自动化炼钢技术的应用与研究

2021-01-02蒋星亮

科技创新与应用 2021年31期

蒋星亮，敖翔

（新余钢铁股份有限公司，江西新余338000）

在我国重工业体系中，钢铁行业是重要的构成部分，是有着悠久发展历史的行业。长时间的发展，让钢铁行业积累了比较深厚的资本。当前，信息化技术被应用到了各行各业。在传统钢铁行业发展当中积极引入信息化技术也成为了现阶段发展的重要需求[1]。为了更好地应用自动化炼钢技术，不仅要开展相关的理论指导，而且还要加强实践力度，促进应用范围的不断拓宽。同时，开展自动化炼钢技术的相关研究，还可以在炼钢技术的智能化发展、工程实施流程的进一步规范和质量检测水平的提升等方面起到积极有效的作用。

1 自动化炼钢技术基本内容

1.1 技术要点概述

在钢铁行业发展历程中，最核心的业务便是传统工业冶炼。在自动化技术应用之后，开始出现了一些新的业务，比如电力转动控制系统、炉外精炼技术、预处理自动化技术等，涉及钢铁行业发展的各个不同环节。现阶段，我国钢铁技术的发展是以传统钢铁冶炼技术为基础，并且加强普及信息化技术，还在推广信息化技术应用中，加强了生产过程的控制。

自动化炼钢技术发展的基础是构建数学模型，若构建起的模型科学合理，对于生产效率的提升也会起到明显的推动作用。生产过程的执行系统也是整个自动化炼钢系统的关键构成部分，对于整个流程作用的发挥起到决定性作用[2]。当前，我国的钢铁冶炼过程中对于简单机械的依赖程度仍然比较高，需要强化基础和加大生产自动化建设力度。这样才可以尽早实现钢铁企业信息化管理的目标。

1.2 自动化炼钢技术控制要点

新时期钢铁行业在发展当中更加强调将传统冶炼技术和信息技术融合发展，通过引入更加先进的技术装备、理念，优化和改进冶炼行业的自动化条件。自动化技术可以在冶炼工厂的整体工艺提升和变量控制方面进行应用。比如在转炉炼钢过程当中采用自动化炼钢技术，就可以对出钢的温度有更加准确地掌握[3]，而且炼钢时还能实时监测冶炼当中的各项数据，或者是采用电子信息系统记录冶炼中的数据。由此也能看出，信息化技术在钢铁冶炼行业中的应用，可以促进检测效率的提升，让生产者及时得到反馈信息，尽早采取应对和防范措施，最大限度降低损失。在整体处理工艺方面，自动化技术的应用还能对产品质量的提升起到促进作用，实现产业结构的完善与优化，也能让生产模式、产业链等得到完善。

1.3 自动化炼钢技术主要工艺流程

自动化炼钢本质上是需要通过转炉方式炼钢。用这一方式炼钢时，基本原料为铁水，由炼铁厂供应。炼钢当中使用到的铁水对于化学成分、温度等都有着比较高的要求[4]。以鞍钢为例，所使用的铁矿石当中含有的硫成分比较高，需要先采取脱硫扒渣的预处理，在经过处理之后，对吹炼过程中喷溅情况减少，加快化渣有显著的作用。

转炉冶炼过程的功能就是需要将原材料的铁水，在加工之后让其成为钢。基本工艺流程包含几个方面，分别是：

（1）原料。包括铁水、铁合金、造渣材料、废钢等。其中铁水是基本原料，化学成分、温度都要求很高；造渣材料主要有白云石、萤石和石灰、铁皮、铁矿石等。

（2）装入制度。一般考虑的因素有三点，分别是：炉容比要确保合适，一般值会介于0.8到1.0之间；熔池深度也要合适，要比氧流穿透深度更大；铁水比例，通常会在70%到90%之间。

（3）供氧压力。首先，需要确保氧流速度在出喷孔时属于超音速，吹炼时的工作压力设定值一般在0.2MPa到1.2MPa之间。其次，注意供氧强度。供氧强度指的是在单位时间内，每一吨金属所需要的供氧量。再次，枪位。针对冲击速度不同的情况，需要设置冲击面积最大情况下的最佳枪位。我国绝大多数情况下选择的枪位属于恒压变枪位。最后，氧枪喷头。多孔型是选择率比较高的一种，让其和熔池之间的接触面积变得更大，也让整个吹炼过程变得更加平稳，成渣速度也更快。

（4）造渣情况。首先，从原则层面上看，钢对于炉渣的要求需要有合适的碱度和氧化性、流动性。然后，进行造渣。加入石灰造渣是常见方式，至于需要加多少的石灰，这需要按照碱化程度来确定。这同时也意味着石灰加入量与铁水的含磷量、含硅量等关系密切。石灰加入情况还可以按照造渣方式的区别进行划分，在实际加入石灰时，大多会采用分批加入模式。因此，最好能够借助计算机技术，实现自动加料的目的[5]。

（5）温度控制。首先，出钢温度。这一温度结果的计算比较复杂，需要考虑到出钢温度、从出钢时到浇筑当中钢水的降温。其次，冷却剂情况。冷却剂种类多，但十分重要的一种是废钢。因此一般在开吹之前，需要将冷却器和铁水都加入到炉子当中。在到终点前，可以选择氧化铁皮、矿石等当作冷却剂。

（6）控制重点及出钢的合金化流程。首先，在碳温双命中率中，引入计算机终点控制技术，能够得到更加理想的效果，双命中率也极高。其次，关注脱氧与合金化流程。让钢在冶炼当中脱氧脱到某种程度，以确保浇筑过程能够更顺利进行，为质量提升提供保障。真空与沉淀脱氧都是很常见的脱氧方式。合金化则是为了让钢水成本的相关需求得到满足，向其中添加合金的系列操作。实际上合金化和脱氧这两个环节并不是先后进行，而是同时开展。所以在选择加入合金时，需要结合合金的熔点、亲和力等，选择更加合适的冶炼方法。

2 自动化炼钢过程主要自动控制技术分析

2.1 检测技术分析

近些年来，人们对于钢产品的质量和种类要求变得越来越高。而转炉炼钢方式又是很复杂的环节，若只凭借着人工操作和积累的冶炼经验，很难达到更高标准的控制精度。随着计算机技术、自动化技术以及检测技术的不断发展，转炉炼钢自动化控制技术水平也得到了显著提升。

自动化炼钢检测技术应用的前提是选择合适的检测仪表。所选择的仪表必须能够及时全面测量，这样才能为后期实施各种控制方法和技术奠定基础。转炉炼钢技术实施当中涉及到的参数包含液面高度、溶钢成分和温度等。检测技术方法可以分为以下三种类型。

（1）副枪检测。现在我国的首钢、鞍钢和宝钢等都采用了副枪技术，也得到了很显著的成效。

（2）废气检测和分析技术。在自动化炼钢技术应用期间，需要考虑得比较全面，即转炉冶炼过程中从炉口排出的不同废气成分的含量，特别是通过使用流量分析法，对炉内瞬间钢液残碳的含量进行相应测算，并兼顾装料的成分、废气成分等，该方法属于相对核算法。通过流量测量法，最大程度上控制误差情况的发生，并加入副枪技术与炉气定碳技术，实施当前最新的检测技术，通过炉气定碳提供信息，以副枪测定为根本，结合废气研究连续计算脱碳速度，然后明确熔池中的含碳量，促进测量精确度的提升。炉气定碳法的本质是在转炉冶炼当中，将废气成分与流量等从炉口排除，对炉内瞬时钢液残碳含量进行计算。此种检测方式是在上世纪60年代出现的，但是在实际应用时会受到废气成分、装料的成分和称量、数学模型和流量测量误差等影响，研究得出的结果精确度比较低。

（3）特殊检测方法。实时检测技术包含双色高温计、光谱仪和光纤、计算机在内的方法，这些技术结合并融入了一些新技术，让检测转录炉渣信息方法变得更多样化，如氧枪振动法、吹炼噪声法以及直接观察放大等[6]。

（4）整体技术分析。基于自动化炼钢技术分析，多数是从不同方面入手，其中转炉自动化技术的控制方法，主要为静动态控制等。在构建控制模型的同时，将动态控制作为重中之重，同时融入动态控制、反馈计算机模型的控制技术，融入人工智能技术。不仅如此，还需要将一体化的转炉自动化技术用于两级控制，即直接控制级和监控级，通过计算机动态控制系统，达到对数据整体交换及具体操作的目标，进而促进整体技术的有效提高。

2.2 自动化技术分析

（1）与模型相关的研究。不管是动态还是静态控制，都是基于控制模型开展。动态控制方法的使用范围更广泛，实际上是以化学平衡与热平衡为基础实现的静态模型，对初始的氧枪高度、装料量和氧流量等进行计算。在后期的吹炼过程中，结合副枪检测方法所得到的结果，对控制策略信息进行修改，实现控制转炉炼钢环节的目标。

（2）控制技术研究。吹炼终点的含碳量和熔钢温度都可以通过控制系统开展准确且详细的估计和计算，包含了反馈计算与动态控制模型。其中前者是对后者模型估计中得出的误差进行调整；后者是对副枪检测方法所得到的吹炼终点所需的冷却剂数量和氧气需求量进行计算，还可以得到含碳量和钢水温度的实时数据。反馈模型在对误差调整时，可以引入专家系统，完成静态补偿。或者是在修正计算当中引入自学习模型，从而实现动态控制转炉炼钢整个过程的目标。

（3）人工智能技术。由于转炉炼钢的过程涉及的物理和化学过程比较复杂，最终的命中率提升也会受到比较大的限制。随着人工智能技术的快速发展，转炉炼钢技术也开始逐渐适应新技术，成为了主要产钢国家和地区的关注重点。

2.3 控制系统技术分析

美国的钢铁公司设计了两级控制系统，第一级为直接控制级，是以PC/AT为基础的彩色图像实现的。主要用于对吹入气体顺序、水冷却和净化废气、加入助溶剂等过程进行转化。采用PID闭环控制，对水流量、气体流量以及其他位置变动的需求进行调节。第二级则属于监控级，利用计算机系统和HP2UX操作系统，让监控系统中的过程模型发挥作用，接收计算机其他系统中传递的一些信息和计划。在不同数据传输器的相互作用下实现信息传递。

3 自动化炼钢技术系统的设计和应用流程

3.1 确定设计目标

为了让自动化炼钢系统的运行更优，在设计系统时所设定的目标：第一，成分、金属收得率以及重点温度都要达到工艺标准值；第二，在上述指标满足的情况下，最大限度降低副原料的消耗，减少冶炼时间，以此来提升冶炼的产量、质量，促进生产成本的降低，做好资源的回收以及环保工作的开展。

3.2 确定整体设计方案

按照炼钢过程控制目标及自身的复杂性特点，设计的计算机控制方案为二级，即包含基础自动化和过程自动化。需要进一步明确自动化炼钢系统的硬件包含的内容：监控站计算机、UPS电源、可编程控制器以及网络。

系统软件包含：第一，PLC软件系统。开发的是STEP7组态软件包，结合软件功能的具体特点，采用的编程语言为LAD，还有流程图和语句表。系统当中CPU所执行的是扫描用户程序。用户和系统之间使用到的程序接口属于OB块。第二，组态画面。使用的开发软件为WINCC。所得到的监控画面，能够对生产工艺流程进行准确、丰富和形象的反映。选择的工艺参数、设备状态变量检测指标等较为适度，与实际生产需求符合，也能让生产要求得到更好满足。

3.3 控制流程分析

首先，要结合生产计划制定好的目标，确定目标钢水的量、成分、出钢温度以及传来的数据铁水成分和铁水的温度等。在选择第一次预计算模型时，需要结合钢种。第二次预计算模型的选择则需要考虑到目标钢种、实际废钢的重量、种类以及钢包的状态和溶剂等。

其次，在装入主原料过程中，需要按照具体加入的废钢类型和重量、铁水的重量以及目标钢种来对喷吹计算模型完成启动。结合模型来对本次冶炼当中所需要的副原料重量、氧气流量以及吹炼当中的腹腔测温时间、底吹方案和吹氧方案等进行选择。按照最后测量计算出的液面高度完成后续计算。

然后，若实际吹氧量超过了总吹氧量的90%，需要先将炉气连续分析动态模型启动，对钢水的碳含量开展连续检测，另外要采用副枪测量钢水温度。以测量结果为标准，作出最终的结果调整。若准备出钢过程当中，钢水的碳含量以及温度都达到了标准，那么就可以立刻出钢，若未达到标准就需要将补吹模型启动。

最后，在结束出钢流程后，结合吹炼终点钢水的温度和成分实际得到的结果与理论值之间的差异，重新开始计算。所得到的差值还可以为下一步的冶炼参数设置提供相应的指导。

3.4 监测环节分析

监测环节的设置是为了对自动化炼钢过程开展全面有效的实时监测。监测系统主界面上设置了供氧设备、氧枪、供水和供氮设备的相关命令按钮。设置氧枪可以对转炉、供氧供氮设备仿真显示，而且不同部分之间设置的颜色不同，便于区分。还能对锅炉水、氧气相关的压力流量温度值进行实时显示；设置锅炉、煤气回收画面，能够对除尘管道、风机和阀门等设备进行仿真显示，还可以对风机、净环、废气等过程值显示，有报警提示功能。

3.5 具体应用分析

为了验证设计的自动化炼钢系统应用效果，需要开展仿真测试。结合现场采集到并且已经经过处理的鞍钢炼钢厂的转炉炼钢生产数据，选择的仿真软件为MATLAB，另外也选择了专门的数据，分别用于网络训练和网络测试。

第一，选择极差标准化方法对生产数据归一化进行处理。让其分布在（-1，1）范围当中，让网络训练需求能够得到有效满足。第二，结合设计得到的网络模型，选择12列64行的矩阵，确定造渣材料以及吹氧量的隐含层节点数量都为64。研究当中选择应用递推最小二乘方法完成网络权值的优化。第三，研究结果显示：采用RBF神经网络所设计的自动化炼钢系统，有很快的学习速度，而且得到的网络误差很小。经过了50次训练，需求得到满足，由此印证了RBF神经网络的优势。

4 自动化炼钢技术的应用价值

4.1 自动化与计算机技术的结合

数学模型建设、人工智能及控制计算机技术的应用，为当前炼钢技术带来了巨大的便利。对于新兴计算机技术来讲，数据管理涉及范围比较广，如钢铁行业等，能够增加数据库资料及应用使用面积，使得钢铁行业数据使用非常方便；对于炼钢行业来讲，在系统工艺控制、精准数据处理等方面效率尤其高，形成管理和控制一体化的炼钢流程，使得炼钢速度、质量可以得到充分保证，也可以最大程度上降低误差发生的可能性，成为比较完善、切实可行的自动化炼钢产业链。

4.2 提升环保效果

既往炼钢技术原料价格昂贵，而且在炼制期间极易出现材料资源毫无节制使用的情况，易忽略低耗环保的重要性。而现如今计算机自动化精准控制，能够充分使用现有的资源，从人工选材、计算机资源利用、冶炼时对温度、占比数据的掌握，均充分地展现了自动化技术在节能方面所发挥的重要性，对资源循环利用有着积极的促进作用。不但如此，相较于以往废气、排水等也明显下降，可以及时获取并检测污染数据，与现如今我国生态文明建设发展的理念相符合，能够提升环保的效果。