寶鋼-BRP-煉鋼新工藝過(guò)程控制模型研究與應(yīng)用

1、寶鋼 BRP 煉鋼新工藝過(guò)程控制模型研究與應(yīng)用郭亞芬杜斌陳軍鵬謝樹(shù)元(寶鋼研究院（技術(shù)中心） 上海 201900)摘要 本文介紹寶鋼轉(zhuǎn)爐脫磷/脫碳 BRP 新工藝過(guò)程控制模型研發(fā)和應(yīng)用。運(yùn)用冶金機(jī)理、統(tǒng)計(jì)回歸、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等多種方法，結(jié)合寶鋼生產(chǎn) 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了轉(zhuǎn)爐脫磷/脫碳新工藝成套過(guò)程控制模型，并投入生產(chǎn)應(yīng)用，使煉鋼生產(chǎn)更規(guī)范、穩(wěn)定、低耗、高效。關(guān)鍵詞 過(guò)程控制模型；轉(zhuǎn)爐煉鋼；神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)1引言轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程控制模型是全自動(dòng)煉鋼的關(guān)鍵技術(shù)，是集自動(dòng)控制、冶金機(jī)理、生產(chǎn)工藝、數(shù)學(xué) 建模、人工智能、數(shù)字仿真、計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)于一體的高難度復(fù)雜技術(shù)。寶鋼在上世紀(jì) 90 年代以 二煉鋼建造、一煉鋼三電

2、改造為契機(jī)，把煉鋼這一復(fù)雜過(guò)程分解為多個(gè)控制對(duì)象或子過(guò)程，并分別 建模，成功地研制開(kāi)發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉成套模型，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼的全過(guò)程自 動(dòng)控制，從而使煉鋼生產(chǎn)過(guò)程更規(guī)范、穩(wěn)定、低耗、高效。2003 年寶鋼股份是國(guó)內(nèi)第一個(gè)開(kāi)發(fā)“雙聯(lián)法”新工藝（BRP）轉(zhuǎn)爐脫磷、脫碳煉鋼的鋼鐵公司。 雙聯(lián)法是采用兩座轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)作業(yè)，一座進(jìn)行鐵水脫磷操作，稱為脫磷爐，另一座接受來(lái)自脫磷爐的低 磷半鋼水進(jìn)行脫碳升溫操作，稱為脫碳爐。這種煉鋼方法可以實(shí)現(xiàn)少渣冶煉，有利于經(jīng)濟(jì)地冶煉低磷、 超低磷鋼及高碳鋼、合金鋼，能有效改善鋼的質(zhì)量，提高鋼的純凈度和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。針對(duì)轉(zhuǎn)爐 脫磷/脫碳 BRP 新工藝，

3、寶鋼又研發(fā)了相對(duì)應(yīng)的過(guò)程控制模型，轉(zhuǎn)爐脫磷/脫碳成套過(guò)程控制模型已于2004 年 10 月2005 年 4 月陸續(xù)投入運(yùn)行，模型起到生產(chǎn)指導(dǎo)和控制作用。目前寶鋼一煉鋼計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)能同時(shí)運(yùn)行常規(guī)爐、脫磷爐、脫碳爐三套過(guò)程控制模型，從而使不同生產(chǎn)工藝不同的控制模型能有 序有效地控制煉鋼生產(chǎn)過(guò)程。2.煉鋼模型簡(jiǎn)介轉(zhuǎn)爐煉鋼是一個(gè)非常復(fù)雜的多元多相高溫狀態(tài)下進(jìn)行的非線性的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，存在很多 不確定的因素，且難以獲得準(zhǔn)確連續(xù)的檢測(cè)信息，因此，純理論模型很難精確反映轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程。我 們根據(jù)煉鋼生產(chǎn)特點(diǎn)，運(yùn)用冶金機(jī)理、統(tǒng)計(jì)回歸、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、人工智能等多種方法，結(jié)合寶鋼生產(chǎn) 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了常規(guī)爐/脫磷

4、爐/脫碳爐三套過(guò)程控制模型。寶鋼一、二煉鋼 300 噸和 250 噸轉(zhuǎn)爐，采用頂?shù)讖?fù)吹方式，由過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行煉鋼全過(guò)程的 生產(chǎn)指導(dǎo)、生產(chǎn)控制和生產(chǎn)實(shí)績(jī)收集。過(guò)程控制模型貫穿整個(gè)轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程，按工藝流程主要進(jìn)行轉(zhuǎn) 爐液面計(jì)算、副原料計(jì)算、副原料投入分配計(jì)算、副槍測(cè)定氧量計(jì)算、冷卻材計(jì)算、總吹氧量計(jì)算、 合金最小成本投入量計(jì)算、鋼水成分預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)推算鋼水溫度和鋼水碳含量等，進(jìn)行吹止控制。3.煉鋼模型原理寶鋼針對(duì)常規(guī)爐、脫磷爐、脫碳爐三種煉鋼工藝自主研發(fā)的離線在線轉(zhuǎn)爐模型有 20 多個(gè)，寶鋼 有一支技術(shù)力量長(zhǎng)期耕耘在煉鋼領(lǐng)域從事過(guò)程控制模型跟蹤、優(yōu)化、研發(fā)工作，使模型適合不斷改進(jìn) 的生產(chǎn)工藝，以

5、確保煉鋼生產(chǎn)的產(chǎn)量和質(zhì)量。下面介紹寶鋼近幾年針對(duì) BRP 新工藝研發(fā)和優(yōu)化改進(jìn)的 幾個(gè)主要的轉(zhuǎn)爐過(guò)程控制模型。轉(zhuǎn)爐過(guò)程控制模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。郭亞芬 寶鋼研究院自動(dòng)化研究所；Tel：56780880-2186； 7 E_Mail :guoy 人工要求前爐出 鋼終了副原料計(jì)算 模型吹煉 Pattern 控制 氧槍高度控制 氧流量控制元素目標(biāo)收得率合金最小成本 模型合金液面計(jì)算模型靜態(tài)控制計(jì)算投入副槍氧槍高測(cè)定模型副原料投入 時(shí)刻計(jì)算參考爐數(shù)據(jù)氧流量控制度吹煉控制結(jié)束主原料裝入吹煉開(kāi)始三種轉(zhuǎn)爐吹煉方式 常規(guī)爐 脫磷爐 脫碳爐送氧量一定值副測(cè)碳、溫動(dòng)態(tài)計(jì)算 模型追加冷材副測(cè)后氧量吹止 成分靜態(tài)學(xué)習(xí)計(jì)算

6、 模型人工要求模型參數(shù)維護(hù)實(shí)績(jī)文件 模型文件合金收得率 模型3.1 脫磷爐智能副原料計(jì)算模型圖 1.轉(zhuǎn)爐過(guò)程控制模型結(jié)構(gòu)圖智能副原料計(jì)算模型是在寶鋼實(shí)施轉(zhuǎn)爐脫磷/脫碳雙聯(lián)法新工藝過(guò)程中開(kāi)發(fā)的。 副原料計(jì)算模型的功能就是在轉(zhuǎn)爐吹煉之前，根據(jù)鐵水條件、吹止目標(biāo)及造渣原理，計(jì)算轉(zhuǎn)爐吹煉造渣所需要的副原料品種（主要有石灰、瑩石、輕燒白云石、鐵礦石等）和對(duì)應(yīng)的副原料量。 在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了副原料機(jī)理模型、統(tǒng)計(jì)模型、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)智能模型的深入研究，并進(jìn)行仿真測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果表明神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)智能模型效果最好，因而，開(kāi)發(fā)了在線“神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)回歸專家知 識(shí)”的智能副原料計(jì)算模型，用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算 CaO,用統(tǒng)計(jì)

7、Pattern 計(jì)算其他副材量，用專家 經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，該模型已成功應(yīng)用于寶鋼一煉鋼轉(zhuǎn)爐脫磷生產(chǎn)指導(dǎo)和控制。3.1.1 脫磷爐副材 CaO 計(jì)算根據(jù)轉(zhuǎn)爐脫磷煉鋼工藝及造渣反應(yīng)過(guò)程，副原料計(jì)算中最重要的是計(jì)算石灰量。轉(zhuǎn)爐脫磷過(guò)程中 CaO 的加入量直接關(guān)系到脫磷效果，CaO 在(FeO)作用下溶解于渣中，與磷的氧化物反應(yīng)生成磷酸 鹽，而存于渣中達(dá)到脫磷目的，反應(yīng)式如下：2P+5/2O2+4(CaO)=(4CaOP2O5) 脫磷處理過(guò)程中，鐵水磷首先與吹入的氧和溶解于鐵水及渣中的氧反應(yīng)生成磷的氧化物，再與溶解于渣中的石灰（CaO）、瑩石(CaF2)等副原料反應(yīng)，生成更穩(wěn)定的磷酸鹽化合物存于渣中，使半

8、 鋼水中磷濃度在吹止磷目標(biāo)值以下。根據(jù)造渣反應(yīng)機(jī)理和經(jīng)驗(yàn)可知，副原料 CaO 投入量與造渣過(guò)程中的其他相關(guān)因素是非線性關(guān)系，反應(yīng)過(guò)程存在很多不確定因素，純機(jī)理模型很難精確反映這一過(guò) 程。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為非線性模型的推廣，對(duì)不能精確描述的過(guò)程，是一種有效的數(shù)據(jù)模型。鑒 于以上原因研發(fā)了 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算 CaO。采集寶鋼一煉鋼轉(zhuǎn)爐脫磷實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理篩選，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)轉(zhuǎn)爐吹煉經(jīng)驗(yàn)和 統(tǒng)計(jì)回歸相關(guān)性分析得出以下量對(duì)石灰計(jì)算有較大的影響：鐵水量、廢鋼量、鐵水 Si 、鐵水 P 、 鐵水溫度、目標(biāo)吹止 P 上限、堿度等變量作為網(wǎng)絡(luò)的輸入量，CaO 作為網(wǎng)絡(luò)的輸出量。采用S型函數(shù)f(

9、x)=1/(1+e-x) 為BP網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元變換函數(shù)，對(duì)輸入、輸出值都進(jìn)行歸一化處理。 利用寶鋼自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的智能自動(dòng)建模軟件工具 AMIT 能快速有效地建立神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) 模型和分析模型精度，并產(chǎn)生模型源程序。從網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的多個(gè)模型中選取精度最高的一個(gè)，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為 9，模型計(jì)算結(jié)果如下：輸出 CaO學(xué)習(xí)樣本檢驗(yàn)樣本測(cè)試樣本所有樣本模型擬合度 R0.9981680.9774310.9541170.980915評(píng)價(jià)模型精度的擬和度計(jì)算公式如下： (y- y )2R = 1 - i i (yi- y )2其中yi (i=1,2,n)為模型的目標(biāo)輸出；y i (i=1,2,n)為模型的實(shí)際輸

10、出；y 為目標(biāo)輸出的平均值。3.1.2 其他副材計(jì)算根據(jù)轉(zhuǎn)爐脫磷造渣反應(yīng)機(jī)理，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐試驗(yàn)，按鋼種吹止磷目標(biāo)上限值、停吹溫度、鐵水Si 進(jìn)行分類，收集生產(chǎn)實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析工具，確定其他副材加入量的 Pattern。 副原料計(jì)算模型的順序：先由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算出總的石灰量，再根據(jù)目標(biāo)吹止磷和鐵水硅含量確定副材 Pattern 大分類和細(xì)分類，計(jì)算出其他副原料品種(瑩石、鐵礦石等)和投入總量，再根據(jù) 爐況實(shí)際情況，利用專家知識(shí)確定模型計(jì)算的修正量。融合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家知識(shí)、分類統(tǒng)計(jì)回歸開(kāi) 發(fā)的副原料計(jì)算模型實(shí)用可靠。3.2 脫磷爐/脫碳爐靜態(tài)模型脫磷爐/脫碳爐靜態(tài)模型由靜態(tài)控制計(jì)算模

11、型和靜態(tài)學(xué)習(xí)計(jì)算模型構(gòu)成。靜態(tài)控制計(jì)算模型是根 據(jù)轉(zhuǎn)爐吹煉前期的鐵水條件及吹止目標(biāo)，計(jì)算吹氧量、冷卻材量、副槍測(cè)定時(shí)的送氧量，控制轉(zhuǎn)爐吹 煉前期和中期過(guò)程。轉(zhuǎn)爐吹煉前期這一階段影響吹煉效果的因素很多，操作因素比較復(fù)雜并難于估算，純理論模型很 難精確反映吹煉實(shí)際情況。因此，根據(jù)煉鋼建模經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)的寶鋼脫磷爐/脫碳爐靜態(tài)控制計(jì)算模型 是集熱平衡和氧平衡機(jī)理、操作經(jīng)驗(yàn)、參考爐數(shù)據(jù)于一體的代數(shù)增量模型。其一般關(guān)系式為Y a j Y j + a j f (X - X j )jj式中：Y 為模型控制計(jì)算輸出值；aj 為 參考爐權(quán)系數(shù)；Uj 為參考爐實(shí)績(jī)值；C-Cj 為本爐次與參考爐次模型控制輸入值偏差，偏

12、差值計(jì)算參數(shù)有裝入量、廢鋼量、鐵水溫度、 鐵水成分、副原料量、冷卻材量、吹止溫度、吹止成分等。 從模型計(jì)算式可知，模型計(jì)算結(jié)果與參考爐次關(guān)系密切，參考爐次的選取是模型自適應(yīng)的關(guān)鍵。靜態(tài)學(xué)習(xí)計(jì)算模型是在爐次吹煉結(jié)束后，收集吹煉實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行學(xué)習(xí)條件判斷和推定計(jì)算，對(duì)滿足條 件的爐次，編輯計(jì)算并生成參考爐次數(shù)據(jù)。靜態(tài)控制模型中的參考爐次按照以下原則定義：根據(jù)鋼種劃分 N 個(gè)靜態(tài)學(xué)習(xí)組（脫碳爐學(xué)習(xí)組：20 個(gè)；脫磷爐學(xué)習(xí)組：20 個(gè)），每一個(gè)學(xué)習(xí)組取 n 爐次作為參考爐，參考爐次必須是正常操作下碳、磷、 溫度命中目標(biāo)的爐次，每一爐次吹煉處理終了時(shí)，對(duì)滿足參考爐條件的爐次進(jìn)行模型學(xué)習(xí)計(jì)算，用最新 的參

13、考爐次數(shù)據(jù)更新最老的參考爐次，組成某個(gè)靜態(tài)學(xué)習(xí)組中的 n 個(gè)參考爐次，這樣可使參考爐次更接 近當(dāng)前的實(shí)際情況，從而增強(qiáng)模型的自適應(yīng)能力。目前脫磷爐/脫碳爐靜態(tài)控制計(jì)算模型已投入在線運(yùn)行，模型實(shí)用可靠，滿足生產(chǎn)控制要求。3.3 轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)模型在轉(zhuǎn)爐吹煉后期，轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)模型根據(jù)轉(zhuǎn)爐總裝入量、吹煉過(guò)程中副槍測(cè)定的溫度和結(jié)晶碳濃度等信 息計(jì)算出達(dá)到吹止鋼水目標(biāo)溫度和目標(biāo)碳濃度所需追加的吹氧量及冷卻材投入量，根據(jù)吹入的氧量和投 入的冷卻材量實(shí)時(shí)推算鋼水溫度和碳濃度。并預(yù)報(bào)吹煉終點(diǎn)碳溫信息。寶鋼一煉鋼雙聯(lián)法新工藝中的脫碳爐應(yīng)用復(fù)合動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行吹止控制，復(fù)合轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)模型的結(jié) 構(gòu)：代數(shù)學(xué)模型基于專家經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)元網(wǎng)

14、絡(luò)模型。副測(cè)鋼水成分、溫度吹止目標(biāo)成分、溫度動(dòng)態(tài)模型預(yù)處理 條件判斷代數(shù)計(jì)算模型神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型追加氧量、冷材量 吹止終點(diǎn)成分、溫度轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)模型：代數(shù)學(xué)計(jì)算式碳濃度計(jì)算公式和鋼水溫度計(jì)算公式如下：C - C VO -VOM + (hi ri ) C = C+ b ln + exp( M0 )- 1 exp- 10a =i01bb WST 式中：VO為考慮對(duì)象時(shí)刻的送氧量（VOMVOVOE），VOM 為吹煉中副槍測(cè)定時(shí)送氧量，WST為轉(zhuǎn)爐總裝入 量，C為考慮時(shí)刻（送氧量為VO時(shí)）的碳濃度，T為考慮時(shí)刻（送氧量為VO時(shí)）的鋼水溫度，CM為吹煉中 副槍測(cè)定時(shí)結(jié)晶碳濃度，TM為吹煉中副槍測(cè)定時(shí)的鋼水溫度

15、，、為常系數(shù)，C0為臨界碳濃 度常數(shù)，ri為副槍測(cè)定到考慮時(shí)刻間投入的類型為i的冷材量，hi為i類型的冷材的單位含氧量，ki為i類 型的冷材的冷卻能系數(shù)。轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)模型：基于專家知識(shí)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸入（成分，溫度）操作量轉(zhuǎn)爐后期過(guò)程鋼水終點(diǎn)數(shù)據(jù)（成分，溫度）目標(biāo)值動(dòng)態(tài)模型專家知識(shí)圖 2 基于專家知識(shí)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖專家知識(shí)在建模過(guò)程中的作用：確定輸入輸出變量的范圍、確定預(yù)報(bào)模型的輸入和輸出變量、確 定有關(guān)規(guī)則。轉(zhuǎn)爐復(fù)合動(dòng)態(tài)模型將基于專家知識(shí)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型和優(yōu)化代數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀袡C(jī)復(fù)合，既擁有高精 度同時(shí)又適用于有副槍轉(zhuǎn)爐自投產(chǎn)初期開(kāi)始到穩(wěn)定生產(chǎn)的各個(gè)階段。目前寶鋼一煉鋼雙聯(lián)法新工藝中的 脫碳爐就應(yīng)用該復(fù)合動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行吹止控制，模型精度達(dá)到控制要求。有副槍轉(zhuǎn)爐復(fù)合動(dòng)態(tài)模型在模型 結(jié)構(gòu)上更加完善，在模型精度上更高，在工藝適應(yīng)性上更強(qiáng)，復(fù)合動(dòng)態(tài)模型的投運(yùn)已成為寶鋼全自動(dòng)煉 鋼推進(jìn)的有力保證。4結(jié)束語(yǔ)轉(zhuǎn)爐過(guò)程控制模型凝聚了工藝、設(shè)備、自動(dòng)控制、人工