转炉炼钢过程工艺控制发展问题思考

□ 周 广 王 刚 刘 磊

以往钢铁企业在对转炉冶炼生产过程进行工艺控制时，更多关注的是钢水合格率。但随着竞争压力的增大及社会经济水平的不断提升，人们对节能减排及环境保护方面的重视程度不断增强。这就要求相关钢铁企业在转炉冶炼工艺控制过程中逐渐向节能降耗方向迈进，对转炉冶炼生产技术进行全面优化提升，增强企业市场竞争力。

一、转炉冶炼工艺控制方法

1.定点控制

定点控制的主要目标是在转炉冶炼过程工艺控制中获取合格的冶炼终点钢水成分和温度。在整个冶炼过程中的1个时间段内，使用动态检测获取信息，并将其作为矫正转炉工艺的依据。定点控制是我国现有转炉冶炼过程工艺控制中最常用的方法。其最具代表性的是终点控制。在终点吹炼开始之前，利用副枪对熔池内钢水的成分及温度进行检测，根据检测数据对后续冶炼工艺进行调节，从而达到终点钢水成分及温度受控的目的。

2.全程动态优化控制

全程动态优化控制与定点控制的主要差异是最终控制目标不同。与定点控制主要追求冶炼终点合格的钢水成分与温度相比，全程动态优化控制的最终目的是：控制获得合格的钢水，同时尽量对吹炼工艺进行优化，从而降低原材料和辅助材料的消耗，并最大可能将污染物排放降到最低，确保整个冶炼过程的合理性。这也是对冶炼工艺控制的最好状态。

对全程动态控制优化程度的高低，与冶炼过程中得到的吹炼信息质量及数量密切相关。全程优化控制的好坏，受检测信息的准确性、及时性及完整性等影响较大。但是在实际冶炼控制过程中，由于检测技术和生产效率限制，要实现对钢水成分与温度的全程精准检测，仍有一定难度。基于此，国内大部分钢厂多通过检测信息间接地对转炉熔池内的情况进行判断，进而做出有效分析。在此过程中，国内钢厂对转炉熔池内情况的检测信息获取，多采用炉气分析法和音频测渣法。此外，这2种方法还可被应用到定点控制中，但该技术的应用目前在我国还处于起步阶段。进行动态控制时，需要对整个过程的动态控制不断优化，从而提升检测信息的利用价值。

二、转炉冶炼过程工艺优化

1.转炉冶炼过程工艺控制主要变量

由于我国检测技术发展水平限制，转炉过程工艺控制起点较低，国内大多数钢厂的转炉动态控制目前仍主要采用定点控制方式，控制过程中存在检测技术精确度低、及时性不足、检测信息不完整等问题，转炉控制模型的稳定性、适应性较差，需要对其进行工艺优化。转炉过程工艺优化主要针对控制氧枪枪位、氧气流量和投料方式3个主要变量来实现。

（1）枪位控制

通过长期生产实践积累，对转炉枪位操作形成了一定范式，如“高—低—高”“高—低—高—低”“低—高—低—高—低”等，即常用的3段式、4段式、5段式枪位操作方法[1]。若原材料入炉条件稳定，对于大多数炉次的冶炼可只采用1种模式进行，并在此基础上进一步优化操作、细化工艺。这也是目前大多数钢铁企业枪位控制采用的主要模式。这种固定枪位操作模式虽然便于生产人员操作，但同时也存在一定的问题。如，枪位固定操作模式虽然对于转炉炉况整体性变化有所考虑，但由于其枪位操作分段控制，无法更好地适应炉内不断变化的实时情况。同时，枪位控制与化渣之间关系密切，现有的模式化枪位控制无法更好地应对突发情况。此外，在自动枪位控制方面，由于化渣模型和渣况检测发展瓶颈，导致其在一定程度上受到限制。对此，目前国内外钢厂主要以化好渣、化透渣、快脱碳为目标，严格控制熔池温度，使其内部温度均匀提升，以此实现氧枪枪位的控制与调整。一些大型钢厂还会针对自身情况，设计、开发专门的氧枪自动控制系统，提高氧枪枪位自动化控制水平，使枪位控制更加及时、准确、灵活。

（2）氧气流量控制

转炉冶炼要求转炉供氧氧压具有较强的稳定性。但是在实际冶炼过程中，氧气消耗程度在冶炼各工序间有一定差异，脱碳阶段不同及炉渣情况差异都会对熔池氧气消耗速度产生影响。因此，为了提升转炉氧气利用率、降低熔池过氧化、减少合金损耗，需要对氧气流量进行优化控制。此外，对于脱碳速度和炉渣泡沫化程度，也可通过氧气流量控制工艺优化和细化操作实施控制，这对于平稳化实施转炉吹炼具有重要影响。

（3）投料控制

投料控制包括转炉基础控制系统内的料仓下料控制、化渣工艺和渣况的在线检测。造渣及脱碳的程度受造渣料加入量及时间等方面的影响；转炉化渣过程属于一种具有复杂性的物理化学反应，炉渣分析的复杂程度远大于脱碳分析；渣况在线检测，一般检测的是炉渣喷溅现象，目前对于返干现象还无法界定。现有投料控制方式中，应用最广的是建立投料模式控制表，该控制表是在总结实际工艺操作基础上，根据一般炉况所选择的合适的控制方式。对于冶炼过程中出现的喷溅、返干等渣况变化，仅靠投料模式控制表无法满足需求。虽然该控制表在建立时考虑了全程冶炼熔池总体变化情况，但缺少适应转炉炉况变化的能力，而应用相关数学模型及检测方式能更好地解决该问题。

2.转炉冶炼过程工艺优化策略

（1）造渣过程仿真

转炉冶炼最主要的一项工作就是造渣，转炉冶炼的平稳性受造渣程度好坏的影响，同时造渣过程的好坏也会直接影响终点钢水成分。在整个冶炼过程中，造渣所需控制的重要参数包括炉渣碱度、渣中铁的氧化物含量。现在常使用定点控制方式造渣；在获取炉渣信息时，通常采用声呐法、氧枪振动加速计法及微波测液面法等手段进行检测；最后，根据所获取的信息进行冶炼工艺定向调整。采用动态控制方式对造渣工艺进行全程控制时，最佳方式是在造渣过程中使用仿真。熔池温度、氧枪位置、氧气流量及加入造渣料的方式都会对整个造渣过程造成影响。造渣仿真就是基于成渣机制，将入炉原材料的最初状态和冶炼过程工艺信息结合，模拟渣形成的过程。

（2）脱碳升温过程仿真

转炉冶炼的最终目的是所获取钢水的碳含量和温度符合要求。对熔池脱碳升温仿真，可在分析对脱碳产生影响的因素基础上，对操作方式进行优化升级。转炉冶炼脱碳速率主要影响因素有氧枪位置、氧气流量及温度等。基于此，李光辉、刘青等[2]根据传统的3阶段理论创建了转炉熔池脱碳升温仿真模型，该模型实现了实验室转炉冶炼过程仿真，依据仿真结果可以对冶炼工艺进行合理化分析，并实现对整个冶炼过程的预测。

（3）综合仿真

在转炉冶炼过程中，造渣过程和熔池脱碳升温过程之间存在一定联系，可对其综合考虑进行仿真试验。综合仿真虽然能使研究人员充分了解二者之间的相互影响，但也在一定程度上增加了仿真模型的复杂性和困难性。宝钢集团是国内最早在实际生产控制中使用该综合仿真模型的企业，在其研发的转炉吹炼控制模拟专家系统中使用了专家系统机、辅助机和仿过程机，其中仿过程机就是对转炉冶炼过程进行综合仿真。

三、转炉冶炼工艺控制发展建议

在我国经济和科学技术发展支撑下，钢铁企业不断对转炉冶炼过程工艺控制进行优化，实现了转炉冶炼工艺控制的系统化和精准化。通过长期不懈的研发投入，我国转炉动态控制在检测技术与数学建模方面取得了长足的进步。国内大型钢厂已逐步实现了全自动炼钢，但仍需通过提升精细化控制水平，进一步实现转炉过程控制工艺的全面优化。

1.精细化

转炉冶炼是钢铁企业最关键的生产工艺，为突破国内外多种因素对我国转炉冶炼工艺优化控制的影响，转炉冶炼的技术工艺应当向精细化方向发展。例如，在生产过程中，转炉冶炼的控制效率受吹炼工艺直接影响，因此，钢铁企业应当提升对吹炼工艺创新改良的重视程度，强化转炉吹炼技术，使其向精细化方向发展；同时，由于造渣过程较为复杂，还会产生一系列复杂的物理化学反应，为有效提高转炉冶炼工艺控制效率，要对生产中的造渣工序进行科学合理的改良，依照节能降耗环保的理念进行调整，从而有效降低废弃污染物排放[3]。

2.自动化

为了使转炉冶炼控制工艺更好地发展，需提升冶炼过程工艺控制水平，使其逐渐向自动化的方向发展。同时，原有的对枪位、氧气流量及加入辅料和原料的控制方法所使用的模式化分段式控制会逐渐被淘汰，转而由动态优化控制所取代。通过采集相关数据，并由动态模型进行计算，达到转炉冶炼过程自主感知、自主决策和自主执行的智能化控制。

3. 节能环保

转炉冶炼工艺优化创新要符合绿色可持续发展理念，尽量降低生产对环境带来的负面影响，同时还要最大限度地保障企业经济效益提升。在生产过程中，钢铁企业还应丰富节能环保策略，提升废弃污染物处理工作效率，降低资源消耗。

四、结束语

随着转炉冶炼工艺的平稳发展，相关冶炼设备装置不断升级，冶炼成品质量及生产效率效持续提升，传统冶炼生产方式存在的问题也逐步得到解决。目前，我国钢铁行业生产工艺水平已有较大提高，但在实际生产过程中仍存在一些问题亟需解决，钢铁企业要不断优化冶炼工艺过程控制，向着节能降耗、绿色环保的方向发展，不断提升生产效率，增强企业的核心竞争能力。