河鋼宣鋼基于副槍的模型煉鋼技術應用

劉怡生  吉利宏   張文耀   張帥   李宏武   馬強   劉濤

(河北鋼鐵集團宣鋼公司，河北宣化 075100)

摘  要：宣鋼150噸爐區采用基于副槍的自動煉鋼技術，它集自動控制、冶金機理、生產工藝、數學模型、人工智能、數字仿真、計算機等多種技術于一體的的科學煉鋼方法。該文介紹了宣鋼自動煉鋼應用過程中對轉爐靜態模型、動態模型、吹煉跟蹤、熔劑計算、氧量計算等關鍵算法的優化和應用，該系統投運入使用以來，效果良好，運行穩定。對節約能源和降低鋼鐵料消耗，降低噸鋼成本，提高勞動生產率，改善煉鋼生產環境，規范標準作業等方面效果顯著，實現了有經驗煉鋼到智能煉鋼的變革，取得了可貴的經濟效益。

關鍵詞：自動煉鋼；動態計算；副槍；靜態模型

River of xuanhua steel based on the model of sublance automatic steelmaking technology application

Liu Yisheng,JiLihong,Zhangwenyao,ZhangShuai,Li Hong Wu,Ma Qiang,Liu Tao

（Xuanhua Iron and Steel Company,Heibei Iron and Steel Group,Xuanhua,Heibei,075100）

Abstract :150 tons of xuanhua iron furnace area based on sublance automatic steelmaking technology, it integrates automatic control, metallurgy mechanism, production process, the mathematical model, artificial intelligence, digital simulation, computer and other technology in the integration of scientific steelmaking process. This paper introduces the application in the process of automatic steelmaking plant of xuanhua iron for static model, dynamic model of converter, tracking and optimizing the key algorithm of oxygen flux calculation, calculation and application of the system was put into use, the effect is good, stable operation. To save energy and reduce consumption of steel material, reduce the cost of per ton steel, improve labor productivity, improvement of steelmaking production environment, standard operation and so on, implements the experienced steel to the change of intelligent steelmaking, valuable economic benefits have been achieved.

Key words : Sublance automatic steelmaking dynamic calculation Static model

1 前言

基于副槍系統的轉爐自動煉鋼技術是在轉爐兌鐵前，根據鐵水的溫度、重量以及計劃鋼種由二級計算機計算出煉鋼過程需要的吹氧量、氧槍吹煉高度、底吹量以及熔劑加入量等靜態煉鋼模型數據，在吹煉后期，通過副槍或其它檢測手段獲得鋼水溫度、成分等信息，再由二級計算機做出動態煉鋼模型調整數據，以確保煉鋼終點達到由二級計算機設定的命中區，從而實現煉鋼實時動態自動控制。宣鋼 150 噸爐區采用副槍自動煉鋼技術，它的實現過程包括靜態、動態數學模型的二級計算機控制系統及副槍數據處理系統，是理論計算、專家經驗和先進檢測手段相結合的采用計算機以及 PLC 進行控制的科學煉鋼方法，技術人員通過對轉爐模型自動煉鋼系統后臺程序的調試，應用探索轉爐模型自動煉鋼靜態模型、動態模型、吹煉跟蹤、熔劑計算、氧量計算等關鍵算法，針對不同的鋼種和鐵水溫度、成份、重量、廢鋼情況、熔劑情況、爐況、生產節奏等情況，反復進行工藝參數調試優化，積累煉鋼原始數據，使煉鋼模型參數不斷校正最優，最終實現自動煉鋼系統的穩定運行。應用計算機系統模型自動煉鋼代替人工經驗煉鋼，有效的減輕了操作人員的勞動強度，能夠有效的推動轉爐煉鋼的標準化作業程序，對于提高轉爐終點溫度和碳含量的雙命中，降低鋼鐵料消耗，穩定煉鋼生產質量，提高轉爐生產技術經濟指標有十分重要的作用。

2 應用背景

宣鋼 150 噸轉爐工程裝備了鐵水折罐站兩座、脫硫站兩座，150 噸轉爐兩座、吹氬站兩座、LF 精煉爐兩座、12 機 12 流連鑄機兩臺，RH 真空精煉爐一座，該爐區采用了先進的一罐到底的折罐進鐵、KR 攪拌脫硫、轉爐副槍測量技術，以及干法除塵等先進的技術，實現了裝備的大型化和自動化。為了適應在新形式下煉鋼生產的要求，宣鋼在 150 噸轉爐引入了自動煉鋼模型控制技術，該模型控制系統 2011 年投入運行之后，主要實現了轉爐模型數據的采集，沒有進行轉爐模型系統靜態模型計算、動態模型計算、模型自學習以及模型自動煉鋼參數調整，帶負荷熱試。

2014 年以來，公司和廠充分認識到模型自動煉鋼的重要性，在前期積累了大量的轉爐冶煉數據，轉爐基礎自動化系統、機械、儀表檢測、電氣控制等系統經過了大量的完善，目前轉爐爐加料、氧槍、副槍、干法除塵、二次除塵等電氣和機械設備運行良好，具備了模型自動煉鋼系統投運的條件。因此，通過應用計算機網絡信息技術、數據庫技術、計算機編程技術和工業控制技術實現由傳統的人工經驗煉鋼到轉爐全自動的模型自動煉鋼系統控制煉鋼顯得十分必要。

3 總體思路和實施方案

3.1 總體思路

引入副槍自動測量技術，實現終點控制溫度和碳含量的不倒爐測量。溫度和碳含量是轉爐冶煉過程中控制的重要參數，副槍自動測量技術是目前轉爐冶煉最先進的轉爐冶煉終點溫度控制方式。通過在轉爐冶煉生產中應用副槍自動測量技術代替人工手動測溫可以實現在不倒爐的情況下進行溫度測量，得到鋼水熔池溫度，還可以快速檢測到碳含量、氧含量和液面高度。這樣即減輕了操作工人的勞動強度，同時提高了得到鋼水溫度的快速性和準確性，為快速判斷鋼水冶煉情況，及時進行轉爐冷料或者升溫劑調劑奠定了溫度數據基礎。這樣既可以大大的減小冶煉時間，提高勞動生產率，降低生產成本，提高鋼水質量。

優化轉爐基礎自動化控制系統，實現氧槍、吹氧量、加料、副槍系統的手動、半自動和自動控制，建立完備的一級基礎自動化系統。搭建轉爐模型控制系統，完成模型控制和基礎自動化系統的通訊，實現生產數據的采集和模型控制接口。創建轉爐溫度計算、原料計算、熔劑計算、氧量計算、靜態計算和動態計算自動煉鋼模型，實現轉爐自動煉鋼功能。轉爐模型自動煉鋼系統聯合熱試，及時發現問題，及時解決問題，完善模型自動煉鋼系統，最終實現轉爐模型自動煉鋼系統所有功能，達到良好的運行狀況。

3.2 實施方案

轉爐模型自動煉鋼系統采用了主流的三級計算機管理和控制模式。

一級 L1 基礎自動化系統，由西門子 PLC 控制系統和 INTOUCH 上位機監控系統和工業網絡系統構成，PLC控制系統直接進行數據的檢測、采集、處理和設備運行的控制。二級 L2 過程控制系統，主要實現通過建立轉爐冶煉模型，用計算機模型代替人工經驗煉鋼，直接作用到一級 L1 控制設備的動作，完成自動煉鋼；同時將關鍵冶煉信息進行采集、記錄，供生產和管理部分進行統計和分析。綜合二級 L25 系統，該系統主要實現轉爐模型自動煉鋼系統和其他二級系統的通訊，主要是與天車二級系統通訊自動準確的采集鐵水、廢鋼和鋼水的重量信息；與廢鋼二級系統通訊，實現轉爐廢鋼構成情況進行通訊；與折罐和脫硫二級通訊，實現鐵水溫度情況進行通訊；與檢化驗二級系統通訊，實現轉爐鐵水和鋼水成分情況的通訊。這樣以來，可以給模型自動煉鋼系統提供準確的鐵水溫度、成份、重量信息，以及廢鋼構成和鋼水成份信息，保證了轉爐模型自動煉鋼系統自動煉鋼模型對輸入和反饋信息的要求，為模型計算和自學習提供了數據支撐。

3.2.1 模型自動煉鋼系統工藝模型

轉爐模型系統的原理是質量守恒定律和能量守恒定律，包括靜態模型和動態模型。轉爐控制模型包括溫度、主原料、熔劑和氧量計算模型，進行順序控制、吹煉控制和加料控制，可以概括為“三控制四計算”。靜態計算模型以自學習的參考爐次為基礎，考慮影響熱平衡、氧平衡、鐵平衡的各個因素，實現對本爐次

生產數據的修正計算。

轉爐模型自動煉鋼系統工藝模型包括主原料計算、靜態計算和動態計算等轉爐全部工藝的過程模型。模型的計算機原理主要是基于熔池內各種元素的化學反應和由此帶來的物料平衡和熱平衡。鐵水的重量、溫度和成分（C、Si 、Mn、P、S）、廢鋼量、鋼水量、終點溫度、熔劑加入量、渣量和供氧量等將作為物料平衡和熱平衡的主要項。 轉爐模型自動煉鋼工藝模型分類及機理簡述見下表：

表 1-轉爐工藝模型簡表

3.2.2 模型自動煉鋼過程控制流程

模型自動煉鋼整個控制工藝流程為，模型計算機根據生產計劃、生產標準和數學模型控制整個冶煉過程。主要包括出鋼溫度計算模型、主原料計算模型、熔劑計算模型、靜態計算模型和動態計算模型。出鋼溫度計算模型根據生產計劃、生產標準計算出爐次出鋼溫度；主原料計算模型根據生產計劃、生產標準、出鋼溫度模型計算出的終點溫度以及煉鋼所需的鐵水和廢鋼量；熔劑模型計算出煉鋼所需的熔劑；氧量模型則計算出煉鋼所需的吹氧量和冷卻劑重量。

在所有模型計算完成并確認后，鐵水、廢鋼、氧量、冷卻劑、熔劑設定值將發送到基礎自動化級，吹煉模式也將發送到一級機。加廢鋼和兌鐵完成后，基礎自動化將根據吹煉模式和轉爐模型自動煉鋼機發送的設定值執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，進行相應的處理；自動吹煉控制程序接收吹煉過程數據和副槍測量值， 觸發動態模型，動態模型根據副槍測量值和吹煉終點目標值計算出吹煉動態階段的吹氧量和冷卻劑加入量，實時計算熔池碳含量和鋼水溫度，在吹煉達到終點目標范圍時，向基礎自動化發送提槍指令，從而完成整個吹煉過程。

模型自動煉鋼工藝流程如下所示：

圖 1-轉爐模型自動煉鋼過程控制流程圖

3.3  模型自動煉鋼系統關鍵功能

3.3.1 轉爐模型自動煉鋼靜態計算

靜態計算功能主要為根據實際入爐的鐵水量、鐵水成分、鐵水溫度、廢鋼量、鋼種相關數據和熔劑的相關數據進行熔劑計算和靜態計算。 熔劑具體計算是在主原料計算的過程中完成，是同主原料計算同時進行的。但因主原料計算時的條件（鐵水成份、溫度等均為預測值）或未完全按主原料計算模型計算結果最終確定主原料的量，因而熔劑計算在主原料確定完后并根據實際的主原料條件再進行熔劑計算。

3.3.2  轉爐模型自動煉鋼動態計算

動態計算過程控制主要包括吹煉過程的槍位、氧流量、底吹流量和副槍測量的控制。過程控制是以氧耗進程作為控制的參照標準的。吹煉過程的槍位、氧流量是根據氧槍的設計、爐型的狀況和終點成分的要求并對應氧耗進程等來確定。在整個吹煉過程（除副槍測量階段外）都采用均衡流量供氧。氧槍槍位的高度根據鋼種的不同都已固定為吹煉模式。底吹控制過程是根據不同鋼種對復吹氣體（N2/Ar ）的不同要求，決定底吹氣體的流量、底吹氣體的種類以及N2/Ar 的切換時間和末期后復吹的后攪時間。副槍測量的啟動時間是吹煉氧量達到總氧量的85％左右時開始，具體副槍的測量所需時間是由副槍的性能來決定的。在副槍測量過程中，氧氣流量為正常吹煉流量的50％，底吹流量也是正常吹煉時底吹流量的50％。當吹煉到總氧量的85％左右進行副槍1 的測量。測量完副槍1 以后，就進入了動態控制的階段。動態計算包括動態氧量、動態冷卻劑（動態發熱劑）重量等的計算。

動態過程吹煉數據跟蹤過程畫面如下所示：

3.4  模型自動煉鋼系統程序流程

轉爐基礎自動化系統下位機采用西門子PLC軟件，上位機采用InTouch軟件實現設備控制和數據監視。在PLC程序中編制轉爐二級系統通訊數據模塊，建立轉爐模型自動煉鋼系統數據通訊發送和接收標簽，滿足二級和一級系統數據通訊的需求。

轉爐模型自動煉鋼一級和二級數據接口程序，采用基于 KEPServer 軟件的 OPC 數據采集技術，通過編制 C#數據采集程序實現 KEPServer 程序和一級 PLC 進行數據通訊，讀取轉爐冶煉關鍵生產數據，同時模型自動煉鋼時接受模型自動煉鋼發送指令標簽。使用 KEPServer 軟件可以方便的通過簡單方便的配置采集不同類型 PLC 數據，同時具有進行實時數據監視，在模型自動煉鋼系統二級和一級數據調試的過程中，起到了很大的作用。

轉爐模型自動煉鋼系統后臺進程管理程序，采用基于 Visual Studio 2010 技術的 C#程語言進行編程。轉爐模型自動煉鋼系統的數據庫系統 ORACLE 數據庫進行數據存儲和管理，模型自動煉鋼客戶端采用 C/S 模式，通過模型自動煉鋼客戶端進行模型自動煉鋼數據監控、參數配置和自動煉鋼過程控制。

轉爐模型自動煉鋼系統進行熔劑和氧量計算之后，將模型計算數據發送給一級進行數據操作和控制，為了方便自動煉鋼操作，在一級上位操作站界面增加一級和二級接口界面。轉爐模型自動煉鋼發送數據在接口界面，經過確認，開始執行轉爐熔劑加料和本體氧槍控制，實現模型自動煉鋼過程控制。

4 實施效果

轉爐模型自動煉鋼自動煉鋼系統應用以來，計算機煉鋼一鍵煉鋼率和C-T雙命中率顯著提高，一鍵煉鋼率和C-T雙命中率能很好反映模型控制運行的狀況。2015年5月以來，轉爐一鍵煉鋼率平均達到70%左右，C-T雙命中情況也穩步提升，穩定在90%以上.

轉爐模型自動煉鋼自動煉鋼系統應用以來，鋼水收得率穩定且維持在較高水平，通過推進一鍵煉鋼工作，規范了車間的基礎管理工作，規范廢鋼裝槽，穩定轉爐裝入量，轉爐操作規范，減少了過程噴濺，終點控制穩定,降低點吹率和鋼水氧化性。2015年5月以來，鋼水成份控制和鋼水收得率控制在較高水平。

下圖為轉爐模型典型終點溫度和碳雙命中圖，該圖顯示碳溫雙命中，并實現了自動提槍和冷卻劑動態調料。

5  結論

該系統投運入使用以來，效果良好，運行穩定。基于副槍系統的自動煉鋼技術的成功應用，對節約能源和降低鋼鐵料消耗，降低噸鋼成本，提高勞動生產率，改善煉鋼生產環境，規范標準作業，優化工藝流程等方面效果顯著。同時通過跟蹤管理煉鋼過程，極大的提高了煉鋼生產自動化和信息化的程度，實現了有經驗煉鋼到智能煉鋼的變革，提高煉鋼生產設備管理水平和自動化裝備水平，取得了可貴的經濟效益，同時可以提高管理水平，最終增產增效

參考文獻

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