转炉人工智能静态模型与自动加料系统的开发

       1  转炉静态控制数学模型的开发
　　静态控制是转炉动态控制的基础，其控制精度直接影响到动态控制的效果。目前普遍采用的静态模型有3种，即理论模型、统计模型和增量模型，3种模型各有特点，理论模型从炼钢反应的原理出发，根据冶金反应过程的物料平衡和能量平衡建立吹炼过程的冷却剂方程和氧耗方程，计算出为达到终点目标碳含量和温度所需的冷却剂加入量和耗氧量及各种造渣剂的加入量。理论模型是炼钢过程自动控制的基础，但由于吹炼过程中各种随机因素对吹炼终点结果会产生很大的影响，这些随机因素很难用数学方程进行准确的描述，因此理论模型与实际情况往往存在很大的偏差，目前已很少单独使用，而是与其他模型结合使用。统计模型是根据对大量生产实验数据进行统计分析，建立经验和半经验型的统计方程。统计模型具有很强的针对性，能够描述某一具体钢厂或者转炉在某一段时期内的反应变化规律，但对临时性变化因素很难及时作出反应，而且模型通用性很差。增量模型是目前应用最广泛的转炉静态控制模型，但增量模型中的系数主要是根据理论计算或统计分析方法或经验确定的，而且一旦系数确定，模型在使用过程中很难再进行修改，使得增量模型也存在一定的误差。
       经过对3种静态模型的分析对比，决定以增量模型为基础，建立转炉吹炼过程静态控制模型。由于常规增量模型克服了由于原材料波动、计量误差、炉容变化等对模型计算结果造成的影响，较好地解决了转炉生产过程中连续变化因素对冶炼结果可能造成的影响，但对实际炼钢生产过程中可能出现的各种随机变化和突发性变化因素的处理能力却不够，如生产过程中补炉情况的变化、生产班次的变换、造渣剂的批量改变时可能会造成本炉和上炉之间冶炼过程和终点情况差别很大，此时如果采用常规增量模型将会造成较大的计算误差，使得本炉终点控制与目标值偏离较远。
　　为了克服常规增量模型的不足，提出通过改进参考炉选取方法，提高增量模型对冶炼过程中可能出现的随机变化因素的适应能力和处理能力，增强增量模型的容错能力，提高增量模型的控制精度。
　　同时，由于生产过程中存在一些难以用准确的数学方程进行描述的复杂影响因素如炉龄的变化、枪龄的变化、空炉时间的变化等，这些因素的变化将会影响到吹炼过程和吹炼结果，但静态模型很难对这些因素进行处理，造成了静态模型的计算误差。静态模型在使用过程中存在的另外一个问题是：一旦静态模型投入使用，很难在线对模型参数进行修改和调整，即模型只能进行短期的在线学习，但对使用过程可能发生的系统因素的变化如废钢种类的改变、造渣剂的改变等，常规模型却不能进行及时的调整和修改，以适应新的条件。上述缺陷由于是常规静态模型自身所固有的，所以在常规静态模型中很难解决。为了解决上述问题，探索将人工神经网络技术应用到转炉炼钢控制中，与常规静态模型相结合，开发人工智能静态控制模型，以克服常规静态模型的不足，进一步提高静态模型的控制精度和终点碳温命中率。
　　1．1  常规增量模型
　　利用增量模型可以建立吹炼过程冷却剂方程和氧耗方程，计算出为满足本炉吹炼终点碳含量和温度要求所需的冷却剂加入量和吹氧量。
　　(1)冷却剂方程。为了达到本炉目标终点温度所需的冷却剂加入量，可根据参考炉冷却能及本炉与参考炉所需冷却能之差计算。
　　(2)氧耗方程。为了达到本炉终点目标碳含量所需的吹氧量可根据参考炉的耗氧量及本炉与参考炉氧耗之差计算。
　　1．2  增量模型的改进
　　常规增量模型的参考炉选取办法是选取本炉的上一炉或上两炉。这种方法在正常吹炼情况下是比较合理的，但是当生产过程中发生随机因素变化时，可能会使该方法产生较大的计算误差。为了克服常规增量模型的不足，本设计对常规增量模型进行了改进，提出了一种新的参考炉选取方法。
　　提出的改进参考炉选取方法是选取两类参考炉。一类参考炉是与本炉冶炼时间最接近的炉次，即常规增量模型的参考炉选取方法。另一类参考炉为标准参考炉，选取与本炉冶炼条件相接近的炉次，包括冶炼钢种、原料条件、铁水温度等与本炉相接近的炉次作为本炉的参考炉。通过采用选取两类参考炉进行加权平均，提高增量模型对随机变化因素的适应能力和处理能力。
　　对参考炉的选取采取下面3条原则：
　　(1)两类参考炉都应选取吹炼情况正常的炉次，即选用的参考炉在吹炼过程中不应发生较大喷溅；
　　(2)普通参考炉选取与本炉吹炼时间最接近的炉次；
　　(3)标准参考炉选取铁水和造渣剂等初始原料条件以及冶炼终点要求等与本炉接近的炉次。
　　根据上述原则，本文对参考炉的选取采用了如下方法：每炉采用3个参考炉，1个为标准参考炉，另外两个为普通参考炉。
　　普通参考炉的选取方法是：选取吹炼情况正常，吹炼过程没有大喷等异常现象发生的本炉前面两炉作为参考炉。如果本炉冶炼情况正常，模型将自动作为下一炉的参考炉，否则不做替换。
　　标准参考炉的选取方法是：对相同的冶炼钢种，将铁水温度和废钢装入量分为5～8个级别，每个级别存储一个标准参考炉。铁水温度和废钢装入量的级别划分根据实际情况确定，如铁水温度可按20～30℃划分为一个级别，废钢装入量可按废钢总装入量的20％划分为一个级别。标准参考炉必须是吹炼终点碳温同时合格，而且吹炼过程没有发生大喷等异常现象的炉次。不同的冶炼钢种分别存储各自的标准参考炉。标准参考炉在每炉吹炼结束时由程序自动进行判断和更新，保证为最新炉次。
　　模型对3个参考炉进行加权平均处理，根据每个参考炉的初始条件与本炉的差值大小决定其加权系数。
　　1．3  造渣剂加入量计算
　　吹炼过程造渣剂加入量和炉渣量的计算如下：
　　(1)石灰加入量计算；
　　(2)镁球加入量计算；
　　(3)萤石加入量计算；
　　(4)炉渣量计算。
　　根据上面可计算出为达到本炉吹炼终点碳温目标值所需的吹氧量、冷却剂加入量和各种造渣剂加入量。