基于声强的转炉氧枪枪位控制专家系统

［摘 要］针对转炉吹炼过程氧枪枪位控制，利用炉口噪声强度与炉内炉渣厚度之间的关系，建立氧枪枪位专家系统，以实现在氧枪操作时，防止喷溅及返干现象的发生，从而优化氧枪吹炼过程。仿真分析表明，该系统可平稳操作氧枪，抑制喷溅及返干效果较好，为转炉吹炼过程氧枪控制提供了一个有效的方法。 ［关键词］转炉；专家系统；氧枪枪位控制；声强 0 引言 吹氧造渣过程是氧气顶吹转炉的关键工艺之一，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。氧枪枪位控制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。吹炼过程是一个复杂的化学反应，其模型也是非线性的，不同的转炉之间有着很大的差异，很难用一个准确的模型来描述，传统的控制方法使用固定枪位控制在氧气顶吹转炉中应用效果并不十分理想。 本文提出了基于声强的氧枪枪位控制的专家系统，通过对转炉造渣过程和炉口噪声关系进行分析，以检测到的炉口噪声声强来作为专家系统判断依据，建立了一个应用于转炉氧枪枪位控制的专家系统，仿真分析表明该系统可以实现氧枪枪位的自动控制。 1 氧枪枪位控制 在转炉的吹炼过程中，炉渣的泡沫化程度和喷溅或返干有着密切关系，也是吹炼成功与否的关键。控制泡沫化程度就要控制FeO的含量，而FeO的含量与氧枪枪位又有着密切的关系。氧枪位置较低时，由于炉内原料反应剧烈，FeO的消耗速度要快于产生速度，造成炉渣熔点升高，炉渣量减少，氧气流直接冲击钢水液面，造成返干；当枪位较高时，由于氧气在炉渣内的行程增加，FeO生成量增加，炉渣量增加，炉渣表面张力降低，气泡的寿命增加，就有可能导致炉渣的喷溅。吹炼时噪声强度的变化可以反映炉内泡沫渣厚度和脱磷速度，通过取声装置检测炉口附近的某一特定频段的氧气流股及其冲击熔池的噪声强度，利用噪声同脱磷反应及造渣等关键工艺的关系，指导氧枪的调整，实现对转炉造渣过程的监控。 转炉炉口测得的噪声强度与炉内炉渣厚度之间的关系随着氧枪的枪位不同而有明显的不同。 （1）暴露吹炼。在冶炼初期，炉渣还没有形成，氧气气流直接冲击在钢水表面发出比较尖锐的声音。取声点噪声由氧气流股产生直接传来的和在炉膛内壁反复反射和吸收后形成一个具有特征频率范围的噪音场相混合而成。 （2）淹没吹炼。在转炉吹炼的中期和后期，由于泡沫渣的生成，使得炉渣的厚度增加，炉渣淹没氧枪喷口，形成淹没吹炼。由于泡沫渣的存在，实际p点的声强（见图1）应该为穿过泡沫渣以后的声强。 图1给出了吹炼中氧枪的示意图。在噪声、枪位与泡沫渣厚度之间关系如下： 101nI／I0=α（L－H） （1） 式中，I0为在没有泡沫渣存在时p点的声强；I为有泡沫渣情况下氧枪喷口直达p点的声强；α为有渣时的吸声系数；L为泡沫渣高度；H为氧枪枪位。 当枪位变化不大时，这种噪音的大小就反映了泡沫渣的厚度或者是炉渣面的高低。但是，当枪位H变化过大时，尤其当氧枪喷口处于泡沫渣表面时，氧枪反复处于淹没吹炼和暴露吹炼的临界点处，噪声强度的变化便不再能准确反映泡沫渣厚度的变化了。因此，要通过声强来控制好转炉的吹炼必须要保持转炉吹炼的平稳。 声强曲线值的大小同脱磷率存在对应关系。当声强曲线上某一瞬间的声强值在最佳化渣区内时，脱磷率就大；而当声强值在返干区时，该瞬时的脱磷率则小，甚至为零。由试验数据所得的回归方程如下： 式中，P为含磷量；τ为时间；Z为乳化渣层在炉内的高度；R为回归系数。Z愈大则脱磷速度愈大，乳化反应愈充分。所以，通过检测到的声强值可以反映泡沫渣的情况。声强值大，说明化渣不好，有返干趋势；声强值小，说明化渣好，但应控制不要喷溅。可见，操作中枪位对炉渣泡沫化程度的影响，可在声强曲线上反映出；同样，也可以利用声强曲线来控制枪位操作。 生产过程中氧气流股的声音及流股冲击熔池的声音频谱占主要地位。采集噪声，利用上面分析出的噪声同氧枪及脱磷的关系可得出氧枪的最佳控制方案。 2 基于声强的氧枪枪位专家系统 为了更好地利用声强信息来控制氧枪枪位，调节生产过程，特提出了基于声强的氧枪枪位专家控制系统。该专家系统包括3种主要环境：知识系统、开发环境和操作环境。知识系统是包含并能灵活应用所有专家知识的系统；开发环境包括开发专家系统所需的必要软件工具；操作环境即与外部进行交流的软件和硬件。其中知识系统是专家系统核心所在。它由知识库、推理机和用户界面3个主要部分组成，氧枪枪位专家系统结构如图2所示。 对于氧枪枪位控制来说，氧枪枪位的知识基本上都是基于规则的，形式都如“如果要发生喷溅那么降低枪位”的描述，最理想的描述方式就是采用产生式表示法。根据前述的转炉噪声理论，将专家系统和现有转炉自动控制系统相结合，组成转炉氧枪枪位控制专家系统，指导调整氧枪高度。 氧枪枪位专家系统知识库是利用氧气流股及其冲击溶池的噪声强度同生产的关系制定的。知识库中至少要保证具有吹炼工艺、炉况判断、喷溅预警、返干预警和最佳化渣区等知识。而这些内容都同声强之间存在着密切联系，知识库内的知识主要都是储备的噪声强度同各工艺状况之间的关系。 知识库中记录了不同钢种、不同成分铁水冶炼时的枪位操作工艺。通过记录转炉工作过程中，转炉炉口噪声声强的变化趋势，为专家系统提供由吹炼第1阶段转化到第2阶段的判断方法和在脱碳过程中氧枪短时间反复处于淹没吹炼和暴露吹炼状态的判断方法。在生产中记录发生喷溅时炉口噪声的最小值和发生返干时噪声的最大值，为在吹炼过程中防止喷溅和返干控制提供方法。为得到较高的优化吹炼过程，脱磷速度，通过声强状态来调整氧枪位置以保证脱碳以及脱磷的快速进行，保证枪位在一个比较合适的位置。 推理时，采用领域专家思考方法及事件同规则匹配的推理策略，这样的推理机方式能将本系统所采用的产生式表示结构知识库中的知识灵活运用。对于氧枪枪位专家系统而言，首先要考虑防止喷溅和返干，在不发生喷溅和返干的基础上，将枪位控制在最佳化渣曲线附近。如果发生不良现象，使用相应的知识库进行处理，即通过判断事件同规则知识的匹配度来对氧枪动作进行调整。 系统人机界面通过网络进行数据交换，方便用户输入数据，监视转炉氧枪控制过程且能够通过现场设备采集数据，实现知识获取功能，方便推理机进行识别。 3 系统功能仿真测试 使用2003年从某国营大型钢厂获取的现场数据，建立了氧枪枪位专家系统知识库，并通过建立的仿真系统，对即将发生喷溅的情况及对于氧枪枪位控制效果进行仿真分析。喷溅预警测试仿真曲线如图3所示，氧枪枪位控制仿真曲线如图4所示。 从图3中可以看出，专家系统在对比现场声强和知识库中的记录以后，得出即将发生喷溅的结论，专家系统根据氧枪枪位指导知识库中的知识，降低枪位，使枪位达到下限并一直维持最低枪位，以此来消除发生喷溅的可能。 1—声强；2—氧枪枪位 图4 氧枪枪位控制仿真图 Fig 4 Figure of the lance height control system simulation 1—声强；2—氧枪枪位 从图4可以看出，由于选用的数据在经过初期的化渣区以后由专家系统开始进行枪位控制，4min垢炉渣偏干，枪位及时提高，以增加炉渣中FeO的含量，提高炉渣的流动性，使得返干趋势得以缓解。在化渣良好以后，声强曲线有向喷溅曲线移动的趋势，专家系统将枪位降低，以防止喷溅的发生，喷溅趋势得到抑制以后，系统在最佳化渣曲线附近调整氧枪枪位，使得氧枪操作平稳进行。 从系统对声强曲线的反应过程中可以看出操作过程与工人操作思路基本吻合，说明拥有专业知识库的专家系统可以具有这一领域方面的专家的部分推理能力。 4 结论 利用炉口噪声与炉内炉渣厚度的关系，建立了基于声强的转炉氧枪枪位专家控制系统，实现了对吹炼过程的控制，将专家系统与现有转炉自动控制系统相结合，专家系统决策结果直接对现场进行控制。仿真分析表明，转炉氧枪枪位专家控制系统能够模仿操作工的思维方式，进行氧枪操作，达到防止喷溅和返干的发生及优化吹炼过程的目的。