安豐濤，郝建標(biāo)，王文輝

(河鋼集團(tuán)宣鋼公司計(jì)控中心，河北宣化075100)

摘要: 介紹了副槍測(cè)量自動(dòng)煉鋼應(yīng)用過程中對(duì)轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型、吹煉跟蹤、熔劑計(jì)算、氧量計(jì)算等關(guān)鍵算法的優(yōu)化和應(yīng)用; 闡述了數(shù)據(jù)分析自動(dòng)煉鋼的熱力學(xué)計(jì)算原理，通過建立數(shù)學(xué)模型，可實(shí)時(shí)計(jì)算冶煉全程鋼水、鋼渣和溫度變化從而控制冶煉過程。從原燃料消耗、冶煉、噴濺及應(yīng)用方面對(duì)兩種自動(dòng)煉鋼方式進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析自動(dòng)煉鋼的原燃料消耗及冶煉、噴濺量均較低。將數(shù)據(jù)計(jì)算和煙氣檢測(cè)分析設(shè)備結(jié)合起來可實(shí)現(xiàn)全程動(dòng)態(tài)煉鋼，同時(shí)降低成本、提高煉鋼效率、實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)雙命中率，這種煉鋼方式是自動(dòng)煉鋼發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞: 自動(dòng)煉鋼; 動(dòng)態(tài)計(jì)算; 副槍; 靜態(tài)模型; 大數(shù)據(jù); 煙氣檢測(cè)

0 引言

伴隨著現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)爐煉鋼中的主要冶煉過程及終點(diǎn)控制主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)。隨著科技的飛速發(fā)展，為了提高煉鋼效率和降低人工成本，轉(zhuǎn)爐自動(dòng)煉鋼技術(shù)越來越受到廣泛應(yīng)用^［1－3］。目前國內(nèi)自動(dòng)煉鋼主要采用數(shù)據(jù)分析智能煉鋼和副槍測(cè)量煉鋼兩種控制方式，這兩種方式均在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了有效應(yīng)用。相較而言，副槍自動(dòng)冶煉技術(shù)更成熟，在全國大型鋼鐵企業(yè)中均有應(yīng)用，而數(shù)據(jù)分析智能冶煉技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的，應(yīng)用較少。本文主要對(duì)這兩種自動(dòng)煉鋼模式進(jìn)行簡單介紹。

1 副槍測(cè)量自動(dòng)煉鋼技術(shù)

副槍測(cè)量自動(dòng)煉鋼技術(shù)在國內(nèi)許多大型鋼廠得到了很好的應(yīng)用，它主要是通過調(diào)試和優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐模型二級(jí)靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型、吹煉跟蹤、熔劑計(jì)算、氧量計(jì)算等關(guān)鍵算法的準(zhǔn)確。通過二級(jí)系統(tǒng)對(duì)入爐鐵水溫度、成分、重量、廢鋼重量精確采集，利用靜態(tài)數(shù)學(xué)模型自動(dòng)計(jì)算出吹氧量、熔劑加入量和吹煉槍位等，后期依據(jù)副槍測(cè)量數(shù)據(jù)通過動(dòng)態(tài)模型計(jì)算，實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)爐吹氧量、熔劑加入量等來實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)命中。副槍自動(dòng)煉鋼技術(shù)核心是根據(jù)不同的鋼種來進(jìn)行相應(yīng)的模型靜態(tài)計(jì)算及測(cè)量后的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

1． 1 模型控制過程

副槍測(cè)量自動(dòng)煉鋼控制模型主要包括出鋼溫度計(jì)算模型、主原料計(jì)算模型、熔劑計(jì)算模型、靜態(tài)計(jì)算模型及動(dòng)態(tài)計(jì)算模型。出鋼溫度計(jì)算模型是根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出爐次出鋼溫度; 主原料計(jì)算模型是根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、出鋼溫度模型計(jì)算出終點(diǎn)溫度以及煉鋼所需的鐵水和廢鋼量; 熔劑模型是計(jì)算出煉鋼所需的熔劑; 氧量模型則計(jì)算出煉鋼所需的吹氧量和冷卻劑重量。在所有模型計(jì)算完成并確認(rèn)后，鐵水、廢鋼、氧量、冷卻劑、熔劑設(shè)定值和吹煉模式發(fā)送到一級(jí)PLC系統(tǒng)，PLC 系統(tǒng)根據(jù)吹煉模式和轉(zhuǎn)爐模型發(fā)送的設(shè)定值執(zhí)行氧槍吹煉和熔劑加料控制過程; 順序控制程序接收兌鐵、吹煉、出鋼等事件信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)處理; 自動(dòng)吹煉控制程序接收到吹煉過程數(shù)據(jù)和副槍測(cè)量值后，觸發(fā)動(dòng)態(tài)模型。動(dòng)態(tài)模型根據(jù)副槍測(cè)量值和吹煉終點(diǎn)目標(biāo)值計(jì)算出吹煉動(dòng)態(tài)階段的吹氧量和冷卻劑加入量，實(shí)時(shí)計(jì)算熔池碳含量和鋼水溫度，在吹煉達(dá)到終點(diǎn)目標(biāo)范圍時(shí)，向基礎(chǔ)自動(dòng)化發(fā)送提槍指令^［4］，從而完成整個(gè)吹煉過程。

1． 2 靜態(tài)計(jì)算

靜態(tài)計(jì)算依據(jù)吹煉冶金反應(yīng)過程中的熱平衡、物料平衡、氧平衡來進(jìn)行計(jì)算。但因靜態(tài)計(jì)算是冶煉過程十分復(fù)雜的系統(tǒng)問題，因而需結(jié)合靜態(tài)自學(xué)習(xí)模型中參考爐次的特征數(shù)據(jù)共同完成計(jì)算^［5］。當(dāng)系統(tǒng)完成對(duì)入爐的鐵水量、鐵水成分、鐵水溫度、廢鋼量、鋼種等相關(guān)數(shù)據(jù)采集后，模型會(huì)自動(dòng)計(jì)算出本爐次的冶煉用氧量、轉(zhuǎn)爐輔料的加料時(shí)刻和重量、氧槍槍位以及要進(jìn)副槍的時(shí)機(jī)和底吹的控制模式。表1 為轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型的計(jì)算結(jié)果。

1． 3 動(dòng)態(tài)計(jì)算

動(dòng)態(tài)計(jì)算過程控制主要包括吹煉過程的槍位、氧流量、底吹流量和副槍測(cè)量的控制。過程控制是以氧耗進(jìn)程作為控制的參照標(biāo)準(zhǔn)，吹煉過程的槍位、氧流量是根據(jù)氧槍的設(shè)計(jì)、爐型的狀況和終點(diǎn)成分的要求并對(duì)應(yīng)氧耗進(jìn)程等來確定。整個(gè)吹煉過程( 除副槍測(cè)量階段外) 都采用均衡供氧量。氧槍槍位根據(jù)鋼種的不同都已設(shè)定為固定高度。副槍測(cè)量的啟動(dòng)時(shí)間為吹煉氧量達(dá)到總氧量的85% 左右時(shí)，具體測(cè)量時(shí)間由副槍的性能決定。在副槍測(cè)量過程中，氧氣流量及底吹流量都為正常吹煉流量的50%。當(dāng)吹煉到總氧量的85% 左右時(shí)進(jìn)行副槍1的測(cè)量。測(cè)量完副槍1 以后，就進(jìn)入了動(dòng)態(tài)控制階段。動(dòng)態(tài)計(jì)算包括動(dòng)態(tài)氧量、動(dòng)態(tài)冷卻劑( 動(dòng)態(tài)發(fā)熱劑) 重量等的計(jì)算( 表2) 。

1． 4 實(shí)施效果

副槍測(cè)量自動(dòng)煉鋼自系統(tǒng)應(yīng)用以來，一鍵煉鋼率和C － T 雙命中率較人工煉鋼顯著提高，其中C－ T 雙命中率能更好地反映模型控制的運(yùn)行狀況。表3 及圖1 為副槍測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用前后的C － T 命中率情況。

2 數(shù)據(jù)分析智能自動(dòng)煉鋼技術(shù)的應(yīng)用

數(shù)據(jù)分析智能煉鋼技術(shù)以熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型來計(jì)算冶煉過程中各種物理化學(xué)轉(zhuǎn)變。通過建立數(shù)據(jù)庫，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、歸類、分析，指導(dǎo)本爐次冶煉控制過程及調(diào)整因素，從而不斷地修正程序模型，使其符合煉鋼的實(shí)際變化及影響控制。通過對(duì)入爐鐵水量、廢鋼量及相應(yīng)的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)采集，根據(jù)鋼種終點(diǎn)碳含量、溫度的要求，模型計(jì)算出各元素氧化速度的定性和定量化的反應(yīng)軌跡曲線，在冶煉過程中通過連續(xù)地計(jì)算、預(yù)測(cè)偏移量，實(shí)時(shí)調(diào)整冶煉控制模式，以達(dá)到精準(zhǔn)的終點(diǎn)雙命中。

2． 1 高精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型

智能煉鋼技術(shù)主要包括靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型( 圖2) ，其中靜態(tài)模型是整個(gè)煉鋼模型的基礎(chǔ)部分。轉(zhuǎn)爐靜態(tài)模型控制主要根據(jù)鐵水裝入量、鐵水溫度、廢鋼加入量及終點(diǎn)碳成分和溫度要求來進(jìn)行供氧量、槍位和熔劑加入量的計(jì)算，并實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)熔池內(nèi)的碳成分、溫度。動(dòng)態(tài)模型的控制核心是“鋼水－ 爐渣－ 爐氣”的熱力學(xué)模型計(jì)算系統(tǒng)^［2］，是智能煉鋼的核心部分。動(dòng)態(tài)過程控制依據(jù)物料的實(shí)際消耗量，每隔10 s 預(yù)測(cè)爐內(nèi)鋼鐵料的成分、溫度和渣料成分變化，調(diào)整實(shí)時(shí)供氧量和散料用量，對(duì)冶煉進(jìn)程進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視。通過復(fù)雜精密的計(jì)算，依據(jù)預(yù)測(cè)值最終實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)成分和溫度的雙命中。

2． 2 高智能化的自動(dòng)控制過程

智能控制系統(tǒng)通過綜合二級(jí)系統(tǒng)將入爐鐵水量、廢鋼量及其化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)輸入到程序中，經(jīng)過靜態(tài)模型計(jì)算，設(shè)計(jì)出此爐鋼的冶煉方案。隨著冶煉過程變化，周期性地采集入爐熔劑加入量和氧氣消耗量、氧槍槍位等數(shù)據(jù)的變化一般每10 s 計(jì)算1 次，顯示和預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的各元素反應(yīng)軌跡曲線的偏離程度，及時(shí)制定調(diào)整方案并發(fā)出指令，實(shí)時(shí)調(diào)整熔劑加入量、氧槍槍位和氧氣流量，使其逐漸接近預(yù)測(cè)曲線。根據(jù)爐渣中( FeO) 變化趨勢(shì)，自動(dòng)微調(diào)槍位，控制噴濺和溢渣。建立仿真軟件可把無法直接測(cè)量的爐內(nèi)反應(yīng)過程，通過綜合二級(jí)畫面監(jiān)控顯示出來。

2． 3 實(shí)施效果

智能煉鋼系統(tǒng)在河鋼宣鋼120 t 轉(zhuǎn)爐得到了應(yīng)用。由表4 可知，在一倒出鋼條件下，運(yùn)用智能煉鋼技術(shù)后終點(diǎn)磷控制水平較為突出，一倒達(dá)標(biāo)率均達(dá)到90%; 終點(diǎn)碳達(dá)標(biāo)率也達(dá)到80% 以上，相比項(xiàng)目實(shí)施前終點(diǎn)碳50% 的達(dá)標(biāo)率有較大程度地改進(jìn)和提高; 同時(shí)終點(diǎn)溫度控制較好，基本達(dá)到80%，而項(xiàng)目實(shí)施前終點(diǎn)溫度達(dá)標(biāo)率平均只有60% 且整體控制偏高。智能煉鋼技術(shù)使得吹煉過程碳、溫更加協(xié)調(diào)發(fā)展，終點(diǎn)控制良好。

3 兩種自動(dòng)煉鋼應(yīng)用對(duì)比

兩種煉鋼模式在河鋼宣鋼均有應(yīng)用，現(xiàn)就其對(duì)原燃料消耗、冶煉噴濺的影響及應(yīng)用情況進(jìn)行對(duì)比分析。

3． 1 對(duì)原燃料消耗的影響

副槍與數(shù)據(jù)分析智能煉鋼系統(tǒng)應(yīng)用前后鋼鐵料消耗，白灰和氧氣消耗降低情況分別如表5、表6 所示。

由表5 可知，對(duì)于同一鋼種，數(shù)據(jù)分析智能煉鋼系統(tǒng)應(yīng)用后鋼鐵料消耗降低了2． 1 kg /t，副槍自動(dòng)煉鋼為1． 5 kg /t。

鋼系統(tǒng)，智能分析煉鋼系統(tǒng)應(yīng)用后，白灰和氧氣消耗量的降低程度更大。

3． 2 冶煉噴濺控制

數(shù)據(jù)分析智能煉鋼通過實(shí)時(shí)的過程分析、預(yù)測(cè)，掌握噴濺曲線變化對(duì)應(yīng)關(guān)系，開發(fā)出應(yīng)對(duì)噴濺的預(yù)報(bào)模型，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氧槍槍位、吹氧流量及冷卻劑的加入量和加入時(shí)機(jī)從而使噴濺率明顯下降。

副槍煉鋼則無法根據(jù)靜態(tài)模型的計(jì)算及時(shí)對(duì)吹煉過程各種瞬間情況進(jìn)行自動(dòng)干預(yù)，缺乏對(duì)爐內(nèi)碳氧等反應(yīng)程度的判斷依據(jù)，因此實(shí)際操作中主要依靠人工干預(yù)控制噴濺。

3． 3 應(yīng)用情況

近幾年，數(shù)據(jù)分析智能煉鋼隨著數(shù)據(jù)分析、仿真技術(shù)、數(shù)學(xué)技術(shù)和智能制造技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，主要特點(diǎn)為技術(shù)新、投資小，見效快，比較適用于中小型轉(zhuǎn)爐。副槍測(cè)量自動(dòng)煉鋼技術(shù)目前應(yīng)用廣泛且比較成熟，但相對(duì)成本較高( 因?yàn)樘筋^為一次消耗件) ，適用于大中型轉(zhuǎn)爐。

4 應(yīng)用前景

隨著數(shù)據(jù)分析、仿真技術(shù)、數(shù)學(xué)技術(shù)和智能制造技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)煉鋼技術(shù)的全程動(dòng)態(tài)冶煉模式可以精確控制冶煉過程，最終實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)雙命中。

所以，未來采用數(shù)據(jù)分析自動(dòng)煉鋼可以降低生產(chǎn)成本，但其與副槍測(cè)量煉鋼技術(shù)一樣，所采用的計(jì)算模型均無法對(duì)熔池碳含量、溫度做到精確判斷。若煙氣檢測(cè)分析設(shè)備得到的數(shù)據(jù)也可以預(yù)先通過建模手段獲得以消除數(shù)據(jù)滯后的現(xiàn)象，則能更準(zhǔn)確地反應(yīng)出熔池中的碳成分和溫度。將副槍自動(dòng)煉鋼技術(shù)或智能煉鋼技術(shù)與煙氣檢測(cè)分析設(shè)備結(jié)合起來對(duì)全程動(dòng)態(tài)煉鋼進(jìn)行控制，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)碳、溫終點(diǎn)雙命中。

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