转炉终点命中率提升的工艺优化措施

摘要：转炉终点命中率是衡量炼钢过程控制水平的核心指标，直接影响钢水质量、生产成本与生产节奏。本文从动态控制技术和底吹工艺优化两个维度，系统阐述了提升转炉终点碳温命中率的工艺措施。在动态控制方面，重点介绍了副枪—模型联动预报、炉气分析在线监测与反馈控制以及人工智能预测模型的应用，在底吹工艺方面，围绕底吹元件布置与维护、供气制度优化及气体种类选择展开论述。实践表明，综合运用上述措施可显著提高终点命中率的同时降低补吹率，为高效低成本炼钢提供技术支撑。

关键词： 转炉炼钢；终点命中率；动态控制；底吹工艺；智能化炼钢

转炉炼钢的核心任务是在规定时间内将铁水冶炼至目标碳含量和出钢温度，终点命中率的高低直接决定了补吹次数、合金消耗、炉衬寿命以及钢水洁净度。传统的静态模型受限于入炉条件波动，难以满足高精度控制需求，因此动态控制技术与底吹工艺优化成为当前提升终点命中率最直接、最有效的技术路径。

1 动态控制技术改进

1.1 副枪—模型联动的终点预报

副枪和模型联动是转炉动态控制里应用成熟的技术手段之一，在吹炼中后期副枪深入熔池直接测量钢水温度、碳含量及氧活度等关键参数，然后把实测数据实时反馈到过程控制模型之中，模型根据当前状态和目标终点之间的偏差，动态计算剩余吹氧量和冷却剂加入量并对枪位和供氧强度进行在线修正，该技术核心优势在于能有效弥补静态模型对入炉条件波动响应滞后的缺陷，将终点控制从“开环”转变为“闭环”，在实际应用中副枪的测量时机选择十分重要，过早测量会导致获取的信息不够充分，过晚测量则留给模型调整的时间会不足，合理的测量窗口通常设定在吹炼进度百分之七十至百分之八十五之间，这时熔池碳含量已降至较低水平且温度上升趋势趋于稳定，模型有足够调整空间来实现精准命中^[1]。

1.2 炉气分析在线监测与反馈控制

炉气分析技术能通过连续检测转炉炉气里一氧化碳、二氧化碳和氧气等组分浓度变化，实时推算出熔池的脱碳速率以及瞬时碳含量，和副枪的离散式测量对比，炉气分析可实现全吹炼过程的连续监测，还能够捕捉到吹炼过程中脱碳速率的瞬态变化，为动态调控提供更高时间分辨率的信息，其基本原理为在已知供氧流量和炉气流量条件下，依据炉气中碳氧化物的浓度来计算脱碳速率，再通过对脱碳速率进行时间积分推算熔池碳含量，当脱碳速率出现明显下降的时候，表明熔池碳含量已接近临界值，此时应该适当降低供氧强度以防止过吹，炉气分析系统和副枪相互补充，前者提供连续趋势信息，后者提供精确的离散校准点，二者联合使用可显著提升终点预报的可靠性和精度^[2]。

1.3 人工智能预测模型的应用

最近这些年，像人工神经网络、支持向量机还有随机森林这类人工智能算法，在转炉终点预测领域受到广泛关注，这类模型是以历史冶炼数据作为基础，把铁水成分与温度、废钢配比、供氧量、枪位模式、底吹参数等多维特征当作输入，将终点碳含量和温度作为输出目标，通过大量样本训练来建立输入与输出之间的非线性映射关系，和传统机理模型相比较，人工智能模型有着较强的自适应能力和容错性，能够有效处理入炉条件波动所带来的不确定性，深度学习方法进一步提高了模型对复杂过程特征的提取能力，而强化学习则可以在动态控制中实现策略的自优化，不过，人工智能模型的性能高度依赖训练数据的质量和覆盖范围，模型的可解释性也需要进一步提升，所以在实际应用里通常会把它和机理模型结合起来，形成混合建模策略以兼顾精度与可靠性^[3]。

2 底吹工艺优化

2.1 底吹元件的合理布置与维护

底吹元件的布置情况直接决定熔池搅拌均匀性与效率，透气砖的数量、位置和间距要依据转炉容量、炉型特征以及冶炼钢种来进行优化设计，合理的布置方案应让底吹气流在熔池内形成均匀分散的气泡群，以此避免出现搅拌死区或者局部过度搅拌的状况，透气砖一般采用同心圆或者非对称的布置方式，前者适用于中小型转炉而后者在大容量转炉中能更好匹配熔池流动特征，底吹元件的维护工作同样是非常重要的，长期使用过程中透气砖表面容易被钢渣附着或者堵塞，这会导致有效通气面积减小以及搅拌效果劣化，建立底吹元件状态在线监测制度，通过检测各支路流量和压力的变化趋势来判断堵塞程度，并且制定定期清理和更换计划，这是保障底吹系统长期稳定运行的基础措施，底吹元件布置方案对比详情见下表。

表1 底吹元件布置方案对比详情

2.2 底吹强度与供气制度的优化

底吹强度依据冶炼阶段进行动态调整是提升终点命中率重要策略，吹炼前期熔池温度较低且渣层未充分熔化，此时底吹强度不能过大以防铁水喷溅与炉底过度冲刷，吹炼中期碳氧反应进入高峰期熔池搅拌需求增大，适当提高底吹强度可加速脱碳反应并促进渣钢界面反应平衡，吹炼末期熔池碳含量已接近目标值，应降低底吹强度至弱搅拌状态利于熔池静置及成分均匀化，分阶段供气制度需结合具体炉况和钢种要求做精细化调整，不同钢种对搅拌强度敏感度存在差异高碳钢对末期搅拌控制要求更严格，建立底吹强度与供氧强度、枪位协同匹配关系可实现全吹炼过程熔池搅拌状态优化控制^[4]。

2.3 底吹气体种类的选择

底吹气体种类的选择要在经济性和钢水质量之间达成平衡，氮气价格比较低廉所以是底吹气体常用的选择，然而在吹炼后期钢水温度较高的时候，氮气在钢液中的溶解度会显著增加，这可能会导致钢水增氮进而影响钢材的时效韧性和焊接性能，氩气属于惰性气体不会和钢水发生反应，是保证钢水纯净度的最佳选择但成本相对较高，所以实际生产中普遍采用氮氩切换制度，吹炼前期和中期使用氮气来降低运行成本，吹炼后期切换为氩气以避免增氮风险，切换时机要根据钢种对氮含量的要求合理确定，对于氮含量要求严格的深冲钢、管线钢等高品质品种可考虑全程使用氩气底吹，另外近年来二氧化碳作为底吹气体的研究也取得了一定进展，二氧化碳与钢水中的碳发生反应生成一氧化碳，具有一定的脱碳和降温效果，为底吹气体选择提供了新的思路^[5]。

结论：

动态控制技术是达成转炉终点精准预报的核心手段，副枪，模型联动为其提供可靠的离散校准，炉气分析实现对连续过程的有效监测，二者联合使用能大幅提升终点碳温的命中率，人工智能预测模型可有效挖掘多维过程数据里的隐含规律，弥补传统机理模型在非线性映射能力方面的不足，是提升动态控制精度的重要发展方向，底吹工艺优化借助合理布置底吹元件、分阶段调整供气制度以及科学选择气体种类，有效改善熔池搅拌条件，为碳氧反应提供良好的动力学环境，动态控制与底吹工艺协同优化是当前转炉炼钢提升终点命中率最直接有效的技术路径，二者相互配合且互为支撑，共同推动转炉炼钢朝着精准化、智能化方向发展。

参考文献：

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[3]黄一鑫,赵自鑫,钟良才,等. 基于集成学习的转炉吹炼终点磷锰预测模型[J].炼钢,2023,39 (6):15-22.

[4]侯荣. 试论提高转炉炼钢终点命中率的控制措施[J].山西冶金,2023,46 (6):101-103.

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