智能精炼(LF)过程控制系统设计

智能精炼(LF)过程控制系统设计

孙立鹏 ,陈达

河钢邯钢邯宝炼钢厂 河北邯郸 056015

摘要：LF炉在初期时主要使用其对特殊钢进行精炼加工处理，通过渣精炼、氩气搅拌以及电弧加热技术进行加工。LF炉具有非常高的使用价值，其具有多种冶炼功能，并且对其的使用具有较高的灵活性，因此，目前我国许多的普钢生产厂也大范围的使用LF炉。LF炉可以处理的钢的范围从普钢到特殊品种钢，因此，在我国的钢生产市场中具有非常重要的地位，企业如果可以通过精炼工艺以及进行设备改造，提升钢水纯净度与冶炼钢的效率，便可以降低冶炼钢的成本，从而帮助企业赚取更多的经济收益，有助于企业未来的发展。

关键词：智能精炼(LF)；过程控制系统；设计

1、LF炉精炼的原理

使用LF炉冶炼钢可以获得较高的脱硫与脱氧结果。在LF炉的还原性、高碱精炼以及池搅拌的作用下，钢水具有非常高的脱硫的作用。同时，其使用扩散脱氧的方法，可以把脱氧产物排到渣里，通过具有高流量的氩气对还原渣的环境以及冶炼的环境进行搅拌，从而实现将高沉淀脱氧去除率降低与渣钢间氧传输速率的提升。在LF炉中，其脱硫与脱氧具有相互作用的效果，因为如果其具备优良的脱氧能力，所以含有质量分数较高的氧化钙，同时氧化铁的质量分数会减少，所以脱硫的环境更加有利。再者，在LF炉中，通过底吹透气砖可以实现较高的脱气去杂的能力，在钢水中出现因为输送氩气而产生的小气泡可以通过上浮运动帮助增加钢水气体含量并且提升非金属杂物上浮的速度，从而将钢水与非金属杂物排除。

2、LF精炼炉智能控制概述

LF钢包精炼炉的控制系统主要经历模拟控制、常规数字控制和智能控制几个阶段。随着近年来智能控制技术和计算机技术的长足进步，大规模采用智能控制技术是LF发展的重要方向，而目前LF精炼工艺过程控制主要体现在温度预报、成分预测、底吹控制、电极自动控制等单系统应用，此类模型主要基于机理分析和模式识别的建模方法进行建模运行。多模型集成也是基于时序演变而简单组合，没有真正形成全要素协同融合。

2.1温度预报模型

该模型以钢水、包壁为研究体系，根据能量平衡的规律找出影响钢水温度变化的重要因素。其中电弧加热是钢水升温的重要因素，包壁的传热有侧壁传热和包底传热两种，分别采用圆柱坐标和直角坐标下的一位非稳态导热微分方程加以分析。此外影响钢水温度的因素还有吹Ar的热损失、渣面的热损失、合金溶解热、合金氧化放热、渣料熔化升温热、合金熔化升温热。结合以上影响温度的因素加以分析，建立了钢水温度预报模型。可推出LF中的温度模型：

式中：Tlf为模型中LF温度，℃；Tst为原始钢水温度，℃；Xse为电能加热状态；Xin为包衬吸热状态；Xr为熔池表面热损；Xg为氩气产生的热损状态；Xy为烟尘、烟气带走的热量状态；Xh为合金及渣料熔池内反应。

上式中除Tlf为实际获得数据外，其他数据均通过工艺经验分析所得。因此，该预报模型在LF精炼温度控制和预报过程中存在很大的不确定性。根据某钢厂应用情况其预报准确率不到80%，对具体生产工艺实质性指导意义不强。

2.2LF精炼成分预测模型

LF精炼过程中，需要向钢水中投入一些合金以调整其成分，保证出钢成分达到产品规定的目标要求。成分预报模型就是根据当前的钢水成分与实际投入的合金量，预报添加合金后钢水成分的变化。该值主要与钢水溶解氧含量、顶渣氧化性、合金粒度及合金元素与氧亲和力等因素有关，而此类影响因素无法直接量化应用，故利用归集修正的方式建立合金成分预测模型。模型中主要采取自学习的方式获得其数值，即在实际生产数据库中选取与当前炉次钢种相同、时间间隔最短及生产条件相近的若干炉次钢水的合金元素收得率平均值作为本炉次合金元素收得率的预报值。精炼后，将本炉钢水信息存入数据库中，作为以后的待选参考信息，完成模型的自学习。

该模型随着模型训练的累计其预测结果亦将不断提高，但该模型始终为静态模型，存在两方面的不足：一是结果的优化始终处于单项非闭环过程；二是成分预测仅停留在预测而无法对其合金化过程进行先行干预，没有与LF精炼工艺控制形成系统关联。

2.3底吹氩控制模型

氩气作为一种惰性气体，不与钢液中的其它成分发生化学反应。而且，在生产炼钢所需要的氧气时会产生一定量的氩气，使获取氩气的成本较低。因此在底吹技术中大多选氩气作为理想的气体进行搅拌。在炼钢时，将按设定流量的氩气通过安装在钢包底部的透气砖吹入钢包，进入钢包后形成了大量的氩气小气泡。这些小气泡对于钢液中的N、H、O等气体来说，就相当于一个个小的真空室，在真空室内N、H、O等的分压力约为零，这样压力较大的N、H、O等气体向压力较小的真空室内扩散。由于气体不断受热上浮，真空室内的有害气体的分压力会逐渐增加，但氩气小气泡在受热上浮时会膨胀，这样有害气体的分压力仍较小，因此真空室外的有害气体可以继续向真空室扩散。最后有害气体随着氩气泡上浮溢出钢液液面，达到了去除钢液有害气体的目的。由于气泡上浮的抽引作用，钢包内形成环流，加速传质传热，提供了夹杂颗粒碰撞的机会，有利于夹杂物的排除。精炼炉底吹氩要根据所需要的钢种、钢液状态和精炼目的，选择恰当的气体参数，如选择合适的氩气压力、流量值和吹氩时间，不同的精炼阶段要吹入不同流量值的氩气。

3、LF精炼智能控制技术未来发展情况研究

3.1新技术成熟与运用

(1）非接触式测温技术。在LF精炼炉运用过程中，一个重点内容就是针对钢液温度进行精确的实时监控，而这也是最难实现的一个目标。伴随着现代科技的不断发展，将非接触式的测温设备安装到炉盖上，从而能够得到实时温度波动数据，并建立模型监控与分析温度信号，提升实时监测工作效率。

(2）电极的自动调节。在LF精炼过程中，供电操作是一个十分关键的环节，而供电的关键则以电极自动调节为基础。因此为了有效改善供电效率与质量，就需要针对LF精炼炉当中的电极调节环节进行优化，通过自动调节系统的实现，起到提升产量与质量以及降低能耗的效果。

(3）不同模型控制协同集成。就是将所有模型全部进行统一控制，以达到LF精炼炉的全流程智能控制。

3.2大数据技术

采用大数据技术可实现：

(1）归类与分析历史数据。

(2）修复控制系统当中由于环境与时滞等因素导致的数据失真问题。

(3）为不同控制模型创造更加合理的学习对比数据。

(4）能结合对LF精炼炉在实际控制过程中的质量问题和成本开展回归分析，而后生成相关曲线，提供丰富的参考价值。

(5）通过大数据技术的应用与完善，也能够使工艺控制曲线越来越合理，从而提升不同工序之间的衔接效率与控制效果。

结论

伴随着传统行业的转型升级，LF精炼必将实现针对不同钢种特点，制定最佳的标准化工艺路线，进行过程智能化控制；向多功能方向发展，增加精炼功能的智能控制技术，提高精炼冶金效果；环境友好型精炼技术，确保过程精准控制，减少环境污染和废气排放。LF精炼炉内实时检测技术的不断成熟和应用、基于各类模型的集成实践应用以及大数据技术的成功运用，为实现前述目标，各类模型不断优化集成，实现真正意义上的智能精炼，奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]孙智勇.精炼炉电极智能控制系统的研究[D].天津：天津理工大学，2019.

[2]梅亚光，程树森，张鹏，等.钢包底吹氩精炼混匀判据及合金加入位置研究[J].炼钢，2019(6):12-17.

[3]周榕平，李俊辉.我国炉外精炼装备的发展与技术进步[J].重型机械，2019(1):26-30.

[4]王佐伟.LF炉全流程自动控制功能的开发及应用[J].机械加工与制造，2018(4):42-43.