吉利宏

(河鋼集團(tuán)宣鋼公司二鋼軋廠，河北宣化075100)

摘要: 利用數(shù)學(xué)模型和副槍控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)煉鋼是冶金行業(yè)先進(jìn)的煉鋼自動(dòng)化技術(shù)。該技術(shù)是集自動(dòng)控制、冶金機(jī)理、生產(chǎn)工藝、數(shù)學(xué)模型、人工智能、數(shù)字仿真、計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)于一體的科學(xué)煉鋼方法。詳細(xì)介紹了宣鋼150 t 轉(zhuǎn)爐區(qū)模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)應(yīng)用過程中對轉(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。該系統(tǒng)投入使用以來，效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定; 在節(jié)約能源和降低鋼鐵料消耗，降低噸鋼成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善煉鋼生產(chǎn)環(huán)境，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)等方面效果顯著。實(shí)現(xiàn)了由經(jīng)驗(yàn)煉鋼到智能煉鋼的變革，對冶金行業(yè)煉鋼生產(chǎn)過程控制有很好的推廣、借鑒意義。

關(guān)鍵詞: 模型自動(dòng)煉鋼; 靜態(tài)計(jì)算; 動(dòng)態(tài)計(jì)算; 副槍控制技術(shù)

0 引言

基于副槍系統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐自動(dòng)煉鋼技術(shù)是在轉(zhuǎn)爐兌鐵前，根據(jù)鐵水的溫度、重量以及計(jì)劃鋼種由二級計(jì)算機(jī)計(jì)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(tài)煉鋼模型數(shù)據(jù)，在吹煉后期，通過副槍或其他檢測手段獲得鋼水溫度、成分等信息; 再由二級計(jì)算機(jī)做出動(dòng)態(tài)煉鋼模型調(diào)整數(shù)據(jù)，以確保煉鋼終點(diǎn)達(dá)到由二級計(jì)算機(jī)設(shè)定的命中區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)煉鋼實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制。

宣鋼150 t 轉(zhuǎn)爐區(qū)采用副槍自動(dòng)煉鋼技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)過程包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的二級計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及副槍數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，是理論計(jì)算、專家經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)檢測手段相結(jié)合的采用計(jì)算機(jī)以及PLC 進(jìn)行控制的科學(xué)煉鋼方法。技術(shù)人員通過對轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)后臺程序的調(diào)試，應(yīng)用探索轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼靜態(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，針對不同的鋼種和鐵水溫度、成分、重量、廢鋼情況、熔劑情況、爐況、生產(chǎn)節(jié)奏等情況，反復(fù)進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)試優(yōu)化，積累煉鋼原始數(shù)據(jù)，使煉鋼模型參數(shù)不斷校正優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型自動(dòng)煉鋼代替人工經(jīng)驗(yàn)煉鋼，能有效地減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，推動(dòng)轉(zhuǎn)爐煉鋼的標(biāo)準(zhǔn)化程序作業(yè)。對于提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度和碳含量的雙命中，降低鋼鐵料消耗，穩(wěn)定煉鋼生產(chǎn)質(zhì)量，提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有十分重要的作用。

1 應(yīng)用背景

宣鋼150 t 轉(zhuǎn)爐工程裝備了鐵水折罐站2 座、脫硫站2 座，150 t 轉(zhuǎn)爐2 座、吹氬站2 座、LF 精煉爐2座、12 機(jī)12 流連鑄機(jī)2 臺，RH 真空精煉爐1 座。該爐區(qū)采用了先進(jìn)的“一罐到底”的折罐進(jìn)鐵、KR攪拌脫硫、轉(zhuǎn)爐副槍測量以及干法除塵等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了裝備的大型化和自動(dòng)化。為了適應(yīng)在新形式下煉鋼生產(chǎn)的要求，宣鋼在150 t 轉(zhuǎn)爐引入了自動(dòng)煉鋼模型控制技術(shù)。該模型控制系統(tǒng)2011 年投入運(yùn)行之后，主要實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐模型數(shù)據(jù)的采集，沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)靜態(tài)模型計(jì)算、動(dòng)態(tài)模型計(jì)算、模型自學(xué)習(xí)、模型自動(dòng)煉鋼參數(shù)調(diào)整以及帶負(fù)荷熱試。

2014 年以來，公司充分認(rèn)識到模型自動(dòng)煉鋼的重要性，在前期積累了大量的轉(zhuǎn)爐冶煉數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)械、儀表檢測、電氣控制等系統(tǒng)進(jìn)行了完善。目前轉(zhuǎn)爐加料、氧槍、副槍、干法除塵、二次除塵等電氣和機(jī)械設(shè)備運(yùn)行良好，具備了通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)和工業(yè)控制技術(shù)。實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)煉鋼到轉(zhuǎn)爐模型全自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)控制煉鋼的條件。

2 總體思路和實(shí)施方案

2． 1 總體思路

引入副槍自動(dòng)測量技術(shù)^［1］，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)控制溫度和碳含量的不倒?fàn)t測量。溫度和碳含量是轉(zhuǎn)爐冶煉過程控制中的重要參數(shù)，副槍自動(dòng)測量技術(shù)是目前轉(zhuǎn)爐冶煉最先進(jìn)的轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)溫度控制方式。通過在轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)中應(yīng)用副槍自動(dòng)測量技術(shù)代替人工手動(dòng)測溫可以實(shí)現(xiàn)在不倒?fàn)t的情況下進(jìn)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。既減輕了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又快速、準(zhǔn)確地得到了鋼水溫度。為快速判斷鋼水冶煉情況，及時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冷料或者升溫劑調(diào)劑奠定了溫度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。有效地減小冶煉時(shí)間，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，提高鋼水質(zhì)量。

優(yōu)化轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氧槍、吹氧量、加料、副槍系統(tǒng)的手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)控制，建立完備的一級基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)。搭建轉(zhuǎn)爐模型控制系統(tǒng)，完成模型控制和基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)的通訊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和模型控制接口。創(chuàng)建轉(zhuǎn)爐溫度計(jì)算、原料計(jì)算、熔劑計(jì)算、氧量計(jì)算、靜態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)計(jì)算自動(dòng)煉鋼模型，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐自動(dòng)煉鋼功能。轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)聯(lián)合熱試，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決，進(jìn)一步完善模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)所有功能達(dá)到良好地運(yùn)行狀況。

2． 2 實(shí)施方案

轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)采用了主流的三級計(jì)算機(jī)管理和控制模式。

一級L1 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)，由西門子PLC 控制系統(tǒng)和INTOUCH 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，PLC 控制系統(tǒng)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測、采集、處理和設(shè)備運(yùn)行的控制。二級L2 過程控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)通過建立轉(zhuǎn)爐冶煉模型，用計(jì)算機(jī)模型代替人工經(jīng)驗(yàn)煉鋼，直接作用到一級L1 控制設(shè)備的動(dòng)作上，完成自動(dòng)煉鋼; 同時(shí)將關(guān)鍵冶煉信息進(jìn)行采集、記錄，供生產(chǎn)和管理部分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。綜合二級L25 系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)和其他二級系統(tǒng)的通訊，主要是與天車二級系統(tǒng)通訊自動(dòng)準(zhǔn)確地采集鐵水、廢鋼和鋼水的重量信息; 與廢鋼二級系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐廢鋼構(gòu)成情況的通訊; 與折罐和脫硫二級通訊，實(shí)現(xiàn)鐵水溫度情況的通訊; 與檢化驗(yàn)二級系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐鐵水和鋼水成分情況的通訊。這樣以來，可以給模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的鐵水溫度、成分、重量信息，廢鋼構(gòu)成和鋼水成分信息，滿足了轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)自動(dòng)煉鋼模型對輸入和反饋信息的要求，為模型計(jì)算和自學(xué)習(xí)提供了數(shù)據(jù)支撐。

2． 2． 1 模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)工藝模型

轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)的原理是質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律^［2］，包括靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。轉(zhuǎn)爐控制模型包括溫度、主原料、熔劑和氧量計(jì)算模型，進(jìn)行順序控制、吹煉控制和加料控制，可以概括為“三控制四計(jì)算”。靜態(tài)計(jì)算模型以自學(xué)習(xí)的參考爐次為基礎(chǔ)，考慮影響熱平衡、氧平衡、鐵平衡的各個(gè)因素，實(shí)現(xiàn)對本爐次生產(chǎn)數(shù)據(jù)的修正計(jì)算。

轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)工藝模型包括主原料計(jì)算、靜態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)計(jì)算等轉(zhuǎn)爐全部工藝的過程模型。模型的計(jì)算機(jī)原理主要是基于熔池內(nèi)各種元素的化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)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(xiàng)。

轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼工藝模型分類及機(jī)理簡述見表1。

2． 2． 2 模型自動(dòng)煉鋼過程控制流程

模型自動(dòng)煉鋼整個(gè)控制工藝流程( 圖1) 為模型計(jì)算機(jī)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)學(xué)模型控制整個(gè)冶煉過程^［3］。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)算模型和動(dòng)態(tài)計(jì)算模型。出鋼溫度計(jì)算模型根據(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)定值將發(fā)送到基礎(chǔ)自動(dòng)化級，吹煉模式也將發(fā)送到一級機(jī)。加廢鋼和兌鐵完成后，基礎(chǔ)自動(dòng)化將根據(jù)吹煉模式和轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼機(jī)發(fā)送的設(shè)定值執(zhí)行氧槍吹煉和熔劑加料控制過程^［4］。順序控制程序接收兌鐵、吹煉、出鋼等事件信號，進(jìn)行相應(yīng)地處理。自動(dòng)吹煉控制程序接收吹煉過程數(shù)據(jù)和副槍測量值，觸發(fā)動(dòng)態(tài)模型，動(dòng)態(tài)模型根據(jù)副槍測量值和吹煉終點(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，從而完成整個(gè)吹煉過程。

2． 3 模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)關(guān)鍵功能

2． 3． 1 轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼靜態(tài)計(jì)算

靜態(tài)計(jì)算功能主要為根據(jù)實(shí)際入爐的鐵水量、鐵水成分、鐵水溫度、廢鋼量、鋼種和熔劑的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行熔劑計(jì)算和靜態(tài)計(jì)算。熔劑具體計(jì)算是在主原料計(jì)算的過程中完成，是同主原料計(jì)算同時(shí)進(jìn)行的。但因主原料計(jì)算時(shí)的條件( 鐵水成分、溫度等均為預(yù)測值) 或未完全按主原料計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果最終確定主原料的量，因而熔劑計(jì)算在主原料確定完后并根據(jù)實(shí)際的主原料條件再進(jìn)行熔劑計(jì)算。

2． 3． 2 轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼動(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)的。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)成分的要求并對應(yīng)氧耗進(jìn)程等來確定。在整個(gè)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(jù)鋼種的不同都已固定為吹煉模式。底吹控制過程是根據(jù)不同鋼種對復(fù)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(shí)間和末期后復(fù)吹的后攪時(shí)間。副槍測量的啟動(dòng)時(shí)間是吹煉氧量達(dá)到總氧量的85%左右時(shí)開始，具體副槍的測量所需時(shí)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(shí)底吹流量的50%。當(dāng)吹煉到總氧量的85%左右進(jìn)行副槍1 的測量。測量完副槍1 以后，就進(jìn)入了動(dòng)態(tài)控制的階段。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。動(dòng)態(tài)過程吹煉數(shù)據(jù)跟蹤過程畫面如圖2 所示。

2． 4 模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)程序流程

轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)下位機(jī)采用西門子PLC軟件，上位機(jī)采用InTouch 軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和數(shù)據(jù)監(jiān)視。在PLC 程序中編制轉(zhuǎn)爐二級系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)模塊，建立轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊發(fā)送和接收標(biāo)簽，滿足二級和一級系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的需求。

轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼一級和二級數(shù)據(jù)接口程序，采用基于KEPServer 軟件的OPC 數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過編制C#數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)KEPServer 程序和一級PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，讀取轉(zhuǎn)爐冶煉關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)模型自動(dòng)煉鋼時(shí)接受模型自動(dòng)煉鋼發(fā)送指令標(biāo)簽。使用KEPServer 軟件可以通過簡單方便的配置采集不同類型PLC 數(shù)據(jù)，同時(shí)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視功能，在模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)二級和一級數(shù)據(jù)調(diào)試的過程中，起到了很大的作用。

轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)后臺進(jìn)程管理程序，采用基于Visual Studio 2010 技術(shù)的C#程語言進(jìn)行編程。轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)ORACLE數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，模型自動(dòng)煉鋼客戶端采用C /S 模式，通過模型自動(dòng)煉鋼客戶端進(jìn)行模型自動(dòng)煉鋼數(shù)據(jù)監(jiān)控、參數(shù)配置和自動(dòng)煉鋼過程控制。

轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)進(jìn)行熔劑和氧量計(jì)算之后，將模型計(jì)算數(shù)據(jù)發(fā)送給一級進(jìn)行數(shù)據(jù)操作和控制，為了方便自動(dòng)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(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼發(fā)送數(shù)據(jù)在接口界面，經(jīng)過確認(rèn)，開始執(zhí)行轉(zhuǎn)爐熔劑加料和本體氧槍控制，實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)煉鋼過程控制。

3 實(shí)施效果

轉(zhuǎn)爐模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)應(yīng)用以來，轉(zhuǎn)爐一鍵煉鋼率平均達(dá)到70% 左右，C － T 雙命中穩(wěn)定在90%以上，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)提槍和冷卻劑動(dòng)態(tài)調(diào)料。鋼水成分和鋼水收得率控制穩(wěn)定且維持在較高水平。

4 結(jié)論

模型自動(dòng)煉鋼系統(tǒng)投運(yùn)入使用以來，效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定。在節(jié)約能源和降低鋼鐵料消耗，降低噸鋼成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善煉鋼生產(chǎn)環(huán)境，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)，優(yōu)化工藝流程等方面效果顯著。同時(shí)通過跟蹤管理煉鋼過程，提高了煉鋼生產(chǎn)自動(dòng)化和信息化的程度，實(shí)現(xiàn)了由經(jīng)驗(yàn)煉鋼到智能煉鋼的變革，提高了煉鋼生產(chǎn)設(shè)備管理水平和自動(dòng)化裝備水平，對冶金企業(yè)煉鋼生產(chǎn)具有很好的推廣、借鑒意義。

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