转炉炼钢氧枪枪位控制

转炉炼钢氧枪枪位控制*谢书明柴天佑王小刚王伟摘要在转炉炼钢中，氧枪枪位直接关系到造渣、脱碳、升温及冶炼过程的平稳进行。采用T-S确定性模糊推理，基于声强与渣高成反比的原理，对氧枪枪位进行连续调节，并采用自学习技术确定每一炉各个阶段氧枪的基本枪位，从而克服了固定枪位吹炼无法及时适应炉况及炼钢原材料化学成分变化的缺点，使氧枪枪位在整个炉役期都能处于最优的位置。关键词转炉炼钢氧枪模糊控制ControloflancepositiononBOFsteelmakingXieShumingChaiTianyouWangXiaogangWangWei(Theautomaticresearchcenter,NortheasternUniversityShenyang110006)AbstractInBOFsteelmakingprocess,thelancepositiondiRectlyrelatestoslagforming,decarboniztionofmolteniron,raiseoftemperatureandstabilityofprocess.Onthebasisoftheprinciplewhichthesoundstrengthisinverselyrelatedtotheslagheight,thelanceheightiscontinuouslyadjustedbymakinguseofT-Scrispfuzzyinference,andthebasiclanceheightduringeachperiodofafurnaceisdefinedbytakingadvantageofself-learningtechnique.Sotheshortcomingthatthefixedlanceheightforsteelmakingcannotrapidlysuitthechangesofthefurnaceconditionandchemicalcompositionoftherawmaterialforsteelmakingisovercomed,andthelanceheightsmayalwaysbeinoptimalvaluesduringavesselcampaign.KeywordsBOF;steelmaking;lance;fuzzycontrol0引言在整个炼钢过程中，氧枪枪位是一个非常重要的参数，它直接关系到炼钢过程中的脱碳、造渣、升温以及喷溅的发生，因此，必须很好地控制氧枪的枪位，使炼钢过程得以平稳进行。在转炉炼钢整个炉役中，随着炼钢炉次的增加，炉衬由于受到侵蚀不断变薄，炉容不断增大，因此，每隔一定炉次对熔钢液面进行测定，根据装入制度(定深装入或定量装入)及测定结果确定氧枪高度，而在两次测定期间，氧枪高度保持不变。同时，在具体每一个炉次中，按照吹炼的初期、中期和末期设定若干不同高度［1］，而在每一时间段内，其高度是不变的。由于在转炉炼钢过程中要向炉内分期分批加入造渣剂、助熔剂(初期)等造渣材料和冷却剂(末期)，使炉内状况发生变化，相当于加入一个扰动，同时在不同阶段，渣的泡沫程度及粘度也不同，而目前的固定氧枪高度吹炼不能及时适应这些情况，从而使炉内的反应及退渣不能平稳地进行。造渣是转炉炼钢过程中的一项重要内容，渣的好坏直接关系到炼钢过程能否顺利进行，有时甚至造成溢渣或喷溅，从而降低钢的收得率以及粘枪，因此要尽量避免溢渣和喷溅。另一方面，固定枪位的吹炼模式也无法适应铁水、废钢、造渣材料等化学成分变化引起反应状况的不同。针对转炉炼钢过程中固定枪位所存在的问题，我们采用模糊控制的方法使氧枪枪位根据炉内的具体情况进行连续调节，同时针对转炉炼钢是一炉一炉进行的，炉与炉之间既不完全相同又有联系的特点，采用自学习技术确定每一炉次氧枪的枪位，使转炉炼钢过程平稳进行，从而提高碳温命中率。1声音测量在转炉炼钢过程中，由于吹入转炉的氧气(顶底复吹转炉还要在底部吹入氮气、二氧化碳、氩气等气体)的搅拌作用以及炉内发生的强烈氧化等反应，使得炼钢期间发出很强的声音，声音的大小与炉内状况有着明确的对应关系，声音的强度与炉渣高度成反比，尤其是在吹炼的初期和中期，这种关系更为准确［2］，因此可以通过测量声音准确了解炉内情况，以便更好地控制吹炼过程。测声仪的麦克风安装在位于炉口处的炉墙内，运行频率为180±22.5Hz。2枪位控制目前，转炉炼钢氧枪枪位一般是根据吹炼状况分段设定的［1］。在每一段中，枪位不再变化，如图1所示。在本文中，根据转炉炼钢的不同阶段采用不同的控制策略。在吹炼初期和中期，由于分批加入造渣材料和助熔剂，且渣高与声音具有明确的反比关系，因此采用模糊控制调节枪位。而在吹炼末期，则采用较低的固定枪位进行吹炼，以利于石灰进一步渣化，使脱碳反应按扩散进行，渣钢反应趋于平衡，炉内钢水成分和温度得以均匀。在初、中期的模糊控制中仍然采用这种分段设定的枪位作为基本设定，而在每一段中，根据炉况采用模糊控制对枪位进行自动调节，即u=u0+Δu，其中u为要控制的氧枪枪位，u0为每个阶段设定的基本枪位，Δu为对枪位的调整量。图1氧枪枪位示意图2.1模糊子集及隶属函数的选取将测得的声音的偏差及偏差变化率进行归一化，并选取声音的偏差SE及其变化率SC的模糊子集分别为SE:｛NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB｝=｛Se-3,Se-2,Se-1,Se0,Se1,Se2,Se3｝＝｛Sei,i∈I=［-3,-2,-1,0,1,2,3］｝SC：｛NB，NS，ZE，PS，PB｝＝｛Sc-2,Sc-1,Sc0,Sc1,Sc2｝＝｛Scj，j∈J=［-2,-1,0,1,2］｝偏差SE及其变化率SC的隶属函数选如图2所示的三角形隶属函数。图2SE和SC的隶属函数2.2模糊推理采用T-S确定性模糊推理，其推理规则为ifSEisSeiandSCisScjthenΔuisΔuij其中Δuij为确定的函数或确定的实数，而非模糊集。设μAi(Se)和μBj(Sc)分别为偏差及偏差变化率的隶属函数，采用乘积求和推理方法，得模糊控制规则前提部分的真值为fij=μAi(Se)μBj(Sc)(1)从上述推理中得到的控制量Δuij为一个具有有限个点的离散模糊集。Δu=｛fij/Δuij｜,i∈I,j∈J｝(2)采用重心法解模糊，得(3)将(1)式代入(3)式得(4)在上式中，由于选择了图2所示的三角形隶属函数，不失一般性，对于任意一个点，只有两个模糊子集中的隶属度不为0，且隶属度之和为1(如果在两端，则只有一个模糊子集中的隶属度为1，属于其它模糊子集的隶属度为0)，因此分母中只有四项不为0，即有故(4)式可简化为Δu=μAi(Se)μBj(Sc)Δuij(6)根据转炉炼钢中声强与渣高成反比及操作工的经验，为使转炉炼钢稳定进行，防止发生喷溅及强烈火花，得到模糊控制规则如表1所示。在表中，Δuij为正意味着提枪，Δuij为负意味着降枪。表1氧枪模糊控制规则表(Δu)eNBNMNSZEPSPMPBNB－1－0.8－0.6－0.4－0.200.2NS－0.8－0.6－0.4－0.200.20.4ZE－0.6－0.4－0.200.20.40.6PS－0.4－0.200.20.40.60.8PB－0.200.20.40.60.812.3量化因子的选取及自调整采用模糊控制的氧枪枪位控制系统如图3所示。由于在转炉炼钢过程中，每个阶段声音大小不同，基本枪位不同，因此声音的给定值S与一般恒值控制系统不同，它随着冶炼进程而不断变化。在吹炼初期，声音的给定值比较大，随着冶炼的进行，给定值逐渐减小，到吹炼中期和后期，声音的给定值基本不变，维持在一个较小的数值。为了适应这一情况，使得在整个冶炼过程中误差及其变化率都能比较均匀地归一化到［－1，1］的整个区间内，提高系统的控制精度，对量化因子进行调整。选误差SE的量化因子K1＝1／Se，误差变化率SC的量化因子K2＝1／Sc，其中Se和Sc分别为误差及误差变化率的基本论域，比例因子K3＝uh,uh为控制量即氧枪移动范围。由于声音误差范围随着给定值的变小而变小，因此在吹炼中后期为了提高控制能力，应加大误差的量化因子，否则就会使量化后的误差很难进入到较大的模糊子集内，无法实现有效的控制。因为S随着吹炼的进行逐渐减小，到一定阶段开始稳定，所以使K1＝1／Se=1／S，从而实现了对误差量化因子的自调整。由于给定的声音大小及基本枪位对声音误差变化率影响不大，故在整个吹炼过程中不改变K2的大小。对于比例因子K3，为了适应K1变化对模糊控制输出的影响，使得在同样的声音误差情况下，不因K1的增大而使氧枪移动过大，因此比例因子K3应随着K1的增大而减小，故使K3＝uh＝K0S，其中K0为系数，根据本炉次枪位设定值及给定的声音最大值确定。比例因子及量化因子经过上述的臊调整，使得在吹炼中后期对声音误差的灵敏度增加，提高了控制精度。图3氧枪枪位模糊控制系统3枪位自学习转炉炼钢是一炉一炉进行的，在每一炉的冶炼过程中，它是一个连续升温脱碳过程，与连续工业过程有些类似，但冶炼时间比较短，被控量是不断变化的，炉与炉之间没有本质的必然联系，每炉的冶炼独立进行，因此从整体上看，与连续工业过程又有着明显的区别。另一方面，它又具有某些断续工业的特点，每一炉相当于一个加工工件，但它又绝不是断续工业。从上面的分析可以看出，转炉炼钢既不同于连续工业和断续工业，与它们又有一定的联系，因此转炉炼钢是介于连续工业过程和断续工业过程之间的一类复杂工业过程，这就使得其控制具有一定的特殊性。基于转炉炼钢炉与炉之间的联系，利用自学习技术确定下一炉次枪位模式，可以很好地反映炉衬变化及原材料化学成分波动给冶炼带来的影响，使冶炼过程更加平稳。枪位的学习采用迭代自学习［3］。设yd(k,j)为一个炉役中第k炉第j段时设定的基本枪位，y(k,j)为第k炉第j段时的实际枪位(指第j段的平均枪位)，其差值为Δy(k,j)=y(k,j)-yd(k,j)，说明枪位设定存在偏差，应修改下一炉的枪位设定高度，进行枪位自学习。学习过程中，枪位的确定使用加权移动平均算法［4］。这种方法的优点是需要数据量少，并且非常稳定，因而所需计算机内存和计算量都比较小。取前边最近四炉的实际氧枪高度的加权平均值作为下一炉氧枪高度设定值，即yd(k+1,j)=a1y(k,j)+a2y(k-1,j)+a3y(k-2,j)+a4y(k-3,j)(7)其中a1、a2、a3、a4为加权因子，且有a1＋a2＋a3＋a4＝1。另外前边最近四炉指的是吹炼过程平稳、无较大或大喷、终点碳温同时命中且所炼钢种相同的炉次，每炼一炉钢都要根据吹炼结果对所选炉次更新一次，以保证总是使用最新四炉的数据，这样可以充分反映炉衬、铁水、废钢、造渣材料等的最新变化，消除了各种异常情况等随机因素的影响，使氧枪设定更能适应生产实际，提高炼钢过程的稳定性和终点命中率。4仿真研究对一座15t转炉进行仿真研究，仿真结果如图4所示。图中右侧纵坐标为声音给定值(标幺值)，曲线1为声音给定，曲线2为基本枪位设定，曲线3为实际氧枪高度。图4(a)为没有造渣材料加入时氧枪高度变化情况，图4(b)给出了在第2分钟、第4分钟和第7分钟分3次加入造渣材料时氧枪高度变化情况。图4氧枪枪位5结论在转炉炼钢过程中，氧枪是必不可少的设备，氧枪的枪位直接关系到脱碳、升温及冶炼过程的平稳进行。采用模糊控制根据炉内状况对氧枪位进行连续调节，克服了固定枪位不能及时适应炉况变化的缺点，同时利用转炉炼钢是一炉一炉进行的，炉与炉之间存在着一定的联系的特点，使用迭代自学习技术修改枪位的设定，适应了炉衬变薄及炼钢原料化学成分波动带来的不利影响，减少喷溅的发生，使氧枪枪位在整个炉役期间始终处于最优位置。*国家自然科学基金资助及国家“九五“攻关课题作者简介：谢书明，男，1962年生，博士，主要从事复杂生产过程的建模与控制及人工智能技术应用方面的研究工作。作者单位：东北大学自动化研究中心沈阳110006