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樊建忠 （1960-）
男，河北宣化人，高級工程師，長期從事煉鋼廠自動化與信息化工作。

摘要：介紹自動化煉鋼技術的內涵，國內武鋼、遷鋼在轉爐上的實際應用效果，提出在國內轉爐煉鋼廠100t以上轉爐推廣采用全自動化煉鋼技術的必要性。

關鍵詞：全自動化煉鋼；數學模型；終點命中率

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

    轉爐自動煉鋼技術是在轉爐兌鐵前，根據鐵水的溫度、重量以及計劃鋼種由二級計算機計算出煉鋼過程需要的吹氧量、氧槍吹煉高度、底吹量以及熔劑加入量等靜態煉鋼模型數據，在吹煉后期，通過副槍或其它檢測手段獲得鋼水溫度、成分等信息，再由二級計算機做出動態煉鋼模型調整數據，以確保煉鋼終點達到由二級計算機設定的命中區，從而實現煉鋼實時動態自動控制。該技術是集自動控制、冶金機理、生產工藝、數學模型、人工智能、數字仿真、計算機等多種技術于一體的高難度復雜技術。因為轉爐煉鋼是一個非常復雜的多元、多相、高溫狀態下進行的非特性的物理、化學反應過程，存在著許多不確定的因素，且難以用準確連續的在線檢測儀表檢測轉爐吹煉過程中鋼水的工藝參數，因此采用數學模型，而控制模型是全自動煉鋼關鍵技術的基礎，全自動煉鋼技術應用主要分為兩大類，一是采用副槍設備技術的自動煉鋼；另一類是采用爐氣分析技術的自動煉鋼。目前國內應用的大部分采用副槍技術，一部分鋼廠由于轉爐爐口限制，無法使用副槍而采用后者，一般新建煉鋼多采用副槍的自動煉鋼技術。它的實現過程包括靜態、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，是理論計算、專家經驗和先進檢測手段相結合的采用計算機以及PLC進行控制的科學煉鋼方法，是伴隨著計算機網絡技術和計算機信息技術，以及工業控制技術和工業控制網絡的發展而逐步發展起來的，是目前轉爐煉鋼逐步走向成熟的一項關鍵技術。

2 全自動化煉鋼技術的內涵

    在工藝裝備水平上轉爐配有頂底復合吹煉、副槍系統和計算機二級自動化控制系統。其中副槍系統早期多數選用進口設備，近年來逐漸開始采用國內設備。采用副槍計算機煉鋼，它不僅可以檢測出吹煉過程中間某一點的溫度、含碳量，而且可以取出樣品以及測定氧的活度。目前國內采用副槍技術的全自動煉鋼，其終點碳和溫度的雙命中率一般水平不小于80%，先進水平不小于90%。計算機煉鋼其控制系統主要分成兩大部分，即二級機系統（L2）和基礎自動化系統（L1），二級機系統完成對生產過程的控制和模型的自學習，一級基礎自動化則根據二級機的要求，控制本系統中的設備按指令順序動作，同時將生產過程中的相關數據按二級機的要求回傳到二級機。

    煉鋼工藝L2數學模型主要包括主原料計算、靜態模型和動態計算等轉爐全部工藝的過程模型。模型的計算機原理主要是基于熔池內各種元素的化學反應和由此帶來的物料平衡和熱平衡。鐵水的重量、溫度和成分（C、Si、Mn、P、S）、廢鋼量、鋼水量、終點溫度、熔劑加入量、渣量和供氧量等將作為物料平衡和熱平衡的主要項目。

    吹煉前根據鋼種計劃，首先由二級機輔助各工藝參數采集，采集數據分析，進行靜態計算，一次加料計算，熔池液面計算，氧氣計算，出鋼合金模型計算，補吹校正計算，之后根據實際工藝操作運行情況，再進行二次計算，動態計算模型是當轉爐吹氧量達到80%時，副槍下TCO、 TSC復合探頭對鋼水溫度和碳含量進行吹煉中測量，同時將測出的碳含量和溫度值發送到二級機，并根據測得的數值對終點進行計算，計算結果控制一級執行機構的執行過程，最終結果提高鋼水成分一次C[T]的命中率。

2.1 靜態模型

2.1.1 一次計算

    一次計算是利用轉爐物料平衡和熱平衡的原理，根據鐵水成份、溫度、重量和目標鋼水成份、溫度、重量以及終點渣成份進行初步計算，計算出需要的原輔料、冷卻劑用量和吹氧量。

    主原料計算：根據接收的出鋼計劃和制造命令，并根據鋼種和目標出鋼量進行鐵水比的分配計算。

    廢鋼秤量：根據主原料計算結果和鋼種的廢鋼配比規制，決定廢鋼秤量牌號和秤量順序、重量。

2.1.2 二次計算

    脫硫站將脫硫后實際鐵水成份、溫度和重量傳輸到轉爐二級后，二級系統重新對吹氧量、鋼水、爐渣終點成份和溫度以及吹煉液位進行計算。二次計算和一次計算唯一的區別是：二次計算得到的是鐵水脫硫站脫硫后傳到轉爐的鐵水溫度和[S]含量，并根據此成份進行計算從而得出更精確的結果。為提高二次計算的精確度，系統會考慮該爐鐵水倒罐過程溫降以及鐵水預處理脫硫結束測溫時刻到轉爐開始兌鐵水時刻的溫降，決定入爐實際廢鋼牌號和重量。

    轉爐可以根據二次計算的結果操作，也可以根據實際生產情況對二次計算結果進行修改，并將計算或更改結果確認后發送到二級機。

2.1.3 液位測量

    副槍通過專用的測量液位探頭對鐵水液位進行測量。

    主操工連接好探頭，待兌完鐵水，收到轉爐垂直信號后，點擊液位測量按鈕，副槍下槍測得數值，主操工在轉爐二級中采集廢鋼實際入爐重量后，點擊模型計算按鈕，系統會自動給出計算值，主操工對該液位進行確認(修改)后，發送到轉爐二級，該液位作為吹煉的零液位。

2.1.4 氧槍槍位模型

    自動煉鋼投入使用后，根據不同的鐵水條件和生產鋼種共設計了數種操作槍位，最終將由操作工選用何種槍位模型。

2.1.5 氧氣量模型

    氧氣用量模型的計算：先根據鐵水化學成份計算吹煉該爐鋼所需的氧氣量，再計算礦石帶入的氧量，最后根據上爐氧氣利用率對該爐氧氣用量進行修正，從而得出該爐最終氧氣用量。

2.1.6 合金計算模型

    合金計算模型是根據終點鋼水成份計算需要使用的脫氧、合金化用合金量，在使用合金模型時，工程師預先將合金各有效元素含量、價格輸入二級系統，待終點鋼水成份化驗出來后啟動合金計算模型，模型根據目標鋼水成份和合金價格進行合金計算的優化，選用最小量低價格模型。

2.2 動態計算模型

    動態計算模型是當轉爐吹氧量達到80%時，副槍對鋼水溫度和碳含量進行吹煉中測量，同時將測出的碳含量和溫度值發送到二級，并根據測得的數值對終點進行計算。

2.2.1 動態模型計算包括:

    （1）計算動態過程的吹氧量；

    （2）計算終點碳含量和終點溫度；

    （3）計算補加冷卻劑或升溫劑加入量。

2.3 自學習模型

    自學習模型是根據該爐役內各爐次生產情況對工藝模型參數進行適時調整。

2.3.1 調整模型的原因

    （1）轉爐爐襯的侵蝕；

    （2）氧槍噴嘴的磨損；

    （3）氧槍的更換；

    （4）轉爐熱損失的變化，停爐時間的長段；

    （5）氧氣利用率；

    （6）P和S在鋼渣間分配系數。

2.3.2 模型參數調整

    根據生產情況，需要對模型參數不斷地進行優化，需要調整的數據為：

    （1）氧氣利用率系數；

    （2）終點渣堿度；

    （3）終點渣氧化鎂含量；

    （4）溫度損失；

    （5）原輔料、合金料成份的變化。

2.4 三種轉爐自動控制技術性能和方法的比較，如表1所示。

                        表1   三種轉爐自動控制技術性能和方法的比較

2.5 轉爐自動煉鋼計算機程序流程

    全自動化煉鋼的核心是計算機控制，其流程圖如圖1所示。

                                    圖1   轉爐全自動煉鋼控制的流程

3 目前國內全自動化煉鋼的實際應用效果

    國內截止2008年底，寶鋼、武鋼、首鋼遷鋼、南鋼、攀鋼等十幾個轉爐煉鋼廠采用了自動煉鋼技術。該技術主要分為兩大類：一類是采用副槍設備技術的自動煉鋼技術，代表廠是武鋼和寶鋼；另一類是爐氣分析系統和煉鋼靜、動態數學模型，以馬鋼代表，該系統利用質譜這種精確快速的氣體分析技術，通過先進的數學模型對轉爐煉鋼進行控制，該系統比較適合國內中小型頂底復吹轉爐，多用于現有轉爐技術改造，由于爐口較小無法上副槍系統，因此采用此方法。新建大、中型100t轉爐基本采用前者，其效果要好于后者。采用副槍系統的自動化煉鋼技術方案也是目前國內主流選擇，選擇副槍系統設備分為進口副槍和國產副槍。進口設備主要成套設施的廠家有達涅利-康力斯(DANIELI-CORUS)公司(原荷蘭霍戈文)、奧鋼聯、日本的鋼鐵公司等；國產主要有武鋼華楓公司。如：寶鋼一煉鋼裝備三座300t轉爐，全廠工藝設備和及自動煉鋼技術從日本整套引進，自動化系統具有20世紀80年代國際先進水平。武鋼三煉鋼是1996年8月建成投產，自動化系統具有完整的生產管理自動化、過程控制自動化和基礎控制自動化三級計算機系統，具有20世紀90年代國際先進水平。武鋼的副槍及控制模型屬于國外公司技術和設備，投產初期，由于外方核心源代碼不對用戶開放，所設計的數學模型和該廠實際的工藝、操作條件存在很大的差異，尚不能實現計算機控制煉鋼。后經武鋼三煉鋼專業技術人員的努力攻關，對模型的大量修改和二次開發，于1997年11月，終于實現了吹煉全過程的計算機控制，并于1999年底達到吹煉終點碳溫雙命中率接近80%的水平。2000年以后終點碳溫雙命中率超過90%，武鋼消化國外技術，自主研發國產副槍及數學模型自動控制軟件在武鋼三煉鋼3號轉爐上應用自主開發取得成功，2003年終點碳溫雙命中率達到平均為94.7%的國際先進水平，取得了較好的經濟效益。武鋼計控公司將此技術推廣到首鋼遷鋼，2006年使首鋼遷鋼三座210噸投入自動煉鋼使用，并實現了一鍵式煉鋼。

3.1 首鋼遷鋼的實際應用

    2006年8月8日，副槍自動化煉鋼技術在遷鋼3號轉爐同時投入運行，12月25日實現計算機控制自動化煉鋼(一鍵式煉鋼)。2007年3月份，3座轉爐全部實現了一鍵式煉鋼。

    2007年7月中國金屬學會組織了國內著名專家對首鋼遷鋼210噸轉爐煉鋼自動化成套技術科技成果評價會議。對該項目給予了高度評價。結論是：210噸轉爐煉鋼自動化成套技術是我國第一套完全由國內自主設計研發、制造的煉鋼自動化成套技術。實現了轉爐煉鋼全自動控制，采用該項成套技術后，轉爐后吹率由投運前的平均28.37%減少到3.16%，轉爐終點碳、溫度雙命中率達到90.51%，其中碳命中率達到96.34%，溫度命中率達到93.67%，使轉爐終點[P]含量平均達到0.007%，冶煉周期平均縮短16.8%，此項目投資比引進國外技術節省2262.4萬元，節省投資總額43.72%，項目實施后每年能產生直接經濟效益1476萬元。投資少，經濟效益顯著，項目整體水平達到國內領先、國際先進。對國內轉爐煉鋼技術進步具有重大推廣意義，建議加快該成套技術的推廣應用。

4 全自動化煉鋼技術在國內推廣應用的必要性

    國內煉鋼冶煉技術的發展一定要認真落實科學發展觀，大刀闊斧的推進技術創新，運用自動化與信息化新技術改變傳統制造業的設計觀念。自動化煉鋼技術是我國鋼鐵產業發展政策指南中要求大力開發的關鍵技術，目前國內已經掌握了其核心技術。副槍及自動化煉鋼軟件技術全部可以立足國內，完全可以由國內總承包，設備總投資可以大幅降低，兩座150t轉爐設備和技術比引進國外技術可以節省投資額1500萬；每年產生直接經濟效益1000萬元，同時帶動各項管理上水平，提高煉鋼工藝裝備及整體自動化水平，使國內煉鋼冶煉過程的噸鋼成本大幅降低，在未來國際市場的競爭中立于不敗之地，因此推廣采用此項技術，有非常重要的現實意義。

4.1 相比采用傳統煉鋼的優勢

    相比傳統煉鋼（經驗煉鋼）自動煉鋼技術有著非常明顯的優勢。

    （1）采用該項成套技術后，轉爐后吹率將從目前國內平均60% 下降到到10% ( 中高碳鋼)；轉爐終點碳、溫度雙命中率達能夠提高60%以上，達到90%；

    （2）冶煉周期平均縮短20%，停氧到出鋼時間從8.2min 縮到2.5min；縮短工序流程占用時間，提高工作效率；

    （3）噴濺率從30% 下降到5%；鐵收得率提高0.49%；石灰消耗減少3kg/t；爐齡提高30%；

    （4）減少對經驗煉鋼工的依賴，便于標準化操作，提高管理水平，降低各種能源消耗，大幅提高經濟效益。

4.2 能夠帶動整個煉鋼基礎管理上升水平

    自動化煉鋼是一個復雜的系統工程，用計算機控制轉爐煉鋼，不僅需要計算機硬件和軟件，而且還必須具備完整基礎自動化準確控制設備運行，精準物料計量采集系統。

    設備無故障或故障率低，主輔原材料達到精料標準，重量、成分、溫度、壓力、流量準確穩定，鋼液成分和溫度準確。其成功與否的關鍵是吹煉過程中爐內信息的獲得，應用最成功的冶煉過程中的檢測和監控技術之一就是副槍技術。因此要求基礎自動化不但具備完備的數據采集，準確的計量系統外，而且要求各級管理和操作人員具有高素質，精確確定各流程工藝技術參數，要求各級管理要做到規范、到位，真正做到精心操作、精細調整并制定各項規章制度，嚴格執行各項操作規程，以制度為保障，促進職工由熟練操作向精準控制轉變。統一思想、樹立信心，進一步踏踏實實做好基礎工作，堅定不移地推進自動化煉鋼，帶動煉鋼管理上水平，提升企業核心競爭力。

4.3 推動煉鋼整體自動化及信息化建設深度發展

    目前國內新建煉鋼自動化系統的設計是按三級自動化設計，具有完整的生產管理自動化（L3）、過程控制自動化（L2）和基礎控制自動化（L1）三級計算機系統。自動煉鋼技術的內涵是依據產銷系統的定單組織生產，生產管理系統依據生產和技術管理一體化的要求，從L3 接收所需的制造命令、制造標準、作業標準、出鋼計劃、下傳給L2過程控制系統計算機，L2級將過程信息及數學模型的優化計算及控制參數下傳L1級，用于控制設備執行操作。全部生產過程除極特殊情況外基本上都是自動進行，不需人工干預。而自動煉鋼技術在L1基礎數據檢測與采集、設備動作執行和L2數學模型與工藝過程控制中起著非常重要的作用，它的推廣應用毫無疑問將帶動煉鋼整體自動化水平上升到新的水平，實現現場大量計量、監測數據實時數據自動采集。

    08年下半年以來，受世界經濟危機的影響，鋼鐵企業效益大幅下滑，國內鋼廠遇到了歷史上前所未有的困難，企業生存與發展的嚴峻現實又擺在面前，市場競爭環境發生了巨大改變，客戶對產品價格、規格、質量和交貨期的要求越來越高。過去原有的生產組織模式，標準化大批量生產，壓庫銷售，生產什么產品就銷售什么產品，這種狀況已經不能適應未來市場競爭的需要，必須加大改革創力度，采用先進的自動化信息技術，先進的檢測和控制手段，分辯出生產任何一種產品的真實成本，滿足客戶的多品種、小批量、交貨期短的訂貨需求。

5 結束語

    國內鋼廠實踐證明全自動煉鋼控制技術是一項成熟而穩定的煉鋼技術，且能夠滿足大量具有高附加值的優質品種鋼的生產，國內已經完全掌握了該項技術，在國內鋼廠推廣應用全自動煉鋼技術可以帶來可觀的經濟效益，綜合經濟效益非常明顯。自動煉鋼技術的推廣應用可以帶動相關基礎管理工作上的提高，進而使煉鋼廠管理水平上升到一個新的高度。

    同時，可使國內煉鋼廠的自動化與信息化水平躍進到國際領先水平。


參考文獻

[1] 120t轉爐自動化煉鋼生產實踐[J].南鋼科技與管理，2006，(1). 

[2] 武鋼第三煉鋼廠3＃轉爐全自動煉鋼控制技術[J].冶金自動化，2006，(6).