基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统及运行方法

1.本发明涉及炼钢智能控制技术领域，尤其涉及一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统及运行方法。


背景技术：

2.转炉炼钢技术作为钢铁生产的主要装备，近几年持续快速发展。其中自动炼钢作为转炉智能化生产的核心技术，对其生产工艺指标的持续改善有着重要的意义。相对于传统的转炉吹炼人工控制，转炉自动炼钢技术主要依靠各种过程检测和冶金模型对炉内钢水的温度、成分进行测量或预报，进而优化过程和终点控制操作，从而降低生产消耗，提升产品质量，为社会生产生活提供更为优质、绿色的钢铁产品。
3.目前转炉广泛使用的自动炼钢系统主要有2种类型，分别基于炉顶副枪或炉气分析的过程检测手段运行。其中，转炉副枪使用一次性探头，可直接准确的测量钢水成分和温度，但只能提供有限次数的点测数据，所以基于炉顶副枪的转炉自动炼钢方法在吹炼前中期(约占吹炼进程的75～85％)完全依赖静态模型规划操作曲线，只在tsc后给出一次吹炼目标修正，其对吹炼进程偏差的识别和修正能力偏弱，尤其是在复杂原料条件下使用效果难以提升。炉气分析可以实现转炉吹炼全程的连续测量，但在检测装备可靠性和数据代表性之间存在难以调和的矛盾，检测数据无法直接反馈转炉核心区域的反应细节特征，只提供炉内冶金反应结果间接、延迟、混合的体现，造成基于炉气分析的转炉自动炼钢方法模型设计难度大，终点命中率不高。
4.因此，现有技术中存在对转炉炼钢自动控制系统集及其运行方法改进的需求。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统及运行方法，通过热态实验对不同供氧强度、化学反应速率、熔池温度下的钢液自主发光进行了全光谱采集和数据分析，系统研究了炼钢火点区冶金状态与辐射强度、光谱组成的耦合关系，建立了描述钢水温度、反应速率与钢水发光的混合辐射模型函数。通过对炼钢火点区发光的光谱分析和数据提取，成功实现了对火点区内的化学反应强度、火点区钢水温度的数值表征。
6.基于上述目的，本发明实施例的提供了基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统，包括：
7.转炉氧枪，转炉氧枪内设置有采光器以捕获火点区的特征光线；
8.一级自动化系统，一级自动化系统包括光谱仪、光谱分析系统、氧枪控制模组、炼钢控制模组，光谱仪与转炉氧枪通过传输光纤连接，氧枪控制模组与转炉氧枪通信连接，氧枪控制模组获取炼钢控制模组的指令以控制转炉氧枪操作；
9.二级信息系统，二级信息系统内存储炼钢信息，炼钢控制模组与二级信息系统通信连接以获取炼钢信息。
10.在一些实施方式中，转炉氧枪包括具有中心氧孔的喷头，中心氧孔设置在中心氧管的端部，采光器沿中心氧管方向设置，并且设置位置距离喷头150～500mm。
11.在一些实施方式中，氧枪控制模组包括高位料仓部、顶吹阀组部、氧枪升降控制部。
12.在一些实施方式中，炼钢控制模组包括状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块，
13.状态判定模块配置用于实时预报熔池温度和钢液成分；
14.操作决策模块配置用于计算吹炼修正操作参数；
15.终点控制模块配置用于判定吹炼终点。
16.本发明另一方面还提供了一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法，包括以下步骤：
17.s1启动转炉炼钢自动控制系统，炼钢控制模组进入初始化状态，一级自动化系统开始操控吹炼，待顶吹流量和枪位均达到取光阈值后，炼钢控制模组进入运算状态：
18.s2火点区发出部分的光线逆向通过由氧气射流和氧枪喷孔形成的光路通道，进入转炉氧枪内采光器，采光器将入射光线聚焦成为特征光信号，沿光纤传输进入光谱仪，光谱仪分光检测形成特征光谱数据，并传输至光谱分析系统；
19.s3光谱分析系统利用特征光谱数据进行光谱数据分析，生成火点区反应强度、火点区钢水温度数据，并传输至炼钢控制模组；
20.s4基于光谱数据分析数据并基于与二级信息系统通信获取炼钢信息，炼钢控制模组实时预报熔池温度和钢液成分、计算吹炼修正操作参数并判定吹炼终点，炼钢控制模组将吹炼修正操作参数传输至一级自动化系统，一级自动化系统控制氧枪升降部，顶吹阀组部，高位料仓部执行；
21.s6响应于判定吹炼终点为未达成，则返回至步骤1继续循环，响应于判定吹炼终点为已达成，则进入下一步骤；
22.s7一级自动化系统执行停吹和出钢操作，炼钢控制模组启动自学习状态对炼钢控制模组中的关系函数进行修正并存储。
23.在一些实施方式中，在s1中，炼钢控制模组进入初始化状态包括：
24.状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块读取模型数据库，并更新参数；
25.炼钢控制模组匹配生产计划，载入装料方案、工艺曲线、钢种目标的信息代码；
26.状态判定模块，根据装料方案信息代码，通过二级信息系统载入入炉铁水、废钢的重量、成分、温度数据，计算获得熔池初始温度ts和初始成分p
s(i)
，并规划熔池温度随成分变化的对照曲线；
27.操作决策模块根据工艺曲线信息代码，通过二级信息系统载入转炉吹炼操作设定曲线，并规划熔池成分、温度随氧步变化的对照曲线；
28.终点控制模块根据钢种目标信息代码，通过二级信息系统载入转炉吹炼终点目标温度
±
te和目标成分
±
p
e(i)
范围。
29.在一些实施方式中，在s4中，炼钢控制模组包括状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块，其中，
30.状态判定模块利用火点区总温、特征反应强度、熔池背景温度数据，实时预报熔池
温度和钢液成分；
31.操作决策模块根据熔池温度和钢液成分，计算吹炼修正操作参数；
32.终点控制模块根据熔池温度和钢液成分，判定吹炼终点。
33.在一些实施方式中，实时预报熔池温度和钢液成分包括：
34.状态判定模块基于火点区内各化学反应强度d(i)和火点区钢水温度t
p
的实时数据，熔池温度和钢液成分进行预报。
35.在一些实施方式中，供氧流量、顶吹枪位、补热剂投入和冷却剂投入的单次修正步长分别设定为dl、dh、ds
(补)
、ds
(冷)
，计算吹炼修正操作参数的方法包括：
36.基于供氧总量q
t
数据，查询熔池钢水成分随氧步变化对照曲线，获得参考熔池钢水成分p
c(i)
，由参考钢液成分p
c(i)
累加获得：pc＝∑p
c(i)
；
37.基于供氧总量q
t
数据，查询熔池钢水温度随氧步变化对照曲线，获得参考熔池钢水温度tc；
38.由熔池钢水成分p(i)累加获得：p＝∑p(i)；
39.若熔池钢水温度进度正常，即t≈tc，且钢液成分进度正常，即∑p≈∑pc，则不调整；
40.若熔池温度进度滞后，即t《tc，且钢液成分进度滞后，即∑p》∑pc，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh；
41.若熔池温度进度滞后，即t《tc，且钢液成分进度超前，即∑p《∑pc，则降低供氧流量-dl，提高枪位+dh，投入补热剂ds
(补)
；
42.若熔池温度进度超前，即t》tc，且钢液成分进度滞后，即∑p》∑pc，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh，投入冷却剂ds
(冷)
；
43.若温度进度超前，即t》tc，且钢液成分进度超前，即∑p《∑pc，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh。
44.在一些实施方式中，判断吹炼终点是否达成包括：
45.若温度达成，即t》＝te，且成分达成，即p(i)《p
e(i)
，则终点达成；
46.若温度达成，即t》＝te，且成分未达成，即p(i)》p
e(i)
，则终点未达成；
47.若温度未达成，即t《te，且成分达成，即p(i)《p
e(i)
，则终点未达成；
48.若温度未达成，即t《te，且成分未达成，即p(i)》p
e(i)
，则终点未达成。
49.本发明至少具有以下有益技术效果：
50.本发明提供了一种基于火点光谱分析的转炉炼钢自动控制系统和运行方法，可应用于所有采用顶吹供氧的转炉，适用容量范围30t至400t。本发明基于火点区光谱分析检测，使用全新的转炉炼钢过程控制模型和控制策略，实现了对转炉炼钢吹炼过程的全程监控和循环修正，从而优化吹炼过程操作，提高终点命中率，降低冶炼消耗。本发明应用后，钢水脱磷率可提升2～7％，渣量减少3～10kg/t、终点命中率提升3～5％，终点氧减少10～80ppm、钢铁料消耗节约1～5kg/t，综合经济效益大于3元/t。
附图说明
51.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
52.图1为本发明提供的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统实施例的示意图；
53.图2为本发明提供的基于点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法的实施例的流程图；
54.附图标记说明：
55.1、转炉氧枪；11、采光器；
56.2、一级自动化系统；21、传输光纤；22、光谱仪；23、光谱分析系统；24、高料位仓部；25、顶吹阀组部；26、氧枪升降控制部；27、炼钢控制模组；271、状态判定模块；272、操作修正模块；273、终点控制模块；
57.3、二级信息系统
具体实施方式
58.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
59.需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
60.氧气炼钢是现代转炉炼钢生产的核心工艺和典型特征，使用超音速氧气射流穿透高温烟气和渣层冲击熔池，与钢水直接接触发生剧烈化学反应，并释放出强光和高热，该区域被称为炼钢供氧火点区。
61.火点区发光是由熔池高温和化学反应共同作用产生的结果，同时呈现有化学发光、原子分子跃迁辐射和高温黑体辐射的混合特征：火点区及周边发生的主要化学反应可能直接产生化学发光，反应物、产物或中间产物的蒸汽或等离子体受火点区高温激发，可能发出跃迁辐射。同时，火点区温度高，产生的黑体辐射强度更大。
62.本发明利用顶吹氧气超音速射流，具有直线运动和强动能冲击，以及氧气先天具有无红外吸收的特点，能有效排开混合炉气，穿透粘稠熔渣，开辟由火点区直达氧枪内部的“透明”光线传播通道。
63.本发明通过热态实验对不同供氧强度、化学反应速率、熔池温度下的钢液自主发光进行了全光谱采集和数据分析，系统研究了炼钢火点区冶金状态与辐射强度、光谱组成的耦合关系，建立了描述钢水温度、反应速率与钢水发光的混合辐射模型函数。通过对炼钢火点区发光的光谱分析和数据提取，成功实现了对火点区内的化学反应强度、火点区钢水温度的数值表征。
64.基于以上研究成果，本发明提出一种基于火点区光谱分析的转炉炼钢自动控制系统及运行方法，利用顶吹氧枪内设置的采光器，通过由氧枪喷孔和氧气射流形成光路通道，对转炉炼钢过程火点区发光进行连续采集，使用光谱检测、光谱分析和数据提取方法对火点区域内化学反应强度和钢水温度进行监测，并结合入炉原料、氧气消耗、供氧流量、顶吹枪位和辅料投入的在线数据，实时准确预报转炉熔池内钢液成分、温度数值和变化趋势，与
进行比对，按照预定策略反馈优化转炉供氧、投料的操作，改善吹炼过程和终点控制效果，以提高钢水质量，节省炼钢消耗和生产成本。
65.如图1为本发明提供的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统实施例的示意图，自动控制系统包括：
66.转炉氧枪1，所属转炉氧枪1内设置有采光器11以捕获火点区的特征光线；
67.一级自动化系统2，一级自动化系统2包括光谱仪22、光谱分析系统23、氧枪控制模组、炼钢控制模组27，光谱仪22与转炉氧枪1通过传输光线21连接，氧枪控制模组27与转炉氧枪1通信连接；
68.二级信息系统3，二级信息系统3内存储炼钢信息，炼钢控制模组27与二级信息系统3通信连接以获取炼钢信息。
69.进一步地，转炉氧枪管路和喷头参数参照转炉容量和吹炼工艺设计，应优先选择带有中心氧孔的喷头设计方案，一般为4-7孔。转炉氧枪1包括具有中心氧孔的喷头，中心氧孔设置在中心氧管的端部，采光器11沿中心氧管方向设置，并且设置位置距离喷头150～500mm。采光器可选择使用小口径准直镜或聚光镜，直径为3～20mm；采光器应优先与喷头中心氧孔对应布置，并固定在中心氧管中轴线位置；采光器也可与喷头侧氧孔对应布置，并固定在侧喷孔轴延长线与中心氧管壁的交叉点位置。氧枪中心管内可布置1个或多个采光器，上限不超过喷孔数；采光器尺寸和数量应以不影响中心氧管内气体流动为准。
70.进一步地，氧枪控制模组包括高位料仓部24、顶吹阀组部25、氧枪升降控制部26。
71.进一步地，炼钢控制模组27包括状态判定模块271、操作修正模块272、终点控制模块273，一级自动化系统2将系统运行状态反馈给炼钢控制模组27。
72.进一步地，光谱仪22可选择使用棱镜、衍射光栅或干涉分光的单路或多路光谱仪，可将特征光线分光识别，形成光谱数据。
73.转炉火点区部分发光通过光路通道进入氧枪1内，并由内置于氧枪内的采光器11捕获形成特征光线进入传输光纤21，传输光纤21由转炉氧枪1尾部穿出，并连接至光谱仪22。光谱仪22可选择使用棱镜、衍射光栅或干涉分光的单路或多路光谱仪，可将特征光线分光识别，形成光谱数据。光谱仪22、光谱分析系统23应接入转炉一级基础自动化系统，炼钢控制模组27应同时接入转炉一级基础自动化系统和转炉二级信息网络。转炉一级基础自动化系统同时接入炼钢控制模组24、顶吹阀组部25及氧枪升降控制部26，并将各系统的运行状态反馈给炼钢控制模组27。其中，光谱分析系统23内运行光谱数据分析算法，可利用钢水温度、各反应速率与钢水发光的混合辐射模型函数，通过对光谱数据进行光谱分析和数据提取，获得火点区化学反应强度d(i)、火点区钢水温度t
p
的实时数据；炼钢控制模组27运行转炉炼钢过程控制和终点控制算法，以及历史数据自学习算法。包括模型数据库、状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块、历史数据库和自学习模块。炼钢控制模组27工作状态为：初始化状态、运算状态，自学习状态。
74.本发明另一方面还提供了一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法，如图2所示为本发明提供的基于点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法的实施例的流程图，包括以下步骤：
75.s1启动转炉炼钢自动控制系统，炼钢控制模组进入初始化状态，一级自动化系统开始操控吹炼，待顶吹流量和枪位均达到取光阈值后，炼钢控制模组进入运算状态：
76.s2火点区发出部分的光线逆向通过由氧气射流和氧枪喷孔形成的光路通道，进入转炉氧枪内采光器，采光器将入射光线聚焦成为特征光信号，沿光纤传输进入光谱仪，光谱仪分光检测形成特征光谱数据，并传输至光谱分析系统；
77.s3光谱分析系统利用特征光谱数据进行光谱数据分析，生成火点区反应强度、火点区钢水温度数据，并传输至炼钢控制模组；
78.s4基于光谱数据分析数据并基于与二级信息系统通信获取炼钢信息，炼钢控制模组实时预报熔池温度和钢液成分、计算吹炼修正操作参数并判定吹炼终点，炼钢控制模组将吹炼修正操作参数传输至一级自动化系统，一级自动化系统控制氧枪升降部，顶吹阀组部，高位料仓部执行；
79.s6响应于判定吹炼终点为未达成，则返回至步骤1继续循环，响应于判定吹炼终点为已达成，则进入下一步骤；
80.s7一级自动化系统执行停吹和出钢操作，炼钢控制模组启动自学习状态对炼钢控制模组中的关系函数进行修正并存储。
81.进一步地，循环周期据时间或氧步设定，一般为5s-120s或10nm3-150nm3。
82.进一步地，在s1中，转炉生产指令确定后，在操作人员操作下，启动自动控制系统，炼钢控制模组进入初始化状态。操作人员下达开吹指令，转炉一级自动化系统开始操控吹炼，待顶吹流量和枪位均达到取光阈值后，炼钢控制模组进入运算状态。
83.其中，进入初始化状态包括如下操作：
84.s1-a状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块读取模型数据库，并更新参数；
85.s1-b炼钢控制模组匹配生产计划，载入装料方案、工艺曲线、钢种目标的信息代码；状态判定模块，根据装料方案信息代码，从转炉二级信息网络载入入炉铁水、废钢的重量、成分、温度数据，计算获得熔池初始温度ts和初始成分p
s(i)
，并规划熔池温度随成分变化的对照曲线；
86.s1-c操作决策模块根据工艺曲线信息代码，通过转炉二级信息网络载入转炉吹炼操作设定曲线，并规划熔池成分、温度随氧步变化的对照曲线；
87.s1-d终点控制模块根据钢种目标信息代码，通过转炉二级系统载入转炉吹炼终点目标温度
±
te和目标成分
±
p
e(i)
范围。
88.进一步地，在s4中，炼钢控制模组包括状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块，其中，
89.s4-a状态判定模块利用火点区总温、特征反应强度、熔池背景温度数据，实时预报熔池温度和钢液成分；
90.s4-b操作决策模块根据熔池温度和钢液成分，计算吹炼修正操作参数：
91.s4-c终点控制模块根据熔池温度和钢液成分，判定吹炼终点。
92.在s4-a中，状态判定模块基于火点区内各化学反应强度d(i)和火点区钢水温度t
p
的实时数据，对熔池温度和钢液成分进行预报。预报方法是：状态判定模块基于火点区内各化学反应强度d(i)和火点区钢水温度t
p
的实时数据，熔池温度和钢液成分进行预报。
93.进一步地，预报方法包括：
94.根据火点区钢水温度t
p
和火点区内各化学反应强度d(i)的数据，基于各化学反应的热效应系数d
r(i)
，对熔池钢水温度进行预报，温度计算函数为；
95.t＝t
p
–et
×
∑(d(i)×dr(i)
)
96.其中e
t
为温度计算函数的修正系数，基于熔池初始温度ts、熔池初始成分p
s(i)
、氧气消耗o
t
、供氧流量l、顶吹枪位h、辅料投入f(i)获得：
97.e
t
＝f
t
(ts，p
s(i)
，o
t
，l，f(i))
98.5-b)吹炼过程前中期，基于熔池初始成分p
s(i)
、各反应强度d(i)的时间累计∫d(i)dt数据，对熔池钢水成分进行预报，成分计算函数为：
99.p(i)＝p
s(i)
–ep(i)
×
∫d
(c)
dt
100.其中e
p(i)
为成分函数的修正系数，基于ts、p
s(i)
、o
t
、l、h、f(i)获得：
101.e
p(i)
＝f
p
(ts，p
s(i)
，o
t
，l，f(i))
102.5-c)吹炼过程末期，基于各反应强度d(i)数据、供氧流量l和顶吹枪位h的数据，对熔池钢水成分进行预报，成分计算函数为：
103.p(i)＝e’p(i)
×
d(i)104.其中e’p(i)
为成分函数的修正系数，基于l、h获得：
105.e’p(i)
＝f
p’(l，h)
106.在s4-b中，操作决策模块基于熔池温度和钢液成分的预报结果，并与熔池成分、温度随氧步变化的对照曲线进行比对，根据偏差获得供氧流量、顶吹枪位和辅料投入的修正参数，其中供氧流量、顶吹枪位、补热剂投入和冷却剂投入的单次修正步长分别设定为dl、dh、ds
(补)
、ds
(冷)
。计算吹炼修正操作参数的方法是：
107.基于供氧总量q
t
数据，查询熔池钢水成分随氧步变化对照曲线，获得参考熔池钢水成分p
c(i)
，由参考钢液成分p
c(i)
累加获得：pc＝∑p
c(i)
；
108.基于供氧总量q
t
数据，查询熔池钢水温度随氧步变化对照曲线，获得参考熔池钢水温度tc；
109.由熔池钢水成分p(i)累加获得：p＝∑p(i)；
110.如果熔池钢水温度进度正常，即t≈tc，且钢液成分进度正常，即∑p≈∑pc，则不调整；
111.如果熔池温度进度滞后，即t《tc，且钢液成分进度滞后，即∑p》∑pc，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh；
112.如果熔池温度进度滞后，即t《tc，且钢液成分进度超前，即∑p《∑pc，则降低供氧流量-dl，提高枪位+dh，投入补热剂ds
(补)
；
113.如果熔池温度进度超前，即t》tc，且钢液成分进度滞后，即∑p》∑pc，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh，投入冷却剂ds
(冷)
；
114.如果温度进度超前，即t》tc，且钢液成分进度超前，即∑p《∑pc，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh。
115.在s4-c中，终点控制模块基于熔池温度和钢液成分的预报结果，与转炉吹炼终点目标温度te和目标成分p
e(i)
进行对比，判断吹炼终点达成的策略是：
116.如果温度达成，即t》＝te，且成分达成，即p(i)《p
e(i)
，则终点达成；
117.如果温度达成，即t》＝te，且成分未达成，即p(i)》p
e(i)
，则终点未达成；
118.如果温度未达成，即t《te，且成分达成，即p(i)《p
e(i)
，则终点未达成；
119.如果温度未达成，即t《te，且成分未达成，即p(i)》p
e(i)
，则终点未达成。
120.进一步地，在s7中，炼钢控制模组自学习状态是指转炉吹炼结束后，炼钢控制模组将装料数据、吹炼操作数据、过程检测数据和终点化验分析数据存入历史数据库，并启动自学习模块利用历史数据自学习，对炼钢控制模组内使用的关系函数进行修正，并更新模型数据库。
121.下面根据具体实施例对本发明作出进一步解释。
122.实施例1
123.100t炼钢转炉
124.如图1所示，本发明是一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统及运行方法。转炉火点区部分发光通过光路通道进入转炉氧枪1内，并由内置于氧枪内的采光器11捕获形成特征光线进入传输光纤21，传输光纤由转炉氧枪1尾部穿出，并连接至光谱仪22。光谱仪22使用衍射光栅的单路光谱仪，可将特征光线分光识别，形成光谱数据。光谱仪22、光谱分析系统23应接入转炉一级基础自动化系统，炼钢控制模组27应同时接入转炉一级基础自动化系统和转炉二级信息网络。转炉一级基础自动化系统同时接入炼钢控制模组24、顶吹阀组部25及氧枪升降控制部26，并将各系统的运行状态反馈给炼钢控制模组27。
125.其中，转炉氧枪管路和喷头参数参照转炉容量和吹炼工艺设计，选择带有中心氧孔的4孔喷头，采光器安装在氧枪本体中心氧管内距离喷头200mm位置，选择小口径准直镜，直径为5mm；采光器与喷头中心氧孔对应布置，并固定在中心氧管中轴线位置。氧枪中心管内布置1个采光器。
126.其中，光谱数据分析模块内运行光谱数据分析算法，可利用钢水温度、各反应速率与钢水发光的混合辐射模型函数，通过对光谱数据进行光谱分析和数据提取，获得火点区化学反应强度d(i)、火点区钢水温度t
p
的实时数据；炼钢控制模组运行转炉炼钢过程控制和终点控制算法，以及历史数据自学习算法。包括模型数据库、状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块、历史数据库和自学习模块。炼钢控制模组工作状态为：初始化状态、运算状态，自学习状态。
127.炼钢控制模组初始化完成后进入运行状态，通过转炉一级基础自动化系统，从光谱数据分析模块载入火点区内各化学反应强度d(i)和火点区钢水温度t
p
的实时数据，从顶吹阀组部载入氧气消耗o
t
和供氧流量l的实时数据，从氧枪升降部载入顶吹枪位h的实时数据，从高位料仓部载入辅料投入fi的实时数据，同时将操作指令发送至转炉一级基础自动化系统执行。
128.转炉吹炼结束后，炼钢控制模组将装料数据、吹炼操作数据、过程检测数据和终点化验分析数据存入历史数据库，并启动自学习模块利用历史数据自学习，对炼钢控制模组内使用的关系函数进行修正，并更新模型数据库。
129.本发明应用在100t炼钢转炉后，钢水脱磷率可提升3～4％，渣量减少4～6kg/t、终点命中率提升3～5％，终点氧减少20～40ppm、钢铁料消耗节约2kg/t，综合经济效益大于3元/t。
130.实施例2
131.300t脱磷转炉
132.如图1和图2所示，本发明是一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统及运行方法。转炉火点区部分发光通过光路通道进入转炉氧枪1内，并由内置于氧枪内的采光
器11捕获形成特征光线进入传输光纤21，传输光纤由转炉氧枪1尾部穿出，并连接至光谱仪22。光谱仪22使用干涉分光的多路光谱仪，可将特征光线分光识别，形成光谱数据。光谱仪22、光谱分析系统23应接入转炉一级基础自动化系统，炼钢控制模组27应同时接入转炉一级基础自动化系统和转炉二级信息网络。转炉一级基础自动化系统同时接入炼钢控制模组24、顶吹阀组部25及氧枪升降控制部26，并将各系统的运行状态反馈给炼钢控制模组27。
133.其中，转炉氧枪管路和喷头参数参照转炉容量和吹炼工艺设计，选择带有中心氧孔的6孔喷头，采光器安装在氧枪本体中心氧管内距离喷头400mm位置，选择使用聚光镜，直径为15mm；采光器与喷头侧氧孔对应布置，并固定在侧喷孔轴延长线与中心氧管壁的交叉点位置。氧枪中心管内布置3个采光器。
134.本发明在300t脱磷转炉上的运行过程为：
135.s1转炉生产指令确定后，在操作人员操作下，本发明基于火点光谱分析的转炉炼钢控制系统启动，炼钢控制模组进入初始化状态。操作人员下达开吹指令，转炉一级基础自动化系统开始操控吹炼，待顶吹流量和枪位均达到取光阈值后，炼钢控制模组进入运算状态，本发明系统开始循环运行。循环周期据时间或氧步设定，一般为5s-120s或10nm3-150nm3。
136.s2火点区发出部分的光线逆向通过由氧气射流和氧枪喷孔形成的光路通道，进入转炉氧枪内采光器，采光器将入射光线聚焦成为特征光信号，沿光纤传输进入光谱仪，光谱仪分光检测形成特征光谱数据，并传输至光谱分析系统；
137.s3光谱分析系统利用特征光谱数据进行光谱数据分析，生成火点区反应强度、火点区钢水温度数据，并传输至炼钢控制模组；
138.s4基于光谱数据分析数据并基于与二级信息系统通信获取炼钢信息，炼钢控制模组实时预报熔池温度和钢液成分、计算吹炼修正操作参数并判定吹炼终点，炼钢控制模组将吹炼修正操作参数传输至一级自动化系统，一级自动化系统控制氧枪升降部，顶吹阀组部，高位料仓部执行；
139.s4-a：炼钢控制模组内，状态判定模块利用火点区总温、特征反应强度、熔池背景温度数据，实时预报熔池温度和钢液成分；
140.s4-b：炼钢控制模组内，操作决策模块根据熔池温度和钢液成分，计算吹炼修正操作参数：
141.s4-c：炼钢控制模组内，终点控制模块根据熔池温度和钢液成分，判定吹炼终点；
142.s6响应于判定吹炼终点为未达成，则返回至步骤1继续循环，响应于判定吹炼终点为已达成，则进入下一步骤；
143.s7一级自动化系统执行停吹和出钢操作，炼钢控制模组启动自学习状态对炼钢控制模组中的关系函数进行修正并存储，本发明基于火点光谱分析的转炉炼钢控制系统关闭，等待下一炉指令。
144.本发明应用在300t脱磷转炉后，钢水脱磷率可提升5～7％，渣量减少5～9kg/t、终点命中率提升3～5％，终点氧减少30～50ppm、钢铁料消耗节约4kg/t，综合经济效益大于3元/t。
145.本发明具有操作简单，能够抗粉尘和烟雾干扰，适用于温度和成分等数据的非接触测量。本发明还可应用于其他类型的工业生产中，可以与遥感和遥控等智能化手段配合
使，应用领域广泛。
146.以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
147.应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
148.上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
149.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
150.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统，其特征在于，包括：转炉氧枪，所述转炉氧枪内设置有采光器以捕获火点区的特征光线；一级自动化系统，所述一级自动化系统包括光谱仪、光谱分析系统、氧枪控制模组、炼钢控制模组，所述光谱仪与所述转炉氧枪通过传输光纤连接，所述氧枪控制模组与所述转炉氧枪通信连接，所述氧枪控制模组获取所述炼钢控制模组的指令以控制所述转炉氧枪操作；二级信息系统，所述二级信息系统内存储炼钢信息，所述炼钢控制模组与所述二级信息系统通信连接以获取所述炼钢信息。2.根据权利要求1所述的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统，其特征在于，所述转炉氧枪包括具有中心氧孔的喷头，所述中心氧孔设置在中心氧管的端部，所述采光器沿所述中心氧管所在方向设置，并且设置位置距离所述喷头150～500mm。3.根据权利要求1所述的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统，其特征在于，所述氧枪控制模组包括高位料仓部、顶吹阀组部、氧枪升降控制部。4.根据权利要求1所述的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统，其特征在于，所述炼钢控制模组包括状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块，所述状态判定模块配置用于实时预报熔池温度和钢液成分；所述操作决策模块配置用于计算吹炼修正操作参数；所述终点控制模块配置用于判定吹炼终点。5.一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法，其特征在于，包括：s1启动转炉炼钢自动控制系统，炼钢控制模组进入初始化状态，一级自动化系统开始操控吹炼，待顶吹流量和枪位均达到取光阈值后，炼钢控制模组进入运算状态；s2火点区发出部分的光线逆向通过由氧气射流和氧枪喷孔形成的光路通道，进入所述采光器并将入射光线聚焦成为特征光信号，沿传输光纤传输进入光谱仪，所述光谱仪分光检测形成特征光谱数据，并传输至光谱分析系统；s3所述光谱分析系统利用所述特征光谱数据进行光谱数据分析，生成火点区反应强度、火点区钢水温度数据，并传输至炼钢控制模组；s4基于光谱数据分析数据以及从所述二级信息系统通信获取炼钢信息，所述炼钢控制模组实时预报熔池温度和钢液成分、计算吹炼修正操作参数并判定吹炼终点，所述炼钢控制模组将所述吹炼修正操作参数传输至一级自动化系统，所述一级自动化系统控制氧枪升降部，顶吹阀组部，高位料仓部执行；s6响应于所述判定吹炼终点为未达成，则返回至步骤1继续循环，响应于所述判定吹炼终点为已达成，则进入下一步骤；s7所述一级自动化系统执行停吹和出钢操作，所述炼钢控制模组启动自学习状态对炼钢控制模组中的关系函数进行修正并存储。6.根据权利要求5所述的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法，其特征在于，在s1中，炼钢控制模组进入初始化状态包括：状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块读取模型数据库，并更新参数；所述炼钢控制模组匹配生产计划，载入装料方案、工艺曲线、钢种目标的信息代码；状态判定模块，根据装料方案信息代码，通过所述二级信息系统载入入炉铁水、废钢的
重量、成分、温度数据，计算获得熔池初始温度t
s
和初始成分p
s(i)
，并规划熔池温度随成分变化的对照曲线；操作决策模块根据工艺曲线信息代码，通过所述二级信息系统载入转炉吹炼操作设定曲线，并规划熔池成分、温度随氧步变化的对照曲线；终点控制模块根据钢种目标信息代码，通过所述二级信息系统载入转炉吹炼终点目标温度
±
t
e
和目标成分
±
p
e(i)
范围。7.根据权利要求5所述的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法，其特征在于，在s4中，所述炼钢控制模组包括状态判定模块、操作修正模块、终点控制模块，其中，所述状态判定模块利用火点区总温、特征反应强度、熔池背景温度数据，实时预报熔池温度和钢液成分；所述操作决策模块根据熔池温度和钢液成分，计算吹炼修正操作参数；所述终点控制模块根据熔池温度和钢液成分，判定吹炼终点。8.根据权利要求7所述的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法，其特征在于，实时预报熔池温度和钢液成分包括：状态判定模块基于火点区内各化学反应强度d
(i)
和火点区钢水温度t
p
的实时数据，熔池温度和钢液成分进行预报。9.根据权利要求7所述的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法，其特征在于，供氧流量、顶吹枪位、补热剂投入和冷却剂投入的单次修正步长分别设定为dl、dh、ds
(补)
、ds
(冷)
，计算所述吹炼修正操作参数的方法包括：基于供氧总量q
t
数据，查询熔池钢水成分随氧步变化对照曲线，获得参考熔池钢水成分p
c(i)
，由参考钢液成分p
c(i)
累加获得：p
c
＝∑p
c(i)
；基于供氧总量q
t
数据，查询熔池钢水温度随氧步变化对照曲线，获得参考熔池钢水温度t
c
；由熔池钢水成分p
(i)
累加获得p＝∑p
(i)
；若熔池钢水温度进度正常，即t≈t
c
，且钢液成分进度正常，即∑p≈∑p
c
，则不调整；若熔池温度进度滞后，即t<t
c
，且钢液成分进度滞后，即∑p>∑p
c
，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh；若熔池温度进度滞后，即t<t
c
，且钢液成分进度超前，即∑p<∑p
c
，则降低供氧流量-dl，提高枪位+dh，投入补热剂ds
(补)
；若熔池温度进度超前，即t>t
c
，且钢液成分进度滞后，即∑p>∑p
c
，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh，投入冷却剂ds
(冷)
；若温度进度超前，即t>t
c
，且钢液成分进度超前，即∑p<∑p
c
，则提高供氧流量+dl，降低枪位-dh。10.根据权利要求7所述的基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统的运行方法，其特征在于，判断所述吹炼终点是否达成包括：若温度达成，即t>＝t
e
，且成分达成，即p
(i)
<p
e(i)
，则终点达成；若温度达成，即t>＝t
e
，且成分未达成，即p
(i)
>p
e(i)
，则终点未达成；若温度未达成，即t<t
e
，且成分达成，即p
(i)
<p
e(i)
，则终点未达成；
若温度未达成，即t<t
e
，且成分未达成，即p
(i)
>p
e(i)
，则终点未达成。

技术总结
本发明公开了一种基于火点区发光检测的转炉炼钢自动控制系统及运行方法，该系统包括：转炉氧枪、一级自动化系统、二级信息系统，所述转炉氧枪内设置有采光器以捕获火点区的特征光线；一级自动化系统包括光谱仪、光谱分析系统、氧枪控制模组、炼钢控制模组，光谱仪与转炉氧枪通过传输光缆连接，氧枪控制模组与转炉氧枪通信连接；二级信息系统内存储炼钢信息，炼钢控制模组与二级信息系统通信连接以获取炼钢信息。本发明通过全光谱采集和数据分析，系统研究了炼钢火点区冶金状态与辐射强度、光谱组成的耦合关系，建立了描述钢水温度、反应速率与钢水发光的混合辐射模型函数。实现了对火点区内的化学反应强度、火点区钢水温度的数值表征。的数值表征。的数值表征。


技术研发人员：董凯 孟令辉 朱荣 周赟 王春阳 任鑫 薛志涛
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/25