在基本氧氣煉鋼工藝中，基本氧氣爐或轉(zhuǎn)爐通過(guò)將高爐制造的熱金屬的碳含量從4.5%左右降至0.03%至1.0%來(lái)生產(chǎn)液體鋼。轉(zhuǎn)爐將大量的純氧吹入熱金屬，并在短時(shí)間內(nèi)將其精煉成鋼。目前，基本的氧氣煉鋼工藝采用了聯(lián)合吹氣（頂吹和底吹）。底部吹氣是用惰性氣體完成的。在精煉過(guò)程中，轉(zhuǎn)爐使用了各種材料。除了熱金屬和廢鐵作為主要原料外，在基本氧氣煉鋼過(guò)程中使用的其他材料是煅燒石灰、煅燒白云石或煅燒菱鎂礦，用于適當(dāng)?shù)某稍?，以及過(guò)程中的不同冷卻劑（如礦石、海綿鐵等）。轉(zhuǎn)爐的運(yùn)行需要將氣體溫度調(diào)高，并且會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵。

基本氧氣煉鋼工藝的目的是精煉液態(tài)金屬（熔融廢鋼+熱金屬），調(diào)整鋼液的成分和溫度。為了達(dá)到這一目的，煉鋼過(guò)程采用自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，通常由基本自動(dòng)化系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)組成。

基本氧氣煉鋼的工程設(shè)施實(shí)際上是對(duì)各種子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和裝配?；A(chǔ)氧氣煉鋼的主要設(shè)備是一個(gè)內(nèi)襯耐火材料的轉(zhuǎn)爐（基礎(chǔ)氧氣爐），煉鋼過(guò)程就在其中進(jìn)行。除轉(zhuǎn)爐容器外，煉鋼過(guò)程還有幾個(gè)子系統(tǒng)，包括：(i)轉(zhuǎn)爐容器傾斜驅(qū)動(dòng)，(ii)氧槍系統(tǒng)，(iii)惰性氣體底部攪拌系統(tǒng)，(iv)頂部氣體（轉(zhuǎn)爐氣體）冷卻、清潔、分析和回收系統(tǒng)，(v)副槍測(cè)量系統(tǒng)，(vi)防滑系統(tǒng)，(vii)材料處理系統(tǒng)。(viii)廢鋼加料系統(tǒng)，(ix)焊劑和冷卻劑加料系統(tǒng)，(x)鐵合金加料系統(tǒng)，(xi)水平測(cè)溫和取樣系統(tǒng)，(xii)自動(dòng)攻絲系統(tǒng)，(xiii)擋渣系統(tǒng)，(xiv)二次除塵系統(tǒng)，(xv)聯(lián)鎖和報(bào)警系統(tǒng)，以及(xvi)人機(jī)界面系統(tǒng)。

除了這些子系統(tǒng)外，氧氣煉鋼將與上游和下游工藝綜合運(yùn)行。此外，煉鋼過(guò)程將與外部系統(tǒng)相連接，如(i)鋼鐵熔煉車(chē)間實(shí)驗(yàn)室，其中包括光學(xué)發(fā)射光譜儀和X射線熒光光譜儀及其他分析設(shè)備，以及(ii)監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)。

基礎(chǔ)氧氣煉鋼是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，有大量的影響因素。有兩種方法用于控制轉(zhuǎn)爐中的吹氣。第一種方法是采用廢氣的間接測(cè)量，而第二種方法是采用副槍的直接測(cè)量。在第二種方法中，在吹煉過(guò)程中同時(shí)對(duì)鋼液的溫度（攝氏度）進(jìn)行直接測(cè)量。這種方法也可用于各種目的，如水浴平整、爐渣平整、測(cè)量氧氣濃度和爐渣取樣。

在基本的氧氣煉鋼過(guò)程中，經(jīng)典的工藝模型仍然有效，要求操作者盡可能多地了解輸入、工藝參數(shù)和輸出，他需要自由地獲得這些信息，以便對(duì)工藝進(jìn)行必要的調(diào)整，從而生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要使用各種控制和估計(jì)技術(shù)，這些技術(shù)要以一種有組織的方式發(fā)揮作用，以便為操作者的行動(dòng)提供所需信息。

適合這個(gè)工程層次的子系統(tǒng)是：（i）熱金屬質(zhì)量測(cè)量，（ii）熱金屬分析，（iii）惰性氣體底部攪拌，（iv）氧氣供給，（v）裝料溫度和分析，（vi）熔劑和冷卻劑裝料系統(tǒng)，（vii）鐵合金裝料系統(tǒng)，（viii）過(guò)程控制計(jì)算機(jī)，和（ix）管理計(jì)算機(jī)。在煉鋼過(guò)程中需要進(jìn)行的測(cè)量有：（i）溫度測(cè)量，（ii）熔池碳含量，（iii）熔池深度，以及（iv）完整的化學(xué)分析。這通常是通過(guò)停止工藝、傾斜轉(zhuǎn)爐、手動(dòng)取溫和取樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

過(guò)程控制是基本氧氣煉鋼操作的一個(gè)重要部分，因?yàn)楫a(chǎn)熱時(shí)間受其影響。目前有幾種煉鋼過(guò)程控制策略，鋼鐵廠根據(jù)其設(shè)施和需求使用策略。過(guò)程控制模型大致可分為兩類(lèi)，即（一）靜態(tài)，和（二）動(dòng)態(tài)。

最簡(jiǎn)單的工藝控制形式是基于靜態(tài)工藝模型的。它包括一組熱、氧、鐵和渣的平衡，并與狀態(tài)方程相結(jié)合。后者描述了爐渣中鐵含量、鋼中錳和碳的實(shí)際含量以及爐渣的堿性之間的關(guān)系。靜態(tài)模型在給定熱量的初始和最終信息的情況下，確定吹氧量和爐子的裝料，但在吹氧過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生關(guān)于工藝變量的信息。靜態(tài)模型基本上就像射箭一樣。一旦箭離開(kāi)弓，就沒(méi)有進(jìn)一步的控制。

在動(dòng)態(tài)過(guò)程控制的情況下，需要準(zhǔn)確的吹煉過(guò)程的實(shí)際狀態(tài)的信息。理想情況下，鋼、渣和氣體成分以及溫度的連續(xù)信息是可用的，并在線用于過(guò)程監(jiān)督。任何偏離預(yù)期進(jìn)程的情況都可以被檢測(cè)出來(lái)，根據(jù)模型，可以調(diào)整氧氣供應(yīng)或向轉(zhuǎn)爐中添加額外的助熔劑。在一個(gè)基本的煉鋼轉(zhuǎn)爐中，這只有在理想的情況下才有可能。在實(shí)踐中，情況則完全不同。特別是在基本的氧氣煉鋼過(guò)程中，連續(xù)測(cè)量有很強(qiáng)的實(shí)際限制，例如振動(dòng)、灰塵、高溫和液態(tài)金屬及渣相。動(dòng)態(tài)模型在吹氧過(guò)程中根據(jù)某些吹氣中的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

動(dòng)態(tài)控制過(guò)程的要求是：（i）不中斷過(guò)程和（ii）獲得實(shí)時(shí)測(cè)量。為此，我們使用了一個(gè)能夠處理工藝條件并在槍頭上使用一次性傳感器的副槍系統(tǒng)。不同的傳感器以其測(cè)量功能為特征，最重要的是（i）浴槽溫度測(cè)量，（ii）浴槽碳測(cè)量，以及（iii）浴槽液位測(cè)量?？梢允褂萌魏谓M合。

基本自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能包括氧槍控制、材料控制、底部攪拌控制、子槍檢測(cè)控制和終點(diǎn)控制。過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)管理、控制模型、過(guò)程控制和數(shù)據(jù)管理。過(guò)程控制系統(tǒng)用于控制基本的自動(dòng)化系統(tǒng)。首先，它收集有關(guān)熔化過(guò)程的信息和副槍的檢測(cè)信息。然后，它根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果來(lái)判斷熔化過(guò)程的狀態(tài)。最后，它向基本自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，控制調(diào)整后的參數(shù)。

基礎(chǔ)氧氣煉鋼的自動(dòng)化和控制不僅要考慮轉(zhuǎn)爐的具體工藝功能，還要考慮到裝料的相關(guān)參數(shù)，包括熱金屬準(zhǔn)備、廢鋼場(chǎng)管理和物流調(diào)度。工藝優(yōu)化（Level-2）解決方案是基于先進(jìn)的算法方程，準(zhǔn)確地表示復(fù)雜的熱力學(xué)冶金反應(yīng)。這些解決方案主要適用于大多數(shù)操作條件，例如，可變的廢鋼與熱金屬比率、最小的爐渣做法和不同的磷含量。

基本氧氣煉鋼過(guò)程的自動(dòng)化和控制的主要目標(biāo)是：（i）滿足煉鋼的要求，和（ii）提供操作幫助。此外，煉鋼過(guò)程的自動(dòng)化和控制是一種有效的方式：（i）提供全面和一致的過(guò)程信息，以指導(dǎo)操作人員；（ii）確保標(biāo)準(zhǔn)化操作，以獲得均勻的鋼液質(zhì)量；（iii）提高過(guò)程的性能；（iv）提高終點(diǎn)控制的準(zhǔn)確性；（v）縮短熱循環(huán)；（vi）通過(guò)優(yōu)化煉鋼提高生產(chǎn)率；（vii）通過(guò)使用優(yōu)化材料使用和能源輸入的過(guò)程模型，降低生產(chǎn)成本。自動(dòng)化和控制主要依靠計(jì)算機(jī)，與煉鋼過(guò)程的機(jī)械化密不可分。

基本氧氣煉鋼過(guò)程的自動(dòng)化和控制的總體結(jié)構(gòu)包括：（i）企業(yè)信息系統(tǒng)，（ii）煉鋼車(chē)間管理信息系統(tǒng)，（iii）過(guò)程控制，以及（iv）現(xiàn)場(chǎng)儀器和設(shè)備。

從不同的子系統(tǒng)和它們之間存在的接口可以推斷出，很明顯，傳統(tǒng)的（模擬）電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的相互聯(lián)系。 因此，必須廣泛使用數(shù)字過(guò)程控制設(shè)備，它具有各種優(yōu)勢(shì)，如（i）可以很輕松地增加和改變系統(tǒng)，（ii）可以處理先進(jìn)的控制策略，（iii）可以在系統(tǒng)中進(jìn)行智能編程，（iv）可以存在有效的備份設(shè)施，（v）CRT（陰極射線管）操作界面可以納入大量的顯示選項(xiàng)，（v）存在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，（vi）容易訪問(wèn)信息和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以及（vii）高級(jí)和低級(jí)別的通信。圖1顯示了基本氧氣煉鋼的基本自動(dòng)化和過(guò)程控制體系。

圖1 基本氧氣煉鋼的基本自動(dòng)化和過(guò)程控制體系

計(jì)算機(jī)速度和容量的提高，電氣和控制系統(tǒng)中可編程邏輯控制器（PLC）的采用，以及從模擬儀表到數(shù)字儀表的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致了控制精度的顯著提高。此外，最近直接數(shù)字控制的應(yīng)用加快了煉鋼過(guò)程的自動(dòng)化。

隨著工藝計(jì)算機(jī)和外圍測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)爐的吹掃控制已經(jīng)從靜態(tài)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)或全自動(dòng)的操作控制系統(tǒng)。此外，由于電氣和控制系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步，控制器已經(jīng)從儀表盤(pán)轉(zhuǎn)向CRT顯示器，允許操作人員在CRT屏幕上監(jiān)測(cè)和控制煉鋼過(guò)程。另外，隨著數(shù)學(xué)模型和專(zhuān)家系統(tǒng)（使用人工智能程序）的使用，煉鋼過(guò)程的自動(dòng)化和控制已經(jīng)變得更加方便操作者。

不同子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)經(jīng)常被配置為DCS（分布式控制系統(tǒng)）和PLC（可編程邏輯控制器），它們與基本氧氣爐的DCS無(wú)縫連接并提供綜合監(jiān)測(cè)和控制。這種集成方式的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于，它涵蓋了工藝穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量、操作靈活性和改善工作環(huán)境等方面，同時(shí)保障了效率和成本效益。

分布式控制儀器容納了（i）生產(chǎn)操作員控制臺(tái)，（ii）現(xiàn)場(chǎng)模擬，（iii）儀器顯示和控制，（iv）趨勢(shì)圖，（v）和日志。數(shù)據(jù)高速公路上的分布式計(jì)算機(jī)使用所需的I/O（輸入/輸出）來(lái)處理（i）水系統(tǒng)，（ii）稱(chēng)重系統(tǒng)，（iii）底部攪拌系統(tǒng)，（iv）氧氣系統(tǒng)，以及（v）與主計(jì)算機(jī)的通信。管理信息/控制計(jì)算機(jī)通常是一個(gè)大容量的系統(tǒng)，主要用于（i）提供信息，即班/日/月報(bào)告，（ii）處理交互式生產(chǎn)，（iii）下游/上游設(shè)備之間的調(diào)度，（iv）準(zhǔn)備收費(fèi)（廢品的預(yù)裝等。 適應(yīng)靜態(tài)模型，如熱平衡，確定通量（石灰/白云石）和冷卻劑（海綿鐵/鐵礦石），數(shù)量以及何時(shí)裝料，以及氧氣平衡（確定速率、持續(xù)時(shí)間和吹氣模式），（vi）適應(yīng)動(dòng)態(tài)模型，在子長(zhǎng)槍提供實(shí)時(shí)信息后開(kāi)始運(yùn)行。該系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)主動(dòng)顯示，使操作者能夠在目標(biāo)上結(jié)束過(guò)程，計(jì)算最終結(jié)果，并提出小的修改建議和添加最終合金。

控制模型是自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)的核心部分。它們整合了熔煉機(jī)制、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、專(zhuān)家原則和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)?？刂品匠淌抢萌蹮挋C(jī)制的知識(shí)得出的，關(guān)鍵控制參數(shù)是由數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和專(zhuān)家原則確定的。此外，這些控制參數(shù)可以通過(guò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)定期修改?？刂颇Ｐ褪侵胳o態(tài)控制模型、主要材料模型、熔渣形成模型、溫度模型、耗氧量模型、動(dòng)態(tài)控制模型、傾斜模型、合金模型和終點(diǎn)模型等。此外，還有一個(gè)自適應(yīng)學(xué)習(xí)模型。使用的不同檢測(cè)設(shè)備有副槍、質(zhì)譜儀、火焰光譜儀、微波測(cè)距儀和氧槍振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置等。

此外，目前有幾種控制模型，如機(jī)制模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型和增量模型等。機(jī)制模型是以熱和質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)的。它通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)來(lái)確定各變量之間的關(guān)系。然而，由于熔化過(guò)程的復(fù)雜性，它不適合于應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)學(xué)模型以黑箱理論為基礎(chǔ)。在這個(gè)模型中，物理化學(xué)過(guò)程被忽略了。它只關(guān)注輸入和輸出參數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。只要熔化條件改變，這個(gè)模型的計(jì)算精度就不能保持。使用增量模型，可以通過(guò)與記錄的生產(chǎn)率數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)完善操作參數(shù)。它可以克服由熔化條件變化引起的影響。然而，這個(gè)模型的主要缺點(diǎn)是計(jì)算精度低。圖2顯示了控制系統(tǒng)和工藝模型的功能。

圖2 控制系統(tǒng)和過(guò)程模型的功能

端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)

端點(diǎn)碳的預(yù)測(cè)最初是依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)和技能。眾所周知，這種方法效率低，難度大，特別是對(duì)于中高碳鋼的熔煉過(guò)程。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)基本氧氣煉鋼的計(jì)算機(jī)控制的研究已經(jīng)開(kāi)展起來(lái)?；谟?jì)算機(jī)計(jì)算的靜態(tài)電荷模型首先被Jones & Laughlin鋼鐵公司利用，用于計(jì)算帶電的熱金屬、廢鋼和渣料的數(shù)量，并指導(dǎo)液體鋼的終點(diǎn)碳控制。

隨著自動(dòng)檢測(cè)方法、數(shù)學(xué)模型和算法的快速發(fā)展，動(dòng)態(tài)和智能的端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)已可用于煉鋼過(guò)程。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，用來(lái)計(jì)算端點(diǎn)碳含量，端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)分為三個(gè)階段，如靜態(tài)預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和智能預(yù)測(cè)。

靜態(tài)預(yù)測(cè)--在基本氧氣煉鋼的整個(gè)過(guò)程中，操作人員通常會(huì)得到計(jì)算機(jī)指導(dǎo)系統(tǒng)的幫助，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)質(zhì)量和能量平衡的計(jì)算以及熱力學(xué)計(jì)算，提出工藝參數(shù)和操作人員的行動(dòng)。靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)主要依靠基于質(zhì)量和熱平衡建立的數(shù)學(xué)模型，它可以根據(jù)初始爐料參數(shù)（如帶電的熱金屬和廢鋼，以及熱金屬的成分和溫度）計(jì)算出鋼液中的端點(diǎn)碳含量。圖3顯示了基本氧氣煉鋼的終點(diǎn)預(yù)測(cè)的靜態(tài)模型。

圖3 基礎(chǔ)氧氣煉鋼終點(diǎn)預(yù)測(cè)的靜態(tài)模型

靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)在于數(shù)學(xué)模式的合理建立和初始量數(shù)據(jù)的獲取。與基于操作者經(jīng)驗(yàn)和技能的端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的隨機(jī)性和不確定性相比，靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)可以對(duì)吹氧和端點(diǎn)碳含量進(jìn)行定量計(jì)算，從而提高端點(diǎn)碳的預(yù)測(cè)精度。通常用于靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型主要包括理論模型和統(tǒng)計(jì)模型。

理論模型可以根據(jù)煉鋼過(guò)程中質(zhì)量和熱量平衡的計(jì)算，計(jì)算出吹氧量和終點(diǎn)碳含量。由于基本煉鋼過(guò)程中各種影響因素之間復(fù)雜的相互作用，質(zhì)量和熱量平衡的計(jì)算通常是用經(jīng)驗(yàn)值完成的，并不準(zhǔn)確，因此，理論模型在基本煉鋼轉(zhuǎn)爐端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)上表現(xiàn)得相對(duì)較差。

統(tǒng)計(jì)模型只關(guān)注輸入變量和輸出變量之間的關(guān)系，使用收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而不考慮液態(tài)浴中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，這由方程式X=F（W，S，T，t，Z）來(lái)描述，其中'F'是一個(gè)線性或非線性函數(shù)。W "是熱金屬和廢鋼的帶電重量，"S "是鋼液中終點(diǎn)成分的目標(biāo)值，"T "是熱金屬的初始溫度，"t "是吹氧時(shí)間，"Z "是其他重要影響因素（如頂槍高度和氧氣壓力）。

作為一種統(tǒng)計(jì)模型，近年來(lái)，反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合不同的算法被廣泛應(yīng)用于基本氧氣煉鋼的終點(diǎn)預(yù)測(cè)中。與理論模型相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長(zhǎng)分析隨機(jī)偏差，消除隨機(jī)因素的影響，可以為端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)提供更可靠的參考。圖4顯示了用于端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖4 用于端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

然而，上節(jié)所述的理論和統(tǒng)計(jì)模型只是建立在對(duì)初始條件和靜態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)的考慮上（沒(méi)有時(shí)間序列特征的小數(shù)據(jù)集不能代表實(shí)際生產(chǎn)），使得靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)模型不適合于實(shí)際生產(chǎn)，因?yàn)轭A(yù)測(cè)精度有限。靜態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是如何在具有時(shí)間序列特征的大型生產(chǎn)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上合理建立預(yù)測(cè)模型。基于上述挑戰(zhàn)，動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)在靜態(tài)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上被迅速發(fā)展。

動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)--與靜態(tài)控制不同，動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)可以預(yù)測(cè)鋼液中的端點(diǎn)碳含量，并通過(guò)計(jì)算監(jiān)測(cè)設(shè)備收集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)（噴槍運(yùn)動(dòng)、廢氣中的一氧化碳和二氧化碳含量、火焰的光譜特征）建立動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)操作參數(shù)的在線調(diào)整。目前，副槍系統(tǒng)、廢氣分析系統(tǒng)和火焰光譜分析系統(tǒng)是應(yīng)用于基本氧氣煉鋼的動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的主要方法。圖5顯示了用副槍系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)終點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的情況。

圖5 子長(zhǎng)槍系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)終點(diǎn)碳含量預(yù)測(cè)

采用副槍系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)終點(diǎn)預(yù)測(cè)，直接測(cè)量鋼液在吹煉過(guò)程后期的含碳量，建立在線預(yù)測(cè)模型，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)不同吹煉時(shí)間的含碳量。通過(guò)應(yīng)用副槍系統(tǒng)，可以減少初始偏差對(duì)帶電材料的影響，與靜態(tài)預(yù)測(cè)相比，終點(diǎn)碳含量預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確和精確。一些日本的鋼鐵熔煉車(chē)間實(shí)現(xiàn)了90%以上的碳預(yù)測(cè)精度，誤差公差為+/-0.02%。

通過(guò)監(jiān)測(cè)廢氣信息（吹氧過(guò)程中一氧化碳和二氧化碳的含量變化），可以用基于廢氣信息的數(shù)學(xué)模型動(dòng)態(tài)推斷出鋼液的碳含量，并通過(guò)計(jì)算結(jié)果的反饋來(lái)預(yù)測(cè)和控制終點(diǎn)碳含量。由于這是一種間接估算方法，采集的數(shù)據(jù)（如廢氣含量和流速）的準(zhǔn)確性和數(shù)學(xué)模型的響應(yīng)時(shí)間對(duì)終點(diǎn)碳的預(yù)測(cè)精度影響很大。因此，廢氣分析系統(tǒng)通常與副槍系統(tǒng)一起使用，以控制幾個(gè)熔鋼車(chē)間的端點(diǎn)碳的精度。

基本氧氣轉(zhuǎn)爐口的火焰光譜特征與鋼液的碳含量有關(guān)，因此，在基本煉鋼過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化?；诨鹧孑椛湫畔⒌墓庾V特征，開(kāi)發(fā)了火焰光譜分析系統(tǒng)來(lái)預(yù)測(cè)終點(diǎn)碳含量。通過(guò)分析不同吹煉時(shí)間的火焰光譜和轉(zhuǎn)爐水浴狀態(tài)之間的關(guān)系，可以完成對(duì)鋼液碳含量的在線預(yù)測(cè)。

光學(xué)傳感器已被用于動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)鋼水熔煉車(chē)間基本氧氣煉鋼中的低碳熱（目標(biāo)終點(diǎn)碳含量低于0.06%）的碳含量，這使其得到了很大的改善。

盡管與靜態(tài)預(yù)測(cè)相比，動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)可以得到明顯的預(yù)測(cè)改善，但收集真實(shí)的、全尺寸的、豐富的、可以代表整個(gè)煉鋼過(guò)程整體行為的數(shù)據(jù)集，預(yù)測(cè)模型的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)是動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的特殊挑戰(zhàn)。因此，智能端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)是在動(dòng)態(tài)端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上建立的。

智能預(yù)測(cè)--隨著數(shù)據(jù)收集和智能模型的發(fā)展，目前基本氧煉鋼的智能端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)已經(jīng)出現(xiàn)。它建立在具有不同特征的全尺寸豐富數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，具有很強(qiáng)的自我學(xué)習(xí)能力，可以提高預(yù)測(cè)精度。除了子長(zhǎng)槍系統(tǒng)外，基本氧氣煉鋼自動(dòng)化系統(tǒng)主要采用了其他技術(shù)，即（i）吹氧過(guò)程中的在線熔渣檢測(cè)，為熔渣操作提供指導(dǎo)；（ii）廢氣分析系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)估計(jì)吹氧過(guò)程中鋼液的碳含量和溫度；以及（iii）具有較強(qiáng)自學(xué)和自適應(yīng)能力的智能模型。圖6顯示了智能模型的建立。

圖6 智能模型的建立

通過(guò)上述技術(shù)的應(yīng)用，基本氧氣煉鋼的智能端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)可以用計(jì)算機(jī)自動(dòng)有效地實(shí)現(xiàn)，而不是人工操作，端點(diǎn)碳含量的預(yù)測(cè)精度也大大提升。隨著智能端點(diǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)在某煉鋼廠的實(shí)際應(yīng)用，使重吹率從14%降至1%，水龍頭到水龍頭的時(shí)間從37分鐘降至29分鐘，從而大大提高了基本氧煉鋼工藝的效率。

毫無(wú)疑問(wèn)，智能預(yù)測(cè)大大提高了終點(diǎn)碳含量的預(yù)測(cè)精度。最近，越來(lái)越多的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用于基礎(chǔ)氧煉鋼的終點(diǎn)碳控制，如機(jī)器人取樣測(cè)溫系統(tǒng)、無(wú)線成分測(cè)量系統(tǒng)等。同時(shí)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）伴隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)迅速發(fā)展，并逐步應(yīng)用于智能鋼鐵制造。因此，基礎(chǔ)氧氣煉鋼的智能終端碳預(yù)測(cè)在未來(lái)越來(lái)越受到關(guān)注。

從工業(yè)實(shí)施的角度來(lái)看，具有高精度的智能端點(diǎn)碳預(yù)測(cè)模型可以安裝在現(xiàn)有的工藝系統(tǒng)上，持續(xù)預(yù)測(cè)工藝碳含量，并根據(jù)基本氧煉鋼過(guò)程中的實(shí)際事件和計(jì)劃事件為操作人員提供指導(dǎo)。

專(zhuān)家系統(tǒng)

專(zhuān)家系統(tǒng)是一個(gè)綜合的工藝模型組，它對(duì)煉鋼過(guò)程進(jìn)行成像和優(yōu)化。專(zhuān)家系統(tǒng)監(jiān)測(cè)冶金和熱工過(guò)程，循環(huán)計(jì)算鋼水和鋼渣的實(shí)際狀況。這提供了任何時(shí)候鋼水和爐渣的分析和溫度，設(shè)定點(diǎn)模型的計(jì)算總是基于實(shí)際情況。

在轉(zhuǎn)爐的整個(gè)處理過(guò)程中，專(zhuān)家系統(tǒng)的工藝模型對(duì)煉鋼工藝進(jìn)行優(yōu)化和控制。Level-2系統(tǒng)根據(jù)基于每個(gè)鋼種存儲(chǔ)的生產(chǎn)方案的模型計(jì)算，為操作人員提供幫助。專(zhuān)家系統(tǒng)在處理過(guò)程中不斷向操作人員通報(bào)熱量的整體狀態(tài)（即重量、溫度和分析）。

專(zhuān)家系統(tǒng)中大量的設(shè)定點(diǎn)模型組決定了專(zhuān)家系統(tǒng)的設(shè)定點(diǎn)，它負(fù)責(zé)確定不同處理步驟所需的原料供應(yīng)、氣體量和/或能源。這里介紹一些設(shè)定點(diǎn)模型。

專(zhuān)家系統(tǒng)第一次收費(fèi)的計(jì)算是通過(guò)對(duì)可變輸入數(shù)據(jù)的不同情況（如可變廢鋼和可變熱金屬，可變廢鋼和固定熱金屬，或固定廢鋼和可變熱金屬）可以應(yīng)用。此外還可以使用廢鋼成本優(yōu)化。作為模型的輸出，可以提供最佳的爐料組合，以達(dá)到生產(chǎn)計(jì)劃中計(jì)劃鋼種的目標(biāo)。

專(zhuān)家系統(tǒng)的第二次爐料計(jì)算是在收到與爐料金屬和廢鋼有關(guān)的實(shí)際數(shù)據(jù)，包括不同廢鋼類(lèi)型的部分重量后立即進(jìn)行的。第二次裝料計(jì)算模型計(jì)算出必要的容器添加量和氧氣量，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分析和吹煉結(jié)束時(shí)鋼材的目標(biāo)溫度。

專(zhuān)家系統(tǒng)的吹氣校正計(jì)算是由子槍模型完成的。根據(jù)數(shù)據(jù)的可用性（溫度、碳），循環(huán)在線模型接管測(cè)量值，并應(yīng)用一些糾正措施，因?yàn)楦睒寽y(cè)量是在靠近熱點(diǎn)的地方進(jìn)行的。剩余的所需氧氣量、加熱劑或冷卻劑以及額外的成渣劑都被計(jì)算出來(lái)。

如果在吹煉結(jié)束時(shí)，某些鋼水特性（如溫度、碳含量或磷含量）不在規(guī)定的目標(biāo)范圍內(nèi)，可以啟動(dòng)專(zhuān)家系統(tǒng)的再吹煉校正計(jì)算。實(shí)際的鋼浴分析和溫度取自溫度測(cè)量或?qū)嶋H的鋼樣。計(jì)算出所需的氧氣量、加熱劑或冷卻劑以及再吹的額外成渣劑。

專(zhuān)家系統(tǒng)的合金模型計(jì)算成本，優(yōu)化必要的合金和脫氧材料添加到出鋼桶中。合金劑的分析和它們的具體損失被考慮在內(nèi)。

專(zhuān)家系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型通過(guò)使用監(jiān)督和設(shè)定點(diǎn)模型的結(jié)果對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬。它提供了對(duì)進(jìn)度和最終熱度的預(yù)測(cè)。它還預(yù)測(cè)所有需要增加的內(nèi)容和行動(dòng)，并為優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程服務(wù)。在預(yù)測(cè)模型的典型HMI屏幕中，屏幕的不同部分顯示了目標(biāo)和輸入數(shù)據(jù)、模型結(jié)果、對(duì)鋼鐵的計(jì)算分析，以及爐渣和具體消耗量。

專(zhuān)家系統(tǒng)預(yù)計(jì)算模型模擬了廢鋼和熱金屬被裝入轉(zhuǎn)爐之前/之后的完整煉鋼過(guò)程。專(zhuān)家系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型決定了最佳的吹氣和攪拌策略，以及容器添加的確切時(shí)間和分量。預(yù)計(jì)算模型是基于預(yù)先定義的工藝步驟清單（如裝料、主吹、攪拌和出鋼等）和工藝工程師定義的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)范（SOP）的目標(biāo)值。

預(yù)計(jì)算模型包括五個(gè)不同的部分，即（i）計(jì)算熱金屬和廢料的輸入，（ii）計(jì)算和分配加熱劑和冷卻劑、合金、廢料和熔劑，以達(dá)到目標(biāo)重量、分析和基本度。(iii) 計(jì)算吹氣設(shè)定點(diǎn)，以達(dá)到目標(biāo)碳含量和溫度，(iv) 計(jì)算正在進(jìn)行的反應(yīng)，以預(yù)測(cè)每個(gè)工藝步驟后鋼、渣和廢氣的重量和分析，以及 (v) 如果沒(méi)有達(dá)到某個(gè)工藝階段的目標(biāo)值，向操作員提供信息和警告。

專(zhuān)家系統(tǒng)監(jiān)督模型是一個(gè)在線模型，在吹煉過(guò)程中循環(huán)計(jì)算鋼水和爐渣中正在發(fā)生的反應(yīng)。這包括氧化和還原反應(yīng)，氧氣、氮?dú)夂蜌錃獾奈?，硫和磷在鋼和渣之間的分布，以及二氧化碳和氫氣的后期燃燒。通過(guò)這種方式，不同的吹氣、攪拌或材料添加模式的影響以及帶電材料的溶解都被考慮到過(guò)程中。

專(zhuān)家系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制（專(zhuān)家系統(tǒng)監(jiān)督模型的一部分）是根據(jù)實(shí)際廢氣數(shù)據(jù)對(duì)碳進(jìn)行動(dòng)態(tài)吹掃結(jié)束預(yù)測(cè)。根據(jù)實(shí)際的廢氣數(shù)據(jù)（如廢氣流量、廢氣分析（一氧化碳、二氧化碳、氧氣和氮?dú)猓┮约皩?shí)際的工藝數(shù)據(jù)，專(zhuān)家系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制從接近吹掃結(jié)束的廢氣數(shù)據(jù)的典型剖面預(yù)測(cè)吹掃過(guò)程結(jié)束時(shí)的碳含量。其結(jié)果是預(yù)測(cè)吹掃過(guò)程結(jié)束時(shí)的碳含量（通常為碳含量低于0.3%）和吹掃結(jié)束要求，以達(dá)到吹掃結(jié)束時(shí)的目標(biāo)碳含量。與循環(huán)在線模型（專(zhuān)家系統(tǒng)監(jiān)督模型）相結(jié)合，可以對(duì)鋼和渣進(jìn)行完整的預(yù)測(cè)（溫度、分析和重量），其中碳含量取自專(zhuān)家系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制，所有其他數(shù)據(jù)由專(zhuān)家系統(tǒng)監(jiān)督模型計(jì)算。

在專(zhuān)家系統(tǒng)中，吹入式測(cè)量的碳含量計(jì)算是基于來(lái)自副槍測(cè)量裝置的原始數(shù)據(jù)（即液相溫度Tliq），而不是使用測(cè)量裝置計(jì)算的碳含量。吹氣中的碳含量是用公式Cin-bolw = a0 + a1xTliq + a2x Tliq的平方計(jì)算的。調(diào)整參數(shù)a0、a1、a2保留在Level-2數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)采用液相溫度和吹入樣品的碳含量對(duì)其進(jìn)行擬合。

從吹瓶測(cè)量中計(jì)算出的碳含量被在線模型所替換，從而修正了碳預(yù)測(cè)模型。為了完善現(xiàn)有的基于動(dòng)態(tài)廢氣測(cè)量的基本氧氣轉(zhuǎn)換器的自動(dòng)吹停功能，該功能也被用于副槍系統(tǒng)。自動(dòng)吹停功能延長(zhǎng)或縮短了最后的吹氣階段，以達(dá)到吹氣結(jié)束時(shí)的溫度和碳的目的。

循環(huán)過(guò)程模型也被稱(chēng)為飽和模型，它考慮了復(fù)雜的煉鋼爐渣中CaO（石灰）和MgO（菱鎂）的飽和濃度。當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的飽和濃度時(shí)，石灰和白云石的溶解就會(huì)暫停，當(dāng)爐渣成分允許進(jìn)一步溶解成渣的添加物時(shí)，就會(huì)繼續(xù)溶解。因此，工藝模型一直在跟蹤液態(tài)爐渣的數(shù)量和分析，以及未溶解的熔劑添加物。平衡磷分配率的計(jì)算是基于光學(xué)堿度模型。為了確定光學(xué)堿度，只采用了液態(tài)渣相的組成，而在計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)時(shí)要考慮未溶解的通量部分。通常情況下，飽和模型允許優(yōu)化堿度（CaO/SiO2）和氧化鎂，目的是為了避免在吹煉結(jié)束時(shí)有太多未溶解的通量材料。

專(zhuān)家系統(tǒng)工藝模型考慮了在熱金屬裝填前已經(jīng)裝填的成渣添加物的熱裂化。對(duì)于這些添加物，二氧化碳和水蒸氣的部分被完全去除。這可以防止高估石灰石或原白云石等預(yù)加料的冷卻效果，從而改善溫度計(jì)算。此外，在熱金屬裝料后，轉(zhuǎn)爐中前次加熱產(chǎn)生的剩余爐渣部分被硅還原，其反應(yīng)為2（FeO）+[Si]=2[Fe]+（SiO2），2（Fe2O3）+3[Si]=4[Fe]+3（SiO2），2（MnO）+[Si]=2[Mn]+（SiO2），在很小程度上也被碳還原。在有大量剩余爐渣的情況下，F(xiàn)eO、Fe2O3和MnO的減少會(huì)影響溫度曲線。

雖然模型是根據(jù)不同子系統(tǒng)的特殊要求而專(zhuān)門(mén)調(diào)整的，但專(zhuān)家系統(tǒng)的原則是將預(yù)測(cè)、監(jiān)督和設(shè)定點(diǎn)模型的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到完美的質(zhì)量，這一點(diǎn)在整個(gè)煉鋼自動(dòng)化中得到了應(yīng)用。