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转炉合金最小成本控制模型


控制理论应用

转炉合金最小成本控制模型
黄可为 ,杜   斌
( 上海宝钢研究院 自动化研究所 ,上海 201900 ) [ 摘   ]介绍了基于合金最小成本的转炉炼钢钢水成分调整模型并应用于宝钢炼钢在线生产控制的情况 。模 要

型给出了在满足目标成分等工艺要求下 ,成本最小的合金投入组合及合金投入量 ; 计算了合金

加入钢包后引起 钢水温度 、 重量等的变化 ,为降低生产成本 ( 合金投入) 、 提高出钢成分控制精度提供了有效的途径 。
[ 关键词 ] 转炉 ; 合金 ; 模型 ; 最小成本 [ 中图分类号 ]TF71  [ 文献标识码 ]A  [ 文章编号 ]100027059 (2003) 0220011203 Key words :LD converter ;ferroalloy ;model ;minimum cost HUANG Ke2wei ,DU Bin

LD converter alloy minimum cost control model

(Automation Research Institute ,Shanghai Baosteel Research Institute ,Shanghai 201900 ,China)

Abstract :The molten steel composition adjustment model for LD converter based on minimum alloy cost is designed and applied present the feeded alloy combinations and additions on the principle of minimum cost. Variations of temperature and weight of prove liquid steel composition control accuracy. to on2line control of steelmaking process in Baosteel. In the case of meeting the demand of target composition , the model can

1  问题的提出

从 1995 年以来 ,宝钢开始自主开发转炉模型 。 目前 ,一部分模型已应用于转炉炼钢过程控制 , 其 中一些模型已达到或超过国际水平 。如基于知识 库及神经元网络的转炉动态碳 、 温推定模型 , 碳 、 温双命中率达 90 % 以上 。 在转炉炼钢生产过程中 , 吹炼结束之后出钢 时 ,按不同的钢种要求需要添加合金对钢水成分 进行调整 , 以便使冶炼的钢水达到钢种要求的目 标成分 。由于每种合金由几种不同的元素组成 , 同时存在多个目标元素成分要求和多种可投入的 合金原料 ,因此 ,为了精确地实现成分目标要求和 合金成本最小 ,需要进行复杂的数学计算 。此外 , 在实际操作中 ,由于各种条件的限制 , 需要根据实 际的生产情况设定特定的合金投入量 。在此条件 下 ,如何计算投入合金后 , 钢水成分 、 温度等的变 化量 ,预报钢水元素成分 、 温度下降 、 冶炼合金投
[ 收稿日期 ]2002204201 ; [ 修改稿收到日期 ]2002207209

冶金自动化   2003 年第 2 期

[ 作者简介 ] 黄可为 (19642) ,男 ,湖北大冶人 ,高级工程师 ,硕士 ,主要从事计算机系统技术及建模与控制技术工作 。

molten steel with alloy feeding have been calculated. At last , an effective way is proposed to reduce production cost and im2

入总成本 、 铁水增重等 , 以指导操作者的操作 , 具 有特别的实际意义 。 为解决上述合金投料问题 , 宝钢一炼钢转炉 合金模型一开始是从国外引进 , 但由于各种条件 所限制 ,合金模型应用并不十分理想 , 其主要的缺 点表现在 : ① 不能算出成本最小合金投入量 , 特别不能 适应合金价格的变化情况 ; ② 合金品种不易改变 ; ③ 没有考虑 P 、 等元素 ; S ④ 没有考虑合金温度下降问题 ; ⑤ 不能设定个别合金投入量 ; ⑥ 不能进行多种元素合金的最优选择 。 针对此问题 , 在自行开发宝钢二炼钢转炉合 金最小成本模型的基础上 , 通过广泛吸取冶炼专 家特别是合金操作工的经验 , 开发了在实用性 、 通 用性 、 算法 、 移植等方面处于国内领先水平的合金

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最小成本控制系统 ,并引入成分预报模型 , 从而大 大增强了其实用功能 。该模型于 2000 年底在宝钢 一炼钢投入在线运行 , 运行结果表明 , 模型达到预 想的目标 。炼钢合金最小成本控制系统不仅能应 用于小型计算机作为过程机的控制系统 , 而且可 运行于通用 PC 机上 ,使得过程控制模型运行在低 成本的微机上成为可能 。在设计模型系统软件时 考虑了其灵活性和规范性 , 使其不仅可以用于现 代化的冶金企业 , 也可以用于缺乏庞大自动控制 系统的中小企业 。
cj 为合金 A j 的单价 ; a ij为合金 A j 中元素 E i 的含有率 ; bi 为元素 E i 的需要量 ;

min C 为合金投入的最小成本 。

模型算法中 , 特别地考虑了加入合金后的重 量对目标出钢量的影响 ,提高了模型的计算精度 。
2. 3   合金元素收得率的确定

准确判断和控制元素的收得率 , 是提高钢水 成分调整的关键 。合金元素的收得率受多种因素 的影响 ,主要取决于钢水含氧量 、 终渣氧化性 、 元 素本身与氧亲合力的强弱 、 元素间的相互作用等 。 此外 ,合金的块度 、 比重 、 加入时间和地点 、 加入次 序等也都对元素收得率有一定影响 。由于影响合 金收得率因素相当复杂 , 具有很强的非线性 , 一般 使用统计方法进行统计分析 , 或进行在线学习控 制 。对此 ,在合金计算模型中 ,灵活地给出 3 种合 金元素收得率 : 标准收得率 、 学习收得率 、 设定收 得率 。模型提供了操作工合金元素经验收得率的 在线维护 。一旦确定了合金元素的收得率 , 则可 计算出相应高合金综合收得率 。模型在实际计算 时对合金元素收得率的取值 , 既可由操作工干预 , 也可由模型依据一定的准则自动选取 。
2. 4   加入合金后对钢水重量的影响

2  合金最小成本控制模型设计
211   模型主要功能 min C = ∑cj Xj
j=1 n

(1) 数据收集与预处理  收集与合金模型计

算有关的一些数据并作相应的处理 , 包括转炉实 绩数据 、 出钢计划 、 制造标准等 。 (2) 模型基本数据维护  对合金模型计算有 关的基本数据 , 如合金品位表 、 元素收得率 、 标准 合金投入组合等的维护 , 包括增加 、 修改 、 删除等 操作 。 (3) 合金最小成本计算  计算成本最小的投 入合金组合及相应的投入量 。 (4) 温降等预报  按照设定的各合金投入量 来预报添加合金后合金投入总成本 、 钢水温降 、 钢 水增重 。 2. 2   模型算法原理 合金模型解决的主要问题是在炼钢过程中 , 为满足出钢时各元素成分要求 , 决定在各限制条 件下实现最小成本时各合金投入量 。模型的核心 算法可归结于线性规划问题 , 算法采用成熟的单 纯型法 ,并加入了整数规划功能 , 适用于无精确投 料称量装置等情况下 , 投料最小单位可能影响投 料精度的情形 ,并且投料单位可任意确定 , 从而也 解决了整包投料问题 。此外 , 模型考虑了添加的 合金料重量对于原钢水重量的影响和合金收得率 的问题 ,提高了模型的计算精度 。 合金最小成本模型核心算法如下式所描述 :

在计算投入合金料后钢水所增加的重量时 , 要考虑合金的收得率 。设在钢水中投入合金 A1 ,
A2 …,A n 后 , 钢水增重的计算公式为
n

ΔW = ∑Qj ×Y (j k)
j=1

Δ 式中   W 为合金投入后钢水增加的重量 , kg ;
Yj
( k)

为合金 A j 的综合收得率 ;

Qj 为合金 A j 的实际投入量 , kg 。

根据上述计算公式 ,当合金 A j 的综合收得率 分别取标准收得率 ( k = 1) 、 学习收得率 ( k = 2) 、 设 定收得率 ( k = 3 ) 时 , 则得到对应不同收得率的钢 水增重值 。
2. 5   加入合金后对温度的影响

钢水中加入合金后 , 首先发生加热升温相变 过程 ,这是一个物理吸热过程 。之后 , 合金中的元 素溶于钢水 ,某些元素与钢水中的元素发生反应 , 这是一个化学过程 , 视不同的合金产生吸热或放 热 。由于追加的合金以不同程度同钢水中的游离 氧发生了反应 ,对钢水温度的影响程度差别很大 。 ① 合金比热系数的计算
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s. t .

a11 X1 + a12 X2 + …+ a1 n X n = b1 a21 X1 + a22 X2 + …+ a2 n X n = b2



am1 X1 + am2 X2 + …+ amn X n = bm

式中  Xj 为合金 A j 的投入量 ; ?12 ?

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由于合金加入钢水后 ,会经历升温、 相变、 溶解 及与钢水中元素反应的过程 ,计算时可看成是合金 中的每一个单质元素的变化 ,所以先求出每一个单 质元素的物理热和化学热 , 然后按合金成分折合 成合金的物理热和化学热 ,从而计算出合金 A j 的 比热系数β ( 合金中各单质元素的物理热和化学热 j 的计算 , 可参考文献 [ 1 ] 中的有关数据 , 在计算单 质元素的化学热时 , 要考虑合金的收得率) 。 ② 钢水温度变化值的计算 合金加入钢水后由下式计算钢水温度的变化 值Δ T : Δ T = ∑Qj × j / W β
j=1 n

的易用性和可维护性 。 3. 1   模型数据接口设计 对模型中要使用到的模型参数 , 如合金中各 元素成分的含量 、 、 价格 比热系数 、 元素分析值 、 元 素收得率等 ,分别创建相应的数据文件表来保存 。 模型用到的数据文件有 : 模型常数表 、 合金品位 表、 标准收得率 、 学习收得率 、 合金模型输入 、 元素 初始成分等 。模型所需的计算参数 ( 模型输入数 据) 由模型数据预处理系统负责收集 、 处理并写入 模型输入文件 。 3. 2   系统操作界面设计 系统操作界面是用户与模型系统的接口 , 友 好的操作界面 , 是提高模型实用性的重要保证 。 合金模型的主要操作画面有 : ( 1) 合金模型计算主画面 ; ( 2) 元素成分预报主画面 ; ( 3) 模型用基本数据维护画面 ; ( 4) 标准合金投入组合维护画面 ; ( 5) 合金品位表维护画面 。 通过操作界面 ,用户可进行系统参数设定 、 模 型计算请求 、 系统监控 、 模型计算结果显示等 。图
1 所示的转炉合金计算模型操作主画面 , 是基于 INTEL/ WINDOWS 平台的微机版 ,使用 Microsoft VB 5. 0 进行开发的 ,使得操作界面相当友好 。

式中  W 为补加合金前钢水量 , kg 。

3  系统设计与实现
为便于模型的改进 、 推广及应用 , 我们开发了 过程机版及微机版 , 两版本的模型核心算法及模 型接口都一样 。模型的改进 、 仿真测试等在微机 板上进行 , 达到理想的效果后再移植到过程机版 进行在线控制 。过程机版的开发平台是基于 DEC
ALPHA/ OPEN VMS ; 微机版的开发平台是基于 IN2 TEL/ WINDOWS 。其模型核心模块用 C 语言编写 ,

模型操作接口则使用 Microsoft VB 5. 0 进行开发 , 最终使得操作界面相当友好 , 极大地提高了系统

图1  转炉合金计算模型操作主画面

( 下转第 34 页)

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具有前馈控制的热连轧机板材飞剪

312   前馈控制原理
( 上接第 13 页)

带前馈控制的飞剪控制原理框图如图 4 所 示。

应达到的剪刃位置 、 应达到的剪刃线速度及应具 有的加速电流 , 并将这些量直接叠加在三环控制 系统每一相应调节器的输入端 , 形成前馈控制 , 进 行连续调节修正 。 在位置 、 、 速度 电流 3 个闭环的输入端由计算 模型得出的前馈叠加量 , 起到了类似给定的作用 。 其计算信号的来源取自运动中的带钢 , 带钢的速 度和位置变化通过前馈模型的计算实时控制着剪 刃的速度和位置 。做到了对剪刃和带钢被剪切点 的实时随动跟踪 , 最终的控制目标是剪刃在要求 的剪切点 ,以要求的超前线速度在带钢的头部 ( 或 尾部) 进行无差剪切 。 这种控制原理的最明显优点是依据带钢状态 对剪刃在剪切过程中进行的连续控制和修正 , 使 得剪切长度不受带钢速度变化影响 。对于带钢在 辊道上不可避免的打滑和剪切期间带钢的加 、 减 速变化均可实时调节进行无差控制 , 从而保证了 很高的剪切控制精度 。

图4  飞剪前馈控制系统框图

图 4 中的 WT、 、 分别指位置调节器 、 ST LT 速度 调节器 、 电流调节器 。如果没有 3 个前馈计算模 型参与控制 ,它就是一个标准三环位置调节系统 。 此飞剪系统在飞剪前安装一个下压式气动测 量辊 ,用脉冲码盘实时检测带钢前进的速度和走 过的距离 。同时 , 飞剪前也安装有多个热金属检 测器 ,用于控制测量辊的升降动作及检测带钢头 部 ( 或尾部) 的到来 。飞剪电机上亦安装脉冲码盘 用于实时测量剪刃的位置和线速度 。 进入剪切控制区后 , 直至剪切完成前 , 测量辊 一直在实时检测带钢的线速度和带钢的行程 。依 据测得的带钢实际线速度 、 测得的头部 ( 或尾部 ) 实际位置 、 设定的切头 ( 或切尾) 长度 、 设定的超前 ( 或滞后) 系数 、 测得的剪刃实际速度和位置 , 用计 算 模型连续计算整个剪切过程中飞剪在每一瞬间

4  现场应用结果
2000 年 10 月在太钢 1 549 mm 热连轧机新飞

剪控制系统中采用前馈控制原理后 , 飞剪的剪切 精度得到了很大提高 , 因飞剪而造成的生产故障 基本 降 为 零 , 切 头 及 切 尾 的 长 度 精 度 达 到 ± mm 。根据投运后 6 个月的统计 ,仅飞剪本身 20 的改 造 一 项 就 使 全 线 的 切 废 率 由 0. 8 % 降 至 0. 57 % ,产生了极其可观的经济效益 , 用户非常满 意。
[ 编辑 : 沈黎颖 ]

4  结论

(1) 通过在宝钢炼钢在线控制过程中的成功

实践表明 , 合金模型的核心算法合理 、 科学 , 满足 了生产操作的实际需要 , 降低了转炉生产中合金 投入成本 。 ( 2) 使用合金最小成本控制模型 , 可以提高转 炉冶炼中合金投入操作的灵活性 , 避免盲目操作 , 提高产品质量的控制精度 。 (3) 优良的系统设计对整个系统的成功实现 起着至关重要的作用 。因此 , 在一开始就应注意

核心模型开发工具的选择 、 系统接口的设计 、 用户 界面等 ,确保系统成功 。 ( 4) 合金模型控制系统中的核心算法 , 不仅可 以用于转炉合金最小成本计算问题 , 也可用于电 炉废钢最佳配比计算 、 各种精炼炉的合金计算问 题 ,以及炼钢连铸生产调度等 。
[参       ] 考 文 献
[1 ] 陈家祥 . 炼钢常用图表数据手册 [ M] . 北京 : 冶金工业出版社 , 1984. [ 2 ] 蔡宣三 . 最优化与最优控制 [M] . 北京 : 清华大学出版社 ,1982.

[ 编辑 : 初秀兰 ]

祝贺 《冶金自动化》 杂志被评为第 2 届国家期刊奖百种重点科技期刊
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