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摘 要：本文对铁水脱硫的工艺原理进行了研究，确定了专家系统参数选取的原则，实现了根据系统参数变化，对喷镁速度进行实时调节，以达到优化镁粉利用率的目标。
关键词：铁水脱硫；动态喷镁；专家系统
中图分类号：TP273.5
硫是当前钢种中含有的有害元素，对钢坯的性能及质量有较大影响，因此控制硫的含量或者脱硫系统成为冶金行业研究的主题。本文研究的内容是建立一套铁水脱硫的专家系统，根据系统参数变化，对喷镁速度进行实时调节，以达到优化镁粉利用率的目标。
1 镁粉脱硫的工艺研究
1.1 镁粉脱硫工艺原理
根据镁的物理特性可知熔点为651℃，沸点为1110℃，低于铁水的温度，镁和铁水混合后，将历经一定的变化过程。镁蒸气压在不同压强单位下的计算方法为：
Lgp（Torr）=-7550/T-1.41lgT+12.79 （1）
Lgp（atm）=-6802/T+4.993 （2）
式中：P为镁蒸气压；
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：
[Mg]+[S]→MgS（s） △G0i=-104100+44.07T （3）
Mg（g）+[S]→MgS（s） △G0i=-427367+108.67T （4）
在1350℃，镁具有较强的脱硫能力，反应平衡硫含量为1.6×10-5。根据热动力学原理，△G0i越小，反应越容易进行，因此镁粒在低温时很有效的脱硫剂。
1.2 脱硫专家系统参数的选取
镁粉脱硫是一个相抵比较复杂的化学反应过程，影响的因素较多，从工艺上进行改善相对比较难，因此，应作为一个整体进行研究，通过建立模型，研究影响的主要参数对其输出输入找出对应的关系进行整体研究，完善相关系统参数。可通过现场采集的数据进行分析和统计，分析和比较影响镁粉脱硫效率的参数，再经反复试验进行数据统计分析。其影响因素主要包括：温度、含硫量、铁水质量、喷吹速度等。
（1）铁水含硫量。表1是山东钢铁集团莱芜分公司新二区铁水脱硫的生产线的数据统计，含硫量的高低影响脱硫效果利用率。统计结果见表1。
表1 铁水硫含量对镁粒利用率的影响
从数据表格可看出，硫含量越高，脱硫进行比较顺利，脱硫效果比较明显，利用率相对较高，因此，铁水中的初始含硫量和脱硫后的铁水含硫量都是模型中的变量参数，对其模型影响因素较大。
（2）铁水温度。温度对于铁水脱硫影响因素较大。图1不同温度下铁水脱硫效果图。通过不同温度下的实验结果统计分析，相同的初始条件下，铁水温度越高，铁水中需溶解平衡的镁元素也越高，脱硫的镁利用率较低，脱硫效果也逐渐下降。
图1 镁硫在不同铁水温度下的平衡
只以铁水的初始硫含量和铁水温度两个变量建立一个单位镁粉脱硫效率的模型，镁粉脱硫效率与铁水温度间的关系与图1统计的数据实验结果相同。
（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。可以直觀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，例如新二区的镁粉喷吹速度最高不超过4kg/min最低也保持在2kg/min以上。这是因为喷吹速度过快会造成铁水喷溅，喷吹速度不足会影响生产进度。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。
1.3 脱硫生产过程中存在的缺陷
如上分析可知，铁水脱硫过程中，影响镁粒脱硫效率的因素较为繁杂，而现在国内各钢铁企业所采用的铁水脱硫生产过程中存在一定的缺陷。首先镁量计算所采用的公式较为简单，以莱钢新二区铁水脱硫为例，其镁粒计算非常简单，难以体现各方面因素对镁粒脱硫效率的影响，其计算公式为：
（2Sy-Sx+K）W=Mg （5）
其中Sx为初始硫含量；Sy为目标硫含量；K为调节系数，根据目标硫的设定不同而改变；W为铁水重量；Mg为镁粒重量。
另外，铁水脱硫过程中，镁粒的喷吹速度一般设为固定值。但是正如前文所述，铁水中的硫含量随着喷吹时间的延长逐渐降低，喷吹速度过快不利于镁粒的利用，还会造成铁水喷溅，形成浪费；喷吹速度过慢会提高喷吹后期的镁粒利用率，但是会降低喷吹初期的脱硫效果，延长喷吹时间，温降大、生产率低，工艺上也不可取。因此采取固定的喷吹速度难以使镁粒得到最大的利用效果。
2 镁粉脱硫专家系统的实现
脱硫喷吹优化的模型及算法利用现有的脱硫PLC系统予以实现，系统采用了PLC控制系统和西门子S7-400，运用现场采集的生产数据及设备运行状况及影响脱硫参数，通过计算机系统进行处理，对影响脱硫效果的参数进行优化处理及运算，进行实时调节喷吹速度，通过以太网对设备进行变频通讯，控制设备良好运行。上位机选用戴尔服务器，P4/3.0G/512M/80G/16 DVDROM，Windows XP操作系统，编程软件利用的step7 V5.4，通过西门子WINCC V6.2作为监控画面进行人机操作，HMI画面可输入相关的钢坯数据，设置相关的参数，对铁水状况进行实时的监控，并附有相关的报警。
3 结束语
铁水脱硫系统具有一定的特殊性，将其视为一个多变量输入，单变量输出的系统来说，铁水在脱硫生产的过程中，铁水中的硫元素含量无法实时测量，系统在生产过程中无法得到输出的反馈。因此一直以来，都是根据经验模型，计算出镁粉用量，然后采用固定的喷吹速度进行生产，难免会造成镁粉的浪费。该项目的技术路线具有较强的扩展性，在输出变量难以进行实时监测的系统中，如转炉吹氧、精炼上料等等，均有应用的可能，可以达到减少生产原材料消耗，提升产品精度及附加值的目的。
参考文献：
[1]马竹梧，邹立功，孙彦广.钢铁工业自动化-炼钢卷[M].北京：冶金工业出版社，2003.
[2]阎凤仪.镁基粉剂脱硫工艺优化与实践[J].钢铁，2003（02）：13.
[3]孙恩茂.铁水脱硫在鞍钢的生产及应用[J].钢铁，2003（04）：13.
[4]史晓蓉.铁水预处理在钢铁生产中的作用[J].钢铁技术，2003（03）：5.
作者简介：刘同飞（1986-），男，助理工程师，研究方向：工业自动控制系统的研发与系统维护。
作者单位：山东钢铁集团莱芜分公司自动化部，山东莱芜 271104
关键词：铁水脱硫；动态喷镁；专家系统
中图分类号：TP273.5
硫是当前钢种中含有的有害元素，对钢坯的性能及质量有较大影响，因此控制硫的含量或者脱硫系统成为冶金行业研究的主题。本文研究的内容是建立一套铁水脱硫的专家系统，根据系统参数变化，对喷镁速度进行实时调节，以达到优化镁粉利用率的目标。
1 镁粉脱硫的工艺研究
1.1 镁粉脱硫工艺原理
根据镁的物理特性可知熔点为651℃，沸点为1110℃，低于铁水的温度，镁和铁水混合后，将历经一定的变化过程。镁蒸气压在不同压强单位下的计算方法为：
Lgp（Torr）=-7550/T-1.41lgT+12.79 （1）
Lgp（atm）=-6802/T+4.993 （2）
式中：P为镁蒸气压；
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：
[Mg]+[S]→MgS（s） △G0i=-104100+44.07T （3）
Mg（g）+[S]→MgS（s） △G0i=-427367+108.67T （4）
在1350℃，镁具有较强的脱硫能力，反应平衡硫含量为1.6×10-5。根据热动力学原理，△G0i越小，反应越容易进行，因此镁粒在低温时很有效的脱硫剂。
1.2 脱硫专家系统参数的选取
镁粉脱硫是一个相抵比较复杂的化学反应过程，影响的因素较多，从工艺上进行改善相对比较难，因此，应作为一个整体进行研究，通过建立模型，研究影响的主要参数对其输出输入找出对应的关系进行整体研究，完善相关系统参数。可通过现场采集的数据进行分析和统计，分析和比较影响镁粉脱硫效率的参数，再经反复试验进行数据统计分析。其影响因素主要包括：温度、含硫量、铁水质量、喷吹速度等。
（1）铁水含硫量。表1是山东钢铁集团莱芜分公司新二区铁水脱硫的生产线的数据统计，含硫量的高低影响脱硫效果利用率。统计结果见表1。
表1 铁水硫含量对镁粒利用率的影响
从数据表格可看出，硫含量越高，脱硫进行比较顺利，脱硫效果比较明显，利用率相对较高，因此，铁水中的初始含硫量和脱硫后的铁水含硫量都是模型中的变量参数，对其模型影响因素较大。
（2）铁水温度。温度对于铁水脱硫影响因素较大。图1不同温度下铁水脱硫效果图。通过不同温度下的实验结果统计分析，相同的初始条件下，铁水温度越高，铁水中需溶解平衡的镁元素也越高，脱硫的镁利用率较低，脱硫效果也逐渐下降。
图1 镁硫在不同铁水温度下的平衡
只以铁水的初始硫含量和铁水温度两个变量建立一个单位镁粉脱硫效率的模型，镁粉脱硫效率与铁水温度间的关系与图1统计的数据实验结果相同。
（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。可以直觀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，例如新二区的镁粉喷吹速度最高不超过4kg/min最低也保持在2kg/min以上。这是因为喷吹速度过快会造成铁水喷溅，喷吹速度不足会影响生产进度。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。
1.3 脱硫生产过程中存在的缺陷
如上分析可知，铁水脱硫过程中，影响镁粒脱硫效率的因素较为繁杂，而现在国内各钢铁企业所采用的铁水脱硫生产过程中存在一定的缺陷。首先镁量计算所采用的公式较为简单，以莱钢新二区铁水脱硫为例，其镁粒计算非常简单，难以体现各方面因素对镁粒脱硫效率的影响，其计算公式为：
（2Sy-Sx+K）W=Mg （5）
其中Sx为初始硫含量；Sy为目标硫含量；K为调节系数，根据目标硫的设定不同而改变；W为铁水重量；Mg为镁粒重量。
另外，铁水脱硫过程中，镁粒的喷吹速度一般设为固定值。但是正如前文所述，铁水中的硫含量随着喷吹时间的延长逐渐降低，喷吹速度过快不利于镁粒的利用，还会造成铁水喷溅，形成浪费；喷吹速度过慢会提高喷吹后期的镁粒利用率，但是会降低喷吹初期的脱硫效果，延长喷吹时间，温降大、生产率低，工艺上也不可取。因此采取固定的喷吹速度难以使镁粒得到最大的利用效果。
2 镁粉脱硫专家系统的实现
脱硫喷吹优化的模型及算法利用现有的脱硫PLC系统予以实现，系统采用了PLC控制系统和西门子S7-400，运用现场采集的生产数据及设备运行状况及影响脱硫参数，通过计算机系统进行处理，对影响脱硫效果的参数进行优化处理及运算，进行实时调节喷吹速度，通过以太网对设备进行变频通讯，控制设备良好运行。上位机选用戴尔服务器，P4/3.0G/512M/80G/16 DVDROM，Windows XP操作系统，编程软件利用的step7 V5.4，通过西门子WINCC V6.2作为监控画面进行人机操作，HMI画面可输入相关的钢坯数据，设置相关的参数，对铁水状况进行实时的监控，并附有相关的报警。
3 结束语
铁水脱硫系统具有一定的特殊性，将其视为一个多变量输入，单变量输出的系统来说，铁水在脱硫生产的过程中，铁水中的硫元素含量无法实时测量，系统在生产过程中无法得到输出的反馈。因此一直以来，都是根据经验模型，计算出镁粉用量，然后采用固定的喷吹速度进行生产，难免会造成镁粉的浪费。该项目的技术路线具有较强的扩展性，在输出变量难以进行实时监测的系统中，如转炉吹氧、精炼上料等等，均有应用的可能，可以达到减少生产原材料消耗，提升产品精度及附加值的目的。
参考文献：
[1]马竹梧，邹立功，孙彦广.钢铁工业自动化-炼钢卷[M].北京：冶金工业出版社，2003.
[2]阎凤仪.镁基粉剂脱硫工艺优化与实践[J].钢铁，2003（02）：13.
[3]孙恩茂.铁水脱硫在鞍钢的生产及应用[J].钢铁，2003（04）：13.
[4]史晓蓉.铁水预处理在钢铁生产中的作用[J].钢铁技术，2003（03）：5.
作者简介：刘同飞（1986-），男，助理工程师，研究方向：工业自动控制系统的研发与系统维护。
作者单位：山东钢铁集团莱芜分公司自动化部，山东莱芜 271104