转炉炼钢氧枪枪位控制
摘 要：在整个炼钢过程中，氧枪枪位是一个非常重要的参数，它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。 关键词：枪位 造渣材料
一、前言
1.氧枪介绍
氧枪又称喷枪或吹氧管，是转炉吹氧设备中的关键部件，它由喷头（枪头）、枪身（枪体）和枪尾组成。转炉吹炼时，喷头必须保证氧气流股对熔池具有一定的冲击力和冲击面，使熔池中的各种反应快速而顺利的进行。
2.枪位对炼钢的重要性
在转炉炼钢整个炉役中，随着炼钢炉次的增加，炉衬由于受到侵蚀不断变薄，炉容不断增大，因此，每隔一定炉次对熔钢液面进行测定，根据装入制度(定深装入或定量装入)及测定结果确定氧枪高度，而在两次测定期间，氧枪高度保持不变。同时，在具体每一个炉次中，按照吹炼的初期、中期和末期设定若干不同高度［1］，而在每一时间段内，其高度是不变的。由于在转炉炼钢过程中要向炉内分期分批加入造渣剂、助熔剂(初期)等造渣材料和冷却剂(末期)，使炉内状况发生变化，相当于加入一个扰动，同时在不同阶段，渣的泡沫程度及粘度也不同，而目前的固定氧枪高度吹炼不能及时适应这些情况，从而使炉内的反应及退渣不能平稳地进行。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，因此要尽量避免溢渣和喷溅。另一方面，固定枪位的吹炼模式也无法适应铁水、废钢、造渣材料等化学成分变化引起反应状况的不同。针对转炉炼钢过程中固定枪位所存在的问题，我们采用模糊控制的方法使氧枪枪位根据炉内的具体情况进行连续调节，同时针对转炉炼钢是一炉一炉进行的，炉与炉之间既不完全相同又有联系的特点，采用自学习技术确定每一炉次氧枪的枪位，使转炉炼钢过程平稳进行，从而提高碳温命中率。 二、枪位控制
目前，转炉炼钢氧枪枪位一般是根据吹炼状况分段设定的［1］。
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在每一段中，枪位不再变化，如图1所示。在本文中，根据转炉炼钢的不同阶段采用不同的控制策略。在吹炼初期和中期，由于分批加入造渣材料和助熔剂，且渣高与声音具有明确的反比关系，因此采用模糊控制调节枪位。而在吹炼末期，则采用较低的固定枪位进行吹炼，以利于石灰进一步渣化，使脱碳反应按扩散进行，渣钢反应趋于平衡，炉内钢水成分和温度得以均匀。在初、中期的模糊控制中仍然采用这种分段设定的枪位作为基本设定，而在每一段中，根据炉况采用模糊控制对枪位进行自动调节，即u=u0+Δu，其中u为要控制的氧枪枪位，u0为每个阶段设定的基本枪位，Δu为对枪位的调整量。
1. 氧枪升降要求
为适应转炉吹炼工艺要求，在吹炼过程中，氧枪需要多次升降一调整枪位。转炉对氧枪升降机构提出了要求，应具有合适的升降速度并可以变速，并能保证氧枪升降平稳、控制灵活、操作安全。氧枪漏水等出现故障时能快速更换氧枪、结构简单便于维护。
2.声音测量枪位
在转炉炼钢过程中，由于吹入转炉的氧气(顶底复吹转炉还要在底部吹入氮气、二氧化碳、氩气等气体)的搅拌作用以及炉内发生的强烈氧化等反应，使得炼钢期间发出很强的声音，声音的大小与炉内状况有着明确的对应关系，声音的强度与炉渣高度成反比，尤其是在吹炼的初期和中期，这种关系更为准确［2］，因此可以通过测量声音准确了解炉内情况，以便更好地控制吹炼过程。测声仪的麦克风安
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装在位于炉口处的炉墙内，运行频率为180±22.5Hz 3.模糊子集及隶属函数的选取
将测得的声音的偏差及偏差变化率进行归一化，并选取声音的偏差SE及其变化率SC的模糊子集分别为
SE:｛NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB｝=｛Se-3,Se-2,Se-1,Se0,Se1,Se2,Se3｝＝｛Sei,i∈I=
［-3,-2,-1,0,1,2,3］｝
SC：｛NB，NS，ZE，PS，PB｝＝｛Sc-2,Sc-1,Sc0,Sc1,Sc2｝＝｛Scj，j∈J=［-2,-1,0,1,2］｝
偏差SE及其变化率SC的隶属函数选如图2所示的三角形隶属函数。
4.模糊推理
采用T-S确定性模糊推理，其推理规则为
if SE is Sei and SC is Scj then Δu is Δuij
其中Δuij为确定的函数或确定的实数，而非模糊集。设μAi(Se)和μBj(Sc)分别为偏差及偏差变化率的隶属函数，采用乘积求和推理方法，得模糊控制规则前提部分的真值为 fij=μAi(Se)μBj(Sc) (1)
从上述推理中得到的控制量Δuij为一个具有有限个点的离散模糊集。
Δu=｛fij/Δuij｜,i∈I,j∈J｝ (2)
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采用重心法解模糊，得
将(1)式代入(3)式得
在上式中，由于选择了图2所示的三角形隶属函数，不失一般性，对于任意一个点，只有两个模糊子集中的隶属度不为0，且隶属度之和为1(如果在两端，则只有一个模糊子集中的隶属度为1，属于其它模糊子集的隶属度为0)，因此分母中只有四项不为0，即有
故(4)式可简化为
根据转炉炼钢中声强与渣高成反比及操作工的经验，为使转炉炼钢稳定进行，防止发生喷溅及强烈火花，得到模糊控制规则如表1所示。在表中，Δuij为正意味着提枪，Δuij为负意味着降枪。
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5.量化因子的选取及自调整
采用模糊控制的氧枪枪位控制系统如图3所示(见下页)。由于在转炉炼钢过程中，每个阶段声音大小不同，基本枪位不同，因此声音的给定值S与一般恒值控制系统不同，它随着冶炼进程而不断变化。在吹炼初期，声音的给定值比较大，随着冶炼的进行，给定值逐渐减小，到吹炼中期和后期，声音的给定值基本不变，维持在一个较小的数值。为了适应这一情况，使得在整个冶炼过程中误差及其变化率都能比较均匀地归一化到［－1，1］的整个区间内，提高系统的控制精度，对量化因子进行调整。选误差SE的量化因子K1＝1／Se，误差变化率SC的量化因子K2＝1／Sc，其中Se和Sc分别为误差及误差变化率的基本论域，比例因子K3＝uh,uh为控制量即氧枪移动范围。由于声音误差范围随着给定值的变小而变小，因此在吹炼中后期为了提高控制能力，应加大误差的量化因子，否则就会使量化后的误差很难进入到较大的模糊子集内，无法实现有效的控制。因为S随着吹炼的进行逐渐减小，到一定阶段开始稳定，所以使K1＝1／Se=1／S，从而实现了对误差量化因子的自调整。由于给定的声音大小及基本枪位对声音误差变化率影响不大，故在整个吹炼过程中不改变K2的大小。对于比例因子K3，为了适应K1变化对模糊控制输出的影响，使得在同样的声音误差情况下，不因K1的增大而使氧枪移动过大，因此比例因子K3应随着K1的增大而减小，故使K3＝uh＝K0S，其中K0为系数，根据本炉次枪位设定值及给定的声音最大值确定。比例因子及量化因子经过上述的臊调整，使得在吹炼中后期对声音误差的灵敏度增加，提高了控制精度。
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