控制的一般建筑結(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(shí)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(jìn)的控制策略，（iii）可以將智能編程到系統(tǒng)中，（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(xiàng)，（v）存在存儲數(shù)據(jù)，（vi）易于訪問信息和存儲數(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(dòng)化和過程控制體系。

圖1 基本氧氣煉鋼的基本自動(dòng)化和過程控制體系

計(jì)算機(jī)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(dòng)化。

隨著工藝計(jì)算機(jī)和外圍測量技術(shù)的進(jìn)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?dòng)態(tài)或全自動(dòng)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(jìn)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)型號和專家系統(tǒng)（使用人工智能程序）的使用，煉鋼過程的自動(dòng)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(dú)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(shí)保障了效率和成本效益。

分布式控制儀器容納了（i）生產(chǎn)操作員的控制臺，（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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的通信。管理信息/控制計(jì)算機(jī)通常是一個(gè)大容量的系統(tǒng)，主要用于（i）提供信息，即班/日/月報(bào)告，（ii）處理交互式生產(chǎn)，（iii）下游/上游工廠之間的調(diào)度，（iv）準(zhǔn)備收費(fèi)（廢品的預(yù)裝等。 適應(yīng)靜態(tài)型號，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(shí)裝料，以及氧氣平衡（確定速率、持續(xù)時(shí)間和吹氣模式），（vi）適應(yīng)動(dòng)態(tài)型號，在子長槍提供實(shí)時(shí)信息后開始運(yùn)行。該系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)主動(dòng)顯示，使操作者能夠按目標(biāo)結(jié)束過程，計(jì)算最終成果，并提出小的修改建議和添加最終合金。

控制型號是自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)的核心部分。它們整合了熔煉機(jī)制、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、專家原理和自適應(yīng)學(xué)習(xí)等知識?？刂品匠淌抢萌蹮挋C(jī)制的知識得出的，關(guān)鍵控制參數(shù)是由數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和專家原則定義的。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?？刂菩吞柺侵胳o態(tài)控制型號、主要材料型號、熔渣形成型號、溫度型號、耗氧量型號、動(dòng)態(tài)控制型號、傾斜型號、合金型號和終點(diǎn)型號等。此外，還有一個(gè)自適應(yīng)學(xué)習(xí)型號。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、氧槍振動(dòng)監(jiān)測設(shè)備等。

此外，目前有幾種控制型號，如機(jī)制型號、統(tǒng)計(jì)學(xué)型號和增量型號等。機(jī)制型號是基于熱量和質(zhì)量守恒的。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(jì)學(xué)型號以黑箱理論為基礎(chǔ)。在這個(gè)型號中，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(jì)關(guān)系。只要熔化條件改變，這個(gè)型號的計(jì)算精度就不能保持。使用增量型號，可以通過與記錄的生產(chǎn)率數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)型號的主要缺點(diǎn)是計(jì)算精度低。圖2顯示了控制系統(tǒng)和工藝型號的功能。

圖2 控制系統(tǒng)和過程型號的功能

端點(diǎn)碳預(yù)測

端點(diǎn)碳的預(yù)測最初是依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，對基本氧氣煉鋼的計(jì)算機(jī)控制的研究已經(jīng)開展起來?；谟?jì)算機(jī)計(jì)算的靜態(tài)電荷型號首先被Jones & Laughlin鋼鐵公司利用，用于計(jì)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(diǎn)碳控制。

隨著自動(dòng)檢測方法、數(shù)學(xué)型號和算法的快速發(fā)展，動(dòng)態(tài)和智能的端點(diǎn)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(diǎn)，用來計(jì)算端點(diǎn)碳含量，端點(diǎn)碳預(yù)測分為三個(gè)階段，如靜態(tài)預(yù)測、動(dòng)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(gè)過程中，操作人員通常會(huì)得到計(jì)算機(jī)指導(dǎo)系統(tǒng)的幫助，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)質(zhì)量和能量平衡的計(jì)算以及熱力學(xué)計(jì)算，提出工藝參數(shù)和操作人員的行動(dòng)。靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測主要依靠基于質(zhì)量和熱平衡建立的數(shù)學(xué)型號，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(jì)算出鋼液中的端點(diǎn)碳含量。圖3顯示了基本氧氣煉鋼的終點(diǎn)預(yù)測的靜態(tài)型號。

圖3 基礎(chǔ)氧氣煉鋼終點(diǎn)預(yù)測的靜態(tài)型號

靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測的關(guān)鍵點(diǎn)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(yàn)和技能的端點(diǎn)碳預(yù)測的隨機(jī)性和不確定性相比，靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測可以對吹氧和端點(diǎn)碳含量進(jìn)行定量計(jì)算，從而提高端點(diǎn)碳的預(yù)測精度。通常用于靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測的數(shù)學(xué)型號主要包括理論型號和統(tǒng)計(jì)型號。

理論型號可以根據(jù)煉鋼過程中質(zhì)量和熱量平衡的計(jì)算，計(jì)算出吹氧量和終點(diǎn)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(jì)算通常是用經(jīng)驗(yàn)值完成的，并不準(zhǔn)確，因此，理論型號在基本煉鋼轉(zhuǎn)爐端點(diǎn)碳預(yù)測上表現(xiàn)得相對較差。

統(tǒng)計(jì)型號只關(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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而不考慮液浴中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，這由公式X=F（W，S，T，t，Z）描述，其中'F'是一個(gè)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(diǎn)成分的目標(biāo)值，"T "是熱金屬的初始溫度，"t "是吹氧時(shí)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(jì)型號，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(diǎn)預(yù)測中。與理論型號相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長分析隨機(jī)偏差，避免隨機(jī)因素的影響，可以為端點(diǎn)碳預(yù)測提供更可靠的參考。圖4顯示了用于端點(diǎn)碳預(yù)測的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖4 用于端點(diǎn)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(jì)型號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(shí)間序列特征的小數(shù)據(jù)集不能代表實(shí)際生產(chǎn)），使得靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測型號不適合于實(shí)際生產(chǎn)，因?yàn)轭A(yù)測精度有限。靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是如何在具有時(shí)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)測型號?；谏鲜鎏魬?zhàn)，動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測在靜態(tài)預(yù)測的基礎(chǔ)上被迅速發(fā)展。

動(dòng)態(tài)預(yù)測--與靜態(tài)控制不同，動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測可以預(yù)測鋼液中的端點(diǎn)碳含量，并通過計(jì)算監(jiān)測設(shè)備收集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)（噴槍運(yùn)動(dòng)、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(dòng)態(tài)型號，實(shí)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(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測的主要方法。圖5顯示了用副槍系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)終點(diǎn)碳預(yù)測的情況。

圖5 子長槍系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)終點(diǎn)碳含量預(yù)測

采用副槍系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)終點(diǎn)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)測型號，動(dòng)態(tài)預(yù)測不同吹煉時(shí)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(diǎn)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(shí)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（吹氧時(shí)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)型號動(dòng)態(tài)推斷鋼液的碳含量，并通過計(jì)算成果的反饋來預(yù)測和控制終點(diǎn)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)型號的響應(yīng)時(shí)間對終點(diǎn)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(gè)熔鋼車間的端點(diǎn)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(huì)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(diǎn)碳含量。通過分析不同吹煉時(shí)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測可以得到明顯的預(yù)測改善，但收集真實(shí)的、全尺寸的、豐富的、可以代表整個(gè)煉鋼過程整體行為的數(shù)據(jù)集，預(yù)測型號的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)是動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測的特殊挑戰(zhàn)。因此，智能端點(diǎn)碳預(yù)測是在動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測的基礎(chǔ)上建立的。

智能預(yù)測--隨著數(shù)據(jù)采集和智能型號的發(fā)展，目前基本氧煉鋼的智能端點(diǎn)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(qiáng)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(dòng)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(dòng)態(tài)估計(jì)吹氧過程中鋼液的碳含量和溫度；以及（iii）具有較強(qiáng)自學(xué)和自適應(yīng)能力的智能型號。圖6顯示了智能型號的建立。

圖6 智能型號的建立

通過上述技術(shù)的應(yīng)用，基本氧氣煉鋼的智能端點(diǎn)碳預(yù)測可以用計(jì)算機(jī)自動(dòng)有效地實(shí)現(xiàn)，而不是人工操作，端點(diǎn)碳含量的預(yù)測精度也大大提升。隨著智能端點(diǎn)預(yù)測技術(shù)在某煉鋼廠的實(shí)際應(yīng)用，使重吹率從14%降至1%，水龍頭到水龍頭的時(shí)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(diǎn)碳含量的預(yù)測精度。最近，越來越多的自動(dòng)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(diǎn)碳控制，如機(jī)器人取樣測溫系統(tǒng)、無線成分測量系統(tǒng)等。同時(shí)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）伴隨著第五代移動(dòng)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(shí)施的角度來看，高精度的智能端點(diǎn)碳預(yù)測型號可以安裝在現(xiàn)有的工藝系統(tǒng)上，根據(jù)基本氧煉鋼過程中的實(shí)際事件和計(jì)劃事件，持續(xù)預(yù)測工藝碳含量，為操作人員提供指導(dǎo)。

專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個(gè)綜合的工藝型號組，它對煉鋼過程進(jìn)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(jì)算鋼水和鋼渣的實(shí)際狀況。這提供了任何時(shí)候鋼水和爐渣的分析和溫度，設(shè)定點(diǎn)型號的計(jì)算總是基于實(shí)際情況。

在轉(zhuǎn)爐的整個(gè)處理過程中，專家系統(tǒng)的工藝型號對煉鋼工藝進(jìn)行優(yōu)化和控制。Level-2系統(tǒng)根據(jù)基于每個(gè)鋼種存儲的生產(chǎn)方案的型號計(jì)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(bào)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(diǎn)型號組決定了專家系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)，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(diǎn)型號。

專家系統(tǒng)第一次收費(fèi)的計(jì)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。作為型號的輸出，將提供最佳的爐料組合，以達(dá)到生產(chǎn)計(jì)劃中計(jì)劃鋼種的目標(biāo)。

專家系統(tǒng)的第二次加料計(jì)算是在收到與加料的熱金屬和廢鋼有關(guān)的實(shí)際數(shù)據(jù)，包括不同類型廢鋼的部分重量后立即進(jìn)行。第二次加料計(jì)算型號計(jì)算出必要的容器添加量和氧氣量，以達(dá)到目標(biāo)分析和吹煉結(jié)束時(shí)鋼材的目標(biāo)溫度。

專家系統(tǒng)吹煉中的修正計(jì)算是由子長槍型號完成的。根據(jù)數(shù)據(jù)的可用性（溫度、碳），循環(huán)在線型號接管測量值，并應(yīng)用一些糾正措施，因?yàn)楦睒寽y量是在靠近熱點(diǎn)的地方進(jìn)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(jì)算出來。

如果在吹煉結(jié)束時(shí)，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(dòng)專家系統(tǒng)的再吹煉校正計(jì)算。實(shí)際的鋼浴分析和溫度取自溫度測量或?qū)嶋H的鋼樣。計(jì)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)的合金型號計(jì)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)測型號通過使用監(jiān)督和設(shè)定點(diǎn)型號的成果對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬。它提供了對進(jìn)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(dòng)，并為優(yōu)化生產(chǎn)過程服務(wù)。在預(yù)測型號的典型HMI屏幕中，屏幕的不同部分顯示了目標(biāo)和輸入數(shù)據(jù)、型號成果、鋼鐵的計(jì)算分析，以及爐渣和具體消耗量。

專家系統(tǒng)預(yù)計(jì)算型號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)測型號決定了最佳的吹氣和攪拌策略，以及容器添加的穩(wěn)定時(shí)間和分量。預(yù)計(jì)算型號是基于預(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(jì)算型號包括五個(gè)不同的部分，即(i)計(jì)算熱金屬和廢料的輸入，(ii)計(jì)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(jì)算吹氣設(shè)定點(diǎn)，以達(dá)到目標(biāo)碳含量和溫度，(iv) 計(jì)算正在進(jìn)行的反應(yīng)，以預(yù)測每個(gè)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(gè)工藝階段的目標(biāo)值，為操作員提供信息和警告。

專家系統(tǒng)監(jiān)督型號是一個(gè)在線型號，在吹煉過程中循環(huán)計(jì)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?dú)夂蜌錃獾奈眨蚝土自阡摵驮g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(dòng)態(tài)控制（專家系統(tǒng)監(jiān)督型號的一部分）是根據(jù)實(shí)際廢氣數(shù)據(jù)對碳進(jìn)行動(dòng)態(tài)吹掃結(jié)束預(yù)測。根據(jù)實(shí)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?dú)猓┮约皩?shí)際的工藝數(shù)據(jù)，專家系統(tǒng)動(dòng)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(shí)的碳含量。其成果是預(yù)測吹掃過程結(jié)束時(shí)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(shí)的目標(biāo)碳含量。與循環(huán)在線型號（專家系統(tǒng)監(jiān)督型號）相結(jié)合，可以對鋼和渣進(jìn)行完整的預(yù)測（溫度、分析和重量），其中碳含量來自專家系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制，所有其他數(shù)據(jù)由專家系統(tǒng)監(jiān)督型號計(jì)算。

在專家系統(tǒng)中，吹入式測量的碳含量計(jì)算是基于來自副槍測量設(shè)備的原始數(shù)據(jù)（即液相溫度Tliq），而不是使用測量設(shè)備計(jì)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(jì)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(jìn)行擬合。

從吹瓶測量中計(jì)算出的碳含量被在線型號所替換，從而修正了碳預(yù)測型號。為了完善現(xiàn)有的基于動(dòng)態(tài)廢氣測量的基本氧氣轉(zhuǎn)化器的自動(dòng)吹停功能，該功能也被用于子槍系統(tǒng)。自動(dòng)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(shí)的溫度和碳的目的。

循環(huán)過程型號也被稱為飽和型號，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(shí)，石灰和白云石的溶解就會(huì)暫停，當(dāng)爐渣成分允許進(jìn)一步溶解成渣的添加物時(shí)，就會(huì)繼續(xù)溶解。因此，工藝型號一直在跟蹤液態(tài)爐渣的數(shù)量和分析，以及未溶解的助熔劑添加物。平衡磷分配率的計(jì)算是基于光學(xué)堿度型號。為了確定光學(xué)堿度，只采用了液態(tài)渣相的組成，而在計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)時(shí)要考慮未溶解的通量部分。通常情況下，飽和型號允許優(yōu)化堿度（CaO / SiO2）和氧化鎂，目的是為了避免在吹煉結(jié)束時(shí)有太多的未溶解的通量材料。

專家系統(tǒng)工藝型號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)裝料的冷卻效果，從而改善溫度計(jì)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(huì)影響溫度曲線。

雖然型號是根據(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(diǎn)型號的特點(diǎn)結(jié)合起來，以達(dá)到完美的質(zhì)量，這一點(diǎn)在整個(gè)煉鋼自動(dòng)化中得到了應(yīng)用。