閆忠峰
(河鋼集團宣鋼公司一鋼軋廠，河北宣化075100)
摘要：核心基于“鋼水—爐渣—爐氣”的熱力學計算模型，以二級控制網絡及軟件系統(tǒng)為基礎，形成全過程冶煉數據采集、傳輸、處理，實現二級動態(tài)控制; 并通過優(yōu)化原材料條件、系統(tǒng)操作和模型參數等措施，在宣鋼120 t 轉爐上，首次實現了無副槍和煙氣監(jiān)測下，全過程吹煉及終點控制操作的智能自動化煉鋼技術。一倒脫磷率提高到70%以上，鋼鐵料消耗降低1． 5 kg /t，噸鋼氧耗降低2 m3 ，白灰消耗降低2． 3kg /t，噴濺率有所降低。冶煉過程更加平穩(wěn)科學，冶煉操作實現標準化、規(guī)范化，產品質量得到穩(wěn)定提高，經濟效益可觀。
關鍵詞：熱力學模型; 動態(tài)控制; 智能煉鋼; 效果
0 引言
轉爐自動煉鋼技術是目前轉爐控制技術的發(fā)展方向［1］。為了在中小型轉爐上低成本實現自動煉鋼技術，并克服由于爐型、廠房空間和設備條件等原因的限制，宣鋼一鋼軋廠引進了北京明誠技術開發(fā)公司和烏克蘭專家共同研制的“一鍵式”智能化自動煉鋼控制技術。
該項目通過建立熱力學計算模型，依據二級計算機軟件控制系統(tǒng)對吹煉過程中每10 s 計算一次鋼水成分和鋼渣成分，形成全過程冶煉數據及信息采集、傳輸、處理，實現二級動態(tài)控制，經大量數據統(tǒng)計分析和回歸得出熔池中的鋼液即時化學成分值、溫度和渣中的化合物成分變化情況，給煉鋼操作帶來極大地改善和提高。該技術不僅實現了無需借助副槍和爐氣定碳檢測裝置的低成本下動態(tài)控制技術，而且進一步改善了煉鋼生產的終點碳、溫度和磷的命中率等技術指標，同時降低了鋼鐵料和輔料消耗、優(yōu)化過程控制，減少噴濺率，節(jié)約氧氣、氮氣等能源，實現產品質量的穩(wěn)定和提高。在煉鋼生產操作上，實施標準化、經濟化的工藝技術管理模式，顯示出了更好的推廣使用優(yōu)勢，在實際生產中發(fā)揮了重要的作用。
1 智能煉鋼系統(tǒng)的建立
1． 1 智能化自動煉鋼控制系統(tǒng)的原理
該系統(tǒng)建立在嚴格的熱力學和動力學計算模型基礎之上［2］。其工藝控制核心是“鋼水—爐渣—爐氣”的熱力學模型系統(tǒng)。該系統(tǒng)是使用帕納馬連卡?。?G． 的電子共價理論為基礎來記錄熔渣的性質。
根據這一理論，熔渣并沒有被看作成一套計量化學分子式，而是一組原子和共價電子系統(tǒng)的整體物相。在此理論基礎上創(chuàng)建了熱力學模型，從而可以計算“鋼水—爐渣—爐氣”系統(tǒng)中的平衡態(tài)。與其他轉爐自動煉鋼控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不僅計算鋼水這單一相內的化學元素量的變化和產生新物質的量，而且能夠根據化學元素和化合物在渣—鋼之間、渣—鋼—氣體之間的相變帶來的影響，對轉爐熔池中各元素的量化進行不斷地( 每隔10 s) 修正計算，使得終點預測值更趨于準確; 將不斷積累現場操作的海量數據進行統(tǒng)計、分析和回歸，得出鋼水中各元素的變化曲線和鋼渣中各化合物的變化曲線，根據這些曲線來實現轉爐煉鋼自動化控制。
1． 2 智能化自動煉鋼控制系統(tǒng)的建立
智能化自動煉鋼控制系統(tǒng)主要是軟件技術的綜合體( 圖1) 。該控制系統(tǒng)包括一級系統(tǒng)和二級子系統(tǒng)。一級系統(tǒng)包括整個冶煉過程中的設備，主要完成冶煉過程中數據和設備狀況信息的收集，同樣在工藝過程中執(zhí)行系統(tǒng)的指令，包括轉爐—氧槍控制系統(tǒng)和自動加料系統(tǒng); 二級系統(tǒng)控制冶煉過程，提供工藝解決方案，主要是二級計算機控制系統(tǒng)智能化自動煉鋼控制系統(tǒng)，是軟件技術的綜合體。
該系統(tǒng)具有結構簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，控制靈活方便等特點。二級系統(tǒng)采集一級數據通過兩種方式，一種是采集轉爐爐內數據，這些數據是通過設置的數據采集器建立與一級自動化系統(tǒng)通訊進行數據傳輸; 另一種是采集天車及化學成分系統(tǒng)的數據，比如，鐵水和廢鋼兌入時間及重量、鐵水及爐前鋼樣化學成分等數據。為了實現這些數據的通訊，二級系統(tǒng)需要與天車系統(tǒng)服務器、化學分析數據庫聯(lián)網，通過關系型數據庫方式采集數據。
智能煉鋼系統(tǒng)不僅對轉爐冶煉過程進行動態(tài)跟蹤計算，也參與其控制，這是該系統(tǒng)一大特點。該系統(tǒng)通過C /B /A 3 種模式實現控制功能，“C”模式手動操作模式下，二級系統(tǒng)只進行計算，提供參考槍位、流量及各種原輔料的各種指令及數據顯示而不參與控制; “B”模式半自動操作模式可實現槍位和氧氣流量自動控制，加料過程需要人工操作; 而“A”模式全自動操作模式完全實現氧槍、氧氣流量、自動配料加料和按設定終點碳值可自動提槍的“一鍵式”操作模式。另外該系統(tǒng)還可實時計算并顯示轉爐內的鋼水成分、溫度和爐渣成分值，實時修正終點預測值; 操作人員可以在任何時候根據現場情況，在手動控制到自動控制相互轉換氧槍控制模式，同時系統(tǒng)計算和預測不停止，繼續(xù)跟蹤記錄煉鋼設備上的所有發(fā)生的事件并記錄在冶煉報告中，提供給管理人員進行生產和技術分析; 提供人機對話窗口，異常爐次下使操作人員及時輸入生產過程中的變化因素( 如雙渣操作時的倒渣信息、鋼包溫度信息、廢鋼種類和配比信息等) ，避免對終點預測產生大的誤差。
1． 3 智能化自動煉鋼控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)模型
轉爐模型系統(tǒng)的原理是質量守恒定律和能量守恒定律，包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型。
靜態(tài)模型是整個煉鋼模型的基礎部分。靜態(tài)控制在轉爐開吹之前，采集鐵水和廢鋼的成分、溫度和重量、組成情況和所冶煉鋼種規(guī)格情況，通過在轉爐模型服務器建立物料平衡和熱平衡的理論計算模型。應用模糊數學和現代控制理論，對生產歷史數據進行統(tǒng)計分析，參考相近生產較好爐次進行參數修正的方式建立自學習的模糊計算模型冶煉模式庫［3］，確定吹煉槍位、停止吹煉時間和加料批次及數量，再由計算機進行吹煉過程的控制。
動態(tài)模型的工藝過程控制核心是“鋼水—爐渣—爐氣”的熱力學模型計算系統(tǒng)，在吹煉過程中每10 s 計算一次鋼水成分( 碳、硅、錳、磷、硫) 和鋼渣成分( CaO、SiO2等) 。根據預測值可以全程跟蹤監(jiān)測爐內成分、溫度和堿度等變化通過不斷計算預測鋼水成分、溫度值和堿度，對冶煉進程進行嚴密監(jiān)視，實時進行相應地加料種類、加料量、氧氣流量和壓力的變化調整，對終點碳和溫度不斷進行修正，主動適應不同鋼種冶煉初始條件和目標要求，最終在依據精密復雜計算后的預測值符合目標值范圍內提槍，得到較高的終點命中率。
另外該系統(tǒng)還增設了仿真模型，該模型主要依據二級數據庫積累的豐富的冶煉原始數據，一旦出現諸如信息采集，原料條件變化大等異常情況，可手動輸入調整，計算機就會從數據庫中查找相類似的生產爐次，再結合計算機模擬計算，進行合理的吹煉過程控制，以求實現最優(yōu)終點命中情況。
1． 4 智能化自動煉鋼控制工藝優(yōu)化
1． 4． 1 轉爐氧槍槍位模式控制優(yōu)化
工藝優(yōu)化后，智能煉鋼槍位控制主要依據鐵水硅含量選擇不同槍位模式，如表1 所示。
為避免噴濺發(fā)生，鐵水成分為: P ＞ 0． 16%雙渣;Si ＞ 0． 70%雙渣; Si + Mn≥0． 150%雙渣; S ＞ 0． 06%雙渣; Mn≥0． 80%雙渣。
1． 4． 2 加料模式控制優(yōu)化
優(yōu)化后的加料模式創(chuàng)造了前期低溫，適當堿度，高氧化的渣系，有利于去磷。同時控制了鐵水溫度高造成的碳氧反應提前導致的前期噴濺，如表2 所示。
為確保智能煉鋼實施效果，一鋼軋廠對鐵水取樣、測溫制定了相關規(guī)定，確保信息真實準確。同時對鐵水裝準率進行了攻關，對廢鋼分類分量加入以適應不同中包澆鑄溫度要求，這些優(yōu)化舉措不僅促進了工藝技術進步，同時提高了現場技術管理水平。
2 智能自動化煉鋼應用效果
2． 1 智能煉鋼脫磷效果研究
宣鋼一鋼軋廠鐵水磷含量平均在0． 130% 左右，基本屬于正常水平，磷極高鐵次并不多見。智能煉鋼項目實施之前由于1#轉爐終點脫磷率偏低，特別是一倒脫磷效果較差只有50% 左右。而1#爐主要產品為Q345B、Q420B 角鋼等系列，對終點磷要求很高，因而導致后吹爐次增加，甚至需要進行三次倒爐，造成了終點惡化，鋼水質量下降，冶煉周期增長，增加了爐況維護難度。為研究實施智能煉鋼后的脫磷效果，研究選取一個典型澆次的Q345B 共10組有效數據作為研究對象，主要分析一倒脫磷效果( 圖2) 。
由圖2 可知，智能煉鋼項目實施后，Q345B 一倒脫磷率達到70%以上，脫磷效果改善明顯。這主要是因為在脫磷關鍵期反應前期造大量高氧化性泡沫渣，促進反應動力學進行。并且在反應前期盡快形成符合脫磷要求的堿度值，在冶煉即將結束時再追加800 kg 左右返礦，分二批加入，提高后期脫磷效果，整個過程溫度成分協(xié)調發(fā)展，槍位控制合理，攪拌強度符合脫磷要求，使得脫磷效果改善較明顯。
2． 2 智能煉鋼鋼鐵料消耗研究
智能煉鋼技術通過嚴密熱力學計算實時分析轉爐冶煉運行狀態(tài)，不僅優(yōu)化了轉爐操作，促進冶煉過程平穩(wěn)進行，推進了標準規(guī)范化操作，而且在一定程度減少噴濺和二次倒渣，減少后吹爐次合理控制了渣中FeO 含量并減少含鐵物料的消耗，降低了鋼鐵料消耗。取1#轉爐不同冶煉品種，在相似原料條件下各100 爐數據平均值，在智能煉鋼項目實施前后鋼鐵料消耗的變化如表3 所示。
由表3 可知，智能煉鋼項目實施以后，兩個鋼種鋼鐵料消耗均有不同程度降低，降幅平均達1． 5kg /t，應用效果明顯，經濟效益顯著。
2． 3 智能煉鋼白灰消耗研究
項目實施后，通過智能化煉鋼，可以根據鐵水成分以及脫磷需要，按照鋼種分類精準計算所需輔料的加入量，特別是根據鐵水硅含量實時計算配加最佳量的白灰，杜絕了之前靠人工估算盲目加入的陋習，使白灰消耗明顯降低，成本降低顯著。表4 匯總了智能煉鋼項目實施前后5 個月的平均白灰消耗。
由表4 可以看出，項目實施后由于冶煉過程更具有科學性、規(guī)范性和針對性，白灰消耗比之前平均降低2． 3 kg /t，實現了降本增效的目標。
2． 4 智能煉鋼氧氣消耗研究
智能煉鋼項目實施后，終點依據計算機精確計算來控制，使得爐內溫度和終點成分得到協(xié)調發(fā)展，從而科學地控制吹煉時間，大大減少了成分不合或者溫度不合被迫后吹爐次，在滿足冶煉要求的條件下，降低了氧氣資源的消耗量。表5 給出了項目實施前后氧氣耗量變化情況，轉爐平均出鋼量按照145 t 計算。由表5 可以看出，氧氣消耗平均可節(jié)約2 m3 /t。
2． 5 智能煉鋼預測功能評價
智能煉鋼項目的核心部分是依靠反應熱力學原理計算爐內的成分、溫度和渣系結構，不斷地給出實時指標值，不僅過程造渣輔料加入量和時機需要參考實時動態(tài)值，最終反應終點提槍結束冶煉也是基于預測的溫度和成分值。因此，在允許誤差范圍內預測值的命中率的高低，直接影響每爐鋼冶煉水平。為了測試該項目預測水平和實際水平的偏差，分別采集了Q420B、Q345B 和HＲB400E － 1 五個中包澆次，取其預測平均值作為研究數據評價，其數據分析如表6 所示( 數據采集已去除外圍影響非正常爐次) 。
由表6 可以看出，智能煉鋼項目實施后，各個鋼種預測值平均能保持在75% ～ 80%，滿足轉爐冶煉要求，但存在個別澆次預測值偏低現象。分析原因，一方面應加強軟件程序設計功能，不斷改進程序指令; 另一方面為了進一步提高預測值水平，應加強對稱量系統(tǒng)測量值精確度的控制。并在保障鐵水成分、溫度及時準確測量外，應依據鐵水溫度、成分和鑄機不同澆鑄階段溫度需求及時調整廢鋼加入量。
3 效益評估
智能煉鋼項目按5 年折算，年投資僅為46 萬元，120 t 轉爐年產量按100 萬t 計算，鋼鐵料消耗平均降低1． 5 kg /t，鋼鐵料單價按1 250 元/t 計算，此項效益為188 萬元; 白灰消耗較智能煉鋼實施前平均降低2． 3 kg /t 鋼，白灰單價按256 元/t，此項效益為59 萬元; 氧氣消耗估算噸鋼降低2． 0 m3，氧氣單價按0． 45 元/m3 計算，此項效益為90 萬元。另外經實踐應用并計算后合金消耗可節(jié)約SiMn 合金0． 2 kg /t 鋼; SiFe 合金0． 04 kg /t 鋼; 脫氧劑0． 09kg /t 鋼，硅錳單價按6 222 元/t，硅鐵單價按4 944元/t，脫氧劑單價按7 905 元/t 計算，此項效益約為200 萬元。因此，年經濟效益合計為: 188 + 59 + 90+ 200 － 46 = 491( 萬元) 。
4 結語
智能煉鋼項目實施以來，取得了良好效果，其先進理念也得到了充分肯定。
( 1) 在沒有副槍及爐氣檢測裝置的前提下，實現了煉鋼過程全部自動化的“一鍵式”自動煉鋼，且投資費用低廉，同時促進了冶煉操作標準化、規(guī)范化。
( 2) 項目實施后，一倒脫磷率提高到70% 以上，鋼鐵料消耗降低1． 5 kg /t，白灰消耗降低2． 3 kg /t，噸鋼氧耗降低2 m3，過程冶煉更加平穩(wěn)，噴濺率有所降低，經濟效益可觀。
( 3) 大大減少了合金等物料浪費，能源得到充分利用，同時減輕了職工勞動強度，優(yōu)化了人力資源，過程操作更加科學穩(wěn)定，噴濺事故有所降低，減少了污染物排放。
參考文獻
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