轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的自動(dòng)化控制探究

陳為本

（寶鋼德盛不銹鋼有限公司，福建 福州 350601）

時(shí)代的車輪滾滾向前，人們也逐漸要求更多質(zhì)量更高、材質(zhì)更好的鋼，這就要求對(duì)鋼成品中的碳含量進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)是煉鋼工業(yè)中主要的生產(chǎn)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的自動(dòng)化能夠有效保證煉鋼工業(yè)中的足夠生產(chǎn)力，減少煉鋼中不必要的產(chǎn)能損耗。這也值得鋼鐵企業(yè)引起重視，盡快完成轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)自動(dòng)化控制的升級(jí)，促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)煉鋼企業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)型，增強(qiáng)鋼鐵企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

1 轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)簡(jiǎn)析

我國(guó)進(jìn)入工業(yè)“4.0”時(shí)代之后，煉鋼技術(shù)的機(jī)械自動(dòng)化迎來了轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期，從而在生產(chǎn)時(shí)提升效率，進(jìn)一步利用計(jì)算機(jī)的精準(zhǔn)控制，生產(chǎn)出質(zhì)量更高的鋼鐵。總的來說，轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)包含三個(gè)主要部分，首先是檢測(cè)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)主要針對(duì)自動(dòng)化控制，可以綜合提升轉(zhuǎn)爐煉鋼的效率及精確性。在具體生產(chǎn)中，該技術(shù)要根據(jù)自動(dòng)化控制的實(shí)際工況做及時(shí)調(diào)整，從而保證檢測(cè)技術(shù)和煉鋼自動(dòng)化控制的要求相匹配。該技術(shù)的自動(dòng)化同時(shí)也體現(xiàn)在對(duì)煉鋼工況的監(jiān)督過程。

接下來是自動(dòng)化技術(shù)，該技術(shù)可稱得上為轉(zhuǎn)爐煉鋼的核心技術(shù)，控制轉(zhuǎn)爐煉鋼主要是通過模型和模擬的方法完成的，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面出發(fā)，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化控制。并且對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)參數(shù)做出及時(shí)反饋，從而全方位提升煉鋼效率[2]。

最后是控制技術(shù)，在當(dāng)前煉鋼技術(shù)中主要分成監(jiān)控控制與直接控制和兩個(gè)方面。為了保證穩(wěn)定性和可靠性，維持轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制過程的正常進(jìn)行，一體化控制方法也可以適當(dāng)采用。通常情況下，自動(dòng)化控制系統(tǒng)中收集轉(zhuǎn)爐煉鋼參數(shù)方面，用的是上位機(jī)交換操作各種數(shù)據(jù)，從而針對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)爐煉鋼的過程進(jìn)行控制，對(duì)煉鋼企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響。

2 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)的積極意義

2.1 降低資源消耗，提升生產(chǎn)效率

我國(guó)工業(yè)發(fā)展到今天，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)深入人心，為了提高企業(yè)自身在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，往往會(huì)從降低資源消耗上入手。對(duì)于煉鋼企業(yè)本身的高消耗性特征，降低能耗的意義尤為重大。轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)，其主要發(fā)展方向也是環(huán)境友好型，在提升生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，兼顧低能耗并保護(hù)環(huán)境。這就需要在生產(chǎn)端加強(qiáng)對(duì)技術(shù)的控制，這樣才能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獨(dú)占鰲頭。轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)恰恰在此，可以嚴(yán)格要求終點(diǎn)命中率和鋼水質(zhì)量等等，是轉(zhuǎn)爐煉鋼的過程更加科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)。

2.2 提升煉鋼穩(wěn)定性及鋼產(chǎn)品質(zhì)量

自動(dòng)化技術(shù)主要是通過動(dòng)態(tài)控制轉(zhuǎn)爐氣體，對(duì)副槍測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)分析，從而在發(fā)生作用時(shí)，提升重點(diǎn)控制命中率，進(jìn)而促進(jìn)氣體、溫度等等到達(dá)終點(diǎn)[3]。另外在氣體補(bǔ)吹的工作過程中，也可以通過使含氧量降低的方式，降低鋼水氧化的現(xiàn)象，全面提升鋼產(chǎn)品純度，提升整個(gè)產(chǎn)品批次的高質(zhì)量。調(diào)整終點(diǎn)命中率和補(bǔ)吹率的過程中，也可以縮短鋼鐵冶煉的時(shí)間，可以同時(shí)兼顧鋼液濕度和成分穩(wěn)定性，降低能耗和生產(chǎn)成本。

3 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制技術(shù)

3.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼檢測(cè)技術(shù)

該技術(shù)重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過程進(jìn)行檢測(cè)，在生產(chǎn)過程安置大量?jī)x表，對(duì)煉鋼時(shí)的溫度、成分情況進(jìn)行收集，工作人員需要認(rèn)真記錄儀器儀表顯示的參數(shù)，對(duì)煉鋼實(shí)際工況做出判斷。檢測(cè)技術(shù)中，儀器儀表就是自動(dòng)化控制的基礎(chǔ)，能夠?qū)掍撟詣?dòng)化控制中出現(xiàn)的各種缺陷進(jìn)行有效預(yù)防[4]。

3.2 廢氣分析檢測(cè)技術(shù)

該技術(shù)主要對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的廢氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督。轉(zhuǎn)爐煉鋼中會(huì)有大量的廢氣產(chǎn)生，無論是二氧化碳、氮?dú)饣蚴且谎趸嫉鹊?，都?huì)對(duì)產(chǎn)鋼質(zhì)量產(chǎn)生一定程度的影響。如果能實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中的廢氣產(chǎn)生狀況，就能對(duì)工藝指標(biāo)做出及時(shí)反饋。當(dāng)前很多煉鋼自動(dòng)化控制中，已經(jīng)對(duì)廢氣分析檢測(cè)技術(shù)逐漸邊緣化，但在一小部分工藝中仍然繼續(xù)使用，所以可以立足于實(shí)際判斷該項(xiàng)技術(shù)的可行性，最大化實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 爐氣定碳與副槍結(jié)合

在廢氣的收集計(jì)算問題上，主要應(yīng)用爐氣定碳和副槍結(jié)合技術(shù)，對(duì)脫碳的實(shí)際速率進(jìn)行分析，從而判斷此時(shí)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化的狀態(tài)。該技術(shù)以副槍為主，爐氣定碳為輔，對(duì)鋼業(yè)殘留碳的實(shí)際干糧進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)爐的含碳量。該技術(shù)可以全面提升脫碳計(jì)算的精準(zhǔn)性，從而使轉(zhuǎn)爐煉鋼中的含碳量增多，形成更加精確的數(shù)據(jù)參考，提升了自動(dòng)化煉鋼的效率[5]。

3.4 數(shù)學(xué)模型技術(shù)

該技術(shù)在實(shí)際煉鋼生產(chǎn)中，分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種過程。以動(dòng)態(tài)過程舉例來說，主要包括化學(xué)平衡及熱平衡，判斷轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化狀態(tài)主要依據(jù)的是平衡點(diǎn)。在該技術(shù)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型中，還有關(guān)于氧槍高度和氧流量參數(shù)的計(jì)算部分。在相關(guān)工藝中，還有關(guān)于參數(shù)的調(diào)整，保證煉鋼自動(dòng)化得到控制。

3.5 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)的本質(zhì)是計(jì)算技術(shù)和信息技術(shù)，可以通過模擬人工智能的過程，逐步替換傳統(tǒng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的人為操作模式，大幅降低人工計(jì)算控制的資源投入，提高生產(chǎn)效率。該技術(shù)的廣泛使用，也體現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼的智能化發(fā)展之路更進(jìn)一大步，所以煉鋼企業(yè)應(yīng)該著眼于自身實(shí)際情況，適當(dāng)革新人工智能技術(shù)[6]。

3.6 圖像處理判定技術(shù)

圖像處理判定技術(shù)和光譜光學(xué)判定技術(shù)大同小異，作為非接觸測(cè)量技術(shù)的一種，圖像處理判定技術(shù)更多著眼于對(duì)轉(zhuǎn)爐爐口火焰變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而提取有用的潛在信息。提取技術(shù)主要包括紋理分析、特征提取、顏色模型轉(zhuǎn)換等等，信息也是與火焰圖像和煉鋼過程有關(guān)的，然后收集這些信息對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，進(jìn)而預(yù)測(cè)判斷終點(diǎn)。該技術(shù)的本質(zhì)和人眼的工作相差不大，也就是模擬人眼的工作，效仿傳統(tǒng)工作方式中，工人依據(jù)經(jīng)驗(yàn)肉眼觀察火焰變化情況對(duì)工況信息進(jìn)行判斷。這種方法同樣依賴大量的訓(xùn)練次數(shù)，才能不斷找到變化規(guī)律。

3.7 機(jī)器人輔助測(cè)量技術(shù)

信息化水平的提升，使機(jī)器人輔助測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，借助時(shí)代的力量不斷發(fā)展，這也有賴于很多煉鋼企業(yè)的車間智能化技術(shù)不斷發(fā)展。機(jī)器人本質(zhì)上仍然是一種智能設(shè)備，是一種新式測(cè)量系統(tǒng)的操作平臺(tái)。機(jī)器人可以自動(dòng)為測(cè)量槍安裝探頭，自動(dòng)往鋼液中插入探頭，完成測(cè)量溫度和采樣的工作，對(duì)已經(jīng)過時(shí)的探針也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并替換卸載。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，工廠車間中機(jī)器人替換人工已經(jīng)是大勢(shì)所趨，因此在轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制技術(shù)中，機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)合也會(huì)與日俱增。這就需要煉鋼企業(yè)結(jié)合自身發(fā)展情況，大力在實(shí)踐中推廣機(jī)器人的使用，不斷檢驗(yàn)機(jī)器人的穩(wěn)定性和可用性。

3.8 智能終點(diǎn)控制技術(shù)

智能終點(diǎn)控制技術(shù)主要以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)為代表，該技術(shù)更多著眼于轉(zhuǎn)爐煉鋼中的事實(shí)依據(jù)，主要針對(duì)過程進(jìn)行優(yōu)化與控制，而摒棄了傳統(tǒng)探求煉鋼過程深層規(guī)律的工作方式，因此該技術(shù)在實(shí)際工作中也得到了廣泛推廣，在韓國(guó)和日本都較為領(lǐng)先。我國(guó)很多大型煉鋼企業(yè)也在轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制中應(yīng)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。大體來說，這些方法都是最輸入輸出量做重點(diǎn)考察，這就很大程度上消除了隨機(jī)偏差，保證精度達(dá)到要求，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

4 轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制流程

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化需要嚴(yán)格遵循生產(chǎn)流程所規(guī)定的要求，在流程方面可以細(xì)分為十多個(gè)步驟。功能鍵在轉(zhuǎn)爐煉鋼的控制面板上，工作人員主要控制功能鍵進(jìn)行自動(dòng)化控制。

4.1 轉(zhuǎn)爐煉鋼預(yù)處理

轉(zhuǎn)爐煉鋼操作中，第一步是預(yù)處理工序。工作人員需要選擇吹煉的工作模式，選擇依據(jù)是轉(zhuǎn)爐煉鋼的操作。還要對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼中的原料進(jìn)行稱重，原料包括廢鋼料、生鐵以及其他金屬成分。另外需要在預(yù)處理階段，確定電子秤稱量的方式，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中就要對(duì)原料使用量進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)確定配料的量，最后再向煉鋼爐投入煉鋼原料，之后進(jìn)入到具體的轉(zhuǎn)爐煉鋼操作階段[7]。

4.2 轉(zhuǎn)爐添加

轉(zhuǎn)爐添加開始狀態(tài)啟動(dòng)之后，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)有效的控制。鼓風(fēng)機(jī)也會(huì)持續(xù)向轉(zhuǎn)爐中提供氧氣，作為煉鋼中必要的氣體。自動(dòng)化控制能夠更加智能控制鼓風(fēng)機(jī)出入氧氣的含量，從而確保煉鋼能夠順利進(jìn)行。

4.3 添加廢鋼料

轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)，廢鋼料也是必不可少的一種原料，自動(dòng)化控制可以對(duì)生產(chǎn)中所需廢鋼料的數(shù)量做精準(zhǔn)判斷。工作人員在添加廢鋼料的工序完成之后，可以點(diǎn)擊控制面板上的相關(guān)指令按鈕，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)完畢之后，就可以進(jìn)行緊后工序了，執(zhí)行下個(gè)操作。

4.4 鐵水添加

轉(zhuǎn)爐煉鋼的鐵水添加工序也是在自動(dòng)化控制下完成的，同樣在完成鐵水的添加過后，點(diǎn)擊相關(guān)指令按鈕即可結(jié)束這道工序。

4.5 轉(zhuǎn)爐添加完成

這項(xiàng)工序是總結(jié)性的流程，當(dāng)轉(zhuǎn)爐煉鋼中的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，完成流程要求之后，就會(huì)導(dǎo)致前面的轉(zhuǎn)爐添加開始，以及后續(xù)的廢鋼料及鐵水添加指令失去作用。

4.6 鋼鐵吹煉開始

鋼鐵吹煉是轉(zhuǎn)爐添加完成的緊后工作，當(dāng)自動(dòng)化控制進(jìn)入到這道工序時(shí)，會(huì)先由工作人員檢查高壓氧氣的情況，確保正常后才能進(jìn)行正式的吹煉，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

4.7 點(diǎn)火操作控制

轉(zhuǎn)爐煉鋼的氧槍在數(shù)值高的情況下，會(huì)由工作人員將氧氣閥門打開，同時(shí)按下控制點(diǎn)火操作的按鈕。一旦按下，氧量的計(jì)算時(shí)鐘會(huì)被啟動(dòng)。在自動(dòng)化控制技術(shù)下，轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)會(huì)進(jìn)一步使煉鋼過程走向動(dòng)態(tài)化，改善轉(zhuǎn)爐中的氧氣含量[8]。

4.8 結(jié)束吹煉控制

自動(dòng)化控制對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼的需氧量做了明確規(guī)定，如果氧量時(shí)鐘可以達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定氧量時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)在自動(dòng)化控制下提升氧氣噴槍。到達(dá)一定高度時(shí)，就會(huì)結(jié)束吹煉過程。

4.9 出鋼操作

出鋼同樣是在自動(dòng)化控制下進(jìn)行的，提前安裝好的檢測(cè)器會(huì)對(duì)此進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)器檢測(cè)到出鋼位時(shí)，就會(huì)對(duì)出鋼操作進(jìn)行自動(dòng)化控制。等到出鋼操作結(jié)束之后，轉(zhuǎn)爐會(huì)恢復(fù)到零位，系統(tǒng)也會(huì)結(jié)束出鋼操作。

4.10 出渣階段操作

檢測(cè)器對(duì)出渣階段工況進(jìn)行自動(dòng)化控制，運(yùn)用主動(dòng)檢測(cè)的工作方式，到了出渣位就開始出現(xiàn)信號(hào)，結(jié)束之后轉(zhuǎn)到零位，結(jié)束相關(guān)操作。

5 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的自動(dòng)化控制是煉鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨，也是鋼鐵企業(yè)提升自身競(jìng)爭(zhēng)的必由之路。該技術(shù)對(duì)于降低產(chǎn)業(yè)能耗，提升鋼產(chǎn)品質(zhì)量有十分重要的作用，因此如何在鋼鐵生產(chǎn)中大力推廣，值得從業(yè)者認(rèn)真思考。