智慧炼钢核心“一键炼钢”技术应用优势研究

万延林，林志旺，闫超港，胡彦祥

目前，我国钢产量的90%以上都采用转炉炼钢生产工艺，加强转炉智能炼钢技术的研究，对推进我国钢铁行业的科技进步有着重要意义。在钢铁企业大力推进智慧制造的进程中，智能制造正在成为推进钢铁企业质量、效益升级的强大动力。智能炼钢新技术不断推陈出新，解决了炼钢企业众多难点、痛点问题，诸如“一键炼钢”“全自动出钢”“无人取样”等技术的应用，在炼钢作业生产线现场，基本实现无人化炼钢作业。当前，无人化、智能化成为促进钢铁行业转型升级的新生力量，使一些炼钢企业的产业结构发生了根本性地转变，既减轻了环境和经营成本负担，同时从生产低端建材产品逐步向生产高端产品跨越。钢铁企业有针对地对一键炼钢技术进行深入研究和实际应用，能够为炼钢连铸智慧制造的探索和实践作出极为重要的贡献。

1 一键炼钢简介

一键炼钢是一键式自动化炼钢技术的简称，该项技术的发展和进步是信息技术飞速发展的必然结果。一键炼钢技术经过多年的积极探索与现场实践，已经日趋成熟，进一步促进炼钢技术在转炉自动化炼钢领域实现重要突破。当前，在炼钢企业的各个生产和管理环节，基本上已做到全面普及自动化控制技术,真正实现了炼钢的自动化以及智能化目标，转炉自动化炼钢主要是将全部的炼钢冶炼动作指令进行编程后输入电脑，全部流程都通过计算机终端自动进行控制。在现代化的钢铁厂里，依靠智能化操作，在高炉前已经看不到工作的炼钢工人，炼钢操作工人仅需要在主控室操作台按照生产实际情况和要求，按下控制按钮开启进料模式后，系统就能完成整个炼钢工艺流程的监控、操作，实现计算机全程控制。从高炉、炼钢车间、热轧车间到成品出库，无人化、智能化成为当前炼钢企业的突出特征。

2 一键炼钢技术应用价值分析

“一键式”自动化炼钢技术的开发与推广实践，打破传统生产工艺的局限性，彻底改变了以往生产工艺安全系数低、环境污染大、效率低下等不利于生产的局面，一键式自动化炼钢技术好处多多，实际应用优势明显，产钢量得到显著提升。“一键炼钢”自动化系统具有较多明显的优势：①无需倒炉、可实现快速出钢，减少冶炼周期；②更好地调整了铁水、废钢比和氧气耗量；③降低了熔剂、脱氧剂，以及合金的消耗；④提高终点命中率,转炉出钢碳和温度双命中率均取得很好效果；由于系统可监测到熔池液位、防止钢水过氧化，很大程度减少了耐材的损耗，降低了钢铁生产过程中原材料的损耗；⑤二次补吹率得到一定程度的减少,平均冶炼周期缩短,钢水质量较高；⑥减少了炼钢工人的配比，极大地降低工人劳动强度和高温环境下安全事故发生概率，使成本降幅明显，同时也提高了工作效率。

一键炼钢自动化工艺流程从技术措施、生产组织、现场操作等方面，所采取的各项技术措施都更加具有针对性，从多角度、全方位创新了炼钢新举措。技术应用既能实现安全稳定生产，又能达到优质高产的目标要求，更能发挥出大型钢企的大规模生产优势，由此可见，一键炼钢自动控制技术在炼钢生产中的重要性，及其应用的必要性是不言而喻的。

3 一键炼钢自动化工艺流程

炼钢工艺的整个流程由三部分组成：①加料：加废钢、兑铁水；②吹炼过程：吹炼、倒炉测温、点吹；③出钢及溅渣：出钢、成分调整、溅渣护炉、倒渣。

在实际操作过程中，应采取优化生产组织、提升工艺操作、调整铁料结构等措施。首先，加料系统的自动化改进，保证了下料的质量和重量的准确度，选择优质重废入炉，合理控制散料加入，严格执行精准的废钢装入制度的前提下，优化入炉废钢配比。其次，精炼炉在保证钢水质量的前提下，最大限度地加入尺寸小且质量好的废钢，强化过程控制，通过系统控制氧枪吹炼枪位，对加料标准进行优化，采取少渣炼钢，减少热损失，保出钢温度，实现精细化的转炉操作，促进炼钢产量实现最大化。

作为转炉全流程智能化炼钢的核心技术，新一代转炉“一键炼钢”技术以智能控制模型为核心，通过控制系统把各个炼钢工艺环节进行完美衔接，使整个流程更加安全流畅，实现智能化控制。一键式操作功能把以往的冶炼环节扩展到出钢环节，凭借着先进的副枪、红外测量、声呐信号、机器视觉等新型监测系统，采集相应数据，利用生产大数据以及人工智能算法技术应用的助推，实现模型的自主学习和自动优化。系统处于完全自主动态下，可通过指令完成顶吹、底吹、造渣、终点预判和出钢合金化等一系列过程，从冶炼到出钢完全处于自主感知、自主决策和自主执行的全闭环智能化控制，并且可进一步实现转炉冶炼的无人操作、稳定、高效、高质量、低成本的动态有序生产。

图1 一键炼钢工艺流程简图

4 一键炼钢炼钢技术要点

4.1 一键炼钢自动控制

一键炼钢技术的实现，首先通过分解炼钢过程的每一步了解炼钢全过程各道工序，再确定哪些工序可以完成智能控制。一键炼钢就是对炼钢全过程各道工序综合设计，使其实现自动化控制的过程，需要提前采取详尽数据采集，据此建立模型，实现设备升级，达到整个炼钢过程的智能化。“一键式”自动炼钢控制系统，主要是以冶金工艺为基础，经自主开发冶炼工艺模型，构成模具、数字化冶炼工艺操作流程，与目前先进的自动化和信息化技术结合，构建自动控制系统。“一键式”自动化炼钢，在计算机方式下，把所有的炼钢冶炼动作编成程序输入电脑，PLC接收计算机模型对全部流程进行实时控制，炼钢工只要点击一下鼠标，就可实现从降氧枪、降罩、加料、氧枪枪位过程控制、副枪测量、自动提枪拉碳的计算机全程控制。具体来说，包括氧枪自动控制、开氧自动控制、下料自动控制、副枪自动控制及汽包液位自动控制。

（1）氧枪自动控制：在炼钢生产中，为保证炉膛内环境稳定，转炉氧枪起到非常关键的作用，氧枪系统主要控制着氧枪运行速度、控制枪位、氧枪动作连锁。氧枪在冶炼过程中的控制速度，是氧枪定位精度和氧枪安全运行的直接影响因素，针对冶炼不同钢种及冶炼周期钢水质量，氧枪的定位精度对此产生重要影响。

（2）开氧自动控制：在炼钢过程中，吹入氧气量是否合适极为重要。若氧量不足，化学反应不够充分，难以保证钢水质量；氧量过大，将造成钢水产生气泡，钢的品质受到影响。因此，必须准确控制吹氧量，而一键炼钢开氧自动控制计量精准，自动调节，自动关闭，具有非常明显的优势。

（3）下料自动控制：在吹炼过程中转炉自动加料，主要是通过辅原料控制系统进行辅原料加料，由系统合理控制辅原料加料过程中原料加入的种类、原料加入量和加入时间等，提高一次冶炼命中率，确保整个冶炼过程中钢种成分、温度、渣的成份处于目标控制范围。

（4）副枪自动控制：副枪设备在转炉一键炼钢技术中肩负着极为有效的测量任务，可在不间断吹炼情况下，实现熔池温度、结晶温度及氧活度的测量及钢水取样。一键炼钢过程中依靠副枪测量来调整吹氧量和辅原料的添加量。动态控制模型和精确的副枪数据确保冶炼实现高的终点温度、含碳量命中率。

（5）汽包液位自动控制：在汽化冷却系统中，汽包液位是系统正常运行的重要指标之一。液位过高影响汽水分离，出现蒸汽带液现象，降低汽化冷却效果；液位过低会影响到汽水的自然循环，如果不及时调节，当含水汽包内的水全部汽化殆尽时，会烧坏汽包，甚至发生爆炸事故。为此应始终让汽包液位维持在一定范围内，这是非常重要的。由于蒸汽压力的变化、给水流量的变化，对汽包水位都有影响，汽包液位的维持，要保证给水量与汽化蒸发量的平衡。汽包液位自动控制在一键炼钢系统中采用的是PID控制。

一键炼钢技术的应用，是提高炼钢控制水平的一项重要措施，有效提高炼钢成功率、缩短冶炼周期、提高钢水质量和终点命中率、降低原材料消耗和成本、减轻职工劳动强度，该项技术的应用和进步更加凸显出一个企业的综合技术管理水平。

4.2 优良的氧枪系统和副枪系统

转炉氧枪自动控制系统功能，可提升转炉吹炼和干法除尘的效果。在调试和探索过程中，实现PLC流量控制与模型氧枪控制始终处于最佳关键切换点。吹炼开始阶段，PLC可直接控制氧枪动作，初期主要为满足干法除尘要求，采取小流量的吹氧，再根据实际需要，保证转炉氧枪安全控制的前提下，顺利完成转炉氧气全自动、半自动或者手动之间的转换，当转炉冶炼达到终点温度和成分双命中时，准确处理转炉运行时，氧枪接收到自动提枪信号做出自动提枪动作，并且不会发生氧枪坠枪的情况，主要是在提升、下降、停止等各种不同情况下，提升了氧枪自动提枪的准确性。氧枪系统的自动良好运行，氧枪的精准定位，有效提升了产品质量。

副枪自动炼钢技术是融合了理论计算、先进经验和检测手段，应用了计算机和PLC控制技术，是当前最先进科学的炼钢方式。副枪系统架构合理，操作便利，实用性强，通过二级计算机模型自动控制整个炼钢过程。该技术主要应用静态、动态数学模型的二级计算机控制系统及副枪数据处理系统，转炉炼钢副枪系统可实现在不中断吹炼或不倒炉的情况下从转炉中获取钢液成份、温度、氧含量等所需信息，既能降低操作者的工作强度，也能减少转炉每炉次的吹炼时间。由技术人员对转炉模型二级系统后台程序进行优化调试，实现转炉模型二级静态模型、动态模型、吹炼跟踪、熔剂计算、氧量计算等关键算法的准确运用，符合各种不同钢种、重量、成分、炉况、铁水温度、废钢情况、熔剂情况、生产节奏等，再进行工艺参数调试，由模型准确计算副枪测量信号时间、副枪下枪反应时间，配合转炉冶炼工艺要求，优化副枪自动下枪参数，调整吹炼结束信号传输时机，追踪优化转炉冶炼过程，通过调试使参数最优，对副枪自动进行优化，实现转炉副枪最佳运行状态，最终实现转炉控制系统的稳定运行，满足自动炼钢需求，既节约了能源与物料的消耗，又提高了管理水平，达到增产增效的目的。

4.3 安全控制系统

安全是企业稳定生产的基本保障，一键炼钢技术在安全控制系统的设计和开发方面下了最大的工夫，充分考虑到转炉自动出钢作业存在的潜在安全风险，系统具有独立的专家数据库安全模块，系统设置10余项自动作业前置保障条件，在关键控制点设置完备的自动故障报警，时刻守护着出钢安全。与此同时，还匹配最高级别的人工干预控制权限。“一键炼钢”安全控制系统的应用，极大地提高了转炉生产的安全性能，保证出钢系统始终保持在安全、稳定、高效的运行状态，促进整个生产线实现实时安全稳定运行。而且安全控制模块投资强度低，安全系数高，在保证安全生产的同时，切实地提升了炼钢生产工作效率，具备较高的推广价值。

5 一键炼钢技术应用成果分析

一键炼钢技术应用使企业彻底实现转炉自动出钢的理想生产模式，实现了真正意义上的“一键炼钢+全自动出钢”工艺贯通，突破了大型转炉“智慧炼钢”的关键瓶颈。实现智能化控制代替人工的过程，改变了吹炼自动控制系统对于人为操作的依赖性，避免了人为操作体能限制和判断失误产生的生产设备事故。转炉一键式自动化炼钢技术的成功投用，一方面，能进一步提高钢铁企业转炉冶炼质量和效率，缩短冶炼周期，降低工序成本，大幅度缩减生产成本及能源消耗，促进工艺控制能力和技术水平的快速提高；另一方面，随着入炉铁水温度的升高，由于出钢温度低造成的断浇事故大幅度减少，粘枪现象明显减少，生产组织更加顺利，吹炼过程更加平稳，设备运行平稳可靠，经济效益和环保效益显著，将会对钢铁企业的产品工艺技术进步和品种结构优化起到积极的促进作用。

以某钢铁集团连铸无人化浇钢项目为例，工程通过搭建炼钢厂某连铸机1：1的“一键式”自动化浇钢模型，开展自动化浇钢全流程调试，所有技术更加成熟，完全具备设备成套、工程设计、工程总承包等自动化浇钢业务的能力。由机器人代替人工完成一系列的安装拆卸、清洗、烧氧及中间罐测温取样等功能操作，实现远程操作和自动测温取样，大大减轻操作人员的劳动强度和提高安全系数，符合绿色循环经济的可持续发展要求，通过对炼钢产生的余热、余压、余气、废水、固体废弃物循环利用方面的改进，不断创新生产流程，实现了废弃物的节能减排，部分工艺甚至达到“零排放”的要求。“一键炼钢”技术的应用，完全符合节能环保、降本增效的发展规律，为企业经济效益带来新的增长点，同时也充分展现了智慧工厂的理念。

6 总结

一键式自动化炼钢技术应用取得的成功，助力钢铁企业提高生产效率、提升产品质量、缩短产品研制周期、降低运营成本、增强余热利用，降低资源与能源消耗，对于推进自动化及智能制造大有裨益。我国炼钢企业正在加大力度推进智慧制造的进程，促进企业构建一条产、学、研、用健康生态链，实现钢企智慧钢铁建设，合力为我国钢铁领域融合创新奠定基础，为炼钢连铸智慧制造的探索和实践作出重要贡献。一键炼钢技术正在以日新月异的速度不断完善和进步，今后必将创造更多新的佳绩，刷新着更多各项新的纪录。