任根柱 劉志國(guó)  回士旭

（鹽城市聯(lián)鑫鋼鐵有限公司，江蘇省鹽城市，224145）

摘要：當(dāng)今的智能化進(jìn)程中，鋼鐵行業(yè)的智能化改造相對(duì)其他行業(yè)仍處于較低水平，數(shù)據(jù)利用率低等挑戰(zhàn)依然存在。本文主要介紹轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)中轉(zhuǎn)爐底吹控制系統(tǒng)在智能控制方面的應(yīng)用實(shí)踐，采用計(jì)算機(jī)控制底吹參數(shù)及先進(jìn)的控制算法模型，結(jié)合煉鋼過(guò)程情況進(jìn)行修正和優(yōu)化。并在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)實(shí)施鐵水、廢鋼等物料的精細(xì)配料及冶煉過(guò)程及終點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，有效降低了生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)智能化煉鋼提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)保障。

關(guān)鍵詞：鋼鐵智能化；底吹自動(dòng)化控制；精細(xì)配料

前言：

進(jìn)入十四五，距離中國(guó)制造2025僅有4年時(shí)間，鋼鐵行業(yè)智能化改造任重道遠(yuǎn)。某鋼鐵公司煉鋼廠十分注重自身智能化發(fā)展，現(xiàn)有煉鋼裝備為120噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐兩座，70噸超高功率水平加料電爐1座，已經(jīng)推廣智自動(dòng)化煉鋼和MES產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。十四五期間公司將繼續(xù)進(jìn)行設(shè)備改造升級(jí)，引入更多、更先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)，打造智能車間，智能工廠樣板。

其中轉(zhuǎn)爐底吹控制系統(tǒng)在智能控制方面應(yīng)用了大量的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備及先進(jìn)的控制算法。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐底吹控制系統(tǒng)的分析，建立并完善了轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)模型。投產(chǎn)以后，運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度極高，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)煉鋼控制提供了可靠依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及建模，逐步完善智能煉鋼控制能力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 轉(zhuǎn)爐底吹工藝概述

1.1 底吹工藝的目的

根據(jù)不同的冶煉要求，通過(guò)底吹供氣管、透氣磚向轉(zhuǎn)爐底部供氣，以相應(yīng)的模式對(duì)溶池進(jìn)行攪拌，以達(dá)到改善冶金反應(yīng)速度動(dòng)力學(xué)條件，縮短吹煉時(shí)間，降低渣中 Fe 含量，抑制噴濺，減少物料損失合熱損失，均勻成分、均勻溫度的目的。從而提高鋼產(chǎn)量，獲得優(yōu)質(zhì)鋼，同時(shí)通過(guò)降低合金加入量、吹氧量及吹攪氣體的消耗^[1]。

1.2 底吹模式及供氣強(qiáng)度的優(yōu)化

頂?shù)讖?fù)吹條件下的均勻混合時(shí)間隨頂吹氣體的穿透深度和底氣比的增大而減小。底吹流量增大，熔池的攪拌能增加，均勻混合時(shí)間隨之減小。所以適量增大底吹供氣強(qiáng)度有利于提高轉(zhuǎn)爐的底吹攪拌效果，但如果底吹供氣強(qiáng)度過(guò)高，也會(huì)縮短底吹供氣元件壽命^[2]。綜合考慮多方面因素，結(jié)合品種結(jié)構(gòu)和爐體狀況，優(yōu)化設(shè)計(jì)三種底吹供氣自動(dòng)化控制模式，詳見(jiàn)表1 。

表1 轉(zhuǎn)爐底吹模式/（Nm³/（t·min））

2底吹智能控制系統(tǒng)介紹

底吹系統(tǒng)控制一般分為五種方式：SDM 方式、PLC方式和本機(jī)自動(dòng)、手動(dòng)方式、檢修方式。其中轉(zhuǎn)爐底吹PLC 為一獨(dú)立系統(tǒng)， CPU由施耐德公司的 QUANTUM 系列的 140CPU53414A，由 1 個(gè)機(jī)架構(gòu)成。底吹及頂吹、氧槍傾動(dòng)、除塵、氣化冷卻等所有的 L1 級(jí)控制系統(tǒng)都通過(guò)以太網(wǎng)組織在一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)里面，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。L2 級(jí)模型數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)，同 L1 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。Gateway 也采用了一套小型 PLC，作為 L2 與 L1 級(jí) PLC 通訊的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊，避免了因網(wǎng)絡(luò)病毒和計(jì)算機(jī)通訊延時(shí)帶來(lái)的數(shù)據(jù)延誤。保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性^[3]。

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化控制實(shí)踐

本系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)原則依據(jù)所產(chǎn)鋼種氮含量的要求，按工藝要求輸入要求吹攪的總流量及氮?dú)迩袚Q點(diǎn)并進(jìn)行確認(rèn)，至此工作站即可將所選模型下發(fā)至底吹PLC，由PLC 程序?qū)崟r(shí)跟蹤氧量，按照曲線中各切換信號(hào)的要求，判斷耗氧量及各種信號(hào)是否到達(dá)，控制氮?dú)饣驓鍤馇袛嚅y的開(kāi)閉，計(jì)算各支路的流量設(shè)定值。各支路的流量控制器調(diào)節(jié)流量控制閥的閥位直到實(shí)際值與設(shè)定值相同為止。

2.2融合轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)模型控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)控制模型是整個(gè)智能煉鋼系統(tǒng)的核心部分，它以物料及能量平衡、熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等理論為依據(jù)，在靜態(tài)控制模型的基礎(chǔ)上，利用激光爐氣分析儀檢測(cè)吹煉過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣成分，并根據(jù)同步檢測(cè)的轉(zhuǎn)爐冶煉參數(shù)信息，計(jì)算熔池碳含量變化和升溫速度，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程熔池碳含量以及溫度數(shù)值。在動(dòng)態(tài)模型控制下，融合底吹智能控制系統(tǒng)，更利于冶煉終點(diǎn)碳、溫度的高精準(zhǔn)命中。同時(shí)，優(yōu)良的融合數(shù)據(jù)為系統(tǒng)自學(xué)習(xí)功能的實(shí)現(xiàn)提供了海量數(shù)據(jù)參考，極大地改善了過(guò)程控制的有效性^［4］.

3精細(xì)配料優(yōu)化

3.1轉(zhuǎn)爐精細(xì)配料優(yōu)化

優(yōu)化鐵水扒渣及溫度控制操作，對(duì)扒渣設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)改造，對(duì)鐵水自動(dòng)測(cè)溫取樣設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保鐵水帶渣量少，溫度準(zhǔn)確；結(jié)合不同鋼種控制要求，將廢鋼按類別、冷卻效應(yīng)及成分，分區(qū)域存放，便于天車系統(tǒng)運(yùn)行中的正常定位及采集。應(yīng)用鐵水“三穩(wěn)一準(zhǔn)”及廢鋼“三準(zhǔn)一凈”控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵水的溫度穩(wěn)定、成分穩(wěn)定、裝入穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)廢鋼的精準(zhǔn)計(jì)量、精準(zhǔn)配比、精準(zhǔn)分類、無(wú)雜無(wú)害。安裝天車定位及識(shí)別模塊、稱量裝置、無(wú)線傳輸設(shè)備，自動(dòng)采集稱量數(shù)值，利用無(wú)線傳輸及工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送。

通過(guò)物料平衡和熱平衡，利用物料平衡計(jì)算初始石灰和白云石加入量，在初始石灰和白云石加入量的基礎(chǔ)上，利用熱平衡計(jì)算礦石加入量。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)原輔料成分的定期更新，確保基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度，從而提高配料計(jì)算模型的準(zhǔn)確率。

3.2優(yōu)化配料與底吹工藝優(yōu)化控制

在轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過(guò)程中，精細(xì)配料后利用底吹系統(tǒng)控制入口的吹攪氣體類型和氣體流量來(lái)控制轉(zhuǎn)爐底部攪拌，并根據(jù)鋼種對(duì)成品氮含量 [N] 要求的不同，將其劃分為以下三種底吹控制模型：

（1）[N] ≤ 40ppm 的鋼種，吹煉過(guò)程中轉(zhuǎn)爐底吹全程吹氬；

（2）40ppm ＜ [N] ≤ 70ppm 的鋼種，吹煉過(guò)程中轉(zhuǎn)爐底吹進(jìn)行氮?dú)迩袚Q；

（3）[N] ＞ 70ppm 的鋼種，吹煉過(guò)程中轉(zhuǎn)爐底吹進(jìn)行全程吹氮。

精細(xì)配料可更接近于靜態(tài)模型的控制，根據(jù)煉鋼不同的時(shí)期，供氣的強(qiáng)度、供氣的種類都有不同（見(jiàn)圖1-2），根據(jù)上述曲線控制氮、氬切換的時(shí)機(jī)及供氣流量的大小（見(jiàn)圖3-4）。

4結(jié)語(yǔ)

鋼鐵行業(yè)是典型的流程工業(yè)。目前鋼鐵行業(yè)的自動(dòng)化、信息化發(fā)展已具有良好的基礎(chǔ)，在行業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型的過(guò)程中躍上智能化臺(tái)階，鋼鐵行業(yè)技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步將如虎添翼，目標(biāo)是建立真正達(dá)到工業(yè)4.0水平。本文通過(guò)轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)中轉(zhuǎn)爐底吹控制系統(tǒng)在智能控制方面的應(yīng)用實(shí)踐，采用計(jì)算機(jī)控制底吹參數(shù)及先進(jìn)的控制算法模型，結(jié)合煉鋼過(guò)程情況進(jìn)行修正和優(yōu)化。并在實(shí)際生產(chǎn)中通過(guò)實(shí)施鐵水、廢鋼等物料的精細(xì)配料及冶煉過(guò)程及終點(diǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，碳溫雙命中率達(dá)到90%以上，有效降低了生產(chǎn)成本，為實(shí)現(xiàn)智能化煉鋼提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)保障；

參考文獻(xiàn)

[1] 王德倉(cāng) . 鋼鐵生產(chǎn)中的新技術(shù)和替代工藝 [J]. 鋼鐵研究 ,1998(01):54-58+46.

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[3] 苗青，李國(guó)柱，轉(zhuǎn)爐底吹計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制 [J]. 電子元器件與信息技術(shù)，2020,4（02）：69-70

[4］郭偉達(dá)，李強(qiáng)篤，王忠剛，等.用于轉(zhuǎn)爐煙氣分析的防塵降溫箱：中國(guó)，201920163299.0［P］.2019-10-29.