科技新进展：基于激光烟气分析方法的转炉智能炼钢系统

来源：中国金属学会

近年来，钢铁工业智能制造及信息化建设已经成为工业界和学术界共同的研究热点。现代转炉工序流程输入端存在着多变的目标钢种要求、变化的原料条件、硬件的波动与衰减、过程监控手段缺失、不同的操作习惯以及碎片化经验和数据。以三种较为典型控制手段——静态控制模型、基于副枪动态控制模型和基于炉气分析动态控制模型为基础的自动控制技术聚焦在冶炼终点的碳、温命中。

目前关于转炉数学模型的理论有近十个，每个数学理论的经验计算公式也有近十个。这些模型从机理研究出发，利用理论分析、经验公式和数据拟合等方法，通过调整、检验反应参数，不断提高模型准确率。由于每位研究者的研究条件不同，各计算公式差别很大，也基本没有利用过程检测手段验证、修正模型。最终的数学模型与实际反应规律不全一致，甚至出现相悖的情况。对实际的指导意义有限。转炉冶炼工艺的控制实际上是个多目标优化问题。通过逐一试错法聚焦目标温度、目标碳含量、终点磷含量或终点氧含量的一个或多个点的控制，忽略包括炉渣成分、烟气成分、钢液其它元素成分的多目标窄窗口控制，实现冶炼过程的稳定生产、终点命中、能耗降低和能效提高效率很低、代价很大。

为加强转炉工序物理本质和运行规律的深度理解，认识规律与外在控制参数的关联性，加强外在参数的波动范围控制、检测与度量，实现转炉冶炼过程虚拟场景对实体场景动态运行规律的模拟仿真，基于冶金反应工程学的物理流、能量流、信息流分析方法研究转炉智能制造技术有重要的意义和价值。

利用冶金反应工程学物质流、能量流和信息流的分析方法，结合转炉冶炼过程化学反应的特殊性，基于科研工作者已有的工作经验，综合考虑热力学和动力学的相互结合，气液、渣液、渣钢间的反应平衡问题，动力学条件的变化导致的反应速率变化等，完善转炉冶炼过程反应区模型、氧分配率模型、反应界面模型、反应平衡模型、经验与统计模型和反应系统最小自由能模型，全面剖析转炉冶炼反应机理，建立符合现代转炉吹炼特征的数学模型。通过实验室热态实验、热力学计算软件、现场实际生产阶段取样等分析方法验证数学模型与一般性冶金反应过程规律的一致性。

以数学模型为基础，通过大数据研究方法形成转炉冶炼过程控制系统的吹炼模型、加料模型和终点控制模型，形成一套转炉智能制造控制及仿真系统软件。控制系统通过流程输出端数据群能够自调整过程控制参数。控制及仿真系统利用过程监控数据具备自学习功能。

研究转炉智能制造技术的过程监控方法，通过炉气成分分析、音频化渣技术、副枪技术或倒炉取样以及下渣检测技术检验和修正模型。

在创新应用激光炉气分析技术的基础上，提高入炉原料供应标准，完善转炉基础数据信息在线检测技术，开发静态和动态智能控制模型、自动出钢技术，实现对转炉冶炼全过程的无干预智能化炼钢。

基于物质流、能量流和信息流的冶金反应工程学方法充分认识到转炉冶炼过程反应属于非催化型的多相耦合反应。实现转炉冶炼过程的多目标窄窗口控制、高效的能源利用和高效的资源利用：

1、基于氧枪射流特征搭建高度弥散系统的熔池反应区域划分体系，研究气泡、液滴、颗粒构成弥散系统的反应特点，研究和描述乳化和弥散现象，勾勒区域特性与反应规律。

2、对炉渣组元存在状态进行深入研究，单独的离子理论或分子理论对描述区域界面反应热力学存在不足，结合活度方面的最新应用结果“共存理论”，验证各区域反应热力学状态。

3、以热力学理论、反应速率理论和传递过程理论研究界面反应过程，形成反应系统最小自由能模型、反应界面模型和反应平衡模型，研究冶金反应过程多相耦合、多因素之间的关联性。

4、探索炉渣熔化机理，验证炉渣成分的合理组成。剖析冶炼反应机理，建立符合现代转炉吹炼特征、反应规律的数学模型。

2006年和济南钢铁合作开发采用基于激光气体分析技术的转炉的动态控制系统，为转炉生产高效化、低成本、智能控制打下了基础。该技术近年来在莱钢、攀钢、昆钢等企业均有交流和推广使用。

2016年，钢铁研究总院同山钢股份莱芜分公司炼钢厂合作，开发了一套从设备到二级软件完全国产化的激光炉气分析智能炼钢系统。通过一年多的研究应用，目前已实现单独应用激光炉气分析技术进行全过程无干预智能炼钢，并在降低生产成本、提高生产效率和改善钢水质量方面取得了较好的应用效果。

运用转炉智能炼钢系统，辅料及钢铁料消耗能明显降低，降低终点钢水氧化性及合金成本，经济效益显著。

钢铁料消耗降低1.5kg/t钢。

转炉脱磷率提高5%-8%。

“一键式”全过程无干预自动炼钢率达到90%。

终点碳命中率达到88%，温度命中率达到90%。

石灰消耗降低3kg/t钢。

合金成本降低1-2元/吨钢。