转炉炼钢的目的是通过氧枪连续吹氧和加渣造渣，不断氧化[Si]、[Mn]，去除[P]、[S]等杂质，降低熔池含碳量，提高熔池温度。实现直接出钢的主要条件是冶炼末期钢水成分和温度是否达到目标要求。因此，冶炼末期钢水成分和温度命中率高的炼钢控制技术可以减少二次吹炼次数和炉内取样次数，有效缩短冶炼时间，提高转炉产量，降低生产成本，是转炉炼钢的关键技术。

目前国内中小型转炉占70%以上，大多依靠人工经验判断转炉终点，即通过观察炼钢时火花的颜色来判断钢水的成分和温度。在我国，大型转炉炼钢一般采用副枪校正模型。冶炼后期用副枪探头检测反馈信号，进行终点动态校正。

炉气分析是利用安装在转炉烟道上的气体分析仪实时分析转炉烟气成分，提高过程监控能力，预测钢水成分的自动化炼钢技术。在国外，质谱仪的炉气分析模型系统一般用于终点预测和过程控制。主要目的是降低副枪探头的消耗，判断炉况。国内部分中小型转炉引进了国外质谱仪炉气分析系统，在应用中存在设备昂贵、维护复杂、消耗高等问题，以及国外型号与国内碳素拉丝工艺差异较大。

本文将自主研发的在线气体分析仪、氧弹检测技术和自动化炼钢模型应用于邯钢120t转炉，尝试了中小型转炉自动化炼钢的全过程控制，取得了良好的控制效果和经济效益。

1.自动化炼钢的主要监控设备

(a)在线炉气分析系统

该系统利用在线炉气分析仪监测炉气成分，从而实现转炉炉况的全过程动态监控。与进口质谱仪炉气分析系统不同，该系统不需要取样系统和预处理系统，设备和安装方式简单。可以直接插入转炉烟道，在室外条件下可以全天运行，基本不需要维护。此外，该系统具有比质谱仪更快的分析速度(分析响应时间约为3s)，响应时间小于1s。而且分析出来的数据基本没有漂移现象，不需要像质谱仪那样定期校准和标准气体校准。

(2)轰炸校正系统

在熔炼过程中或接近终点时，大型转炉通常使用副喷枪来现场测量温度和成分，以校正模型。由于副枪体积巨大，一般中小型转炉无法安装；另外，副枪系统结构复杂，副枪探头价格昂贵，使用维护成本高。该系统根据中小型转炉的特点，采用料仓口弹检测系统，通过从料仓口投掷多种弹头检测钢水成分和温度，从而在不倒炉的情况下修正钢水成分和温度。弹头类型按其所需功能可分为测温弹头、高碳测温弹头和低碳氧测温弹头。该系统结构简单，维护方便，具有不开炉直接检测副枪的优点。同时也不受炉容量的限制。由于发射井的入口靠近转炉，炸弹投放检测的反应速度非常快。

该系统的测量率大于96%，检测时间小于6s。

二、自动控制过程

数据传输

该系统的数据传输基于转炉一次控制系统的计算机网络。通过建立工艺数据库和二级计算机网络，对转炉炉体、煤气阀门开关和流量、料仓电动称重、氧枪位置、炉气成分等参数进行了监控。通过三级网络系统传输生产指令、钢种计划和取样检测信息。冶炼中后期，通过在料仓口投弹检测钢水成分和温度信息，以上信息全部进入实时数据库系统。数学模型基于上述数据库的实时更新，进行动态计算、界面监控和显示，在线预报钢水成分和温度信息，判断炉况。

(2)转炉炼钢自动化过程

本项目根据常规中小型转炉的炼钢工艺特点，将一个转炉冶炼周期分为以下几个过程:冶炼准备和配铁、吹氧冶炼(投弹检测、炉内取样和补吹)、合金化和出钢。炼钢自动化控制模型就是根据上述过程设计的。通过计算机网络监测系统时间、转炉倾动、氧枪位置、氧氮切换，自动判断转炉处于哪个阶段，实现过程自动控制。当模型判断一个冶炼周期以“冶炼准备”开始，以“出钢”结束，自动进入下一个冶炼周期时，会自动生成炉号、枪龄、炉龄等新信息。

实现转炉炼钢过程自动化后，计算机可以自动监控转炉冶炼过程，无需人工干预。当一炉冶炼完毕，进入下一个冶炼周期时，计算机会自动将该炉的炉号、冶炼参数等相关信息存入数据库，并监控下一炉的启动。

三。自动化炼钢模型的主要功能

(1)辅助材料和吹氧方案的计算

在冶炼准备阶段，自动化炼钢模型需要接受来自生产调度系统的冶炼任务。该炉次冶炼钢种确定后，该模型可以搜索生产标准数据库，确定该炉次冶炼成分和温度的目标要求和上下控制范围。同时，通过监测天车运行方式和天车秤质量变化，采集该炉次铁水和废钢质量，确定炉料结构，检索铁水成分、温度等相关信息。

冶炼准备基本完成后，根据模型采集的生产信息，计算出该炉次的辅料配比，制定吹氧方案；在制定吹氧方案时，根据钢种的不同，将冶炼方式分为9类。

配料和吹氧方案计算方式见图1。图1顶部是转炉冶炼状态栏，显示当前转炉冶炼状态。这个进度条也有菜单功能。图1中的A区是原料信息和冶炼标准区，为配料和吹氧计算提供相关参数。B区是模型计算出的该炉次的总成分表和吹氧率；C区指根据生产计划吹氧时间偏差的配料单和吹氧系统；D区是转炉设备参数监控画面，可以动态显示转炉参数。

(2)钢水成分和温度的动态预测

进入吹氧冶炼状态后，模型动态监测炉气成分、氧枪位置和流量、辅料添加等参数。，在冶炼过程中实时变化，实时预测熔池化学成分和温度的变化规律。通过对比目标要求与实际冶炼情况的差异，确定了最佳停吹时间和加料方案。图2显示冶炼开始后炉气分析的动态监控界面。图中上部曲线表示冶炼过程中的脱碳速度、钢水碳含量、钢水温度和氧枪位置。图中下方的直方图显示了熔炼过程中辅助材料的添加质量和批次时间。在冶炼过程中，模型根据实时采集的工艺参数变化，不断更新计算结果，并与目标要求进行比较，从而判断最佳吹炼时间。

(3)炉况预测

在冶炼过程中，该模型根据冶炼过程中的反馈信息动态监测氧枪的运行参数，计算熔池吹氧脱碳效率和炉渣累计氧势，判断炉况。当发现氧枪的工作状态(包括氧枪进出口温度、温差等参数。)，吹氧脱碳效率或渣的氧势偏离正常冶炼范围，它会发出预警并调整枪位或加料方式。

(4)轰炸检测和动态修正

投弹检测可以在吹气后期连续吹气直接检测。检测后需要使用动态修正模型来调整后期的吹氧速度，调整钢水成分和温度预测参数。在一次停吹或吹炼终点也可以用投弹检测代替炉内取样检测，在一次停吹检测后，可以用补充吹炼模型进行点吹，然后进入冶炼终点。

冶炼后期，从投弹检测时间(t1)到停吹时间(t2)，熔池含碳量的计算公式如下:

式中，t2时转炉钢水中碳的质量分数，%;投弹检测钢水的碳质量分数，%;e为脱碳利用系数；为脱碳速率，kg/s；Wsteel是钢水的质量，kg。

熔池温度的计算公式为:

式中，轰炸检测到的钢水温度，℃;f是温度计算函数；t1至t2的累计吹氧量、累计CO量和累计CO2量，kg；从t1到t2，石灰、轻烧、矿石和白云石的累计量，kg。

四。应用效果

(1)操作。本系统使用的设备简单可靠，基本不需要人工维护。软件系统都是独立开发的。炉气分析自动化炼钢实施后，炼钢方式由原来的经验炼钢转变为数字化电脑炼钢。控制模型可根据转炉冶炼周期在线自动监测和记录冶炼方案，数据库系统可根据冶炼炉数自动存储所有工艺参数和运行效果，并可在线自动生成工作报告和评估报告。

(2)远程监控和数据库访问。上述模型实施后，还可以实现炼钢自动化的远程实时监控，根据权限在网络范围内进行界面监控。同时，远程数据库客户端可以在线访问模型和备份数据库，完成现场监控、历史查询和报表打印等任务。

(3)测试结果及分析。该模型具有过程监控、炉况判断(主要包括喷溅、返干等异常炉况预测)和终点预测等功能。，并可实现不倒炉直接出钢。在检验阶段，对模型的终点预测功能进行比较和检验。试验方案为:按照模型要求操作冶炼过程，在冶炼过程中预测钢水成分和温度，并指令停吹时间。停吹后，倒炉。浇注后，取双样，测双温，与模型结果比较，并对30炉数据进行了测试。

测试结果如下:

1.在温度预测方面，模型预测与浇炉温度测量的误差在10℃以内，最大误差为9.5℃，最小误差为1.5℃，平均误差为4.8℃。需要注意的是，投弹检测的温度一般比倒炉温度高5-8℃。主要原因是倒炉时会有一定的温度损失。

2.在碳含量预测方面，对于终点碳含量小于0.2%的钢种，模型预测与炉内取样结果的误差在0.012%以内，最大误差为0.012%，最小误差为0.001%，平均误差为0.0058%。对于低碳钢(终点碳小于0.08%)系列，无需轰炸校正，碳质量分数在0.02%的误差范围内命中率可达93%。

动词 （verb的缩写）结论

(1)利用在线气体分析仪、炸弹检测和常规计算机网络系统，建立符合国内中小型转炉工艺特点的炉气分析自动化炼钢模型。该系统设备稳定可靠，软件流程符合实际工艺，可实现中小型转炉自动化炼钢的全过程控制。

(2)该系统的温度预测误差可控制在10℃以内，最大误差为9°。5℃，最小误差1.5℃，平均误差4.8℃。

(3)对于终点碳含量小于0.2%的钢种，本系统碳含量预测误差可控制在0.012%以内，最大误差为0.012%，最小误差为0.001%，平均误差为0.0058%。

(4)对于低碳钢冶炼系列，碳质量分数在0.02%的误差范围内，不经弹修正，命中率可达93%。