自动化炼钢过程控制技术的研究与应用

李 宽

（唐山不锈钢有限责任公司，河北 唐山063000）

在当前计算机技术与炼钢技术深度融合的技术应用背景下，传统的转炉炼钢措施已不能完全适应当前的炼钢行业发展需要，全面提高炼钢的自动化、智能化水平，已经成为炼钢行业的必由之路。通过计算机技术、网络技术、工业互联网技术，可以实现炼钢技术的高精度、自动化、智能化控制的有效性。

1 什么是转炉炼钢自动化控制技术？

为了实现转炉炼钢自动化，自动化控制技术是最关键的部分，可以将自动化控制分为两个层次，控制技术及人工智能控制技术。通过检测和分析，在计算机技术支持下，实现模型的建立和反馈，动态调整转炉内碳含量和钢水温度。通过机器学习等技术，实现人工智能自动控制转炉炼钢过程，进一步降低人力成本，提高炼钢质量，提升生产效率。

2 转炉自动化炼钢技术优势

2.1 炼钢生产效率有效提高

当前节能环保政策的不断深入严格，导致整体炼钢行业都需要不断降低能耗水平，不断优化污染物生成和排放，要求炼钢行业不断采用新的技术。转炉过程应采用转炉自动炼钢技术，为实现节能减排目标，炼钢工序生产效率不断提高，更多的人力物力消耗降低提供可能。

2.2 炼钢的质量不断提升

通过对转炉炼钢技术的动态控制，在有效结合转炉的分析系统和测温系统的基础上，达到有效降低含氧量、有效控制炉内温度的目的。控制炉内含氧量，使得钢水的氧化程度明显降低，整个钢水的纯度也得到了提高，从而更好地保证了整体质量。随着转炉自动炼钢技术在炼钢过程中的应用，获得的钢质量也非常稳定。自动化技术的改进降低了能源消耗和钢铁生产成本。

3 转炉炼钢中的自动化问题

3.1 信号传输系统故障

信号传输系统在转炉炼钢自动化装置当中起到桥梁连接作用，能够将执行程序与信号及时传递给系统控制端，进而顺利完成生产过程。但是，在信号传输系统运行过程中，信号传输数据极易出现误差，导致显示屏幕的数据信息出现错误，此时，执行系统就会接到错误指令，而发出错误运行信号，这样很容易造成计算机智能系统无法正常运转，转炉炼钢流程也会就此中断。

3.2 氧枪问题

氧枪的送氧功能一旦受到影响，就会造成炼钢产品质量与产量下降。在转炉炼钢系统中，控制氧枪升降、位置与速度的自动化系统，其组成结构较为复杂，连接的外围附属设备较多，各个装置之间如果运转不同步，氧枪就会产生故障，而停止工作，甚至无法提枪，使整个炼钢生产过程受到严重影响。

3.3 无法摇炉问题

当转炉炼钢设备通电启动后，转炉无法做出摇炉动作，不但会影响转炉设备的使用寿命，也极易发生钢水溢出等事故，进而埋下重大的安全隐患。通过对无法摇炉问题的分析和判断，产生这种问题的主要原因是由于供电线路不稳定。

3.4 转炉开闸问题

在转炉运转过程中，经常出现跳闸以及开闸等问题，查找问题根源，首先需要考虑变频器故障，转炉设备通常由四台变频器组成，如果在检查中，发现任何一台变频器丧失变频功能，都可能引起跳闸事故。另外操作位置选用不当、紧急停止信号以及主指操作无效也会产生开闸问题，进而给炼钢生产过程带来不利影响。

4 自动化炼钢过程控制技术的具体应用

4.1 信号传输系统的控制

当信号传输系统发生故障后，检修人员应当第一时间检查设备指示灯，检查交换机接口处的弹片是否已经断开，在排除这两方面的故障隐患后，应当检查网络通信线路是否通畅或者存在断开与接触不良的情况。比如在转炉运转过程中，如果信号传输受阻，转炉就会出现摇炉现象。在这种情况之下，检修人员应当检查PLC柜内的网络指示灯是否处于正常工作状态，是否发出了故障警报，如果没有警报反馈，应重新连接通信线路，并做好密封工作。

4.2 氧枪的控制

氧枪故障是转炉炼钢中较为常见的一种故障类型，如果在生产过程中，氧枪无法自动提枪，检修人员应当着重考虑以下两方面问题。其一是转炉应保持正常的合闸与跳闸状态，这样，氧枪才能完成下降环节。这就需要检修人员应当进一步加大现场巡视检查力度，在检查当中，应当保证转炉在处于垂直状态时，需要开启操作终端的紧急停止按钮，这时，氧枪的工作状态抱闸锁死状态，并能够快速恢复到原位。接下来检查仪表控制程序，为了防止水温过高或者过低，给转炉炉体造成不利影响，检修人员应根据标准要求，合理设定冷却水下限参数，当水温处在下限值以下时，自动化系统就会发出警报，氧枪也不会发生紧急上升的情况。当氧枪上升到一定调度时，操作人员应严格遵守操作规程，不得快速迫降，以免给设备的其它系统造成破坏。此外，当出现无法提枪的情况时，检修人员应立即启动停止按钮，并严格控制氧枪的提枪速度，一般为10m/min～40m/min，然后再检查总管与支管压力是否出现最低值，以有效避免氧枪故障的发生。

4.3 转炉摇炉的控制

摇炉故障的产生一般与供电线路有关，因此，检修人员应当首先排查线路故障，并利用固定线路将主控台与摇炉连接在一起，这时，可以借助于PLC的强制运用摇炉性能，使转炉能够正常运转。比如在发生摇炉事件后，极易发生钢水泄漏事故，容易威胁现场工作人员的人身安全，在这种情况之下，检修人员可以利用自动监测技术，追根溯源，查看氧枪位置以及设备内部润滑情况，当确认一切正常后，再对网络通讯情况进行检查。检修人员在实际工作当中，需要严格执行操作流程标准，利用标准中的强制性执行条款，使转炉能够一直保持正常的摇炉状态。

4.4 转炉开闸的控制

当转炉设备出现开闸事故后，检修人员首先应当检查变频器的数量是否满足标准要求，然后查看变频器的操作位置是否正确，如果出现偏差，需要及时予以处理，以防止事态恶化。另外，对于经验丰富的检修人员来说，也可通过观察变频器主指令控制输出值的方式，排除故障隐患，当输出值归为零点后，再行合闸。比如转炉设备由4台变频器组成，如果经常跳闸或者开闸，检修人员确定至少三台变频器处于正常运转状态，才能保证设备正常运转。

5 提升转炉自动化程度的方法

5.1 加强原料的管理

（1）加强废弃物管理。在废弃物管理过程中，必须注意废弃物的成分和冷却效果。在具体操作中，废钢主要来源于转炉二次系统，即炼钢过程与报废系统是相互关联的，因此在报废计划进行系统后，需要制定相应的反馈机制，反馈的内容应包括重量、类型及编号等。

（2）返渣分类管理。为了提高废钢的利用率，在转炉自动化炼钢技术中应通过对废钢的来源进行追溯和分类，通过追溯和分类可以将废渣分为高碱度钢包渣、低碱度钢包渣和转炉渣。在分类的基础上，实现对返渣的分类管理和应用功能。

（3）转炉除渣物料管理。目前，转炉排渣材料主要是冶金石灰和轻烧白云石。如果排渣物料中存在异常成分，需要将相关信息反馈到转炉自动炼钢系统，并对这些信息进行整理和分析。

5.2 数据精准度提升管理

（1）提高计量系统管理水平。炼钢自动化应用过程中，计量系统的准确性关系到自动化应用的实际效果。为了提高测量精度，可以在转炉自动炼钢系统中增加铁水行程测量系统。通过这些系统实现定期校准，可以更好地提高测量系统管理的准确性。

（2）保证铁水配比基本合理。通过确定合理的铁水配比，可以减少端拉炉的数量，保证端渣在合理范围内波动。

（3）减少炉膛内二氧化碳的波动。为提高自动控制效果，必须加强对采气全过程的管理，减少全过程的排烟量。转炉自动炼钢系统应充分优化，进料方式和枪位操作应统一，保证炉腔内实际二氧化碳含量不发生大范围波动。

6 基于大数据智能化自动炼钢技术的发展趋势

6.1 基于大数据智能化炼钢系统模型构建

借助于大数据技术，计算模型基于热力学与动力学理论，热力学模型系统以钢水—炉渣—炉气的生产工艺控制核心为依据，熔渣的性质结合帕纳马连卡A.G.电子共价理论进行记录，根据这一理论，熔渣并不是一套计量化学分子式，而属于一级共价电子与原子构成的整体物相系统，由此构建了热力学模型。与普通转炉自动炼钢控制系统相比较，该热力学模型能够根据化学元素与化合物对外转炉熔池中的各元素量化值进行修正和精准计算，计算时间间隔为10s，根据计算结果，利用大数据技术，对巨量数据进行分析、统计而得到转炉中各元素的变化曲线，系统以这些曲线为切入点，对炼钢过程进行自动控制。

智能炼钢系统的运转由各个软件实现全程控制，该系统主要由一级系统以及二级子系统构成，其中一级系统由转炉——氧枪控制系统以及自动加料系统构成，二级系统由自动炼钢控制系统以二级计算机控制系统构成，这些系统均属于软件技术的综合体。二级系统的工作过程属于采集数据的过程，数据来自于转炉以及天车和化学成分系统，比如铁水与炉前钢样化学成数据，以及铁水及废钢兑入时间及重量等数据。基于大数据的智能钢系统易于控制、结构简单、运行可靠。

6.2 应用效果

（1）良好的脱磷效果。铁水中磷元素含量的正常值是0.130%左右，在应用智能化自动炼钢技术之前，脱磷效果不明显，尤其是一倒脱磷效果，只能达到50%左右。下面以Q345B热卷原料为例，对应用智能化自动炼钢技术后的脱磷效果予以验证。首先选取一个典型浇次的Q345B热卷的10组有效数据作为主要研究对象，应用该智能系统，脱磷率超过70%，究其原因是由于在脱磷的关键期，产生大量的高氧化性泡沫渣，加快了化学反应速度，当冶炼过程即将结束时，再追加800kg左右的返矿，分两个批次进行添加，并且合理控制搅拌强度，使其完全符合脱磷要求，脱磷效果较为显著。

（2）钢铁料消耗量减少。通过相关工艺的优化与管理，将转炉自动化炼钢技术应用在实践中后钢铁料消耗量明显减少。一是，明显提升了转炉终点碳与温度双命中率。该技术在投入前后，结合钢种终点控制标准，转炉终点C_T双命中率已高达89.2%。二是，进一步降低了转炉补吹率。因为自动化炼钢的使用可以提升转炉终点C_T的双命中率，已由以往的25.7%逐渐降到了8.0%。三是，转炉生产效率得到了有效提升，有效缩短了冶炼周期。应用自动化炼钢技术后，由原来的65%转炉一倒出钢率已经逐渐提升到92%，不但缩短了冶炼周期，还降低了转炉补吹频率，使转炉平均冶炼周期也从以往47min缩减到了现在的41min，成本每吨钢降低了4.9元，转炉生产效率提升了8.6%。钢铁料消耗量在使用自动化炼钢技术后，每吨降低了9.3kg，成本每吨减少了26.87元。

7 结论

综上所述，在炼钢过程中，采用转炉自动炼钢控制技术可以有效保证炼钢产品质量，提高生产效率，进一步降低生产成本。各炼钢厂应充分认识到不断创新自身炼钢控制技术的重要性，将转炉自动化炼钢技术应用到具体生产中，以更好地增强公司的核心竞争力。