铁水脱硫控制模型的测试与实现

张丽荣,郑 强

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司自动化部,271104）

在钢铁冶金行业中，硫是大多数钢种中的有害元素，对钢的机械性能和表面质量等具有一定影响，控制硫的含量是冶炼高品质高附加值钢种的先决条件。对比石灰基脱硫方法，镁粒脱硫具有脱硫效果好、脱硫剂消耗量少、脱硫渣量少、铁损少等优点，因此得到了广泛应用。目前脱硫所采用的经验系统较为简单，计算得出的喷镁量并不准确，造成了镁粉的利用率低下，需要进行改进。然而，铁水中的硫元素含量在生产过程中无法实时监测，为铁水脱硫系统的改进造成了障碍，克服这一瓶颈问题，将为企业创造良好的经济效益，并可以推广至其它目标成分难以实时监控的冶炼系统之中，降低原材料消耗，提高产品精度。

1 前言

目前脱硫环节主要参数有：铁水初始硫、铁水目标硫、铁水温度、铁水重量、喷吹速度、喷吹压力、喷镁量。其中铁水初始硫与铁水重量由数据采集系统传至主控室，铁水温度和喷吹压力由现场实时测定，喷吹速度人工设定，根据以上参数，由经验系统计算得出所需要的喷镁量，再以恒定的喷吹速度进行生产。通过对脱硫的工艺特点以及现有的资料进行分析，不同铁水温度、铁水成分、喷镁速度，脱硫效果并不相同，在脱硫过程中，镁粒作为一种贵重金属原料，其利用率却一直较低。因此需要改进铁水脱硫的控制系统，同时可根据系统参数变化，对喷镁速度进行实时调节，以达到单位镁粉脱硫的最优效果。

1.1 国内外研究现状

目前对于脱硫工艺的镁量计算数学模型已有相关研究，主要是从工艺出发，分析铁水脱硫系统的物理及化学过程，研究影响镁粉利用效率的因素，并采用改变脱硫剂成分，减少镁粉体积等方法来达到节约成本的目的。但是因脱硫过程中，硫含量无法实时测定，传统的经验模型加固定速镁喷吹的生产方式并没有得到改进，因此本文研究的内容是建立一套铁水脱硫系统的控制模型，而且根据该模型确定镁粉脱硫效率的最优曲线，通过改变喷吹速度，来实现优化镁粉利用率的目标。

1.2 研究方法

利用回归统计的方法建立参数之间的回归方程，分析参数间的相关度，及模型曲线的拟合效果，再通过西门子S7-400系统予以实现。

1.3 预期结果

建立铁水脱硫模型，并把生产过程拆分为多个周期，根据控制系统确定每个周期内的最佳喷镁速度，并可对每个周期结束时的铁水硫含量作出预估。

2 技术路线

2.1 镁粉脱硫工艺原理

镁的熔点为651℃，沸点为1110℃，远低于一般铁水温度，因此镁进入铁水后，将经历溶化、气化、溶解的过程。根据日本钢铁协会的统计，镁蒸气压在不同压强单位下的计算方法为：

其中P为镁蒸气压，可以看出在一般铁水温度下（铁水脱硫过程中的铁水温度约在1200℃以上），镁蒸气压高达0.405-0.993MPa，如此高的蒸气压使镁进入铁水中立即气化，以很快的气化速度向外排除。镁的溶解率只有0.0064%～0.0330%，因此在铁水上升中，大量的镁以气体的方式与铁水进行反应，仅有少量镁粒溶解于铁水中。

镁粒在铁水中的气化溶解，因此镁在铁水中与硫的反应表现形式为：

因此根据以上分析，用镁进行铁水脱硫的反应包括以下几个步骤：

(1)镁在进入铁液后气化、溶解过程；

(2)镁蒸气气泡与溶解的硫在铁水与镁气泡界面处发生反应；

(3)溶解的镁与溶解的硫均匀反应，在熔池中形成MgS；

(4)形成的MgS颗粒从铁水中排除掉。

2.2 脱硫控制系统参数的选取

从以上的分析看出，镁粉的脱硫是一个比较复杂的化学及热动力学过程，相关的因素较多，难以从工艺上进行把握。因此需要将整体脱硫环节做为一个系统，建立模型，研究其输入输出间的关系。

首先利用现场采集的生产数据，提取可能影响镁粉脱硫效率的参数，然后对其进行统计分析。主要数据包括铁水含硫量，铁水温度，喷吹速度，喷吹时间，铁水质量。

（1）铁水含硫量

根据铁水脱硫的生产数据统计，铁水中的含硫量高低会影响脱硫过程中镁粒的利用率，统计结果见表1。

表1 铁水硫含量对镁粒利用率的影响

从表内数据可以看出，铁水中的硫含量越高，脱硫反应越易进行。镁粉的利用效率越高。因此，铁水的初始硫含量和铁水的结果硫含量都是建立铁水脱硫模型的重要变量。

（2）铁水温度

铁水温度对镁粒脱硫效率的影响较为复杂。根据图1中提供的实验结果分析，相同的铁水硫含量下，铁水温度越高，铁水中需溶解平衡的镁元素也越高，用于脱硫的镁比例越小，镁粉的脱硫效率逐渐下降。

图1 镁硫在不同铁水温度下的平衡

（3）喷吹时间与喷吹速度

采用同样的方法，建立以喷吹速度和喷吹时间为自变量，镁粉脱硫效率为因变量的模型，并拟合出曲面图。可以直观的看出三者之间的关系，但是实际生产过程中铁水脱硫的喷吹速度会隶属于一个区间之内，因此对喷吹速度的取值需要加以限制。

（4）铁水重量

铁水重量直接影响镁粉用量的多少，同时决定了喷吹时间的长短，因此也会影响镁粉脱硫效率的高低，因此也作为建立模型的所需变量。

（5）其他因素

除了上述主要因素外，很多生产过程中的其他因素也会影响镁粒的脱硫效率，如喷枪插入铁水的深度、喷枪口径、镁粉颗粒大小等等。但是就单一工位来说，这些参数近似为固定值，因此不再加以分析。

3 技术研究方案

脱硫喷吹优化的模型及算法利用现有的PLC系统予以实现，通过采集现场各设备的运行情况以及脱硫的各个主要参数，送入PLC内的模型进行处理，对喷吹速度进行实时的调节，然后通过以太网通讯，将设备的控制信号与控制变频器进行通讯。上位机使用step7 V5.4进行控制程序编制，使用WINCC V6.2进行人机交互界面制作，界面主要内容包括钢包号的输入、手动喷吹速度、铁水目标硫的选择、以及对枪位、喷吹时间、铁水重量、铁水温度的监控。

该模型建立的过程如下：将每炉铁水目标硫、铁水初始硫、铁水重量、铁水温度、喷吹速度、喷吹时间等信息作为统计变量，把现场采集的变量值作为数据源，通过统计分析软件SPSS输入后进行处理，分析各变量间的相关度，选取合适的模型并加以验证。

其中忽略铁水脱硫过程中的温降，再计算出每个样本的单位镁粉脱硫效率，建立以单位镁粉脱硫效率为因变量的回归方程。模型建立之后，在step7中建立一个功能块，每周期进行计算，并对一定数值以下的单位镁粉脱硫效率值进行过滤。同时组态喷镁模型系统所用的画面，其中不仅对各类变量进行监控，同时可以设定程序计算的周期长度、单位镁粉脱硫效率的最小值还有镁粉喷吹速度的范围。

当铁水进行脱硫时，因每个计算周期内的铁水重量和铁水温度近似为恒定值，镁粉的喷吹速度成为唯一影响镁粉利用效率的因素，利用PLC使喷吹速度在其区间内进行实时调节，使镁粉的使用效率保持在较高的水平上，以达到镁粉优化利用的目的。

4 模型的测试

本测试通过对现场生产数据的采集，建立了大量的数据样本，再进行回归统计分析之后得到了铁水脱硫的模型，进而建立其控制系统。该系统可以根据现场的生产情况，对铁水中硫元素的含量进行实时预报，并通过镁粉喷吹速度的调节予以实现。与国内外同类型的传统生产方式相比，镁粉利用率较高，且铁水成分把握较好。

5 小结

系统运行以来，通过预测铁水中硫元素含量，可以控制镁粉喷吹量，减少了镁粉消耗，提高了铁水出站质量，减少后续的转炉石灰消耗量；通过控制喷镁速度，减少了铁水喷溅。总之，该项目应用效果良好，改造难度低，费用少，适宜进行广泛的推广应用。

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