煉鋼大數(shù)據(jù)影響因素淺析

□ 趙顯久 張捷宇 黃錦鋒

一、前言

隨著算法的優(yōu)化、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的進(jìn)步，大數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)，以及科技研發(fā)領(lǐng)域[1～3]。在冶金行業(yè)，尤其是在煉鋼工藝方面，也得到了廣泛的重視，其中大多以質(zhì)量和成本流程追溯，提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。2018年，寶鋼開(kāi)始針對(duì)大數(shù)據(jù)應(yīng)用，召集有關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行不同細(xì)分領(lǐng)域的規(guī)劃工作?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)幾年內(nèi)，大數(shù)據(jù)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)云端，將給寶鋼大數(shù)據(jù)分析相關(guān)工作帶來(lái)極大的便利。

但是，我們也看到，對(duì)于如何建立和使用數(shù)據(jù)，是先有數(shù)據(jù)平臺(tái)，還是先有數(shù)據(jù)需求，各方意見(jiàn)不一致。同時(shí)，從已經(jīng)開(kāi)展的科研項(xiàng)目看，有的還未理清相關(guān)需求，僅僅是在做一些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和展示工作，與各方所希望的利用這些平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)人員在改善工藝及維護(hù)設(shè)備過(guò)程中起到促進(jìn)作用還有一定距離。本文對(duì)目前煉鋼廠數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行介紹，并從煉鋼工藝的角度，分析大數(shù)據(jù)在鋼鐵工藝上的應(yīng)用，希望對(duì)后續(xù)大數(shù)據(jù)相關(guān)工作起到拋磚引玉的作用。

二、冶金數(shù)據(jù)類(lèi)型及數(shù)據(jù)來(lái)源

煉鋼廠在生產(chǎn)過(guò)程中，歷經(jīng)轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄3個(gè)主要生產(chǎn)工序。數(shù)據(jù)類(lèi)型分為非連續(xù)型數(shù)據(jù)和連續(xù)型數(shù)據(jù)。比如滑板擋渣使用AMEPA電磁下渣檢測(cè)線圈，該線圈的狀態(tài)分為“正常使用”和“故障”2個(gè)狀態(tài)，也就是1和0這樣的數(shù)據(jù)。在連鑄工序，大包長(zhǎng)水口開(kāi)澆過(guò)程中，是自動(dòng)開(kāi)澆還是燒氧開(kāi)澆，前者可以用1描述，即自動(dòng)開(kāi)澆成功；后者可以用0描述，即燒氧開(kāi)澆。除了這種非連續(xù)型數(shù)據(jù)外，一類(lèi)比較重要的數(shù)據(jù)，是連續(xù)型數(shù)據(jù)，比如連鑄過(guò)程中的中間包噸位數(shù)據(jù)、連鑄結(jié)晶器液面高度數(shù)據(jù)、連鑄塞棒位置數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)都可以與對(duì)應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行二維曲線展示。

在數(shù)據(jù)產(chǎn)生來(lái)源方面，從轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄回轉(zhuǎn)臺(tái)到中間包，對(duì)于某一爐鋼，停吹游離氧，轉(zhuǎn)爐鋁質(zhì)渣脫氧劑加入量，鋼水的成分、溫度、傳擱時(shí)間，澆注過(guò)程中中間包的溫度，連鑄長(zhǎng)水口氬封流量，等等，均是爐次數(shù)據(jù)。當(dāng)然，不同工序的爐次數(shù)據(jù)是有區(qū)別的，比如溫度，從轉(zhuǎn)爐、精煉到連鑄，溫度是有變化的。不考慮精煉升溫，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度是最高的，而連鑄中間包的爐次溫度是最低的。轉(zhuǎn)爐出鋼需要考慮后工序的溫降變化。除了爐次數(shù)據(jù)，到連鑄后經(jīng)中間包分流，以一機(jī)二流鑄機(jī)為例，爐次數(shù)據(jù)為分流數(shù)據(jù)。比如，在澆注過(guò)程中，包括兩個(gè)流的滑板開(kāi)度位置數(shù)據(jù)和澆注長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，以及流內(nèi)的氬氣吹入量數(shù)據(jù)。鋼水從某個(gè)流出鑄機(jī)后，經(jīng)過(guò)火焰切割機(jī)的切割，成為獨(dú)立的板坯，這時(shí)也會(huì)相應(yīng)形成板坯數(shù)據(jù)，比如板坯的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和板坯的寬度數(shù)據(jù)。板坯在連鑄后工序的精整處理過(guò)程中，高等級(jí)鋼種需經(jīng)火焰清理機(jī)清理，從而會(huì)產(chǎn)生機(jī)清數(shù)據(jù)。煉鋼數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 煉鋼數(shù)據(jù)來(lái)源

三、數(shù)據(jù)使用

利用取得的工藝數(shù)據(jù)，從生產(chǎn)工藝控制的難點(diǎn)著手，可以在一定程度上給工藝的改善提供理論依據(jù)。下面就轉(zhuǎn)爐和連鑄給出大數(shù)據(jù)上的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并利用冶金原理解釋數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

1.轉(zhuǎn)爐出鋼渣脫氧劑加入量對(duì)鋼水游離氧的影響

一般而言，鋼水在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中鋼包渣的氧勢(shì)較高[5]，較高氧勢(shì)的爐渣對(duì)鋼水成分會(huì)造成污染，一般方法是加入鋁基脫氧劑來(lái)脫去渣中的氧。按照寶鋼300t轉(zhuǎn)爐工藝，加入量一般為250～350kg，在每爐出鋼完畢后進(jìn)行投入。但經(jīng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)爐停吹游離氧較精煉處理前游離氧明顯降低。過(guò)低的精煉處理前游離氧，對(duì)于超低碳鋼的脫碳處理極為不利。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，精煉有1/3的OB（Oxygen Blow）處理，是由精煉處理前游離氧過(guò)低造成的。為了便于分析原因，將投入鋁渣的量與游離氧差值（也可以稱(chēng)之為氧降）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)氧降與投入量有著密切的關(guān)系。從圖1可以看出，0值在直方圖偏左側(cè)，投入量越大，差值越大。也就是說(shuō)，投入的鋁基渣脫氧劑雖然是針對(duì)渣表面進(jìn)行脫氧處理，實(shí)際上由于渣中鋁的活躍，不但降低渣中氧，而且降低鋼水內(nèi)部氧，這在冶金業(yè)內(nèi)稱(chēng)之為擴(kuò)散脫氧。基于此，鋁基渣脫氧劑，應(yīng)在轉(zhuǎn)爐出鋼完畢后，按照下渣量加入，避免過(guò)量加入導(dǎo)致鋼水游離氧過(guò)低。而如何準(zhǔn)確評(píng)估轉(zhuǎn)爐下渣量，是目前生產(chǎn)上的一個(gè)難點(diǎn)。但目前也有成熟的技術(shù)，紅外判渣、利用電磁波的反射和折射[6]測(cè)量渣厚均可一定程度上準(zhǔn)確估算轉(zhuǎn)爐的下渣量。

圖1 轉(zhuǎn)爐與精煉RH處理前的氧降

2.連鑄長(zhǎng)水口氬封

連鑄長(zhǎng)水口氬封使用在大包下水口與長(zhǎng)水口接觸的生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)正壓的氬氣，避免鋼流從長(zhǎng)水口流出引起的負(fù)壓帶入空氣。一直以來(lái)，寶鋼某臺(tái)鑄機(jī)流量控制在40m3/h，在近幾年的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)水的兩側(cè)中間包有侵蝕，所以為了減少侵蝕，降低了氬氣流量。單純地降低氬氣是否有副作用需要數(shù)據(jù)的支撐，因此統(tǒng)計(jì)了近3年某臺(tái)鑄機(jī)的大包長(zhǎng)水口氬封數(shù)據(jù)。因此從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看，不同檔位氬封流量的中間包氧相差不大。如果就此給出氬封流量對(duì)鋼水純凈度影響不大的結(jié)論，或許看不出問(wèn)題。但是，如果我們從鋁損角度看，大氬氣4擋和小氬氣1擋，中間包鋁損分別為99.21ppm和100.4ppm，都接近100ppm。氬封流量從40m3/h降低10～15m3/h，在25～30m3/h范圍內(nèi)，鋁損可以降低到86.3ppm，降低幅度達(dá)13.7%（見(jiàn)表2）。這說(shuō)明氬封流量不是越大越好，也不是越小越好。

表2 大包長(zhǎng)水口氬封流量分級(jí)及中間包氧與鋁損

據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[7]，在中間包鋁損上，除覆蓋劑和耐材的影響外，空氣也會(huì)在2個(gè)方面產(chǎn)生影響：一是注流表面氧化的鋁損，稱(chēng)之為Δ[Al]as——大包流到中間包注流表面氧化造成的酸溶鋁的減少量；二是注流表面飛濺造成的鋁損Δ[Al]aF——大包流到中間包注流表面飛濺造成的酸溶鋁的減少量。對(duì)于不同氧分壓，吸氧速度與氧分壓的關(guān)系雖然不完全一致（當(dāng)氣相分壓低于0.3%時(shí)，吸氧速度與氧分壓呈正比；當(dāng)在0.3%～10%范圍內(nèi)，吸氧速度是氧分壓的2/3次方），但吸氧量與氧分壓均為正函數(shù)。也就是說(shuō)，如果單純減少氬封流量，雖然可以減少長(zhǎng)水口飛濺造成的鋁損，但是由于氬氣流量降低造成氧分壓上升，還是會(huì)導(dǎo)致鋁損的增加。同樣，當(dāng)增大氬封流量，雖然氧分壓降低，鋁損減少，但是氬封流量過(guò)大會(huì)造成長(zhǎng)水口出口的鋼液飛濺，導(dǎo)致鋁損增加。因此，從數(shù)值上表現(xiàn)為一個(gè)比較優(yōu)化的取值范圍?？梢钥吹?，前期為了降低對(duì)中間包長(zhǎng)水口內(nèi)外兩側(cè)的侵蝕而減少氬氣流量是有風(fēng)險(xiǎn)的，而規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)就是要減少飛濺造成的鋁損。因此，減少氬氣流量的同時(shí)要考慮降低氧分壓，可以從長(zhǎng)水口的內(nèi)外兩側(cè)通過(guò)額外的氬氣管路，通入到中間包內(nèi)，降低氧分壓，起到降低鋁損的作用。

從氬封流量與鋁損的關(guān)系，可以看到大數(shù)據(jù)對(duì)工藝改進(jìn)的促進(jìn)作用較為令人信服，但需要注意2點(diǎn)：

其一，保留所有數(shù)據(jù)。長(zhǎng)水口氬封數(shù)據(jù)，要長(zhǎng)時(shí)間保留在數(shù)據(jù)庫(kù)中。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不可能經(jīng)常進(jìn)行工藝參數(shù)的變化，因?yàn)檫@對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)是不利的。所以，數(shù)據(jù)的讀取和保存對(duì)工藝改進(jìn)非常關(guān)鍵。目前，寶鋼基地一煉鋼分廠的3臺(tái)鑄機(jī)中，僅1臺(tái)鑄機(jī)保留了氬封歷史數(shù)據(jù)，其他2臺(tái)鑄機(jī)沒(méi)有氬封數(shù)據(jù)。因此，在后續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該注意將類(lèi)似的關(guān)鍵生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)全部納入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備就有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行討論和分析。

其二，機(jī)理的分析。在大數(shù)據(jù)的支撐下，經(jīng)過(guò)科學(xué)的分析，有了初步的結(jié)論，但僅停留在該階段并不能解決問(wèn)題。從上述飛濺鋁損和表面氧化鋁損的機(jī)理分析看，某工序的細(xì)節(jié)值得現(xiàn)場(chǎng)工藝人員和企業(yè)研發(fā)人員繼續(xù)深入思考，促使我們對(duì)于冶金相關(guān)機(jī)理進(jìn)行廣泛深入的了解，并從大數(shù)據(jù)上分析、驗(yàn)證并完善相關(guān)機(jī)理，最終推進(jìn)煉鋼工藝的進(jìn)步。

四、結(jié)論

（1）利用大數(shù)據(jù)，分析了轉(zhuǎn)爐停吹游離氧和中間包鋁損的相關(guān)原因。停吹游離氧到精煉處理前游離氧降低的主要原因，與加入鋁渣量有密切關(guān)系，屬于擴(kuò)散脫氧。中間包鋁損受兩因素影響，單從一個(gè)方面改進(jìn)，不能有效降低鋁損，應(yīng)該在降低氧分壓基礎(chǔ)上，減少長(zhǎng)水口鋼液的飛濺。

（2）完善的工藝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)于工藝的改善十分有利。在后續(xù)的大數(shù)據(jù)相關(guān)平臺(tái)搭建中，應(yīng)該注意必要數(shù)據(jù)采集的完整性。

（3）相關(guān)機(jī)理的分析，可以通過(guò)大數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，還有很多工藝的改進(jìn)值得我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)?？梢詫⒏咝Ｏ嚓P(guān)冶金理論的最新成果與企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)整合，促進(jìn)中國(guó)鋼鐵工藝的持續(xù)改善和進(jìn)步?！?/p>