閆忠峰
(河鋼集團(tuán)宣鋼公司一鋼軋廠，河北宣化075100)
摘要：核心基于“鋼水—爐渣—爐氣”的熱力學(xué)計(jì)算模型，以二級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)及軟件系統(tǒng)為基礎(chǔ)，形成全過(guò)程冶煉數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理，實(shí)現(xiàn)二級(jí)動(dòng)態(tài)控制; 并通過(guò)優(yōu)化原材料條件、系統(tǒng)操作和模型參數(shù)等措施，在宣鋼120 t 轉(zhuǎn)爐上，首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)副槍和煙氣監(jiān)測(cè)下，全過(guò)程吹煉及終點(diǎn)控制操作的智能自動(dòng)化煉鋼技術(shù)。一倒脫磷率提高到70%以上，鋼鐵料消耗降低1． 5 kg /t，噸鋼氧耗降低2 m3 ，白灰消耗降低2． 3kg /t，噴濺率有所降低。冶煉過(guò)程更加平穩(wěn)科學(xué)，冶煉操作實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，產(chǎn)品質(zhì)量得到穩(wěn)定提高，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
關(guān)鍵詞：熱力學(xué)模型; 動(dòng)態(tài)控制; 智能煉鋼; 效果
0 引言
轉(zhuǎn)爐自動(dòng)煉鋼技術(shù)是目前轉(zhuǎn)爐控制技術(shù)的發(fā)展方向［1］。為了在中小型轉(zhuǎn)爐上低成本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)煉鋼技術(shù)，并克服由于爐型、廠房空間和設(shè)備條件等原因的限制，宣鋼一鋼軋廠引進(jìn)了北京明誠(chéng)技術(shù)開(kāi)發(fā)公司和烏克蘭專家共同研制的“一鍵式”智能化自動(dòng)煉鋼控制技術(shù)。
該項(xiàng)目通過(guò)建立熱力學(xué)計(jì)算模型，依據(jù)二級(jí)計(jì)算機(jī)軟件控制系統(tǒng)對(duì)吹煉過(guò)程中每10 s 計(jì)算一次鋼水成分和鋼渣成分，形成全過(guò)程冶煉數(shù)據(jù)及信息采集、傳輸、處理，實(shí)現(xiàn)二級(jí)動(dòng)態(tài)控制，經(jīng)大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和回歸得出熔池中的鋼液即時(shí)化學(xué)成分值、溫度和渣中的化合物成分變化情況，給煉鋼操作帶來(lái)極大地改善和提高。該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了無(wú)需借助副槍和爐氣定碳檢測(cè)裝置的低成本下動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，而且進(jìn)一步改善了煉鋼生產(chǎn)的終點(diǎn)碳、溫度和磷的命中率等技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)降低了鋼鐵料和輔料消耗、優(yōu)化過(guò)程控制，減少噴濺率，節(jié)約氧氣、氮?dú)獾饶茉矗瑢?shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高。在煉鋼生產(chǎn)操作上，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)化的工藝技術(shù)管理模式，顯示出了更好的推廣使用優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。
1 智能煉鋼系統(tǒng)的建立
1． 1 智能化自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)的原理
該系統(tǒng)建立在嚴(yán)格的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型基礎(chǔ)之上［2］。其工藝控制核心是“鋼水—爐渣—爐氣”的熱力學(xué)模型系統(tǒng)。該系統(tǒng)是使用帕納馬連卡А． G． 的電子共價(jià)理論為基礎(chǔ)來(lái)記錄熔渣的性質(zhì)。
根據(jù)這一理論，熔渣并沒(méi)有被看作成一套計(jì)量化學(xué)分子式，而是一組原子和共價(jià)電子系統(tǒng)的整體物相。在此理論基礎(chǔ)上創(chuàng)建了熱力學(xué)模型，從而可以計(jì)算“鋼水—爐渣—爐氣”系統(tǒng)中的平衡態(tài)。與其他轉(zhuǎn)爐自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)不僅計(jì)算鋼水這單一相內(nèi)的化學(xué)元素量的變化和產(chǎn)生新物質(zhì)的量，而且能夠根據(jù)化學(xué)元素和化合物在渣—鋼之間、渣—鋼—氣體之間的相變帶來(lái)的影響，對(duì)轉(zhuǎn)爐熔池中各元素的量化進(jìn)行不斷地( 每隔10 s) 修正計(jì)算，使得終點(diǎn)預(yù)測(cè)值更趨于準(zhǔn)確; 將不斷積累現(xiàn)場(chǎng)操作的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和回歸，得出鋼水中各元素的變化曲線和鋼渣中各化合物的變化曲線，根據(jù)這些曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制。
1． 2 智能化自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)的建立
智能化自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)主要是軟件技術(shù)的綜合體( 圖1) 。該控制系統(tǒng)包括一級(jí)系統(tǒng)和二級(jí)子系統(tǒng)。一級(jí)系統(tǒng)包括整個(gè)冶煉過(guò)程中的設(shè)備，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，同樣在工藝過(guò)程中執(zhí)行系統(tǒng)的指令，包括轉(zhuǎn)爐—氧槍控制系統(tǒng)和自動(dòng)加料系統(tǒng); 二級(jí)系統(tǒng)控制冶煉過(guò)程，提供工藝解決方案，主要是二級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)智能化自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)，是軟件技術(shù)的綜合體。
該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，控制靈活方便等特點(diǎn)。二級(jí)系統(tǒng)采集一級(jí)數(shù)據(jù)通過(guò)兩種方式，一種是采集轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過(guò)設(shè)置的數(shù)據(jù)采集器建立與一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸; 另一種是采集天車(chē)及化學(xué)成分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，比如，鐵水和廢鋼兌入時(shí)間及重量、鐵水及爐前鋼樣化學(xué)成分等數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的通訊，二級(jí)系統(tǒng)需要與天車(chē)系統(tǒng)服務(wù)器、化學(xué)分析數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)方式采集數(shù)據(jù)。
智能煉鋼系統(tǒng)不僅對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤計(jì)算，也參與其控制，這是該系統(tǒng)一大特點(diǎn)。該系統(tǒng)通過(guò)C /B /A 3 種模式實(shí)現(xiàn)控制功能，“C”模式手動(dòng)操作模式下，二級(jí)系統(tǒng)只進(jìn)行計(jì)算，提供參考槍位、流量及各種原輔料的各種指令及數(shù)據(jù)顯示而不參與控制; “B”模式半自動(dòng)操作模式可實(shí)現(xiàn)槍位和氧氣流量自動(dòng)控制，加料過(guò)程需要人工操作; 而“A”模式全自動(dòng)操作模式完全實(shí)現(xiàn)氧槍、氧氣流量、自動(dòng)配料加料和按設(shè)定終點(diǎn)碳值可自動(dòng)提槍的“一鍵式”操作模式。另外該系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水成分、溫度和爐渣成分值，實(shí)時(shí)修正終點(diǎn)預(yù)測(cè)值; 操作人員可以在任何時(shí)候根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在手動(dòng)控制到自動(dòng)控制相互轉(zhuǎn)換氧槍控制模式，同時(shí)系統(tǒng)計(jì)算和預(yù)測(cè)不停止，繼續(xù)跟蹤記錄煉鋼設(shè)備上的所有發(fā)生的事件并記錄在冶煉報(bào)告中，提供給管理人員進(jìn)行生產(chǎn)和技術(shù)分析; 提供人機(jī)對(duì)話窗口，異常爐次下使操作人員及時(shí)輸入生產(chǎn)過(guò)程中的變化因素( 如雙渣操作時(shí)的倒渣信息、鋼包溫度信息、廢鋼種類和配比信息等) ，避免對(duì)終點(diǎn)預(yù)測(cè)產(chǎn)生大的誤差。
1． 3 智能化自動(dòng)煉鋼控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)模型
轉(zhuǎn)爐模型系統(tǒng)的原理是質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，包括靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。
靜態(tài)模型是整個(gè)煉鋼模型的基礎(chǔ)部分。靜態(tài)控制在轉(zhuǎn)爐開(kāi)吹之前，采集鐵水和廢鋼的成分、溫度和重量、組成情況和所冶煉鋼種規(guī)格情況，通過(guò)在轉(zhuǎn)爐模型服務(wù)器建立物料平衡和熱平衡的理論計(jì)算模型。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)和現(xiàn)代控制理論，對(duì)生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，參考相近生產(chǎn)較好爐次進(jìn)行參數(shù)修正的方式建立自學(xué)習(xí)的模糊計(jì)算模型冶煉模式庫(kù)［3］，確定吹煉槍位、停止吹煉時(shí)間和加料批次及數(shù)量，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行吹煉過(guò)程的控制。
動(dòng)態(tài)模型的工藝過(guò)程控制核心是“鋼水—爐渣—爐氣”的熱力學(xué)模型計(jì)算系統(tǒng)，在吹煉過(guò)程中每10 s 計(jì)算一次鋼水成分( 碳、硅、錳、磷、硫) 和鋼渣成分( CaO、SiO2等) 。根據(jù)預(yù)測(cè)值可以全程跟蹤監(jiān)測(cè)爐內(nèi)成分、溫度和堿度等變化通過(guò)不斷計(jì)算預(yù)測(cè)鋼水成分、溫度值和堿度，對(duì)冶煉進(jìn)程進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視，實(shí)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)地加料種類、加料量、氧氣流量和壓力的變化調(diào)整，對(duì)終點(diǎn)碳和溫度不斷進(jìn)行修正，主動(dòng)適應(yīng)不同鋼種冶煉初始條件和目標(biāo)要求，最終在依據(jù)精密復(fù)雜計(jì)算后的預(yù)測(cè)值符合目標(biāo)值范圍內(nèi)提槍，得到較高的終點(diǎn)命中率。
另外該系統(tǒng)還增設(shè)了仿真模型，該模型主要依據(jù)二級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)積累的豐富的冶煉原始數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)諸如信息采集，原料條件變化大等異常情況，可手動(dòng)輸入調(diào)整，計(jì)算機(jī)就會(huì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找相類似的生產(chǎn)爐次，再結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，進(jìn)行合理的吹煉過(guò)程控制，以求實(shí)現(xiàn)最優(yōu)終點(diǎn)命中情況。
1． 4 智能化自動(dòng)煉鋼控制工藝優(yōu)化
1． 4． 1 轉(zhuǎn)爐氧槍槍位模式控制優(yōu)化
工藝優(yōu)化后，智能煉鋼槍位控制主要依據(jù)鐵水硅含量選擇不同槍位模式，如表1 所示。
為避免噴濺發(fā)生，鐵水成分為: P ＞ 0． 16%雙渣;Si ＞ 0． 70%雙渣; Si + Mn≥0． 150%雙渣; S ＞ 0． 06%雙渣; Mn≥0． 80%雙渣。
1． 4． 2 加料模式控制優(yōu)化
優(yōu)化后的加料模式創(chuàng)造了前期低溫，適當(dāng)堿度，高氧化的渣系，有利于去磷。同時(shí)控制了鐵水溫度高造成的碳氧反應(yīng)提前導(dǎo)致的前期噴濺，如表2 所示。
為確保智能煉鋼實(shí)施效果，一鋼軋廠對(duì)鐵水取樣、測(cè)溫制定了相關(guān)規(guī)定，確保信息真實(shí)準(zhǔn)確。同時(shí)對(duì)鐵水裝準(zhǔn)率進(jìn)行了攻關(guān)，對(duì)廢鋼分類分量加入以適應(yīng)不同中包澆鑄溫度要求，這些優(yōu)化舉措不僅促進(jìn)了工藝技術(shù)進(jìn)步，同時(shí)提高了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理水平。
2 智能自動(dòng)化煉鋼應(yīng)用效果
2． 1 智能煉鋼脫磷效果研究
宣鋼一鋼軋廠鐵水磷含量平均在0． 130% 左右，基本屬于正常水平，磷極高鐵次并不多見(jiàn)。智能煉鋼項(xiàng)目實(shí)施之前由于1#轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)脫磷率偏低，特別是一倒脫磷效果較差只有50% 左右。而1#爐主要產(chǎn)品為Q345B、Q420B 角鋼等系列，對(duì)終點(diǎn)磷要求很高，因而導(dǎo)致后吹爐次增加，甚至需要進(jìn)行三次倒?fàn)t，造成了終點(diǎn)惡化，鋼水質(zhì)量下降，冶煉周期增長(zhǎng)，增加了爐況維護(hù)難度。為研究實(shí)施智能煉鋼后的脫磷效果，研究選取一個(gè)典型澆次的Q345B 共10組有效數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，主要分析一倒脫磷效果( 圖2) 。
由圖2 可知，智能煉鋼項(xiàng)目實(shí)施后，Q345B 一倒脫磷率達(dá)到70%以上，脫磷效果改善明顯。這主要是因?yàn)樵诿摿钻P(guān)鍵期反應(yīng)前期造大量高氧化性泡沫渣，促進(jìn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行。并且在反應(yīng)前期盡快形成符合脫磷要求的堿度值，在冶煉即將結(jié)束時(shí)再追加800 kg 左右返礦，分二批加入，提高后期脫磷效果，整個(gè)過(guò)程溫度成分協(xié)調(diào)發(fā)展，槍位控制合理，攪拌強(qiáng)度符合脫磷要求，使得脫磷效果改善較明顯。
2． 2 智能煉鋼鋼鐵料消耗研究
智能煉鋼技術(shù)通過(guò)嚴(yán)密熱力學(xué)計(jì)算實(shí)時(shí)分析轉(zhuǎn)爐冶煉運(yùn)行狀態(tài)，不僅優(yōu)化了轉(zhuǎn)爐操作，促進(jìn)冶煉過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行，推進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化操作，而且在一定程度減少噴濺和二次倒渣，減少后吹爐次合理控制了渣中FeO 含量并減少含鐵物料的消耗，降低了鋼鐵料消耗。取1#轉(zhuǎn)爐不同冶煉品種，在相似原料條件下各100 爐數(shù)據(jù)平均值，在智能煉鋼項(xiàng)目實(shí)施前后鋼鐵料消耗的變化如表3 所示。
由表3 可知，智能煉鋼項(xiàng)目實(shí)施以后，兩個(gè)鋼種鋼鐵料消耗均有不同程度降低，降幅平均達(dá)1． 5kg /t，應(yīng)用效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
2． 3 智能煉鋼白灰消耗研究
項(xiàng)目實(shí)施后，通過(guò)智能化煉鋼，可以根據(jù)鐵水成分以及脫磷需要，按照鋼種分類精準(zhǔn)計(jì)算所需輔料的加入量，特別是根據(jù)鐵水硅含量實(shí)時(shí)計(jì)算配加最佳量的白灰，杜絕了之前靠人工估算盲目加入的陋習(xí)，使白灰消耗明顯降低，成本降低顯著。表4 匯總了智能煉鋼項(xiàng)目實(shí)施前后5 個(gè)月的平均白灰消耗。
由表4 可以看出，項(xiàng)目實(shí)施后由于冶煉過(guò)程更具有科學(xué)性、規(guī)范性和針對(duì)性，白灰消耗比之前平均降低2． 3 kg /t，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目標(biāo)。
2． 4 智能煉鋼氧氣消耗研究
智能煉鋼項(xiàng)目實(shí)施后，終點(diǎn)依據(jù)計(jì)算機(jī)精確計(jì)算來(lái)控制，使得爐內(nèi)溫度和終點(diǎn)成分得到協(xié)調(diào)發(fā)展，從而科學(xué)地控制吹煉時(shí)間，大大減少了成分不合或者溫度不合被迫后吹爐次，在滿足冶煉要求的條件下，降低了氧氣資源的消耗量。表5 給出了項(xiàng)目實(shí)施前后氧氣耗量變化情況，轉(zhuǎn)爐平均出鋼量按照145 t 計(jì)算。由表5 可以看出，氧氣消耗平均可節(jié)約2 m3 /t。
2． 5 智能煉鋼預(yù)測(cè)功能評(píng)價(jià)
智能煉鋼項(xiàng)目的核心部分是依靠反應(yīng)熱力學(xué)原理計(jì)算爐內(nèi)的成分、溫度和渣系結(jié)構(gòu)，不斷地給出實(shí)時(shí)指標(biāo)值，不僅過(guò)程造渣輔料加入量和時(shí)機(jī)需要參考實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)值，最終反應(yīng)終點(diǎn)提槍結(jié)束冶煉也是基于預(yù)測(cè)的溫度和成分值。因此，在允許誤差范圍內(nèi)預(yù)測(cè)值的命中率的高低，直接影響每爐鋼冶煉水平。為了測(cè)試該項(xiàng)目預(yù)測(cè)水平和實(shí)際水平的偏差，分別采集了Q420B、Q345B 和HＲB400E － 1 五個(gè)中包澆次，取其預(yù)測(cè)平均值作為研究數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)，其數(shù)據(jù)分析如表6 所示( 數(shù)據(jù)采集已去除外圍影響非正常爐次) 。
由表6 可以看出，智能煉鋼項(xiàng)目實(shí)施后，各個(gè)鋼種預(yù)測(cè)值平均能保持在75% ～ 80%，滿足轉(zhuǎn)爐冶煉要求，但存在個(gè)別澆次預(yù)測(cè)值偏低現(xiàn)象。分析原因，一方面應(yīng)加強(qiáng)軟件程序設(shè)計(jì)功能，不斷改進(jìn)程序指令; 另一方面為了進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)值水平，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)稱量系統(tǒng)測(cè)量值精確度的控制。并在保障鐵水成分、溫度及時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量外，應(yīng)依據(jù)鐵水溫度、成分和鑄機(jī)不同澆鑄階段溫度需求及時(shí)調(diào)整廢鋼加入量。
3 效益評(píng)估
智能煉鋼項(xiàng)目按5 年折算，年投資僅為46 萬(wàn)元，120 t 轉(zhuǎn)爐年產(chǎn)量按100 萬(wàn)t 計(jì)算，鋼鐵料消耗平均降低1． 5 kg /t，鋼鐵料單價(jià)按1 250 元/t 計(jì)算，此項(xiàng)效益為188 萬(wàn)元; 白灰消耗較智能煉鋼實(shí)施前平均降低2． 3 kg /t 鋼，白灰單價(jià)按256 元/t，此項(xiàng)效益為59 萬(wàn)元; 氧氣消耗估算噸鋼降低2． 0 m3，氧氣單價(jià)按0． 45 元/m3 計(jì)算，此項(xiàng)效益為90 萬(wàn)元。另外經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用并計(jì)算后合金消耗可節(jié)約SiMn 合金0． 2 kg /t 鋼; SiFe 合金0． 04 kg /t 鋼; 脫氧劑0． 09kg /t 鋼，硅錳單價(jià)按6 222 元/t，硅鐵單價(jià)按4 944元/t，脫氧劑單價(jià)按7 905 元/t 計(jì)算，此項(xiàng)效益約為200 萬(wàn)元。因此，年經(jīng)濟(jì)效益合計(jì)為: 188 + 59 + 90+ 200 － 46 = 491( 萬(wàn)元) 。
4 結(jié)語(yǔ)
智能煉鋼項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)，取得了良好效果，其先進(jìn)理念也得到了充分肯定。
( 1) 在沒(méi)有副槍及爐氣檢測(cè)裝置的前提下，實(shí)現(xiàn)了煉鋼過(guò)程全部自動(dòng)化的“一鍵式”自動(dòng)煉鋼，且投資費(fèi)用低廉，同時(shí)促進(jìn)了冶煉操作標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。
( 2) 項(xiàng)目實(shí)施后，一倒脫磷率提高到70% 以上，鋼鐵料消耗降低1． 5 kg /t，白灰消耗降低2． 3 kg /t，噸鋼氧耗降低2 m3，過(guò)程冶煉更加平穩(wěn)，噴濺率有所降低，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
( 3) 大大減少了合金等物料浪費(fèi)，能源得到充分利用，同時(shí)減輕了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，優(yōu)化了人力資源，過(guò)程操作更加科學(xué)穩(wěn)定，噴濺事故有所降低，減少了污染物排放。
參考文獻(xiàn)
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