鋼包定位系統(tǒng)在煉鋼生產中的應用

王金輝，王洪濤，王巒濤，張國垣，吳躍鵬

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

煉鋼生產過程中，鋼包不僅是鋼水轉運的載體，更是將轉爐、爐外精煉和連鑄等生產工序有機聯(lián)系起來的關鍵環(huán)節(jié)。加強對鋼包的動態(tài)監(jiān)控和有效管理，可以有效的提高生產節(jié)奏。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠（以下簡稱“三分廠”）廠房布局不合理，煉鋼車間和連鑄車間相距400 m，一直使用火車運輸鋼包，且依靠人工管理鋼包運輸過程，對生產調度擾動較大。為了保證生產節(jié)奏有序進行，提高生產效率，三分廠于2017年研究開發(fā)了鋼包定位系統(tǒng)，且對原有生產調度系統(tǒng)進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了對煉鋼生產過程的智能管控，本文對此做一介紹。

1 鋼包定位系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 鋼包定位系統(tǒng)構架

三分廠廠房布局示意圖見圖1。如圖1所示，廠房包括鋼包整備位、烘烤位、轉爐、爐外精煉和鑄機15個工藝處理位。另有4臺鋼水轉運吊車，每臺吊車安裝車載數(shù)據(jù)采集終端。

圖1 廠房布局示意圖Fig.1 Diagram of Workshop Layout

1.2 鋼包定位系統(tǒng)的組成

鋼包定位系統(tǒng)主要由吊車系統(tǒng)和吊車外系統(tǒng)構成，圖2為吊車系統(tǒng)結構圖，圖3為吊車外系統(tǒng)結構圖。鋼包定位系統(tǒng)主要包括稱重傳感器、天車定位讀寫器天線、高度補償編碼器、小車定位器、大屏幕顯示器、串口服務器、以太網交換機、無線AP和服務器計算機等。讀寫器共26個，為超高頻，主要安裝在鋼包定位工位旁，用于采集現(xiàn)場吊車重量、吊車位置、吊車主小車位置和鋼包位置。吊車定位天線安裝在天線端面，吊車走行路徑的每個固定工位安裝1個電子標簽。由于鋼包表面溫度達到300℃，因此鋼包需要使用耐高溫電子標簽。

圖2 吊車系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structural Drawing of Crane System

圖3 吊車外系統(tǒng)結構圖Fig.3 Structural Drawing of Crane External System

1.3 鋼包定位系統(tǒng)客戶端

鋼包定位系統(tǒng)客戶端由計算機客戶端和手機APP客戶端組成，實時顯示鋼包位置、吊車狀態(tài)、各工位生產狀態(tài)、各工位讀寫器狀態(tài)和鋼包預測信息等。服務器計算機負責從現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)，采集鋼包到達每個工位的時間點，計算每個工序的處理時間，實現(xiàn)了對鋼包的精準管控。

1.4 RFID定位系統(tǒng)

根據(jù)鋼包定位系統(tǒng)的使用環(huán)境和工藝特點，采用抗干擾性強、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的射頻識別系統(tǒng)（RFID）對鋼包進行定位。RFID定位系統(tǒng)利用無線射頻方式進行通信，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。該系統(tǒng)主要由讀寫器、電子標簽、天線和應用系統(tǒng)組成。讀寫器主要負責與電子標簽的雙向通信，電子標簽是由IC芯片和無線通信天線組成的微型小標簽，其內置的射頻天線用于和讀寫器進行通信，也稱為無源標簽。RFID系統(tǒng)結構如圖4所示。

圖4 RFID系統(tǒng)結構圖Fig.4 Structural Drawing of RFID System

RFID的工作流程：讀寫器內部自發(fā)產生一個載波信號，該信號經過讀寫器的發(fā)射天線向外發(fā)射，當電子標簽進入讀寫器所發(fā)射的電磁波有效覆蓋區(qū)域內時，電子標簽被激活。標簽憑借電磁感應電流所獲得的能量將儲存在芯片中的自身編碼信息通過發(fā)送天線發(fā)送。讀寫器接收天線接收到標簽發(fā)送來的載波信號后，經天線調節(jié)器傳送給讀寫器，讀寫器對接收信號進行解調和譯碼后傳輸給二級計算機。

2 生產調度系統(tǒng)的優(yōu)化

鋼包定位系統(tǒng)和原有MES（三級生產系統(tǒng)）相結合，使鋼包運輸過程得到有效管控，生產調度系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)支持。在鋼包實時動態(tài)跟蹤的基礎上，建立鋼包管理系統(tǒng)，根據(jù)鋼包溫度和特性使用鋼包，使生產調度系統(tǒng)的效率大幅提升。

2.1 建立鋼包管理系統(tǒng)

2.1.1 鋼包溫度測量

在轉爐氬站平臺的取樣位置安裝在線測溫儀，當鋼包車從坐罐位向出鋼位走行，經過氬站平臺時，測溫儀自動跟蹤鋼包，并通過信號處理及時讀取鋼包的溫度信息。

2.1.2 鋼包溫度分級

依據(jù)在線測溫系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)將鋼包分為A、B、C、D四個等級，表1為鋼包溫度等級描述。D等級最好，A等級最差，不同的鋼包等級對應不同的操作建議。

表1 鋼包溫度等級描述Table 1 Description of Temperature Grade for Ladle

2.1.3 智能推薦鋼包模塊建立

在鋼包一個完整壽命周期內，由于盛裝鋼水的成分不同，鋼包再一次使用時要禁止盛裝某一類鋼種。例如上一罐生產高硅鋼或高碳鋼后，下一罐將不能生產低硅鋼或超低碳鋼種。為了實現(xiàn)智能管理，在后臺程序中以鋼質代碼為基本單位，設置鋼包禁用規(guī)則，作為智能推薦鋼包模塊的限制性邊界條件。系統(tǒng)可以自動運行智能推薦鋼包模塊，推薦最合理的待用鋼包。通過人機對話畫面完成鋼包的最后確認工作。

2.2 工序時間數(shù)據(jù)庫的建立

鋼包定位系統(tǒng)和鋼包管理系統(tǒng)的開發(fā)和建立，解決了鋼包運輸過程管控和鋼包合理使用問題。但是爐外精煉等工序的處理時間和各工序的倒運時間仍然是生產調度系統(tǒng)高效運行的限制性因素。因此，結合鋼種特點建立了工序時間數(shù)據(jù)庫。

2.2.1 鋼種一級分類

以爐外精煉選擇的工位進行劃分，將所有鋼種劃分為四大類。

ANS類：爐外精煉CAS-OB爐處理類鋼種；

RH類：爐外精煉RH-TB真空爐處理類鋼種；

LF類：爐外精煉LF爐處理類鋼種；

雙聯(lián)類：必須經過RH-TB真空爐和LF爐先后處理的鋼種。

2.2.2 鋼種二級分類

根據(jù)成分控制的難易程度和處理時間平均增加量劃分。表2為RH類鋼種二級分類對應工序時間表。

表2 RH類鋼種二級分類對應工序時間表Table 2 Schedule for Secondary Classification of RH Steel Grades by Corresponding Process min

R-2為RH工位的基準鋼種，其工序用時為120 min，其他鋼種根據(jù)成分和鋼種特性，在其基礎上進行了時間調整。比如：R-1為RH淺處理鋼種（真空度大于0.2 kPa情況下，在RH進行二次爐外精煉處理的鋼種統(tǒng)稱），不需要進行深脫碳工藝，工序處理時間為 110 min，節(jié)約深脫碳時間10 min；又如G-5為取向硅鋼鋼種，硅含量高，酸溶鋁成分控制范圍窄，爐外二次精煉過程需要多等2個檢驗結果，因此工序時間較長，為147 min。

2.2.3 工序耗時標準化

規(guī)范KR脫硫工位至鑄機工位的各工序耗時。以RH類鋼種G-1分類為例，各工序耗時標準化時間如表3所示。由表3看出，將整個工序分為五個階段，每個階段的耗時均進行了標準化管理。由于各類鋼種成分和自身設計的需要，除“進入RH至離開RH、離開RH至開澆”階段存在一定差別，其他鋼種的工序也實現(xiàn)了過程控制標準化。

表3 G-1類鋼種各工序耗時標準化時間Table 3 Standardized Time for Consuming Time of All Working Procedures for Production of G-1 Steel Grade min

2.2.4 數(shù)據(jù)庫維護

數(shù)據(jù)庫定期維護，保證與實際生產情況相符。工序時間數(shù)據(jù)庫維護參數(shù)如圖5所示。

圖5 工序時間數(shù)據(jù)庫維護參數(shù)Fig.5 Maintenance Parameters for Process Time Database

在四大類鋼種一級分類和二級分類的基礎上，進一步將數(shù)據(jù)庫細化為22個可調整窗口，每月根據(jù)某類鋼種的實際工序時間，對窗口值進行微調和對鋼種代碼進行重新分類，保證數(shù)據(jù)庫內數(shù)據(jù)標準值與實際生產情況相符。

建立工序時間數(shù)據(jù)庫，為生產調度系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)了生產調度的實時化，做到了“計劃執(zhí)行按時按點，工序過程實時可控，異常情況智能調整”。同時借助原有MES系統(tǒng)和ERP管理系統(tǒng)，合理運輸鑄坯，準確配車。

3 應用效果

鋼包定位系統(tǒng)投入使用后，提高了對上下工序銜接過渡環(huán)節(jié)的管控能力，應用前后轉爐出鋼溫度等指標對比見表4。

表4 鋼包定位系統(tǒng)應用前后轉爐出鋼溫度等指標對比Table 4 Comparison of Indexes Including Tapping Temperature in Converter before and after Application of Positioning System for Ladle

由表4看出，轉爐出鋼溫度較系統(tǒng)應用前降低12.2℃，二次精煉鋼水升溫幅度穩(wěn)中有降，平均升溫比系統(tǒng)應用前下降2.3℃，鋼包在線周轉個數(shù)減少2個，約減少20%。

4 結語

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠三分廠鋼包定位系統(tǒng)可以實時、動態(tài)地跟蹤鋼包信息，為生產調度系統(tǒng)提供生產數(shù)據(jù)支持和決策支持。該系統(tǒng)投入使用后，轉爐出鋼溫度降低12.2℃，二次精煉鋼水平均溫度下降2.3℃，鋼包在線周轉個數(shù)減少20%，保證了生產節(jié)奏的有序進行，提高了生產效率。