丁夢怡

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電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)的改進

丁夢怡

（山東鋼鐵集團山信軟件股份有限公司）

高效、優(yōu)質(zhì)、低能耗、低成本的運營對鋼鐵企業(yè)是至關(guān)重要的。對山東鋼鐵萊蕪分公司特鋼100 t電爐煉鋼生產(chǎn)線故障報警系統(tǒng)、用氧模型、燃燒控制等進行研究，通過添加預(yù)報警信息、自學(xué)習(xí)功能等使電爐綜合自動控制技術(shù)適應(yīng)性更強，生產(chǎn)故障率顯著降低，線上產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量有效提升，滿足市場需求，并取得較好的經(jīng)濟收益。

故障報警系統(tǒng)；用氧模型；二次燃燒

0 引言

隨著電爐熔煉工藝不斷發(fā)展，熔煉過程中自動化控制技術(shù)也不斷進步。山東鋼鐵萊蕪分公司特鋼100 t電爐煉鋼生產(chǎn)線建于2013年，是一條包含電爐、連鑄、軋鋼一體的完整生產(chǎn)線。生產(chǎn)線建設(shè)初期，設(shè)備和控制系統(tǒng)，尤其電爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)基本是引進整套的國外設(shè)備和系統(tǒng)。后期隨著國內(nèi)市場的需求和現(xiàn)場生產(chǎn)工藝、環(huán)境的不斷改進，電爐煉鋼自動化控制系統(tǒng)已無法滿足生產(chǎn)需求，且故障報警系統(tǒng)、能源控制系統(tǒng)等都一定程度上存在外方技術(shù)上的封鎖。為更好地實現(xiàn)自動煉鋼控制功能，提高電爐區(qū)域氧氣等能源的綜合利用率，降低現(xiàn)場故障發(fā)生率，本文圍繞節(jié)能指標(biāo)、效率指標(biāo)和報警系統(tǒng)，完善形成了集系統(tǒng)報警、充分燃燒和能源管控為一體的電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)，為全面生產(chǎn)管理和高效生產(chǎn)創(chuàng)造條件。

1 電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)

山東鋼鐵萊蕪分公司特鋼100 t電爐煉鋼生產(chǎn)系統(tǒng)采用兌加鐵水工藝并進行吹氧操作，由4支組合式精煉燒嘴實現(xiàn)鋼水冶煉的助熔、脫磷、脫碳、二次燃燒和造泡沫渣等功能。電極與爐料間放電產(chǎn)生電弧，釋放大量熱能，融化金屬和爐渣。出鋼形式為偏心底出鋼。電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)是為了確保整個煉鋼生產(chǎn)系統(tǒng)可以在儀表設(shè)備的機械化、自動化和精準(zhǔn)化作業(yè)中持續(xù)高效運轉(zhuǎn)而創(chuàng)建的。電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)采用以太環(huán)網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院图皶r性；采用模塊化編程，根據(jù)用戶定制的監(jiān)控畫面，方便用戶對設(shè)備的權(quán)限性操作；采用故障自診斷模塊，實現(xiàn)故障自動報警功能，降低故障查找時間；并通過各種手段建立生產(chǎn)過程控制模型，從而實現(xiàn)煉鋼現(xiàn)場人力資源與安全運營的最優(yōu)生產(chǎn)方案。

2 建立故障自診斷模塊

山東鋼鐵萊蕪分公司特鋼100 t電爐煉鋼生產(chǎn)系統(tǒng)包含電爐液壓站、鐵水傾翻液壓站、氧氣閥站、煤氣閥站、噴碳系統(tǒng)、電爐傾動系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、爐本體系統(tǒng)、變壓器電抗器、大電流系統(tǒng)等子設(shè)備控制系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對自動化程度要求較高，一旦發(fā)生故障而不能及時處理，將會造成巨大的損失。故障報警系統(tǒng)建設(shè)初期，僅能在操作界面看到液壓油位高低、氧氣流量大小等基本的報警信息，并不能全面掌控系統(tǒng)故障發(fā)生情況和原因。為提高系統(tǒng)的可靠性、可維護性和安全性，本文針對故障自診斷模塊進行深入研究，建立完善故障報警信息庫，搭建預(yù)報警系統(tǒng)。

通過分析大量的電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)故障信息，將故障分為輕故障和重故障2種類型。每種類型又分為液壓故障、系統(tǒng)硬件故障和網(wǎng)絡(luò)通訊故障3個類別。每個類別還分為油箱油位過低、油管路壓力過高、變頻器故障、模板損壞等十幾個種類，常見故障統(tǒng)計表如表1所示。

表1 電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)故障統(tǒng)計

分析現(xiàn)場采集的信息后，在現(xiàn)有故障報警系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加故障信息數(shù)據(jù)庫、自診斷模塊、預(yù)報警系統(tǒng)等控制模塊，以便在生產(chǎn)過程中更好地判斷故障發(fā)生原因，提高故障處理效率。首先建立故障信息數(shù)據(jù)庫，將所有可能發(fā)生的故障信息輸入數(shù)據(jù)庫；然后在現(xiàn)有報警系統(tǒng)中添加故障自診斷模塊和預(yù)報警系統(tǒng)；最后設(shè)定當(dāng)系統(tǒng)有故障時，自行檢索判斷故障類型，輕故障時予以報警，重故障時自動切斷控制回路。

同時，優(yōu)化故障預(yù)警和報警、故障診斷及自學(xué)習(xí)等功能，對電爐煉鋼生產(chǎn)系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)控。通過設(shè)備驅(qū)動、溫度和壓力等信息的變化，對設(shè)備的異常及時做出反應(yīng)，并根據(jù)實時監(jiān)測的現(xiàn)場數(shù)據(jù)與信息，結(jié)合專業(yè)技術(shù)人員輸入的現(xiàn)場設(shè)備異常信息，推斷生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)（正常、故障等）。

3 強化用氧模型

冶煉過程中，氧氣的控制和使用情況直接影響鋼水冶煉質(zhì)量。本文在電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)中分別建立調(diào)節(jié)各個模塊的氧氣流量及燃氣流量控制程序，即根據(jù)電爐各位置用氧特點，對不同位置的氧槍、不同的料籃投入情況，以噸鋼冶煉電耗為判斷依據(jù)，將各個冶煉階段的用氧方式分成一個個分步模塊，實行模塊化控制。100 t精煉燒嘴控制界面如圖1所示。

圖1 100 t精煉燒嘴控制界面

本文將用氧模型的執(zhí)行優(yōu)化設(shè)定為通電熔化廢鋼，通過燒嘴引入氧氣，使氧氣的化學(xué)能能夠被充分利用，此時與火焰接觸的廢鋼被切割融化，鄰近的廢鋼被預(yù)熱。燒嘴引入氧氣要始終保持最大的功率，當(dāng)輸入一定氧氣后，燒嘴功率可減小到50%并開始噴碳，噴碳功能完成后燒嘴切換到氧槍火焰模式并強化氧氣射流，此時，爐內(nèi)可形成熔池。通過每個燒嘴引入的氧氣，其中心氧氣射流是按照最小的功率以氧槍模式被觸發(fā)，再加上氧化C和Fe提供的額外能量，促使?fàn)t內(nèi)廢鋼更快熔化。強化用氧優(yōu)化過程如圖2所示。

圖2 強化用氧優(yōu)化過程

強化用氧模型投入使用后，由于氧氣射流能夠穿透渣層和氧化熔池而不會造成劇烈擾動，可使熱量均勻分布在熔池內(nèi)，廢鋼熔化反應(yīng)明顯加速，吸入爐內(nèi)的空氣明顯減少。生產(chǎn)電耗平均可降低25 kWh/t，氧耗平均降低6.2 m3/t，每爐通電時間平均縮短了2.6 min。

4 完善二次燃燒模型

在山東鋼鐵萊蕪分公司特鋼100 t電爐煉鋼生產(chǎn)線投產(chǎn)初期，生產(chǎn)中CO、H2和CH4廢氣所攜帶的能量占煉鋼總輸入能量的13%，有時甚至高達19%，造成大量能源浪費。一般電爐冶煉中二次燃燒吹氧采用在渣層上方吹氧進行二次燃燒，或?qū)⒀醮颠M渣層使CO在進入爐子凈空間前即產(chǎn)生二次燃燒這2種方法。但無論單一使用哪種燃燒方法，都無法最大限度地利用能源。因此，本文在100 t電爐原有的二次燃燒控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將2種燃燒方法相結(jié)合，通過向爐內(nèi)補充吹氧的方式，使CO在爐內(nèi)燃燒生成CO2，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，促進廢鋼熔化或熔池升溫。二次燃燒反應(yīng)的平衡常數(shù)如表2所示。

表2 二次燃燒反應(yīng)的平衡常數(shù)

CO的燃燒反應(yīng)具有支鏈特征，只有當(dāng)存在H2O的情況下才能快速反應(yīng)，CO的反應(yīng)速率為

由CO的反應(yīng)速率公式可以看出，溫度升高不利于二次燃燒反應(yīng)的進行，有利的熱力學(xué)條件是充足的氧氣供應(yīng)、低的爐氣溫度和一定量的水蒸氣。H2O濃度的最佳值是7%~9%。由此需要計算來自原材料、氧燃燒嘴的燃燒產(chǎn)物以及適當(dāng)控制電機噴淋流量來獲得最佳的二次燃燒的熱力學(xué)條件。

實測得，采用二次燃燒消耗1 m3氧氣可縮短冶煉時間0.43 min ~0.50 min，節(jié)電3.8 kWh/t。一般用于二次燃燒的氧氣量為13.1 m3/t，實際節(jié)電31 kWh/t，縮短冶煉時間6.5 min。

5 結(jié)語

山東鋼鐵萊蕪分公司特鋼100 t電爐煉鋼自動控制系統(tǒng)投入使用后，生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量有了顯著提高。目前，該生產(chǎn)線實現(xiàn)了自動化連續(xù)控制，通過使用故障自診斷模塊，盡可能地降低故障率，縮短故障排除時間；用氧優(yōu)化模型最大限度地優(yōu)化氧氣利用，提高電爐煉鋼的生產(chǎn)效率，降低了損耗。

[1] 傅杰.現(xiàn)代電爐煉鋼理論與應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2009.

Improvement of Automatic Control System for Steelmaking in Electric Furnace

Ding Mengyi

(Shandong Iron and Steel Group Xin Software Co., Ltd.)

High efficiency, high quality, low energy consumption and low cost operation are critical to steel. In this paper, the Shandong 100 t Eaf steel production line fault alarm system, model and smelting energy-saving control system with oxygen section in an in-depth study, by adding forecasting warning information and self-learning function for electric furnace more fully integrated automatic control technology, the production failure rate decreased significantly, online effectively improve production and quality products, to meet the market demand, and have achieved good economic benefits.

Fault Alarm System; Oxygen Model; After-Burning

丁夢怡，女，1987年生，學(xué)士，工程師，主要研究方向：電爐智能化控制系統(tǒng)的研究與優(yōu)化。E-mail: dmysmile333@126.com