智慧電弧爐煉鋼發展概述

宋水根，劉唆根，廖火根，劉永剛

(新余鋼鐵集團有限公司， 江西 新余 338000)

智能制造將是“十四五”時期流程制造業技術創新的主要抓手和轉型升級的主要路徑。中國已經成為全球冶金生產中心和消費中心，應進一步成為全球冶金教育中心和研發中心。時代呼喚著中國鋼鐵向智能化、綠色化發展，中國將引領全球冶金技術的發展。

智慧煉鋼主要實現3個層次的目標：①利用人工智能、大數據技術，提升生產過程控制智能化，使設備效率最大化、產品質量最優化；②提升煉鋼工序的信息化程度，以優化產品過程管控和生產調度；③提升煉鋼工序的自動化、無人化程度，降低工人勞動強度，及崗位危險性。主要技術包括：廢鋼配料間及廢鋼天車智能化管理系統、一鍵煉鋼(含自動出鋼)、一鍵精煉、冶煉信息跟蹤及調度系統、崗位無人化技術。

1 廢鋼配料間及廢鋼天車智能化管理系統

廢鋼配料間及天車智能管理系統主要通過2D掃描儀成像技術，對料堆進行三維建模，掌握料場堆料外形信息；根據來料實際、用料需求及配料間實際情況對天車進行智能調度，實現天車的無人化控制，同時對天車的作業實績進行跟蹤，實現對料場庫存進行管控。廢鋼料場及天車智能管理系統包含2大子系統：廢鋼庫管系統和天車無人化系統。

1.1 廢鋼庫管系統

鋼廠所收集的廢鋼需要根據成分、形狀大小、種類等進行分類，避免造成冶煉鋼材成分的偏差，廢鋼作為電弧爐煉鋼的原料之一需要根據冶煉情況及時準確地加入到電弧爐中，因此廢鋼的庫存管理就顯得尤為重要。目前，廢鋼庫管系統可以實現以下功能：

(1)自動接收物料出入計劃信息；

(2)廢鋼堆放料堆形狀、廢鋼運輸工具料堆形狀自動生產，提供料堆遠程同步顯示功能；

(3)天車作業管理；

(4)廢鋼卸料自動管理；

(5)廢鋼裝料自動管理；

(6)自動班核日清周平衡月結算；

(7)廢鋼料堆極限預警。

1.2 天車無人化系統

天車無人化系統是在傳統天車設備的基礎上通過安裝控制管理系統實現天車之間的信息交互并最終實現天車的自主作業；天車無人化系統包含天車自動定位、天車防搖、天車稱重、天車被動防碰撞，及天車自動取卸料系統。可以實現天車根據作業指令，自動定位至作業位置，完成作業過程，并反饋作業結果。天車無人化系統顯著地提高了工人的勞動效率，提供了精細的現場管理，為智能化鋼廠建設提供了有力的支撐。我國的河鋼、唐鋼在高強汽車板原料庫中成功地運用了天車無人化系統，且運行情況非常穩定完全滿足現場生產的需求[1]，其PLC程序控制系統如圖1所示。

圖1 唐鋼廠無人化天車PLC程序控制圖

2 電弧爐一鍵煉鋼技術

不同于轉爐的一鍵煉鋼技術，電弧爐一鍵煉鋼技術較為復雜，因此需要通過一系列模型對相關的工藝指標進行估算，以指導爐前操作人員，實現生產的穩順進行，幫助降低能耗、保證產品質量和生產節奏。電弧爐一鍵煉鋼技術主要包括以下幾種[2]：終點控制技術、冶煉供電制度、供氧制度、熔劑添加造渣制度、泡沫渣造渣技術控制、底吹攪拌制度、鋼水升溫制度、終點碳控制、電極噴淋控制、爐后合金加入制度，下面將對其中較為關鍵的技術進行詳細介紹。

2.1 冶煉供電和供氧

電弧爐冶煉過程中供電和供氧是冶煉能量的來源，供電或者供氧過大則會造成生產成本的升高，過小則會造成溫度偏低更有甚者造成鋼液質量不合格，因此需要嚴格的控制供電和供氧制度。傳統的供電和供養主要是操作工根據經驗和冶煉情況手動調節，操作工有時為了完成工作任務或是判斷失誤往往會造成過度的供電或者供氧從而導致生產成本提高[3]。而一鍵煉鋼中的供電模式是依據連續加料能力(爐體稱量裝置實時上傳爐內重量)和能量輸入及能量消耗確定相應的供電制度和單位時間的輸入功率(在設定功率條件下優先調節電流)，從而指導該模式；供氧模式則是依據爐料條件(用戶上料系統提供)及廢鋼成分(用戶廢鋼管理提供)和爐內工序和鋼水含碳量(取樣+化驗室反饋信息)調整吹氧模式和吹氧量；兩者都是采用智能供電供氧模型配合先進的調節系統實現對供電供氧的精準控制，保證冶煉的效果和生產成本的最低化。

2.2 電弧爐底吹攪拌

電弧爐底吹攪拌可以消除爐內低溫、快速均勻鋼液溫度、促進渣鋼反應、提高金屬收得率等，合理的底吹可以提高底吹轉的壽命實現與爐齡同步，因此底吹攪拌對于生產節奏和成本的影響很大。傳統的底吹攪拌的控制是操作工人根據現場情況結合自身經驗進行手動的調節控制；在電弧爐一鍵煉鋼中則是通過控制系統依據工藝階段、鋼水量、吹氧狀態、供電制度調整底吹攪拌。

2.3 冶煉終點控制技術

電弧爐煉鋼終點碳含量和鋼液溫度的精準預測和控制是降低生產成本、加快冶煉節奏的關鍵。傳統的操作中的碳含量和鋼液溫度是由操作工人通過測溫取樣來進行判斷的，這種方法具有一定的滯后性，最終的結果和測出的結果往往存在偏差；因此為提高冶煉終點參數的準確性，早期學者通過物料平衡和熱平衡建立相應的模型對結果進行預測，但是結果不太理想[4]。隨著計算機技術的不斷發展，北京科技大學依靠爐氣分析檢測和鋼液溫度在線測量手段建立了基于指數積分和網絡神經的爐氣氣氛和終點溫度預測模型，實現了終點碳含量命中率90%和終點溫度命中率88%[5]。通過上述模型中的溫度控制參數控制連續加料的速度和變壓器的輸入功率最終實現冶煉終點的控制。

2.4 造渣與流渣操作

實現最佳的泡沫渣層對于促進低導熱性、從鋼水中去除不需要的元素、屏蔽電弧以及保護爐子的耐火內襯和水冷元件至關重要。技術人員通常使用預先設定的操作圖表或手動噴吹碳粉和氧氣，而無法直接觀察這些手動噴吹如何影響泡沫渣的高度和分布。通常，技術人員必須通過測量爐子狀態變量和解釋外部線索來推斷泡沫渣的高度。但這種方法不夠精確，無法優化泡沫渣自動化方法或可靠地控制爐內發生的動態、危險和嘈雜的狀況[6]。

傳統的控制泡沫渣的方法依賴于靜態程序和操作工直覺的結合，以指導最終會影響煉鋼成本和產品質量的關鍵判斷。技術人員雖然熟練，卻被迫使用代表爐內條件的不精確模型來控制泡沫渣工藝。雖然工人會努力做到最好，但生產過程中的不準確性以及誤判會導致更高的能源成本、更高的噴碳用量、加速電極消耗、以及可能導致耐火材料過早磨損。

通過利用成熟的振動檢測技術，操作工可以使用精心設計的控制系統，確保在整個平熔池期間泡沫渣完全穩定地覆蓋鋼水熔池和電弧[7]。實現均勻且可重復的泡沫渣分布可帶來許多運營效益，包括提高爐子生產率、減少碳消耗、降低能源使用和二氧化碳排放。

振動檢測的控制系統由與3根電極(AC電弧爐)相對布置的3個結構振動傳感器構成。結構振動傳感器檢測由電弧產生的振動，電弧會通過鋼、爐渣和氣相傳遞振動。控制模塊使用算法評估結構振動聲音數據和電流信號，進而控制碳(和氧氣)噴入爐子的不同區域。泡沫渣的控制是通過控制模塊和在線檢測共同完成的，控制模塊主要是基于模糊算法的基礎上實現對爐內每個區域的泡沫渣高度的實時計算，并對比在線檢測結果取最優值，然后自動調整煉鋼過程以確保均勻的爐渣分布。每個區域的準確數據意味著可以向泡沫渣中噴吹精確的碳脈沖，并保持最佳狀態直至熔煉結束，此時將部分泡沫渣倒出[8]。由于該系統是完全自動化的，因此從開始到結束，泡沫渣過程的控制是精確且可重復的。控制模塊在線檢測爐內情況并立即使用這些信息優化爐渣條件。圖2是某鋼廠智能夾渣系統的機械設備和電控設備圖。

圖2 智能夾渣系統機械設備和電控設備圖

3 自動出鋼技術

自動出鋼技術主要是通過攝像系統連續監控，在操控中心進行相應的操作，從而實現EBT區域無人化操作(出鋼、填砂、清理)[9]。

為實現遠程無渣出鋼，需要運用出鋼熱成像攝像機對鋼液和鋼渣進行區分，并確認好鋼包位置和鋼包邊緣后進行出鋼操作，過程需實時檢測下渣量，通過控制爐身傾斜度實現對下渣量的控制。

根據攝像系統的結果可以進行出鋼口和爐門口的清理以及自動填砂作業，當發現出鋼口或者爐門口堵塞時，可通過控制固定平臺上的清理操作桿對出鋼口進行清理；自動填砂作業則是由原料儲存、原料遞送兩部分組成，根據攝像機監控情況自動出砂，完成填砂作業后會通過液壓驅動控制出鋼口蓋板關閉。

4 一鍵精煉技術

傳統的精煉工藝無論是LF抑或是RH都需要操作人員在高溫爐門口進行操作，工作環境非常惡劣并且危險程度也很高；一鍵精煉技術通過計算機計算配合自動化系統可以很好的控制冶煉的進程，真正的實現無人化少人化作業。

4.1 一鍵LF精煉

LF精煉爐基礎自動化系統通過接收鋼包精煉爐過程控制計算機工藝控制模型計算出的各個工藝設定值，完成造渣、合金成分微調、底吹氬攪拌、喂絲去夾雜、電極埋弧加熱、測溫取樣等各個工藝子系統的全自動連鎖控制和回路調節控制，替代手動或半自動的精煉操作作業方式，最終實現LF鋼包精煉爐“一鍵精煉”。其主要技術包括：自動加料、自動吹氬、自動喂絲、自動點擊調節以及自動測溫取樣[10]，圖3為某鋼廠自主開發的一鍵精煉功能模型圖。

圖3 LF一鍵精煉功能模型圖

4.2 一鍵RH精煉

一鍵RH精煉爐系統通過接收RH精煉爐過程控制計算機工藝控制模型計算出的各個工藝設定值，使得鋼包臺車走行、鋼包液壓頂升、頂槍吹煉、真空系統抽真空、合金加料實現全自動，以替代現有的人工手動或半自動的操作作業方式[11]。根據工藝控制模型提供的時序圖及工作曲線，使得各工藝子系統按照規定時間和參數自動運行，達到減少勞動定員、提高生產效率、優化生產的目的。

5 煉鋼物流跟蹤及調度系統

煉鋼物流跟蹤及調度系統引入視覺識別技術、圖像識別技術、格雷母線定位技術等，實現對生產過程的物料流、質量流、數據流進行統一跟蹤和監控，使生產流程精確匹配生產計劃、生產計劃自動排產、指導煉鋼生產節奏，三者完美閉環。

5.1 煉鋼物流跟蹤系統

煉鋼物流跟蹤系統是智慧煉鋼過程中不可或缺的一項，煉鋼物流跟蹤系統可以實現從鐵水、廢鋼裝載到鑄坯出廠的整個煉鋼生產過程的物料、運轉工具、鐵水、鋼水等的跟蹤，并結合溫度、成分等生產工藝數據，理順生產瓶頸，跟蹤關鍵數據，掌握生產成本，提高調度質量，從而提高煉鋼生產的組織管理水平和過程控制水平。

煉鋼物流跟蹤系統包括天車位置跟蹤、鐵水包識別及鐵水跟蹤、廢鋼槽及廢鋼跟蹤、鋼水包識別及鋼水跟蹤、冶煉爐次跟蹤及物流信息顯示系統[12]；并且也可以實現對于輔料等物料的跟蹤和管理，例如對于石灰、熔劑、碳粉等料倉智能管理與作業管理及信息跟蹤、實現爐渣轉運信息跟蹤和實現耐材入出庫及庫存管理等。

5.2 煉鋼調度系統

煉鋼調度系統主要實現對天車、臺車、鋼包、中間包等轉運工具根據生產計劃進行合理的調度，對轉運工具的維護進行管理，并記錄各轉運工具的生產數據。煉鋼廠中各種設備、運轉工具的調度影響著鋼鐵生產的節奏。鋼廠會專門的配備調度人員，對現場所用的各種設備和運轉工具進行調度，調度員依靠個人經驗和對復雜的路網信息的掌握，采取邊走邊看的調度模式，這樣不僅效率較低，增加調度人員的負擔，而且由于難以統籌考慮所有的作業任務而導致頻頻出錯。因此，通過利用合理的算法并結合計算機技術組成智能的煉鋼調度系統，可以很好地實現調度作業的高效性，進而提高生產效率、降低生產成本。國內的陳在根等人[13]研究了鐵水的實時調度，并從人工智能和人機交互的角度出發，開發了鐵水調度系統。

6 崗位無人化技術

6.1 測溫取樣機器人

目前，國內大部分鋼廠仍采用人工測溫取樣，這種方式危險系數高、耗時長、探頭浪費嚴重；因此測溫取樣機器人就應運而生，目前國內外有很多公司都開發出了測溫取樣機器人，其可替代操作工人用于電弧爐、LF爐、連鑄平臺自動測溫取樣。其功能也是多種多樣，主要的功能包含自動安裝測溫取樣探頭，自動定位至測溫取樣點，執行測溫取樣工作，自動剔除探頭[14]。其中應用最為廣泛的應屬西馬克公司自行設計的自動測溫取樣機器人，該機器人被命名為Simetal Liqui Rob，并且在上述功能的基礎上還增加了非接觸式鋼液測溫系統，可以在短時間內測出鋼液的溫度和出鋼時間，大大地提高了生產效率[15]。圖4為德國西門子所研制的自動測溫取樣機器人。

圖4 Siemens自動測溫取樣機器人

6.2 自動制樣系統

鋼廠測量鋼液的成分、夾雜物含量和分布都需要制備相應的樣品，然后送至化驗部門進行檢測。目前，國內部分鋼廠的制樣也是依靠操作工人進行切除、破拆、標記然后通過風洞送樣系統快速地送至化驗部門，再由化驗部工作人員進行切頭、磨拋最后在進行檢測；該過程耗時較長并且容易出現樣品和編號不匹配的問題。自動制樣系統可以在自動取樣的基礎上，實現樣頭切除、破拆、帥選、裝瓶全過程無人化；聯合測溫取樣系統和風動送樣系統，可實現取樣、制樣、送樣全過程無人化，大大縮短了中間時間，提高了化驗速度和效率。

6.3 智能冶煉快分系統

冶煉快分系統可實現冶煉快分系統從收樣到完成檢驗的全過程無人自動化。快分系統包含2類機器人，分別完成風送圈和分析圈的樣品分配。快分系統同時可以指導系統按照預定的優先制原則工作，聽實現銑樣機、分析儀的任務均衡管理；實現樣號跟蹤，分析報告及時準確傳送。

依托工業大數據平臺，部署一體化生產運營系統，構建智慧運營管理中心，實現生產管理(MES)系統、能源管理系統、物流管理系統、質量管理系統、設備管理系統的集中管理，將管理人員集中在智慧運營管理中心開展相關工作[16]。將企業的生產過程、能源管控、質量管理、設備運維、物流管理、消防、氣體監測等各系統的監控畫面統一在智慧運營管理中心進行顯示和管理。通過可視化界面，管理人員可以動態、可視化地了解各系統的運行情況并方便地進行信息交互。便于各業務系統相互協調、相互協作、相互溝通，實現生產組織的融合，和一體化管理。對生產中的各類事件可進行統一協調和快速響應。實現集中管理、集中調度、集中監視、集中運維。建設以數據為中心的一體化運營管控中心，可依托本項目全方位數據的深度融合和挖掘，實現全流程的物料跟蹤、全流程的物流優化、高效的生產管控、精益的質量管理、精細的能源管控及可視化的設備管理和庫存管理，實現鋼鐵生產的全面集成，支撐企業的采購、生產、銷售等業務運作，使企業管理更加透明化、精細化和規范化，從而進一步提高企業管理效率與管理精度，為企業的戰略決策提供有力的支撐。

7 結論及展望

智能電弧爐煉鋼技術從廢鋼收集到電弧爐煉鋼、自動出鋼再到后續的一鍵精煉完全實現了煉鋼的少人化無人化作業，將勞動力從艱苦環境中解放出來的同時也提高了生產效率和產品質量的穩定性；智能電弧爐煉鋼技術受人為因素影響小，這也為煉鋼標準化作業水平的提高，產品結構多樣化發展以及生產成本的降低奠定了基礎。目前，國內的智能電弧爐煉鋼技術仍處于萌芽階段，雖然國內部分電弧爐廠已經更新了部分功能例如自動測溫取樣、自動收發樣品等，但效果并不太理想；我國的智能化煉鋼需要緊密結合快速發展的計算機技術開發出適合我國鋼鐵行業智能冶煉的系統，逐步實現真正意義上的智能化鋼廠。