轉(zhuǎn)爐煉鋼智能制造關鍵技術的開發(fā)與應用

劉志遠  王重君  欒文林  陳長芳  劉濤  牟亞坤  李長全  丁寧

（唐山中厚板材有限公司）

摘  要：唐山中厚板材有限公司緊密圍繞生產(chǎn)操作控制，以提高質(zhì)量、降低成本、提高勞動生產(chǎn)率為目的開展模型化、智能化發(fā)展。在轉(zhuǎn)爐使用副槍自動煉鋼實現(xiàn)模型煉鋼；在爐外精煉開發(fā)了合金模型和底吹模型；在連鑄區(qū)域開發(fā)了板坯連鑄機智能化澆鑄系統(tǒng)模型。通過模型化、智能化技術的應用，實現(xiàn)了煉鋼低成本、高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)。

關鍵詞：模型化，副槍，智能澆鑄系統(tǒng)

鋼鐵智能制造從提升鋼鐵制造過程中新鋼種高效研發(fā)能力、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定生產(chǎn)能力、柔性化生產(chǎn)組織能力、能效成本綜合控制能力等方面實現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)與定制式制造相融合，提升以利潤率為關鍵指標的鋼鐵企業(yè)綜合競爭力。

唐山中厚板公司在開展智能制造的工作中，緊密圍繞生產(chǎn)操作控制，以提高質(zhì)量、降低成本、提高勞動生產(chǎn)率為目的開展研究。在轉(zhuǎn)爐冶煉區(qū)域使用副槍自動煉鋼實現(xiàn)模型煉鋼；在爐外精煉開發(fā)了合金模型和底吹模型；在連鑄區(qū)域開發(fā)了板坯連鑄機智能化澆鑄系統(tǒng)模型。

1 實施背景

隨著產(chǎn)品檔次的提升，唐山中厚板有限公司迫切需要進一步強化工藝、裝備的駕馭能力，提升產(chǎn)線生產(chǎn)工藝的標準化、準確化、穩(wěn)定化水平，進而滿足實現(xiàn)高端產(chǎn)品（磨具鋼、高層建筑用鋼、風電用鋼、管線鋼等）質(zhì)量穩(wěn)定性的需求。因此，唐鋼中厚板公司煉鋼工作部重點圍繞轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄這條產(chǎn)線的品質(zhì)提升開展工作，按照“重點突破，分布實施”的原則，在消化吸收引進技術的基礎上，努力開發(fā)適用的工藝、裝備自動化控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的動態(tài)有序、協(xié)同高效運行，降低人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的影響，進行了一些有益的嘗試。

2 主要做法

2.1 轉(zhuǎn)爐副槍自動煉鋼

隨著轉(zhuǎn)爐煉鋼自動化程度的日益提高，采用副槍來探測熔池，已成為獲得煉鋼過程中熔池內(nèi)信息變化的最主要手段。計算機系統(tǒng)控制模型的運用提高了煉鋼的控制水平，為了實現(xiàn)高命中率下的嚴格的終點值控制，避免二次吹煉，采用副槍系統(tǒng)和SDM靜態(tài)和動態(tài)控制模型，將有助于滿足政府對污染物排放越來越嚴格的限制要求，并為操作人員提供一種更為安全舒適的工作環(huán)境。

2.1.1 副槍自動煉鋼系統(tǒng)

模型控制計算機系統(tǒng)以多個高性能服務器為核心，分別完成鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐煉鋼、鋼包精煉爐和連鑄等區(qū)域的生產(chǎn)控制。其中煉鋼模型控制計算機通常稱之為煉鋼二級機。

圖1 模型運行時序圖

（1）靜態(tài)模型控制

靜態(tài)控制過程是由靜態(tài)控制模型實現(xiàn)的，靜態(tài)模型主要包括出鋼溫度計算。鐵水、目標溫度計算模型、熱平衡計算模型(含主原料計算)、熔劑計算模型。轉(zhuǎn)爐工藝模型的參數(shù)在自動煉鋼系統(tǒng)中由冶煉工程師在系統(tǒng)維護畫面中監(jiān)視并且可以調(diào)整。^[1]

（2）動態(tài)模型控制

動態(tài)控制過程是由動態(tài)控制模型實現(xiàn)的，動態(tài)模型的依據(jù)是轉(zhuǎn)爐內(nèi)冶煉末期的信息，根據(jù)計算結(jié)果需要加入的冷卻劑和供氧量，跟蹤完成吹煉工藝過程，當預測值進入吹煉終點目標范圍內(nèi)時，向一級控制系統(tǒng)發(fā)出提槍停吹指令。

2.1.2 工藝技術管理完善

副槍自動煉鋼是一個復雜的系統(tǒng)工程，是以計算機模型控制為核心，對冶煉全過程的參數(shù)計算和優(yōu)化。用計算機控制轉(zhuǎn)爐煉鋼，對基礎自動化準確控制、各種過程數(shù)據(jù)檢測準確可靠、原材料達到精料標準均有較高要求。

（1）完善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了滿足副槍自動煉鋼工藝管理需要，強化和完善了數(shù)據(jù)采集管理，建立了生產(chǎn)和檢化驗數(shù)據(jù)自動采集、傳送的數(shù)據(jù)自動化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

（2）加強計量管理

副槍自動煉鋼要求對鐵水、廢鋼、副原料、鐵合金、鋼水等的重量進行準確稱量。同時需對部分料倉進行改造，稱量方式改為減量控制方式，如圖2所示。通過冷卻劑連續(xù)精準投料，控制下料速度，實現(xiàn)冶煉過程平穩(wěn)并保證煙氣分析的精度。

原料倉下料系統(tǒng)           負稱重下料系統(tǒng)

圖2 常規(guī)料倉與負稱重料倉對比示意圖

采用電磁振動給料機實現(xiàn)實時稱重，便于確認下料速度，下料累計值較目標加入了相差＜300kg時降低加料速度，下料累積誤差＜50kg。

（3）氧槍槍位和氧流量的精確控制

為實現(xiàn)氧槍槍位和氧流量的準確控制，對氧槍控制編碼器進行改造，控制精度達到了±50mm；對氧氣流量孔板進行重新計算校核標定和更換，實現(xiàn)了氧氣流量等的準確計量控制。

（4）加強原材料管理

加強了鐵水、石灰等原材料的取樣檢驗分析，建立了嚴格的檢驗管理制度。對廢鋼實行分類管理，按比例搭配使用。

2.2 精煉自動煉鋼模型

LF過程自動化系統(tǒng)底吹控制采用靜態(tài)模型與動態(tài)模型相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了底吹攪拌過程的全自動控制，降低了操作人員的勞動強度，減少了人為因素對鋼水質(zhì)量的影響，實現(xiàn)由經(jīng)驗煉鋼到科技煉鋼的轉(zhuǎn)變，是潔凈鋼生產(chǎn)平臺的技術保證。

2.2.1 自動遠程喂線模型

在精煉主控電腦上安裝喂線機控制相關程序，實現(xiàn)了在操作室內(nèi)控制喂線情況，降低了操作工的勞動強度，實現(xiàn)了對喂線的精準控制。提高了自動化的操作水平。

圖3 自動遠程喂線控制界面

2.2.2 合金化模型

根據(jù)冶金機理、現(xiàn)場實際操作經(jīng)驗及智能算法，確立LF精煉過程合金加入量預報模型總體結(jié)構。模型主要包括兩個部分，一是工藝部分，包括建立LF爐頂渣穩(wěn)定制度，確保合金收得率的穩(wěn)定性；確定合理的鋼種分類并統(tǒng)計經(jīng)驗合金收得率。二是合金化模型本身，包括數(shù)據(jù)采集部分、自學習合金收得率計算部分、在線計算系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出部分、模型基礎數(shù)據(jù)維護部分等。

2.3 連鑄智能化澆鑄系統(tǒng)模型

2.3.1 智能電磁攪拌模型

現(xiàn)有電磁攪拌增加智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)隨鋼種、斷面、拉速、澆注溫度等連鑄工藝條件的變化自動調(diào)節(jié)所需要的電磁冶金參數(shù)，充分發(fā)揮電磁攪拌裝置的使用效果，用于解決目前存在的冶金效果不穩(wěn)定、鋼種參數(shù)不能及時匹配等問題，可以顯著改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

傳統(tǒng)電磁攪拌器只能發(fā)揮出電磁攪拌10-20%的作用效果，而實際生產(chǎn)過程中的工藝條件是一個不斷變化的動態(tài)過程，因此需研究一種能夠隨鋼種、斷面、拉速、澆注溫度等連鑄工藝條件的變化自動調(diào)節(jié)所需要的電磁冶金參數(shù)的智能控制系統(tǒng)，用于解決鑄坯在使用電磁攪拌技術過程中出現(xiàn)的冶金效果不穩(wěn)定、工藝操作安全性不高、鋼種參數(shù)不匹配等問題，從而達到改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的目的。

考慮到操作的簡便性和實用性，將電磁攪拌智能控制系統(tǒng)集成到現(xiàn)有操作畫面中，在操作畫面增加了切換選項，可選擇“手動給定”和“智能控制”；當選擇“手動給定”時，所有操作均按原操作進行；當選擇“智能控制”時，所有參數(shù)無需手動給定，均按照計算結(jié)果動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)攪拌參數(shù)及裝置的一鍵式智能控制。

2.3.2 中包智能烘烤模型

中間包烘烤之前是澆鋼工根據(jù)經(jīng)驗判斷烘烤效果，制定中包烘烤的時間，當轉(zhuǎn)爐煤氣壓力和熱值發(fā)生變化時，根據(jù)經(jīng)驗來延長或減少中包烘烤時間，缺乏科學的判斷方法，對此在1#板坯連鑄機開始進行智能烤包的研究。

保證開澆穩(wěn)定的前提是中包溫度能準確的測量，之前采用紅外測溫槍在烘烤過程中測量包底和包壁溫度誤差很大，后開發(fā)了在烤包過程中使用連續(xù)測溫對中包溫度準確測量的功能，制作小程序在中包溫度達到目標后對澆鋼工起到報警提示作用。

3 結(jié)論

鋼鐵工業(yè)是典型的流程型工業(yè)，隨著信息及互聯(lián)網(wǎng)技術的普及和應用，加之產(chǎn)能過剩、投入產(chǎn)出比低等嚴峻的生存壓力，各鋼鐵企業(yè)正逐步向智能化轉(zhuǎn)型。唐鋼中厚板公司在轉(zhuǎn)爐自動煉鋼模型、精煉合金模型、遠程喂線模型、連鑄智能電磁攪拌模型、中包智能烘烤模型等方面進行模型建立、模型細化，不斷提高煉鋼智能制造水平，取得了良好的效果，推動鋼鐵制造業(yè)的智能化在唐鋼中厚板公司的進一步發(fā)展。

參考文獻

[1] 石艷,黃亞純,曾維友,等. 轉(zhuǎn)爐煉鋼動態(tài)控制模型研究與工程應用[J].礦業(yè)工程,2014,34(7):88-89.

[2] 達涅利康力斯公司. 達涅利康力斯副槍系統(tǒng)的應用[J].鋼鐵,20014,39(11):31-32.