90 t电弧炉炼钢流程一键合金加料优化系统分析

芦 莎，朱和平，王 巍，戴伶俐，周海燕

(江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏 江阴 214429)

0 引 言

电弧炉炼钢是一项重要冶炼工艺，关键点在于合金加料控制，将物料控制在指定范围内，解决合金元素不足或超标问题，使加料系统具有稳定的运行状态。一键合金加料应得到系统支持，采用智能化的控制手段，将规划算法应用在投料控制中，构建精准的投料控制模型，满足投料精度的控制要求，实现电弧炼钢的工业化生产，保证指定钢种得到有效冶炼。

1 电弧炉炼钢流程一键合金加料优化系统概况

电弧炉炼钢对系统具有较高要求，需要对系统的基本概况进行分析，使炼钢技术可以流程化，保证炼钢过程具有一定的稳定性。文章以某炼钢企业作为研究对象，针对一键合金加料系统分析，通过加料过程对钢液成分进行调整，使炼钢过程处于最佳状态，进而满足90 t电弧炉炼钢需求。电弧炉是实现炼钢的重要设施，需要采用合理化的加料形式，做好钢液成分的调整工作，构建良好的钢液供应条件。电弧炉由10个料仓组成，包括石灰料仓、铝线料仓、精炼渣料仓等，将炼钢原料进行充分准备，通过料仓实现一键合金快速加料。电弧炉炼钢一键合金加料工艺流程见图1。加料工艺大体上分为3个步骤：①在电弧炉内部加入合金料，保障电弧炉能够顺利出钢，为后续炼钢过程进行准备；②对钢包进行运输，同时对钢水成分进行检测，为精炼加料控制提供依据；③通过精炼炉对合金进行精炼，形成质量稳定的钢成品[1]。

图1 电弧炉炼钢一键合金加料工艺流程Fig.1 Process diagram of one-key alloy feeding in EAF steelmaking

该炼钢企业采用钢包预备合金及精炼炉合金加料工艺路线，应保证加料系统的控制精度，不断对炼钢技术进行推进，使合金元素得到有效配比。不同钢种合金元素应满足收得率要求，在加料种类、次数等方面均要进行控制，提高加料控制的先进性，确保系统优化控制的合理性。文章基于实际炼钢特性展开研究，并且结合企业炼钢情况，采用SQL数据库与Visual Studio 2013软件进行数据保存与软件研发，以此来对炼钢过程进行监测，保证一键加料过程能够顺利进行。该系统还运用到组态技术，由Wincc进行界面编程，形成一键合金加料的可交互界面，使炼钢加料操作更加方便。一键合金加料的核心在于减少现场操作，由炼钢系统控制加料过程进行，并且在操作上进行简化，提高对钢水成分的控制效果。

2 电弧炉炼钢流程一键合金加料优化系统实现

2.1 合金元素收得率控制

电弧炉炼钢过程中，需要进行投料操作，对合金元素的收得率进行分析，掌握钢液的具体成分，便于对元素比例进行调节，满足不同钢种的冶炼条件。钢种合金元素包括C、Si、Mn等，结合实际情况进行添加，对钢水成分进行改变，同时采用动态化的分析方式，消除合金元素的不利影响，对合金元素收得率情况进行统计。合金元素收得率一般存储在数据库中，便于对收得率历史进行回顾，根据过去的物料配比展开分析，提高加料控制的数据自学习效果，使系统在控制层面上能够动态加料，实现加料过程的有效调整。合金元素收得率评估过程中，需要从本地数据库中调用钢种的目标成分，获得钢水的成分及质量，进而对元素含量进行分析，并且确定加入合金元素后的钢水总量变化，为合金元素收得率控制提供依据[2]。

合金元素收得率控制应建立动态库，对收得率情况进行比较，判断收得率是否满足动态库的要求，将加料过程控制在稳定参数内，实现良好的加料控制精度。钢种合金元素X收得率计算公式如下：

式中：

K--修正系数，取值范围0.05～0.20。

动态库算法核心在于学习和修正过程，以历史数据作为分析依据，对合金元素收得率进行解析，得到合金加料的具体含量，保障一键合金加料能够顺利进行。

2.2 合金加料优化模型

电弧炉炼钢一键合金加料系统需要具有优化模型的支持，使加料系统处于可控制的状态，以模型方式实现加料过程，并且实现加料控制的动态规划。一键合金加料需要注重精度控制，实现加料控制的有效决策。通过优化模型可满足元素指标的要求，注重规划算法的掌控，实现优化模型与加料系统的有效结合。

2.2.1 决策变量

合金加料过程中，根据钢种及元素的不同，对钢液元素进行调整，通过决策变量提高加料系统的决策效果，采用正确的加料控制形式，保障决策控制能够有序进行。电弧炉炼钢过程中，需要加入多种合金成分，借助系统决策作用进行调整，使加料控制能够满足元素指标。以某种钢材冶炼为例，钢液由n种元素组成，每种元素质量为xi，作为决策变量进行使用，并且决策变量满足以下条件：

xi≥0，i=0,1,2,…,n

决策变量xi需要事先进行设定，规定何种情况采用何种条件，对决策变量的指标效果进行检验，防止系统对加料控制作出错误决策。而且，决策变量应满足一定的精度要求，一般为非负数条件，保障物料能够进行持续投入，使钢液元素成分达到标准范围。

2.2.2 目标函数

为了满足一键合金加料要求，需要对目标函数进行构建，采用合理化的目标控制形式，提高对物料含量的限制作用，使物料控制能够趋于合理化。目标函数是物料控制的重要条件，需要对化学成分进行分析，得到钢液元素的含量，将元素含量作为目标函数的衡量依据。钢液元素含量计算公式如下：

式中：

Ci--钢液元素含量(kg)；

Zi--元素加料总量(kg)；

Si--元素烧损量(kg)；

Hi--化学反应元素消耗量(kg)；

MB--目标出钢量(kg)。

通过上述公式，可得到元素的具体含量，实现合金元素的定量添加，在物料添加上进行量化。基于目标函数的要求，还需要考虑到成本控制，注重对投料成本的把控，采用最小成本投料形式，借助投料成本函数进行分析。投料成本函数如下：

式中：

min(P)--最小投料成本(元)；

ci--合金元素单价(元/kg)；

mi--合金元素投量(kg)。

加料系统应考虑到成本控制，构建有效的加料形式，将投料成本控制在较低水平，避免合金元素的投量超标，使成本控制能够发挥作用[3]。

2.2.3 约束条件

钢液成分控制需要具有约束条件，注重合金元素总量的把控，将投料控制在制定范围内，防止出现元素超标或不足的情况，使元素成分在范围内变化。同时，约束条件也是保证投料精度控制的关键，避免精度控制上偏离指标，使约束条件得到有效应用。合金元素投料约束条件如下：

式中：

Emin，Emax--合金元素投料下限和上限(%)；

RA--合金元素的收得率(%)；

xi--合金投入质量(kg)；

PiA--合金元素质量分数(%)；

mst--钢液质量(kg)。

通常情况下，约束条件是一个范围值，需要具备上限或下限条件之一，由约束条件对目标函数进行限定，借此缩小目标函数的求解范围，避免产生过大的求解偏差。约束条件有不等式构成，用于对线性规划问题进行分析，在目标函数中引入合金投料的人工变量，提高目标函数控制的可靠性，通过约束条件对优化模型进行求解，实现约束条件的控制目标。

2.3 一键合金加料控制

2.3.1 数据存储

电弧炉炼钢需要具备数据上的支持，做好炼钢数据的存储工作，构建动态库数据的有利条件，保证加料系统的运行状态。炼钢合金投料具有配比条件的要求，相关参数存储在MySQL数据中，通过SQL语句来操作数据库，便于对数据进行调用，提高一键合金加料系统对数据的运用能力。电弧炉炼钢过程中，将会产生大量的数据信息，需要将数据存储在数据库内，方便下次对数据进行调用，并且可以实时获得冶炼数据，对炼钢加料情况进行确定，由模型参数实现一键合金加料过程，在系统模型上提供数据服务。炼钢过程需要做好数据的采集工作，通过传感器实现对数据的采集，如合金元素含量检测等，均采用相应的传感器进行，使冶炼参数得到自动化采集，保障一键合金加料能够精准控制。

数据库中包含众多加料控制参数，如合金元素含量、约束条件上下限等，使合金加料参数得到统一管理，通过数据库中的字段来控制相应的参数。当控制参数需要修改时，仅需找到相应的字段即可，通过字段来修改相应参数，保障加料参数得到有效调整。以含碳量参数的上下限调整为例，CONTENT_C字段进行表示，用于对含碳量上下限参数进行标识，通常情况下，钢铁的含碳量在0.02 %～2.11 %之间，在数据库中可标识为(0.000 2，0.021 1)。当含碳量无法满足上述条件时，将无法满足钢的生产条件，甚至生产出不合格的钢产品。对含碳量参数调用时，采用SQL语句检索CONTENT_C字段，可得到碳含量约束条件下限Emin为0.02 %，下限Emax为2.11 %，进而实现加料参数的有效查询与运用。

2.3.2 运行控制

电弧炉炼钢采用流程化运行控制形式，需要保证系统加料过程中的控制能力，使系统能够满足合金加料要求。一键合金加料优化系统采用PLC作为控制器，具有精准的控制效果，而且控制器具有可编程能力，将合金加料优化模型融入其中，确保在算法上具有可实现性，保障加料过程能够顺利进行。通过PLC可对现场监测数据进行处理，对数据来源进行归类整理，提高系统的实际生产能力，实现对数据的有效调控。运行控制关键点为生产数据的处理，为了使数据处理更加方便，采用第三方OPC服务器构建数据采集平台，实现加料数据的集中处理，将数据处理进行平台化。运行控制是实现一键合金加料的关键环节，使系统具有稳定的控制形态，通过一键加料提高系统可操作性[4]。

PLC是实现自动加料的关键控制器，可与操作界面建立连接，读取冶炼钢种数据及质量信息，保证加料控制的流程状态。在炼钢流程启动后，PLC将自动从服务器中获取加料控制信息，如钢种成分、合金质量等，将钢液成分与具体指标进行对比，判断钢液成分是否满足要求。若存在无法满足要求的情况，由PLC控制进行一键加料，保障合金加料控制的流程化。经过合金加料模型处理后，PLC将得到具体的投料情况，需要对投料进行准确称量，一般由台车完成称量工作，对电弧炉进行一键加料。

2.3.3 指标分析

电弧炉炼钢加料过程中，需要不断对加料指标进行分析，避免加料指标上出现偏差，提高指标分析的有效性。钢液材料中具有多种成分，需要避免指标上的相互影响，保证优化模型求解的准确性，消除投料指标上的不利因素。合金投料完成后，需要对目标进行二次计算，用于对投料的实际效果进行判断，确定目标成分的实际含量，使钢液成分具备合理性。投料指标控制具有一定的难度，必要时需要增加投料检测的次数，确保钢液中元素组成的匹配性。指标对比是实现系统优化的关键，应注重加料指标上的掌控，避免出现无法控制的情况，确保加料指标的实现效果，使加料系统能够切实得到优化。

2.3.4 操作界面

为了提高一键加料的可操作性，需要对操作界面进行优化设计，将投料情况显示在界面上，便于对投料状态进行观察。操作界面采用Wincc展开设计，需要保证界面的简洁性，各个分界面或按钮进行操作，使操作界面能够有效运作。操作界面是实现人机交互的关键，操作界面与数据库进行连接，便于对炼钢数据进行展示，保障数据得到快速调用。通过操作界面可对历史数据进行查询，对加料后炼钢情况进行掌控。炼钢数据可通过表格、图形等方式进行显示，需要采用完善化的设计形式，保障操作界面的展示效果。操作界面与PLC控制器连接，可对PLC下达控制制定，通过一键加料按钮实现加料控制，由PLC对加料过程进行运算，提高操作界面对投料的控制能力，使操作界面能够最大化发挥作用。

3 电弧炉炼钢流程一键合金加料优化系统评估

3.1 合金元素收得率

合金元素收得率是一键合金加料系统评估的重要依据，需要加料过程进行统计，对合金收得率进行精准检测，确保合金加入后能够满足指标要求。需要注意的是，冶炼不同钢种时，元素的收得率具有差异性，不能采取固定的分析方式，否则将会对投料配比造成影响，无法得到稳定的元素投入量。同时，合金元素收得率是构建动态库的关键，对于合金配比指导具有重要意义，需要构建有效的精度控制方法，使系统具有良好的优化状态。通过一键合金系统，可得到表1所示的合金收得率信息，将不同钢种的收得率情况进行汇总，实现合金收得率的统一分析[5]。

表1 不同钢种的合金元素收得率(%)Tab.1 Yield of alloying elements in different grades of steel(%)

3.2 合金元素投料量

一键合金加料系统需要具有精准的投料量，需要明确投料比例变化的影响，保障投料控制的分析效果，保障投料条件的控制水平。投料比例控制具有必要性，需要避免出现不稳定的投料情况，对钢液内部的组分含量进行控制。以34CrMo4钢种为例，Si元素配比需要进行调节，由原来的82.00 %调整到95.00 %，使Si元素比例得到增加，避免Si元素损失导致组分含量的不足，保障投料控制得到精准把控。合金元素投料量控制是保证钢液成本比例的关键，系统优化后应避免元素损失，根据钢种对元素比例进行调节，保障合金元素投入量能够达到指定要求，提高元素比例控制的合理性，使加料系统的运行状态能够过关，确保系统得到有效优化，提高合金加料的一键操作水平。

3.3 合金投料成本分析

合金投料伴随着成本的消耗，需要对投料成本进行控制，对加料系统优化前后的成本进行评估，围绕不同钢种的成本展开分析，得出具体的优化效果。电弧炉炼钢流程合金加料成本见表2，通过不同钢材成本分析发现，加料系统优化具有显著的成本控制效果，使成本控制更加具有效率。以45钢种为例，优化前合金加入硅铁48 kg，高碳锰铁480 kg；优化后合金加入硅铁82 kg，高碳锰铁451 kg。由于硅锰合金的单价较低，在总成本上价格要低一些，能够起到降低成本的作用，避免造成成本的额外消耗，保障合金投料具有稳定的成本。

表2 电弧炉炼钢流程合金加料成本统计Tab.2 Cost analysis of alloy feeding in the EAF steelmaking process

4 结 语

综上所述，电弧炉炼钢过程中，需要合理对加料系统进行设计，保证加料系统具有可实现性，完善加料系统的指标要求，避免出现不可控的情况。加料系统具有一键加料操作，使钢液具有合理的配比条件。加料系统需要具有良好的在线运行条件，注重系统运行状态的把控，通过一键加料对钢液成分进行指导，保障合金元素具有良好的收得率，使投料过程具有精准的控制条件。