转炉炼钢的目的是对兑入转炉的铁水和废钢等原料，采用通过氧枪连续吹氧和加入渣料造渣的方式，不断氧化[Si]、[Mn]和去除[P]、[S]等杂质，并降低熔池中的碳含量和提升熔池温度的过程。能否实现直接出钢的主要条件为冶炼终点时钢水成分和温度是否满足目标要求；因此，冶炼终点钢水成分和温度命中率高的炼钢控制技术能减少补吹和倒炉取样的次数，可有效地缩短冶炼时间，提高转炉产量，降低生产成本，是转炉炼钢的关键技术。

目前，国内中小转炉占70％以上，大部分都是依靠人工经验来判断转炉终点的方法，即通过观看炼钢过程中火花的颜色来判断钢水成分和温度。国内大转炉一般采用副枪矫正模型炼钢，在冶炼后期使用副枪探检测反馈信号，进行终点动态矫正。

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，提高过程监控能力和预报钢水成分的一种自动化炼钢技术。国外转炉一般使用质谱仪炉气分析模型系统进行终点预报和过程控制，主要目标为降低副枪探头消耗和判断炉况；国内有些中小转炉引进了国外的质谱仪炉气分析系统，在应用中存在设备昂贵、维护复杂和消耗高，以及国外模型与国内拉碳工艺差别较大的一些问题。

本文在邯钢120t转炉上使用自主开发的直插式气体分析仪、投弹检测技术和自动化炼钢模型，进行了中小转炉的全程过程控制自动化炼钢的尝试，并取得了较好的控制效果和经济效益。

一、自动化炼钢主要监控设备

(一)直插式炉气分析系统

本系统使用直插式炉气分析仪进行炉气成分监控，实现转炉炉况的全程动态监控，该系统与国外引进的质谱仪炉气分析系统不同，不需要取样系统和预处理系统，设备和安装方式简单，直接插入转炉烟道内，可以在室外工况下全天候运行，基本不需要维护。此外，该系统比质谱仪(分析响应时间约3s)具有更快的分析速度，响应时间小于1s；并且，分析的数据基本没有漂移现象，不需要类似质谱仪的定期矫正和标气标定。

(二)投弹矫正系统

在冶炼过程中或临近终点，大转炉一般使用副枪进行温度和成分的点测进行模型的矫正，由于副枪体积庞大，一般中小转炉无法安装；此外，副枪系统结构复杂，副枪探头价格昂贵，使用和维护成本较高。本系统针对中小转炉的特点，使用料仓口投弹检测系统，通过从料仓口投放多种弹头，进行钢水成分和温度的检测，实现不倒炉条件下钢水成分和温度的矫正，弹头种类按照所需功能的不同可以分为：测温弹头、高碳定碳测温弹头和低碳定氧测温弹头等类型。该系统结构简单，维护方便，具有副枪的不倒炉直接检测的优点，同时又不受炉容大小的限制，并且由于料仓入口离转炉很近，投弹检测反应速度很快。

该系统的测成率大于96%，检测时间小于6s。

二、自动化控制流程

(一)数据传输

本系统的数据传输基于转炉一级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，采集转炉炉体、气体阀门开关和流量、料仓电称、氧枪枪位、炉气成分等参数，并利用三级网络系统传输生产指令、钢种计划和取样化验信息。在冶炼中后期进行料仓口投弹检测钢水成分和温度等信息，以上信息均进入实时数据库系统，数学模型基于以上数据库的实时更新进行动态计算、界面监控和显示，在线全程预报钢水成分和温度等信息，并进行炉况判断。

(二)转炉炼钢自动化流程

本项目按照常规中小转炉的炼钢工艺特点，把一个转炉冶炼周期划分为以下几个流程：冶炼准备与兑铁、吹氧冶炼(投弹检测、倒炉取样、补吹)、合金化和出钢。炼钢自动化控制模型按照以上流程设计，通过计算机网络监测系统时间、转炉倾角、氧枪位置和氧氮开关等参数，能自动判断转炉处于什么阶段，实现自动化流程控制。当模型判断一个冶炼周期从“冶炼准备”开始，到“出钢”状态结束后，自动进入下一个冶炼周期后，新的炉号、枪龄和炉龄等信息自动生成。

实现转炉炼钢流程自动化后，无需人工干扰，计算机能对转炉冶炼过程进行自动监控，当一炉冶炼完毕进入下一个冶炼周期后，计算机自动将本炉炉号、冶炼参数等相关信息存储进数据库，同时监控下一炉的开始。

三、自动化炼钢模型的主要功能

(一)辅料配料和吹氧方案计算

在冶炼准备阶段，自动化炼钢模型需要从生产调度系统接受冶炼任务，当明确本炉次的冶炼钢种后，模型可检索生产标准数据库，确定本炉次的冶炼成分和温度的目标要求和上下限控制范围。同时，通过监控天车的运行方式和天车称的质量变化，采集本炉次铁水和废钢质量，确定炉料结构，并检索铁水成分和温度等相关信息。

当冶炼准备基本完成后，根据模型采集的生产信息，进行本炉次的辅料配料计算和制定吹氧方案；制定吹氧方案时，按照冶炼钢种的不同，冶炼模式共分为9类。

配料和吹氧方案计算模式见图1。图1中最上部分为转炉冶炼状态条，显示当前转炉冶炼处于什么状态，该进度条还具有菜单功能，图1中a区为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区为模型计算的本炉次的总配料单和吹氧量；C区为依据生产计划按吹氧时间分解的配料单和吹氧制度；d区为转炉设备参数监控画面，能动态显示转炉各项参数。

(二)钢水成分和温度的动态预报

进入吹氧冶炼状态后，模型动态监控在冶炼过程中实时变化的炉气成分、氧枪枪位和流量、辅料加入等参数，实时预报熔池化学成分和温度的变化规律，并对比目标要求和实际冶炼情况的差异，确定最佳的停吹时间和调整加料方案。图2为冶炼开始后的炉气分析动态监控界面，图中上方的曲线为冶炼过程的脱碳速度、钢水碳含量、钢水温度和氧枪枪位，图中下方柱状图显示的为冶炼过程中辅料的加入质量和批次时间。在冶炼过程中，模型依据实时采集工艺参数的变化，不断更新计算结果并与目标要求进行对比，判断最佳的停吹时间。

(三)炉况预判

在冶炼过程中，模型根据冶炼过程中的反馈信息，动态监控氧枪运行参数，并计算熔池中吹氧的脱碳效率和炉渣的累计氧势，对炉况进行判断，当发现氧枪工作状态(包括氧枪进出水温度、温差等参数)、吹氧脱碳效率或炉渣氧势偏离正常冶炼范围，将会进行预警并调整枪位或加料方式。

(四)投弹检测和动态矫正

投弹检测可以在吹炼后期不停吹直接检测，检测后需使用动态矫正模型调整后期的吹氧量，并调整钢水的成分和温度预报参数。投弹检测也可以在一次停吹或者吹炼终点代替倒炉取样检测，一次停吹检测后可使用补吹模型进行点吹后进入冶炼终点。

在冶炼后期从投弹检测开始时刻(t1)到停吹时刻(t2)内，熔池碳含量的计算公式为：

式中， 为t2时刻转炉钢水中的碳质量分数，%； 为投弹检测的钢水碳质量分数，%；e为脱碳利用系数； 为脱碳速度，kg/s；Wsteel为钢水质量，kg。

熔池温度的计算公式为：

式中， 为投弹检测的钢水温度，℃；f为温度计算函数； 为t1到t2时间段的吹氧累计量，CO累计量和CO2累计量，kg； 为t1到t2时间段的石灰、轻烧、矿石和白云石累计量，kg。

四、应用效果

(一)运行情况。本系统采用的设备简单可靠，基本不需要人工维护，软件系统均为自主开发，实施炉气分析自动化炼钢以后，炼钢模式由原来的经验炼钢转化为数字化计算机炼钢，控制模型能自动按照转炉的冶炼周期进行在线监控、实时记录和提供冶炼方案，数据库系统能自动依据冶炼炉号储存所有过程参数和运行效果，并能在线自动生成工作报表和评估报告。

(二)远程监控和数据库访问。实施以上模型后，还可以实现炼钢自动化的远程实时监控，在网络范围内依据权限进行界面监控，同时可以利用远程数据库客户端访问模型在线和备份数据库，完成现场监控、历史记录查询和报表打印等任务。

(三)测试结果及分析。模型具有过程监控、炉况判断(主要包括喷溅和返干等不正常炉况的预判)和终点预报等功能，能实现不倒炉直接出钢。在测试阶段，主要对模型的终点预报功能进行了比较和测试。结果测试方案为:冶炼进程按照模型要求进行操作，在冶炼过程中预报钢水成分和温度，并指导停吹时间，停吹后，进行倒炉，倒炉后取双样和测双温与模型结果进行对比，测试了30炉数据。

测试结果如下：

1、在温度预报方面，模型预报与倒炉测温的误差在10℃以内，最大误差为9.5℃，最小误差为1.5℃，平均误差为4.8℃；需要说明的是投弹检测的温度一般比倒炉测温高5-8℃，主要原因是倒炉过程会有一定的温度损失。

2、在碳含量预报方面，对于终点碳含量小于0.2%以下的钢种，模型预报与倒炉取样结果的误差在±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%；对低碳钢(终点碳小于0.08%)系列，可不进行投弹矫正，在±0.02%的误差范围内，碳质量分数的命中率可以达到93%。

五、结论

(一)利用直插式气体分析仪、投弹检测和常规计算机网络系统建立了符合国内中小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，软件流程吻合实际工艺，能实现中小转炉的自动化炼钢全流程控制。

(二)本系统的温度预报误差可控制在10℃以内，最大误差为9. 5℃，最小误差为1.5℃，平均误差为4.8℃。

(三)对于终点碳含量小于0.2%以下的钢种，本系统的碳含量预报误差可控制在±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%。

(四)对低碳钢冶炼系列，在不进行投弹矫正的条件下，在±0.02%的误差范围内，碳质量分数的命中率也可以达到93%。