任根柱 劉志國  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)用實踐，采用計算機(jī)控制底吹參數(shù)及先進(jìn)的控制算法模型，結(jié)合煉鋼過程情況進(jìn)行修正和優(yōu)化。并在實際生產(chǎn)中通過實施鐵水、廢鋼等物料的精細(xì)配料及冶煉過程及終點的動態(tài)調(diào)整，有效降低了生產(chǎn)成本，為實現(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；底吹自動化控制；精細(xì)配料

前言：

進(jìn)入十四五，距離中國制造2025僅有4年時間，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，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)用了大量的計算機(jī)控制設(shè)備及先進(jìn)的控制算法。通過對轉(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，自動化程度極高，為實現(xiàn)全自動煉鋼控制提供了可靠依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)及建模，逐步完善智能煉鋼控制能力，實現(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，通過底吹供氣管、透氣磚向轉(zhuǎn)爐底部供氣，以相應(yīng)的模式對溶池進(jìn)行攪拌，以達(dá)到改善冶金反應(yīng)速度動力學(xué)條件，縮短吹煉時間，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，同時通過降低合金加入量、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)度過高，也會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)計三種底吹供氣自動化控制模式，詳見表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、手動方式、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 個機(jī)架構(gòu)成。底吹及頂吹、氧槍傾動、除塵、氣化冷卻等所有的 L1 級控制系統(tǒng)都通過以太網(wǎng)組織在一個大的網(wǎng)絡(luò)里面，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。L2 級模型數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)，同 L1 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。Gateway 也采用了一套小型 PLC，作為 L2 與 L1 級 PLC 通訊的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)通訊，避免了因網(wǎng)絡(luò)病毒和計算機(jī)通訊延時帶來的數(shù)據(jù)延誤。保證了數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性^[3]。

2.1 自動控制系統(tǒng)優(yōu)化控制實踐

本系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計原則依據(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跟蹤氧量，按照曲線中各切換信號的要求，判斷耗氧量及各種信號是否到達(dá)，控制氮?dú)饣驓鍤馇袛嚅y的開閉，計算各支路的流量設(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際值與設(shè)定值相同為止。

2.2融合轉(zhuǎn)爐動態(tài)模型控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)爐動態(tài)控制模型是整個智能煉鋼系統(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吹煉過程中產(chǎn)生的煙氣成分，并根據(jù)同步檢測的轉(zhuǎn)爐冶煉參數(shù)信息，計算熔池碳含量變化和升溫速度，實時預(yù)報轉(zhuǎn)爐冶煉過程熔池碳含量以及溫度數(shù)值。在動態(tài)模型控制下，融合底吹智能控制系統(tǒng)，更利于冶煉終點碳、溫度的高精準(zhǔn)命中。同時，優(yōu)良的融合數(shù)據(jù)為系統(tǒng)自學(xué)習(xí)功能的實現(xiàn)提供了海量數(shù)據(jù)參考，極大地改善了過程控制的有效性^［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，對扒渣設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)改造，對鐵水自動測溫取樣設(shè)備進(jìn)行設(shè)計，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)，實現(xiàn)鐵水的溫度穩(wěn)定、成分穩(wěn)定、裝入穩(wěn)定，實現(xiàn)廢鋼的精準(zhǔn)計量、精準(zhǔn)配比、精準(zhǔn)分類、無雜無害。安裝天車定位及識別模塊、稱量裝置、無線傳輸設(shè)備，自動采集稱量數(shù)值，利用無線傳輸及工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送。

通過物料平衡和熱平衡，利用物料平衡計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，利用熱平衡計算礦石加入量。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，通過對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控制轉(zhuǎn)爐底部攪拌，并根據(jù)鋼種對成品氮含量 [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，吹煉過程中轉(zhuǎn)爐底吹全程吹氬；

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

（3）[N] ＞ 70ppm 的鋼種，吹煉過程中轉(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)煉鋼不同的時期，供氣的強(qiáng)度、供氣的種類都有不同（見圖1-2），根據(jù)上述曲線控制氮、氬切換的時機(jī)及供氣流量的大小（見圖3-4）。

4結(jié)語

鋼鐵行業(yè)是典型的流程工業(yè)。目前鋼鐵行業(yè)的自動化、信息化發(fā)展已具有良好的基礎(chǔ)，在行業(yè)綠色化轉(zhuǎn)型的過程中躍上智能化臺階，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。本文通過轉(zhuǎn)爐全自動煉鋼控制技術(shù)中轉(zhuǎn)爐底吹控制系統(tǒng)在智能控制方面的應(yīng)用實踐，采用計算機(jī)控制底吹參數(shù)及先進(jìn)的控制算法模型，結(jié)合煉鋼過程情況進(jìn)行修正和優(yōu)化。并在實際生產(chǎn)中通過實施鐵水、廢鋼等物料的精細(xì)配料及冶煉過程及終點的動態(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 . 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.

[2] 高旭 , 于瑞波 , 王懷剛 .120t轉(zhuǎn)爐底吹系統(tǒng)的優(yōu)化 [J]. 山東冶金 ,2019,41(05):76-77

[3] 苗青，李國柱，轉(zhuǎn)爐底吹計算機(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，201920163299.0［P］.2019-10-29.