90 t電弧爐煉鋼流程一鍵合金加料優(yōu)化系統(tǒng)分析

蘆 莎，朱和平，王 巍，戴伶俐，周海燕

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214429)

0 引 言

電弧爐煉鋼是一項(xiàng)重要冶煉工藝，關(guān)鍵點(diǎn)在于合金加料控制，將物料控制在指定范圍內(nèi)，解決合金元素不足或超標(biāo)問題，使加料系統(tǒng)具有穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。一鍵合金加料應(yīng)得到系統(tǒng)支持，采用智能化的控制手段，將規(guī)劃算法應(yīng)用在投料控制中，構(gòu)建精準(zhǔn)的投料控制模型，滿足投料精度的控制要求，實(shí)現(xiàn)電弧煉鋼的工業(yè)化生產(chǎn)，保證指定鋼種得到有效冶煉。

1 電弧爐煉鋼流程一鍵合金加料優(yōu)化系統(tǒng)概況

電弧爐煉鋼對(duì)系統(tǒng)具有較高要求，需要對(duì)系統(tǒng)的基本概況進(jìn)行分析，使煉鋼技術(shù)可以流程化，保證煉鋼過程具有一定的穩(wěn)定性。文章以某煉鋼企業(yè)作為研究對(duì)象，針對(duì)一鍵合金加料系統(tǒng)分析，通過加料過程對(duì)鋼液成分進(jìn)行調(diào)整，使煉鋼過程處于最佳狀態(tài)，進(jìn)而滿足90 t電弧爐煉鋼需求。電弧爐是實(shí)現(xiàn)煉鋼的重要設(shè)施，需要采用合理化的加料形式，做好鋼液成分的調(diào)整工作，構(gòu)建良好的鋼液供應(yīng)條件。電弧爐由10個(gè)料倉(cāng)組成，包括石灰料倉(cāng)、鋁線料倉(cāng)、精煉渣料倉(cāng)等，將煉鋼原料進(jìn)行充分準(zhǔn)備，通過料倉(cāng)實(shí)現(xiàn)一鍵合金快速加料。電弧爐煉鋼一鍵合金加料工藝流程見圖1。加料工藝大體上分為3個(gè)步驟：①在電弧爐內(nèi)部加入合金料，保障電弧爐能夠順利出鋼，為后續(xù)煉鋼過程進(jìn)行準(zhǔn)備；②對(duì)鋼包進(jìn)行運(yùn)輸，同時(shí)對(duì)鋼水成分進(jìn)行檢測(cè)，為精煉加料控制提供依據(jù)；③通過精煉爐對(duì)合金進(jìn)行精煉，形成質(zhì)量穩(wěn)定的鋼成品[1]。

圖1 電弧爐煉鋼一鍵合金加料工藝流程Fig.1 Process diagram of one-key alloy feeding in EAF steelmaking

該煉鋼企業(yè)采用鋼包預(yù)備合金及精煉爐合金加料工藝路線，應(yīng)保證加料系統(tǒng)的控制精度，不斷對(duì)煉鋼技術(shù)進(jìn)行推進(jìn)，使合金元素得到有效配比。不同鋼種合金元素應(yīng)滿足收得率要求，在加料種類、次數(shù)等方面均要進(jìn)行控制，提高加料控制的先進(jìn)性，確保系統(tǒng)優(yōu)化控制的合理性。文章基于實(shí)際煉鋼特性展開研究，并且結(jié)合企業(yè)煉鋼情況，采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)與Visual Studio 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與軟件研發(fā)，以此來對(duì)煉鋼過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證一鍵加料過程能夠順利進(jìn)行。該系統(tǒng)還運(yùn)用到組態(tài)技術(shù)，由Wincc進(jìn)行界面編程，形成一鍵合金加料的可交互界面，使煉鋼加料操作更加方便。一鍵合金加料的核心在于減少現(xiàn)場(chǎng)操作，由煉鋼系統(tǒng)控制加料過程進(jìn)行，并且在操作上進(jìn)行簡(jiǎn)化，提高對(duì)鋼水成分的控制效果。

2 電弧爐煉鋼流程一鍵合金加料優(yōu)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 合金元素收得率控制

電弧爐煉鋼過程中，需要進(jìn)行投料操作，對(duì)合金元素的收得率進(jìn)行分析，掌握鋼液的具體成分，便于對(duì)元素比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足不同鋼種的冶煉條件。鋼種合金元素包括C、Si、Mn等，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行添加，對(duì)鋼水成分進(jìn)行改變，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)化的分析方式，消除合金元素的不利影響，對(duì)合金元素收得率情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。合金元素收得率一般存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于對(duì)收得率歷史進(jìn)行回顧，根據(jù)過去的物料配比展開分析，提高加料控制的數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)效果，使系統(tǒng)在控制層面上能夠動(dòng)態(tài)加料，實(shí)現(xiàn)加料過程的有效調(diào)整。合金元素收得率評(píng)估過程中，需要從本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用鋼種的目標(biāo)成分，獲得鋼水的成分及質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)元素含量進(jìn)行分析，并且確定加入合金元素后的鋼水總量變化，為合金元素收得率控制提供依據(jù)[2]。

合金元素收得率控制應(yīng)建立動(dòng)態(tài)庫(kù)，對(duì)收得率情況進(jìn)行比較，判斷收得率是否滿足動(dòng)態(tài)庫(kù)的要求，將加料過程控制在穩(wěn)定參數(shù)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)良好的加料控制精度。鋼種合金元素X收得率計(jì)算公式如下：

式中：

K--修正系數(shù)，取值范圍0.05～0.20。

動(dòng)態(tài)庫(kù)算法核心在于學(xué)習(xí)和修正過程，以歷史數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，對(duì)合金元素收得率進(jìn)行解析，得到合金加料的具體含量，保障一鍵合金加料能夠順利進(jìn)行。

2.2 合金加料優(yōu)化模型

電弧爐煉鋼一鍵合金加料系統(tǒng)需要具有優(yōu)化模型的支持，使加料系統(tǒng)處于可控制的狀態(tài)，以模型方式實(shí)現(xiàn)加料過程，并且實(shí)現(xiàn)加料控制的動(dòng)態(tài)規(guī)劃。一鍵合金加料需要注重精度控制，實(shí)現(xiàn)加料控制的有效決策。通過優(yōu)化模型可滿足元素指標(biāo)的要求，注重規(guī)劃算法的掌控，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化模型與加料系統(tǒng)的有效結(jié)合。

2.2.1 決策變量

合金加料過程中，根據(jù)鋼種及元素的不同，對(duì)鋼液元素進(jìn)行調(diào)整，通過決策變量提高加料系統(tǒng)的決策效果，采用正確的加料控制形式，保障決策控制能夠有序進(jìn)行。電弧爐煉鋼過程中，需要加入多種合金成分，借助系統(tǒng)決策作用進(jìn)行調(diào)整，使加料控制能夠滿足元素指標(biāo)。以某種鋼材冶煉為例，鋼液由n種元素組成，每種元素質(zhì)量為xi，作為決策變量進(jìn)行使用，并且決策變量滿足以下條件：

xi≥0，i=0,1,2,…,n

決策變量xi需要事先進(jìn)行設(shè)定，規(guī)定何種情況采用何種條件，對(duì)決策變量的指標(biāo)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，防止系統(tǒng)對(duì)加料控制作出錯(cuò)誤決策。而且，決策變量應(yīng)滿足一定的精度要求，一般為非負(fù)數(shù)條件，保障物料能夠進(jìn)行持續(xù)投入，使鋼液元素成分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍。

2.2.2 目標(biāo)函數(shù)

為了滿足一鍵合金加料要求，需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行構(gòu)建，采用合理化的目標(biāo)控制形式，提高對(duì)物料含量的限制作用，使物料控制能夠趨于合理化。目標(biāo)函數(shù)是物料控制的重要條件，需要對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行分析，得到鋼液元素的含量，將元素含量作為目標(biāo)函數(shù)的衡量依據(jù)。鋼液元素含量計(jì)算公式如下：

式中：

Ci--鋼液元素含量(kg)；

Zi--元素加料總量(kg)；

Si--元素?zé)龘p量(kg)；

Hi--化學(xué)反應(yīng)元素消耗量(kg)；

MB--目標(biāo)出鋼量(kg)。

通過上述公式，可得到元素的具體含量，實(shí)現(xiàn)合金元素的定量添加，在物料添加上進(jìn)行量化?；谀繕?biāo)函數(shù)的要求，還需要考慮到成本控制，注重對(duì)投料成本的把控，采用最小成本投料形式，借助投料成本函數(shù)進(jìn)行分析。投料成本函數(shù)如下：

式中：

min(P)--最小投料成本(元)；

ci--合金元素單價(jià)(元/kg)；

mi--合金元素投量(kg)。

加料系統(tǒng)應(yīng)考慮到成本控制，構(gòu)建有效的加料形式，將投料成本控制在較低水平，避免合金元素的投量超標(biāo)，使成本控制能夠發(fā)揮作用[3]。

2.2.3 約束條件

鋼液成分控制需要具有約束條件，注重合金元素總量的把控，將投料控制在制定范圍內(nèi)，防止出現(xiàn)元素超標(biāo)或不足的情況，使元素成分在范圍內(nèi)變化。同時(shí)，約束條件也是保證投料精度控制的關(guān)鍵，避免精度控制上偏離指標(biāo)，使約束條件得到有效應(yīng)用。合金元素投料約束條件如下：

式中：

Emin，Emax--合金元素投料下限和上限(%)；

RA--合金元素的收得率(%)；

xi--合金投入質(zhì)量(kg)；

PiA--合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；

mst--鋼液質(zhì)量(kg)。

通常情況下，約束條件是一個(gè)范圍值，需要具備上限或下限條件之一，由約束條件對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行限定，借此縮小目標(biāo)函數(shù)的求解范圍，避免產(chǎn)生過大的求解偏差。約束條件有不等式構(gòu)成，用于對(duì)線性規(guī)劃問題進(jìn)行分析，在目標(biāo)函數(shù)中引入合金投料的人工變量，提高目標(biāo)函數(shù)控制的可靠性，通過約束條件對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)約束條件的控制目標(biāo)。

2.3 一鍵合金加料控制

2.3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

電弧爐煉鋼需要具備數(shù)據(jù)上的支持，做好煉鋼數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作，構(gòu)建動(dòng)態(tài)庫(kù)數(shù)據(jù)的有利條件，保證加料系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。煉鋼合金投料具有配比條件的要求，相關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)中，通過SQL語句來操作數(shù)據(jù)庫(kù)，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，提高一鍵合金加料系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)用能力。電弧爐煉鋼過程中，將會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息，需要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，方便下次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，并且可以實(shí)時(shí)獲得冶煉數(shù)據(jù)，對(duì)煉鋼加料情況進(jìn)行確定，由模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)一鍵合金加料過程，在系統(tǒng)模型上提供數(shù)據(jù)服務(wù)。煉鋼過程需要做好數(shù)據(jù)的采集工作，通過傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，如合金元素含量檢測(cè)等，均采用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行，使冶煉參數(shù)得到自動(dòng)化采集，保障一鍵合金加料能夠精準(zhǔn)控制。

數(shù)據(jù)庫(kù)中包含眾多加料控制參數(shù)，如合金元素含量、約束條件上下限等，使合金加料參數(shù)得到統(tǒng)一管理，通過數(shù)據(jù)庫(kù)中的字段來控制相應(yīng)的參數(shù)。當(dāng)控制參數(shù)需要修改時(shí)，僅需找到相應(yīng)的字段即可，通過字段來修改相應(yīng)參數(shù)，保障加料參數(shù)得到有效調(diào)整。以含碳量參數(shù)的上下限調(diào)整為例，CONTENT_C字段進(jìn)行表示，用于對(duì)含碳量上下限參數(shù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，通常情況下，鋼鐵的含碳量在0.02 %～2.11 %之間，在數(shù)據(jù)庫(kù)中可標(biāo)識(shí)為(0.000 2，0.021 1)。當(dāng)含碳量無法滿足上述條件時(shí)，將無法滿足鋼的生產(chǎn)條件，甚至生產(chǎn)出不合格的鋼產(chǎn)品。對(duì)含碳量參數(shù)調(diào)用時(shí)，采用SQL語句檢索CONTENT_C字段，可得到碳含量約束條件下限Emin為0.02 %，下限Emax為2.11 %，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加料參數(shù)的有效查詢與運(yùn)用。

2.3.2 運(yùn)行控制

電弧爐煉鋼采用流程化運(yùn)行控制形式，需要保證系統(tǒng)加料過程中的控制能力，使系統(tǒng)能夠滿足合金加料要求。一鍵合金加料優(yōu)化系統(tǒng)采用PLC作為控制器，具有精準(zhǔn)的控制效果，而且控制器具有可編程能力，將合金加料優(yōu)化模型融入其中，確保在算法上具有可實(shí)現(xiàn)性，保障加料過程能夠順利進(jìn)行。通過PLC可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)據(jù)來源進(jìn)行歸類整理，提高系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效調(diào)控。運(yùn)行控制關(guān)鍵點(diǎn)為生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理，為了使數(shù)據(jù)處理更加方便，采用第三方OPC服務(wù)器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)加料數(shù)據(jù)的集中處理，將數(shù)據(jù)處理進(jìn)行平臺(tái)化。運(yùn)行控制是實(shí)現(xiàn)一鍵合金加料的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)具有穩(wěn)定的控制形態(tài)，通過一鍵加料提高系統(tǒng)可操作性[4]。

PLC是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加料的關(guān)鍵控制器，可與操作界面建立連接，讀取冶煉鋼種數(shù)據(jù)及質(zhì)量信息，保證加料控制的流程狀態(tài)。在煉鋼流程啟動(dòng)后，PLC將自動(dòng)從服務(wù)器中獲取加料控制信息，如鋼種成分、合金質(zhì)量等，將鋼液成分與具體指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，判斷鋼液成分是否滿足要求。若存在無法滿足要求的情況，由PLC控制進(jìn)行一鍵加料，保障合金加料控制的流程化。經(jīng)過合金加料模型處理后，PLC將得到具體的投料情況，需要對(duì)投料進(jìn)行準(zhǔn)確稱量，一般由臺(tái)車完成稱量工作，對(duì)電弧爐進(jìn)行一鍵加料。

2.3.3 指標(biāo)分析

電弧爐煉鋼加料過程中，需要不斷對(duì)加料指標(biāo)進(jìn)行分析，避免加料指標(biāo)上出現(xiàn)偏差，提高指標(biāo)分析的有效性。鋼液材料中具有多種成分，需要避免指標(biāo)上的相互影響，保證優(yōu)化模型求解的準(zhǔn)確性，消除投料指標(biāo)上的不利因素。合金投料完成后，需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行二次計(jì)算，用于對(duì)投料的實(shí)際效果進(jìn)行判斷，確定目標(biāo)成分的實(shí)際含量，使鋼液成分具備合理性。投料指標(biāo)控制具有一定的難度，必要時(shí)需要增加投料檢測(cè)的次數(shù)，確保鋼液中元素組成的匹配性。指標(biāo)對(duì)比是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵，應(yīng)注重加料指標(biāo)上的掌控，避免出現(xiàn)無法控制的情況，確保加料指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)效果，使加料系統(tǒng)能夠切實(shí)得到優(yōu)化。

2.3.4 操作界面

為了提高一鍵加料的可操作性，需要對(duì)操作界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將投料情況顯示在界面上，便于對(duì)投料狀態(tài)進(jìn)行觀察。操作界面采用Wincc展開設(shè)計(jì)，需要保證界面的簡(jiǎn)潔性，各個(gè)分界面或按鈕進(jìn)行操作，使操作界面能夠有效運(yùn)作。操作界面是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵，操作界面與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，便于對(duì)煉鋼數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，保障數(shù)據(jù)得到快速調(diào)用。通過操作界面可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，對(duì)加料后煉鋼情況進(jìn)行掌控。煉鋼數(shù)據(jù)可通過表格、圖形等方式進(jìn)行顯示，需要采用完善化的設(shè)計(jì)形式，保障操作界面的展示效果。操作界面與PLC控制器連接，可對(duì)PLC下達(dá)控制制定，通過一鍵加料按鈕實(shí)現(xiàn)加料控制，由PLC對(duì)加料過程進(jìn)行運(yùn)算，提高操作界面對(duì)投料的控制能力，使操作界面能夠最大化發(fā)揮作用。

3 電弧爐煉鋼流程一鍵合金加料優(yōu)化系統(tǒng)評(píng)估

3.1 合金元素收得率

合金元素收得率是一鍵合金加料系統(tǒng)評(píng)估的重要依據(jù)，需要加料過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)合金收得率進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，確保合金加入后能夠滿足指標(biāo)要求。需要注意的是，冶煉不同鋼種時(shí)，元素的收得率具有差異性，不能采取固定的分析方式，否則將會(huì)對(duì)投料配比造成影響，無法得到穩(wěn)定的元素投入量。同時(shí)，合金元素收得率是構(gòu)建動(dòng)態(tài)庫(kù)的關(guān)鍵，對(duì)于合金配比指導(dǎo)具有重要意義，需要構(gòu)建有效的精度控制方法，使系統(tǒng)具有良好的優(yōu)化狀態(tài)。通過一鍵合金系統(tǒng)，可得到表1所示的合金收得率信息，將不同鋼種的收得率情況進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)合金收得率的統(tǒng)一分析[5]。

表1 不同鋼種的合金元素收得率(%)Tab.1 Yield of alloying elements in different grades of steel(%)

3.2 合金元素投料量

一鍵合金加料系統(tǒng)需要具有精準(zhǔn)的投料量，需要明確投料比例變化的影響，保障投料控制的分析效果，保障投料條件的控制水平。投料比例控制具有必要性，需要避免出現(xiàn)不穩(wěn)定的投料情況，對(duì)鋼液內(nèi)部的組分含量進(jìn)行控制。以34CrMo4鋼種為例，Si元素配比需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，由原來的82.00 %調(diào)整到95.00 %，使Si元素比例得到增加，避免Si元素?fù)p失導(dǎo)致組分含量的不足，保障投料控制得到精準(zhǔn)把控。合金元素投料量控制是保證鋼液成本比例的關(guān)鍵，系統(tǒng)優(yōu)化后應(yīng)避免元素?fù)p失，根據(jù)鋼種對(duì)元素比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障合金元素投入量能夠達(dá)到指定要求，提高元素比例控制的合理性，使加料系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)能夠過關(guān)，確保系統(tǒng)得到有效優(yōu)化，提高合金加料的一鍵操作水平。

3.3 合金投料成本分析

合金投料伴隨著成本的消耗，需要對(duì)投料成本進(jìn)行控制，對(duì)加料系統(tǒng)優(yōu)化前后的成本進(jìn)行評(píng)估，圍繞不同鋼種的成本展開分析，得出具體的優(yōu)化效果。電弧爐煉鋼流程合金加料成本見表2，通過不同鋼材成本分析發(fā)現(xiàn)，加料系統(tǒng)優(yōu)化具有顯著的成本控制效果，使成本控制更加具有效率。以45鋼種為例，優(yōu)化前合金加入硅鐵48 kg，高碳錳鐵480 kg；優(yōu)化后合金加入硅鐵82 kg，高碳錳鐵451 kg。由于硅錳合金的單價(jià)較低，在總成本上價(jià)格要低一些，能夠起到降低成本的作用，避免造成成本的額外消耗，保障合金投料具有穩(wěn)定的成本。

表2 電弧爐煉鋼流程合金加料成本統(tǒng)計(jì)Tab.2 Cost analysis of alloy feeding in the EAF steelmaking process

4 結(jié) 語

綜上所述，電弧爐煉鋼過程中，需要合理對(duì)加料系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證加料系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)性，完善加料系統(tǒng)的指標(biāo)要求，避免出現(xiàn)不可控的情況。加料系統(tǒng)具有一鍵加料操作，使鋼液具有合理的配比條件。加料系統(tǒng)需要具有良好的在線運(yùn)行條件，注重系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的把控，通過一鍵加料對(duì)鋼液成分進(jìn)行指導(dǎo)，保障合金元素具有良好的收得率，使投料過程具有精準(zhǔn)的控制條件。