對煉鐵、煉鋼電氣自動化技術(shù)的研究與創(chuàng)新

任秦川 趙鵬

摘要：煉鐵和煉鋼工藝中達(dá)到成本效益最大化和最優(yōu)控制的關(guān)鍵因素是技術(shù)專業(yè)知識在以往的解決方案獲得了驗證，確保為小規(guī)模的更新改造以及整套新建生產(chǎn)設(shè)備提供最優(yōu)化解決方案，由此煉鋼、煉鐵電氣自動化技術(shù)具有較高的成本效益。

關(guān)鍵詞：過程優(yōu)化;過程控制;專家系統(tǒng);能源管理;制造執(zhí)行系統(tǒng)

概述

可靠的供電和傳動方案、創(chuàng)新性工藝包以及工藝控制和工藝優(yōu)化系統(tǒng)保證了穩(wěn)定的生產(chǎn)及能源和原料的合理使用。煉鋼優(yōu)化方案包能夠優(yōu)化廢鋼和合金原料的加入成本，顯著縮短投資回報期。在連鑄生產(chǎn)中，各種成熟的創(chuàng)新工藝包以及工藝模型立刻能產(chǎn)生改善質(zhì)量和增加產(chǎn)能的收益。

1 煉焦

煉焦工藝和自動化方面的豐富經(jīng)驗和訣竅涵蓋了整個煉焦技術(shù)領(lǐng)域，從煤炭運(yùn)輸和煉焦?fàn)t組直到熄焦和煉焦副產(chǎn)品處理。在煉焦廠的控制方面，SIMETALCISCoke產(chǎn)品能夠保證煉焦工藝的穩(wěn)定性，并且生產(chǎn)出滿足高爐生產(chǎn)需要的優(yōu)質(zhì)焦炭。

ISDEMIR原有的副產(chǎn)品處理廠分成2條單獨(dú)的生產(chǎn)線，每條線都包括一整套氣體處理設(shè)備。處理廠的設(shè)計能力滿足2套各包括69臺煉焦?fàn)t的爐組產(chǎn)生的煤氣處理要求，即5.6萬m3/h左右（工廠共有4個爐組）。在改造完成之后，副產(chǎn)品處理廠的能力增大到14萬m3/h，滿足新增爐組的要求。改造為工廠帶來了以下變化：工廠運(yùn)行變得非

常容易，所有工藝信息都可在中央控制室獲得;現(xiàn)在，維護(hù)人員能夠更迅速地檢測和排除現(xiàn)場裝置產(chǎn)生的問題;處理能力從5.6萬m3/h增大到14萬m3/h;能夠在多方面承諾質(zhì)量保證，包括焦?fàn)t煤氣（出口溫度和流量）、焦油析出（在沉淀器中）、硫酸氨鹽質(zhì)量、最終冷卻效率、氨萃取效率、輕油產(chǎn)品等。

2 燒結(jié)

SIMETALCISSinter VAiron燒結(jié)廠改造自動化方案保證了從原材料處理到燒結(jié)和定量給料的可靠工藝控制和優(yōu)化。材料成分模型、點火控制、燒透點預(yù)報、選擇性廢氣循環(huán)等模塊保證了在降低焦比的同時提高產(chǎn)能。

為達(dá)到降低焦比和提高產(chǎn)能的目標(biāo)，有多項工藝模塊可以采用，比如原料成分模型、點火控制、燒透點預(yù)測和選擇性廢氣循環(huán)等。為了進(jìn)一步改善燒結(jié)礦質(zhì)量，燒結(jié)配料二級專家系統(tǒng)將是最合適的工具，能夠保證針對設(shè)備的具體情況進(jìn)行精調(diào)。在南京鋼鐵公司，360m2的第二燒結(jié)廠將應(yīng)用SIMETALCISSinter VAiron燒結(jié)優(yōu)化系統(tǒng)。所有重要的控制包和模型都包括在內(nèi)。尤其是功能強(qiáng)大的混料和燒結(jié)計算模型，將保證最佳的原料條件。VAiron模型的應(yīng)用，比如透氣性計算、含水量計算、燒透點計算和燒結(jié)工藝模型本身，實現(xiàn)了焦炭的優(yōu)化使用和工藝的穩(wěn)定。VAiron Sinter專家系統(tǒng)將在更高層級上執(zhí)行整個燒結(jié)工藝的離線乃至在線優(yōu)化，包括工藝診斷、堿度模型、質(zhì)量控制模型、返回粉料加入控制模型等，計算出需采取的修正措施。

3 高爐

成熟的高爐技術(shù)方案包括：順序控制和閉環(huán)控制，粉料的無料鐘爐頂控制裝料技術(shù)，熱風(fēng)爐控制和優(yōu)化，質(zhì)量平衡和熱平衡模型，爐料控制和布料模型，爐膛損耗計算，閉環(huán)專家系統(tǒng)。靈活的Gimbal Top（或現(xiàn)有的無料鐘爐頂裝料系統(tǒng)，加上準(zhǔn)確的螺線形裝料和優(yōu)化的布料精調(diào)，確保了粉料的準(zhǔn)確分布。

3.1 粉料裝爐

粉料由于粒度小而可能會對氣體分布、壓力損失和高爐總體性能造成嚴(yán)重影響。過去的做法都是將采購的粉料送到燒結(jié)廠作為燒結(jié)原料，以生產(chǎn)出成塊的高爐爐料。因此，在高爐中直接使用粉料，相當(dāng)于增加了燒結(jié)廠的有效產(chǎn)能。改變操作理念，可以實現(xiàn)在高爐內(nèi)使用粉料而不產(chǎn)生不利影響。SIMETALCISBF VAiron在線布料模型，加上基于實際爐料下降行為以控制料層透氣性的專家系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的布料控制。為了在高爐內(nèi)充分使用粉料，必須在傳送帶上和爐內(nèi)都保證將粉料與塊料有效分開。為了在爐內(nèi)準(zhǔn)確加入爐料，工藝控制系統(tǒng)將確定正確的裝料計劃。為了達(dá)到高粉料率，爐料應(yīng)當(dāng)采用“螺線形方式”加入。通過采用定制型自動化方案包和模型，燃料消耗可以大幅降低，同時可以使用質(zhì)量低、波動大的原料。

4 煉鋼

4.1 SIMETALCISDynacon

Dynacon是基于廢氣測量的轉(zhuǎn)爐動態(tài)工藝優(yōu)化系統(tǒng)，主要特點是：包括加料計算在內(nèi)的工藝優(yōu)化系統(tǒng)，吹煉過程的在線監(jiān)控，基于廢氣分析的動態(tài)吹煉終點確定，自動停吹以避免過吹。Steel Expert工藝模型組優(yōu)化了不同的煉鋼設(shè)備。模型以準(zhǔn)確描述了復(fù)雜的冶金熱力學(xué)反應(yīng)的計算公式為基礎(chǔ)。Steel Expert預(yù)測模型在開始冶煉前模擬生產(chǎn)設(shè)備的完整工藝，確定最佳的操作制度（如吹氧、底吹、加料）。

Dynacon與轉(zhuǎn)爐廢氣測量（如LOMAS（）相結(jié)合，充分考慮廢氣的成分（CO、CO2、O2以及有時N2、H2、Ar）和流量。Steel Expert監(jiān)控模型循環(huán)計算鋼水和渣的實際成分和溫度。在吹煉過程中，模型自動確定鋼水中的實際碳含量和脫碳率。在精煉期接近結(jié)束時，廢氣成分會出現(xiàn)急劇變化，可以據(jù)此準(zhǔn)確預(yù)測吹煉終點，從而自動停止吹氧操作。采用該系統(tǒng)可以顯著減少耗時且高成本的取樣操作。

4.2 SIMETALCISLF優(yōu)化系統(tǒng)

為了在處理過程中控制鋼水的冶金和熱力學(xué)行為，并且優(yōu)化轉(zhuǎn)爐或電弧爐與連鑄機(jī)之間的匹配，應(yīng)當(dāng)采用鋼包爐Steel Expert系統(tǒng)。

在每次加料前，相應(yīng)的工藝模型開始計算需要加入的材料種類和數(shù)量。這些模型的功能可以統(tǒng)稱為“設(shè)定點計算”，分別針對如下處理環(huán)節(jié)之一：合金化、脫氧、脫硫、夾雜物形狀控制、溫度修正。設(shè)定點模型根據(jù)處理工藝而自動啟動，或者在操作人員認(rèn)為需要時人工啟動。如果有不同的材料（如合金）可以選擇，將計算確定成本最優(yōu)化的加料配比。另外，Steel Expert預(yù)測模型提前對爐次進(jìn)行全面的預(yù)計算，即計算出處理后將達(dá)到的鋼水和渣的溫度、質(zhì)量和成分。在鋼包爐的整個處理期間，在線模型連續(xù)確定爐次的當(dāng)前狀態(tài)。熱模型和冶金模型對能量需求進(jìn)行平衡，并且計算氧化物在渣中的還原、鋼水的氧化以及其他影響因素造成的渣和鋼水成分的變化，從而在整個處理期間掌握鋼水的實際溫度和成分。

5 結(jié)語

在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一整套先進(jìn)而成熟的模型和工藝包，以實現(xiàn)煉鐵和煉鋼工藝的高效優(yōu)化控制。無論對于小規(guī)模改造，還是對于全新生產(chǎn)設(shè)備，這些工藝包都能有效發(fā)揮作用。它們的優(yōu)勢已經(jīng)在世界各地特別是中國的眾多樣板廠得到了充分展示。

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