轉(zhuǎn)爐智能冶煉優(yōu)化模型的研究與應(yīng)用

供稿|占小立，張立強(qiáng)，張超杰，伏凱旋，宋迎前，趙傲南，程瑾琦 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

在當(dāng)前工業(yè)大數(shù)據(jù)和智能化發(fā)展的背景下，轉(zhuǎn)爐低成本高效率自動(dòng)化智能煉鋼是現(xiàn)代煉鋼工藝發(fā)展的大趨勢(shì)?；谀硰S實(shí)際生產(chǎn)條件，以轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)和靜態(tài)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合控制模型、基礎(chǔ)自動(dòng)化、天車定位機(jī)自動(dòng)識(shí)別及物流跟蹤、二級(jí)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫(kù)管理等模塊研發(fā)了轉(zhuǎn)爐智能煉鋼優(yōu)化模型系統(tǒng)。模型在應(yīng)用中，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)命中率由經(jīng)驗(yàn)煉鋼60%左右達(dá)一般水平大于80%，先進(jìn)水平達(dá)90%，補(bǔ)吹率相比經(jīng)驗(yàn)煉鋼降低50%以上，煉鋼時(shí)間縮短2～10 min/爐，終點(diǎn)爐渣氧化性(FeO)降低1%～5%，有效減少人工操作帶來(lái)的誤差和鋼水質(zhì)量波動(dòng)，提高成品品質(zhì)并實(shí)現(xiàn)低能耗生產(chǎn)。

工業(yè)大數(shù)據(jù)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中全生命周期的數(shù)據(jù)總和，是智能制造的核心，也是中國(guó)制造2025實(shí)施的關(guān)鍵支撐[1-4]。以“大數(shù)據(jù)+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”為基礎(chǔ)，用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)引領(lǐng)工業(yè)生產(chǎn)方式的變革，拉動(dòng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的創(chuàng)新發(fā)展。對(duì)于鋼鐵行業(yè)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)難以勝任高精度和高可靠性的要求，同時(shí)鋼鐵工業(yè)大數(shù)據(jù)也區(qū)別于離散生產(chǎn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，需要建立基于工藝機(jī)理模型上的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，整合設(shè)備自動(dòng)化、過(guò)程控制、生產(chǎn)控制、制造管理等數(shù)據(jù)，打通縱向和橫向的數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)管控銜接和工序銜接，并利用數(shù)據(jù)分析結(jié)果反過(guò)來(lái)指導(dǎo)各個(gè)環(huán)節(jié)的控制與管理決策，并通過(guò)效果監(jiān)測(cè)的反饋閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)決策控制持續(xù)優(yōu)化。

人們對(duì)鋼鐵的需求量與日俱增。但是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)存在著生產(chǎn)效率低下、耗能嚴(yán)重等問(wèn)題，難以適應(yīng)目前鋼鐵行業(yè)高速發(fā)展的需求，因此需要將傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式跟現(xiàn)代化的自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合，提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，使煉鋼生產(chǎn)更智能化。

轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用，可以使復(fù)雜的轉(zhuǎn)爐煉鋼操作簡(jiǎn)單化，使轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)操作更加便捷，并且提高了鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量，為鋼鐵企業(yè)帶來(lái)了更多的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5-6]。采用動(dòng)態(tài)控制模型可實(shí)時(shí)了解轉(zhuǎn)爐冶煉狀態(tài)，達(dá)到高效冶煉的目的。因此將互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)大數(shù)據(jù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)爐冶煉模型，減少人工計(jì)算帶來(lái)的誤差，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)鋼鐵企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展是未來(lái)的發(fā)展方向[7-9]。

轉(zhuǎn)爐智能冶煉優(yōu)化模型建立

轉(zhuǎn)爐智能冶煉優(yōu)化模型控制是在轉(zhuǎn)爐動(dòng)態(tài)控制的基礎(chǔ)上采集控制模型、基礎(chǔ)自動(dòng)化、天車定位機(jī)自動(dòng)識(shí)別及物流跟蹤、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫(kù)管理等工藝設(shè)備數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)建立的模型。

系統(tǒng)原理

轉(zhuǎn)爐冶煉模型通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集控制基礎(chǔ)自動(dòng)化和煉鋼過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊、存儲(chǔ)、挖掘，用于計(jì)算機(jī)模型自學(xué)習(xí)自我完善。在轉(zhuǎn)爐吹煉前，根據(jù)裝入的鐵水量、廢鋼量通過(guò)靜態(tài)控制模型自動(dòng)計(jì)算出各種輔原料的數(shù)量和加入批次，自動(dòng)給出氧槍槍位曲線和氧氣總量，并通過(guò)一級(jí)自動(dòng)化發(fā)出指令自動(dòng)調(diào)整氧槍高度和氧氣流量，實(shí)時(shí)計(jì)算熔池脫碳速率。

利用音頻曲線實(shí)時(shí)反映爐內(nèi)渣料熔化情況，預(yù)測(cè)出熔池內(nèi)能量與物料平衡及轉(zhuǎn)爐熔池內(nèi)熔渣與鋼水成分溫度變化情況，根據(jù)爐氣分析等在線檢測(cè)及時(shí)獲得爐內(nèi)信息，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)轉(zhuǎn)爐操作進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)吹煉過(guò)程全自動(dòng)操作，終點(diǎn)碳、溫度和終點(diǎn)P精確命中，計(jì)算合金加入量進(jìn)行鋼水成分調(diào)整，滿足鋼水澆鑄成分要求，達(dá)到智能化自動(dòng)化煉鋼的目的。

系統(tǒng)架構(gòu)

轉(zhuǎn)爐冶煉模型系統(tǒng)是軟硬件模型技術(shù)的綜合體，由應(yīng)用軟件、標(biāo)準(zhǔn)化軟件和設(shè)備服務(wù)器組成，主要組成簡(jiǎn)要描述(圖1)。

圖1 轉(zhuǎn)爐冶煉模型系統(tǒng)框架圖

轉(zhuǎn)爐冶煉模型系統(tǒng)包括設(shè)備層、基礎(chǔ)自動(dòng)化(L1)、過(guò)程自動(dòng)化(L2)和轉(zhuǎn)爐冶煉模型四個(gè)子系統(tǒng)。設(shè)備層由現(xiàn)有的轉(zhuǎn)爐及其配套機(jī)械設(shè)備和電氣控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)爐本體、加料、氧槍、底吹、檢驗(yàn)分析及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表?；A(chǔ)自動(dòng)化(L1)包括轉(zhuǎn)爐、加料、氧槍、底吹等可編程邏輯控制器(PLC)和計(jì)算機(jī)組成的控制系統(tǒng)，主要完成冶煉過(guò)程中數(shù)據(jù)和設(shè)備狀況信息的收集，并根據(jù)模型指令完成設(shè)備控制過(guò)程的執(zhí)行。過(guò)程自動(dòng)化(L2)通過(guò)計(jì)算機(jī)和軟件工程提高系統(tǒng)和操作過(guò)程的效率并降低操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

轉(zhuǎn)爐冶煉模型通過(guò)煙氣成分在線檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，結(jié)合副槍系統(tǒng)，采用具有自學(xué)習(xí)功能的人工智能靜動(dòng)態(tài)控制模型，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)熔池內(nèi)脫碳和溫度變化，提高碳溫命中率，降低生產(chǎn)成本，有效提高產(chǎn)品成分均勻性和質(zhì)量的穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)爐主控室設(shè)置自動(dòng)化煉鋼操作站，計(jì)算機(jī)用于轉(zhuǎn)爐冶煉模型監(jiān)控及操作顯示。

核心功能

轉(zhuǎn)爐冶煉模型可根據(jù)磷的分配比計(jì)算石灰等輔料加入量，滿足各種條件下的脫磷要求，比用堿度計(jì)算更合理，降低鋼鐵料消耗和石灰消耗；可對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積進(jìn)行處理用于計(jì)算終點(diǎn)碳，具有自動(dòng)排除異常和自適應(yīng)功能；模型靜態(tài)和動(dòng)態(tài)都具有自學(xué)習(xí)功能，參數(shù)少且?guī)缀醪恍枰S護(hù)；操作畫(huà)面少、簡(jiǎn)潔直觀，可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸全自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)便于操作工修改和輸入數(shù)據(jù)；具有目標(biāo)計(jì)算、槍位擬合、實(shí)時(shí)溫度計(jì)算、煙氣分析計(jì)算碳、渣況記錄和預(yù)報(bào)、磷預(yù)測(cè)計(jì)算、錳預(yù)測(cè)計(jì)算等功能；具有模型使用效果和成本統(tǒng)計(jì)、評(píng)價(jià)、分析功能，可以取消現(xiàn)場(chǎng)人工記錄和報(bào)表，投入少，接入靈活，不影響原有系統(tǒng)，可與原有模型并行處理。具體模型圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)爐冶煉模型實(shí)現(xiàn)方案和功能模塊

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)爐煉鋼模型在計(jì)算過(guò)程中首先要獲得計(jì)算所需的模型參考爐次數(shù)據(jù)、鋼種要求以及計(jì)算爐次裝入數(shù)據(jù)和計(jì)算目標(biāo)，然后計(jì)算石灰、鎂球、助熔劑加入量、出鋼量。通過(guò)模型靜態(tài)自學(xué)習(xí)計(jì)算出當(dāng)前爐次所需的礦石加入量、氧氣量，按照加料、氧槍、副槍操作模式計(jì)算各操作步驟數(shù)據(jù)并計(jì)算合金。隨后通過(guò)煙氣分析實(shí)時(shí)計(jì)算熔池溫度、碳含量、噴濺預(yù)測(cè)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算熔池溫度、碳含量。在冶煉結(jié)束獲得當(dāng)前爐次的實(shí)際加料量、吹氧量、停吹碳、停吹溫度，并判斷是否加入學(xué)習(xí)組，更新并保存自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，同時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)自學(xué)習(xí)并更新數(shù)據(jù)子系統(tǒng)功能。

鐵水采集子系統(tǒng)

鐵水是智能煉鋼系統(tǒng)的基礎(chǔ)物料，因此對(duì)其裝入質(zhì)量、成分和溫度數(shù)據(jù)采集十分關(guān)鍵，誤差控制在0.5%內(nèi)。通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)采集，獲得轉(zhuǎn)爐工藝要求兌入鐵水成分、溫度、質(zhì)量的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送入智能化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為轉(zhuǎn)爐智能煉鋼實(shí)時(shí)自動(dòng)提供相關(guān)在線信息和數(shù)據(jù)管理。

廢鋼采集子系統(tǒng)

廢鋼的裝入量及品質(zhì)要求質(zhì)量誤差控制在0.5%內(nèi)。廢鋼按照冶煉品種和工藝過(guò)程要求，天車工用磁盤(pán)吊吸入廢鋼的品種和質(zhì)量，加到廢鋼斗中，計(jì)算機(jī)采集準(zhǔn)確的入爐廢鋼的品種和質(zhì)量。

轉(zhuǎn)爐冶煉模型子系統(tǒng)

該系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐冶煉模型的大腦和指揮中心。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行操作、優(yōu)化和生成結(jié)果評(píng)估，從而不斷提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和命中率。主要的數(shù)學(xué)模型有：主原料加料吹氧計(jì)算模型、主吹階段控制模型、副吹階段控制模型、底吹控制模型、鋼水溫度實(shí)時(shí)計(jì)算模型、副槍定碳模型、動(dòng)態(tài)鋼水碳和溫度實(shí)時(shí)計(jì)算模型、合金料加入計(jì)算模型以及磷含量預(yù)測(cè)和快速出鋼判斷模型。

模型系統(tǒng)運(yùn)行效果

轉(zhuǎn)爐冶煉模型系統(tǒng)作為管理、技術(shù)、操作相結(jié)合的平臺(tái)，可提高終點(diǎn)控制精度和命中率，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制煉鋼終點(diǎn)命中率平均水平大于80%，先進(jìn)水平可達(dá)到90%以上，與經(jīng)驗(yàn)煉鋼終點(diǎn)60%左右的命中率相比有大幅提高。模型具有先進(jìn)的自學(xué)習(xí)功能，可精確計(jì)算吹煉參數(shù)，并不斷優(yōu)化，與經(jīng)驗(yàn)煉鋼的粗略計(jì)算相比更加精確，可自適應(yīng)熔劑和廢鋼原料變化、轉(zhuǎn)爐爐型變化，將其吹煉所需的氧氣量和造渣劑用量控制在最佳范圍。

采用基于智能型動(dòng)態(tài)控制模型和低中高碳鋼優(yōu)化脫磷工藝模型，不受爐前操作人員水平狀況影響，穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程得到碳、溫度、磷成份均勻，波動(dòng)范圍小的合格鋼水。運(yùn)用系統(tǒng)可降低補(bǔ)吹率，靜態(tài)控制煉鋼再吹率一般情況下小于10%，而動(dòng)態(tài)控制煉鋼再吹率可控制到5%以下，比經(jīng)驗(yàn)煉鋼減少一半以上，同時(shí)系統(tǒng)具有快速出鋼功能，模型煉鋼時(shí)間比經(jīng)驗(yàn)煉鋼縮短2～10 min/爐，大大降低了鋼水氧化性，提高鋼水質(zhì)量。

由于提高了鋼水終點(diǎn)控制的精度和命中率，減少了倒?fàn)t補(bǔ)吹次數(shù)，從而降低終點(diǎn)爐渣氧化性(FeO降低1%～5%)和鋼水氧含量(可降低30×10?6以上)，大量減少在合金化和后處理中產(chǎn)生的夾雜物，從而提高鋼水潔凈度。采用轉(zhuǎn)爐智能化自動(dòng)煉鋼技術(shù)可減少返吹次數(shù)，由此可防止鋼水過(guò)氧化，并降低10%的鋼水氧含量，降低爐渣中(FeO)含量1%～5%，更優(yōu)化使用輔料和供氧。

根據(jù)爐氣分析等在線數(shù)據(jù)，并結(jié)合轉(zhuǎn)爐靜態(tài)控制模型和動(dòng)態(tài)控制模型，通過(guò)轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐的加料、吹氧、氧槍槍位、底吹攪拌、終點(diǎn)溫度成分的全自動(dòng)化控制和冶煉過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一鍵式煉鋼，使煉鋼過(guò)程的操作實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化、智能化。同時(shí)，提供技術(shù)管理平臺(tái)，有利于開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，便于員工培訓(xùn)，減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，減少班組間技能差異，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源惟一化，自動(dòng)采集、存儲(chǔ)煉鋼重點(diǎn)過(guò)程參數(shù)，煉鋼重點(diǎn)關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)(KPI)展示，自動(dòng)生成煉鋼日?qǐng)?bào)表，提供煉鋼過(guò)程數(shù)據(jù)惟一性，為大數(shù)據(jù)挖掘提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

通過(guò)評(píng)估鋼水實(shí)際P含量以及溫度的命中程度來(lái)評(píng)估轉(zhuǎn)爐智能煉鋼模型的實(shí)際運(yùn)行效果。冶煉后的鋼水P樣本均值為0.020，有3%左右的樣本超過(guò)上限值(0.035)，過(guò)程基本可控。實(shí)際吹煉過(guò)程中，化驗(yàn)的鋼水P比設(shè)定的目標(biāo)P總體少0.006(樣本均值?0.006)，質(zhì)量浪費(fèi)現(xiàn)象較少。圖3為鋼水化驗(yàn)中P的分布情況，圖4為鋼水P偏差(化驗(yàn)-目標(biāo))的分布情況。

結(jié)束語(yǔ)

本研究采用理論模型和數(shù)據(jù)修正結(jié)合的方法構(gòu)建了轉(zhuǎn)爐智能冶煉優(yōu)化模型，有效的指導(dǎo)了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過(guò)程，克服了冶煉過(guò)程經(jīng)驗(yàn)配料的不足，對(duì)降低冶煉成本和進(jìn)一步智能化改造具有重要意義。本模型的優(yōu)勢(shì)在于：

(1)先進(jìn)的自學(xué)習(xí)功能，冶煉結(jié)束獲得當(dāng)前爐次的實(shí)際加料量、吹氧量、停吹碳和停吹溫度，判斷是否加入學(xué)習(xí)組更新并保存學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)參數(shù)自學(xué)習(xí)。

圖3 鋼水化驗(yàn)中P的分布情況

圖4 鋼水P偏差(化驗(yàn)-目標(biāo))的分布情況

(2)提高了終點(diǎn)控制精度和命中率，經(jīng)驗(yàn)煉鋼終點(diǎn)命中率一般在60%左右，應(yīng)用該模型計(jì)算機(jī)控制煉鋼終點(diǎn)命中率一般水平大于80%，先進(jìn)水平大于90%。提高了轉(zhuǎn)爐冶煉的節(jié)奏，補(bǔ)吹率比經(jīng)驗(yàn)煉鋼降低一半以上，模型煉鋼時(shí)間比經(jīng)驗(yàn)煉鋼縮短2～10 min/爐。

(3)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)煉鋼，降低生產(chǎn)成本，根據(jù)爐氣分析等在線數(shù)據(jù)，并結(jié)合轉(zhuǎn)爐靜態(tài)控制模型和動(dòng)態(tài)控制模型，通過(guò)轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐的加料、吹氧、氧槍槍位、底吹攪拌、終點(diǎn)溫度成分的全自動(dòng)化控制和冶煉過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)一鍵式煉鋼。使煉鋼過(guò)程的操作實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化和智能化。