占小立，楊雄文，宗有成，張立強

（1.南京寶希智能技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210039；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032）

1 轉(zhuǎn)爐出鋼現(xiàn)狀

隨著全自動轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，人們逐步認(rèn)識到生產(chǎn)中傳統(tǒng)的出鋼方式，對產(chǎn)品質(zhì)量和成本有相當(dāng)?shù)闹萍s作用，為此一些鋼鐵企業(yè)在多年前開始研究自動出鋼相關(guān)技術(shù)。以加拿大多法斯科（Dofasco）為例，其研發(fā)的轉(zhuǎn)爐自動出鋼技術(shù)已于2010年投入生產(chǎn)使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)國內(nèi)技術(shù)跟蹤情況，目前部分國內(nèi)鋼鐵公司在自動出鋼技術(shù)領(lǐng)域也進(jìn)行了研究和實踐。2019年3月25日寶鋼宣布其在國內(nèi)300噸大型轉(zhuǎn)爐首創(chuàng)自動出鋼技術(shù)，3月28日河鋼也宣布其一臺轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)自動出鋼，5月29日梅鋼實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐一鍵出鋼為核心技術(shù)的自動出鋼［1］。

但目前大部分企業(yè)所采用的自動出鋼技術(shù)，時間是按照以往轉(zhuǎn)爐出鋼經(jīng)驗所設(shè)置的固定參數(shù)，沒有根據(jù)具體工況進(jìn)行定制化出鋼，如果出鋼時間過早，容易導(dǎo)致出鋼下渣量增加，出鋼時間過晚，極易導(dǎo)致溢鋼事故的發(fā)生［2-3］。因此亟需研究更為先進(jìn)的轉(zhuǎn)爐自動出鋼傾倒技術(shù)。

本文根據(jù)目前的轉(zhuǎn)爐出鋼研究現(xiàn)狀所研究的自動出鋼轉(zhuǎn)爐傾倒技術(shù)較為成熟，并已得到了生產(chǎn)的實際檢驗。該技術(shù)應(yīng)用能替代人工，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)爐出鋼操作，并且根據(jù)現(xiàn)場情況實時調(diào)整出鋼角度與時間，相較之前的轉(zhuǎn)爐自動出鋼，更能改善操作人員的現(xiàn)場工作環(huán)境，提升鋼水質(zhì)量，縮短出鋼時間，提高安全性［4-5］。

1.1 傳統(tǒng)出鋼

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐冶煉、出鋼、出渣、爐口化渣、鋼包車、擋火門、渣車、鐵合金配料等操作全部為操作工按按鈕或撥動開關(guān)的全人工方式實現(xiàn)，操作地點分散，操作工的活動范圍廣、勞動強度大，操作精度較低且不穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)實施較為困難，自動化控制及工藝模型等較為獨立，沒有實現(xiàn)各工序操作的系統(tǒng)性和有機(jī)的融合［6］。傳統(tǒng)出鋼整個操作過程比較分散，出鋼角度、爐后渣面和搖爐時機(jī)的控制完全取決于操作工對鋼流、鋼渣情況目視判斷，客觀上存在不穩(wěn)定的情況，對操作工個人技能和責(zé)任心的要求較高［7］。

以某鋼廠2座150噸轉(zhuǎn)爐為例，出鋼工序目前配置了下渣檢測和鋼包稱重裝置，目前轉(zhuǎn)爐出鋼過程需要2～3名操作員協(xié)同完成，一名操作員在爐后觀察爐內(nèi)情況，指揮搖爐室內(nèi)的另一名操作員進(jìn)行搖爐操作，室內(nèi)操作員根據(jù)鋼水的下渣情況及鋼水的出鋼量，通過操作臺不斷手動調(diào)整鋼包車距離及搖爐角度，同時在鋼水流出到一定量時，搖爐室外的操作員通過旋轉(zhuǎn)溜槽向鋼包中加入脫氧劑及合金，進(jìn)行鋼水脫氧和合金化，一般情況下在出鋼末期下渣檢測裝置檢測到鋼渣后，發(fā)出報警提示，搖爐操作員快速封堵出鋼口然后人工將轉(zhuǎn)爐回零，當(dāng)冶煉某些特殊鋼種或者鋼包容易受限時，需要在下渣檢測報警前根據(jù)鋼包中的鋼水容量提前結(jié)束出鋼過程［8］。出鋼過程中操作員人員始終暴露在轉(zhuǎn)爐和鋼流的熱輻射之下，工作環(huán)境惡劣，操作人員面臨的高溫、粉塵等勞動傷害。

1.2 自動出鋼

部分轉(zhuǎn)爐冶煉控制已經(jīng)實現(xiàn)自動化，正朝著智能化煉鋼的方向發(fā)展。轉(zhuǎn)爐全自動煉鋼和智能煉鋼，自動出鋼都是其中重要一環(huán)，轉(zhuǎn)爐出鋼過程由于需要通過搖爐實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐傾動，達(dá)到出鋼之目的，自動出鋼能有效提高煉鋼成功率、縮短出鋼周期、改善工人的工作環(huán)境并減輕工人的勞動強度［9］。轉(zhuǎn)爐出鋼效率的提升也有助于煉鋼后續(xù)如連鑄等環(huán)節(jié)的高效配合，提高生產(chǎn)效率［10］。

當(dāng)前傳統(tǒng)出鋼操作缺乏監(jiān)控手段，完全依賴人工經(jīng)驗操作，人為影響因素較大，自動化程度低，操作者只能憑借經(jīng)驗判斷出鋼情況及出完情況，但對于最佳傾動角度的控制并無科學(xué)依據(jù)，導(dǎo)致爐次間出鋼時間、鋼水帶渣量、爐內(nèi)余鋼及下渣量等技術(shù)指標(biāo)波動較大，影響了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此對自動出鋼系統(tǒng)傾倒環(huán)節(jié)的研究改造，有助于實現(xiàn)個性化作業(yè)，減少渣料溢出的同時提高出鋼環(huán)節(jié)的安全性。

2 自動出鋼傾倒技術(shù)

2.1 技術(shù)概述

自動出鋼傾倒技術(shù)的核心是轉(zhuǎn)爐傾動模型和鋼包車運動模型。轉(zhuǎn)爐傾動模型根據(jù)爐內(nèi)鋼水重量、爐口來渣情況及鋼流情況計算出傾動角度設(shè)定值，并通過學(xué)習(xí)人工經(jīng)驗和在線數(shù)據(jù)不斷迭代來提高模型準(zhǔn)確性。鋼包車運動模型根據(jù)傾動角度及鋼流對中檢測反饋的對中情況及時調(diào)整鋼包車位置。此外自動出鋼控制系統(tǒng)還具備以下主要功能：完善的安全聯(lián)鎖機(jī)制；傾動角度和鋼包車位置的閉環(huán)自動控制；鋼水液面檢測；出鋼終點的自動判定并與滑板擋渣系統(tǒng)聯(lián)動。圖1為轉(zhuǎn)爐示意圖，圖2為轉(zhuǎn)爐傾倒?fàn)顟B(tài)示意圖。

圖1 轉(zhuǎn)爐示意圖

圖2 轉(zhuǎn)爐傾倒?fàn)顟B(tài)示意圖

自動出鋼系統(tǒng)可根據(jù)要求設(shè)定出鋼全過程轉(zhuǎn)爐的傾動速度，按照傾動設(shè)備的規(guī)程要求運行，減少出鋼過程對傾動系統(tǒng)的負(fù)荷和無效沖擊。轉(zhuǎn)爐出鋼口上寬下窄的結(jié)構(gòu)決定了其在出鋼傾動角度不同的時候流量有非線性變化，通過轉(zhuǎn)爐設(shè)備的模型可以在系統(tǒng)中自動實時計算傾動角度與出鋼流速流量之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)爐上也設(shè)有角度傳感器和圖像傳感器，可精確的掌握當(dāng)前傾動角度以及轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水和渣料的狀態(tài)。進(jìn)而根據(jù)轉(zhuǎn)爐出鋼口在不同出鋼角度時的出鋼流量和鋼包上重量傳感器實時監(jiān)測的鐵水重量進(jìn)行聯(lián)動，更準(zhǔn)確地自動調(diào)節(jié)傾動速度與角度，并對傾動角速度的實際值和設(shè)定值之間的差異值進(jìn)行監(jiān)控，對超出閾值的情況進(jìn)行告警，有效提高轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

自動出鋼系統(tǒng)的開始按鈕可啟動或停止監(jiān)控，直到出鋼結(jié)束爐子在零位后結(jié)束本爐次出鋼過程傾動系統(tǒng)監(jiān)控。數(shù)據(jù)源來自傾動PLC系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集，可實時監(jiān)控傾動設(shè)備狀態(tài)和控制模式。監(jiān)控的基本設(shè)備狀態(tài)包括：設(shè)備準(zhǔn)備好狀態(tài)；傾動報警的監(jiān)控；變頻器和抱閘的關(guān)鍵報警的監(jiān)控；傾動安全系統(tǒng)報警的監(jiān)控；緊急停止信號和復(fù)位信號的監(jiān)控。系統(tǒng)實時監(jiān)控傾動的控制模式可實時檢測目前傾動設(shè)備是自動出鋼模式還是手動出鋼模式。

2.2 自動出鋼工藝流程

自動出鋼系統(tǒng)接收到出鋼系統(tǒng)指令后確認(rèn)出鋼條件，即鋼包車是否到位，合金是否準(zhǔn)備完畢等。轉(zhuǎn)爐根據(jù)系統(tǒng)所規(guī)劃的曲線傾動，并根據(jù)爐口檢測和注流檢測進(jìn)行實時調(diào)整，鋼包車根據(jù)轉(zhuǎn)爐角度調(diào)整移動位置。系統(tǒng)接收到加合金指令后開始加合金，發(fā)出下渣報警后關(guān)閉滑板。清理轉(zhuǎn)爐出鋼口，結(jié)束后回到零位，鋼包車前往測溫取樣點，出鋼結(jié)束。轉(zhuǎn)爐鋼水傾倒方法流程如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)爐鋼水傾倒方法流程圖

2.3 轉(zhuǎn)爐傾動模型

當(dāng)轉(zhuǎn)爐需要進(jìn)行出鋼時，使轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動傾倒，當(dāng)鋼液液面漫過出鋼口，且到達(dá)出鋼口上方的爐帽時，根據(jù)鋼液液面到出鋼口豎直方向距離L達(dá)到0.10～0.30 m時打開出鋼口進(jìn)行出鋼；且出鋼過程中保持L值不變，其波動下限為0.02 m，波動上限為0.05 m，直至鋼水傾倒結(jié)束。

鋼液液面到出鋼口豎直方向距離L可通過計算得到：首先計算轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水體積Vsteel0；再根據(jù)爐內(nèi)鋼水體積Vsteel0計算鋼液液面與轉(zhuǎn)爐爐底的接觸處到轉(zhuǎn)爐側(cè)壁的距離B：

式中H0為鋼水在轉(zhuǎn)爐側(cè)壁的高度（m）；D0為轉(zhuǎn)爐爐底直徑（m）。計算鋼液液面到出鋼口豎直方向距離L，根據(jù)以下公式計算：

式中θ為轉(zhuǎn)爐傾斜后其中軸線與垂直方向的夾角；轉(zhuǎn)爐搖爐，角度儀測量傾角時向前搖爐的角度為正，向后搖爐角度為負(fù)值。

鋼水體積Vsteel0的計算方式為：

另一計算公式為：

式中Wsteel0為轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水質(zhì)量，單位：t；ρsteel為轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水質(zhì)量，單位：t/m3。Wsteel0的計算公式為：

式中Wsteel為爐內(nèi)鋼水量，單位：t；Wiron為入爐鐵水量，單位：t；Wscrap為入爐廢鋼量，單位：t；Wore為入爐鐵礦石量，單位：t；P1為鐵礦石含鐵百分比，一般取值45%～65%；P2為主原料鋼水收得率，取值0.91～0.94。

當(dāng)轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動角度大于90°后，鋼液液面與轉(zhuǎn)爐側(cè)壁接觸處到轉(zhuǎn)爐側(cè)壁與爐帽連接處的距離為H，當(dāng)H≤d0時，關(guān)閉出鋼口結(jié)束出鋼，所述d0為轉(zhuǎn)爐出鋼口直徑。

H可通過計算得到，計算公式為：

式中Vsteel1為轉(zhuǎn)爐內(nèi)實時鋼水體積（t/m3），其通過Vsteel0減去鋼包車內(nèi)承接的鋼水體積計算得到。

轉(zhuǎn)爐出鋼口開啟時轉(zhuǎn)爐的傾動角度α可通過計算得到，其計算公式為：

式中σ取值-1°到+3°；

轉(zhuǎn)爐出鋼口關(guān)閉時轉(zhuǎn)爐的傾動角度β可通過計算得到，其計算公式為：

整個轉(zhuǎn)爐傾倒出鋼時間為t0，轉(zhuǎn)爐傾倒角速度為：

其出鋼結(jié)束時間t0計算公式為：

式中vst表示鋼水流出出鋼口的速度（t/m3）。傾倒出鋼過程中，保持：L液≥L爐口+ω，L液≤L出鋼口-δ，L=L出鋼口-L液。其中ω，δ為安全余量，單位，m，取值0.05～0.10 m；L：出鋼口上方鋼水的厚度，單位，m；L爐口：轉(zhuǎn)爐傾動角度為θ時，轉(zhuǎn)爐爐口下沿離轉(zhuǎn)爐耳軸中線的距離，單位，m；L液：轉(zhuǎn)爐傾動角度為θ時，轉(zhuǎn)爐內(nèi)鋼水液面離轉(zhuǎn)爐耳軸中線的距離，單位，m；L出鋼口：轉(zhuǎn)爐傾動角度為θ時，轉(zhuǎn)爐出鋼口中心點離轉(zhuǎn)爐耳軸中線的距離，單位，m。

2.4 主要目標(biāo)

通過該轉(zhuǎn)爐自動出鋼傾倒技術(shù)的應(yīng)用，保證在出鋼過程中，鋼液表面的鋼渣可以遠(yuǎn)離出鋼口，避免下渣量過大，預(yù)計轉(zhuǎn)爐下渣量可減少500 kg/爐；同時可以保證鋼液遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)爐爐口，在一定程度上杜絕了溢鋼的可能性，在一定程度上避免自動出鋼過程中的安全隱患。對轉(zhuǎn)爐傾倒結(jié)束點的把控，不僅可以避免下渣量增加，同時減少轉(zhuǎn)爐內(nèi)的留鋼。對出鋼速度的控制，可以減少因觀察不到位等因素導(dǎo)致爐內(nèi)留鋼量波動，提高金屬元素收得率；并且可以保證鋼水出鋼過程穩(wěn)定，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐內(nèi)渣-鋼分離過程穩(wěn)定，減少因卷渣、帶渣等因素污染鋼水，提高了鋼水品質(zhì)和純凈度。

該轉(zhuǎn)爐自動出鋼傾倒技術(shù)通過讓轉(zhuǎn)爐先傾倒出鋼然后回正，減少出鋼總時間，提高煉鋼節(jié)奏，預(yù)計出鋼時間可減少0.4 min/爐。這可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐出鋼的自動化和無人化操作，通過傳感器對轉(zhuǎn)爐出鋼過程進(jìn)行監(jiān)控，并結(jié)合數(shù)理模型和控制技術(shù)提高出鋼過程中傾倒環(huán)節(jié)的效率，轉(zhuǎn)爐自動出鋼傾倒技術(shù)不僅能替代危險環(huán)境下的人工操作崗位，還能提升生產(chǎn)效率。提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.5 實際應(yīng)用

該轉(zhuǎn)爐自動出鋼傾倒技術(shù)可以保證在出鋼過程中，鋼液表面的鋼渣遠(yuǎn)離出鋼口，避免下渣量過大；同時可以保證鋼液遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)爐爐口，在一定程度上杜絕了溢鋼的可能性，在一定程度上避免出鋼過程中的安全隱患。實際應(yīng)用過程中，最終技術(shù)效果統(tǒng)計表明轉(zhuǎn)爐下渣量可以減少523 kg/爐。實際應(yīng)用中為了結(jié)合轉(zhuǎn)爐內(nèi)實際鋼液狀態(tài)進(jìn)行出鋼，其計算方式還可以通過以下方式計算：所述鋼水體積Vsteel0的P1：鐵礦石含鐵百分比，一般取值45%～65%；P2：主原料鋼水收得率，取值0.91～0.94，實際應(yīng)用中為0.93。上述轉(zhuǎn)爐傾倒結(jié)束點的把控，不僅可以避免下渣量增加，同時也可減少轉(zhuǎn)爐內(nèi)的留鋼。

在整個過程中，對于轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動速度的控制也至關(guān)重要。通過模型對出鋼速度的控制，可以減少因觀察不到位等因素導(dǎo)致爐內(nèi)留鋼量波動，提高金屬元素收得率；并且可以保證鋼水出鋼過程穩(wěn)定，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐內(nèi)渣-鋼分離過程穩(wěn)定，減少因卷渣、帶渣等因素污染鋼水，提高了鋼水品質(zhì)和純凈度。

以某鋼廠150 t轉(zhuǎn)爐為例，當(dāng)L=0.23 m時，打開出鋼口進(jìn)行出鋼；以某鋼廠200 t轉(zhuǎn)爐為例，當(dāng)L=0.28 m時，打開出鋼口進(jìn)行出鋼；按照上述方法進(jìn)行轉(zhuǎn)爐出鋼。在該技術(shù)應(yīng)用效果的統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，150 t轉(zhuǎn)爐和200 t轉(zhuǎn)爐下鋼鐵料的收得率平均分別提高了0.17%和0.18%，有效減少了鐵元素?fù)p失。圖4為實際應(yīng)用過程統(tǒng)計中，150 t轉(zhuǎn)爐主原料鋼水收得率柱狀圖。

圖4 150 t轉(zhuǎn)爐主原料鋼水收得率柱狀圖

圖5為實際應(yīng)用過程統(tǒng)計中，200 t轉(zhuǎn)爐主原料鋼水收得率柱狀圖。在該技術(shù)應(yīng)用效果的統(tǒng)計中也發(fā)現(xiàn)，150 t轉(zhuǎn)爐和200 t轉(zhuǎn)爐下轉(zhuǎn)爐出鋼時間平均分別減少了0.4 min/爐和0.63 min鐘/爐。圖6為實際應(yīng)用過程統(tǒng)計中，150 t轉(zhuǎn)爐的出鋼時間柱狀圖。圖7為實際應(yīng)用過程統(tǒng)計中，200 t轉(zhuǎn)爐的出鋼時間柱狀圖。由此可見，該技術(shù)在兩種爐型試驗，均取得了較為穩(wěn)定的應(yīng)用效果，縮短冶煉周期，為企業(yè)長期創(chuàng)造良好的技術(shù)價值和經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 200 t轉(zhuǎn)爐主原料鋼水收得率柱狀圖

圖6 150 t轉(zhuǎn)爐出鋼時間柱狀圖

圖7 200 t轉(zhuǎn)爐出鋼時間柱狀圖

3 結(jié) 論

（1）基于鋼水量和出鋼口狀態(tài)，建立了自動出鋼轉(zhuǎn)爐傾動模型，計算出鋼開始和結(jié)束角度，以及出鋼時間，動態(tài)適應(yīng)了出鋼實際情況，開發(fā)了自動出鋼傾倒技術(shù)。實現(xiàn)了讓鋼液表面的鋼渣遠(yuǎn)離出鋼口，避免下渣量過大。

（2）經(jīng)過實際生產(chǎn)統(tǒng)計，在系統(tǒng)投用的3個月內(nèi)，與人工操作出鋼時相比，現(xiàn)在煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐出鋼時間平均減少了0.44 min/爐，鋼水含渣量減少了523 kg/爐，鋼水收得率提高了0.17%。該技術(shù)能有效減少了轉(zhuǎn)爐的出鋼時間，提高了鋼水收得率，優(yōu)化了鋼廠生產(chǎn)效率。

（3）該轉(zhuǎn)爐自動出鋼傾倒技術(shù)可以在一定程度杜絕了溢鋼的可能性，避免出鋼過程中的安全隱患，有效改善操作人員工作環(huán)境。通過自動出鋼控制方式，人機(jī)結(jié)合規(guī)范操作后，模型還能夠自學(xué)習(xí)歷史出鋼角度曲線數(shù)據(jù)，考慮因出鋼口壽命等影響因素，準(zhǔn)確給定出鋼時長和角度曲線，提高了自動出鋼系統(tǒng)的控制精度。