摘" 要：通過探究轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制模型的構建策略，達到提高最終冶煉命中率的目的。該文設計的轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制分為靜態(tài)控制和動態(tài)控制2個階段，利用靜態(tài)計算模型對比副槍探頭實測值與設定值是否相同，如果相同說明命中吹煉目標，無需校正；如果不同，則運用動態(tài)計算模型進行校正，重復判斷模型預測結果是否處于冶煉終點的目標范圍，在預測值處于目標范圍后說明命中吹煉目標。采用基于靜態(tài)與動態(tài)相結合的自動控制策略，顯著提高最終冶煉命中率。

關鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼；自動控制；靜態(tài)控制；動態(tài)控制；命中率

中圖分類號：TF711" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0119-04

在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，由于材料自身成分、冶煉設備工況以及物理化學反應等諸多因素的影響，該過程存在較大的不確定性。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能以及自動化控制等技術的成熟發(fā)展，基于數(shù)學模型構建全自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的自動和閉環(huán)控制，一方面能讓冶煉過程的各項參數(shù)得以直觀呈現(xiàn)，以便于工作人員隨時監(jiān)督和調(diào)控冶煉過程；另一方面又能減少人為干預，對保障作業(yè)安全和提高煉鋼轉(zhuǎn)爐終點碳和終點溫度的命中率也有積極幫助。在這一背景下，探究轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制模型的構建策略成為當前的熱門研究課題。

1" 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制策略

計算機對轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的自動控制分為靜態(tài)控制和動態(tài)控制2個階段。

1.1" 靜態(tài)控制

計算機在接收上級下達的生產(chǎn)指令后，首先運行靜態(tài)控制模型并計算本次煉鋼所需的主材料（由鐵水和廢鋼組成），然后裝料機構根據(jù)計算結果將主材料裝入爐內(nèi)。控制系統(tǒng)根據(jù)冶煉鋼的種類自動選擇冶煉模式，如底吹模式、副原料投入模式等。確定冶煉模式后，計算出吹煉期間所需的吹氧量、溶劑用量、冷卻劑用量等參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)收集計算結果完成閉環(huán)控制。在開始冶煉后，隨著冶煉時間的增加熔池鋼水的成分與溫度逐漸逼近設定的出鋼目標。在達到設定的某個時間點后如果副槍采樣結果與設定目標不一致，則自動跳轉(zhuǎn)至動態(tài)控制[1]。

1.2" 動態(tài)控制

根據(jù)副槍熔池采樣結果以及煙氣成分分析，重新調(diào)整補吹氧氣量和冷卻劑量，優(yōu)化冶煉后期的控制策略，達到提高最終冶煉命中率的目的。

轉(zhuǎn)爐煉鋼采取上述分段控制策略，一方面能夠利用副槍實時獲取鋼水成分（碳含量）、溫度等重要參數(shù)，保證在最佳時機完成靜態(tài)控制向動態(tài)控制的切換；另一方面又能提升冶煉過程的終點命中率，彌補了靜態(tài)控制精度不足的缺陷。靜態(tài)控制和動態(tài)控制原理如圖1所示。

2" 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制模型的構建

2.1" 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制流程

步驟一：在確定生產(chǎn)計劃、技術標準的基礎上，控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)學模型（包括溫度模型、主原料模型、供氧量模型等）計算出鐵水用量、廢鋼用量、冷卻劑用量等各項參數(shù)，并將計算參數(shù)輸入到自動化控制機（I級機）中。

步驟二：向爐內(nèi)添加廢鋼、鐵水后，I級機根據(jù)設定的冶煉模式以及氧氣復吹轉(zhuǎn)爐（Ⅱ級機）提供的設定參數(shù)開始進行冶煉，并且在冶煉過程中根據(jù)吹氧量、溶劑量、冷卻劑量等參數(shù)實現(xiàn)加料控制。

步驟三：在冶煉過程中，以副槍作為傳感器獲取鋼水溫度、成分等參數(shù)，并觸發(fā)動態(tài)模型。然后通過數(shù)學運算將副槍實時采集的數(shù)值與系統(tǒng)設定的數(shù)字進行對比。以實測值與設定值的差作為模型輸入量，計算出新的吹氧量和冷卻劑添加量，控制系統(tǒng)根據(jù)最新計算參數(shù)優(yōu)化控制策略[2]。重復上述過程，直到鋼水溫度、熔池碳含量等實測值等于設定值，跳出循環(huán)程序，并向I級機發(fā)送提槍申請。

步驟四：I級機接受該申請后，發(fā)出提槍指令，前端執(zhí)行機構提起副槍，結束冶煉過程，從而實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)爐冶煉的自動化控制，獲得最佳冶煉效果。

2.2" 靜態(tài)計算模型

轉(zhuǎn)爐煉鋼靜態(tài)模型的運行原理如下：通過模型計算物料平衡與熱平衡，在此基礎上結合經(jīng)驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析求得修正系數(shù)，最終確定廢鋼、鐵水、石灰等材料的加入量和氧氣的消耗量，并預測最終的鋼水溫度和成分。在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，鐵的顯熱、礦石的分解熱以及碳、硅等元素的氧化熱，與爐渣、鋼水等產(chǎn)物的顯熱以及冶煉過程中的熱損失維持平衡，熱平衡如圖2所示。

同樣的，轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中存在物料平衡，冶煉前加入的鐵水、廢鋼、石灰、礦石及氧氣等材料，與冶煉后生成的鋼水和副產(chǎn)物爐灰、爐渣等維持平衡，如圖3所示。

根據(jù)計算內(nèi)容的不同，可以將靜態(tài)計算模型細分為若干類型，例如主原料模型以終渣成分作為輸入量，以廢水和廢鋼的添加量作為輸出量；氧氣量模型主要用于計算各個冶煉階段需要消耗的氧氣量；溶劑模型用于計算石灰、螢石、白云石等材料的加入量，該模型的輸入量包括3類：其一是鐵水溫度；其二是各類溶劑的冷卻劑系數(shù)和氧當量系數(shù)；其三是主原料模型輸出的鐵水量。該模型的輸出量見表1。

在應用溶劑模型求各溶劑的加入量時，還要考慮鐵水磷以及轉(zhuǎn)爐終點溫度對輸出結果的干擾。因此本文在設計溶劑模型時采取了“變堿度”方法，如果渣量較小則提高轉(zhuǎn)爐終渣的堿度；反之，如果渣量較大則自動降低轉(zhuǎn)爐終渣的堿度，從而保證最終計算的溶劑需要量更加符合轉(zhuǎn)爐煉鋼的真實需要。

2.3" 動態(tài)計算模型

2.3.1" 動態(tài)模型的功能設計

在轉(zhuǎn)爐冶煉的自動控制策略下，控制系統(tǒng)以靜態(tài)計算模型計算的設定值作為參考，與副槍測量的實際值（如鋼水溫度、含碳量）進行對比。如果存在“設定值等于實測值”的情況，說明計算終點可以直接命中吹煉目標，此時無需校正控制，直接完成吹煉即可；反之，如果存在“設定值小于實測值”或“設定值大于實測值”的情況，說明靜態(tài)模型的計算終點無法直接命中吹煉目標，此時需要啟用動態(tài)模型進行校正[3]。

動態(tài)計算模型的功能設計如下：一方面基于副槍探頭的測量結果求得轉(zhuǎn)爐煉鋼動態(tài)控制階段的末期吹氧量以及冷卻劑添加量2個重要參數(shù)；另一方面則基于冶煉標準明確冶煉終點的大致范圍，在此基礎上結合吹氧量、冷卻劑添加量預測鋼水溫度和碳含量。執(zhí)行一個判斷程序“預測值是否處于冶煉終點的目標范圍？”如果判斷結果為“否”，則再次預測鋼水溫度與含碳量，重復上述流程，直到判斷結果為“是”，此時上位機（計算機）向下位機（PLC）發(fā)出一個“停吹”指令，前端執(zhí)行機構提起副槍并停止吹煉。此時動態(tài)控制模型也暫停計算，至此完成了動態(tài)校正任務[4]。

2.3.2" 動態(tài)計算模型的構建

在構建動態(tài)計算模型時，首先需要明確該模型的輸入量、計算量和輸出量。結合轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動控制需要，該模型的輸入量有目標碳、目標溫度以及碳和溫度計算結果的閾值范圍；該模型的計算量包括吹氧量、冷卻劑加入量、終點碳含量和終點鋼水溫度；該模型的輸出量包括供氧量、冷卻劑加入量、鋼水溫度（預測值）與碳含量（預測值）。本文以Meyer數(shù)學模型為基礎構件了動態(tài)計算模型，這里以鋼水溫度計算為例，數(shù)學模型如下

式中：TM表示副槍在冶煉期間測量的鋼水溫度，單位為℃；λ表示升溫系數(shù)；A表示升溫常數(shù)；Q1表示吹煉初始狀態(tài)的送氧量，Q2表示副槍開始測量時的送氧量，單位均為Nm3/t；W表示鋼水量，單位為t，K表示冷卻劑的冷卻能力，單位為℃/t；R表示副槍完成測量后加入冷卻劑的量，單位為t。

3" 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制系統(tǒng)的程序設計

3.1" 探頭連接程序

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制系統(tǒng)的程序基于西門子S7-GRAPH編程工具設計。工作人員首先選定并取出探頭，設定連接周期后通過運輸鏈將探頭運送到翻轉(zhuǎn)臂處。利用翻轉(zhuǎn)臂兩側的夾緊裝置固定探頭后，噴槍以0.8 MPa的壓力吹出氮氣，清掃探頭表面的雜質(zhì)，保證探頭干凈，提高測量精度。氮吹掃結束后，翻轉(zhuǎn)臂從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，使導向錐合攏。副槍緩慢勻速地向下移動，直到檢測到探頭連接正常后停止下降，至此完成副槍探頭的連接。連接完成后，導向錐以及探頭的夾緊裝置都調(diào)整為打開狀態(tài)，此時探頭翻轉(zhuǎn)臂按照原路線重新回到水平位置，最后副槍重新提升至初始高度[5]。整個連接程序如圖4所示。

如果圖4程序結束但是探頭并未成功連接，說明探頭本身存在問題，需要在更換新的探頭后重新啟動連接程序，直到探頭成功連接。

3.2" 測量程序

副槍探頭本質(zhì)上是一類傳感器，主要功能是在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中實時測量鋼水溫度、含碳量等參數(shù)，因此測量程序也是自動控制系統(tǒng)的重要組成部分。在啟動測量程序后，副槍探頭從初始的鏈接位旋轉(zhuǎn)移動到測量位，準備進行測量。使副槍緩慢、勻速下降，在到達設定高度后副槍停止動作，并打開副槍端部的密封帽。為了保證測量數(shù)據(jù)的準確性，在正式測量前同樣需要進行氮氣吹掃，保證副槍探頭的干凈。繼續(xù)向下移動副槍，使其達到測量高度，在該位置停止等待接收下一步的指令。當接收到從計算機（上位機）發(fā)送的聯(lián)鎖信號后，PLC（下位機）根據(jù)該信號計算出需要的吹氧量和底吹攪拌流量，同時進行測量。此時副槍探頭插入轉(zhuǎn)爐熔池鋼水中，要求探頭沒入深度要達到50 cm，根據(jù)設定好的采樣頻率獲取溫度、碳含量等數(shù)據(jù)。在接收到停止測量指令后，將副槍提起并達到設定高度，在副槍探頭冷卻后蓋上密封帽，繼續(xù)提升副槍至可選擇高度，然后將副槍旋轉(zhuǎn)并回到鏈接位。工作人員依次拆卸副槍及探頭，至此完成測量任務。測量流程如圖5所示。

4" 結束語

全自動冶煉控制是冶煉行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，面向轉(zhuǎn)爐煉鋼設計的自動控制模型以副槍探頭采集冶煉過程中的鋼水溫度、碳含量等參數(shù)，將這些參數(shù)的實測值與設定值進行對比，以對比結果重新調(diào)整控制策略，實現(xiàn)了閉環(huán)控制。經(jīng)過反復調(diào)整后確保最終的冶煉結果命中吹煉目標，達到了縮短吹煉周期和獲得更高經(jīng)濟效益的目的。

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Abstract： By exploring the construction strategy of automatic control model for converter steelmaking， the purpose of improving the final smelting hit rate is achieved. The automatic control of converter steelmaking designed in this paper is divided into two stages： static control and dynamic control. A static calculation model is used to compare whether the measured value of the sub-lance probe is the same with the set value. If they are the same， it means that the blowing target has been hit and no correction is needed; if they are different， the dynamic calculation model is used to correct， and it is repeatedly judged whether the model prediction result is in the target range of the smelting end point. When the predicted value is in the target range， it means that the blowing target has been hit. An automatic control strategy based on the combination of static and dynamic conditions is adopted to significantly improve the final smelting hit rate.

作者簡介：張翰威（1998-），男，助理工程師。研究方向為冶金工程。