郭偉達，李強篤，任科社，高志濱

1 前言

轉爐全流程智能煉鋼是鋼鐵業(yè)發(fā)展的必然趨勢，符合工業(yè)4.0時代發(fā)展的要求，對于鋼鐵企業(yè)降低冶煉生產成本及人力資源成本具有重要的作用。為了縮小與國內外先進鋼鐵企業(yè)之間的差距，提升煉鋼過程中的智能化控制水平，山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠決定研究開發(fā)全流程自動煉鋼工藝。經過對轉爐煉鋼工藝的分析，找出目前生產過程中的限制環(huán)節(jié)，制定對應措施，促使智能控制水平提高，智能冶煉比例達到95%以上，冶煉過程操作標準實現真正的統(tǒng)一，實現了過程的穩(wěn)定控制。提高了冶煉終點的命中率，降低了轉爐冶煉過程的渣料消耗，減少了轉爐噴濺渣量，降低了爐渣全鐵含量，穩(wěn)定了成分控制合格率。轉爐全自動煉鋼技術的應用，在實際生產中取得了較好的效果，為生產潔凈鋼以及超低碳、超低磷鋼提供了技術保障。

2 智能煉鋼關鍵技術

2.1 開發(fā)新工藝，穩(wěn)定入爐原料條件

1）開發(fā)鐵水降溫新工藝，對入廠鐵水進行降溫處理［1］。利用專用設備對燒結礦破碎加工至一定粒度，以滿足KR脫硫工序的需要。通過專用罐車運輸至KR脫硫工序，利用高壓氮氣將燒結礦粉輸送至料倉，保證了燒結礦粉加工運輸過程中的損失降到了最低。當鐵水溫度較高時，從料倉內通過氮氣噴吹至鐵水罐對鐵水進行降溫，確保了燒結礦粉在攪拌作用下充分與鐵水反應。

2）開發(fā)新型鐵水用脫硅劑，對入廠鐵水進行預脫硅。從促進反應的角度分析，由于硅反應生成酸性的物質，為了降低產物的活度，在脫硅劑中加入適當的堿性物質如CaO，可以提高脫硅效率。在CaO參加反應的條件下反應式如下：

根據篩選，選擇氧化鐵皮類氧化劑。為了提高脫硅效率加入CaO顆粒，同時，根據熔渣發(fā)泡理論，為了改善熔渣的流動性和抑制泡沫渣，加入少量助熔劑CaF2，即新型脫硅劑組成為FeO-CaO-CaF2。

3）對鐵水扒渣工藝進行優(yōu)化，降低入爐鐵水帶渣量。操作時控制扒頭插入深度約50 mm，目的是減輕插入深度過深時對鐵水的攪動，同時又可進行良好的扒渣；扒渣至鐵水包包沿處時停頓2～3 s，目的是使爐渣中殘留的鐵水充分流回鐵水包內，既保證了扒渣效果，又減少了鐵損。

2.2 開發(fā)轉爐操作模式體系

1）開發(fā)“全覆蓋”原料條件操作模式。在實際操作過程中，充分考慮冶煉過程中各階段反應特點，頭批料及冶煉過程中加料批次及每一批料的加料比例均有不同設置，冶煉過程中可以保證良好的爐渣化渣狀態(tài)，繼而為實現終點命中做好準備。模式設定如表1所示。

頭批料礦石基本控制在總量的25%～30%，石灰控制在60%～70%，白云石全部；后續(xù)加料料單中，根據不同鐵水條件的特點，礦石量以每批5%～9%加入，避免了冶煉過程中溫度上升過快的問題［1］。

2）開發(fā)冶煉模式自動選擇技術。通過研究模式的自動選擇條件，在副槍二級中增設模式自動選擇模塊，將模式根據不同的鐵水條件進行分配，當鐵水條件傳入二級系統(tǒng)時，系統(tǒng)根據鐵水硅、鐵水溫度自行選擇操作模式。通過模式的自動選擇，提升了模式與鐵水條件的匹配性，同時也統(tǒng)一了操作標準，避免了人為因素的干擾，實現了模式選擇與使用的標準化作業(yè)。

表1 轉爐智能煉鋼區(qū)間操作模式

2.3 開發(fā)關鍵自動控制技術及三級網絡

1）研發(fā)氧槍雙編碼器串聯自動識別切換系統(tǒng)，提升槍位控制精準度［2］。傳統(tǒng)氧槍使用過程中，采用單編碼器進行控制，當冶煉過程處于自動狀態(tài)時，氧槍槍位控制不穩(wěn)定，降槍過程中存在槍位偏差大的問題，繼而冶煉過程無法實現槍位的精準控制，對過程反應帶來較大的影響。通過開發(fā)新型設備自動化控制技術，在氧槍主令軸上安裝兩個編碼器，一個出現故障時，程序自動進行切換，氧槍運行時，兩個編碼器計數行程與系統(tǒng)根據氧槍速度計算的行程進行比較，對計數偏差大的編碼器自動校準，從而實現了氧槍槍位的準確控制。

2）開發(fā)氧氣壓力流量區(qū)間自動控制技術，杜絕打火不良風險。設定開吹后2 min內開氧曲線，分階段控制氧氣調節(jié)閥開度。由于煉鋼廠采用的是干法除塵系統(tǒng)，在開吹時如果氧壓控制不當，氧壓過高或過低都極易造成轉爐的泄爆事故。通過對開吹氧壓的研究，研發(fā)了轉爐自動控制開吹曲線，實現了開吹2 min內的氧壓在自動狀態(tài)下自行提升，并且提升幅度完全符合開吹打火的要求，避免了開吹時的泄爆問題。具體開吹曲線參數見表2。通過設定壓力波動區(qū)間，自動調整閥開度，確保冶煉過程氧壓控制在0.75～0.85 MPa。

3）完善數據自動采集系統(tǒng)，建立三級數據傳輸網絡［2］。

①自動采集鐵水行車稱重量。行車秤不做變動，增加無線發(fā)射與接收設備，通過信號轉換器將鐵水重量數據采集到副槍二級系統(tǒng)中。增設鐵水溫度發(fā)射裝置，鐵水測完溫度后，可通過該裝置錄入包號、溫度數值并自動跟隨鐵水重量進入二級相應的爐號中。

表2 轉爐智能煉鋼開吹曲線控制參數

②通過在行車上加裝廢鋼信息錄入大屏及無線發(fā)射與接收裝置，從而可以判斷每種廢鋼的裝入量，通過程序計算累加得到廢鋼總量。并通過計算機保存數據同時傳輸到副槍二級冶煉模型中。

③副槍二級操作系統(tǒng)與一級操作系統(tǒng)建立通訊，二級系統(tǒng)中的操作指令發(fā)送給一級進行執(zhí)行。建立調度指令與二級操作系統(tǒng)的通訊聯系，編制連接程序，生產計劃直接下達二級系統(tǒng)，實現了生產調度的更加方便簡潔。同時，三級程序及時將二級數據進行采集記錄，冶煉過程實現量化處理。

④建立化驗室光譜數據和熒光分析數據與二級操作系統(tǒng)的通訊聯系，建立成分數據庫，編制連接程序。冶煉終點測定的TSC、TSO等成分樣經過化驗室檢驗后傳遞給二級系統(tǒng)，同時取出的爐渣樣化驗后也可以傳輸給二級系統(tǒng)，便于操作人員直接從二級系統(tǒng)讀取數據，并且為二級系統(tǒng)的自學習功能奠定基礎。

2.4 開發(fā)工藝控制模型及相關技術

1）開發(fā)冶煉過程動態(tài)控制模型。爐次開始前，副槍二級程序根據鐵水溫度、鐵水硅、鐵水磷、廢鋼配比等多方面條件，計算出冶煉過程的理論氧耗量，在實際冶煉過程中，根據“硅錳氧化期”、“碳氧反應期”、“終點拉碳期”3個不同階段的反應特點，以占總氧耗量的百分比作為控制過程加料及槍位的依據，確定過程動態(tài)控制標準。

2）開發(fā)冶煉過程均勻布料控制技術［3］。均勻布料控制工藝使用過程中，槍位模式與表1中所述一致，但加料模式不再進行區(qū)間細分，石灰及白云石按照原有模式加入。冶煉過程中的冷料分兩個批次均勻加入，分別為頭批料、二批料，頭批料控制在30%～35%，剩余65%～70%作為二批料加入。操作人員可以對閘板閥的開度進行設定，從而調整冶煉過程中的下料速度，避免冷料加不完的情況。

當冶煉過程中的冷料加入量大時，采用均勻布料的模式加入冷料，兩批料加入過程均為緩慢均勻加入，加料速度可以根據冷料總量進行調整。因此，冶煉過程中鋼水溫度的變化不存在驟升驟降的情況，繼而更加有利于終點的良好命中。

3）采用音頻化渣監(jiān)控冶煉過程技術。通過音頻化渣技術，對轉爐開吹、過程加料、槍位控制等進行全程監(jiān)控，判斷轉爐冶煉狀況，能夠將冶煉過程中的返干及噴濺情況進行及時預警。由于過程操作步驟進行了詳細的記錄，可根據反應特點，判斷每一步加料及槍位調整后的爐內反應情況，為操作人員及專業(yè)技術人員研究冶煉過程反應特點及相關數據分析提供了基礎。

2.5 開發(fā)自動濺渣模型

以氧槍編碼器控制槍位為主要措施，開發(fā)自動濺渣護爐模型，并在生產實踐中進行驗證，效果良好，對于統(tǒng)一濺渣操作標準，提升爐體維護效果，起到了重要的作用。

1）轉爐出鋼結束后，搖爐至爐體零位，通過氧槍編碼器程序控制操作氧槍。當槍位降至距爐底4～6 m基準槍位時，自動打開氮氣切斷閥，開始吹掃氮氣濺渣。在吹掃過程中，繼續(xù)降低槍位至距爐底0.7～2.5 m，并以0.7～2.5 m區(qū)間為濺渣護爐的終點固體槍位；其中，根據爐底厚度及爐型變化情況，控制濺渣護爐過程中的準確槍位；爐襯中耳軸、熔池、爐底和出鋼孔出現侵蝕時，采用“高-低-低”槍位濺渣；爐襯各重點部位渣層厚度適中（測厚儀測量厚度范圍500～700 mm），采用“高-低”相間槍位濺渣；爐襯各部位渣層過厚（測厚儀測量厚度＞700 mm），采用全程“低”槍位濺渣。

2）“高-低-低”槍位模式濺渣以500 mm為基本間距，以30～60 s為基本時間間距，從基準槍位順次降低槍位高度進行降槍操作，所需降低的總距離為3 m。總濺渣時間設定在4～5 min。“高-低”相間槍位濺渣以1 500～3 000 mm為基本間距，以15～30 s為基本時間間距。從基準槍位順次降低槍位高度進行吹濺，所需降低的總距離為3 m?？倿R渣時間設定在3～4 min?！暗汀睒屛粸R渣為將氧槍槍位降至距爐底0.7 m開氮氣吹濺直至關氣提槍，過程槍位不變，總濺渣時間設定在3 min以內。

爐襯中耳軸、熔池、爐底和出鋼孔的侵蝕情況，在停爐等待及出鋼過程中由操作人員對爐體進行檢查，確定陰影區(qū)域并使用激光測厚儀進行精確測量，獲得實際爐襯厚度。按120 t轉爐冶煉每一爐鋼水產生的爐渣重量為8～10 t計算，稠化劑加入量以渣量的10%～30%進行計算，轉爐噸位增加時，使用相同比例根據產生的渣量進行計算。

通過采用自動濺渣護爐控制方法，統(tǒng)一了轉爐濺渣護爐操作標準，避免了人工手動濺渣時槍位控制不一及稠化劑加入量不合理的現象，解決原手動濺渣方法造成的爐襯渣層變化而導致爐型變化的問題，穩(wěn)定了轉爐操作，提高了終點命中率。

2.6 開發(fā)自動出鋼技術

1）通過開發(fā)轉爐一級程序中的自動出鋼模塊，建立自動出鋼遠程控制方式，對自動出鋼相關參數進行設定，確保計算機方式正常使用。

2）鋼包室內的鋼包車操作人員接到轉爐操作人員的出鋼指令，將鋼包車選擇至自動狀態(tài)，鋼包車開始向爐體方向移動，移動至距離鋼包室墻壁一定距離停止，確保此時鋼包車上安置的鋼包剛好可以在轉爐出鋼開始后搖爐至-82°時盛接住鋼水。此時，轉爐操作人員收到鋼包車到位的信號，點擊開始出鋼按鍵，轉爐及鋼包車根據編碼器中設定的爐體傾動角度和鋼包車位移距離開始出鋼過程。

3）具體出鋼過程的轉爐傾動角度控制及鋼包車位移控制：出鋼開始后，爐體根據計算機發(fā)送的指令，初次向后傾動至-82°，此時，爐內鋼水沖開出鋼口的堵塞，流入鋼包車上的鋼包內，鋼流正好在鋼包東側沿內，滿足盛接鋼水要求。爐體在-82°停留12 s（時間根據手動搖爐停留時間確定，鋼水流出過程中，爐內液面下降，根據紅外監(jiān)控，當下降至爐渣層接近出鋼口時即需要搖爐，防止爐渣從出鋼口流出污染鋼水）。為防止爐內的爐渣隨鋼水流入鋼包造成下渣回磷，爐體需要進行第2次傾動至-84°，此時，鋼包車暫時不動，鋼流由鋼包沿東側向鋼包中心移動，該角度停留32 s；隨后爐體進行第3次傾動。后續(xù)傾動方式及停留時間基本按照此步驟進行，具體見表3。

表3 搖爐度數及各度數停留時間

4）采用出鋼終點下渣檢測及滑動出鋼口自動擋渣控制技術。在轉爐出鋼口末端安裝閘閥系統(tǒng)，通過紅外檢測自動下渣檢測系統(tǒng)來判斷鋼水及爐渣流出的狀態(tài)，出鋼過程中操作人員選擇自動擋渣模式，同時根據不同的鋼種需求選擇“高-中-低”三種不同檢測級別，通過紅外下渣檢測與滑動出鋼口系統(tǒng)聯動，控制液壓閘閥快速開啟或關閉出鋼口，達到擋渣的目的，大大提升了擋渣效果，降低了出鋼過程的下渣量。

通過對轉爐自動出鋼工藝技術的研究與開發(fā)，避免了人為手動搖爐造成的出鋼過程不穩(wěn)定，搖爐角度及鋼包車位置標準不統(tǒng)一的問題，最大限度地減少了下渣量，避免了鋼水回磷，為潔凈鋼生產創(chuàng)造了良好的條件；同時由于出鋼過程實現遠程控制，操作人員勞動量降低，作業(yè)安全程度提升，出鋼過程中鋼水流入鋼包內的精準度提高，避免了鋼水的浪費，是企業(yè)打造智能平臺的關鍵一步。

3 應用效果

全流程智能煉鋼工藝的開發(fā)與應用，成功解決了操作過程標準不統(tǒng)一的問題，提升了冶煉過程的穩(wěn)定控制能力，全程智能煉鋼控制比例達到95%以上，促使轉爐石灰消耗降低3 kg/t；由于終點命中率提升，爐渣全鐵平均降低1.2%；轉爐紅渣及噴濺渣總量降低約5 kg/t。轉爐煉鋼綜合成本降低2～3元/t，同時由于智能水平的提高，可以更好地應對品種鋼的冶煉生產，促進了鋼種結構的優(yōu)化升級。

現代工業(yè)對智能制造的需求日益迫切，對產品質量的要求也將會越來越高。智能控制水平已成為衡量現代大型鋼鐵企業(yè)發(fā)展狀況與技術水平的重要因素之一，成為鋼鐵冶金技術領域的重要研究課題。轉爐全自動煉鋼工藝控制技術是在現有自動化冶煉基礎上開發(fā)出來的，對于進一步提升煉鋼工序標準化作業(yè)水平、降低生產成本、優(yōu)化品種結構提供了重要技術支撐，具有較好的應用前景。

［1］ 王強.一種KR鐵水脫硫降溫新工藝：中國，201210110975.0［P］.2013-09-25.

［2］ 張兆駐，于德榮，石勝利.萊鋼120 t轉爐“一鍵式”煉鋼技術改造［J］.重型機械，2010（1）：51-54.

［3］ 溫福新，王明杰，于亮濤，等.120t轉爐“單渣-留渣”法低成本高效冶煉工藝的研究與應用［J］.冶金信息導刊，2013（3）：48-50.