轉(zhuǎn)爐智能煉鋼控制系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化

鄧檳杰，李 軍，周 杰

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山243000）

【摘 要】 隨著世界鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鋼鐵制造模式逐漸由人工參與主導(dǎo)轉(zhuǎn)向無人化生產(chǎn)。針對目前鋼廠轉(zhuǎn)爐煉鋼區(qū)域內(nèi)人工參與過多、工作環(huán)境惡劣等問題，以少人化、集控化生產(chǎn)為目標(biāo)，對轉(zhuǎn)爐煉鋼中各生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造優(yōu)化，建立了轉(zhuǎn)爐智能煉鋼控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)過程進(jìn)行模塊化劃分，對鐵水預(yù)處理過程，設(shè)計(jì)開發(fā)了智能化一鍵倒罐、一鍵脫硫、自動扒渣功能；針對上料過程定位不準(zhǔn)等問題，設(shè)計(jì)了自動熔劑上料系統(tǒng)，并開發(fā)了相應(yīng)的定位功能；針對轉(zhuǎn)爐出鋼過程操作復(fù)雜、環(huán)境惡劣問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了轉(zhuǎn)爐自動出鋼系統(tǒng)及遠(yuǎn)程開火裝置，同時添加了配套的出鋼檢測裝置。通過對煉鋼控制系統(tǒng)的開發(fā)及優(yōu)化，減少了現(xiàn)場操作人員數(shù)量，提高了鋼廠煉鋼的工作效率。

【關(guān)鍵詞】 轉(zhuǎn)爐煉鋼；控制系統(tǒng)；智能化改造

引言

隨著世界鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鋼鐵制造模式在近20 年來已經(jīng)趨于模式化，在新的互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代下，將鋼鐵制造向個性化、定制化、多批量、小品種的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，已經(jīng)成為鋼鐵業(yè)發(fā)展的重要方向。中國國內(nèi)的鋼鐵企業(yè)在前十年進(jìn)行了迅速的產(chǎn)能擴(kuò)張與基礎(chǔ)技術(shù)升級，未來，基于智能化的工廠改造技術(shù)將成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向^［1-3］ 。

目前鋼廠煉鋼區(qū)域的生產(chǎn)任務(wù)主要依靠操作人員在現(xiàn)場操作臺及設(shè)備操作箱處手動控制完成，這種生產(chǎn)方式效率較低，且存在一定的安全隱患。 同時，煉鋼過程涉及傳熱傳質(zhì)的物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)過程復(fù)雜。由于煉鋼的材料空間分布不均勻，存在滯后性和不確定性，使用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)難以提升冶煉過程的效率^［4-5］ 。針對上述問題，以某廠為例，對轉(zhuǎn)爐煉鋼區(qū)域鐵水預(yù)處理、熔劑上料以及轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，并開發(fā)相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)。

1 智能煉鋼控制系統(tǒng)

智能煉鋼控制系統(tǒng)是一種模塊化的集成系統(tǒng)，應(yīng)用于智能煉鋼領(lǐng)域。該系統(tǒng)引入了先進(jìn)的自動化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)和優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了對煉鋼過程的實(shí)時監(jiān)控和自動控制，從而提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。智能煉鋼控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)模塊包括：鋼水預(yù)處理智能控制系統(tǒng)、熔劑上料智能控制系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制系統(tǒng)。智能煉鋼控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與各模塊功能見圖1。

2 鋼水預(yù)處理智能控制系統(tǒng)

鐵水的預(yù)處理包括倒罐、脫硫、扒渣等工藝過程。目前鋼廠主要通過技術(shù)人員在現(xiàn)場手動操作來完成各個工藝過程，增加了生產(chǎn)人員的工作量、降低了工作效率。建立鋼水預(yù)處理智能控制系統(tǒng)，將工藝過程智能化，可有效減少人工作業(yè)、提高勞動效率，同時提升安全水平。

鋼廠引入鋼水預(yù)處理智能煉鋼控制系統(tǒng)時，通常需要對原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造。改造后的鋼水預(yù)處理智能煉鋼控制系統(tǒng)將具有更高的自動化程度，更好的集成性和可擴(kuò)展性，為煉鋼過 程智能化提供有力保障。

3 轉(zhuǎn)爐熔劑上料智能控制系統(tǒng)

現(xiàn)有煉鋼轉(zhuǎn)爐上料系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)料位不準(zhǔn)確、橫移小車定位不準(zhǔn)確、可視化系統(tǒng)模糊等問題?，F(xiàn)場傳統(tǒng)的人工手動上料方式由于工作場地的原因，人工操作點(diǎn)分散、勞動強(qiáng)度較大。針對上述問題，對轉(zhuǎn)爐上料控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，實(shí)現(xiàn)自動化轉(zhuǎn)爐熔劑上料。熔劑上料系統(tǒng)工藝流程圖見圖2。

考慮到轉(zhuǎn)爐熔劑上料系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備老化、測量儀表損壞、測量不準(zhǔn)確、小車限位偏離等問題，要做到自動上料，必須對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性改造，才能滿足自動上料必要條件。對設(shè)備的改造主要有以下兩方面。

（1）硬件方面智能化改造。主要包括轉(zhuǎn)爐熔劑上料倉料位及相關(guān) PLC系統(tǒng)硬件、熔劑地面料倉料位及卸料小車限位、地面料倉新增皮帶稱量裝置等。

（2）控制方式改造。改造后系統(tǒng)可以采用自動控制、半自動控制和手動控制三種控制方式。自動控制方式只需給出一個“啟動系統(tǒng)”的命令，其他過程均自動進(jìn)行；而半自動控制方式則需要一一選定需上料的中、高位料倉，其他過程自動進(jìn)行；手動控制方式則用于事故狀態(tài)下的應(yīng)急操作或設(shè)備檢修。

4 轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐一鍵煉鋼是基于投彈式副槍的一大創(chuàng)新應(yīng)用，該應(yīng)用基于煙氣分析系統(tǒng)、火焰分析系統(tǒng)、聲納化渣識別系統(tǒng)、QT 投彈副槍系統(tǒng)、自動出鋼控制系統(tǒng)、合金在線烘烤系統(tǒng)以及自動倒渣控制系統(tǒng)，通過動態(tài)計(jì)算及控制，綜合利用智能視覺識別技術(shù)、智能音頻傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一鍵式智慧煉鋼。現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐出鋼檢測過程中，現(xiàn)場的作業(yè)量較大，導(dǎo)致工人勞動負(fù)荷大。由于現(xiàn)場作業(yè)任務(wù)復(fù)雜，不同的操作人員面對多樣化的任務(wù)時，作業(yè)水平參差不齊，難以做到高質(zhì)量、高效率組織生產(chǎn)，鋼廠平均出鋼水平始終無法突破瓶頸。同時，轉(zhuǎn)爐區(qū)域粉塵多、溫度高、噪音大、易濺射，屬于高危區(qū)域，過多的人工參與對操作人員的安全及身體健康會產(chǎn)生不利的影響。針對上述問題，對原有控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，設(shè)計(jì)了自動出鋼系統(tǒng)、遠(yuǎn)程看火裝置以及相關(guān)監(jiān)測裝置。

4.1 智能自動出鋼

智能自動出鋼功能示意圖見圖3。該功能采用“技術(shù)移植+屬地定制”方式導(dǎo)入自主集成的自動出鋼工藝模型，并提供豐富的操作、維護(hù)、監(jiān)視、報(bào)警等功能的人機(jī)接口。高性能計(jì)算機(jī)配置數(shù)據(jù)庫、通訊中間件、開發(fā)平臺、遠(yuǎn)程管理軟件等，能高效、穩(wěn)定、快速處理轉(zhuǎn)爐自動出鋼過程中的圖像、電文等實(shí)時數(shù)據(jù)。將轉(zhuǎn)爐L1中的相關(guān)實(shí)時數(shù)據(jù)，如鋼包臺車信息、鋼包信息、加料溜槽信息、轉(zhuǎn)爐傾角等信息接入至自動出鋼專家系統(tǒng)，用于模型的計(jì)算、安全聯(lián)鎖、信息記錄等相關(guān)功能。

基于現(xiàn)場取樣分析，定量分析轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)P含量、終渣 P含量、合金（渣料）中殘 P含量、鋼包中 P含量的變化，定量確定下渣量，并與出鋼工藝、出鋼圖像識別結(jié)合，建立下渣量控制模型。基于現(xiàn)場取樣，確定吹煉終點(diǎn)碳與過剩氧的定量關(guān)系，基于鋼種要求及合金價(jià)格，確定最佳合金加入種類、加入量及加入順序。根據(jù)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)成分、合金種類（合金含量及價(jià)格）構(gòu)建經(jīng)濟(jì)型合金自動加料模型。

智能自動出鋼系統(tǒng)可與上文中所述的一鍵倒渣、自動扒渣等系統(tǒng)共用計(jì)算機(jī)硬件。智能自動出鋼控制流程見圖4。

在轉(zhuǎn)爐自動出鋼過程中，鋼包車位置需要隨鋼流注入位置自動調(diào)整，轉(zhuǎn)爐傾動角度隨轉(zhuǎn)爐內(nèi)渣面高度降低而逐漸增大，加料槽的位置需要與鋼流注入點(diǎn)保持隨動。為了自動判斷爐口是否有溢渣現(xiàn)象以及判斷鋼包內(nèi)鋼水的液位，設(shè)計(jì)了大爐口溢渣檢測裝置、鋼包液面檢測裝置、鋼包臺車位置檢測裝置和自動出鋼安全檢測裝置等檢測設(shè)備，這可以為智能煉鋼過程提供實(shí)時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更高效、安全的煉鋼生產(chǎn)。

4.2 智能轉(zhuǎn)爐遠(yuǎn)程看火

目前轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)時主操人員利用轉(zhuǎn)爐看火眼鏡直接觀看轉(zhuǎn)爐火焰的顏色和形狀，用來對出鋼終點(diǎn)進(jìn)行人工判定。操作人員必須在轉(zhuǎn)爐操作室才能進(jìn)行近距離觀察。

為解決出鋼終點(diǎn)判定和轉(zhuǎn)爐遠(yuǎn)程看火問題，在轉(zhuǎn)爐爐前近距離安裝攝像系統(tǒng)，采集轉(zhuǎn)爐火焰，同時對轉(zhuǎn)爐火焰進(jìn)行算法分析，還原正式的轉(zhuǎn)爐火焰和形狀。將處理后的圖像信息傳遞到智控中心視頻系統(tǒng)，便于智控操作人員觀察，轉(zhuǎn)爐遠(yuǎn)程看火裝置見圖5。

使用上述遠(yuǎn)程裝置，有效解決了出鋼終點(diǎn)難以判定、操作人員工作環(huán)境差的問題，提高了出鋼看火的效率和質(zhì)量。

5 總結(jié)

（1）為了解決目前鋼廠轉(zhuǎn)爐煉鋼區(qū)域內(nèi)人工參與過多、工作環(huán)境惡劣、自動化不足等問題，以少人化、集控化生產(chǎn)為目標(biāo)，對轉(zhuǎn)爐煉鋼各生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造優(yōu)化，建立了智能煉鋼控制系統(tǒng)。

（2）對生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化處理，針對鐵水預(yù)處理控制模塊人工參與較多、工作地點(diǎn)分散等問題，通過對原有控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化改造，建立了相應(yīng)智能模型及可視化圖像檢測模型，設(shè)計(jì)開發(fā)了一鍵倒罐、一鍵脫硫、自動扒渣等功能。針對熔劑上料模塊料位不準(zhǔn)確、橫移小車定位不準(zhǔn)確、可視化系統(tǒng)模糊等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了轉(zhuǎn)爐自動熔劑上料系統(tǒng)，并配套設(shè)計(jì)了相應(yīng)的定位系統(tǒng)。最后針對轉(zhuǎn)爐煉鋼模塊設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)爐自動出鋼專家系統(tǒng)及相應(yīng)的檢測裝置、遠(yuǎn)程看火裝置。

（3）在工業(yè)實(shí)踐中，智能煉鋼控制系統(tǒng)可以有效減少各工藝過程中工作人員的工作強(qiáng)度，提高煉鋼區(qū)域的總體生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。

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