基于爐口火焰信息的轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

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1、冶金之家網(wǎng)站基于爐口火焰信息的轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)何濤燾，田陸，文華北，劉卓明，馮正金，周存波(湖南鐳目科技有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100)摘要：設(shè)計(jì)了一種通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐爐口火焰光強(qiáng)和圖像信息的分析，在線實(shí)時(shí)判斷和控制轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)溫度和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括光強(qiáng)采集模塊、圖像采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及控制軟件?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明：爐口光強(qiáng)及圖像在吹煉終點(diǎn)存在顯著的變化規(guī)律;本系統(tǒng)用于終點(diǎn)判斷和控制準(zhǔn)確有效。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐煉鋼;火焰信息;終點(diǎn)預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)爐煉鋼是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，轉(zhuǎn)爐吹煉的終點(diǎn)控制是轉(zhuǎn)爐吹煉末期的重要操作，通?？偸潜M可能提前讓磷、硫去除到終點(diǎn)所要求的范圍內(nèi)

2、，故終點(diǎn)控制簡(jiǎn)要為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的控制[1-2]。目前在中國(guó)中小轉(zhuǎn)爐采用的人工經(jīng)驗(yàn)控制和傳統(tǒng)的靜態(tài)模型很難達(dá)到要求的控制精度。而隨著人們對(duì)鋼的質(zhì)量要求的提高，勢(shì)必要求采用有效的控制技術(shù)以提高轉(zhuǎn)爐冶煉水平[3-4]。目前，日本和歐美一些大型工廠在靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，輔以副槍、爐氣分析、光學(xué)探頭和爐渣在線檢測(cè)等手段，成功地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐全程動(dòng)態(tài)控制自動(dòng)化煉鋼[5-6]。然而，化學(xué)分析法的測(cè)量時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足冶煉過(guò)程控制的實(shí)時(shí)性要求，且在取樣時(shí)存在噴濺的事故。副槍法終點(diǎn)命中率高，但價(jià)格昂貴，同時(shí)探頭屬于消耗品，不能連續(xù)獲取吹煉信息，對(duì)爐容要求高，一般只適合于100t以上轉(zhuǎn)爐

3、。爐氣分析法所用的質(zhì)譜儀分析較高的終點(diǎn)命中率，過(guò)程控制能力強(qiáng)，但對(duì)生產(chǎn)冶煉標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格、價(jià)格昂貴、設(shè)備維護(hù)困難。在轉(zhuǎn)爐煉鋼中，轉(zhuǎn)爐爐口火焰提供了鐵水在轉(zhuǎn)爐中的狀態(tài)信息。工人可以通過(guò)火焰來(lái)推斷鋼水的溫度和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此針對(duì)上述問(wèn)題，并結(jié)合人工看火的經(jīng)驗(yàn)信息，開(kāi)發(fā)了Ramon火焰信息轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。1系統(tǒng)原理與組成本系統(tǒng)利用光電技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，避開(kāi)復(fù)雜機(jī)制建模的困難，把轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過(guò)程視為一個(gè)“黑箱”系統(tǒng)，直接研究系統(tǒng)的輸出量，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐爐口火焰溫度、光強(qiáng)以及圖像紋理特征的提取與選擇，研究分析特征變量與吹煉終點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)做出

4、實(shí)時(shí)在線的判斷。本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：火焰信息采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、操作控制模塊、用戶等部分組成，基本組成如圖1所示。1.1碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)報(bào)原理在轉(zhuǎn)爐煉鋼中爐口火焰的長(zhǎng)短和強(qiáng)弱以及爐口火花的多少是鋼水碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的一個(gè)重要判斷依據(jù)。在吹煉的各個(gè)階段碳氧反應(yīng)有不同的特點(diǎn)，大致為初期由于氧和其他雜質(zhì)燃燒反應(yīng)平緩煙塵多、冶金之家網(wǎng)站中期由于氧氣和一氧化碳的燃燒反應(yīng)劇烈、末期由于碳含量較少反應(yīng)平緩柔和[7]。與此同時(shí)爐口火焰無(wú)論是光強(qiáng)還是圖像都會(huì)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性變化。特別在吹煉的末期由于碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少這種規(guī)律性的變化會(huì)變得非常明顯。圖2為在轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)時(shí)，利用

5、本系統(tǒng)對(duì)一爐次冶煉(約13min)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集所獲取的火焰光強(qiáng)特征信息。從圖中可以看出：隨著轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程的進(jìn)行，光強(qiáng)特征強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)接近終點(diǎn)時(shí)，采集的特征曲線會(huì)急劇下降，這與吹煉各個(gè)階段碳氧反應(yīng)規(guī)律是一致的。轉(zhuǎn)爐火焰光強(qiáng)度的變化為吹煉后期判斷轉(zhuǎn)爐碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要依據(jù)。1.2溫度預(yù)報(bào)原理轉(zhuǎn)爐爐口噴射出來(lái)的火焰溫度是由2部分混合組成的。一部分是從鋼水中逸出的CO氣體所具有的溫度，此溫度實(shí)際反映了鋼水溫度。另一部分是CO氣體在爐口與氧進(jìn)行完全燃燒后放出的化學(xué)熱，使火焰溫度升高[8]。本系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)爐冶煉數(shù)據(jù)建立動(dòng)態(tài)溫度模型，實(shí)時(shí)測(cè)量火焰的溫度對(duì)測(cè)溫模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整

6、，達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)報(bào)鋼水溫度。測(cè)定火焰溫度方面，采用光強(qiáng)和圖像測(cè)溫相結(jié)合的方式進(jìn)行，確保溫度測(cè)量的準(zhǔn)確。在高頻低溫的情況下，普朗克黑體輻射定理可以由維恩定理近似，黑體的輻射功率為：其中：C1=3.7418×10-16W·m2，為第一輻射常數(shù)C2=1.4388×10-2W·m2為第二輻射常數(shù)。在某特定波長(zhǎng)下，單色輻照度為：冶金之家網(wǎng)站其中：ελ為單色發(fā)射率。黑體在不同波長(zhǎng)下單色發(fā)射率都相同，如果在波長(zhǎng)λ1和λ2下測(cè)得同一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度，則根據(jù)輻射強(qiáng)度之比可以求出物體溫度：在利用火焰圖像進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，通過(guò)CCD采集得到彩色圖片，按照紅色(R)綠色(G)和藍(lán)色(B)3個(gè)顏色通

7、道存貯[6]。單個(gè)顏色通道采集值正比例于單色輻照度，有：其中：KR、KG、KB分別為3個(gè)顏色通道的響應(yīng)系數(shù)。這樣把(4)式代入(3)式，可得：式中：T為通過(guò)R、G兩個(gè)顏色通道計(jì)算得到的溫度值，δ1為單色發(fā)射率，εR、εG為響應(yīng)系數(shù)KR、KG等共同作用的常數(shù)，波長(zhǎng)采用CIE-RGB系統(tǒng)規(guī)范，R為波長(zhǎng)為700.0nm，G波長(zhǎng)為546.1nm，B波長(zhǎng)為435.8nm。2現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用本系統(tǒng)距離轉(zhuǎn)爐10～20m，整體上是獨(dú)立的，在安裝、調(diào)試和檢測(cè)過(guò)程中都不會(huì)影響轉(zhuǎn)爐的正常生產(chǎn)，在某鋼廠的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖3所示。2.1碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)預(yù)報(bào)在某鋼廠試用結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程進(jìn)行實(shí)

8、時(shí)全程監(jiān)控