轉(zhuǎn)爐全流程智能煉鋼控制技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

郭偉達(dá)，李強(qiáng)篤，任科社，高志濱

1 前言

轉(zhuǎn)爐全流程智能煉鋼是鋼鐵業(yè)發(fā)展的必然趨勢，符合工業(yè)4.0時代發(fā)展的要求，對于鋼鐵企業(yè)降低冶煉生產(chǎn)成本及人力資源成本具有重要的作用。為了縮小與國內(nèi)外先進(jìn)鋼鐵企業(yè)之間的差距，提升煉鋼過程中的智能化控制水平，山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠決定研究開發(fā)全流程自動煉鋼工藝。經(jīng)過對轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的分析，找出目前生產(chǎn)過程中的限制環(huán)節(jié)，制定對應(yīng)措施，促使智能控制水平提高，智能冶煉比例達(dá)到95%以上，冶煉過程操作標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)真正的統(tǒng)一，實現(xiàn)了過程的穩(wěn)定控制。提高了冶煉終點的命中率，降低了轉(zhuǎn)爐冶煉過程的渣料消耗，減少了轉(zhuǎn)爐噴濺渣量，降低了爐渣全鐵含量，穩(wěn)定了成分控制合格率。轉(zhuǎn)爐全自動煉鋼技術(shù)的應(yīng)用，在實際生產(chǎn)中取得了較好的效果，為生產(chǎn)潔凈鋼以及超低碳、超低磷鋼提供了技術(shù)保障。

2 智能煉鋼關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開發(fā)新工藝，穩(wěn)定入爐原料條件

1）開發(fā)鐵水降溫新工藝，對入廠鐵水進(jìn)行降溫處理［1］。利用專用設(shè)備對燒結(jié)礦破碎加工至一定粒度，以滿足KR脫硫工序的需要。通過專用罐車運輸至KR脫硫工序，利用高壓氮氣將燒結(jié)礦粉輸送至料倉，保證了燒結(jié)礦粉加工運輸過程中的損失降到了最低。當(dāng)鐵水溫度較高時，從料倉內(nèi)通過氮氣噴吹至鐵水罐對鐵水進(jìn)行降溫，確保了燒結(jié)礦粉在攪拌作用下充分與鐵水反應(yīng)。

2）開發(fā)新型鐵水用脫硅劑，對入廠鐵水進(jìn)行預(yù)脫硅。從促進(jìn)反應(yīng)的角度分析，由于硅反應(yīng)生成酸性的物質(zhì)，為了降低產(chǎn)物的活度，在脫硅劑中加入適當(dāng)?shù)膲A性物質(zhì)如CaO，可以提高脫硅效率。在CaO參加反應(yīng)的條件下反應(yīng)式如下：

根據(jù)篩選，選擇氧化鐵皮類氧化劑。為了提高脫硅效率加入CaO顆粒，同時，根據(jù)熔渣發(fā)泡理論，為了改善熔渣的流動性和抑制泡沫渣，加入少量助熔劑CaF2，即新型脫硅劑組成為FeO-CaO-CaF2。

3）對鐵水扒渣工藝進(jìn)行優(yōu)化，降低入爐鐵水帶渣量。操作時控制扒頭插入深度約50 mm，目的是減輕插入深度過深時對鐵水的攪動，同時又可進(jìn)行良好的扒渣；扒渣至鐵水包包沿處時停頓2～3 s，目的是使?fàn)t渣中殘留的鐵水充分流回鐵水包內(nèi)，既保證了扒渣效果，又減少了鐵損。

2.2 開發(fā)轉(zhuǎn)爐操作模式體系

1）開發(fā)“全覆蓋”原料條件操作模式。在實際操作過程中，充分考慮冶煉過程中各階段反應(yīng)特點，頭批料及冶煉過程中加料批次及每一批料的加料比例均有不同設(shè)置，冶煉過程中可以保證良好的爐渣化渣狀態(tài)，繼而為實現(xiàn)終點命中做好準(zhǔn)備。模式設(shè)定如表1所示。

頭批料礦石基本控制在總量的25%～30%，石灰控制在60%～70%，白云石全部；后續(xù)加料料單中，根據(jù)不同鐵水條件的特點，礦石量以每批5%～9%加入，避免了冶煉過程中溫度上升過快的問題［1］。

2）開發(fā)冶煉模式自動選擇技術(shù)。通過研究模式的自動選擇條件，在副槍二級中增設(shè)模式自動選擇模塊，將模式根據(jù)不同的鐵水條件進(jìn)行分配，當(dāng)鐵水條件傳入二級系統(tǒng)時，系統(tǒng)根據(jù)鐵水硅、鐵水溫度自行選擇操作模式。通過模式的自動選擇，提升了模式與鐵水條件的匹配性，同時也統(tǒng)一了操作標(biāo)準(zhǔn)，避免了人為因素的干擾，實現(xiàn)了模式選擇與使用的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

表1 轉(zhuǎn)爐智能煉鋼區(qū)間操作模式

2.3 開發(fā)關(guān)鍵自動控制技術(shù)及三級網(wǎng)絡(luò)

1）研發(fā)氧槍雙編碼器串聯(lián)自動識別切換系統(tǒng)，提升槍位控制精準(zhǔn)度［2］。傳統(tǒng)氧槍使用過程中，采用單編碼器進(jìn)行控制，當(dāng)冶煉過程處于自動狀態(tài)時，氧槍槍位控制不穩(wěn)定，降槍過程中存在槍位偏差大的問題，繼而冶煉過程無法實現(xiàn)槍位的精準(zhǔn)控制，對過程反應(yīng)帶來較大的影響。通過開發(fā)新型設(shè)備自動化控制技術(shù)，在氧槍主令軸上安裝兩個編碼器，一個出現(xiàn)故障時，程序自動進(jìn)行切換，氧槍運行時，兩個編碼器計數(shù)行程與系統(tǒng)根據(jù)氧槍速度計算的行程進(jìn)行比較，對計數(shù)偏差大的編碼器自動校準(zhǔn)，從而實現(xiàn)了氧槍槍位的準(zhǔn)確控制。

2）開發(fā)氧氣壓力流量區(qū)間自動控制技術(shù)，杜絕打火不良風(fēng)險。設(shè)定開吹后2 min內(nèi)開氧曲線，分階段控制氧氣調(diào)節(jié)閥開度。由于煉鋼廠采用的是干法除塵系統(tǒng)，在開吹時如果氧壓控制不當(dāng)，氧壓過高或過低都極易造成轉(zhuǎn)爐的泄爆事故。通過對開吹氧壓的研究，研發(fā)了轉(zhuǎn)爐自動控制開吹曲線，實現(xiàn)了開吹2 min內(nèi)的氧壓在自動狀態(tài)下自行提升，并且提升幅度完全符合開吹打火的要求，避免了開吹時的泄爆問題。具體開吹曲線參數(shù)見表2。通過設(shè)定壓力波動區(qū)間，自動調(diào)整閥開度，確保冶煉過程氧壓控制在0.75～0.85 MPa。

3）完善數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，建立三級數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)［2］。

①自動采集鐵水行車稱重量。行車秤不做變動，增加無線發(fā)射與接收設(shè)備，通過信號轉(zhuǎn)換器將鐵水重量數(shù)據(jù)采集到副槍二級系統(tǒng)中。增設(shè)鐵水溫度發(fā)射裝置，鐵水測完溫度后，可通過該裝置錄入包號、溫度數(shù)值并自動跟隨鐵水重量進(jìn)入二級相應(yīng)的爐號中。

表2 轉(zhuǎn)爐智能煉鋼開吹曲線控制參數(shù)

②通過在行車上加裝廢鋼信息錄入大屏及無線發(fā)射與接收裝置，從而可以判斷每種廢鋼的裝入量，通過程序計算累加得到廢鋼總量。并通過計算機(jī)保存數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)礁睒尪壱睙捘Ｐ椭小?/p>

③副槍二級操作系統(tǒng)與一級操作系統(tǒng)建立通訊，二級系統(tǒng)中的操作指令發(fā)送給一級進(jìn)行執(zhí)行。建立調(diào)度指令與二級操作系統(tǒng)的通訊聯(lián)系，編制連接程序，生產(chǎn)計劃直接下達(dá)二級系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)調(diào)度的更加方便簡潔。同時，三級程序及時將二級數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，冶煉過程實現(xiàn)量化處理。

④建立化驗室光譜數(shù)據(jù)和熒光分析數(shù)據(jù)與二級操作系統(tǒng)的通訊聯(lián)系，建立成分?jǐn)?shù)據(jù)庫，編制連接程序。冶煉終點測定的TSC、TSO等成分樣經(jīng)過化驗室檢驗后傳遞給二級系統(tǒng)，同時取出的爐渣樣化驗后也可以傳輸給二級系統(tǒng)，便于操作人員直接從二級系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，并且為二級系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能奠定基礎(chǔ)。

2.4 開發(fā)工藝控制模型及相關(guān)技術(shù)

1）開發(fā)冶煉過程動態(tài)控制模型。爐次開始前，副槍二級程序根據(jù)鐵水溫度、鐵水硅、鐵水磷、廢鋼配比等多方面條件，計算出冶煉過程的理論氧耗量，在實際冶煉過程中，根據(jù)“硅錳氧化期”、“碳氧反應(yīng)期”、“終點拉碳期”3個不同階段的反應(yīng)特點，以占總氧耗量的百分比作為控制過程加料及槍位的依據(jù)，確定過程動態(tài)控制標(biāo)準(zhǔn)。

2）開發(fā)冶煉過程均勻布料控制技術(shù)［3］。均勻布料控制工藝使用過程中，槍位模式與表1中所述一致，但加料模式不再進(jìn)行區(qū)間細(xì)分，石灰及白云石按照原有模式加入。冶煉過程中的冷料分兩個批次均勻加入，分別為頭批料、二批料，頭批料控制在30%～35%，剩余65%～70%作為二批料加入。操作人員可以對閘板閥的開度進(jìn)行設(shè)定，從而調(diào)整冶煉過程中的下料速度，避免冷料加不完的情況。

當(dāng)冶煉過程中的冷料加入量大時，采用均勻布料的模式加入冷料，兩批料加入過程均為緩慢均勻加入，加料速度可以根據(jù)冷料總量進(jìn)行調(diào)整。因此，冶煉過程中鋼水溫度的變化不存在驟升驟降的情況，繼而更加有利于終點的良好命中。

3）采用音頻化渣監(jiān)控冶煉過程技術(shù)。通過音頻化渣技術(shù)，對轉(zhuǎn)爐開吹、過程加料、槍位控制等進(jìn)行全程監(jiān)控，判斷轉(zhuǎn)爐冶煉狀況，能夠?qū)⒁睙掃^程中的返干及噴濺情況進(jìn)行及時預(yù)警。由于過程操作步驟進(jìn)行了詳細(xì)的記錄，可根據(jù)反應(yīng)特點，判斷每一步加料及槍位調(diào)整后的爐內(nèi)反應(yīng)情況，為操作人員及專業(yè)技術(shù)人員研究冶煉過程反應(yīng)特點及相關(guān)數(shù)據(jù)分析提供了基礎(chǔ)。

2.5 開發(fā)自動濺渣模型

以氧槍編碼器控制槍位為主要措施，開發(fā)自動濺渣護(hù)爐模型，并在生產(chǎn)實踐中進(jìn)行驗證，效果良好，對于統(tǒng)一濺渣操作標(biāo)準(zhǔn)，提升爐體維護(hù)效果，起到了重要的作用。

1）轉(zhuǎn)爐出鋼結(jié)束后，搖爐至爐體零位，通過氧槍編碼器程序控制操作氧槍。當(dāng)槍位降至距爐底4～6 m基準(zhǔn)槍位時，自動打開氮氣切斷閥，開始吹掃氮氣濺渣。在吹掃過程中，繼續(xù)降低槍位至距爐底0.7～2.5 m，并以0.7～2.5 m區(qū)間為濺渣護(hù)爐的終點固體槍位；其中，根據(jù)爐底厚度及爐型變化情況，控制濺渣護(hù)爐過程中的準(zhǔn)確槍位；爐襯中耳軸、熔池、爐底和出鋼孔出現(xiàn)侵蝕時，采用“高-低-低”槍位濺渣；爐襯各重點部位渣層厚度適中（測厚儀測量厚度范圍500～700 mm），采用“高-低”相間槍位濺渣；爐襯各部位渣層過厚（測厚儀測量厚度＞700 mm），采用全程“低”槍位濺渣。

2）“高-低-低”槍位模式濺渣以500 mm為基本間距，以30～60 s為基本時間間距，從基準(zhǔn)槍位順次降低槍位高度進(jìn)行降槍操作，所需降低的總距離為3 m?？倿R渣時間設(shè)定在4～5 min?！案?低”相間槍位濺渣以1 500～3 000 mm為基本間距，以15～30 s為基本時間間距。從基準(zhǔn)槍位順次降低槍位高度進(jìn)行吹濺，所需降低的總距離為3 m?？倿R渣時間設(shè)定在3～4 min。“低”槍位濺渣為將氧槍槍位降至距爐底0.7 m開氮氣吹濺直至關(guān)氣提槍，過程槍位不變，總濺渣時間設(shè)定在3 min以內(nèi)。

爐襯中耳軸、熔池、爐底和出鋼孔的侵蝕情況，在停爐等待及出鋼過程中由操作人員對爐體進(jìn)行檢查，確定陰影區(qū)域并使用激光測厚儀進(jìn)行精確測量，獲得實際爐襯厚度。按120 t轉(zhuǎn)爐冶煉每一爐鋼水產(chǎn)生的爐渣重量為8～10 t計算，稠化劑加入量以渣量的10%～30%進(jìn)行計算，轉(zhuǎn)爐噸位增加時，使用相同比例根據(jù)產(chǎn)生的渣量進(jìn)行計算。

通過采用自動濺渣護(hù)爐控制方法，統(tǒng)一了轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐操作標(biāo)準(zhǔn)，避免了人工手動濺渣時槍位控制不一及稠化劑加入量不合理的現(xiàn)象，解決原手動濺渣方法造成的爐襯渣層變化而導(dǎo)致爐型變化的問題，穩(wěn)定了轉(zhuǎn)爐操作，提高了終點命中率。

2.6 開發(fā)自動出鋼技術(shù)

1）通過開發(fā)轉(zhuǎn)爐一級程序中的自動出鋼模塊，建立自動出鋼遠(yuǎn)程控制方式，對自動出鋼相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，確保計算機(jī)方式正常使用。

2）鋼包室內(nèi)的鋼包車操作人員接到轉(zhuǎn)爐操作人員的出鋼指令，將鋼包車選擇至自動狀態(tài)，鋼包車開始向爐體方向移動，移動至距離鋼包室墻壁一定距離停止，確保此時鋼包車上安置的鋼包剛好可以在轉(zhuǎn)爐出鋼開始后搖爐至-82°時盛接住鋼水。此時，轉(zhuǎn)爐操作人員收到鋼包車到位的信號，點擊開始出鋼按鍵，轉(zhuǎn)爐及鋼包車根據(jù)編碼器中設(shè)定的爐體傾動角度和鋼包車位移距離開始出鋼過程。

3）具體出鋼過程的轉(zhuǎn)爐傾動角度控制及鋼包車位移控制：出鋼開始后，爐體根據(jù)計算機(jī)發(fā)送的指令，初次向后傾動至-82°，此時，爐內(nèi)鋼水沖開出鋼口的堵塞，流入鋼包車上的鋼包內(nèi)，鋼流正好在鋼包東側(cè)沿內(nèi)，滿足盛接鋼水要求。爐體在-82°停留12 s（時間根據(jù)手動搖爐停留時間確定，鋼水流出過程中，爐內(nèi)液面下降，根據(jù)紅外監(jiān)控，當(dāng)下降至爐渣層接近出鋼口時即需要搖爐，防止?fàn)t渣從出鋼口流出污染鋼水）。為防止?fàn)t內(nèi)的爐渣隨鋼水流入鋼包造成下渣回磷，爐體需要進(jìn)行第2次傾動至-84°，此時，鋼包車暫時不動，鋼流由鋼包沿東側(cè)向鋼包中心移動，該角度停留32 s；隨后爐體進(jìn)行第3次傾動。后續(xù)傾動方式及停留時間基本按照此步驟進(jìn)行，具體見表3。

表3 搖爐度數(shù)及各度數(shù)停留時間

4）采用出鋼終點下渣檢測及滑動出鋼口自動擋渣控制技術(shù)。在轉(zhuǎn)爐出鋼口末端安裝閘閥系統(tǒng)，通過紅外檢測自動下渣檢測系統(tǒng)來判斷鋼水及爐渣流出的狀態(tài)，出鋼過程中操作人員選擇自動擋渣模式，同時根據(jù)不同的鋼種需求選擇“高-中-低”三種不同檢測級別，通過紅外下渣檢測與滑動出鋼口系統(tǒng)聯(lián)動，控制液壓閘閥快速開啟或關(guān)閉出鋼口，達(dá)到擋渣的目的，大大提升了擋渣效果，降低了出鋼過程的下渣量。

通過對轉(zhuǎn)爐自動出鋼工藝技術(shù)的研究與開發(fā)，避免了人為手動搖爐造成的出鋼過程不穩(wěn)定，搖爐角度及鋼包車位置標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，最大限度地減少了下渣量，避免了鋼水回磷，為潔凈鋼生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件；同時由于出鋼過程實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，操作人員勞動量降低，作業(yè)安全程度提升，出鋼過程中鋼水流入鋼包內(nèi)的精準(zhǔn)度提高，避免了鋼水的浪費，是企業(yè)打造智能平臺的關(guān)鍵一步。

3 應(yīng)用效果

全流程智能煉鋼工藝的開發(fā)與應(yīng)用，成功解決了操作過程標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，提升了冶煉過程的穩(wěn)定控制能力，全程智能煉鋼控制比例達(dá)到95%以上，促使轉(zhuǎn)爐石灰消耗降低3 kg/t；由于終點命中率提升，爐渣全鐵平均降低1.2%；轉(zhuǎn)爐紅渣及噴濺渣總量降低約5 kg/t。轉(zhuǎn)爐煉鋼綜合成本降低2～3元/t，同時由于智能水平的提高，可以更好地應(yīng)對品種鋼的冶煉生產(chǎn)，促進(jìn)了鋼種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。

現(xiàn)代工業(yè)對智能制造的需求日益迫切，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也將會越來越高。智能控制水平已成為衡量現(xiàn)代大型鋼鐵企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與技術(shù)水平的重要因素之一，成為鋼鐵冶金技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題。轉(zhuǎn)爐全自動煉鋼工藝控制技術(shù)是在現(xiàn)有自動化冶煉基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，對于進(jìn)一步提升煉鋼工序標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)水平、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化品種結(jié)構(gòu)提供了重要技術(shù)支撐，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］ 王強(qiáng).一種KR鐵水脫硫降溫新工藝：中國，201210110975.0［P］.2013-09-25.

［2］ 張兆駐，于德榮，石勝利.萊鋼120 t轉(zhuǎn)爐“一鍵式”煉鋼技術(shù)改造［J］.重型機(jī)械，2010（1）：51-54.

［3］ 溫福新，王明杰，于亮濤，等.120t轉(zhuǎn)爐“單渣-留渣”法低成本高效冶煉工藝的研究與應(yīng)用［J］.冶金信息導(dǎo)刊，2013（3）：48-50.