光信息在转炉炼钢终点控制中的应用和发展.pdf

2024年第1期新疆钢铁总第169期光信息在转炉炼钢终点控制中的应用和发展朱雯琼，祝豪航（武警士官学校，浙江 杭州 311400）摘要：转炉炼钢终点控制是提高钢铁产出质量的关键，传统控制方法存在准确率低、成本高等缺点。炉口火焰图像和光谱等光信息中，包含大量冶炼过程数据，通过分析处理，能够有效应用于转炉炼钢终点实时预测，提升炼钢终点控制的精准度。本文在对炼钢终点控制技术的研究基础上，总结了光信息终点控制技术的研究现状和应用方法，并对其发展趋势进行分析。关键词：转炉炼钢；终点控制；光信息DOI：10.20146/ki.1672-4224.2024.01.040中图分类号：TN249文献标识码：B文章编号：1672-4224（2024）01-0122-04Application and Development of Optical Information in EndPoint Control of Converter steelmakingWenqiong Zhu,Haohang Zhu(armed police sergeant school,Hangzhou,Zhejiang 311400)Abstract:The end-point control of converter steelmaking is the key to improve the quality of steel output.The traditional control method has the disadvantages of low accuracy and high cost.The optical information such as furnace mouth flame imageand spectrum contains a large number of smelting process data.Through analysis and processing,it can be effectively appliedto the real-time prediction of converter steelmaking end point and improve the accuracy of steelmaking end point control.Based on the research of steel-making end-point control technology,this paper summarizes the research status and applicationmethods of optical information end-point control technology,and analyzes its development trend.Key words:converter steelmaking;end point control;optical information作者简介：朱雯琼，女，27岁，硕士，武警士官学校。E-mail：1转炉炼钢终点控制转炉炼钢是向转炉内吹入氧气，通过化学反应来去除废钢、铁水等原料中的锰、硫、硅等杂质成分，以得到性能良好的钢料。钢水中的杂质含量和出钢温度是判定钢材质量的重要指标，因此当反应结束时，需进行钢水指标检测，若未达标则继续补吹氧气，若达标则可以进行下一炉的冶炼工作。一炉炼钢的时间约为二十分钟，若因出钢质量不达标进行补吹作业，则会增加冶炼时间，导致工作效率降低，增加冶炼成本，因此对炼钢终点的精准控制是提高转炉炼钢效率和钢铁质量的关键所在。目前，转炉炼钢终点控制方法主要分为人工控制、静态模型控制、动态控制、光信息控制四大类1-2。1.1人工控制人工控制是指工作人员通过对转炉炼钢反应的观察，根据知识和经验判断炼钢终点的方法。由于炼钢过程中，钢水原料与氧气的反应剧烈，且程度会随着时间变化，经验丰富的工人可以根据炉口火花的亮度、迸溅程度、颜色形态等变化，判断出炼钢是否达到终点。这种方法对工作人员的技术水平要求较高，需要其具备丰富的工作经验。且该方法存在较大的人为主观因素，当工作环境、原料设备等条件发生变化时，工作人员的判断正确率也会随之波动，如果判断失误则会导致多次补吹的情况发生。因此，该方法的生产效率较低，人工成本大，已逐渐被其他方法所取代。1.2静态模型控制静态模型控制是根据能量守恒和质量守恒定律，对炼钢过程中的反应公式进行推算，建立数学模型来计算吹入氧气量和其他辅料量，从而控制炼钢终点。静态模型的建立是在炼钢工艺一定的条件下，对大量实际生产数据进行计算分析得到的，相比于人工控制，准确率显著提高。但钢水原料中包含多种元素，反应复杂，难以定性，且由于生产环境的122新疆钢铁总第169期2024年第1期变化，每一炉的冶炼都存在差异，导致静态模型的通用性较差，误差较大。1.3动态控制动态控制在静态模型的基础上，通过实时采集反应过程中的数据，对模型参数进行修正，以减小模型计算误差，进一步提高了炼钢终点判断的准确率。动态数据的采集方法主要有炉气法和副枪法，炉气法是通过检测炉口处的CO、CO2等气体成分来推算反应进程，但由于冶炼环境较差，气体的采集存在难度，得到的气体数据存在较大误差。副枪法则是将副枪插入反应钢水，直接探测钢水成分和温度，该方法操作简单，得到的数据可靠，但高温对副枪探测装置的损耗大，成本较高。1.4光信息控制近年来，随着计算机视觉技术和人工智能技术不断发展，光信息也被广泛应用于工业生产之中。在转炉炼钢过程中，随着反应的进行，炉口处的火焰也在不断变化，通过对炉口火焰中所包含的光信息进行分析处理，可间接得到钢水温度、成分含量等重要的过程数据，再与机器学习等人工智能技术结合，能够有效地对炼钢终点进行控制。光信息受炼钢复杂环境的影响较小，且炉口火焰的光信息可以通过远距离、非接触式的设备进行采集，大幅度降低了设备损耗，因此该方法准确率较高，能够有效节约成本，提高生产效率，逐渐取代传统方法。2光信息终点控制技术钢水与氧气反应时放出大量的热，分子高速运动发生层次跃迁，从而发光，因此在炉口处能够观察到火焰，火焰中蕴含的光信息通常以图像和光谱两种形式表现。2.1基于火焰图像的终点控制技术炉口火焰图像是对冶炼过程的直接反映，使用工业CCD相机对炉口火焰场景进行连续采集，在视觉上能够直观看到反应过程中火焰的变化情况3-4。通过分析，能够发现炉口火焰的形状、亮度、颜色、纹理等特征都会随着冶炼过程有规律的发生变化，见图1。在传统的人工控制方法中，经验丰富的工人大多是根据炉口火花的特征变化对炼钢终点进行判断。随着图像处理技术的不断发展，对采集到的火焰图像进行处理，能够有效提取出与冶炼反应温度、成分含量等有关的定量特征，为炼钢终点判断提供更为可靠的依据。在实际拍摄中，由于设备离炉口较远，因此火焰面积占比较小，且反应过程中产生的炉渣、烟气等都会对图像的采集产生影响，因此，需要首先对炉口火焰图像进行预处理，将火焰区域分割处理后，再进行特征提取。目前，炉口火焰图像特征的提取方法主要基于图像处理技术，有颜色共生矩阵、非线性映射、局部二值法、图像范数、比色测温等方法，能够提取出与冶炼过程密切的有效特征。2.2基于火焰光谱的终点控制技术在冶炼过程中，钢水原料中的各种元素与氧气不断发生反应，逐渐生成稳定物质，激发价电子从高能轨道下降至低能轨道上，发射出相应波长的光信息，这便是原子发射光谱。因此，使用光谱仪对炉口火焰光谱进行采集分析，就能够进一步研究得到钢水内各元素的变化规律。通过观察采集到的炉口火焰光谱，能够发现在炼钢的初期、中期、后期三个阶段，光谱有着明显变化。初期，冶炼反应较缓慢，转炉内部温度较低，得到的火焰光谱光强低且波动较大，但处于上升趋势；图1 不同时期的炉口火焰图像1232024年第1期新疆钢铁总第169期中期，冶炼反应剧烈，光强大且谱线光滑连续；后期，冶炼反应逐渐结束，光强减弱，光谱变得更为平缓，见图2。由于冶炼反应剧烈、炉口烟雾较多，采集到的光谱存在较多毛疵，需要先对其进行降噪滤波处理，以避免对光谱特征的提取产生影响。目前，炉口火焰光谱主要分为连续谱和特征谱两类。连续谱能够描述光谱的整体特点和光强的变化趋势，需要对采集到的原始火焰光谱使用高斯拟合、非线性规划等数学方法进行曲线拟合后，再对能量分布、谱密度、差异度等整体特征进行提取。特征谱则是在原始光谱中有显著特征的一些特殊波长点光谱，与钢水中碳、镁等元素含量的变化有密切联系，目前特征谱的选取多采用聚类分析、竞争性自适应重加权采样、粒子群算法、相关性分析等变量选择算法。2.3融合光信息终点控制技术炉口火焰图像在转炉炼钢终点控制方面表现良好，但由于拍摄设备和冶炼环境的限制，钢水温度和成分含量的预测仍存在较大误差。炉口火焰光谱可用于监控钢水杂质含量，但由于冶炼时间长且光谱数据维度大，终点控制模型运算速度较慢，无法满足实时监控需求。为了提高转炉炼钢终点控制的准确性和实时性，目前的主要研究方向是结合火焰图像和光谱特征，利用融合光信息来预测炼钢终点。使用工业CCD相机和光纤光谱仪组成远距离光信息采集系统，对炉口火焰图像和光谱数据进行采集，并实时输入至计算机进行计算分析，将处理过的特征数据作为输入，温度、碳含量等数据作出输出，以此实时控制转炉炼钢终点。该技术在控制终点的同时，还能发现冶炼如反应异常停止或炉口被炉渣遮挡等情况，及时进行报警提醒，有效提升了冶炼过程监控效果，见图3。3光信息终点控制技术的发展随着工业生产模式的不断优化，炼钢产业作为国防后备力量的重要组成，也逐渐向高质量、低耗能、自动化的方向发展，对光信息炼钢终点控制技术的研究也提出了更高要求。3.1提高数据可信度随着工业相机和光谱仪等设备的快速发展，炉口火焰光信息的数据采集精度和速度都得到了大幅度提升，能够采集到更为清晰有效的火焰图像和光谱，减少了对原始信息数据的预处理，降低了有效信息丢失率。同时，随着计算机处理器和人工智能技术的不断成熟，更多智能化的数据处理方法随之出现，运用到有效特征选取上，能够进一步改善数据可信度低、预测结果过拟合的问题，使钢水温度、杂质含量的预测更为精准。3.2提升控制精准性在转炉炼钢过程中，各种反应十分复杂，控制过程呈现出非线性特征。为了更好地控制炼钢过程，深度学习技术被广泛应用于炼钢终点控制领域。深度学习依赖于大量的样本数据进行训练，数据的可靠性和参数的选择都会影响模型的精确性。目前已图3 融合光信息终点控制技术图2 不同时期的炉口火焰光谱124新疆钢铁总第169期2024年第1期经提出了上百种深度学习模型，并且不断涌现出参数优化算法，从而显著增强了模型的学习能力。通过利用深度学习网络，将炉口火焰光信息数据作为输入，炼钢终点数据作为输出，建立转炉炼钢终点控制模型，并持续动态优化模型参数，能够显著提升炼钢终点控制的精确度，提高冶炼工作效率。3.3 推进炼钢自动化炼钢自动化控制需要大量数据信息的支撑，不仅要对炼钢过程进行实时监控，根据原料类型、反应程度，实现对吹氧量、辅料量的动态控制，还要在降低成本的同时，实现对品种钢的转优冶炼和炼钢工艺的优化。炉口火焰光信息中包含大量与冶炼有关的过程数据，不仅能够用于预测转炉炼钢终点，也能够推进炼钢自动化的发展。通过对光信息数据的计算处理，根据实时反馈结果能够实现对炼钢工艺的及时调整，对提高冶炼效率和钢铁质量有重要意义。4结论钢铁产业作为国家基础工业之一，是国民经济发展和国防力量提升的关键，转炉炼钢作为我国主要的炼钢方式，其终点控制的精准程度决定着钢材生产质量的好坏。而借助图像、光谱等光信息数据，结合人工智能技术，对转炉炼钢过程进行实时监控，能够有效实现对炼钢终点的在线控制，解决传统控制技术准确率低、成本高的问题，是提高炼钢生产效率和钢材质量的重要途径。参考文献1 韩华.转炉炼钢终点控制技术应用及改进分析 J.中国机械，2023（33）：65-68.2 张敬泽.转炉炼钢终点控制技术分析 J.冶金管理，2021（21）：7+9.3 刘旭琛，刘辉，赵安.一种QCN火焰图像特征提取的转炉炼钢碳含量实时预测方法 J.控制理论与应用，2022，39（09）：1745-1757.4 李鹏举，刘辉，王彬等.基于火焰彩色纹理复杂度特征的转炉炼钢吹炼状态识别 J.计算机应用，2015，35（01）：283-288.5 张彩军，韩阳，何世宇等.炉口火焰光谱驱动的炼钢终点控制 J.仪器仪表学报，2018，39（01）：24-33.6 史雅雯，唐晗迪，郭超等.基于SSA-BP神经网络的转炉炼钢终点碳含量预测 J.电子技术与软件工程，2022（04）：181-185.7 刘帅，周木春.基于火焰图像与光谱特征的炼钢终点温度预测 J.激光与光电子学进展，2023，60（04）：447-450.8 王仲亮，顾超，王敏等.深度学习在炼钢过程中的研究进展及应用现状 J.工程科学学报，2022，44（07）：1171-1182.9 赵尚.冶金转炉炼钢自动化控制技术研究 J.冶金管理，2023（11）：25-27.科普知识金铁在人间中国古代冶金技术回眸人类文明的每一次巨大进步，都伴随着冶金和材料技术的重大突破。纵观历史，从石器时代到青铜器时代再到铁器时代，材料成为人类文明发展的里程碑。我国是世界上率先开始大规模冶炼金属的国家之一，并且在相当长的历史时期内，冶金技术水平始终保持在世界前列。其中，许多流传至今的青铜器和铁器不仅在当时起到推动社会发展的重要作用，在当下也为古代冶金史研究提供了宝贵的实物资料。金属在自然界多以化合物矿石存在，火法冶金即利用燃料燃烧等提供的高温从金属矿石中提炼金属。人类最早利用金属，是从铜和铁等的火法冶金开始的。由于铜的熔点（1083）较铁（1538）的偏低，所以铜冶炼要早于铁冶炼很多年。铜在古代常被称为金，因此也用金铁来指代铜和铁。金铁甫一来到人间，便被人们赋予了重要使命。纯铜具有优异的导电性和延展性，所以生产中经常可以看到铜制线缆、铜箔等，但也因其过于柔软，导致无法作为实际（机械）工具使用。人们采用加入锡、铅、锌等其它金属组分冶炼形成合金，来改善其性能。其中，加入锡后的铜锡合金，兼具一定强度和韧性，用途较为广泛。青铜，即铜锡（Cu-Sn）合金。（摘编自中国科学技术协会官网）125