对炼铁、炼钢电气自动化技术的研究与创新

任秦川 赵鹏

摘要：炼铁和炼钢工艺中达到成本效益最大化和最优控制的关键因素是技术专业知识在以往的解决方案获得了验证，确保为小规模的更新改造以及整套新建生产设备提供最优化解决方案，由此炼钢、炼铁电气自动化技术具有较高的成本效益。

关键词：过程优化;过程控制;专家系统;能源管理;制造执行系统

概述

可靠的供电和传动方案、创新性工艺包以及工艺控制和工艺优化系统保证了稳定的生产及能源和原料的合理使用。炼钢优化方案包能够优化废钢和合金原料的加入成本，显著缩短投资回报期。在连铸生产中，各种成熟的创新工艺包以及工艺模型立刻能产生改善质量和增加产能的收益。

1 炼焦

炼焦工艺和自动化方面的丰富经验和诀窍涵盖了整个炼焦技术领域，从煤炭运输和炼焦炉组直到熄焦和炼焦副产品处理。在炼焦厂的控制方面，SIMETALCISCoke产品能够保证炼焦工艺的稳定性，并且生产出满足高炉生产需要的优质焦炭。

ISDEMIR原有的副产品处理厂分成2条单独的生产线，每条线都包括一整套气体处理设备。处理厂的设计能力满足2套各包括69台炼焦炉的炉组产生的煤气处理要求，即5.6萬m3/h左右（工厂共有4个炉组）。在改造完成之后，副产品处理厂的能力增大到14万m3/h，满足新增炉组的要求。改造为工厂带来了以下变化：工厂运行变得非

常容易，所有工艺信息都可在中央控制室获得;现在，维护人员能够更迅速地检测和排除现场装置产生的问题;处理能力从5.6万m3/h增大到14万m3/h;能够在多方面承诺质量保证，包括焦炉煤气（出口温度和流量）、焦油析出（在沉淀器中）、硫酸氨盐质量、最终冷却效率、氨萃取效率、轻油产品等。

2 烧结

SIMETALCISSinter VAiron烧结厂改造自动化方案保证了从原材料处理到烧结和定量给料的可靠工艺控制和优化。材料成分模型、点火控制、烧透点预报、选择性废气循环等模块保证了在降低焦比的同时提高产能。

为达到降低焦比和提高产能的目标，有多项工艺模块可以采用，比如原料成分模型、点火控制、烧透点预测和选择性废气循环等。为了进一步改善烧结矿质量，烧结配料二级专家系统将是最合适的工具，能够保证针对设备的具体情况进行精调。在南京钢铁公司，360m2的第二烧结厂将应用SIMETALCISSinter VAiron烧结优化系统。所有重要的控制包和模型都包括在内。尤其是功能强大的混料和烧结计算模型，将保证最佳的原料条件。VAiron模型的应用，比如透气性计算、含水量计算、烧透点计算和烧结工艺模型本身，实现了焦炭的优化使用和工艺的稳定。VAiron Sinter专家系统将在更高层级上执行整个烧结工艺的离线乃至在线优化，包括工艺诊断、碱度模型、质量控制模型、返回粉料加入控制模型等，计算出需采取的修正措施。

3 高炉

成熟的高炉技术方案包括：顺序控制和闭环控制，粉料的无料钟炉顶控制装料技术，热风炉控制和优化，质量平衡和热平衡模型，炉料控制和布料模型，炉膛损耗计算，闭环专家系统。灵活的Gimbal Top（或现有的无料钟炉顶装料系统，加上准确的螺线形装料和优化的布料精调，确保了粉料的准确分布。

3.1 粉料装炉

粉料由于粒度小而可能会对气体分布、压力损失和高炉总体性能造成严重影响。过去的做法都是将采购的粉料送到烧结厂作为烧结原料，以生产出成块的高炉炉料。因此，在高炉中直接使用粉料，相当于增加了烧结厂的有效产能。改变操作理念，可以实现在高炉内使用粉料而不产生不利影响。SIMETALCISBF VAiron在线布料模型，加上基于实际炉料下降行为以控制料层透气性的专家系统，能够实现准确的布料控制。为了在高炉内充分使用粉料，必须在传送带上和炉内都保证将粉料与块料有效分开。为了在炉内准确加入炉料，工艺控制系统将确定正确的装料计划。为了达到高粉料率，炉料应当采用“螺线形方式”加入。通过采用定制型自动化方案包和模型，燃料消耗可以大幅降低，同时可以使用质量低、波动大的原料。

4 炼钢

4.1 SIMETALCISDynacon

Dynacon是基于废气测量的转炉动态工艺优化系统，主要特点是：包括加料计算在内的工艺优化系统，吹炼过程的在线监控，基于废气分析的动态吹炼终点确定，自动停吹以避免过吹。Steel Expert工艺模型组优化了不同的炼钢设备。模型以准确描述了复杂的冶金热力学反应的计算公式为基础。Steel Expert预测模型在开始冶炼前模拟生产设备的完整工艺，确定最佳的操作制度（如吹氧、底吹、加料）。

Dynacon与转炉废气测量（如LOMAS（）相结合，充分考虑废气的成分（CO、CO2、O2以及有时N2、H2、Ar）和流量。Steel Expert监控模型循环计算钢水和渣的实际成分和温度。在吹炼过程中，模型自动确定钢水中的实际碳含量和脱碳率。在精炼期接近结束时，废气成分会出现急剧变化，可以据此准确预测吹炼终点，从而自动停止吹氧操作。采用该系统可以显著减少耗时且高成本的取样操作。

4.2 SIMETALCISLF优化系统

为了在处理过程中控制钢水的冶金和热力学行为，并且优化转炉或电弧炉与连铸机之间的匹配，应当采用钢包炉Steel Expert系统。

在每次加料前，相应的工艺模型开始计算需要加入的材料种类和数量。这些模型的功能可以统称为“设定点计算”，分别针对如下处理环节之一：合金化、脱氧、脱硫、夹杂物形状控制、温度修正。设定点模型根据处理工艺而自动启动，或者在操作人员认为需要时人工启动。如果有不同的材料（如合金）可以选择，将计算确定成本最优化的加料配比。另外，Steel Expert预测模型提前对炉次进行全面的预计算，即计算出处理后将达到的钢水和渣的温度、质量和成分。在钢包炉的整个处理期间，在线模型连续确定炉次的当前状态。热模型和冶金模型对能量需求进行平衡，并且计算氧化物在渣中的还原、钢水的氧化以及其他影响因素造成的渣和钢水成分的变化，从而在整个处理期间掌握钢水的实际温度和成分。

5 结语

在此基础上开发了一整套先进而成熟的模型和工艺包，以实现炼铁和炼钢工艺的高效优化控制。无论对于小规模改造，还是对于全新生产设备，这些工艺包都能有效发挥作用。它们的优势已经在世界各地特别是中国的众多样板厂得到了充分展示。

参考文献：

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