D0I:10.13374/j.is8n1001-053x.1992.05.012 第14卷第5期 北京科技大学学报 Vol.14No.5 1992年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1992 顶底复吹转炉的计算机控制 王顺晃*杜大川”刘宏才·刘越生·“ 情要：以某钢厂151顶底复吹转炉为背景，介绍用一般BM一PC微型机实现复吹转炉计算 机操作，同时提出治炼终点钢水温度、含碳量的自适应预报和补吹智能操作，并给出程序框 图和实验结果， 关键词：复吹转炉，自适应预报，智能操作 Computer Control Strategy for Top-Bottom Composite Blown Converter Steelmaking Wang Shunhuang'Du Dachuan"Liu Hongcai'Liu Yuesheng'' ABSTRACT:As a 15t top-bottom composite blown converter to some steel work example by common IBM-PC,the computer operation and superintendence for composite blown converter steelmaking are introduced.Simultaneously,self tunning predictor for end point C.T and intelligence operation of ad- ditional blown are presented.The program block-scheme and the experimental results are also given. KEY WORDS:composite coverter,self tunning predictor,intelligence operation 顶底复吹转炉炼钢过程反应复杂，炉况千变万化，冶炼时间又短，单靠工人经验操作远 不能满足生产要求，国内外大型顶底复吹转炉已开始采用计算机静态和动态控制)。但是，我 国中小型复吹转炉（包括顶吹转炉）目前仍停留在人工操作，特别是后期补吹单凭经验，盲 目性大、命中率低。鉴于此，我们提出采用BM一P℃微型机实现炼钢过程操作指导，具有投 资少、上马快、易掌握并提高命中率的优点，这对中小型转炉用户是有益的。 1喷底复吹转炉炼钢工艺及结构 ①1991-09-15收稿 "自动化系(Department of Automation and Control Engineering) **冶金系(Department of Metallurgy) ·563·
第 卷 第 期 年 。 月 北 京 科 技 大 学 学 报 力 顶底复吹转炉 的计算机控制 ① 王 顺 芜 ’ 杜大 川 ‘ 刘 宏 才 · 刘越生 ， 摘 要 以 某钢厂 巧 顶底复 吹转护为背景 ， 介绍 用一般 一 代 徽型机实现复吹转炉计算 机操作 ， 同时提出冶炼终点钢水温度 、 含碳量的 自适应预报和补 吹智能操作 ， 并给出程序框 图和 实验结果 关 词 复 吹转炉 ， 自适应顶报 ， 智能操作 一 匆 习为 砚加邵 ’ 加 加动如犯 ’ 白公 从成 云 石“ 阳吕丙翻 二 日 一 ” 口 一 ， 拌 沐 户招 旧 ， 加 论 已记 一 · 妞 户湘 ， ， ， 沐 顶底复吹转炉炼钢过程反应复杂 ， 炉况 千变万化 ， 冶炼时间又短 ， 单靠工人经验操作远 不能满足生产要求 ， 国内外大型顶底 复吹转炉 已开始采用计算机静态和动态控制 〔 〕 。 但是 ， 我 国中小型复 吹转炉 包括顶吹转炉 目前仍停 留在人工操作 ， 特别是后期补 吹单凭经验 ， 盲 目性大 、 命 中率低 。 鉴于此 ， 我们提 出采用 一 微型机 实现炼钢过程操作指导 ， 具有投 资少 、 上 马快 、 易掌握并提高命中率的优点 ， 这对中小型转炉用户是有益的 。 顶底复吹转炉炼钢工艺及结构 ① 一 一 收稿 二 自动化 系 四 ， ‘ 冶金 系 氏 川袱 时 卿 · · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．05．012
顶底复吹转炉炼钢结构图如图1所示。其输入量为铁水、废钢、石灰石、矿石、荧石、白 云石、氧气、氮、氢等；输出量为钢水，要求钢水终点温度和含碳量达到规定的目标值。这 是一个典型的多输入多输出系统。 2顶底复吹转炉计算机控制的效能 (1)直接采集铁水、废钢重量。 (2)键入铁水、废钢、石灰、荧石、矿石、 白云石成分和冶炼终点含碳量、温度目标值。 (3)完成静态模型计算。计算本炉次总氧 耗量和总附加料加入量。预报本炉次钢水温度 可 和含碳量。 (4)提示选择单流道和双流道枪位模型，显 示各种枪位模型并在线修改。 (5)显示底部供气模型并在线修改。 (6)显示附加料加入模型并在线修改。 (7)可以随时中断计算机程序，并实现人 工干预。 (8)用计算机时钟计时，实现对吹炼过程 】一氧枪位登调节和检测：2一铁水：3一废钢： 4一铁矿石，5一萤石：6一石灰石7一白云石 和补吹的氧步控制。 图】顶底复吹转炉炼钢结构框图 (9)完成一个炉次冶炼过程程序控制。 Fig.I Structural block-scheme of comverter steelmaking (10)检测钢水终点实际温度和含碳量，若 未命中目标值则调用智能操作指导补吹，以提高命中率。 3顶底复吹转炉计算机控制程序框图 t 本系统软件采用模块化形式，由主程序调用各种子程序来完成复杂的控制作用。程序结 构紧凑，修改方便，而且采用大众化的BASIC语言编程和汉字显示，很容易为用户所掌握，其 程序框图如图2所示。 4 钢水温度和含碳量自适应预报) 设转炉炼钢模型取CARMA模型： A(Z)y(k)=Z-B(Z-1)u(k)+C(Z-1)e(k) (1) 其中： A(Z-1)=1+1Z-1+…十a,Z；B(Z1)=b。十bZ-1十…十 ·564·
顶底复吹转炉炼钢结构 图如图 所示 。 其输入量为铁水 、 废钢 、 石灰石 、 矿石 、 荧石 、 白 云石 、 氧气 、 氮 、 氢等 输出量为钢水 ， 要 求钢水终点温度和 含碳量达 到规定 的 目标值 。 这 是一个典型的多输入多输 出系统 。 顶底复吹转炉计算机控制的效能 直接采集铁水 、 废钢重量 。 键入铁水 、 废钢 、 石灰 、 荧石 、 矿石 、 白云 石成分和 冶炼终点含碳量 、 温度 目标值 。 完成静态模型计算 。 计算本炉次总氧 耗量和总 附加料加入量 。 预报本炉次钢水温度 和含碳量 。 提示选择单流道和双 流道枪位模型 ， 显 示各种枪位模型 并在线修改 。 显示底部供气模型并在线修改 。 显 示 附加料加入模型并在线修改 。 可 以 随时中断计算机程序 ， 并 实现人 工干预 。 用计算机时钟计时 ， 实现 对吹炼过程 和补 吹的氧步控制 。 完成一个炉次冶炼过程程序控制 。 检测钢水终点实际 温度和 含碳量 ， 若 一 氧枪 位置 调 节和 检 测 一 铁水 一 废 钢 一 铁矿 石 一 萤石 一 石 灰石 一 白云石 图 顶底复 吹转护炼钢 结构 框 图 。 一 把 未命中目标值则调用智能操作指导补 吹 ， 以提高命中率 。 顶底复吹转炉计算机控制程序框图 本系统软件采用模块化形式 ， 由主程序调用各种子程序来完成复杂的控制作用 。 程序结 构 紧凑 ， 修改方便 ， 而 且采用大众化 的 语言编程和 汉字显示 ， 很 容易为用 户所掌握 ， 其 程序框图如 图 所示 。 钢水温度和含碳量 自适应预报 〔 〕 设转炉炼钢模型取 模型 一 ’ 今 一 ‘ 一 ‘ 。 亡 一 ’ 论 其中 一 ’ 二 十 一 ’ … … ‘ 一 一 ’ 一 。 十 一 ， … … 十
5IARI APA Screen init o!generat/ed rcads model parameter Display lanee-positon oxyqen-itep N 一H33 Reads the component I ault--process key 1八11tp F11 laking nowt imr-Tr Is preparing qood T-T.K+sngle step ime Sample data 围 Display paramoler of Is thenry modet 八yIl(p人+I-人 (all statst ic madel 人N? is avygen lance with trpet smple nf steel 【wo flow chanel？ N :r单1rl? a1】singleflow and on linc repair fall oddlinnal-blowr mtel ligenre uperat on ['all addit ion model and on line repail taking Reached requirement =1,N,r Disp!ay output stel output slag 、t:new melted iron fur1t 33 rrr 图2程序框图 Fig.2 Program block-scheme b.Z-m; C(Z1)=1十c1Z1十…十c,2;d为系统延时时间，21为平移因子。 (k)=〔1(k),2(k)门r 其中： 1(k),2(k)分别为k时刻钢水含碳量和温度。 4(k)=〔4(k),22(),…a(k)门r 其中： 1(k),2(k)分别为铁水和废钢加入量；()，“4()分别为石灰石和白云石 的加入量； (k),(k)分别为萤石和氧化铁皮的加入量； (k)为纯吹氧时间；()为 两炉之间冶炼时间间隔。 )式可改写为+0=2+彩器：+) (2) 引入Bezaut不等式有 8器-pz)+ A(Z-1) (3) 其中 F(Z-1)=1十fZ-1+…+f-1Z-D G(Z-1)=g0+g1Z1+…+g,-1Z) ·565·
八 〔 、 日 “ 一 告飞 玉 八户八 、 ‘ 、 一任 一 一是 ℃ 「」矛夕 者奋， ‘ 、 〔 、 一 瞬‘ 者巴 全了‘ 少 奋 ‘ 、 乡〔 ‘ 卜 乏 户 口阅 帖 补 ‘ 呼〕 套 ‘ 、 之。 〕 一 下一叮 、 ， 〔 卜 一 〔 、 ‘ 户 「 甲月 片 落 川 ’ 少 八 》 ‘ 、 万 「、 矛 ，叼 下‘ 如 一‘ 、 一 了 ，沈 · 、 犷、勺 砚 〔 〔 ， ，手 入 率 川 以 户 曰 吸、 川吸 巴石奋「‘枯〕 贬子 丫 妙 川 川 川 ‘ 【 厂、 二荆自。 曰三山口 曰﹄ ‘、 ” 《， ‘ 、 ， 一一 一 一 丁百一 一 巴 〕 王 【 】 、 叼 ， 荟 七‘ 、 〕 八 卜 ‘ 姿 〔 口 ， 。 七 一 〔 万 二 了 一 卜叮 乏“ 。“ 一‘ ， ‘ 之 “ 、 寸一 “ ‘ 、 、一，‘屯 一， ，‘ 一川 〔 、 一、 一， ， 州工﹄。‘山﹃。 州﹄石口﹃，尸‘ ‘ ， 级衬 ‘〕 、讨 荟 ‘ 、 一 〔 、 、奋」甘、一 ， 门闲 〔 ’ 川 －‘ 一卜 厄 ‘分 。 一 遥 ’ 之 山 一 笼〕 一 咤，钊 百 丁、 吸、 勺【 、 ，、一 ‘ 、 ， 〕 〔 、 习 一 川 〔泊 七 〕一、 〔 才 泞 是矛 甲 尺二 ， ， 朴 一 一 闪 万 ， 、 ‘ 、 叮通 、 比，《 、 ‘ ， 一乏， 」月 曰、 一一 一 一 卜， 、 〔 一 ‘飞 妥一 ，目勺 士 ‘ 一 时 〔 、 士 ‘ 子苦 夏， 、 ，‘ 、 、 玄 七 图 程序框 图 邵 】 一 邵 一 价 一 ‘ 姐 十 、 一 ‘ 十 … … 一 ’ 为系统延时时间 ， 一 ‘ 为平移因子 。 ， 〔夕， 无 ，夕 〕 约 ， ， 分别为 时刻钢水含碳量和温度 。 、 公 一 〔 。 ， ， 。 无 ， … … 二 无 〕 。 ， ， 分别为铁水和废钢加入量 二 其中 的加入量 。 ，。 分别为萤石和 氧化铁皮 的加入量 ， 分 别为石灰石和 白云石 。 无 为纯 吹氧时间 无 为 ‘ 、 、‘了、 自，、产产 、 两炉 之伺 冶炼时间间隔 式可 改写为 犷 二 引入 不等式有 一 一 ‘ 粼 · 斜 · “ ‘ ， 一 写攀宁 ， 其 中 一 ‘ 十 五 一 ’ · … ‘ ’ 十 介一 ， 一 卜 ‘ 一 ’ 二 。 一 ’ 十 · · 夕一 一 ， 一
由(3)式代入(2)式得 g+0=22.)+82 c(Z-i()+F(Z-)e(k +d) (4) 令 a(z-) B(2-)=B2)(4)式改写为 C(2-1) y(k+d)+a(Z-)y(k)=B(Z-1)u(k)+e(k+d) (5) 令系统输出最优预报值为[(k十)/)，则根据最小方差预报原则有 ECy(k+d)-(焦+d/k)门2 G(2-1) =Z是g(k)+BC2号u()+F(z1)e(+d)一(k+a/k)2→min(6) (6) 由(6)式可得 5c+d)=82+K22Pg',w C(Z-) (7) (7)式改写为 (k+d/k)=-a(Z1)y(k)+f(Z-1)u(k) (8) 取(5)式作为系统辨识方程，在线辨识系统参数(Z-1)、B(Z-'),则由(8)式立即可以求出 输出预报值。 仿真实例：基于上述提出的自适应预报模型，取某钢厂15t顶底复吹转炉91炉次实际生 产纪录数据如表1所示。 一 表1实际生产记录数据 Table 1 Practical producted data 输号失水废朝石灰矿石铁皮戴石白云石 吹氧失水终点 时间含碳 终点碳 温度 【【kg kg kgkg kg min C 122.21.73302 262 107 15,08 4.5 1687 0.12 221.93.71979455- 290 14.08 4.7 1673 0.10 317.83.51400 -280 10 13.76 4,7 1677 0.05 了 423.93.91530 80 13.51 2.7 1699 0.05 520.14.51520130 50 13.66 4.4 1725 0.04 622.23.52225143 171 17.67 3.4 1668 0.10 723.33.496771 19 15.66 4,3 1670 .0.06 9122.73.51799288 77 193 17.20 4.5 1654 0.03 ·566·
由 式代入 式得 梦 一 王 一 ’ 一 ， 、 · 一 一 、 ‘ 一 ， 、 、 北 十 下 下二六梦 无 十 户 ’ 乙 一 ‘ 七 欠 戈左 十 乙 ， 卜 口护 令 一 ， 一 一 一 声 一 ’ 一 ’ 一 ’ 一 式改写 为 夕 秃 一 ’ 梦 一 刀 一 ’ 无 。 十 令系统输 出最优预 报值为 乡〔 十 幻 ， 则根据最小方差预报原则有 〔夕 一 夕 己 〕 ’ 一 〔粼 、 尸等黔业 · ‘“ ， ‘ 一 ，· ‘ ‘ ，一 “ ‘ 十 ‘ ‘ ，〕 ’ 今 ‘· 由 式 可得 一 ， 、 一 工 一 夕 尤 十 ‘ 允 二 万丁石二丁丈夕计 十 一一石丁万二节丁 ‘ 气。 妙 气右 少 卜 式改写为 乡 十 无 一 一 ， 夕 刀 一 ， 无 取 式作为 系统辨识方程 ， 在线辨识 系统参数 一 ‘ 、 侧 一 ‘ ， 则 由 式立即可 以求 出 输出预报值 。 仿真实例 基于上述提 出的 自适应预报模型 ， 取某钢厂 顶底复 吹转炉 炉 次实际 生 产纪录数据如表 所示 。 表 实际生产记录数据 妞 编号 铁水 废钢 石灰 矿石 铁皮 萤石 白云 石 吹氧 时间 终点碳 口 口 。 。 。 。 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ， 一 一 一 一 一 铁水 含 碳 。 。 。 。 终点 温 度 ℃ 。 。 。 。 。 。 ，‘ 、 勺马一 口口口 · ·
在BM一PC机上进行仿真实验，仿 真由线如图3所示。 0.250 a) 0.218 ract valu 0.186 Prediel ion-v 由图3可知，本文提出的自适 ) 0.154 应预报模型能够较好地跟踪实际曲 线。 0.122 为了给出终点命中率，图4给 0.090 612182430 3642 48546066 Furnece 出采用自适应预报模型所得数据画 成直方图的情况，从图4可以看出： 图3(a) 含碳量仿真曲线 当终点误差在|△T≤15℃，|△C Fig.3 (a)Carbon content simulated curve |≤0.03时，温度命中率为69%， 碳命中率为73%，碳和温度同时 命中率为54%，优于人工操作的 17 指标。 mu-value 5补吹中智能操作3) 171 目前转炉炼钢一次倒炉一般 170 650 采用人工控制，由于各人经验不 18 3642·48546066727884 同，补吹操作也不同。为了实现 Furnace 科学炼钢，减少原材料损耗，降 图3(b)温度仿真曲线 低冶炼成本，降低补吹操作盲目 Fig.3 (b)Temperature simulated curve 性，将转炉补吹中引入智能操作。 它由简单知识库、规则集和推理机组成，实质上是一个简易专家系统。本系统总结了工人和 技术人员补吹操作经验，采用产生式规则和正向推理策略。下面以规则集为例。 10 .2 1 I ()含碳址直方图 (b)温度直方图 图4直方留 Flg.4 Quadrel diagram ·567·
在 一 机上进行仿真实验 ， 仿 真 由线如图 所示 。 ， 。 气了 ︺︹欲 由图 可知 ， 本文提出的 自适 应预报模型 能够较好地跟踪实际 曲 线 。 为了给出终点命中率 ， 图 给 出采用 自适应预报模型所得数据画 成直方图的情况 。 从图 可以看出 当终点误差在 △叫 簇 ℃ ， △ 毛 ， 时 ， 温度命中率为 ， 碳命中率为 ， 碳和 温度 同时 命 中率为 ， 优于人工操作的 指标 。 补吹中智能操作即 霎 。 。八愉「 砂 图 含碳量仿真 曲线 堪 幻 抓 目 目前转炉炼钢一次倒炉一般 采用人工控制 ， 由于各人经验不 同 ， 补吹操作也不同 。 为了实现 科学炼钢 ， 减少原材料损耗 ， 降 低冶炼成本 ， 降低补吹操作盲 目 性 ， 将转炉补吹中引入智能操作 。 闪嘛傀，画， 图 沮度仿真曲线 址 牌 妇 列恤 它 由简单知识库 、 规则集和 推理 机组成 ， 实质上是一个简易专家系统 。 本系统总结了工人和 技术人员补吹操作经验 ， 采用产生式规则和 正 向推理策略 。 下面以规则集为例 。 毕。﹄ 【 ‘ 〔 硬一 ， 屯一‘ 八中 气 含碳 丛直方图 温度直方图 图 直方 图 场 园 返即 川 · ·
如果一次倒炉时熔池温度低，那么摇正炉体，降枪补吹；如果降温降碳，那么加冷却剂低枪 位补吹；如果降温增碳，那么加生铁块补吹；如果提温降碳，那么低枪位补吹；如果增碳，那 么加生铁补吹；如果降碳，那么低枪位补吹；如果提温，那么加炉石、氧化铁皮等。 按正向推理策略，计算机调用知识库中原始数据，如实际钢水温度和含碳量、炉况、炉 渣及原材料情况等。计算机取当前一组数据和规则集中每一条规则进行比较和匹配，若匹配 成功，计算机显示当前补吹控制策略，以指导人工操作。若没有匹配成功则继续搜索规则集， 直至搜遍整个规则集空间为止。 6结束语 本系统采用某钢厂15t复吹转炉炼钥的原始数据在BM一PC机上进行各种指标仿真研 究，结果表明：用一台计算机对中小型复吹转炉治炼过程的操作指导是可行的。系统功能齐 全，中文显示，操作方便，参数调整灵活，减轻了工人的劳动强度。炼钢终点碳和温度命中 率优于人工操作水平。 参考文献 1李雨高.冶金自动化，1987，(3)：29 2 Cauwenberghe K.Automatica,1981,17 (1):1 3傅京孙等.人工智能原理及应用.北京：清华大学出版社，1987 ·568
如果一次倒护时熔池温度低 ， 那 么摇正炉体 ， 降枪补吹 如果降温 降碳 ， 那么加冷却剂低枪 位补吹 如果降温增碳 ， 那么加生铁块补吹 如果提温 降碳 ， 那么低枪位补吹 如果增碳 ， 那 么加生铁补吹 ， 如果降碳 ， 那么低枪位补吹 如果提温 ， 那么加炉石 、 氧化铁皮等 。 按正 向推理策略 ， 计算机调用知识库中原始数据 ， 如 实际钢水温度和 含碳量 、 炉况 、 炉 渣及原材料情况 等 。 计算机取 当前一组数据和规则集中每一条规则进行 比较和 匹配 ， 若匹配 成功 ， 计算机显示当前补吹控制策略 ， 以指导人工操作 。 若没有匹配成功则继续搜索规则 集 ， 直至搜遍整个规则集空 间为止 。 结 束 语 本系统采用某钢 厂 复 吹转炉炼钢的原始数据在 一 机 上进行各种指标仿真研 究 ， 结果表明 用一 台计算机对 中小型复吹转炉冶炼过程 的操作指导是可行的 。 系统功 能齐 全 ， 中文显示 ， 操作方便 ， 参数调整灵 活 ， 减轻 了工人 的劳动强度 。 炼钢终点碳和温度命中 率优于人工操作水平 。 参 考 文 献 李雨高 冶金 自动化 ， ， ， 傅京孙等 人工智能原理及应用 ， 北京 清华大学 出版社 ， ·