鞍鋼260 t轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化煉鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

牛興明，費(fèi)鵬，趙雷，王魯毅，徐國(guó)義，賈春輝（鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧營(yíng)口115007）

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鞍鋼260 t轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化煉鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

牛興明，費(fèi)鵬，趙雷，王魯毅，徐國(guó)義，賈春輝
（鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧營(yíng)口115007）

摘要：介紹了鞍鋼自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化煉鋼模型ACSAS的靜態(tài)模型、氧槍模型、動(dòng)態(tài)模型、自學(xué)習(xí)模型的主要功能及技術(shù)改進(jìn)情況。采用該模型后，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳的命中率提高了2.5％，終點(diǎn)溫度的命中率提高了10.9％，終點(diǎn)碳溫雙命中率提高了11.8％，熔劑成本下降4.6元，磷元素和碳元素超標(biāo)導(dǎo)致的質(zhì)量事故下降了52％。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；自動(dòng)化煉鋼；過(guò)程控制；碳溫命中率

牛興明，工程師，2006年畢業(yè)于東北大學(xué)冶金工程專業(yè)。E-mail：nxmdy@163.com

鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司煉鋼部配置有3座260 t頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐，于2008年9月開(kāi)工投產(chǎn)。轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程自動(dòng)化控制模型引進(jìn)德國(guó)蒂森克虜伯OTCBM（Optimized Thyssenkrupp Converter Blowing Model）系統(tǒng)，采用副槍和質(zhì)譜儀作為自動(dòng)化煉鋼的主要檢測(cè)設(shè)備。引進(jìn)的OTCBM控制模型要求原材料優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定，過(guò)程控制模式相對(duì)固定，終點(diǎn)控制碳恒定。另外，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，維護(hù)周期較長(zhǎng)，模型程序代碼封鎖，不具有可開(kāi)發(fā)性。這些限制條件使得OTCBM不能適應(yīng)新工藝新技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)法完全發(fā)揮自動(dòng)化煉鋼的優(yōu)勢(shì)，達(dá)不到預(yù)期效果。為了克服OTCBM自動(dòng)化煉鋼模型的不足，依托引進(jìn)的自動(dòng)化煉鋼系統(tǒng)的硬件和檢測(cè)設(shè)備，鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司煉鋼部自主開(kāi)發(fā)了260 t轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化煉鋼系統(tǒng)ACSAS（Ansteel Converter Steelmaking Automatic System）。本文對(duì)此作一介紹。

1　ACSAS構(gòu)架設(shè)計(jì)

鞍鋼自主開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化煉鋼系統(tǒng)ACSAS的整體架構(gòu)如圖1所示。以二級(jí)服務(wù)器為中心，實(shí)現(xiàn)與相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊與控制。儀表PLC主要功能是對(duì)相關(guān)作業(yè)的計(jì)量、顯示與數(shù)據(jù)傳輸，如散料下料重量顯示、鐵水溫度的傳輸?shù)?。電氣PLC的主要功能是控制轉(zhuǎn)爐煉鋼相關(guān)電氣設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程，如散料下料、合金下料、氧槍運(yùn)行等。副槍PLC控制副槍運(yùn)行和數(shù)據(jù)傳輸，如探頭連接與測(cè)試、副槍運(yùn)行控制參數(shù)、傳輸測(cè)試結(jié)果等。質(zhì)譜儀PLC控制質(zhì)譜儀運(yùn)行，實(shí)時(shí)傳輸煙氣成分。工程師站主要是后臺(tái)監(jiān)控與調(diào)整模型參數(shù)，轉(zhuǎn)爐工作站實(shí)現(xiàn)操作崗位與ACSAS系統(tǒng)的人機(jī)交互，實(shí)時(shí)顯示冶煉操作過(guò)程以及歷史數(shù)據(jù)查詢。MES三級(jí)服務(wù)器與二級(jí)之間進(jìn)行通訊，主要是下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃，傳遞鋼種信息與試樣成分，保存冶煉數(shù)據(jù)形成熔煉報(bào)表等功能。

圖1　ACSAS系統(tǒng)主要架構(gòu)

2　ACSAS模型介紹

ACSAS由靜態(tài)模型、氧槍模型、動(dòng)態(tài)模型和自學(xué)習(xí)模型四個(gè)子模型組成，轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化煉鋼工藝控制流程圖如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化煉鋼工藝控制流程圖

2.1靜態(tài)模型

靜態(tài)模型CSBM（Converter Static Blowing Model）的主要功能是以本爐入爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和鋼種目標(biāo)要求為基礎(chǔ)，參考自學(xué)習(xí)參數(shù)，計(jì)算出本爐物料數(shù)量、氧氣消耗量、預(yù)測(cè)終點(diǎn)溫度及成分，同時(shí)控制物料稱量和加入時(shí)機(jī)［1］。主要包括熱平衡、氧平衡、堿度、粘度平衡、合金計(jì)算、副槍自動(dòng)控制5個(gè)子模塊。CSBM的作用周期從開(kāi)始吹氧至副槍過(guò)程測(cè)試。與引進(jìn)的OTCBM的靜態(tài)模型相比，CSBM主要做了以下三方面的改進(jìn)。

（1）靜態(tài)模型計(jì)算動(dòng)態(tài)化，及時(shí)修正熱平衡、氧平衡參數(shù)。OTCBM靜態(tài)模型在吹氧前和吹氧量72％時(shí)各進(jìn)行一次計(jì)算，吹煉期間不再進(jìn)行計(jì)算和修正。它要求冶煉操作嚴(yán)格按照靜態(tài)計(jì)算參數(shù)運(yùn)行。CSBM除了在開(kāi)吹和吹氧量72％計(jì)算外，在每批物料加入后實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)控制參數(shù)。CSBM根據(jù)實(shí)際的入爐物料等信息按式（1）進(jìn)行重新計(jì)算，及時(shí)調(diào)整熱平衡和氧平衡參數(shù)，保證了靜態(tài)控制參數(shù)調(diào)整的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，為精確的終點(diǎn)控制打下基礎(chǔ)。

式中，Y為靜態(tài)模型計(jì)算輸出結(jié)果；Yj為參考爐次數(shù)據(jù)；X為本爐次模型控制輸入條件；Xj為參考爐次模型控制輸入條件。

（2）自動(dòng)調(diào)整爐渣中的MgO含量，合理控制爐底厚度。OTCBM靜態(tài)模型通過(guò)確定白灰與輕燒白云石加入量的固定比例，控制爐渣中的MgO含量，控制方式比較粗放，控制精度較低。而CSBM可以根據(jù)熔池液位和復(fù)吹效果的變化情況，自動(dòng)調(diào)整爐渣中的MgO含量，按公式（2）和（3）聯(lián)立計(jì)算出活性石灰和輕燒白云石的加入數(shù)量，合理控制爐渣的粘度和堿度。

式中，X為活性石灰重量，kg；Y為輕燒白云石重量，kg；Zi為除活性石灰、輕燒白云石外的其它材料重量，kg；WHm為入爐鐵水重量，kg；ω（MgO）為目標(biāo)MgO含量要求，％；W渣為總渣量，kg。

（3）根據(jù)鋼種要求確定多種冶煉模式。對(duì)不同鋼種的冶煉，OTCBM模型只有根據(jù)鋼種磷含量調(diào)整目標(biāo)堿度這一手段。而CSBM可以根據(jù)鋼種的實(shí)際要求，開(kāi)發(fā)了與之相適應(yīng)的多種冶煉模型，很好地適應(yīng)了轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的實(shí)際情況。OTCBM模型與CSBM模型冶煉模式的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　OTCBM模型與CSBM模型冶煉模式的對(duì)比

2.2氧槍模型

氧槍模型CLBM（Converter Lance Blowing Model）的主要功能是控制冶煉過(guò)程中氧槍的高度及供氧強(qiáng)度的變化，達(dá)到良好的化渣效果，作用周期從吹氧開(kāi)始至吹煉終點(diǎn)。與引進(jìn)的OTCBM氧槍模型相比，CLBM主要進(jìn)行了以下三方面的改進(jìn)。

（1）確定入爐含鐵料收得率參數(shù)，提高熔池液位計(jì)算的準(zhǔn)確性。OTCBM模型要求入爐鐵料采取精料方針，沒(méi)有根據(jù)不同廢鋼種類建立并確定廢鋼金屬收得率參數(shù)。鞍鋼股份鲅魚(yú)圈煉鋼部兼顧原料成本，入爐鐵料采取精料與“經(jīng)料”相結(jié)合的方式。CLBM模型確定了各種含鐵物料的金屬收得率，提高了熔池液位計(jì)算的準(zhǔn)確性。常見(jiàn)含鐵物料的收得率見(jiàn)表2所示。

表2　常見(jiàn)含鐵物料的收得率　％

（2）氧槍運(yùn)行曲線圖形化直觀顯示。引進(jìn)的OTCBM模型氧槍運(yùn)行過(guò)程的槍位和氧氣流量只有實(shí)時(shí)的數(shù)值顯示，每爐只記錄了不到20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示在熔煉報(bào)表中。而CLBM從氧槍模型的設(shè)定、運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)顯示、歷史曲線查詢均采用直觀的圖示并同時(shí)顯示數(shù)值，氧槍運(yùn)行過(guò)程實(shí)時(shí)顯示界面如圖3所示。由圖3可以看出，CLBM模型不僅顯示直觀，而且存儲(chǔ)信息量更多。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢分析方面的效率更高。

（3）增加氧槍動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。引進(jìn)的OTCBM模型中，氧槍在冶煉過(guò)程根據(jù)靜態(tài)設(shè)定方案運(yùn)行，沒(méi)有氧槍動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。而CLBM模型增加了氧槍動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，利用質(zhì)譜儀的實(shí)時(shí)煙氣分析功能，判斷爐內(nèi)反應(yīng)狀態(tài)，調(diào)整氧槍運(yùn)行方案［2］。如果煙氣成分超出當(dāng)前最佳區(qū)間，CLBM模型能及時(shí)調(diào)整氧槍運(yùn)行方案，使整個(gè)冶煉過(guò)程煙氣成分的變化都在最佳區(qū)間波動(dòng)，避免噴濺和返干，保證過(guò)程化渣良好，提高金屬收得率和脫磷效率。

2.3動(dòng)態(tài)模型

動(dòng)態(tài)模型CDBM（Converter Dynamic Blowing Model）的主要功能是根據(jù)過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)和終點(diǎn)目標(biāo)要求，修正熱平衡計(jì)算參數(shù)，預(yù)測(cè)終點(diǎn)溫度和碳含量［3］，CDBM動(dòng)態(tài)模型控制流程見(jiàn)圖4。

圖3　氧槍運(yùn)行過(guò)程實(shí)時(shí)顯示界面

圖4　CDBM動(dòng)態(tài)模型控制流程圖

利用質(zhì)譜儀進(jìn)行實(shí)時(shí)碳含量計(jì)算，利用過(guò)程溫度和碳含量的變化計(jì)算實(shí)時(shí)溫度，發(fā)出終點(diǎn)抬槍指令。作用周期從過(guò)程測(cè)試開(kāi)始至吹煉終點(diǎn)。相對(duì)于引進(jìn)的OTCBM，CDBM主要做了以下三方面的改進(jìn)。

（1）目標(biāo)區(qū)域及實(shí)際控制圖示化處理。OTCBM將靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都顯示在同一個(gè)頁(yè)面，并且動(dòng)態(tài)模型的終點(diǎn)目標(biāo)和實(shí)際預(yù)測(cè)值顯示在頁(yè)面很小的一個(gè)區(qū)域，不便于查看。CDBM模型單獨(dú)一個(gè)頁(yè)面顯示，動(dòng)態(tài)模型啟動(dòng)后自動(dòng)彈出，將目標(biāo)范圍和實(shí)際預(yù)測(cè)值在數(shù)據(jù)顯示的基礎(chǔ)上，還采用圖示化方式顯示，見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，目標(biāo)控制更直觀，一目了然。

（2）副槍過(guò)程碳和終點(diǎn)碳含量的修正。OTCBM直接采用副槍過(guò)程測(cè)試的碳含量預(yù)測(cè)終點(diǎn)溫度。副槍儀表輸出碳是用固定的公式計(jì)算出來(lái)的，與化驗(yàn)分析碳含量存在一定程度的偏差，影響了終點(diǎn)溫度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。CDBM模型根據(jù)結(jié)晶溫度和化驗(yàn)分析的碳含量歷史數(shù)據(jù)，每爐都自動(dòng)重新回歸過(guò)程碳的計(jì)算公式（4）中的參數(shù)a和b，修正過(guò)程碳含量，用修正后的過(guò)程碳含量預(yù)測(cè)終點(diǎn)參數(shù)。

式中，ω［C］為儀表輸出的過(guò)程碳含量；Tliq為鋼水凝固溫度；a、b為參數(shù)。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量受轉(zhuǎn)爐復(fù)吹效果的影響很大。OTCBM直接使用固定的副槍儀表輸出碳含量供參考。而CDBM模型從副槍儀表取得溫度和氧電勢(shì)數(shù)據(jù)，采用自學(xué)習(xí)模型每爐修正定碳公式參數(shù)，將修正后的更加準(zhǔn)確的碳含量輸出到CDBM界面上，用于指導(dǎo)生產(chǎn)［4］。CDBM顯示界面見(jiàn)圖5。

圖5　CDBM顯示界面

（3）溫度預(yù)測(cè)參數(shù)自動(dòng)修正。動(dòng)態(tài)模型根據(jù)副槍過(guò)程測(cè)試結(jié)果預(yù)測(cè)終點(diǎn)溫度，確定是否補(bǔ)加冷料或過(guò)吹。OTCBM終點(diǎn)溫度的預(yù)測(cè)參數(shù)采用預(yù)設(shè)的固定參數(shù)，受轉(zhuǎn)爐熱效率、渣量大小、復(fù)吹好壞、氧槍參數(shù)等因素的影響，同樣的過(guò)程測(cè)試結(jié)果、升溫效果相差較大，所以O(shè)TCBM溫度預(yù)測(cè)容易誤判，進(jìn)行補(bǔ)加冷料或過(guò)吹處理。CDBM模型根據(jù)最近爐次的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每爐對(duì)溫度預(yù)測(cè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)回歸修正，使溫度預(yù)測(cè)參數(shù)總是與當(dāng)前生產(chǎn)條件同步修正，提高了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的溫度命中率。

2.4自學(xué)習(xí)模型

自學(xué)習(xí)模型CSAM（Converter Self-Adaptive Model）在爐次結(jié)束時(shí)啟動(dòng)，主要功能是對(duì)冶煉數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析和過(guò)濾，將自動(dòng)化控制較好的爐次數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲(chǔ)，計(jì)算出相關(guān)控制參數(shù)［4］。與引進(jìn)的OTCBM自學(xué)習(xí)模型相比，CSAM更好地進(jìn)行了分類處理。首先是否加廢鋼分為正常生產(chǎn)和全鐵生產(chǎn)兩種模式，然后再按高磷鋼、低磷鋼、常規(guī)磷含量分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，自動(dòng)識(shí)別和剔除異常數(shù)據(jù)，將符合條件的爐次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到各自的自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。自學(xué)習(xí)模型中常見(jiàn)的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)見(jiàn)表3。CSAM不斷地更新自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)，重新計(jì)算相關(guān)控制參數(shù)，為下?tīng)t的模型計(jì)算提供最佳參數(shù)。

表3　自學(xué)習(xí)模型中常見(jiàn)的異常原因

3　ACSAS模型應(yīng)用

3.1ACSAS應(yīng)用保障

為了保證ACSAS模型的有效穩(wěn)定運(yùn)行，主要開(kāi)展的技術(shù)工作有：

（1）提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。主要包括入爐鐵水自動(dòng)采集，廢鋼裝槽及補(bǔ)槽重量自動(dòng)采集，各種造渣材料下料重量的自動(dòng)采集，副槍測(cè)試過(guò)程碳和終點(diǎn)碳參數(shù)的實(shí)時(shí)回歸，煙氣分析儀、物料秤等測(cè)量?jī)x表定期校準(zhǔn)，定期化驗(yàn)活性石灰、輕燒白云石成分，及時(shí)維護(hù)自動(dòng)化模型物料成分含量。

（2）提高設(shè)備的可靠性。降低下料系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、質(zhì)譜儀系統(tǒng)的故障率，提高設(shè)備運(yùn)行的精度和穩(wěn)定性。

（3）穩(wěn)定冶煉條件。主要包括穩(wěn)定煉鋼用氧槍參數(shù)、氧氣壓力。穩(wěn)定鐵水供應(yīng)，減少鐵水溫度及成分的大幅度波動(dòng)。穩(wěn)定造渣材料和冷料成分，杜絕頻繁調(diào)整物料種類及物理化學(xué)性能較大幅度波動(dòng)。穩(wěn)定復(fù)吹效果，組織連續(xù)生產(chǎn)，防止轉(zhuǎn)爐頻繁性涼爐。

3.2ACSAS應(yīng)用效果

ACSAS的模型架構(gòu)合理，數(shù)學(xué)模型科學(xué)。通過(guò)有效的管理措施，保證了自動(dòng)化煉鋼系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，充分發(fā)揮了自動(dòng)化煉鋼的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用ACSAS后，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到明顯提升。自主開(kāi)發(fā)的ACSAS模型與引進(jìn)的OTCBM模型的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表4所示。

表4　ACSAS模型與引進(jìn)的OTCBM模型主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

由表4可以看出，終點(diǎn)碳的命中率（±0.01％）提高了2.5％，達(dá)到97.2％；終點(diǎn)溫度的命中率（-5℃，+15℃）提高了10.9％，達(dá)到92.2％；終點(diǎn)碳、溫雙命中率提高了11.8％，達(dá)到90.3％。碳、溫命中率的提高減少了補(bǔ)吹率，保護(hù)了爐襯，節(jié)約了脫氧鋁鐵的消耗。由于熱平衡計(jì)算準(zhǔn)確、氧槍模型合理，熔劑量降低但脫磷率卻提高了1.5％。ACSAS應(yīng)用后，熔劑成本下降4.6元，磷、碳元素超標(biāo)導(dǎo)致的質(zhì)量事故下降了52％，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4　結(jié)論

（1）介紹了ACSAS模型的主要功能。對(duì)比引進(jìn)的OTCBM模型，ACSAS模型在靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型、氧槍模型上進(jìn)行了主要技術(shù)的改進(jìn)，ACSAS更適應(yīng)鞍鋼自身的工藝技術(shù)條件。

（2）通過(guò)提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和設(shè)備的可靠性，提高冶煉條件的穩(wěn)定性，保證了自動(dòng)化煉鋼系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）ACSAS與OTCBM相比，終點(diǎn)碳命中率提高2.5％，終點(diǎn)溫度命中率提高10.9％，終點(diǎn)碳溫雙命中率提高11.8％。熔劑成本下降4.6元，磷元素和碳元素超標(biāo)導(dǎo)致的質(zhì)量事故下降了52％。

參考文獻(xiàn)

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（編輯許營(yíng)）

修回日期：2015-07-15

Development and Application of Automatic Steelmaking Process by 260 t Converter in Ansteel

Niu Xingming，F(xiàn)ei Peng，Zhao Lei，Wang Luyi，Xu Guoyi，Jia Chunhui
（Bayuquan Iron & Steel Subsidiary Co.of Angang Steel Co.，Ltd.，Yingkou 115007，Liaoning，China）

Abstract：The main functions and technical improvements of these models such as static models，lance models，dynamic models and self-learning models for the automatic steelmaking ACSAS model developed independently by Ansteel were introduced.After the model was put into operation，the percentage of hits for the aim content of carbon in molten steel was increased by 2.5％，the percentage of hits for the aim temperature of molten steel was increased by 10.9％and the percentage of hits for both of them was increased by 11.8％while the cost of flux consumption was reduced by 4.6 yuan RMB.And therefore the percentage of the disqualified troubles caused by the content of phosphorus and carbon which was out of the standard values was reduced by 52％.

Key words：converter；automatic steelmaking；process control；the percentage of hits for the aim values of carbon content and temperature

中圖分類號(hào)：TF703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-4613（2016）03-0041-06