鐵水脫硫動態(tài)噴鎂專家系統(tǒng)的研究和應(yīng)用

摘 要：本文對鐵水脫硫的工藝原理進行了研究，確定了專家系統(tǒng)參數(shù)選取的原則，實現(xiàn)了根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化，對噴鎂速度進行實時調(diào)節(jié)，以達到優(yōu)化鎂粉利用率的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：鐵水脫硫；動態(tài)噴鎂；專家系統(tǒng)

中圖分類號：TP273.5

硫是當(dāng)前鋼種中含有的有害元素，對鋼坯的性能及質(zhì)量有較大影響，因此控制硫的含量或者脫硫系統(tǒng)成為冶金行業(yè)研究的主題。本文研究的內(nèi)容是建立一套鐵水脫硫的專家系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化，對噴鎂速度進行實時調(diào)節(jié)，以達到優(yōu)化鎂粉利用率的目標(biāo)。

1 鎂粉脫硫的工藝研究

1.1 鎂粉脫硫工藝原理

根據(jù)鎂的物理特性可知熔點為651℃，沸點為1110℃，低于鐵水的溫度，鎂和鐵水混合后，將歷經(jīng)一定的變化過程。鎂蒸氣壓在不同壓強單位下的計算方法為：

Lgp（Torr）=-7550/T-1.41lgT+12.79 （1）

Lgp（atm）=-6802/T+4.993 （2）

式中：P為鎂蒸氣壓；

鎂粒在鐵水中的氣化溶解，因此鎂在鐵水中與硫的反應(yīng)表現(xiàn)形式為：

[Mg]+[S]→MgS（s） △G0i=-104100+44.07T （3）

Mg（g）+[S]→MgS（s） △G0i=-427367+108.67T （4）

在1350℃，鎂具有較強的脫硫能力，反應(yīng)平衡硫含量為1.6×10-5。根據(jù)熱動力學(xué)原理，△G0i越小，反應(yīng)越容易進行，因此鎂粒在低溫時很有效的脫硫劑。

1.2 脫硫?qū)＜蚁到y(tǒng)參數(shù)的選取

鎂粉脫硫是一個相抵比較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，影響的因素較多，從工藝上進行改善相對比較難，因此，應(yīng)作為一個整體進行研究，通過建立模型，研究影響的主要參數(shù)對其輸出輸入找出對應(yīng)的關(guān)系進行整體研究，完善相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)。可通過現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，分析和比較影響鎂粉脫硫效率的參數(shù)，再經(jīng)反復(fù)試驗進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。其影響因素主要包括：溫度、含硫量、鐵水質(zhì)量、噴吹速度等。

（1）鐵水含硫量。表1是山東鋼鐵集團萊蕪分公司新二區(qū)鐵水脫硫的生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，含硫量的高低影響脫硫效果利用率。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 鐵水硫含量對鎂粒利用率的影響

從數(shù)據(jù)表格可看出，硫含量越高，脫硫進行比較順利，脫硫效果比較明顯，利用率相對較高，因此，鐵水中的初始含硫量和脫硫后的鐵水含硫量都是模型中的變量參數(shù)，對其模型影響因素較大。

（2）鐵水溫度。溫度對于鐵水脫硫影響因素較大。圖1不同溫度下鐵水脫硫效果圖。通過不同溫度下的實驗結(jié)果統(tǒng)計分析，相同的初始條件下，鐵水溫度越高，鐵水中需溶解平衡的鎂元素也越高，脫硫的鎂利用率較低，脫硫效果也逐漸下降。

圖1 鎂硫在不同鐵水溫度下的平衡

只以鐵水的初始硫含量和鐵水溫度兩個變量建立一個單位鎂粉脫硫效率的模型，鎂粉脫硫效率與鐵水溫度間的關(guān)系與圖1統(tǒng)計的數(shù)據(jù)實驗結(jié)果相同。

（3）噴吹時間與噴吹速度。采用同樣的方法，建立以噴吹速度和噴吹時間為自變量，鎂粉脫硫效率為因變量的模型，并擬合出曲面圖?？梢灾庇^的看出三者之間的關(guān)系，但是實際生產(chǎn)過程中鐵水脫硫的噴吹速度會隸屬于一個區(qū)間之內(nèi)，例如新二區(qū)的鎂粉噴吹速度最高不超過4kg/min最低也保持在2kg/min以上。這是因為噴吹速度過快會造成鐵水噴濺，噴吹速度不足會影響生產(chǎn)進度。因此對噴吹速度的取值需要加以限制。

（4）鐵水重量。鐵水重量直接影響鎂粉用量的多少，同時決定了噴吹時間的長短，因此也會影響鎂粉脫硫效率的高低，因此也作為建立模型的所需變量。

1.3 脫硫生產(chǎn)過程中存在的缺陷

如上分析可知，鐵水脫硫過程中，影響鎂粒脫硫效率的因素較為繁雜，而現(xiàn)在國內(nèi)各鋼鐵企業(yè)所采用的鐵水脫硫生產(chǎn)過程中存在一定的缺陷。首先鎂量計算所采用的公式較為簡單，以萊鋼新二區(qū)鐵水脫硫為例，其鎂粒計算非常簡單，難以體現(xiàn)各方面因素對鎂粒脫硫效率的影響，其計算公式為：

（2Sy-Sx+K）W=Mg （5）

其中Sx為初始硫含量；Sy為目標(biāo)硫含量；K為調(diào)節(jié)系數(shù)，根據(jù)目標(biāo)硫的設(shè)定不同而改變；W為鐵水重量；Mg為鎂粒重量。

另外，鐵水脫硫過程中，鎂粒的噴吹速度一般設(shè)為固定值。但是正如前文所述，鐵水中的硫含量隨著噴吹時間的延長逐漸降低，噴吹速度過快不利于鎂粒的利用，還會造成鐵水噴濺，形成浪費；噴吹速度過慢會提高噴吹后期的鎂粒利用率，但是會降低噴吹初期的脫硫效果，延長噴吹時間，溫降大、生產(chǎn)率低，工藝上也不可取。因此采取固定的噴吹速度難以使鎂粒得到最大的利用效果。

2 鎂粉脫硫?qū)＜蚁到y(tǒng)的實現(xiàn)

脫硫噴吹優(yōu)化的模型及算法利用現(xiàn)有的脫硫PLC系統(tǒng)予以實現(xiàn)，系統(tǒng)采用了PLC控制系統(tǒng)和西門子S7-400，運用現(xiàn)場采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備運行狀況及影響脫硫參數(shù)，通過計算機系統(tǒng)進行處理，對影響脫硫效果的參數(shù)進行優(yōu)化處理及運算，進行實時調(diào)節(jié)噴吹速度，通過以太網(wǎng)對設(shè)備進行變頻通訊，控制設(shè)備良好運行。上位機選用戴爾服務(wù)器，P4/3.0G/512M/80G/16 DVDROM，Windows XP操作系統(tǒng)，編程軟件利用的step7 V5.4，通過西門子WINCC V6.2作為監(jiān)控畫面進行人機操作，HMI畫面可輸入相關(guān)的鋼坯數(shù)據(jù)，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，對鐵水狀況進行實時的監(jiān)控，并附有相關(guān)的報警。

3 結(jié)束語

鐵水脫硫系統(tǒng)具有一定的特殊性，將其視為一個多變量輸入，單變量輸出的系統(tǒng)來說，鐵水在脫硫生產(chǎn)的過程中，鐵水中的硫元素含量無法實時測量，系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中無法得到輸出的反饋。因此一直以來，都是根據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，計算出鎂粉用量，然后采用固定的噴吹速度進行生產(chǎn)，難免會造成鎂粉的浪費。該項目的技術(shù)路線具有較強的擴展性，在輸出變量難以進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)中，如轉(zhuǎn)爐吹氧、精煉上料等等，均有應(yīng)用的可能，可以達到減少生產(chǎn)原材料消耗，提升產(chǎn)品精度及附加值的目的。

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作者簡介：劉同飛（1986-），男，助理工程師，研究方向：工業(yè)自動控制系統(tǒng)的研發(fā)與系統(tǒng)維護。

作者單位：山東鋼鐵集團萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪 271104