劉海瑞
陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司 陜西韓城 715405
摘要：轉(zhuǎn)爐冶煉過程控制、終點(diǎn)控制是影響煉鋼生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本等經(jīng)營(yíng)性指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是鋼鐵生產(chǎn)的“黑箱”環(huán)節(jié)之一，長(zhǎng)期以來沒有有效直接的手段對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過程的化渣、脫碳、脫磷、升溫等物理化學(xué)變化進(jìn)行有效監(jiān)控和預(yù)測(cè)，大部分鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)。2020年陜鋼集團(tuán)陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司聯(lián)合湖南鐳目科技有限公司率先研究開發(fā)了基于聲納化渣、火焰分析和煙氣分析的轉(zhuǎn)爐智能化煉鋼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全程無人工干預(yù)的“一鍵式”煉鋼，在沒有配置副槍情況下實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐冶煉過程自動(dòng)化、智能化，該系統(tǒng)對(duì)冶煉過程、終點(diǎn)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，取得了良好效果，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，創(chuàng)造的巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為鋼鐵企業(yè)發(fā)展智能化煉鋼起到積極的推進(jìn)作用和行業(yè)引領(lǐng)。
關(guān)鍵詞：聲納化渣；火焰分析；煙氣分析；智能煉鋼；一鍵式煉鋼
1 前言
轉(zhuǎn)爐煉鋼環(huán)節(jié)是鋼鐵生產(chǎn)的典型“黑箱”環(huán)節(jié)，長(zhǎng)期以來沒有有效直接的手段對(duì)冶煉全程的化渣、脫碳、脫磷、升溫等物理化學(xué)變化進(jìn)行有效監(jiān)控和預(yù)測(cè)，轉(zhuǎn)爐煉鋼過程控制主要依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，受操作人員思維慣性、個(gè)人技能以及反應(yīng)能力有限等一系列因素制約，轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)效率、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和污染物排放控制有待進(jìn)一步改進(jìn)和提升。在采用渣料減量化冶煉、石灰石復(fù)合造渣、鐵礦石熔融還原以及留渣作業(yè)后，進(jìn)一步增加了操作人員依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作的難度 [1]。目前部分鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐采用基于副槍的過程控制系統(tǒng)和基于煙氣分析的過程控制系統(tǒng)[2-5]：基于副槍的過程控制系統(tǒng)對(duì)于終點(diǎn)碳溫的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率和精度高，但是缺乏冶煉全程的檢測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)整，無法實(shí)現(xiàn)全程一鍵式煉鋼，同時(shí)設(shè)備價(jià)格昂貴，探頭消耗大，成本高，對(duì)爐容要求嚴(yán)格，難以滿足我國(guó)中小鋼廠的現(xiàn)狀需求[6]；基于煙氣分析的過程控制系統(tǒng)受到煙氣檢測(cè)延時(shí)、煙氣傳感器數(shù)據(jù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳、煙道風(fēng)機(jī)流量壓力波動(dòng)、煙道二次燃燒等狀況影響，其對(duì)于冶煉過程的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和控制準(zhǔn)確性相對(duì)較差，從而影響其大規(guī)模推廣。
轉(zhuǎn)爐煉鋼智能化要求實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉過程中各種狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)(溫度、煙氣濃度、火焰形態(tài)、渣狀態(tài)等)、基于工藝模型的各類生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)（包括噴濺、返干、過程碳含量、過程溫度等），實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化槍位和加料控制動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)溫度和成分的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)以及自動(dòng)提槍等，最終實(shí)現(xiàn)全程“一鍵式煉鋼”[7-8]。轉(zhuǎn)爐煉鋼智能化已成為促進(jìn)鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的新生力量，是鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，既能降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，又能提升關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)促進(jìn)鋼廠從生產(chǎn)低端建材產(chǎn)品逐步向生產(chǎn)高端產(chǎn)品跨越[9]。
2 智能化煉鋼發(fā)展歷程和最新技術(shù)
2.1 計(jì)算模型
智能煉鋼計(jì)算模型發(fā)展歷程如下圖所示：
Ø 第一階段：智能煉鋼模型第一階段主要通過純理論靜態(tài)計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)，主要是四大平衡計(jì)算，包括熱平衡、氧平衡、鐵平衡和渣平衡，通過復(fù)雜的純理論公式計(jì)算出達(dá)到冶煉鋼種工藝目標(biāo)（主要是目標(biāo)出鋼溫度和目標(biāo)出鋼碳）所需的總氧、化渣劑、冷卻劑、溶劑、合金等輔料消耗，根據(jù)冶煉模式規(guī)劃氧步和料步，然后進(jìn)行加料和槍位控制。根據(jù)四大平衡純靜態(tài)計(jì)算進(jìn)行過程和終點(diǎn)碳溫的預(yù)測(cè)。該計(jì)算主要依賴于輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)計(jì)算極為復(fù)雜，對(duì)于國(guó)內(nèi)煉鋼廠的現(xiàn)狀適應(yīng)性較差。
Ø 第二階段：智能煉鋼模型第二階段在純理論靜態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上，建立歷史爐次數(shù)據(jù)庫，以歷史爐次為參考，對(duì)當(dāng)前爐次計(jì)算進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)總氧、輔料計(jì)算以及過程和終點(diǎn)碳溫的計(jì)算，即所謂“增量模型”，通過增量計(jì)算，可以有效降低靜態(tài)計(jì)算的復(fù)雜度，增強(qiáng)模型的適應(yīng)性，減少對(duì)于輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的以來，但是對(duì)于歷史參考爐次的選擇極為關(guān)鍵，選擇不合理極大影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。
Ø 第三階段：智能煉鋼模型第三階段在增量模型的基礎(chǔ)上，增加自學(xué)習(xí)模型，建立參考爐次庫，設(shè)立邊界條件，對(duì)參考爐次賦予規(guī)則進(jìn)行選擇，選擇最優(yōu)爐次對(duì)當(dāng)前冶煉爐次進(jìn)行計(jì)算和修正，實(shí)現(xiàn)總氧、輔料計(jì)算以及過程和終點(diǎn)碳溫的計(jì)算。通過邊界條件的設(shè)立和自學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練，可以有效避免增量模型的缺陷，杜絕了參考錯(cuò)誤爐次的影響，提高了計(jì)算準(zhǔn)確性。
Ø 第四階段：前面三個(gè)階段智能煉鋼的模型都要基于理論計(jì)算實(shí)現(xiàn)，主要依賴于輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，轉(zhuǎn)爐冶煉過程中沒有直接檢測(cè)方式對(duì)計(jì)算進(jìn)行動(dòng)態(tài)矯正，因此，智能煉鋼模型的第四階段就是在前面三個(gè)階段的基礎(chǔ)上，結(jié)合副槍或者煙氣分析之類的動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段對(duì)過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，對(duì)冶煉終點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和控制。
2.2 過程爐渣檢測(cè)技術(shù)
智能煉鋼過程爐渣檢測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程如下圖所示：
圖2.2-1 智能煉鋼過程爐渣檢測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程
Ø 第一階段：通過煙氣分析儀，對(duì)CO2和CO曲線進(jìn)行分析，預(yù)判渣活躍、噴濺、爆發(fā)性噴濺及返干等爐渣狀態(tài)，據(jù)此進(jìn)行槍位和加料的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。最早的煙氣分析儀為質(zhì)譜儀，價(jià)格高、環(huán)境適應(yīng)性差、維護(hù)極為復(fù)雜導(dǎo)致沒法推廣使用，后續(xù)發(fā)展到取樣式紅外光譜煙氣分析儀，但是準(zhǔn)確性較差，延時(shí)較大，也沒有得到推廣應(yīng)用，目前應(yīng)用最多的就是原位式和取樣式激光煙氣分析儀，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、便于維護(hù)。煙氣分析主要對(duì)于爆發(fā)性噴濺預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，對(duì)于噴濺、預(yù)噴濺和返干預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性相對(duì)較差。
Ø 第二階段：聲納化渣是最直接有效檢測(cè)爐渣狀態(tài)的系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)渣厚趨勢(shì)，實(shí)時(shí)進(jìn)行噴濺和返干狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，特別是最新的多音頻譜分析算法，能夠有效 提高返干預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，進(jìn)行槍位和加料的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。聲納化渣對(duì)于返干和預(yù)噴濺預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，但是對(duì)于已經(jīng)發(fā)生噴濺的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較低。
Ø 第三階段：最開始人們想利用火焰分析進(jìn)行冶煉過程中溫度和碳的檢測(cè)，但是效果并不理想，達(dá)不到工業(yè)應(yīng)用的水平，后面火焰分析通過對(duì)轉(zhuǎn)爐火焰輪廓、亮度、形態(tài)、甩渣片等特征進(jìn)行識(shí)別，用來判斷噴濺、預(yù)噴濺和返干的情況，效果較好，噴濺和預(yù)噴濺準(zhǔn)確率可以達(dá)到95%以上，達(dá)到控制過程槍位和加料的條件。
Ø 第四階段：以上三種過程爐渣檢測(cè)手段都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如下圖所示：
圖2.2-2 三種過程爐渣檢測(cè)手段的不足點(diǎn)
依靠單一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程控槍和加料都不可靠，因此，根據(jù)上述三種檢測(cè)手段的優(yōu)缺點(diǎn)，第四階段聯(lián)合三種檢測(cè)方式，依據(jù)一定的邏輯規(guī)則整合信號(hào)，可以有效實(shí)現(xiàn)過程爐渣狀況的準(zhǔn)確檢測(cè)以及噴濺、預(yù)噴濺和返干精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。
2.3 智能煉鋼系統(tǒng)
根據(jù)上述計(jì)算模型和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程，智能煉鋼系統(tǒng)也經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展歷程和階段革新，如下圖所示：
圖2.3 智能化煉鋼系統(tǒng)技術(shù)革新
對(duì)于不具備條件上副槍系統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐來說，基于增量自學(xué)習(xí)模型和煙氣分析、聲納化渣、火焰分析三種動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段的轉(zhuǎn)爐智能化煉鋼系統(tǒng)是最適合和最新發(fā)展趨勢(shì)。龍鋼也是最先開展這方面研究和應(yīng)用的單位，取得了卓有成效的效果。
3、智能化煉鋼系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)架構(gòu)
基于聲納化渣、火焰分析、煙氣分析的轉(zhuǎn)爐智能煉鋼系統(tǒng)架構(gòu)如圖3.1所示：
圖3.1 基于聲納化渣、火焰分析、煙氣分析的轉(zhuǎn)爐智能煉鋼系統(tǒng)架構(gòu)
主要建設(shè)內(nèi)容包括：
Ø 通過鐵水廢鋼外圍輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鐵水廢鋼信息的自動(dòng)采集和匹配；
Ø 通過增量+自學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)總氧、各類輔料計(jì)算以及過程和終點(diǎn)碳溫的計(jì)算；
Ø 根據(jù)計(jì)算的總氧和輔料、爐長(zhǎng)優(yōu)秀的操作經(jīng)驗(yàn)和不同的鐵水廢鋼條件建立不同的吹煉模式，制定氧步和料步，打通一級(jí)和二級(jí)，實(shí)現(xiàn)氧槍和加料的自動(dòng)控制；
Ø 通過火焰分析、聲納化渣、煙氣分析對(duì)爐渣成渣過程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)噴濺、預(yù)噴濺和返干的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)；
Ø 根據(jù)火焰、聲納和煙氣檢測(cè)的爐渣狀態(tài)結(jié)果，動(dòng)態(tài)調(diào)整槍位和加料，保證冶煉過程化渣平穩(wěn)良好。
基于聲納化渣、火焰分析、煙氣分析的轉(zhuǎn)爐智能煉鋼系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)如圖3.2所示：
圖3.2 智能煉鋼系統(tǒng)流程
Ø 計(jì)算和自學(xué)習(xí)模型
1） 目標(biāo)溫度和目標(biāo)碳計(jì)算
2） 主原料計(jì)算
3） 熔劑計(jì)算
4） 氧平衡和冷卻劑計(jì)算
5） 過程和終點(diǎn)碳溫預(yù)報(bào)
6） 定義自學(xué)習(xí)規(guī)則，對(duì)歷史冶煉爐次進(jìn)行選擇，選取的爐次能夠更好的反應(yīng)當(dāng)前冶煉環(huán)境，整個(gè)計(jì)算進(jìn)行閉環(huán)學(xué)習(xí)，更好更指導(dǎo)當(dāng)前爐次的冶煉。
Ø 成渣路線設(shè)計(jì)和過程控制
1）對(duì)爐渣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并根據(jù)輸出信號(hào)對(duì)氧槍和加料動(dòng)態(tài)調(diào)整，在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)爐渣狀態(tài)和氧槍加料閉環(huán)控制。
2）基于不同鐵水廢鋼信息下的靜態(tài)模式+根據(jù)爐渣狀態(tài)信號(hào)動(dòng)態(tài)模式
3.3火焰分析設(shè)計(jì)
利用智能視覺識(shí)別技術(shù)將爐口結(jié)渣、火焰燃燒信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，識(shí)別爐口結(jié)渣、冶煉噴濺、脫碳燃燒情況、實(shí)現(xiàn)過程動(dòng)態(tài)控制和終點(diǎn)輔助判斷。
火焰特征分析：火焰光強(qiáng)、火焰輪廓
轉(zhuǎn)爐爐渣信號(hào)輸出：起渣點(diǎn)、活躍、預(yù)噴濺、噴濺、返干
火焰分析系統(tǒng)的火焰信息采集裝置安裝在轉(zhuǎn)爐爐前，直對(duì)爐口，采集爐口火焰信息，火焰信息采集裝置采用立式安裝機(jī)構(gòu)，該采集裝置可以上下左右旋轉(zhuǎn)，調(diào)整采集范圍，機(jī)構(gòu)上還帶有冷卻吹掃裝置，防止相機(jī)因溫度過高出現(xiàn)故障?，F(xiàn)場(chǎng)為混泥土地面，可打膨脹螺絲固定安裝底板，廠方提供冷卻氣源至安裝位置附近2m以內(nèi)?；鹧娣治鲅b置如圖3.3所示。
圖3.3 火焰分析系統(tǒng)
3.4 煙氣分析設(shè)計(jì)
通過實(shí)時(shí)采集煙氣中CO、CO2濃度信息，監(jiān)控轉(zhuǎn)爐內(nèi)的脫碳反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)冶煉過程成分、溫度預(yù)報(bào)以及噴濺、爆發(fā)性噴濺的預(yù)報(bào)，優(yōu)化槍位和加料操作。煙氣分析曲線如下圖3.4所示：
圖3.4 煙氣分析系統(tǒng)
數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)：
Ø CO、CO2成分信號(hào)進(jìn)入鋼廠PLC，PLC對(duì)其進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)據(jù)；
Ø 爐氣分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)周期性讀取PLC對(duì)應(yīng)地址，把該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；
Ø 動(dòng)態(tài)模型利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合鐵水與廢鋼數(shù)據(jù)，加料數(shù)據(jù)，生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)等計(jì)算出脫碳速率，鋼水溫度，成分等動(dòng)態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)冶煉全過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。
3.5 聲納化渣設(shè)計(jì)
利用聽覺、聲吶技術(shù)對(duì)爐渣狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，將吹氧或者加料的噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，檢測(cè)吹氧情況和爐渣泡沫化程度，優(yōu)化氧槍操作，避免化渣不良，提高脫磷水平。
聲納化渣特征分析：噪音強(qiáng)度
轉(zhuǎn)爐爐渣信號(hào)輸出：起渣點(diǎn)、預(yù)噴濺、噴濺、預(yù)返干、返干
聲納化渣安裝、界面及示意圖如圖3.5所示：
圖3.5 聲納化渣系統(tǒng)
3.6火焰分析、聲納化渣、煙氣分析三種爐渣檢測(cè)信號(hào)耦合和應(yīng)用
通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，這三種動(dòng)態(tài)檢測(cè)手段都存在某個(gè)信號(hào)分析的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，如何對(duì)三種檢測(cè)手段得出的信號(hào)進(jìn)行耦合，最大限度的發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，能更好輸出轉(zhuǎn)爐過程化渣的情況，系統(tǒng)對(duì)三種檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行算法整合，形成一個(gè)信號(hào)處理模塊，如圖3.6-1所示：
圖3.6-1 火焰、聲納和煙氣檢測(cè)信號(hào)耦合
通過爐渣信號(hào)：活躍、預(yù)噴濺、返干三個(gè)信號(hào)對(duì)成渣路線進(jìn)行控制，讓爐渣一直處于液相區(qū)域并按照設(shè)計(jì)好的鐵質(zhì)成渣路線進(jìn)行加料和槍位控制。如圖3.6-2所示：
圖3.6-2 轉(zhuǎn)爐冶煉過程中爐渣成分的變化圖
龍鋼鐵水磷較高，選擇A-B’-C鐵質(zhì)成渣為最佳路線，在程序通過氧槍槍位和加料種類數(shù)量上考慮讓轉(zhuǎn)爐渣前中期處于活躍，以便提高脫磷比。
3.7 鐵水廢鋼外圍輔助管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
鐵水廢鋼外圍輔助管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能煉鋼模型所需數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，確保輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，避免人工錄入數(shù)據(jù)的可靠性，組成包括：
Ø 鐵水包定位系統(tǒng)
通過在鐵水包車端部增加激光測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)， 將測(cè)距儀數(shù)據(jù)接入PLC，通過冗余切換，實(shí)現(xiàn)鐵水包車精準(zhǔn)定位，鐵水包包號(hào)識(shí)別系統(tǒng)從PLC地址處獲取實(shí)時(shí)位置參數(shù)，智能煉鋼系統(tǒng)從鋼廠對(duì)應(yīng)PLC地址處獲取鐵水重量數(shù)據(jù)。
Ø 鐵水包包號(hào)識(shí)別系統(tǒng)
每個(gè)鐵包有其唯一的身份編碼。在鐵水預(yù)處理吊包位，折罐位、混鐵爐出鐵位等位置，多數(shù)鋼鐵廠通過人工對(duì)此編號(hào)進(jìn)行記錄，以實(shí)現(xiàn)鋼水（或鐵水）轉(zhuǎn)運(yùn)情況的記錄。此類記錄多為紙質(zhì)記錄，未能形成全過程快速記錄，如使用次數(shù)、烘烤時(shí)間、盛裝鋼水（鐵水）重量和時(shí)間、空罐時(shí)間、維修等信息，以及根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行使用效率的衡量。
包號(hào)識(shí)別系統(tǒng)它采用RFID無線射頻技術(shù)，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫從而達(dá)到識(shí)別包號(hào)和數(shù)據(jù)交換的目的。
每個(gè)鐵水包安裝耐高溫電子標(biāo)簽（應(yīng)答器），在鐵水包運(yùn)輸關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)吊包位，折罐位、混鐵爐出鐵位等位置安裝遠(yuǎn)距離RFID讀寫器，電子標(biāo)簽進(jìn)入天線磁場(chǎng)后，若接收到讀寫器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，就能憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，讀寫器讀取信息并解碼后傳送至存儲(chǔ)單元（數(shù)據(jù)庫）用于跟蹤和反饋所測(cè)鐵水信息與相應(yīng)鐵水包正確對(duì)應(yīng)與否。
Ø 廢鋼斗號(hào)識(shí)別系統(tǒng)
其原理和配置與鐵水包包號(hào)識(shí)別相似，實(shí)現(xiàn)廢鋼斗內(nèi)廢鋼分類及總量信息與斗號(hào)匹配，且轉(zhuǎn)爐區(qū)域可通過斗號(hào)獲取斗內(nèi)廢鋼信息。
Ø 行車定位系統(tǒng)
整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、行車定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心等部分組成，系統(tǒng)總體框架如圖3.7所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到的相關(guān)鐵水包和廢鋼斗信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行恼緮?shù)據(jù)服務(wù)器上，另外結(jié)合行車定位系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)確定鐵水包和廢鋼斗當(dāng)前的重量和位置坐標(biāo)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理服務(wù)軟件，將信息展現(xiàn)在電腦客戶端上，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，HMI顯示界面完成行車的位置和信息的查看，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理。
圖3.7 行車定位總體框架圖
3.8 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)一鍵式智能煉鋼，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤計(jì)算，而且要參與控制，確保了槍位、吹氧量包括加料能夠按標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行優(yōu)化操作，使得模型計(jì)算排除了這些因素的擾動(dòng)，控制冶煉過程按照預(yù)設(shè)的冶煉方案進(jìn)行，主要控制功能有以下幾項(xiàng)：
Ø 氧槍自動(dòng)控制：當(dāng)一級(jí)系統(tǒng)操作站畫面氧槍控制方式轉(zhuǎn)為“自動(dòng)模式”，控制模式選擇“二級(jí)模式”，氧槍高度及流量完全由二級(jí)模型接管控制，由二級(jí)系統(tǒng)給定氧槍高度和流量，并把指令發(fā)送給一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)完成自動(dòng)控制。氧槍高度檢測(cè)需要采用絕對(duì)型編碼器，確保檢測(cè)及控制更加準(zhǔn)確。氧氣流量檢測(cè)需要有溫度壓力補(bǔ)償，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，流量調(diào)節(jié)閥控制靈敏、穩(wěn)定完全由二級(jí)模型接管控制。
Ø 加料量控制：當(dāng)一級(jí)系統(tǒng)操作站畫面加料控制方式轉(zhuǎn)為“自動(dòng)模式”，控制模式選擇“二級(jí)模式”，由智能煉鋼系統(tǒng)給定各種輔原料的加料量和加料時(shí)機(jī)，并把指令發(fā)送給一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)完成自動(dòng)控制，要求稱量準(zhǔn)確，靈敏，加料電控系統(tǒng)控制精度高，可靠穩(wěn)定。
為了實(shí)現(xiàn)一鍵式智能煉鋼需要對(duì)PLC編程和一級(jí)操作畫面進(jìn)行修改。在一級(jí)系統(tǒng)操作畫面添加氧槍、加料的“自動(dòng)模式”、“手動(dòng)模式”模式轉(zhuǎn)換按鈕。在一級(jí)系統(tǒng)上增加“一級(jí)模式”和“二級(jí)模式”。
在選擇”自動(dòng)模式”和“二級(jí)模式”時(shí)，即可按二級(jí)給定的氧槍槍位，自動(dòng)跟蹤槍位，按二級(jí)給定氧氣流量自動(dòng)調(diào)節(jié)氧氣流量，按二級(jí)給定輔原料自動(dòng)配料，加料。
在選擇”自動(dòng)模式”和“一級(jí)模式”時(shí)，PLC執(zhí)行一級(jí)界面手動(dòng)輸入的工藝參數(shù)，不會(huì)執(zhí)行二級(jí)下發(fā)的工藝數(shù)據(jù)。
氧槍、加料選擇”手動(dòng)”模式時(shí)，人工手動(dòng)操作畫面按鈕或者操作臺(tái)按鈕執(zhí)行氧槍和加料的控制。
氧槍和加料有單獨(dú)的模式選擇，一個(gè)在執(zhí)行自動(dòng)模式時(shí)，另外一個(gè)可以執(zhí)行手動(dòng)模式。氧槍在自動(dòng)模式的過程中，人工可以手動(dòng)干預(yù)槍位，不會(huì)退出自動(dòng)模式。當(dāng)氧槍和加料在自動(dòng)模式過程中出現(xiàn)異常，可以隨時(shí)切換成手動(dòng)操作，不影響生產(chǎn)過程。
3.9 智能煉鋼系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)
智能煉鋼系統(tǒng)界面如圖3.9-1和3.9-2所示：
系統(tǒng)界面包括：鐵水實(shí)績(jī)、廢鋼實(shí)績(jī)、生產(chǎn)計(jì)劃、靜態(tài)計(jì)算、吹氧冶煉、爐次數(shù)據(jù)、歷史報(bào)表、鋼水成分、工程數(shù)據(jù)界面。
（1）鐵水實(shí)績(jī)界面：包含了出鐵類型、出鐵日期、鐵水重量、鐵水溫度、鐵水成分、操作人員等信息?？筛鶕?jù)日期、鐵包號(hào)、轉(zhuǎn)爐號(hào)進(jìn)行鐵水信息查詢。
圖3.9-1 智能煉鋼系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)一
圖3.9-2 智能煉鋼系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)二
（2）廢鋼實(shí)績(jī)界面：包含了廢鋼斗號(hào)、廢鋼重量、裝料時(shí)間、操作人員信息等?？筛鶕?jù)日期、轉(zhuǎn)爐號(hào)進(jìn)行廢鋼信息查詢。
（3）生產(chǎn)計(jì)劃界面：包含了計(jì)劃號(hào)、爐次號(hào)、目標(biāo)鋼種、目標(biāo)鋼水量、精煉路徑、連鑄機(jī)號(hào)等信息?？筛鶕?jù)精煉路徑、連鑄機(jī)號(hào)、開始時(shí)間等條件進(jìn)行查詢。
（4）靜態(tài)計(jì)算界面：包含了爐次基本信息、鐵水廢鋼信息、鋼種成分、冶煉終點(diǎn)目標(biāo)、輔料計(jì)算結(jié)果、冶煉模式選擇等信息。
（5）吹氧冶煉界面：包含了冶煉信息、預(yù)報(bào)信息、鐵水廢鋼信息、輔料投料信息、聲納曲線、煙氣曲線、氧槍曲線等實(shí)時(shí)信息。
（6）爐次信息界面：包含了歷史冶煉爐次的鐵水廢鋼信息、輔料投料信息、冶煉歷史曲線等?？筛鶕?jù)時(shí)間、爐次號(hào)進(jìn)行歷史爐次信息查詢。
（7）歷史報(bào)表界面：是對(duì)生產(chǎn)過程中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行追蹤，有利于生產(chǎn)工藝分析和物料消耗統(tǒng)計(jì)管理，生成的生產(chǎn)報(bào)表包括序號(hào)、爐次號(hào)、開吹時(shí)間、鋼種、鐵水、廢鋼、加料、吹氧、化驗(yàn)等各種數(shù)據(jù)。
（8）鋼水成分界面：包含了爐次號(hào)、試樣類型、分析成分等信息。
（9）工程數(shù)據(jù)界面：是對(duì)系統(tǒng)中涉及到的工程數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，比如物料管理、鋼種管理、模型參數(shù)等進(jìn)行管理。
基于聲納化渣、火焰分析和煙氣分析的轉(zhuǎn)爐智能煉鋼系統(tǒng)于2022年6月分成功穩(wěn)定投用于5#轉(zhuǎn)爐，各項(xiàng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)如圖4-1所示。目前系統(tǒng)終點(diǎn)碳預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上，終點(diǎn)溫度命中率達(dá)到90%以上，噴濺識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%，智能煉鋼投用三個(gè)月后，相比于人工操作，有效提高了轉(zhuǎn)爐一倒不點(diǎn)吹出鋼比率、提高了終點(diǎn)磷合格率、降低了轉(zhuǎn)爐冶煉噴濺比率，降低了渣料消耗，提高了各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。圖4-2轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制指標(biāo)
圖4-1預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)
圖4-2轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制指標(biāo)
5、結(jié)論
陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司聯(lián)合湖南鐳目科技有限公司，采用最新的計(jì)算模型和過程動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)率先開發(fā)成功了基于聲納化渣、火焰分析、煙氣分析的轉(zhuǎn)爐智能煉鋼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全程無人工干預(yù)的“一鍵式”煉鋼，并且成功穩(wěn)定投用于生產(chǎn)實(shí)踐，應(yīng)用結(jié)果表明：
1.轉(zhuǎn)爐智能化煉鋼系統(tǒng)的有效運(yùn)行基于選擇的相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的性能及參數(shù)的調(diào)試，同時(shí)要結(jié)合各檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的有效分析，從算法和邏輯上滿足轉(zhuǎn)爐冶煉需求。
2.開發(fā)的轉(zhuǎn)爐智能化煉鋼系統(tǒng)，通過多種算法的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉過程中各種狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)(溫度、煙氣濃度、火焰形態(tài)、渣狀態(tài)等)，生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)（包括噴濺、返干、過程碳含量、過程溫度等），實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化槍位和加料控制動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)溫度和成分的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐“一鍵式煉鋼”。
3.智能化煉鋼系統(tǒng)結(jié)合冶煉原料條件建立了多種冶煉模式（龍鋼建立了24種模式），按照鐵水溫度、鐵水成分、廢鋼料型、廢鋼比、造渣制度、爐役期綜合排布建立適用于龍鋼工況的冶煉靜態(tài)模型，在靜態(tài)模式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)選擇模式后，根據(jù)冶煉過程檢測(cè)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整槍位、渣料加入量和加入時(shí)機(jī)，通過動(dòng)態(tài)計(jì)算預(yù)測(cè)過程鋼水溫度和碳含量，達(dá)到全程預(yù)報(bào)和檢測(cè)的目的。
4.在計(jì)算機(jī)煉鋼模式的選擇上，開發(fā)了擇優(yōu)模式、標(biāo)準(zhǔn)模式、自學(xué)習(xí)模式、渣料選擇模式、終點(diǎn)目標(biāo)設(shè)定模式，開發(fā)階段按照由易到難得層級(jí)進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，最終達(dá)到計(jì)算機(jī)煉鋼自學(xué)習(xí)模式，有效提高終點(diǎn)碳、溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，經(jīng)過大量的測(cè)試，龍鋼計(jì)算機(jī)煉鋼終點(diǎn)碳、溫度命中率達(dá)到90%以上，預(yù)噴濺識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到95%，噴濺識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%，有效提高了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)命中率，有利于轉(zhuǎn)爐關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的提升。
5.要實(shí)現(xiàn)智能化煉鋼，提高計(jì)算機(jī)煉鋼預(yù)報(bào)的命中率及準(zhǔn)確性，對(duì)外圍原料的數(shù)據(jù)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，同時(shí)要提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，外圍原料及轉(zhuǎn)爐工況越穩(wěn)定，越有利于智能化煉鋼系統(tǒng)的高效推進(jìn)。
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