0 引言

　　RH 真空精炼是一套高水平、高起点的精炼设备。为了提高产品质量 ，降低能耗和生产成本 ，采用一个现代化的自动控制系统 ，以实现生产过程监视和过程最佳化、提高生产率及产品质量。RH 工艺部分采用过程控制计算机系统与基础自动化共同完成整个工艺过程的生产操作、控制。
　　本文主要对过程控制计算机系统进行研究。研究的主要内容如下 ：
　　1）RH 真空精炼工艺 ；
　　2）RH 过程控制系统设计 ；
　　3）RH 过程控制数学模型。

　　1 RH 真空精炼工艺

　　2 RH 真空循环原理

　　处理钢液时 ，真空室两个插入管插进钢包钢液中 ，并在上升管通入驱动气体氩气。由于真空室内抽真空的作用 ，钢液通过两个插入管上升到气压差高度 ；同时由于上升管内通过 2 层氩气小孔通入氩气 ，气体在高温 ，低压作用下 ，体积增大 ，由理想 - 气体方程可知 ，插入管的压力瞬间降低 ，在压力差的作用下 ，钢液喷溅到真空室内。同时 ，钢液由于重力的作用 ，汇集到真空室底部 ，经下降管返回到钢包内。在提升气体氩气不断驱动下 ，钢包中钢液周期性通过真空室脱气 ，形成循环。

　　3 RH 主要冶金功能

　　RH 真空精炼主要用于脱气 ，合金微调、温度调整、均匀钢水成分功能。因此 ，RH 真空精炼主要冶金功能如下 ：
　　1）脱氢（本处理）：利用不同压力下 ，氢元素的溶解能力不同的特性。通过不断降低真空室内压力 ，将钢液中的游离氢元素析出形成氢气 ；
　　2）自然脱碳 ：随着真空室内压力不断降低 ，碳氧反应越来越剧烈 ；
　　3）强制脱碳 ：采用顶吹氧技术可连续进行脱碳处理 ；
　　4）真空脱氧（轻处理）：碳氧是相辅相成的元素 ，与自然脱碳相对 ，只是看哪个元素占主导地位 ；
　　5）添加不同合金 ，调整不同的元素含量 ，最终达到钢种标准要求 ；
　　6）提高钢水洁净度 ：RH 钢水循环有利于大颗粒的夹杂物上浮排除 ；
　　7）调温 ：通过加铝对钢水进行化学加热。

　　4 RH 过程控制系统设计

　　5 主要功能

　　RH 过程控制计算机系统主要功能如下 ：
　　1）接收三级下发的生产计划 ，钢种标准 ，原料代码 ；
　　2）接收检化验系统的钢水检验信息和钢渣检验信息 ；
　　3）根据处理流程事件 ，由人工或自动启动工艺数据模型计算 ；
　　4）采集生产过程数据 ，生成炉次报表 ；
　　5）提供数学模型的离线数据的复现功能 ，根据历史生产数据进行参数调整。

　　模块划分

　　RH 计算机过程控制系统由一级通讯程序 ，数据库 ，外部通讯程序 ，过程跟踪程序 ，模型计算程序 ，客户端组成。

　　一级通讯程序

　　一级通讯程序采集 RH 生产过程数据 ，包括事件信号、生产数据、设备数据等。并接收设定值 ，下发给一级。
　　与基础自动化通讯有 Socket 的电文方式、OPC 方式等。

　　数据库

　　数据库包括实时数据库、生产计划数据库、标准数据库、模型数据库、生产报告数据库、生产实绩数据库。

　　模型计算

　　启动工艺模型计算设定值 ，提供工艺操作指导 ，指导优化生产。

　　外部通讯程序

　　外部通讯程序分为三级通讯程序 ，检化验通讯程序。
　　三级通讯程序是接收三级生产计划 ，接收来自三级下达的制造标准、作业标准信息、物料信息、钢种成分标准信息、转炉生产实绩、钢包炉生产实绩、前工序加料实绩、前后工序的生产状态 ；发送 RH 站的定氧测温实绩、生产状态、加料实绩、生产实绩。
　　检化验通讯程序是接收钢水和钢渣的检验成分信息。

　　过程跟踪

　　过程跟踪包括 RH 本工序的跟踪和前后工序生产状态的跟踪。
　　主要内容如下 ：
　　1）流程事件的时间采集 ，比如真空处理开始和结束时间 ；
　　2）合金加料采集 ；
　　3）保温剂加料采集 ；
　　4）喂丝机喂丝采集
　　5）生产实时数据采集 ；
　　6）设备管理 ；
　　7）吹氧数据采集 ；
　　8）测量数据采集，包括测温、定氧、测重、定氢等测量事件。
　　客户端客户端主要功能如下 ：
　　系统管理 ：用户管理、用户组管理、修改密码 ；日志查询、自动升级、倒班管理生产计划管理 ：确保生产根据预先制定的生产计划执行。
　　显示三级接收的生产计划 ，并提供计划的录入功能。
　　生产监控 ：包括两个方面 ，一方面是前后工序的生产状态监控 ；另一方面是 RH 站的过程数据监控 ，包括测温定氧 ，加合金 ，吹氧 ，取样 ，生产事件 ，真空度等信息 ，检化验信息。
　　历史数据 ：检化验数据、转炉生产数据、钢包炉生产数据、RH 生产报告、合金实绩、生产事件、测量实绩、吹氧实绩、过程实时数据查询。
　　基础数据维护 ：物料信息、钢种标准、料仓信息、设备信息的维护。
　　模型参数维护 ：制造方案、真空度模式、环流氩气模式、顶吹氧模式、合金加料模式、RH 模型参数的维护。
　　模型计算画面 ：用于静态模型计算、合金模型计算、温度预测结果显示、成分预测结果显示。
　　生产报表 ：用于产生相关生产报表。

　　RH 过程控制数学模型

　　数学模型采用方法是 ，基于冶金热力学和动力学反应 ，以物料平衡和热量平衡为依据 ，结合生产经验进行修正 ，得到实用的工艺数学模型。目前 ，实用化的数学模型主要以静态预报为主 ，基本包括预报 RH 处理过程中钢水 [C]、[O] 和温度、进行合金化计算。虽也有采用废气定碳模型的 ，但仍存在一些问题 ，效果不理想 ；另外 ，随着 RH 设备和处理钢种的不同 ，模型的功能也不尽相同。但随着计算机技术的发展 ，特别是 CPU处理速度的大幅提升 ，将为采用先进方法 ，处理更复杂和更多的运算以及实时控制和自适应修正提供条件 ，将会大大提高数学模型的精度。

　　模型主要功能

　　RH 过程控制数学模型根据钢种要求、钢水原始条件和 RH处理动态实测信息进行计算 ，预报处理过程状态、提供所需的设定值 ，并向基础自动化发送信号 ，使 RH 处理在最短时间内达到要求的钢水温度和成分。
　　具体功能如下 ：
　　1）处理开始之前 ，根据冶炼钢种 ，提供正确的处理方案 ；
　　2）根据废气分析仪检测的废气含量 ，动态预报钢水中[C]，[O] 浓度变化 ；
　　3）计算升温铝和降温所需要的废钢量 ；
　　4）真空脱碳结束后（或前期循环后），计算确定脱氧剂及合金加入量的设定值 ；
　　4）预报钢水的元素成分 ；
　　5）数据汇总、处理、形成参考炉的数据库和数据文件。
　　模型主要模块按照完成不同的功能 ，将模型分为五个模块 ：
　　1）操作模式和操作指导模型 ；2）脱碳模型 ；3）合金化模型 ；4）温度控制和预报模型 ；5）钢水成分预报模型。

　　操作模式和操作指导模型

　　RH 处理模式按钢种可分为三类 ，分别是轻处理、本处理、深脱碳 ；对于不同的钢种 ，RH 操作指定出不同的制造方案。
　　可根据 RH 处理的初始信息 ，将工艺标准和生产实践相结合 ，适当完善后固化在模型中。

　　脱碳模型

　　RH 处理初期采用静态脱碳模型 ，预测钢水在某一种制造方案下 ，碳氧浓度变化趋势。
　　动态脱碳模型是指在处理过程中结合废气测量信息 ，实时预报碳含量的目标。
　　求出碳含量后 ，根据碳、氧平衡或整个系统的氧平衡分析计算钢水的自由氧浓度。
　　合金化模型合金化模型主要目的是 ：计算需要加入的合金种类和重量 ，且使 RH 处理终点钢水成分命中在以钢种目标中心的较窄范围内。
　　其处理方法是 ：根据钢种目标成分、钢水检化验成分及合金原料信息等条件 ，也可人工设定目标成分、初始成分、原料相关参数 ，采用单纯形算法计算出最小成本合金配方。
　　温度预报和控制模型.
　　RH 处理过程中 ，影响钢水温度的因素主要分三部分 ：
　　1）各种化学反应（脱碳、二次燃烧等）的影响 ；
　　2）合金及脱氧剂加入对钢水温度的影响 ；
　　3）钢水散热、钢包和真空室蓄热等引起的过程温降。
　　它是基于化学反应热力学、传热模型和二次燃烧模型等 ，根据钢液初始信息 ，生产过程中的操作情况 ，实时预报 RH 处理过程钢水温度变化 ，预报 RH 处理终点钢水的温度。
　　成分预报模型根据钢水实测成分 ，以冶金反应热力学、反应动力学传输原理和精炼过程的物料平衡为基础 ，考虑到吹氧、加合金等因素后预报精炼过程中钢水的各成分的变化 ，以及预报处理过程中的钢水成分变化 ，预报 RH 处理终点钢水的成分。

　　4 结论

　　随着计算机和自动控制水平的提高 ，RH 过程控制计算机系统在指导 RH 生产 ，优化控制冶金流程 ，节能减排 ，减少人员投入等方面 ，都有很大的作用。

　　参考文献
　　[1]陈达士.最新炉外精炼及铁水预处理新工艺、新技术实用手册[M].当代中国音像出版社，2005.
　　[2]黄希祜.钢铁冶金原理[M].3版，冶金工业出版社，2002.

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