技术领域
[0001] 本
发明涉及用AOD炉精炼低碳铬铁
合金的技术领域，特别涉及一种基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法。
背景技术
[0002] 在氩氧精炼低碳铬铁合金的过程中参与反应的有碳元素C、铬元素Cr以及
硅元素Si，其各自在铁
水中的化学反应方程式如下：
[0003] C(s)+FeO(l)＝CO(g)+Fe(l)……(1)
[0004] 2Cr(s)+3FeO(l)＝Cr2O3(s)+3Fe(l)……(2)
[0005] Si(s)+2FeO(l)＝SiO2(s)+2Fe(l)……(3)
[0006] 对于现阶段的氩氧精炼低碳铬铁合金来说，鉴于
冶炼过程中涉及到较多元素与氧气产生化学反应，而输入到AOD炉中的总氧气量是有限的，因此铁水中各组分元素彼此之间都需要进行竞争性氧化，怎样求取参与铁水中各个组分元素化学反应的气体组分含量，对于整个冶炼过程中的各元素脱除速率有着极大的影响。而传统的内模控制方法在进行
控制器设计时存在着一定的问题，在理想状态下，内模控制器函数的形式为其控制通道传递函数的倒数。但在实际工程应用中，这一情况通常是难以实现的，控制通道传递函数倒数是发散的，因此在进行相应内模控制器设计时，通常会选择
串联滤波器，以使得控制器函数收敛，此外，不同的滤波器形式也会对整个系统的鲁棒性和抗干扰性产生不可忽视的影响。
[0007] 例如：文献一(
马海涛.氩氧精炼低碳铬铁生产过程数学模型的建立及控制策略的研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2011.)提出了一种利用直接氧化反应速度常数和各组元组分浓度，求解参与铁水中各组分元素化学反应气体组分含量的方法，其假设，铁水中铁元素Fe虽然参加氧化反应，但是生成的FeO是化学反应过程的中间产物，又作为
氧化剂将氧释放回铁水中，所以建立数学模型时只考虑吹入铁水中的氧气被氧化反应消耗掉，被分配于j元素反应的氧所占百分数为δj，则有：
[0008]
[0009] 式中：
[0010] kj表示j元素直接氧化反应速度常数(g·mol-1·s-1)
[0011] cj表示各组元摩尔浓度(mol/cm3)
[0012] 其中Cr2O3含量大于等于5％，摩尔浓度值视为1。
[0013] 消耗的氧气量和化学反应
质量守恒定律可以得到铁水中碳元素C、铬元素Cr以及硅元素Si的质量变化表达式如下：
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] 式(5)至式(8)中，X为供氧速率；Q为吹O2量(Nm3/s)；ξ为氧气利用率；Wm为总入炉铁水质量，MC为碳元素C的摩尔质量，MCr为铬元素Cr的摩尔质量，MSi为硅元素Si的摩尔质量，通过查找化学元素摩尔质量表获得；
[0019] 式(5)和式(8)是
冶金领域公知的
脱碳公式；
[0020] 式(6)和式(8)是冶金领域公知的脱铬公式；
[0021] 式(7)和式(8)是冶金领域公知的脱硅公式；
[0022] 该方法所求解出来的气体组分含量与实际冶炼过程中的实际情况存在着较大的误差，通过其求解的冶炼过程总消耗的氧气量与实际消耗量的误差相对较大。
[0023] 就整个冶炼过程而言，AOD炉内的
温度控制也极为重要，需要在考虑炉内各项化学反应释放的热量、气体降温以及外界热交换等因素的情况下，建立温度与气体供给速率之间的关系，且以此关系作为约束气体供给速度的条件，从而避免因大量吹入氧气，导致炉内氧化反应过于剧烈，温度迅速升高，进而导致喷溅现象的发生，因而需要准确建立AOD炉熔池温度变化速率和气体供给速度之间的关系。
[0024] 文献二(何平,刘浏,赵进宣.转炉补吹脱碳升温规律与终点控制研究[J].
钢铁
钒钛,2013,34(01):35-40.)提出了冶炼过程中炉内温度热平衡方程，没有考虑AOD炉处于室温环境下，其四周和底面的热散失现象所损耗的热量，使得整个热平衡方程与实际情况不符。
[0025] 文献三(戴磊.基于性能评价的内模PID控制器参数调整策略研究[D].东北大学,2011.)提出了一种基于滤波器的内模控制方案，其给出了氧气供给速率曲线的相关
算法，但该内模控制方案所使用的滤波器形式在具体应用时，无论怎样进行滤波器中参数的调节，其所获取的氧气供给速率曲线均存在短时间内出现极大与极小速率之间的较高
频率跳跃的情况，不利于实际应用中进行氧气供给速率的精确调节，且会使得整个终点碳含量控制系统的
稳定性相对较差。
[0026] 另外，LIBS(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，激光诱导击穿
光谱学)技术在近些年来飞速发展，在冶金领域可用来进行冶炼过程中碳含量的在线检测。
[0027] 文献四(胡寿松.自动控制原理简明
教程(第2版)[M]/自动控制原理简明教程-第2版.2008.)提出了将数学机理模型作拉普拉斯变换求传递函数的方法。
[0028] 文献五(吴杰.变负载伺服系统自适应内模控制研究[D].南京理工大学,2009.)提出了传统内模控制的模型，且分析了内模控制对偶稳定，稳态无偏差的特点。
[0029] 文献六(E.T.Turkdogan:Physical Chemistry of High Temperature Technology,Int.Iron Steel Congr.,Chicago,IL,Apr.16–20,1978,pp.161-67.Academic Press,New York,NY,1980,pp.5-69.)公开了一种元素
熔化焓计算公式。
[0030] 文献七(杨世铭，陶文铨.
传热学.第4版[M].2006.)给出了材料导热系数表。
[0031] 在高碳冶炼、中碳冶炼以及低碳冶炼的三个阶段，分别对应着顶枪与底枪复合吹入混合气体包、顶枪吹混合气体包以及底枪吹混合气体包的方式，但混合气体包内气体比例的选取需结合所需制得的冶金成品具体情况而定，如果在中高碳冶炼过程中吹入氩(氮)/氧气混合气体比例过大，则会致使炉内温度达不到冶炼要求，影响成品质量；若氩(氮)/氧气混合气体比例过小，则可能使得炉内化学反应剧烈，温度提升过快，造成喷溅现象；若在低碳冶炼阶段吹入氩(氮)/氧气混合气体比例过大，一方面可能造成氧气的浪费，也会使得铁水中成份再次氧化，影响成品质量，若氩(氮)/氧气混合气体比例过大，则可能致使碳元素脱除没有足够的氧气，达不到预定目标。因此，氩(氮)/氧气混合气体比例没有成熟的技术可作为参考依据。
[0032] 假设常规配平后的化学反应方程式mZ+nY＝iX+jW，其中Z、Y、X、W为不同反应物，m为Z的配平系数、n为Y的配平系数、i为X的配平系数、j为W的配平系数。
[0033] 综上可见，
现有技术在进行参与铁水中各个组分元素化学反应的气体组分含量、内模控制器设计以及计算炉内AOD炉熔池温度变化速率和气体供给速度之间的关系时，均存在着一定的不足，且亟待解决。
发明内容
[0034] 为了解决现有的氩氧精炼低碳铬铁合金的方法均未能对参与各个组分元素化学反应的气体组分含量模型进行有效简化，且没有考虑AOD炉处于室温环境下，其四周和底面的热量损耗散失的情况，使得其热平衡方程模型不精确；导致对整个冶炼过程中的各元素脱除速率的控制无法进一步提高，并造成其所求解得到的气体组分含量与实际冶炼过程中的实际情况偏差较大，导致通过其求解的冶炼过程总消耗的氧气量与实际消耗量存在较大误差；现有为了使控制通道传递函数倒数趋于收敛而在内模控制器中串联滤波器的方法，在其滤波器形式的选择方面存在困难，无法对其所确定的滤波器时间常数是否最优做出有效评价；以及现有方法未能给出氩(氮)/氧气混合气体比例的精确控制方案，导致其将冶炼粗略过程划分为高碳冶炼、中碳冶炼以及低碳冶炼的三个阶段的分段方案不够合理，无法有效确定其对应过程中的氧气供给量，从而导致AOD炉发生喷溅现象或氧气过度浪费的现象时有发生，进而无法使冶炼时长、资源利用率和成品合格率得到最优控制的技术问题，本发明提供一种基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法。
[0035] 本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
[0036] 基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法，其包括如下步骤：
[0037] 步骤一：求出参与铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si化学反应气体组分含量，其具体包括如下子步骤：
[0038] 步骤1.1：在铁水入炉前，测量总入炉铁水质量Wm，且根据其中包含碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的质量百分含量，计算出碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe各自对应的摩尔浓度值；
[0039] 步骤1.1.1：利用LIBS技术对入炉铁水进行碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的成份检测，从而获得碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的质量百分比浓度，将碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe所对应的质量百分比浓度乘以总入炉铁水质量Wm，再将其乘积结果除以对应的碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔质量，进而得到入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数；
[0040] 步骤1.1.2：将步骤1.1.1所得的入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数求和，得到入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe四种元素总的摩尔数，再分别将入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数除以铁水中四种元素总的摩尔数，获得入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe各自的摩尔浓度数值；
[0041] 步骤1.2：假定冶炼产渣率数值，并确定期望生成的炉渣成份中三氧化二铬Cr2O3、
二氧化硅SiO2、氧化
铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、
氧化钙CaO的质量百分比，求出反应所生成的氧化亚铁FeO、三氧化二铬Cr2O3以及二氧化硅SiO2核心炉渣成份的摩尔浓度；
[0042] 步骤1.2.1：将步骤1.1.1所述的总入炉铁水质量乘以步骤1.2中所假定的产渣率数值，求得预计总炉渣生成质量Ws，将三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的质量百分比分别乘以总炉渣生成质量Ws，获得炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的质量mMgO、mFeO、mCaO；
[0043] 步骤1.2.2：将步骤1.2.1中所得的炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的质量 mMgO、mFeO、mCaO分别除以三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的摩尔质量，得到炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的摩尔数 nMgO、nFeO、nCaO；
[0044] 步骤1.2.3：将步骤1.2.1中得到的炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的摩尔数 nMgO、nFeO、nCaO求和，得到炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的总摩尔数n总；
[0045] 步骤1.2.4：将炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化亚铁FeO对应的摩尔数以及nFeO除以炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的总摩尔数n总，得到三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化亚铁FeO核心炉渣成份对应的摩尔浓度 XFeO；
[0046] 步骤1.3：设定反应过程中CO气体摩尔浓度值为1；
[0047] 步骤1.4：为求解参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量PC、参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量PCr以及参与硅元素Si化学反应的气体组分含量PSi，而引入并求解碳元素辅助算子SC、铬元素辅助算子SCr和硅元素辅助算子SSi；
[0048] 步骤1.4.1：将铁水中的化学反应方程式(1)至(3)中各成份的配平系数作为摩尔浓度求解方程取对数后，其配平时所需乘以的各成份的摩尔量配平系数；
[0049] 步骤1.4.2：各元素辅助算子求解方法如下：
[0050] 碳元素辅助算子SC＝(ln XFe+ln XCO)-(ln XC+ln XFeO)……(9)
[0051] 铬元素辅助算子
[0052] 硅元素辅助算子
[0053] 式(9)中，计算因子ln XFe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数后所得的结果，从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为1；计算因子ln XCO为
一氧化碳CO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果；从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，一氧化碳CO的摩尔量配平系数为1；计算因子ln XC为碳元素C的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果；从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，碳元素C的摩尔量配平系数为1；计算因子ln XFeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果；从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为1，被减数(ln XFe+ln XCO)为化学反应式方程(1)中方程等式右边生成物计算因子的加和，而减数(ln XC+ln XFeO)为化学反应式方程(1)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；
[0054] 式(10)中，计算因子 为三氧化二铬Cr2O3的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，三氧化二铬Cr2O3的摩尔量配平系数为1；计算因子ln XFe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为3；计算因子ln XCr为铬元素Cr的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，铬元素Cr的摩尔量配平系数为2；计算因子ln XFeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为3；被减数 均为化学反应式方程
(2)中方程等式右边生成物计算因子的加和，而减数2ln XCr+3ln XFeO为化学反应式方程(2)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；
[0055] 式(11)中，计算因子 为二氧化硅SiO2的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，二氧化硅SiO2的摩尔量配平系数为1，计算因子ln XFe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为2，计算因子ln XSi为硅元素Si的摩尔浓度取对数且乘以步骤
1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，硅元素Si的摩尔量配平系数为1，计算因子ln XFeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为2，被减数 均为化学反应式方程(3)中方
程等式右边生成物计算因子的加和，而减数ln XSi+2ln XFeO为化学反应式方程(3)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；
[0056] 步骤1.5：计算参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量PC、参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量PCr以及参与硅元素Si化学反应的气体组分含量PSi的具体数值；
[0057]
[0058]
[0059]
[0060] 式(12)、式(13)和式(14)中，SC为碳元素辅助算子，SCr为铬元素辅助算子，SSi为硅元素辅助算子，均由步骤1.4.2求得；
[0061] 步骤二：建立包含辅助算子的内模控
制模型，其具体包括如下子步骤：
[0062] 步骤2.1：将步骤1.5求得的PC值代入到公知的脱碳公式(5)和式(8)中，求解出氩氧精炼低碳铬铁合金整个冶炼过程中脱碳速率与氧气供给速率之间的数学机理模型：
[0063]
[0064] 式(15)中， 为脱碳速率，Q为氧气供给速率，参数h求解公式为：
[0065]
[0066] 式(16)中，参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量PC由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，MC为查元素摩尔质量表所获得的碳元素C的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；
[0067] 步骤2.2：对步骤2.1所求出的数学机理模型做拉普拉斯变换，解出碳含量与氧气供给速度之间的传递函数；
[0068]
[0069] 式(17)中，s为拉普拉斯算子，参数h由式(16)计算求得；
[0070] 步骤2.3：将步骤2.2中求得的传递函数代入到传统内模控制模型中的控制对象模型和对象模型中，从而得到包含碳元素辅助算子SC、铬元素辅助算子SCr和硅元素辅助算子SSi的内模控制模型；
[0071] 步骤三：设计基于
专家系统实现滤波器时间常数Tf选取的内模控制器，其具体包括如下子步骤：
[0072] 步骤3.1：对步骤2.3中控制对象模型传递函数取倒数，然后将 形式的滤波器与其串联，从而获得一个未进行滤波器时间常数选取的且包含辅助算子的内模控制器：
[0073]
[0074] 式(18)中，s为拉普拉斯算子，参数h由式(16)计算求得，Tf为滤波器时间常数；
[0075] 步骤3.2：建立滤波器时间常数专家系统，对步骤3.1中所述的未进行滤波器时间常数选取的且包含辅助算子的内模控制器中的滤波器时间常数Tf进行选取；
[0076] 步骤3.2.1：将氩氧精炼低碳铬铁合金的过程分为三个大阶段，分别为高碳冶炼、中碳冶炼以及低碳冶炼，第一阶段高碳冶炼所对应的碳含量范围为a％-4％，第二阶段中碳冶炼所对应的碳含量范围是4％-1％，第三阶段低碳冶炼所对应的碳含量范围是1％-b％，其中，a为冶炼初始碳含量，a≥8；b为目标碳含量，0＜b≤0.25；
[0077] 步骤3.2.2：将步骤3.2.1所述碳含量范围进一步细化为五个具体的子区间，即：初始碳含量冶炼阶段(a,6]、次高碳含量冶炼阶段(6,4]、中等碳含量冶炼阶段(4,2]、次低碳含量冶炼阶段(2,1]和目标碳含量冶炼阶段(1,b]，其中初始碳含量冶炼阶段和次高碳含量冶炼阶段对应着传统的高碳冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包；中等碳含量冶炼阶段和次低碳含量冶炼阶段对应着传统的中碳冶炼阶段，仅使用顶枪吹混合气体包；目标碳含量冶炼阶段对应着传统的低碳冶炼阶段，仅使用底枪吹混合气体包；
[0078] 步骤3.2.3：设步骤3.2.2给定的初始碳含量冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:6；设次高碳含量冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:3；设中等碳含量冶炼阶段，使用顶枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:1；设次低碳含量冶炼阶段，使用顶枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为3:1；并设目标碳含量冶炼阶段，使用底枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为6:1；
[0079] 步骤3.2.4：结合实际AOD炉氧枪的尺寸及
流体力学与管径参数公知的选取方法进行分析，按照步骤3.2.3中所述的初始碳含量冶炼阶段顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入1:6比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出初始碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率A；按照步骤3.2.3中所述的次高碳含量冶炼阶段顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入1:3比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出次高碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率B；
按照步骤3.2.3中所述的中等碳含量冶炼阶段顶枪复合吹入混合气体包吹入1:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出中等碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率C；按照步骤
3.2.3中所述的次低碳含量冶炼阶段顶枪复合吹入混合气体包吹入3:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出次低碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率D；按照步骤3.2.3中所述的目标碳含量冶炼阶段底枪复合吹入混合气体包吹入6:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出目标碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率E；
[0080] 步骤3.2.5：建立滤波器时间常数专家系统求解公式如下：
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 式(19)至式(23)中，A为初始碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，B为次高碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，C为中等碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，D为次低碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，E为目标碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，a为冶炼初始碳含量，b为目标碳含量，h为步骤2.2中所述传递函数中的参数；
[0087] 步骤3.2.6：将步骤3.2.5中所求出的五个滤波器时间常数Tf与步骤3.2.4中五个碳含量阶段以及各阶段所分别对应的最大供氧速率汇总成专家系统表格，并将其作为内模控制器中滤波器时间常数Tf选取的参数表表1，构建基于专家系统实现滤波器时间常数Tf选取的内模控制器；
[0088] 表1滤波器时间常数Tf选取参数表
[0089]
[0090] 步骤3.2.7：利用LIBS技术对冶炼过程中碳含量进行实时检测，且将碳含量检测结果的实时检测值作为步骤3.1中所述内模控制器的反馈
信号，用于内模控制器中所串联的滤波器进行滤波器时间常数Tf选取的条件，从而实现内模控制器中所串联滤波器的滤波器时间常数Tf的优化；
[0091] 步骤四：以防止AOD炉发生喷溅现象为前提条件对步骤三所设计的内模控制器做进一步的优化，其具体包括如下子步骤：
[0092] 步骤4.1：建立包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程；
[0093] 步骤4.1.1：按照公知技术，建立不包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉传统热平衡方程；
[0094] 步骤4.1.2：建立AOD炉与外界产生热交换的方程；
[0095]
[0096] 式(24)中，S为AOD炉炉壁与底面的总面积，Δu为AOD炉炉体的厚度，ΔT为AOD炉内温度与室温之差，ρ是AOD炉炉壁材料的传
热能力系数；
[0097] 步骤4.1.3：将步骤4.1.2所述的AOD炉与外界产生热交换的方程加入到步骤4.1.1所述的AOD炉传统热平衡方程中，作为炉体热量散失的一部分，测量AOD炉炉壁与底面的总面积S，AOD炉炉体的厚度Δu，预设AOD炉内温度与室温之差ΔT，并根据AOD炉的炉壁材料类型查材料导热系数表，获取其对应的传热能力系数ρ，建立新的包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程；
[0098] 步骤4.2：通过步骤4.1.3所述新的包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程，对温度求微分，建立熔池钢液温度变化速率与氧气供给速率之间的关系；
[0099]
[0100]
[0101] 式(25)中：Wm为总入炉铁水质量，Ws为总炉渣生成质量，Q为供氧速率；Qsub为惰性气体供给速率；ΔHi为组分元素i的熔化焓；T为钢液温度；T0，Td为气体温度(室温)及其最终温度；ρi为i物质的
密度；
熔渣的
比热容ls、铁水熔液的比
热容lm、氧气的比热容lO和一氧化碳的比热容lCO均可通过公知的比热容表查表获得；Mi为i物质摩尔质量；
[0102] 步骤4.3：根据公知技术式(6)至式(8)，建立铬元素Cr和硅元素Si脱除速率与氧气供给速率Q之间的关系；
[0103]
[0104]
[0105] 式(26)中，参数g求解公式为：
[0106]
[0107] 式(28)中，参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量PCr由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，MCr为查元素摩尔质量表所获得的铬元素Cr的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；
[0108] 式(27)中，参数f求解公式为：
[0109]
[0110] 式(29)中，参与硅元素Si化学反应的气体组分含量PSi由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，MSi为查元素摩尔质量表所获得的硅元素Si的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；
[0111] 步骤4.4：分别测量并获得AOD炉初始入炉铁水温度、室温、氧枪气体初始温度，查物质密度表、元素比热容表以及物质摩尔质量表，分别获得各物质密度、比热容以及物质摩尔质量，并根据公知技术求解各元素对应的熔化焓；
[0112] 步骤4.5：将步骤4.3与步骤4.4中的各参量均代入式(25)，解出AOD炉熔池温度变化速率与氧气供给速率之间的关系，并将其做拉普拉斯变换，获得温度与供氧速率之间的传递函数：
[0113]
[0114] 式(30)中，s为拉普拉斯算子，参数d的求解公式为：
[0115]
[0116]
[0117] 式(31)中，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，总炉渣生成质量Ws由前述步骤1.2.1求得，熔渣的比热容ls、铁水熔液的比热容lm、氧气的比热容lO、一氧化碳的比热容lCO、硅元素Si的摩尔质量MSi、三氧化硅Cr2O3的摩尔质量 二氧化硅氧化硅SiO2的摩尔质量 铬元素Cr的摩尔质量MCr、氧气元素密度ρO、气体温度(室温)T0以及气体最终温度Td由前述步骤4.4求得，参数h由前述步骤2.1求得，参数g、参数f由前述步骤4.4求得，碳元素熔化焓ΔHC、铬元素熔化焓ΔHCr、硅元素熔化焓ΔHSi由文献七获得，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；
[0118] 式(30)中，参数e的求解公式为：
[0119]
[0120] 式(32)中，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，总炉渣生成质量Ws由前述步骤1.2.1求得，熔渣的比热容ls、铁水熔液的比热容由前述步骤4.4求得，AOD炉炉壁与底面的总面积S，AOD炉炉体的厚度Δu，AOD炉炉壁材料的传热能力系数ρ由前述步骤4.1.3求得；
[0121] 步骤4.6：将步骤三中所得基于专家系统的内模控制器的输出作为步骤4.5中所述温度与供氧速率之间的传递函数的输入，判断输出温度的情况是否符合预期，若输出温度值高于期望值，则需重新执行步骤三基于专家系统的内模控制器的建立过程；若输出温度值未曾高于期望值，则完成了基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法的建模过程。
[0122] 本发明的有益效果是：本发明的基于专家内模控制的氩氧精炼低碳铬铁合金过程终点碳含量的控制方法，可以有效克服外在不可测扰动对整个冶炼过程的影响，实现终点碳含量稳态无偏差的精确控制。其在提出在确立基本建模简化
框架时，忽略炉渣中镁Mg，钙Ca，铝Al等与合金产成品质量无关的化学元素，而仅求解参与铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si化学反应气体组分含量，并通过这一方式计算得到的参与铁水中各组分元素化学反应气体组分含量的方法，使得其简化框架结果在带入脱碳公式计算后，计算所得的最终化学反应中所消耗的总氧气量与实际情况更加贴合，从而为后续精确计算提供前提，进而解决了旧有的相关冶炼技术中消耗的氧气量与实际消耗量的误差较大的问题。
[0123] 该方法在建立内模控制模型时，明确给定一种 形式的滤波器，并将其串联到内模控制模型中，该具体给定的滤波器形式能够有效反映出氧气输出速率的变化趋势，从最高值平滑向下递减，便于实现实际工程应用中氧气速率的控制，强化内模控制模型的稳定性。
[0124] 需要特别指出的是，本发明还首创性地具体给定了一种滤波器时间常数专家控制系统的建立方法，该滤波器时间常数专家控制系统可用于构建和评价出性能最优的滤波器时间常数，将用于实现内模控制器中滤波器时间常数在整个冶炼过程中的自动优化和调整，从而使滤波器的性能获得提升，达成最优配置，从而极大程度上提高了系统的动态响应能力，实现了冶炼时间的有效缩短，进一步提高氩氧精炼低碳铬铁合金的冶炼效率。该方案不仅有效解决了背景技术中文献三所述的串联滤波器不利于工程实际应用，且给系统稳定性带来影响的问题，还进一步实现了滤波器时间参数的自动优化调整，从而在保证系统稳定性，便于工程应用的
基础上，有效得优化了整个系统的性能。
[0125] 本发明还额外考虑了AOD炉冶炼过程中与外在室温环境的热交换过程为一个热传递问题，通过AOD炉的炉壁和底面向外界
散热，建立AOD炉与外界产生热交换的方程，以此作为AOD炉冶炼过程中与外界的热交换，能够更为准确地建立AOD炉冶炼过程中热平衡方程，且获得更精确的AOD炉熔池温度变化速率和气体供给速度之间的关系，以此热平衡方程作为滤波器时间常数专家控制系统的另一个
负反馈优化条件，能够使滤波器时间常数的选取范围进一步收敛和趋于合理，并有效解决背景技术文献二所指出的传统方法未能考虑AOD炉四周和底面的热散失现象，其损耗的热量使得其热平衡模型不精确的固有问题，并在彻底避免AOD炉喷溅现象的前提下，实现整个冶炼时长的有效缩短，进一步提高氩氧精炼低碳铬铁合金的冶炼效率。
具体实施方式
[0126] 下面结合具体
实施例对本发明做进一步详细说明。
[0127] 以初始碳含量为8％的5t铁水为例，其包含Cr元素72％，Si元素4％，Fe元素16％，冶炼条件为：终点碳含量为0.25％，冶炼过程中终点温度为2023K，入炉铁水温度1473K，室温298K，气体最终温度1073K，并假定冶炼产渣率数值10％，其中Cr2O3为5％，SiO2为30％，Al2O3为20％，MgO为30％，FeO为2％，CaO为3％；
[0128] AOD炉顶枪最大供氧量1000m3/h，AOD炉底枪最大供氧量300m3/h，计算过程中防止设备遭到损坏，留有三分之一余量，因此，初始碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率A为18571dm3/min，次高碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率B为16250dm3/min，中等碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率C为8333dm3/min，次低碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率D是1250dm3/min，目标碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率E为714dm3/min。
[0129] 则，用本发明的基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法对上述初始铁水进行精炼时，具应按照如下步骤：
[0130] 步骤一：由于最终的产成品铁水熔液的评价指标是其中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe四种元素的含量，而与生成炉渣中Mg，Ca，Al元素无关，由此确立基本建模简化框架时，求出参与铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si化学反应气体组分含量，并通过这一方式计算得到的参与铁水中各组分元素化学反应气体组分含量，在带入脱碳公式计算后，得到的化学反应中所消耗的总氧气量与实际情况相符合，从而为后续精确计算提供前提，进而解决了冶炼过程总消耗的氧气量与实际消耗量的误差较大的问题；
[0131] 步骤1.1：仅关注入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe四种元素对铬铁合金产成品的质量影响，并忽略入炉铁水中其他微量元素对铬铁合金产成品的质量影响；在铁水入炉前，测量总入炉铁水质量Wm，且根据其中包含碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的质量百分含量，计算出碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe各自对应的摩尔浓度值；
[0132] 步骤1.1.1：利用LIBS技术对入炉铁水进行碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的成份检测，从而获得碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的质量百分比浓度，将碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe所对应的质量百分比浓度乘以总入炉铁水质量Wm，再将其乘积结果除以对应的碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔质量，进而得到入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数；
[0133] 在本实施例中，可对应求得如下结果：
[0134] nCr＝6.73×104mol
[0135] nC＝4.17×104mol
[0136] nSi＝7.14×103mol
[0137] nFe＝1.43×104mol
[0138] 步骤1.1.2：将步骤1.1.1所得的入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数求和，得到入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe四种元素总的摩尔数，再分别将入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数除以铁水中四种元素总的摩尔数，获得入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe各自的摩尔浓度数值；
[0139] 在本实施例中，可对应求得如下结果：
[0140] XCr＝0.52
[0141] XC＝0.32
[0142] XSi＝0.055
[0143] XFe＝0.11
[0144] 步骤1.2：假定冶炼产渣率数值，并确定期望生成的炉渣成份中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的质量百分比，求出反应所生成的氧化亚铁FeO、三氧化二铬Cr2O3以及二氧化硅SiO2核心炉渣成份的摩尔浓度；
[0145] 步骤1.2.1：将步骤1.1.1所述的总入炉铁水质量乘以步骤1.2中所假定的产渣率数值，求得预计总炉渣生成质量Ws，将三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的质量百分比分别乘以总炉渣生成质量Ws，获得炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的质量mMgO、mFeO、mCaO；
[0146] 在本实施例中，可对应求得如下结果：
[0147] mFeO＝0.01t
[0148]
[0149] mCaO＝0.015t
[0150]
[0151] mMgO＝0.15t
[0152]
[0153] 步骤1.2.2：将步骤1.2.1中所得的炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的质量 mMgO、mFeO、mCaO分别除以三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的摩尔质量，得到炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的摩尔数 nMgO、nFeO、nCaO；
[0154] 在本实施例中，可对应求得如下结果：
[0155] nFeO＝1.39×102mol
[0156]
[0157] nCaO＝1.78×102mol
[0158]
[0159] nMgO＝3.75×103mol
[0160]
[0161] 步骤1.2.3：将步骤1.2.1中得到的炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的摩尔数 nMgO、nFeO、nCaO求和，得到炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的总摩尔数n总；
[0162] 在本实施例中，可对应求得如下结果：n总＝7.74×103mol
[0163] 步骤1.2.4：将炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化亚铁FeO对应的摩尔数以及nFeO除以炉渣中三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化铝Al2O3、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的总摩尔数n总，得到三氧化二铬Cr2O3、二氧化硅SiO2、氧化亚铁FeO核心炉渣成份对应的摩尔浓度 XFeO；
[0164] 步骤1.3：设定反应过程中CO气体摩尔浓度值为1；
[0165] 在本实施例中，可对应求得如下结果：
[0166] XFeO＝0.018
[0167]
[0168]
[0169] 步骤1.4：为求解参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量PC、参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量PCr以及参与硅元素Si化学反应的气体组分含量PSi，而引入并求解碳元素辅助算子SC、铬元素辅助算子SCr和硅元素辅助算子SSi；
[0170] 步骤1.4.1：将铁水中的化学反应方程式(1)至(3)中各成份的配平系数作为摩尔浓度求解方程取对数后，其配平时所需乘以的各成份的摩尔量配平系数；
[0171] 步骤1.4.2：各元素辅助算子求解方法如下：
[0172] 碳元素辅助算子SC＝(ln XFe+ln XCO)-(ln XC+ln XFeO)……(9)
[0173] 铬元素辅助算子
[0174] 硅元素辅助算子
[0175] 式(9)中，计算因子ln XFe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数后所得的结果，从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为1；计算因子ln XCO为一氧化碳CO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，一氧化碳CO的摩尔量配平系数为1；计算因子ln XC为碳元素C的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果；从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，碳元素C的摩尔量配平系数为1；计算因子ln XFeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果；从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为1，被减数(ln XFe+ln XCO)为化学反应式方程(1)中方程等式右边生成物计算因子的加和，而减数(ln XC+ln XFeO)为化学反应式方程(1)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；
[0176] 式(10)中，计算因子 为三氧化二铬Cr2O3的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，三氧化二铬Cr2O3的摩尔量配平系数为1；计算因子ln XFe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为3；计算因子ln XCr为铬元素Cr的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，铬元素Cr的摩尔量配平系数为2；计算因子ln XFeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为3；被减数 均为化学反应式方程(2)中方程等式右边生成物计算因子的加和，而减数2ln XCr+3ln XFeO为化学反应式方程(2)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；
[0177] 式(11)中，计算因子 为二氧化硅SiO2的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，二氧化硅SiO2的摩尔量配平系数为1，计算因子ln XFe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为2，计算因子ln XSi为硅元素Si的摩尔浓度取对数且乘以步骤
1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，硅元素Si的摩尔量配平系数为1，计算因子ln XFeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为2，被减数 均为化学反应式方程(3)中方
程等式右边生成物计算因子的加和，而减数ln XSi+2ln XFeO为化学反应式方程(3)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；
[0178] 在本实施例中，各辅助算子的结果如下：
[0179] SC＝2.95
[0180] SCr＝6.74
[0181] SSi＝5.38
[0182] 由铁水中的化学反应方程式(1)至(3)可知，每发生一次反应分别可生成1摩尔、3摩尔和2摩尔的铁，因此在计算参与铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si化学反应气体组分含量时，需要借助引入辅助因子将碳元素辅助算子SC、铬元素辅助算子SCr、硅元素辅助算子SSi除以相应的倍数，保证计算的合理性；
[0183] 步骤1.5：计算参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量PC，参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量PCr以及参与硅元素Si化学反应的气体组分含量PSi的具体数值；
[0184]
[0185]
[0186]
[0187] 式(12)至式(14)中，SC为碳元素辅助算子，SCr为铬元素辅助算子，SSi为硅元素辅助算子，均由步骤1.4.2求得；
[0188] 在本实施例中，各辅助算子的结果如下：
[0189] PC＝0.37
[0190] PCr＝0.29
[0191] PSi＝0.34
[0192] 步骤二：建立包含辅助算子的内模控制模型，其具体包括如下子步骤：
[0193] 步骤2.1：将步骤1.5解得的PC值代入到公知的脱碳公式(5)和式(8)中，求解出氩氧精炼低碳铬铁合金整个冶炼过程中脱碳速率与氧气供给速率之间的数学机理模型[0194]
[0195] 式(15)中， 为脱碳速率，Q为氧气供给速率，参数h求解公式为：
[0196]
[0197] 式(16)中，参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量PC由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，MC为查元素摩尔质量表所获得的碳元素C的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；
[0198] 在本实施例中，可解出：
[0199] 步骤2.2：对步骤2.1所求出的数学机理模型做拉普拉斯变换，解出碳含量与氧气供给速度之间的传递函数；
[0200]
[0201] 式(17)中，s为拉普拉斯算子，参数h由式(16)计算求得；
[0202] 在本实施例中，可解出：
[0203] 步骤2.3：将步骤2.2中求得的传递函数代入到传统内模控制模型中的控制对象模型和对象模型中，从而得到包含碳元素辅助算子SC、铬元素辅助算子SCr和硅元素辅助算子SSi的内模控制模型；
[0204] 步骤三：设计基于专家系统实现滤波器时间常数Tf选取的内模控制器，其具体包括如下子步骤：
[0205] 步骤3.1：对步骤2.3中控制对象模型传递函数取倒数，然后将 形式的滤波器与其串联，从而获得一个未进行滤波器时间常数选取的且包含辅助算子的内模控制器；串联该给定形式的滤波器的方法能够有效反映出氧气输出速率的变化趋势，从最高值平滑向下递减，便于实现实际工程应用中氧气速率的控制；
[0206]
[0207] 式(18)中，s为拉普拉斯算子，参数h由式(16)计算求得，Tf为滤波器时间常数；
[0208] 在本实施例中，可解出：
[0209] 步骤3.2：建立滤波器时间常数专家系统，对步骤3.1中所述的未进行滤波器时间常数选取的且包含辅助算子的内模控制器中的滤波器时间常数Tf进行选取；
[0210] 步骤3.2.1：将氩氧精炼低碳铬铁合金的过程分为三个大阶段，分别为高碳冶炼、中碳冶炼以及低碳冶炼，第一阶段高碳冶炼所对应的碳含量范围为a％-4％，第二阶段中碳冶炼所对应的碳含量范围是4％-1％，第三阶段低碳冶炼所对应的碳含量范围是1％-b％，其中，a为冶炼初始碳含量，a≥8；b为目标碳含量，0＜b≤0.25；由本实施例的初始条件可知，初始碳含量a为8，目标碳含量b为0.25；
[0211] 步骤3.2.2：将步骤3.2.1所述碳含量范围进一步细化为五个具体的子区间，即：初始碳含量冶炼阶段(a,6]、次高碳含量冶炼阶段(6,4]、中等碳含量冶炼阶段(4,2]、次低碳含量冶炼阶段(2,1]和目标碳含量冶炼阶段(1,b]，其中初始碳含量冶炼阶段和次高碳含量冶炼阶段对应着传统的高碳冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包，中等碳含量冶炼阶段和次低碳含量冶炼阶段对应着传统的中碳冶炼阶段，仅使用顶枪吹混合气体包，目标碳含量冶炼阶段对应着传统的低碳冶炼阶段，仅使用底枪吹混合气体包；
[0212] 步骤3.2.3：设步骤3.2.2给定的初始碳含量冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:6；设次高碳含量冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:3；设中等碳含量冶炼阶段，使用顶枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:1；设次低碳含量冶炼阶段，使用顶枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为3:1；并设目标碳含量冶炼阶段，使用底枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为6:1；
[0213] 步骤3.2.4：结合实际AOD炉氧枪的尺寸及
流体力学与管径参数公知的选取方法进行分析，按照步骤3.2.3中所述的初始碳含量冶炼阶段顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入1:6比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出初始碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率A；按照步骤3.2.3中所述的次高碳含量冶炼阶段顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入1:3比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出次高碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率B；
按照步骤3.2.3中所述的中等碳含量冶炼阶段顶枪复合吹入混合气体包吹入1:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出中等碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率C；按照步骤
3.2.3中所述的次低碳含量冶炼阶段顶枪复合吹入混合气体包吹入3:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出次低碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率D；按照步骤3.2.3中所述的目标碳含量冶炼阶段底枪复合吹入混合气体包吹入6:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出目标碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率E；
[0214] 步骤3.2.5：建立滤波器时间常数专家系统求解公式如下：
[0215]
[0216]
[0217]
[0218]
[0219]
[0220] 式(19)至式(23)中，A为初始碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，B为次高碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，C为中等碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，D为次低碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，E为目标碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，a为冶炼初始碳含量，b为目标碳含量，h为步骤2.2中所述传递函数中的参数；
[0221] 步骤3.2.5可通过计算获得：
[0222] Tf1＝136.5
[0223] Tf2＝102
[0224] Tf3＝217.5
[0225] Tf4＝1950
[0226] Tf5＝3150
[0227] 步骤3.2.6：将步骤3.2.5中所求出的五个滤波器时间常数Tf与步骤3.2.4中五个碳含量阶段以及各阶段所分别对应的最大供氧速率汇总成专家系统表格，并将其作为内模控制器中滤波器时间常数Tf选取的参数表表1，构建基于专家系统实现滤波器时间常数Tf选取的内模控制器；
[0228] 表1滤波器时间常数Tf选取参数表
[0229]
[0230] 本发明的实施例中，可获得滤波器时间常数专家系统实施例子表格2[0231] 表2滤波器时间常数专家系统实施例
[0232]碳含量 最大供氧速率 Tf
8％-6％ 12380dm3/min 136.5
6％-4％ 10833dm3/min 102
4％-2％ 5555dm3/min 217.5
2％-1％ 833dm3/min 1950
1％-0.25％ 476dm3/min 3150
[0233] 步骤3.2.7：利用LIBS技术对冶炼过程中碳含量进行实时检测，且将碳含量检测结果的实时检测值作为步骤3.1中所述内模控制器的反馈信号，用于内模控制器中所串联的滤波器进行滤波器时间常数Tf选取的条件，从而实现内模控制器中所串联滤波器的滤波器时间常数Tf的优化；
[0234] 步骤四：以防止AOD炉发生喷溅现象为前提条件对步骤三所设计的内模控制器做进一步的优化，其具体包括如下子步骤：
[0235] 步骤4.1：建立包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程；
[0236] 步骤4.1.1：按照公知技术，建立不包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉传统热平衡方程；
[0237] 步骤4.1.2：视AOD炉冶炼过程中与外在室温环境的热交换过程为一个热传递问题，通过AOD炉的炉壁和底面向外界散热，建立AOD炉与外界产生热交换的方程；
[0238]
[0239] 式(24)中，S为AOD炉炉壁与底面的总面积，Δu为AOD炉炉体的厚度，ΔT为AOD炉内温度与室温之差，ρ是AOD炉炉壁材料的传热能力系数；以此作为AOD炉冶炼过程中与外界的热交换，能够更为准确地建立AOD炉冶炼过程中热平衡方程，且获得更精确的AOD炉熔池温度变化速率和气体供给速度之间的关系，从而有效解决文献二中热平衡模型不精确的情况。
[0240] 步骤4.1.3：将步骤4.1.2所述的AOD炉与外界产生热交换的方程加入到步骤4.1.1所述的AOD炉传统热平衡方程中，作为炉体热量散失的一部分，测量AOD炉炉壁与底面的总面积S，AOD炉炉体的厚度Δu，预设AOD炉内温度与室温之差ΔT，并根据AOD炉的炉壁材料类型查背景技术所述文献七所公开的材料导热系数表，获得其AOD炉炉壁材料的传热能力系数ρ，建立新的包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程；
[0241] 步骤4.2：通过步骤4.1.3所述新的包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程，对温度求微分，建立熔池钢液温度变化速率与氧气供给速率之间的关系；
[0242]
[0243]
[0244] 式(25)中：Wm为总入炉铁水质量，Ws为总炉渣生成质量，Q为供氧速率；Qsub为惰性气体供给速率；ΔHi为组分元素i的熔化焓；T为钢液温度；T0，Td为气体温度(室温)及其最终温度；ρi为i物质的密度；熔渣的比热容ls、铁水熔液的比热容lm、氧气的比热容lO和一氧化碳的比热容lCO均可通过公知的比热容表查表获得；Mi为i物质摩尔质量；
[0245] 步骤4.3：根据公知技术，建立铬元素Cr和硅元素Si脱除速率与氧气供给速率Q之间的关系；
[0246]
[0247]
[0248] 式(26)中，参数g求解公式为：
[0249]
[0250] 式(28)中，参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量PCr由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，MCr为查元素摩尔质量表所获得的铬元素Cr的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；
[0251] 式(27)中，参数f求解公式为：
[0252]
[0253] 式(29)中，参与硅元素Si化学反应气体的组分含量PSi由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，MSi为查元素摩尔质量表所获得的硅元素Si的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；在本发明的实施例中，可计算求得：
[0254]
[0255]
[0256] 步骤4.4：分别测量并获得AOD炉初始入炉铁水温度、室温、氧枪气体最终温度，查物质密度表、元素比热容表以及物质摩尔质量表，分别获得各物质密度、比热容以及物质摩尔质量，并根据本实施例的初始条件入炉铁水温度1473K，室温298K，气体最终温度1073K，并根据熔化焓公知技术求解各元素对应的熔化焓；
[0257] 在本实施例中可分别获得如下数据：ΔHC＝9111.99，ΔHSi＝25851.60，ΔHCr＝9075.11，lO＝0.9184，ls＝1.1966，lm＝0.8159，lCO＝1.0447，lsub＝0.5238，ρO＝1.4277×
10-3，ρsub＝1.7821×10-3，MCr＝52， MSi＝28，
[0258] 步骤4.5：将步骤4.3与步骤4.4中的各参量均代入式(25)，解出AOD炉熔池温度变化速率与氧气供给速率之间的关系，并将其做拉普拉斯变换，获得温度与供氧速率之间的传递函数：
[0259]
[0260] 式(30)中，s为拉普拉斯算子，参数d的求解公式为：
[0261]
[0262]
[0263] 式(31)中，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，总炉渣生成质量Ws由前述步骤1.2.1求得，熔渣的比热容ls、铁水熔液的比热容lm、氧气的比热容lO、一氧化碳的比热容lCO、硅元素Si的摩尔质量MSi、三氧化硅Cr2O3的摩尔质量 二氧化硅氧化硅SiO2的摩尔质量 铬元素Cr的摩尔质量MCr、氧气元素密度ρO、气体温度(室温)T0以及气体最终温度Td由前述步骤4.4求得，参数h由前述步骤2.1求得，参数g、参数f由前述步骤4.4求得，碳元素熔化焓ΔHC、铬元素熔化焓ΔHCr、硅元素熔化焓ΔHSi由文献七获得，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；
[0264] 式(30)中，参数e的求解公式为：
[0265]
[0266] 式(32)中，总入炉铁水质量Wm由前述步骤1.1求得，总炉渣生成质量Ws由前述步骤1.2.1求得，熔渣的比热容ls、铁水熔液的比热容由前述步骤4.4求得，AOD炉炉壁与底面的总面积S，AOD炉炉体的厚度Δu，AOD炉炉壁材料的传热能力系数ρ由前述步骤4.1.3求得；
[0267] 在本发明的实施例中，可计算求得：
[0268]
[0269] 步骤4.6：将步骤三中所得基于专家系统的内模控制器的输出作为步骤4.5中所述温度与供氧速率之间的传递函数的输入，判断输出温度的情况是否符合预期，若输出温度值高于期望值，则需重新执行步骤三基于专家系统的内模控制器的建立过程；若输出温度值未曾高于期望值，则说明此前建立的滤波器时间常数专家系统合理，完成了基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法的建模过程。
