自動化煉鋼過程控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

李 寬

（唐山不銹鋼有限責(zé)任公司，河北 唐山063000）

在當(dāng)前計算機技術(shù)與煉鋼技術(shù)深度融合的技術(shù)應(yīng)用背景下，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼措施已不能完全適應(yīng)當(dāng)前的煉鋼行業(yè)發(fā)展需要，全面提高煉鋼的自動化、智能化水平，已經(jīng)成為煉鋼行業(yè)的必由之路。通過計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)煉鋼技術(shù)的高精度、自動化、智能化控制的有效性。

1 什么是轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化控制技術(shù)？

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化，自動化控制技術(shù)是最關(guān)鍵的部分，可以將自動化控制分為兩個層次，控制技術(shù)及人工智能控制技術(shù)。通過檢測和分析，在計算機技術(shù)支持下，實現(xiàn)模型的建立和反饋，動態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)爐內(nèi)碳含量和鋼水溫度。通過機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實現(xiàn)人工智能自動控制轉(zhuǎn)爐煉鋼過程，進一步降低人力成本，提高煉鋼質(zhì)量，提升生產(chǎn)效率。

2 轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼技術(shù)優(yōu)勢

2.1 煉鋼生產(chǎn)效率有效提高

當(dāng)前節(jié)能環(huán)保政策的不斷深入嚴(yán)格，導(dǎo)致整體煉鋼行業(yè)都需要不斷降低能耗水平，不斷優(yōu)化污染物生成和排放，要求煉鋼行業(yè)不斷采用新的技術(shù)。轉(zhuǎn)爐過程應(yīng)采用轉(zhuǎn)爐自動煉鋼技術(shù)，為實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，煉鋼工序生產(chǎn)效率不斷提高，更多的人力物力消耗降低提供可能。

2.2 煉鋼的質(zhì)量不斷提升

通過對轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的動態(tài)控制，在有效結(jié)合轉(zhuǎn)爐的分析系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，達到有效降低含氧量、有效控制爐內(nèi)溫度的目的?？刂茽t內(nèi)含氧量，使得鋼水的氧化程度明顯降低，整個鋼水的純度也得到了提高，從而更好地保證了整體質(zhì)量。隨著轉(zhuǎn)爐自動煉鋼技術(shù)在煉鋼過程中的應(yīng)用，獲得的鋼質(zhì)量也非常穩(wěn)定。自動化技術(shù)的改進降低了能源消耗和鋼鐵生產(chǎn)成本。

3 轉(zhuǎn)爐煉鋼中的自動化問題

3.1 信號傳輸系統(tǒng)故障

信號傳輸系統(tǒng)在轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化裝置當(dāng)中起到橋梁連接作用，能夠?qū)?zhí)行程序與信號及時傳遞給系統(tǒng)控制端，進而順利完成生產(chǎn)過程。但是，在信號傳輸系統(tǒng)運行過程中，信號傳輸數(shù)據(jù)極易出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致顯示屏幕的數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)錯誤，此時，執(zhí)行系統(tǒng)就會接到錯誤指令，而發(fā)出錯誤運行信號，這樣很容易造成計算機智能系統(tǒng)無法正常運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)爐煉鋼流程也會就此中斷。

3.2 氧槍問題

氧槍的送氧功能一旦受到影響，就會造成煉鋼產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量下降。在轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)中，控制氧槍升降、位置與速度的自動化系統(tǒng)，其組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，連接的外圍附屬設(shè)備較多，各個裝置之間如果運轉(zhuǎn)不同步，氧槍就會產(chǎn)生故障，而停止工作，甚至無法提槍，使整個煉鋼生產(chǎn)過程受到嚴(yán)重影響。

3.3 無法搖爐問題

當(dāng)轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備通電啟動后，轉(zhuǎn)爐無法做出搖爐動作，不但會影響轉(zhuǎn)爐設(shè)備的使用壽命，也極易發(fā)生鋼水溢出等事故，進而埋下重大的安全隱患。通過對無法搖爐問題的分析和判斷，產(chǎn)生這種問題的主要原因是由于供電線路不穩(wěn)定。

3.4 轉(zhuǎn)爐開閘問題

在轉(zhuǎn)爐運轉(zhuǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)跳閘以及開閘等問題，查找問題根源，首先需要考慮變頻器故障，轉(zhuǎn)爐設(shè)備通常由四臺變頻器組成，如果在檢查中，發(fā)現(xiàn)任何一臺變頻器喪失變頻功能，都可能引起跳閘事故。另外操作位置選用不當(dāng)、緊急停止信號以及主指操作無效也會產(chǎn)生開閘問題，進而給煉鋼生產(chǎn)過程帶來不利影響。

4 自動化煉鋼過程控制技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 信號傳輸系統(tǒng)的控制

當(dāng)信號傳輸系統(tǒng)發(fā)生故障后，檢修人員應(yīng)當(dāng)?shù)谝粫r間檢查設(shè)備指示燈，檢查交換機接口處的彈片是否已經(jīng)斷開，在排除這兩方面的故障隱患后，應(yīng)當(dāng)檢查網(wǎng)絡(luò)通信線路是否通暢或者存在斷開與接觸不良的情況。比如在轉(zhuǎn)爐運轉(zhuǎn)過程中，如果信號傳輸受阻，轉(zhuǎn)爐就會出現(xiàn)搖爐現(xiàn)象。在這種情況之下，檢修人員應(yīng)當(dāng)檢查PLC柜內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)指示燈是否處于正常工作狀態(tài)，是否發(fā)出了故障警報，如果沒有警報反饋，應(yīng)重新連接通信線路，并做好密封工作。

4.2 氧槍的控制

氧槍故障是轉(zhuǎn)爐煉鋼中較為常見的一種故障類型，如果在生產(chǎn)過程中，氧槍無法自動提槍，檢修人員應(yīng)當(dāng)著重考慮以下兩方面問題。其一是轉(zhuǎn)爐應(yīng)保持正常的合閘與跳閘狀態(tài)，這樣，氧槍才能完成下降環(huán)節(jié)。這就需要檢修人員應(yīng)當(dāng)進一步加大現(xiàn)場巡視檢查力度，在檢查當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)保證轉(zhuǎn)爐在處于垂直狀態(tài)時，需要開啟操作終端的緊急停止按鈕，這時，氧槍的工作狀態(tài)抱閘鎖死狀態(tài)，并能夠快速恢復(fù)到原位。接下來檢查儀表控制程序，為了防止水溫過高或者過低，給轉(zhuǎn)爐爐體造成不利影響，檢修人員應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，合理設(shè)定冷卻水下限參數(shù)，當(dāng)水溫處在下限值以下時，自動化系統(tǒng)就會發(fā)出警報，氧槍也不會發(fā)生緊急上升的情況。當(dāng)氧槍上升到一定調(diào)度時，操作人員應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，不得快速迫降，以免給設(shè)備的其它系統(tǒng)造成破壞。此外，當(dāng)出現(xiàn)無法提槍的情況時，檢修人員應(yīng)立即啟動停止按鈕，并嚴(yán)格控制氧槍的提槍速度，一般為10m/min～40m/min，然后再檢查總管與支管壓力是否出現(xiàn)最低值，以有效避免氧槍故障的發(fā)生。

4.3 轉(zhuǎn)爐搖爐的控制

搖爐故障的產(chǎn)生一般與供電線路有關(guān)，因此，檢修人員應(yīng)當(dāng)首先排查線路故障，并利用固定線路將主控臺與搖爐連接在一起，這時，可以借助于PLC的強制運用搖爐性能，使轉(zhuǎn)爐能夠正常運轉(zhuǎn)。比如在發(fā)生搖爐事件后，極易發(fā)生鋼水泄漏事故，容易威脅現(xiàn)場工作人員的人身安全，在這種情況之下，檢修人員可以利用自動監(jiān)測技術(shù)，追根溯源，查看氧槍位置以及設(shè)備內(nèi)部潤滑情況，當(dāng)確認(rèn)一切正常后，再對網(wǎng)絡(luò)通訊情況進行檢查。檢修人員在實際工作當(dāng)中，需要嚴(yán)格執(zhí)行操作流程標(biāo)準(zhǔn)，利用標(biāo)準(zhǔn)中的強制性執(zhí)行條款，使轉(zhuǎn)爐能夠一直保持正常的搖爐狀態(tài)。

4.4 轉(zhuǎn)爐開閘的控制

當(dāng)轉(zhuǎn)爐設(shè)備出現(xiàn)開閘事故后，檢修人員首先應(yīng)當(dāng)檢查變頻器的數(shù)量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，然后查看變頻器的操作位置是否正確，如果出現(xiàn)偏差，需要及時予以處理，以防止事態(tài)惡化。另外，對于經(jīng)驗豐富的檢修人員來說，也可通過觀察變頻器主指令控制輸出值的方式，排除故障隱患，當(dāng)輸出值歸為零點后，再行合閘。比如轉(zhuǎn)爐設(shè)備由4臺變頻器組成，如果經(jīng)常跳閘或者開閘，檢修人員確定至少三臺變頻器處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，才能保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

5 提升轉(zhuǎn)爐自動化程度的方法

5.1 加強原料的管理

（1）加強廢棄物管理。在廢棄物管理過程中，必須注意廢棄物的成分和冷卻效果。在具體操作中，廢鋼主要來源于轉(zhuǎn)爐二次系統(tǒng)，即煉鋼過程與報廢系統(tǒng)是相互關(guān)聯(lián)的，因此在報廢計劃進行系統(tǒng)后，需要制定相應(yīng)的反饋機制，反饋的內(nèi)容應(yīng)包括重量、類型及編號等。

（2）返渣分類管理。為了提高廢鋼的利用率，在轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼技術(shù)中應(yīng)通過對廢鋼的來源進行追溯和分類，通過追溯和分類可以將廢渣分為高堿度鋼包渣、低堿度鋼包渣和轉(zhuǎn)爐渣。在分類的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對返渣的分類管理和應(yīng)用功能。

（3）轉(zhuǎn)爐除渣物料管理。目前，轉(zhuǎn)爐排渣材料主要是冶金石灰和輕燒白云石。如果排渣物料中存在異常成分，需要將相關(guān)信息反饋到轉(zhuǎn)爐自動煉鋼系統(tǒng)，并對這些信息進行整理和分析。

5.2 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度提升管理

（1）提高計量系統(tǒng)管理水平。煉鋼自動化應(yīng)用過程中，計量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性關(guān)系到自動化應(yīng)用的實際效果。為了提高測量精度，可以在轉(zhuǎn)爐自動煉鋼系統(tǒng)中增加鐵水行程測量系統(tǒng)。通過這些系統(tǒng)實現(xiàn)定期校準(zhǔn)，可以更好地提高測量系統(tǒng)管理的準(zhǔn)確性。

（2）保證鐵水配比基本合理。通過確定合理的鐵水配比，可以減少端拉爐的數(shù)量，保證端渣在合理范圍內(nèi)波動。

（3）減少爐膛內(nèi)二氧化碳的波動。為提高自動控制效果，必須加強對采氣全過程的管理，減少全過程的排煙量。轉(zhuǎn)爐自動煉鋼系統(tǒng)應(yīng)充分優(yōu)化，進料方式和槍位操作應(yīng)統(tǒng)一，保證爐腔內(nèi)實際二氧化碳含量不發(fā)生大范圍波動。

6 基于大數(shù)據(jù)智能化自動煉鋼技術(shù)的發(fā)展趨勢

6.1 基于大數(shù)據(jù)智能化煉鋼系統(tǒng)模型構(gòu)建

借助于大數(shù)據(jù)技術(shù)，計算模型基于熱力學(xué)與動力學(xué)理論，熱力學(xué)模型系統(tǒng)以鋼水—爐渣—爐氣的生產(chǎn)工藝控制核心為依據(jù)，熔渣的性質(zhì)結(jié)合帕納馬連卡A.G.電子共價理論進行記錄，根據(jù)這一理論，熔渣并不是一套計量化學(xué)分子式，而屬于一級共價電子與原子構(gòu)成的整體物相系統(tǒng)，由此構(gòu)建了熱力學(xué)模型。與普通轉(zhuǎn)爐自動煉鋼控制系統(tǒng)相比較，該熱力學(xué)模型能夠根據(jù)化學(xué)元素與化合物對外轉(zhuǎn)爐熔池中的各元素量化值進行修正和精準(zhǔn)計算，計算時間間隔為10s，根據(jù)計算結(jié)果，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對巨量數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計而得到轉(zhuǎn)爐中各元素的變化曲線，系統(tǒng)以這些曲線為切入點，對煉鋼過程進行自動控制。

智能煉鋼系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)由各個軟件實現(xiàn)全程控制，該系統(tǒng)主要由一級系統(tǒng)以及二級子系統(tǒng)構(gòu)成，其中一級系統(tǒng)由轉(zhuǎn)爐——氧槍控制系統(tǒng)以及自動加料系統(tǒng)構(gòu)成，二級系統(tǒng)由自動煉鋼控制系統(tǒng)以二級計算機控制系統(tǒng)構(gòu)成，這些系統(tǒng)均屬于軟件技術(shù)的綜合體。二級系統(tǒng)的工作過程屬于采集數(shù)據(jù)的過程，數(shù)據(jù)來自于轉(zhuǎn)爐以及天車和化學(xué)成分系統(tǒng)，比如鐵水與爐前鋼樣化學(xué)成數(shù)據(jù)，以及鐵水及廢鋼兌入時間及重量等數(shù)據(jù)。基于大數(shù)據(jù)的智能鋼系統(tǒng)易于控制、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。

6.2 應(yīng)用效果

（1）良好的脫磷效果。鐵水中磷元素含量的正常值是0.130%左右，在應(yīng)用智能化自動煉鋼技術(shù)之前，脫磷效果不明顯，尤其是一倒脫磷效果，只能達到50%左右。下面以Q345B熱卷原料為例，對應(yīng)用智能化自動煉鋼技術(shù)后的脫磷效果予以驗證。首先選取一個典型澆次的Q345B熱卷的10組有效數(shù)據(jù)作為主要研究對象，應(yīng)用該智能系統(tǒng)，脫磷率超過70%，究其原因是由于在脫磷的關(guān)鍵期，產(chǎn)生大量的高氧化性泡沫渣，加快了化學(xué)反應(yīng)速度，當(dāng)冶煉過程即將結(jié)束時，再追加800kg左右的返礦，分兩個批次進行添加，并且合理控制攪拌強度，使其完全符合脫磷要求，脫磷效果較為顯著。

（2）鋼鐵料消耗量減少。通過相關(guān)工藝的優(yōu)化與管理，將轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼技術(shù)應(yīng)用在實踐中后鋼鐵料消耗量明顯減少。一是，明顯提升了轉(zhuǎn)爐終點碳與溫度雙命中率。該技術(shù)在投入前后，結(jié)合鋼種終點控制標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)爐終點C_T雙命中率已高達89.2%。二是，進一步降低了轉(zhuǎn)爐補吹率。因為自動化煉鋼的使用可以提升轉(zhuǎn)爐終點C_T的雙命中率，已由以往的25.7%逐漸降到了8.0%。三是，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率得到了有效提升，有效縮短了冶煉周期。應(yīng)用自動化煉鋼技術(shù)后，由原來的65%轉(zhuǎn)爐一倒出鋼率已經(jīng)逐漸提升到92%，不但縮短了冶煉周期，還降低了轉(zhuǎn)爐補吹頻率，使轉(zhuǎn)爐平均冶煉周期也從以往47min縮減到了現(xiàn)在的41min，成本每噸鋼降低了4.9元，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率提升了8.6%。鋼鐵料消耗量在使用自動化煉鋼技術(shù)后，每噸降低了9.3kg，成本每噸減少了26.87元。

7 結(jié)論

綜上所述，在煉鋼過程中，采用轉(zhuǎn)爐自動煉鋼控制技術(shù)可以有效保證煉鋼產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，進一步降低生產(chǎn)成本。各煉鋼廠應(yīng)充分認(rèn)識到不斷創(chuàng)新自身煉鋼控制技術(shù)的重要性，將轉(zhuǎn)爐自動化煉鋼技術(shù)應(yīng)用到具體生產(chǎn)中，以更好地增強公司的核心競爭力。