基于云平臺的轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制技術(shù)研究

郭大偉

（承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 承德 067032）

轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)環(huán)境一般較差，煉鋼的整體工序比較繁瑣。因?yàn)楣ば驈?fù)雜，轉(zhuǎn)爐煉鋼無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量?，F(xiàn)在市場對鋼材要求的品質(zhì)僅依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行煉鋼控制是無法達(dá)成的，為了保障鋼材的品質(zhì)并通過降低消耗和成本提升市場競爭力，需要提升轉(zhuǎn)爐煉鋼的智能控制水平。通過智能控制煉鋼生產(chǎn)的精準(zhǔn)性，提高自動化煉鋼的效率，從而提升鋼材的品質(zhì)和降低成本。最常見的轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制系統(tǒng)為計算機(jī)控制系統(tǒng)，分為基礎(chǔ)控制和煉鋼流程控制兩部分，其中煉鋼流程控制是該系統(tǒng)的重點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)智能控制包含數(shù)據(jù)收集和補(bǔ)吹校正運(yùn)算這兩部分。在智能化中可以實(shí)現(xiàn)煉鋼的參數(shù)自動管理，在系統(tǒng)的可視性的界面上，將煉鋼溫度和工藝曲線等內(nèi)容充分展現(xiàn)出來。不僅解放了人工煉鋼的勞動力，同時，生產(chǎn)過程變得更加透明化。

煉鋼的原料是合金、鐵水等材料作為主材料[1]，在熱化學(xué)反應(yīng)的反映下轉(zhuǎn)化為鋼，在傳統(tǒng)的工藝中添加現(xiàn)代化的信息技術(shù)，使煉鋼技術(shù)的流程更加科學(xué)化，控制煉鋼技術(shù)變得更加精準(zhǔn)。智能控制技術(shù)提升煉鋼行業(yè)的生產(chǎn)效率，并降低煉鋼的成本，提升煉鋼產(chǎn)品的質(zhì)量。該技術(shù)簡化轉(zhuǎn)爐后吹的步驟，縮短煉鋼的冶煉時間。智能控制煉鋼還可以節(jié)省原材料，降低石灰石的消耗量，增加煉鋼所獲得的經(jīng)濟(jì)利潤。

綜上所述，本文提出基于云平臺的轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制技術(shù)，以云平臺為基礎(chǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化智能控制技術(shù)，以期降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

1 優(yōu)化基于云平臺控制的自動上料

自動化控制技術(shù)是冶煉工藝降低煉鋼成本的輔助技術(shù)，融合云平臺的技術(shù)不僅降低煉鋼成本，還提升整個冶煉行業(yè)的信息化程度。傳統(tǒng)的煉鋼技術(shù)使用石灰造渣，然而，本文使用石灰石代替，平衡轉(zhuǎn)爐的預(yù)付熱量，間接節(jié)省煉鋼的降溫材料。在轉(zhuǎn)爐內(nèi)直接加入石灰石將石灰煅燒的過程省略，通過煉鋼燃燒的熱量直接將石灰鍛造成石灰石。鋼鐵企業(yè)在煉鋼時不僅承擔(dān)煉鋼的成本，還應(yīng)承擔(dān)例如爐內(nèi)降溫等附加成本，降低附加成本有利于降低煉鋼的整體成本。石灰石加熱產(chǎn)生CO2，可以平衡熱能。

解決了熱能平衡問題后，采取全封閉的加料方式，將加料倉的開口設(shè)計為自動加料控制，防止反復(fù)開啟導(dǎo)致煉鋼熱量散失、粉塵和煙氣溢出的問題。為了能夠在爐煙穿透廢鋼的過程中被有效過濾，采取穿透式廢鋼預(yù)熱的方式對煙氣進(jìn)行處理。降低粉塵的含量，金屬粉塵一部分消散在過濾的過程中，另一部分被有效的處理，粉塵排放量地下降，有效降低排風(fēng)設(shè)備運(yùn)行的成本。粉塵的排放量降低，同時提升了合金的回收率。自動控制系統(tǒng)使用爐側(cè)頂斜槽加料的加料模式，使用運(yùn)動速度的慣性加上斜槽弧度水平分量傳送料。電爐的冷區(qū)實(shí)現(xiàn)散熱優(yōu)化，廢鋼預(yù)熱技術(shù)在散熱后進(jìn)行煙氣分流，準(zhǔn)確控制分流除塵管道的煙塵流量，抑制有害氣體的產(chǎn)生。爐側(cè)頂斜槽加料方式在廢鋼預(yù)熱的時候與接口之間設(shè)置擋料門，通過隔擋控制落料的狀態(tài)，一般情況下?lián)趿祥T處于關(guān)閉狀態(tài)，門內(nèi)自動加料。密封罩中的煙氣實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)預(yù)熱，料門的關(guān)閉防止熱量飄散。采用PLC+變頻調(diào)速控制料門開合判斷的可靠性，自動化邏輯訓(xùn)練是增強(qiáng)穩(wěn)定性的有效方式[2]，控制料門的開合時機(jī)，開合時長和開合速度，在邏輯化訓(xùn)練的前提下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和精準(zhǔn)控制。全自動控制按照工序安排斜軌上料的全過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)自動控制，與傳統(tǒng)的人工控制相比更加的高效、安全，并能精準(zhǔn)的控制用料量，避免浪費(fèi)，降低生產(chǎn)成本提升煉鋼企業(yè)的核心競爭力。在了解工序順序的前提下，將云平臺控制技術(shù)運(yùn)用到自動上料環(huán)節(jié)。

2 云平臺智能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)爐耗能

基于云平臺的數(shù)字化智能控制調(diào)節(jié)電能的系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和控制模塊組成。DMI-SE系統(tǒng)在后臺配合運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)電能調(diào)節(jié)的自動跟蹤，伴隨著煉鋼程序的開始，便產(chǎn)生電能消耗。將電耗的數(shù)據(jù)積累之后形成耗電曲線，耗電量的數(shù)值在曲線上呈現(xiàn)。數(shù)據(jù)的采集和處理采用新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，該處理模式的數(shù)據(jù)采集比較準(zhǔn)確。在保障數(shù)據(jù)采集正確率的前提下，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集的速度。傳統(tǒng)的電流變送器的數(shù)據(jù)采集方式需要190ms，本文設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速度平均為65ms。節(jié)省2倍的傳輸時間[3]。云平臺的數(shù)據(jù)傳播方式更加多元化，傳播途徑更加穩(wěn)定。云平臺自帶的高安全性在提升傳輸速度的同時，加強(qiáng)了信息傳輸?shù)男湃味取?/p>

在轉(zhuǎn)爐電能的智能調(diào)節(jié)中，前置處理器采取分步處理，進(jìn)而減輕云平臺數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，其不影響數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確率。分散數(shù)據(jù)處理的方式有效的縮短智能調(diào)節(jié)的時間，穩(wěn)定溫度，達(dá)到節(jié)約煉鋼材料的目的。在煉鋼的過程中智能控制的設(shè)備往往產(chǎn)生較大的噪音，但本文設(shè)計的調(diào)節(jié)電能方式無需噪音大的控制設(shè)備，降低了煉鋼廠的噪音污染。通過最優(yōu)生產(chǎn)控制降低轉(zhuǎn)爐煉鋼的耗能，準(zhǔn)確控制生產(chǎn)進(jìn)程和冶煉階段的原材料消耗。以云平臺精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)做支撐，將數(shù)據(jù)傳輸至智能控制的前端傳感器，控制器通過目標(biāo)數(shù)據(jù)對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的設(shè)定和修正，為完成冶煉做好控制，達(dá)到精準(zhǔn)控制內(nèi)耗的作用，實(shí)現(xiàn)材料消耗的最佳控制。

3 設(shè)計檢測爐內(nèi)智能控制傳感器

云平臺有效實(shí)現(xiàn)DMI-SE數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)工作人員實(shí)時觀察每一步生產(chǎn)的數(shù)據(jù)。在轉(zhuǎn)爐煉鋼的整個過程中將高次諧波發(fā)生量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，通過計算機(jī)處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合人工設(shè)置的冶煉步驟，將其作為傳感器的數(shù)據(jù)參考，實(shí)現(xiàn)對爐內(nèi)廢鐵水的熔化狀態(tài)的感應(yīng)。

基于云平臺的數(shù)據(jù)適應(yīng)性和模糊控制性，在對狀態(tài)進(jìn)行判斷的時候需要強(qiáng)化學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，保證后期的對爐內(nèi)的狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。并且氧槍的工作模式通過智能控制進(jìn)行有效調(diào)整。計算煉鋼的加料間隔，判斷加料時間點(diǎn)，并在時間點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)時加料。避免因加料時間不準(zhǔn)確造成的能源浪費(fèi)，提升煉鋼資源的利用率。

調(diào)節(jié)器感應(yīng)到爐內(nèi)的溫度，傳統(tǒng)的人工測溫方式對爐內(nèi)進(jìn)行取樣測溫，數(shù)據(jù)依靠人為記錄，全部記錄完成后，分享溫度數(shù)據(jù)，該方法無法對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測[4]。本文設(shè)計的傳感器溫度感應(yīng)設(shè)備與信號傳輸設(shè)備相連接，溫度在被感應(yīng)到之后，將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)綗掍撈髽I(yè)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全公司共享，云平臺的冶煉模型系統(tǒng)還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)修正，以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗。

自動測溫取樣在轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制技術(shù)中節(jié)省了勞動力，云平臺實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)共享技術(shù)、智能降低能耗技術(shù)和傳感器智能感應(yīng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煉鋼步驟的自動化，結(jié)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)提升轉(zhuǎn)爐煉鋼的冶煉效率。

4 控制實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文設(shè)計的轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制技術(shù)的有效性和可行性，設(shè)置對比實(shí)驗(yàn)，對比技術(shù)分別為傳統(tǒng)的人工轉(zhuǎn)爐煉鋼控制技術(shù)和轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為煉鋼原料的消耗量，即成本節(jié)約量，以此進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

使用常規(guī)的轉(zhuǎn)爐進(jìn)行煉鋼操作，在智能控制的模型的前提下，在100t的轉(zhuǎn)爐中加入剩余的渣料。將智能控制調(diào)節(jié)為鋼磷量0.015%和0.035%，轉(zhuǎn)爐和材料的參數(shù)如表1所示：

其中鐵水中的微量元素化學(xué)成分為4%的C、0.1%的Mn、0.08%的P、0.2%的Si以及0.02%的S，智能控制的煉鋼過程中，氧氣在轉(zhuǎn)爐中的壓力為1.74MPa，前提是轉(zhuǎn)爐中的槍位控制在1.65m左右，轉(zhuǎn)爐燃燒的供氧時間為0.25h，根據(jù)表1可知，轉(zhuǎn)爐的吹氧周期為20min～25min，冶煉周期為40min～55min，因此，本次實(shí)驗(yàn)的冶煉時間定為46min，智能控制的溫度受控率可達(dá)到85%以上。在實(shí)驗(yàn)煉鋼進(jìn)行5min之后開始對槍位進(jìn)行調(diào)整，噴頭補(bǔ)水次數(shù)達(dá)到300次，平均每5min起渣一次，為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的效果，保證吹氧時間在10min以上，保證煉鋼堿度適中并且原材料脫P(yáng)。金屬收得率需要返干低噴濺率才能保證。因此，使用流動性好的燃料。實(shí)驗(yàn)使用的原料在燃燒之后終渣堿度在3以下，堿度充足。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)基礎(chǔ)

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，基于云平臺的轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制技術(shù)與傳統(tǒng)的人工轉(zhuǎn)爐煉鋼控制技術(shù)和轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制系統(tǒng)相比，煉鋼原料的消耗量對比結(jié)果如圖1所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖一所示，基于云平臺的轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制技術(shù)下煉鋼平均消耗47g/T的石灰、24g/T的白云石和33g/T的石灰石。而傳統(tǒng)的人工轉(zhuǎn)爐煉鋼控制技術(shù)和轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制系統(tǒng)的消耗量遠(yuǎn)大于本文實(shí)際的控制技術(shù)。因此，本文的智能控制技術(shù)有效降低了煉鋼原料的消耗量。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的方式通過自動控制的方法提升了轉(zhuǎn)爐煉鋼的重點(diǎn)命中率，并通過縮短冶煉時間和降低補(bǔ)吹率的方式提升鋼的質(zhì)量，提升了鑄鋼過程的整體質(zhì)量，推進(jìn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，將云平臺與煉鋼技術(shù)結(jié)合是煉鋼技術(shù)的創(chuàng)新。該技術(shù)節(jié)省了煉鋼原料，降低了不必要的浪費(fèi)，間接降低了煉鋼的成本。