數(shù)字技術(shù)正在改變工業(yè)的各個(gè)層面。作為特定數(shù)字技術(shù)的早期采用者，鋼鐵有機(jī)會(huì)引領(lǐng)所有重工業(yè)，以提高我們的可持續(xù)性和競(jìng)爭力。本專欄是AIST成為鋼鐵數(shù)字化轉(zhuǎn)型中心戰(zhàn)略的一部分，通過提供各種平臺(tái)來展示和傳播鋼鐵制造特定的工業(yè)4.0知識(shí)，從大局概念到具體流程。
引言
在特殊鋼的生產(chǎn)中，鋼中的氫和氮含量（H，N）對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量起著重要的作用。氫對(duì)鋼的性能影響幾乎都是負(fù)面的。根據(jù)鋼的牌號(hào)等級(jí)，氮可以被認(rèn)為是有害元素或者是合金元素。這兩種氣體元素都以H和N原子的形式在鋼液中，溶解濃度較高。
鋼中的氫有很多來源：它可以直接從空氣中的水分、耐火材料或造渣材料中吸收。水分可以以水或氫氧化物的形式存在?？紤]到氫在液態(tài)鋼中比在固態(tài)鋼中更容易溶解，在凝固過程中，氫原子結(jié)合成H2分子，成核形成氣囊，形成“氫白點(diǎn)”。這種現(xiàn)象對(duì)于大型連鑄坯和鑄錠是很關(guān)鍵的，因?yàn)樗鼈兪翘厥怃摰湫偷陌氤善贰1]
氮，特別是用于電爐冶煉生產(chǎn)鋼水，有許多來源：廢鋼、空氣（例如，電弧爐出鋼過程或鋼包精煉爐LF加熱期間）或直接來自N2攪拌氣體。根據(jù)鋼種等級(jí)，如果鋼的成形性和延展性是非常重要（例如，超低碳無間隙原子鋼），則應(yīng)將氮保持在最低限度，或者使用N通過間隙固溶體強(qiáng)化來提高鋼的機(jī)械性能（例如，硬度）。[2]
在二次冶金中，從鋼液中除去H和N可以用真空處理工藝來實(shí)現(xiàn)。通常，鋼水的真空脫氣采用真空罐脫氣（VTD/VD）工藝或rhurhstahl-heraeus（RH）工藝。[3]由于采用電弧爐（EAF）路線生產(chǎn)的鋼所占比例越來越大，而高爐-轉(zhuǎn)爐（BF-BOF）長流程生產(chǎn)的鋼所占比例越來越小,因此脫氣工藝越來越受到人們的重視。[4]眾所周知，長流程鋼水在進(jìn)入二次冶金處理之前已達(dá)到較低的溶解H和N含量。[3]因此，溶解較高H和N的電爐鋼對(duì)脫氣過程的精確控制就更加必要了。
鋼液、固態(tài)鋼中H含量的高精度測(cè)量是一個(gè)難點(diǎn)。然而，使用基于熱導(dǎo)率探測(cè)器的設(shè)備（TCD，例如HydrisR）直接在鋼包鋼水中進(jìn)行在線測(cè)量已成為特殊鋼冶煉鋼廠的標(biāo)準(zhǔn)。[5]這一檢測(cè)措施通常是在真空處理結(jié)束時(shí)，在常壓狀態(tài)下，用將定氫儀探頭浸入鋼液直接讀取氫含量，定氫的目的是檢查該爐鋼是否準(zhǔn)備好送去澆鑄，或者如果脫氣不合格，是否需要再次進(jìn)行真空處理。就處理時(shí)間和消耗來說，檢測(cè)氣體含量的操作成本是不可忽略的，應(yīng)該盡可能將其最小化。
N含量的測(cè)量通常是通過基于光譜的技術(shù)（例如，光學(xué)發(fā)射光譜，OES）或惰性氣體融合分析，對(duì)從鋼液中提取的凝固試樣進(jìn)行分析。分析并非實(shí)時(shí)，因?yàn)樵嚇油ǔ１凰偷綄?shí)驗(yàn)室，在那里需要幾分鐘得到結(jié)果。一般來說，在常壓下LF處理和VTD處理的二次冶金過程中，要進(jìn)行多次取樣分析。
真空條件下的鋼液取樣裝置雖然在市場(chǎng)上可以買到，但由于其更高的維護(hù)要求（強(qiáng)調(diào)密封防止空氣泄漏進(jìn)入），機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜和額外的工廠成本，所以很少安裝在鋼廠的真空設(shè)備上。因此，真空處理在去除H和N方面的有效性通常是在處理完成后通過測(cè)量來檢查的。如果脫氣效果不理想且有足夠的時(shí)間，則需要重復(fù)進(jìn)入真空狀態(tài)下處理，這種兩次真空的做法是沒有辦法的辦法，應(yīng)該盡可能避免。因此，深真空時(shí)間、鋼包氣體攪拌流量、造渣等工藝參數(shù)通常都于保守，以充分滿足H、N脫氣指標(biāo)，避免脫氣不足。
在這些前提下，在線動(dòng)態(tài)脫氣監(jiān)測(cè)器可以幫助確定脫氣過程何時(shí)達(dá)到H和N設(shè)定的目標(biāo)，在可能的情況下延長深真空階段，以避免第二次抽氣處理；或者另一方面，縮短深真空階段，加速冶煉過程，避免過度脫氣?？梢越档弯撝蠬和N氣體含量的過大波動(dòng)，從長遠(yuǎn)來看，可以根據(jù)所需的脫氣時(shí)間來優(yōu)化VTD前的鋼水過熱度。
這樣的工具應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)鋼液中溶解的H和N的含量，使用當(dāng)前的工藝數(shù)據(jù)，以及預(yù)測(cè)該爐鋼水處理中的未來行為，以建議何時(shí)完成脫氣處理，從而優(yōu)化時(shí)間和能耗。該技術(shù)包（Q-DEGAS）經(jīng)過原型設(shè)計(jì)、工業(yè)化，并成功安裝在意大利Cargnacco的AcciaierieBertoliSafau（ABS）的VD2脫氣站。該鋼廠冶煉車間有一個(gè)雙罐雙蓋的VTD鋼水脫氣站，使用機(jī)械真空泵能夠處理大約100噸的鋼包鋼水。每次處理使用一個(gè)真空罐，鋼包底部配備了雙透氣芯攪拌系統(tǒng)。
討論
溶解態(tài)氫-氮的跟蹤與預(yù)測(cè)
一個(gè)精確的模型來實(shí)時(shí)跟蹤溶解氣體是開發(fā)一個(gè)強(qiáng)大的預(yù)測(cè)系統(tǒng)的必要條件。文獻(xiàn)中有幾個(gè)典型的例子。
Bannenberg等人[6]開發(fā)了一個(gè)模型，可以同時(shí)應(yīng)用于脫氫和脫氮兩種模型均進(jìn)行了在線測(cè)試，結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果吻合較好。作者考慮了工廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（例如，鋼包幾何形狀，鋼水質(zhì)量）以及工藝數(shù)據(jù)（例如，高真空壓力，攪拌氣體體積）作為模型輸入的參數(shù)。Stouvenot等人[12]和D.Huin等人[13]考慮了動(dòng)態(tài)脫氣模型，其中真空壓力、攪拌氣體流量和鋼液成分被用作模型輸入特征。[8]鋼水和爐渣的成分可能有關(guān)，特別是對(duì)于非常低的氮含量目標(biāo)鋼種。氧和硫是影響脫氣動(dòng)力學(xué)的表面活性元素，因此，氧和硫在原則上是阻礙延遲脫氫和脫氮。[1]脫氣模型的很多文獻(xiàn)也可以在一系列歐洲煤炭和鋼鐵共同體項(xiàng)目中找到。[7,8,14]所有這些公式都使用具有可調(diào)參數(shù)（即灰色模型）的耦合冶金脫氣模型的解決方案。
ECONTech和Frisa鋼廠采用了一種完全不同的方法，他們使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)鋼中的氫含量。[9]
無論采用何種建模方法，準(zhǔn)確的灰色模型或機(jī)器學(xué)習(xí)模型都可以用作預(yù)測(cè)器和鋼包爐號(hào)分類器。一個(gè)好的模型應(yīng)該考慮所有與預(yù)測(cè)某個(gè)目標(biāo)變量相關(guān)的輸入特征。該模型經(jīng)過訓(xùn)練，在統(tǒng)計(jì)上最小化估計(jì)變量與變量（H和N試樣）的實(shí)際測(cè)量之間的差異。
脫氣過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，雖然一些輸入特征與時(shí)間相關(guān)，但其他輸入特征與工藝或設(shè)計(jì)相關(guān)。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)輸入是輸入空間。輸入空間相似點(diǎn)可以用作識(shí)別具有共同行為的過去鋼包爐號(hào)的特征參數(shù)。因此，如果過去生產(chǎn)的鋼包爐號(hào)在模型輸入特征方面經(jīng)歷了共同的模式，則認(rèn)為它們是相似的。因此，模型輸入空間中任意小的L2-norm范數(shù)應(yīng)該導(dǎo)致輸出空間中任意小的L2-norm范數(shù)，或者換句話說，類似的脫氣模式或區(qū)別性特征。
相似爐號(hào)可用于重建當(dāng)前工藝條件下未來最可能的輸入空間情景，從而預(yù)測(cè)溶解氣體的未來趨勢(shì)，并評(píng)估試樣（例如Hydris或OES）的可靠性，因?yàn)檫@些采樣測(cè)量值用于訓(xùn)練模型，但并非沒有誤差。
選擇最相關(guān)的模型輸入特征是系統(tǒng)開發(fā)的重要步驟。達(dá)涅利Danieli對(duì)VTDs的調(diào)查表明，在深真空階段，脫氣過程中的氫氣對(duì)排除的煙氣成分有顯著的影響，特別是，真空泵排氣側(cè)的煙氣氣體成分成為脫氣建模的重要特征。
圖1給出了典型氣體組成和工藝參數(shù)的示例。
圖1真空罐脫氣（VTD）的典型趨勢(shì)、主要工藝變量和煙氣成分
在文獻(xiàn)中，真空脫氣排出的煙氣成分分析常常與真空吹氧脫碳（VOD）過程有關(guān)，其中煙氣中的CO和CO2與脫碳過程相關(guān)。[7]在吹氧階段，煙氣流量高于標(biāo)準(zhǔn)VTD工藝，在這些條件下，與脫氣有關(guān)的氫和氮被脫碳過程中產(chǎn)生的大量CO和CO2所掩蓋了。
ABS鋼廠開發(fā)并安裝了一種測(cè)量煙氣成分的新型傳感器，并對(duì)傳感器位置、氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)和氣體分析儀裝置的選擇進(jìn)行了特別的研究。當(dāng)前市場(chǎng)需要在精度、維護(hù)工作和成本之間取得良好平衡的設(shè)備。與VOD不同，VTD通常不配備氣體分析儀，因此所選擇的解決方案必須考慮傳感器的投資和運(yùn)營成本。最終的硬件配置顯示出良好的魯棒性，可接受的維護(hù)周期和相對(duì)較好的精度/成本比，與良好的模型運(yùn)行所需的精度相兼容。分析儀的輸出，以及現(xiàn)有工廠1級(jí)和2級(jí)系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)，可以像以前的項(xiàng)目一樣提供給在線模型。[11]
建?；顒?dòng)產(chǎn)生了兩個(gè)獨(dú)立的氫氣和氮?dú)饽Ｐ?，根?jù)脫氣動(dòng)力學(xué)制定并根據(jù)鋼廠的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。
軟件功能
在生產(chǎn)中訓(xùn)練和部署H-N模型的工業(yè)化應(yīng)用程序（Q-DEGAS）是使用客戶機(jī)-服務(wù)器架構(gòu)開發(fā)的。
這些服務(wù)執(zhí)行不同的后臺(tái)任務(wù)：
1.數(shù)據(jù)收集：檢索所有相關(guān)過程數(shù)據(jù)（來自工廠可編程邏輯控制器（PLC）的VTD基于時(shí)間的信號(hào)，來自2級(jí)系統(tǒng)的基于事件的過程數(shù)據(jù)）。
2.區(qū)別性特征：對(duì)于當(dāng)前的鋼包爐號(hào)，計(jì)算關(guān)鍵工藝變量的預(yù)期行為（即真空壓力，攪拌氣體流量，工藝階段的典型持續(xù)時(shí)間等）。
3.模型訓(xùn)練：在收集到的歷史數(shù)據(jù)上訓(xùn)練鋼水H-N含量預(yù)測(cè)模型。
4.當(dāng)前H-N模型：從第一個(gè)試樣開始預(yù)測(cè)當(dāng)前鋼液的H-N含量，考慮到鋼廠當(dāng)前處理的所有鋼包爐號(hào)的所有相關(guān)數(shù)據(jù)。
5.未來H-N模型：基于區(qū)別性特征爐號(hào)，預(yù)測(cè)未來鋼的H-N趨勢(shì)，直到深真空結(jié)束。
客戶端應(yīng)用程序?qū)⒖捎玫墓δ芊纸鉃椴煌牟糠郑?/p>
1.概述：它顯示了兩個(gè)VTD罐的當(dāng)前鋼包爐號(hào)狀態(tài)，模型輸入（H-N試樣，真空壓力，攪拌氣體流量，氣體分析等）以及預(yù)測(cè)的鋼中溶解的H和N（圖2）。在采集氫氣試樣樣本后，系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析來評(píng)估其有效性或顯著性，以突出試樣樣本是否在預(yù)期范圍內(nèi)，或者可能需要另取樣樣本來確定其數(shù)值。在圖3中顯示了兩個(gè)爐號(hào)的鋼包，一個(gè)是真實(shí)的最后H試樣（綠框），一個(gè)是不真實(shí)的H試樣（紅框）。
圖2H-N監(jiān)控應(yīng)用：模型概述，顯示兩個(gè)VD罐的模型輸入和輸出
圖3H-N監(jiān)控應(yīng)用：不真實(shí)（紅框）和真實(shí)（綠框）最后H試樣樣本示例
2.未來H-N預(yù)測(cè)：在真空過程中，還使用工藝區(qū)別性特征來計(jì)算期望的H-N趨勢(shì)，直到脫氣步驟結(jié)束（圖4）。在右側(cè)的方框中顯示了未來重要時(shí)間間隔的期望值，以便于評(píng)估深度真空步驟進(jìn)行時(shí)預(yù)期的脫氣水平。
圖4H-N監(jiān)測(cè)應(yīng)用：未來H值趨勢(shì)（白色虛線趨勢(shì)）和未來N值趨勢(shì)（綠色虛線趨勢(shì)）
3.脫氣目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)：在真空過程中，將當(dāng)前估計(jì)的H-N值與當(dāng)前鋼種的脫氣目標(biāo)進(jìn)行比較。一旦達(dá)到脫氣目標(biāo)（具有可定制的安全余量），目標(biāo)字段將以綠色突出顯示，表明可以停止深真空步驟（圖5）。
圖5H-N監(jiān)測(cè)應(yīng)用：滿足當(dāng)前真空步驟的脫氣目標(biāo)（綠框）
4.溶解態(tài)氮增加預(yù)測(cè)：溶解態(tài)氮模型預(yù)測(cè)由于真空抽提導(dǎo)致的氮減少和通過雙透氣芯引入的N2氣體攪拌導(dǎo)致的氮增加（圖6）。這對(duì)于使用氮?dú)釴2攪拌的實(shí)踐特別有用，可以幫助操作人員評(píng)估當(dāng)前/未來估計(jì)的N含量。
圖6H-N監(jiān)測(cè)應(yīng)用：(a)用N2攪拌時(shí)估計(jì)未來H-N含量(b)通過攪拌后取的鋼氮試樣確認(rèn)
5.模型性能監(jiān)測(cè)：該視圖顯示了所選時(shí)間間隔、站點(diǎn)、鋼種或其他篩選標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)精度（圖7）。對(duì)于H和N模型，可以將整個(gè)未篩選的表導(dǎo)出為電子表格文件，以供用戶進(jìn)一步分析。
圖7H-N監(jiān)控應(yīng)用：模型性能監(jiān)控
6.模型訓(xùn)練：通過一組專用頁面對(duì)用于預(yù)測(cè)的模型進(jìn)行管理，創(chuàng)建新模型，在歷史數(shù)據(jù)上進(jìn)行訓(xùn)練，在訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集上驗(yàn)證其性能，并實(shí)時(shí)設(shè)置要使用的模型（圖8）。
圖8H-N監(jiān)控應(yīng)用：模型訓(xùn)練管理
操作結(jié)果
生產(chǎn)中部署的預(yù)測(cè)H和N模型的性能如圖9所示，并在表1中進(jìn)行了總結(jié)。該工業(yè)化系統(tǒng)于2024年10月中旬部署在ABSVD2上：圖中顯示的數(shù)據(jù)是在冬季維護(hù)停止前的兩個(gè)月運(yùn)行期間收集的，相當(dāng)于大約1000爐號(hào)的鋼包真空脫氣數(shù)據(jù)。跟蹤器的準(zhǔn)確性可與文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)相媲美，并且在隨后幾個(gè)月的連續(xù)工廠運(yùn)行中保持不變。
圖9(a)H模型和(b)N模型的模型精度與文獻(xiàn)結(jié)果的比較
表1H和N模型實(shí)現(xiàn)的模型精度與文獻(xiàn)結(jié)果的比較
在驗(yàn)證了模型的性能后，系統(tǒng)在提示模式下使用，提示何時(shí)可以停止真空，表明在圖5，進(jìn)而如圖10所示。
圖10脫氣過程中兩爐鋼的變化趨勢(shì)。根據(jù)系統(tǒng)的建議，橙色區(qū)域是深度真空時(shí)間可能減少的區(qū)域。(a)顯示了平穩(wěn)的脫氣操作，(b)顯示了由于泡沫渣優(yōu)化不理想而需要繼續(xù)深真空的鋼包爐號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)的建議，第二次真空順序是可以避免的
該系統(tǒng)基于模型輸入空間相似度（區(qū)別性特征），當(dāng)估計(jì)的H含量低于給定目標(biāo)時(shí)動(dòng)態(tài)提示，并附帶一個(gè)額外的安全系數(shù)。H指標(biāo)根據(jù)所生產(chǎn)的鋼材等級(jí)確定，由二級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)提供。圖10面板(a)和(b)中的橙色區(qū)域突出了生產(chǎn)過程中額外的深真空時(shí)間。圖(a)顯示了脫氣過程順利進(jìn)行的一爐鋼：真空罐壓力始終保持在低值，該爐鋼水脫氫沒有困難。由于輸入空間的L-2范數(shù)相對(duì)較小，動(dòng)態(tài)估計(jì)的置信度較高。在這里，減少深度真空時(shí)間的余地更大。
另一方面，圖10的面板(b)顯示了由于泡沫渣不理想而導(dǎo)致脫氣過程困難的爐號(hào)鋼包。在第一次處理期間，真空罐很難保持在深真空壓力下。該系統(tǒng)基于具有更寬輸入空間的歷史數(shù)據(jù)，檢測(cè)并指出無效脫氫，隨后通過第一次H測(cè)量進(jìn)行確認(rèn)。因此，該鋼包爐號(hào)需要第二次真空處理：在第二次真空結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)表明目標(biāo)值已經(jīng)達(dá)到，隨后由第二次測(cè)量確認(rèn)。這一過程可以通過增加第一次真空處理的時(shí)間來加速，避免第二次真空的抽吸處理時(shí)間和額外的測(cè)量。
系統(tǒng)在生產(chǎn)中的典型輸出表明，ABS的標(biāo)準(zhǔn)深真空時(shí)間可以縮短。對(duì)建議的統(tǒng)計(jì)分析如圖11所示，表2所示?？紤]到運(yùn)行兩個(gè)月（約1000爐）的產(chǎn)量，系統(tǒng)建議平均縮短深真空時(shí)間14.3%。然而，相對(duì)縮短真空處理時(shí)間與鋼的鋼種等級(jí)有關(guān)，平均可能在2.5%到20%之間，如表2所示。
圖11ABS深真空時(shí)間分布。對(duì)于兩個(gè)月生產(chǎn)最多的鋼種，深灰色箱形圖為實(shí)際深真空時(shí)間分布，淺灰色箱形圖為建議深真空時(shí)間分布。根據(jù)該系統(tǒng)，根據(jù)鋼種的不同，深真空時(shí)間可縮短3-20%
表2系統(tǒng)對(duì)不同鋼種的深真空縮短次數(shù)建議
在確認(rèn)了深度真空時(shí)間縮短和VTD生產(chǎn)率提高的潛力后，該系統(tǒng)已準(zhǔn)備好在生產(chǎn)過程中使用，以優(yōu)化操作實(shí)踐。顯然，對(duì)生產(chǎn)率的實(shí)際影響必須考慮脫氣裝置的所有約束條件（即鋼水H含量指標(biāo)、N含量指標(biāo)和溫度指標(biāo)）。因此，可能需要對(duì)LF實(shí)踐（LF出口溫度）進(jìn)行相關(guān)修改，以最大限度地提高效益。
結(jié)論
建立了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的在線動(dòng)態(tài)模型，用于預(yù)測(cè)真空脫氣過程中溶解氫和溶解氮的含量。根據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)收集的工廠數(shù)據(jù)對(duì)考慮標(biāo)準(zhǔn)VTD過程數(shù)據(jù)和煙氣分析的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練。該模型用于預(yù)測(cè)鋼水H和N的當(dāng)前含量以及它們?cè)谏钫婵针A段結(jié)束前的預(yù)測(cè)趨勢(shì)。此外，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的工藝條件、預(yù)測(cè)的置信度和可用的H-N測(cè)量值來評(píng)估脫氣目標(biāo)是否達(dá)到。
該系統(tǒng)安裝在意大利Cargnacco的AcciaierieBertoliSafau(ABS)，目前已經(jīng)上線了幾個(gè)月，為操作人員提供了有關(guān)真空過程中H和N去除的有用信息。已對(duì)氣體分析儀和相關(guān)的氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了徹底的測(cè)試，以驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)并確定合適的維護(hù)計(jì)劃。在較長的時(shí)期內(nèi)，系統(tǒng)的輸出將包括在業(yè)務(wù)實(shí)踐中，過程的可變性預(yù)計(jì)將因此減少。平均而言，預(yù)計(jì)工藝時(shí)間將減少，盡可能減少深真空持續(xù)時(shí)間，并避免與二次真空處理相關(guān)的低效率。由于深真空時(shí)間的縮短，預(yù)計(jì)LF出口溫度也會(huì)降低，從而減少電能消耗。
