【正文】 轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中噴濺預(yù)警的基本模型摘要：堿性氧氣煉鋼工藝（BOS）是最流行的煉鋼工藝。當(dāng)熔融金屬表面產(chǎn)生的那層泡沫渣的高度超過爐膛并且溢出時(shí)，就出引起一系列問題，如造成金屬損失，工藝過程中斷和環(huán)境污染。這種現(xiàn)象通常稱為噴濺。本文中描述了一種自動(dòng)檢測(cè)噴濺的方法，即在轉(zhuǎn)爐中用位于煙罩里的一個(gè)傳聲器發(fā)出的聲音信號(hào)去估計(jì)爐渣的水平面高度，以用于描述氣體流速，壓力和爐渣水平面估值之間關(guān)系的模型，從而可以及時(shí)不斷更新數(shù)據(jù)。在這個(gè)系統(tǒng)中，輸出錯(cuò)誤傳遞給一個(gè)帶有三級(jí)警報(bào)的預(yù)警系統(tǒng)的可變檢測(cè)器，持續(xù)顯示噴濺情況。用來(lái)測(cè)試該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的來(lái)自在SSAB Oxel246。sund 鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)狀態(tài)下100爐次的試驗(yàn)，本系統(tǒng)能夠正確檢測(cè)出吹煉過程中80％的噴濺。關(guān)鍵詞：模型；自適應(yīng)過濾器；軟傳感器；金屬工業(yè)；鋼1. 前言堿性氧氣煉鋼工藝（BOS）是最常見的煉鋼方法，其產(chǎn)量占鋼鐵生產(chǎn)總量的60％以上[ 1 ]。一個(gè)堿性的氧氣爐，也被稱為林茨多納維茨（LD）的轉(zhuǎn)爐，通常是由操作者在控制室里監(jiān)控其吹煉過程。操作者通常將大多數(shù)現(xiàn)有的控制變量（氧流量，氧槍高度，底部氣體流量等）列表，根據(jù)預(yù)先確定的程序，以便處理突發(fā)性過程的偏差和干擾。由于基本物理化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性，自動(dòng)控制轉(zhuǎn)爐過程是困難的。此外，質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，如碳含量和鋼水溫度不能在線測(cè)量，完全使反饋控制設(shè)計(jì)非常困難。文獻(xiàn)[ 2,3 ]給出了在線熔融金屬初步分析評(píng)估問題。在文獻(xiàn)[ 4 ]中提出一項(xiàng)研究，目的是模擬轉(zhuǎn)爐過程閉環(huán)控制的。制定自動(dòng)控制系統(tǒng)是為了保證成本效益的高質(zhì)量產(chǎn)品，又盡量減少對(duì)環(huán)境的影響。熔融金屬表面產(chǎn)生的泡沫渣在整個(gè)吹煉過程中是非常有必要的，而且還構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)失控溢出，所謂噴濺。預(yù)防，預(yù)測(cè)和減少噴濺是一個(gè)煉鋼技術(shù)中長(zhǎng)期存在的問題，經(jīng)過長(zhǎng)期處理都尚未在實(shí)踐中解決[ 5 ] 。一方面，普遍認(rèn)同噴濺是一個(gè)復(fù)雜的、甚至不可預(yù)測(cè)的過程。另一方面，在轉(zhuǎn)爐過程中存在一個(gè)普遍存在的問題就是缺乏可靠的、相關(guān)的在線測(cè)量手段。相應(yīng)的有很多研究專門用于噴濺預(yù)測(cè)，這項(xiàng)工作表明噴濺預(yù)警方法依賴于利用常規(guī)廉價(jià)的儀器處理幾個(gè)級(jí)別不同的高級(jí)信號(hào)。首先，聲學(xué)發(fā)射信號(hào)在爐子里用一個(gè)以前在轉(zhuǎn)爐水模型中驗(yàn)證的基本模型工具進(jìn)行處理[ 6,7 ]。其次，這一做法涉及不同類型信息進(jìn)程的融合，以實(shí)現(xiàn)安全可靠，功能強(qiáng)大的噴濺檢測(cè)，十年前在文獻(xiàn)[ 4 ]中最初提出這個(gè)建議。第三，關(guān)于是否能預(yù)警噴濺的發(fā)生警告是由一個(gè)自適應(yīng)過濾系統(tǒng)發(fā)出的[ 8 ] 。本文內(nèi)容如下：首先，轉(zhuǎn)爐過程的描述和噴濺檢測(cè)問題的提出，噴濺預(yù)警系統(tǒng)的利用，然后總結(jié)并詳細(xì)分析了來(lái)自100爐生產(chǎn)試驗(yàn)中預(yù)警系統(tǒng)性能的數(shù)據(jù)。2. 工藝介紹轉(zhuǎn)爐的基本組成是金屬熔池和一個(gè)水冷氧槍見圖1 。向轉(zhuǎn)爐中充填材料被稱為裝料，在轉(zhuǎn)爐中加入五分之一的廢鋼后再添加高爐鐵水直到滿足正確的熱平衡。造渣劑，如生石灰或白云石，加入轉(zhuǎn)爐中形成可以吸收鋼水中雜質(zhì)的渣。純氧是通過氧槍以超音速的速度從上面沖擊金屬熔池，使鋼水的溫度上升到1700℃。廢鋼和合金元素比如：鐵（Fe），硅（Si），錳（Mn）和碳（C）在吹煉過程中被氧化，從而降低碳含量和消除化學(xué)元素污染。爐中的金屬形成一種乳濁液乳劑與生成的渣在上升過程中形成泡沫。由于在泡沫渣中化學(xué)元素之間的接觸面積大，這就更有利于精煉過程，并且提高轉(zhuǎn)爐中的熱力學(xué)條件。操作者控制成渣過程是通過化學(xué)添加劑，改變槍的位置，以及操縱通過噴嘴氧氣流量和底部氣體流量。遺憾的是，操作者對(duì)轉(zhuǎn)爐中渣的形成條件不能直觀察覺，就難以使其充分反應(yīng)迅速形成泡沫。吹煉10~20分鐘后，鋼水中碳的含量預(yù)計(jì)達(dá)到目標(biāo)值。測(cè)溫、取樣分析鋼水化學(xué)成份，如果分析獲得批準(zhǔn)，出鋼并在后續(xù)鋼鐵生產(chǎn)工藝鏈中進(jìn)一步精煉。吹煉過程中關(guān)鍵變量都被實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、記錄。另外，當(dāng)過程出現(xiàn)問題時(shí)記錄的數(shù)據(jù)可用來(lái)查出可能發(fā)生的故障。圖1中提到部分基本數(shù)據(jù)信息。不同的傳感器是用來(lái)測(cè)量提供的不同信號(hào) ，因此，由于通信延遲資料庫(kù)的項(xiàng)目并不是完全同步的。在表1列出一些現(xiàn)有的測(cè)量結(jié)果?；緮?shù)據(jù)所體現(xiàn)的是關(guān)于過程中豐富多樣的信息，但沒有一個(gè)測(cè)量結(jié)果是直接相關(guān)的工藝參數(shù)。在轉(zhuǎn)爐過程中需要造大量的渣才能使轉(zhuǎn)爐過程高效。然而，渣量被爐容有限的尺寸所限制。如果渣面太高， 就會(huì)發(fā)生噴濺，造成粉塵排放量加大和金屬的產(chǎn)量減少。有時(shí)，必須停止生產(chǎn)去清除爐子下面的區(qū)域和爐口。該噴濺現(xiàn)象是活潑的、復(fù)雜的，并取決在很多過程變量。影響因素清單已在文獻(xiàn)[ 5 ]中列出，其中包括：l 爐渣粘度；l 鋼渣的表面張力；l 渣密度；l 脫碳過程中產(chǎn)生的氣泡大?。籰 爐襯砌高度，體積和形狀；l 熔池上氧槍高度；l 通過氧槍的氧氣流量；l 噴孔磨損；l 和廢鋼化學(xué)成分鐵水；l 脫碳速度；僅從上述清單的長(zhǎng)度就可以達(dá)成一個(gè)共識(shí)，即該噴濺現(xiàn)象是混亂的、不可預(yù)測(cè)的。噴濺問題經(jīng)常出現(xiàn)，在許多鋼鐵廠已開始尋找辦法去保持一個(gè)合適的泡沫渣量的同時(shí)防止噴濺的發(fā)生。遺憾的是，在已經(jīng)過去幾十年證明，這是一個(gè)相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。制定一個(gè)預(yù)警和減緩噴濺的系統(tǒng)可以分為三步：（1）建立噴濺及其可能發(fā)生的模型。 （2）檢測(cè)噴濺開始的渣面測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)。 （3）進(jìn)行實(shí)時(shí)緩解措施，以防止噴濺事件的發(fā)生。文獻(xiàn)[ 9 ]的結(jié)果是第一步的一個(gè)例子， 其中根據(jù)原始鐵水的成分預(yù)測(cè)一個(gè)最佳的吹煉過程。在文獻(xiàn)[10 ]中詳細(xì)闡述了一個(gè)類似的系統(tǒng)用于每爐噴濺可能性的預(yù)測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)噴濺可能性（噴濺因素）順利執(zhí)行穩(wěn)定的生產(chǎn)條件的變化，低質(zhì)量的原材料和產(chǎn)品組合。在文獻(xiàn)[11]中利用微波測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)量渣水平面相與爐口的關(guān)系。在文獻(xiàn)[12 ]中用無(wú)線電波測(cè)量渣厚度。這種做法遇到的主要困難是熔池在頂吹的強(qiáng)烈攪拌下其準(zhǔn)確性和可靠性低。在文獻(xiàn)[13 ] 和[5 ]中使用的檢測(cè)系統(tǒng)包括氧槍振動(dòng)測(cè)量，在轉(zhuǎn)爐中利用一個(gè)單獨(dú)的在線第二信息來(lái)源獲得爐渣水平面的估計(jì)值。眾所周知在根據(jù)工藝條件的不同估值的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于選擇測(cè)量的振動(dòng)頻率，這些都是第二步的例子。第三步是一個(gè)新的并且很有前途的研究方向，即結(jié)合在線測(cè)量裝置的噴濺早期檢測(cè)，并用它啟動(dòng)進(jìn)程的干預(yù)，以緩解噴濺。徹底的研究爐渣形成這一目標(biāo)已經(jīng)完成。為了深入了解，過去有人在文獻(xiàn) [ 14,15 ]中提出用不同類型的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述泡沫渣高度的變化 。模型與實(shí)物原型源自于文獻(xiàn)[ 16 ]中使用冷熱模型試驗(yàn)的結(jié)果。爐渣發(fā)泡地區(qū)的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)一步采取文獻(xiàn)[ 17 ]中的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上的物理模型，動(dòng)態(tài)發(fā)泡控制系統(tǒng)在文獻(xiàn)[ 6 ]中詳細(xì)闡述 。用