智慧煉鋼核心“一鍵煉鋼”技術應用優勢研究

萬延林，林志旺，閆超港，胡彥祥

目前，我國鋼產量的90%以上都采用轉爐煉鋼生產工藝，加強轉爐智能煉鋼技術的研究，對推進我國鋼鐵行業的科技進步有著重要意義。在鋼鐵企業大力推進智慧制造的進程中，智能制造正在成為推進鋼鐵企業質量、效益升級的強大動力。智能煉鋼新技術不斷推陳出新，解決了煉鋼企業眾多難點、痛點問題，諸如“一鍵煉鋼”“全自動出鋼”“無人取樣”等技術的應用，在煉鋼作業生產線現場，基本實現無人化煉鋼作業。當前，無人化、智能化成為促進鋼鐵行業轉型升級的新生力量，使一些煉鋼企業的產業結構發生了根本性地轉變，既減輕了環境和經營成本負擔，同時從生產低端建材產品逐步向生產高端產品跨越。鋼鐵企業有針對地對一鍵煉鋼技術進行深入研究和實際應用，能夠為煉鋼連鑄智慧制造的探索和實踐作出極為重要的貢獻。

1 一鍵煉鋼簡介

一鍵煉鋼是一鍵式自動化煉鋼技術的簡稱，該項技術的發展和進步是信息技術飛速發展的必然結果。一鍵煉鋼技術經過多年的積極探索與現場實踐，已經日趨成熟，進一步促進煉鋼技術在轉爐自動化煉鋼領域實現重要突破。當前，在煉鋼企業的各個生產和管理環節，基本上已做到全面普及自動化控制技術,真正實現了煉鋼的自動化以及智能化目標，轉爐自動化煉鋼主要是將全部的煉鋼冶煉動作指令進行編程后輸入電腦，全部流程都通過計算機終端自動進行控制。在現代化的鋼鐵廠里，依靠智能化操作，在高爐前已經看不到工作的煉鋼工人，煉鋼操作工人僅需要在主控室操作臺按照生產實際情況和要求，按下控制按鈕開啟進料模式后，系統就能完成整個煉鋼工藝流程的監控、操作，實現計算機全程控制。從高爐、煉鋼車間、熱軋車間到成品出庫，無人化、智能化成為當前煉鋼企業的突出特征。

2 一鍵煉鋼技術應用價值分析

“一鍵式”自動化煉鋼技術的開發與推廣實踐，打破傳統生產工藝的局限性，徹底改變了以往生產工藝安全系數低、環境污染大、效率低下等不利于生產的局面，一鍵式自動化煉鋼技術好處多多，實際應用優勢明顯，產鋼量得到顯著提升。“一鍵煉鋼”自動化系統具有較多明顯的優勢：①無需倒爐、可實現快速出鋼，減少冶煉周期；②更好地調整了鐵水、廢鋼比和氧氣耗量；③降低了熔劑、脫氧劑，以及合金的消耗；④提高終點命中率,轉爐出鋼碳和溫度雙命中率均取得很好效果；由于系統可監測到熔池液位、防止鋼水過氧化，很大程度減少了耐材的損耗，降低了鋼鐵生產過程中原材料的損耗；⑤二次補吹率得到一定程度的減少,平均冶煉周期縮短,鋼水質量較高；⑥減少了煉鋼工人的配比，極大地降低工人勞動強度和高溫環境下安全事故發生概率，使成本降幅明顯，同時也提高了工作效率。

一鍵煉鋼自動化工藝流程從技術措施、生產組織、現場操作等方面，所采取的各項技術措施都更加具有針對性，從多角度、全方位創新了煉鋼新舉措。技術應用既能實現安全穩定生產，又能達到優質高產的目標要求，更能發揮出大型鋼企的大規模生產優勢，由此可見，一鍵煉鋼自動控制技術在煉鋼生產中的重要性，及其應用的必要性是不言而喻的。

3 一鍵煉鋼自動化工藝流程

煉鋼工藝的整個流程由三部分組成：①加料：加廢鋼、兌鐵水；②吹煉過程：吹煉、倒爐測溫、點吹；③出鋼及濺渣：出鋼、成分調整、濺渣護爐、倒渣。

在實際操作過程中，應采取優化生產組織、提升工藝操作、調整鐵料結構等措施。首先，加料系統的自動化改進，保證了下料的質量和重量的準確度，選擇優質重廢入爐，合理控制散料加入，嚴格執行精準的廢鋼裝入制度的前提下，優化入爐廢鋼配比。其次，精煉爐在保證鋼水質量的前提下，最大限度地加入尺寸小且質量好的廢鋼，強化過程控制，通過系統控制氧槍吹煉槍位，對加料標準進行優化，采取少渣煉鋼，減少熱損失，保出鋼溫度，實現精細化的轉爐操作，促進煉鋼產量實現最大化。

作為轉爐全流程智能化煉鋼的核心技術，新一代轉爐“一鍵煉鋼”技術以智能控制模型為核心，通過控制系統把各個煉鋼工藝環節進行完美銜接，使整個流程更加安全流暢，實現智能化控制。一鍵式操作功能把以往的冶煉環節擴展到出鋼環節，憑借著先進的副槍、紅外測量、聲吶信號、機器視覺等新型監測系統，采集相應數據，利用生產大數據以及人工智能算法技術應用的助推，實現模型的自主學習和自動優化。系統處于完全自主動態下，可通過指令完成頂吹、底吹、造渣、終點預判和出鋼合金化等一系列過程，從冶煉到出鋼完全處于自主感知、自主決策和自主執行的全閉環智能化控制，并且可進一步實現轉爐冶煉的無人操作、穩定、高效、高質量、低成本的動態有序生產。

圖1 一鍵煉鋼工藝流程簡圖

4 一鍵煉鋼煉鋼技術要點

4.1 一鍵煉鋼自動控制

一鍵煉鋼技術的實現，首先通過分解煉鋼過程的每一步了解煉鋼全過程各道工序，再確定哪些工序可以完成智能控制。一鍵煉鋼就是對煉鋼全過程各道工序綜合設計，使其實現自動化控制的過程，需要提前采取詳盡數據采集，據此建立模型，實現設備升級，達到整個煉鋼過程的智能化。“一鍵式”自動煉鋼控制系統，主要是以冶金工藝為基礎，經自主開發冶煉工藝模型，構成模具、數字化冶煉工藝操作流程，與目前先進的自動化和信息化技術結合，構建自動控制系統。“一鍵式”自動化煉鋼，在計算機方式下，把所有的煉鋼冶煉動作編成程序輸入電腦，PLC接收計算機模型對全部流程進行實時控制，煉鋼工只要點擊一下鼠標，就可實現從降氧槍、降罩、加料、氧槍槍位過程控制、副槍測量、自動提槍拉碳的計算機全程控制。具體來說，包括氧槍自動控制、開氧自動控制、下料自動控制、副槍自動控制及汽包液位自動控制。

（1）氧槍自動控制：在煉鋼生產中，為保證爐膛內環境穩定，轉爐氧槍起到非常關鍵的作用，氧槍系統主要控制著氧槍運行速度、控制槍位、氧槍動作連鎖。氧槍在冶煉過程中的控制速度，是氧槍定位精度和氧槍安全運行的直接影響因素，針對冶煉不同鋼種及冶煉周期鋼水質量，氧槍的定位精度對此產生重要影響。

（2）開氧自動控制：在煉鋼過程中，吹入氧氣量是否合適極為重要。若氧量不足，化學反應不夠充分，難以保證鋼水質量；氧量過大，將造成鋼水產生氣泡，鋼的品質受到影響。因此，必須準確控制吹氧量，而一鍵煉鋼開氧自動控制計量精準，自動調節，自動關閉，具有非常明顯的優勢。

（3）下料自動控制：在吹煉過程中轉爐自動加料，主要是通過輔原料控制系統進行輔原料加料，由系統合理控制輔原料加料過程中原料加入的種類、原料加入量和加入時間等，提高一次冶煉命中率，確保整個冶煉過程中鋼種成分、溫度、渣的成份處于目標控制范圍。

（4）副槍自動控制：副槍設備在轉爐一鍵煉鋼技術中肩負著極為有效的測量任務，可在不間斷吹煉情況下，實現熔池溫度、結晶溫度及氧活度的測量及鋼水取樣。一鍵煉鋼過程中依靠副槍測量來調整吹氧量和輔原料的添加量。動態控制模型和精確的副槍數據確保冶煉實現高的終點溫度、含碳量命中率。

（5）汽包液位自動控制：在汽化冷卻系統中，汽包液位是系統正常運行的重要指標之一。液位過高影響汽水分離，出現蒸汽帶液現象，降低汽化冷卻效果；液位過低會影響到汽水的自然循環，如果不及時調節，當含水汽包內的水全部汽化殆盡時，會燒壞汽包，甚至發生爆炸事故。為此應始終讓汽包液位維持在一定范圍內，這是非常重要的。由于蒸汽壓力的變化、給水流量的變化，對汽包水位都有影響，汽包液位的維持，要保證給水量與汽化蒸發量的平衡。汽包液位自動控制在一鍵煉鋼系統中采用的是PID控制。

一鍵煉鋼技術的應用，是提高煉鋼控制水平的一項重要措施，有效提高煉鋼成功率、縮短冶煉周期、提高鋼水質量和終點命中率、降低原材料消耗和成本、減輕職工勞動強度，該項技術的應用和進步更加凸顯出一個企業的綜合技術管理水平。

4.2 優良的氧槍系統和副槍系統

轉爐氧槍自動控制系統功能，可提升轉爐吹煉和干法除塵的效果。在調試和探索過程中，實現PLC流量控制與模型氧槍控制始終處于最佳關鍵切換點。吹煉開始階段，PLC可直接控制氧槍動作，初期主要為滿足干法除塵要求，采取小流量的吹氧，再根據實際需要，保證轉爐氧槍安全控制的前提下，順利完成轉爐氧氣全自動、半自動或者手動之間的轉換，當轉爐冶煉達到終點溫度和成分雙命中時，準確處理轉爐運行時，氧槍接收到自動提槍信號做出自動提槍動作，并且不會發生氧槍墜槍的情況，主要是在提升、下降、停止等各種不同情況下，提升了氧槍自動提槍的準確性。氧槍系統的自動良好運行，氧槍的精準定位，有效提升了產品質量。

副槍自動煉鋼技術是融合了理論計算、先進經驗和檢測手段，應用了計算機和PLC控制技術，是當前最先進科學的煉鋼方式。副槍系統架構合理，操作便利，實用性強，通過二級計算機模型自動控制整個煉鋼過程。該技術主要應用靜態、動態數學模型的二級計算機控制系統及副槍數據處理系統，轉爐煉鋼副槍系統可實現在不中斷吹煉或不倒爐的情況下從轉爐中獲取鋼液成份、溫度、氧含量等所需信息，既能降低操作者的工作強度，也能減少轉爐每爐次的吹煉時間。由技術人員對轉爐模型二級系統后臺程序進行優化調試，實現轉爐模型二級靜態模型、動態模型、吹煉跟蹤、熔劑計算、氧量計算等關鍵算法的準確運用，符合各種不同鋼種、重量、成分、爐況、鐵水溫度、廢鋼情況、熔劑情況、生產節奏等，再進行工藝參數調試，由模型準確計算副槍測量信號時間、副槍下槍反應時間，配合轉爐冶煉工藝要求，優化副槍自動下槍參數，調整吹煉結束信號傳輸時機，追蹤優化轉爐冶煉過程，通過調試使參數最優，對副槍自動進行優化，實現轉爐副槍最佳運行狀態，最終實現轉爐控制系統的穩定運行，滿足自動煉鋼需求，既節約了能源與物料的消耗，又提高了管理水平，達到增產增效的目的。

4.3 安全控制系統

安全是企業穩定生產的基本保障，一鍵煉鋼技術在安全控制系統的設計和開發方面下了最大的工夫，充分考慮到轉爐自動出鋼作業存在的潛在安全風險，系統具有獨立的專家數據庫安全模塊，系統設置10余項自動作業前置保障條件，在關鍵控制點設置完備的自動故障報警，時刻守護著出鋼安全。與此同時，還匹配最高級別的人工干預控制權限。“一鍵煉鋼”安全控制系統的應用，極大地提高了轉爐生產的安全性能，保證出鋼系統始終保持在安全、穩定、高效的運行狀態，促進整個生產線實現實時安全穩定運行。而且安全控制模塊投資強度低，安全系數高，在保證安全生產的同時，切實地提升了煉鋼生產工作效率，具備較高的推廣價值。

5 一鍵煉鋼技術應用成果分析

一鍵煉鋼技術應用使企業徹底實現轉爐自動出鋼的理想生產模式，實現了真正意義上的“一鍵煉鋼+全自動出鋼”工藝貫通，突破了大型轉爐“智慧煉鋼”的關鍵瓶頸。實現智能化控制代替人工的過程，改變了吹煉自動控制系統對于人為操作的依賴性，避免了人為操作體能限制和判斷失誤產生的生產設備事故。轉爐一鍵式自動化煉鋼技術的成功投用，一方面，能進一步提高鋼鐵企業轉爐冶煉質量和效率，縮短冶煉周期，降低工序成本，大幅度縮減生產成本及能源消耗，促進工藝控制能力和技術水平的快速提高；另一方面，隨著入爐鐵水溫度的升高，由于出鋼溫度低造成的斷澆事故大幅度減少，粘槍現象明顯減少，生產組織更加順利，吹煉過程更加平穩，設備運行平穩可靠，經濟效益和環保效益顯著，將會對鋼鐵企業的產品工藝技術進步和品種結構優化起到積極的促進作用。

以某鋼鐵集團連鑄無人化澆鋼項目為例，工程通過搭建煉鋼廠某連鑄機1：1的“一鍵式”自動化澆鋼模型，開展自動化澆鋼全流程調試，所有技術更加成熟，完全具備設備成套、工程設計、工程總承包等自動化澆鋼業務的能力。由機器人代替人工完成一系列的安裝拆卸、清洗、燒氧及中間罐測溫取樣等功能操作，實現遠程操作和自動測溫取樣，大大減輕操作人員的勞動強度和提高安全系數，符合綠色循環經濟的可持續發展要求，通過對煉鋼產生的余熱、余壓、余氣、廢水、固體廢棄物循環利用方面的改進，不斷創新生產流程，實現了廢棄物的節能減排，部分工藝甚至達到“零排放”的要求。“一鍵煉鋼”技術的應用，完全符合節能環保、降本增效的發展規律，為企業經濟效益帶來新的增長點，同時也充分展現了智慧工廠的理念。

6 總結

一鍵式自動化煉鋼技術應用取得的成功，助力鋼鐵企業提高生產效率、提升產品質量、縮短產品研制周期、降低運營成本、增強余熱利用，降低資源與能源消耗，對于推進自動化及智能制造大有裨益。我國煉鋼企業正在加大力度推進智慧制造的進程，促進企業構建一條產、學、研、用健康生態鏈，實現鋼企智慧鋼鐵建設，合力為我國鋼鐵領域融合創新奠定基礎，為煉鋼連鑄智慧制造的探索和實踐作出重要貢獻。一鍵煉鋼技術正在以日新月異的速度不斷完善和進步，今后必將創造更多新的佳績，刷新著更多各項新的紀錄。