推广应用全自动炼钢技术的必要性--控制网



推广应用全自动炼钢技术的必要性
企业：控制网 日期：2009-06-08
领域：工控机 点击数：2111











樊建忠 （1960-）
男，河北宣化人，高级工程师，长期从事炼钢厂自动化与信息化工作。

摘要：介绍自动化炼钢技术的内涵，国内武钢、迁钢在转炉上的实际应用效果，提出在国内转炉炼钢厂100t以上转炉推广采用全自动化炼钢技术的必要性。

关键词：全自动化炼钢；数学模型；终点命中率

Abstract: This paper introduces the content of automation steelmaking technology and the 
practical applications in the converter of WISCO and Qiansteel, and proposes the necessity
 to popularize the applications of fully automated steelmaking technology for more than 100t
 BOF steelworks.

Key words: fully automatic steel-making; mathematics model; end-point target-heating

1 概述

    转炉自动炼钢技术是在转炉兑铁前，根据铁水的温度、重量以及计划钢种由二级计算机计算出炼钢过程需要的吹氧量、氧枪吹炼高度、底吹量以及熔剂加入量等静态炼钢模型数据，在吹炼后期，通过副枪或其它检测手段获得钢水温度、成分等信息，再由二级计算机做出动态炼钢模型调整数据，以确保炼钢终点达到由二级计算机设定的命中区，从而实现炼钢实时动态自动控制。该技术是集自动控制、冶金机理、生产工艺、数学模型、人工智能、数字仿真、计算机等多种技术于一体的高难度复杂技术。因为转炉炼钢是一个非常复杂的多元、多相、高温状态下进行的非特性的物理、化学反应过程，存在着许多不确定的因素，且难以用准确连续的在线检测仪表检测转炉吹炼过程中钢水的工艺参数，因此采用数学模型，而控制模型是全自动炼钢关键技术的基础，全自动炼钢技术应用主要分为两大类，一是采用副枪设备技术的自动炼钢；另一类是采用炉气分析技术的自动炼钢。目前国内应用的大部分采用副枪技术，一部分钢厂由于转炉炉口限制，无法使用副枪而采用后者，一般新建炼钢多采用副枪的自动炼钢技术。它的实现过程包括静态、动态数学模型的二级计算机控制系统及副枪数据处理系统，是理论计算、专家经验和先进检测手段相结合的采用计算机以及PLC进行控制的科学炼钢方法，是伴随着计算机网络技术和计算机信息技术，以及工业控制技术和工业控制网络的发展而逐步发展起来的，是目前转炉炼钢逐步走向成熟的一项关键技术。

2 全自动化炼钢技术的内涵

    在工艺装备水平上转炉配有顶底复合吹炼、副枪系统和计算机二级自动化控制系统。其中副枪系统早期多数选用进口设备，近年来逐渐开始采用国内设备。采用副枪计算机炼钢，它不仅可以检测出吹炼过程中间某一点的温度、含碳量，而且可以取出样品以及测定氧的活度。目前国内采用副枪技术的全自动炼钢，其终点碳和温度的双命中率一般水平不小于80%，先进水平不小于90%。计算机炼钢其控制系统主要分成两大部分，即二级机系统（L2）和基础自动化系统（L1），二级机系统完成对生产过程的控制和模型的自学习，一级基础自动化则根据二级机的要求，控制本系统中的设备按指令顺序动作，同时将生产过程中的相关数据按二级机的要求回传到二级机。

    炼钢工艺L2数学模型主要包括主原料计算、静态模型和动态计算等转炉全部工艺的过程模型。模型的计算机原理主要是基于熔池内各种元素的化学反应和由此带来的物料平衡和热平衡。铁水的重量、温度和成分（C、Si、Mn、P、S）、废钢量、钢水量、终点温度、熔剂加入量、渣量和供氧量等将作为物料平衡和热平衡的主要项目。

    吹炼前根据钢种计划，首先由二级机辅助各工艺参数采集，采集数据分析，进行静态计算，一次加料计算，熔池液面计算，氧气计算，出钢合金模型计算，补吹校正计算，之后根据实际工艺操作运行情况，再进行二次计算，动态计算模型是当转炉吹氧量达到80%时，副枪下TCO、 TSC复合探头对钢水温度和碳含量进行吹炼中测量，同时将测出的碳含量和温度值发送到二级机，并根据测得的数值对终点进行计算，计算结果控制一级执行机构的执行过程，最终结果提高钢水成分一次C[T]的命中率。

2.1 静态模型

2.1.1 一次计算

    一次计算是利用转炉物料平衡和热平衡的原理，根据铁水成份、温度、重量和目标钢水成份、温度、重量以及终点渣成份进行初步计算，计算出需要的原辅料、冷却剂用量和吹氧量。

    主原料计算：根据接收的出钢计划和制造命令，并根据钢种和目标出钢量进行铁水比的分配计算。

    废钢秤量：根据主原料计算结果和钢种的废钢配比规制，决定废钢秤量牌号和秤量顺序、重量。

2.1.2 二次计算

    脱硫站将脱硫后实际铁水成份、温度和重量传输到转炉二级后，二级系统重新对吹氧量、钢水、炉渣终点成份和温度以及吹炼液位进行计算。二次计算和一次计算唯一的区别是：二次计算得到的是铁水脱硫站脱硫后传到转炉的铁水温度和[S]含量，并根据此成份进行计算从而得出更精确的结果。为提高二次计算的精确度，系统会考虑该炉铁水倒罐过程温降以及铁水预处理脱硫结束测温时刻到转炉开始兑铁水时刻的温降，决定入炉实际废钢牌号和重量。

    转炉可以根据二次计算的结果操作，也可以根据实际生产情况对二次计算结果进行修改，并将计算或更改结果确认后发送到二级机。

2.1.3 液位测量

    副枪通过专用的测量液位探头对铁水液位进行测量。

    主操工连接好探头，待兑完铁水，收到转炉垂直信号后，点击液位测量按钮，副枪下枪测得数值，主操工在转炉二级中采集废钢实际入炉重量后，点击模型计算按钮，系统会自动给出计算值，主操工对该液位进行确认(修改)后，发送到转炉二级，该液位作为吹炼的零液位。

2.1.4 氧枪枪位模型

    自动炼钢投入使用后，根据不同的铁水条件和生产钢种共设计了数种操作枪位，最终将由操作工选用何种枪位模型。

2.1.5 氧气量模型

    氧气用量模型的计算：先根据铁水化学成份计算吹炼该炉钢所需的氧气量，再计算矿石带入的氧量，最后根据上炉氧气利用率对该炉氧气用量进行修正，从而得出该炉最终氧气用量。

2.1.6 合金计算模型

    合金计算模型是根据终点钢水成份计算需要使用的脱氧、合金化用合金量，在使用合金模型时，工程师预先将合金各有效元素含量、价格输入二级系统，待终点钢水成份化验出来后启动合金计算模型，模型根据目标钢水成份和合金价格进行合金计算的优化，选用最小量低价格模型。

2.2 动态计算模型

    动态计算模型是当转炉吹氧量达到80%时，副枪对钢水温度和碳含量进行吹炼中测量，同时将测出的碳含量和温度值发送到二级，并根据测得的数值对终点进行计算。

2.2.1 动态模型计算包括:

    （1）计算动态过程的吹氧量；

    （2）计算终点碳含量和终点温度；

    （3）计算补加冷却剂或升温剂加入量。

2.3 自学习模型

    自学习模型是根据该炉役内各炉次生产情况对工艺模型参数进行适时调整。

2.3.1 调整模型的原因

    （1）转炉炉衬的侵蚀；

    （2）氧枪喷嘴的磨损；

    （3）氧枪的更换；

    （4）转炉热损失的变化，停炉时间的长段；

    （5）氧气利用率；

    （6）P和S在钢渣间分配系数。

2.3.2 模型参数调整

    根据生产情况，需要对模型参数不断地进行优化，需要调整的数据为：

    （1）氧气利用率系数；

    （2）终点渣碱度；

    （3）终点渣氧化镁含量；

    （4）温度损失；

    （5）原辅料、合金料成份的变化。

2.4 三种转炉自动控制技术性能和方法的比较，如表1所示。

                        表1   三种转炉自动控制技术性能和方法的比较

2.5 转炉自动炼钢计算机程序流程

    全自动化炼钢的核心是计算机控制，其流程图如图1所示。

                                    图1   转炉全自动炼钢控制的流程

3 目前国内全自动化炼钢的实际应用效果

    国内截止2008年底，宝钢、武钢、首钢迁钢、南钢、攀钢等十几个转炉炼钢厂采用了自动炼钢技术。该技术主要分为两大类：一类是采用副枪设备技术的自动炼钢技术，代表厂是武钢和宝钢；另一类是炉气分析系统和炼钢静、动态数学模型，以马钢代表，该系统利用质谱这种精确快速的气体分析技术，通过先进的数学模型对转炉炼钢进行控制，该系统比较适合国内中小型顶底复吹转炉，多用于现有转炉技术改造，由于炉口较小无法上副枪系统，因此采用此方法。新建大、中型100t转炉基本采用前者，其效果要好于后者。采用副枪系统的自动化炼钢技术方案也是目前国内主流选择，选择副枪系统设备分为进口副枪和国产副枪。进口设备主要成套设施的厂家有达涅利-康力斯(DANIELI-CORUS)公司(原荷兰霍戈文)、奥钢联、日本的钢铁公司等；国产主要有武钢华枫公司。如：宝钢一炼钢装备三座300t转炉，全厂工艺设备和及自动炼钢技术从日本整套引进，自动化系统具有20世纪80年代国际先进水平。武钢三炼钢是1996年8月建成投产，自动化系统具有完整的生产管理自动化、过程控制自动化和基础控制自动化三级计算机系统，具有20世纪90年代国际先进水平。武钢的副枪及控制模型属于国外公司技术和设备，投产初期，由于外方核心源代码不对用户开放，所设计的数学模型和该厂实际的工艺、操作条件存在很大的差异，尚不能实现计算机控制炼钢。后经武钢三炼钢专业技术人员的努力攻关，对模型的大量修改和二次开发，于1997年11月，终于实现了吹炼全过程的计算机控制，并于1999年底达到吹炼终点碳温双命中率接近80%的水平。2000年以后终点碳温双命中率超过90%，武钢消化国外技术，自主研发国产副枪及数学模型自动控制软件在武钢三炼钢3号转炉上应用自主开发取得成功，2003年终点碳温双命中率达到平均为94.7%的国际先进水平，取得了较好的经济效益。武钢计控公司将此技术推广到首钢迁钢，2006年使首钢迁钢三座210吨投入自动炼钢使用，并实现了一键式炼钢。

3.1 首钢迁钢的实际应用

    2006年8月8日，副枪自动化炼钢技术在迁钢3号转炉同时投入运行，12月25日实现计算机控制自动化炼钢(一键式炼钢)。2007年3月份，3座转炉全部实现了一键式炼钢。

    2007年7月中国金属学会组织了国内著名专家对首钢迁钢210吨转炉炼钢自动化成套技术科技成果评价会议。对该项目给予了高度评价。结论是：210吨转炉炼钢自动化成套技术是我国第一套完全由国内自主设计研发、制造的炼钢自动化成套技术。实现了转炉炼钢全自动控制，采用该项成套技术后，转炉后吹率由投运前的平均28.37%减少到3.16%，转炉终点碳、温度双命中率达到90.51%，其中碳命中率达到96.34%，温度命中率达到93.67%，使转炉终点[P]含量平均达到0.007%，冶炼周期平均缩短16.8%，此项目投资比引进国外技术节省2262.4万元，节省投资总额43.72%，项目实施后每年能产生直接经济效益1476万元。投资少，经济效益显著，项目整体水平达到国内领先、国际先进。对国内转炉炼钢技术进步具有重大推广意义，建议加快该成套技术的推广应用。

4 全自动化炼钢技术在国内推广应用的必要性

    国内炼钢冶炼技术的发展一定要认真落实科学发展观，大刀阔斧的推进技术创新，运用自动化与信息化新技术改变传统制造业的设计观念。自动化炼钢技术是我国钢铁产业发展政策指南中要求大力开发的关键技术，目前国内已经掌握了其核心技术。副枪及自动化炼钢软件技术全部可以立足国内，完全可以由国内总承包，设备总投资可以大幅降低，两座150t转炉设备和技术比引进国外技术可以节省投资额1500万；每年产生直接经济效益1000万元，同时带动各项管理上水平，提高炼钢工艺装备及整体自动化水平，使国内炼钢冶炼过程的吨钢成本大幅降低，在未来国际市场的竞争中立于不败之地，因此推广采用此项技术，有非常重要的现实意义。

4.1 相比采用传统炼钢的优势

    相比传统炼钢（经验炼钢）自动炼钢技术有着非常明显的优势。

    （1）采用该项成套技术后，转炉后吹率将从目前国内平均60% 下降到到10% ( 中高碳钢)；转炉终点碳、温度双命中率达能够提高60%以上，达到90%；

    （2）冶炼周期平均缩短20%，停氧到出钢时间从8.2min 缩到2.5min；缩短工序流程占用时间，提高工作效率；

    （3）喷溅率从30% 下降到5%；铁收得率提高0.49%；石灰消耗减少3kg/t；炉龄提高30%；

    （4）减少对经验炼钢工的依赖，便于标准化操作，提高管理水平，降低各种能源消耗，大幅提高经济效益。

4.2 能够带动整个炼钢基础管理上升水平

    自动化炼钢是一个复杂的系统工程，用计算机控制转炉炼钢，不仅需要计算机硬件和软件，而且还必须具备完整基础自动化准确控制设备运行，精准物料计量采集系统。

    设备无故障或故障率低，主辅原材料达到精料标准，重量、成分、温度、压力、流量准确稳定，钢液成分和温度准确。其成功与否的关键是吹炼过程中炉内信息的获得，应用最成功的冶炼过程中的检测和监控技术之一就是副枪技术。因此要求基础自动化不但具备完备的数据采集，准确的计量系统外，而且要求各级管理和操作人员具有高素质，精确确定各流程工艺技术参数，要求各级管理要做到规范、到位，真正做到精心操作、精细调整并制定各项规章制度，严格执行各项操作规程，以制度为保障，促进职工由熟练操作向精准控制转变。统一思想、树立信心，进一步踏踏实实做好基础工作，坚定不移地推进自动化炼钢，带动炼钢管理上水平，提升企业核心竞争力。

4.3 推动炼钢整体自动化及信息化建设深度发展

    目前国内新建炼钢自动化系统的设计是按三级自动化设计，具有完整的生产管理自动化（L3）、过程控制自动化（L2）和基础控制自动化（L1）三级计算机系统。自动炼钢技术的内涵是依据产销系统的定单组织生产，生产管理系统依据生产和技术管理一体化的要求，从L3 接收所需的制造命令、制造标准、作业标准、出钢计划、下传给L2过程控制系统计算机，L2级将过程信息及数学模型的优化计算及控制参数下传L1级，用于控制设备执行操作。全部生产过程除极特殊情况外基本上都是自动进行，不需人工干预。而自动炼钢技术在L1基础数据检测与采集、设备动作执行和L2数学模型与工艺过程控制中起着非常重要的作用，它的推广应用毫无疑问将带动炼钢整体自动化水平上升到新的水平，实现现场大量计量、监测数据实时数据自动采集。

    08年下半年以来，受世界经济危机的影响，钢铁企业效益大幅下滑，国内钢厂遇到了历史上前所未有的困难，企业生存与发展的严峻现实又摆在面前，市场竞争环境发生了巨大改变，客户对产品价格、规格、质量和交货期的要求越来越高。过去原有的生产组织模式，标准化大批量生产，压库销售，生产什么产品就销售什么产品，这种状况已经不能适应未来市场竞争的需要，必须加大改革创力度，采用先进的自动化信息技术，先进的检测和控制手段，分辩出生产任何一种产品的真实成本，满足客户的多品种、小批量、交货期短的订货需求。

5 结束语

    国内钢厂实践证明全自动炼钢控制技术是一项成熟而稳定的炼钢技术，且能够满足大量具有高附加值的优质品种钢的生产，国内已经完全掌握了该项技术，在国内钢厂推广应用全自动炼钢技术可以带来可观的经济效益，综合经济效益非常明显。自动炼钢技术的推广应用可以带动相关基础管理工作上的提高，进而使炼钢厂管理水平上升到一个新的高度。

    同时，可使国内炼钢厂的自动化与信息化水平跃进到国际领先水平。


参考文献

[1] 120t转炉自动化炼钢生产实践[J].南钢科技与管理，2006，(1). 

[2] 武钢第三炼钢厂3＃转炉全自动炼钢控制技术[J].冶金自动化，2006，(6).
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