一、研究的背景與問題

隨著鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化技術(shù)的推進(jìn)，作為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐自動煉鋼核心技術(shù)的轉(zhuǎn)爐副槍技術(shù)仍停留在“自動煉鋼+經(jīng)驗(yàn)煉鋼”模式，時常需要人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行干預(yù)。雖然國內(nèi)外不斷研究副槍控制技術(shù)和煉鋼模型，但兩者仍然沒有實(shí)現(xiàn)很好的耦合，導(dǎo)致吹氧量動態(tài)控制不精準(zhǔn)、補(bǔ)吹次數(shù)多、氧耗大，因此需要突破技術(shù)融合過程中的瓶頸，提升融合技術(shù)的命中率和成功率，開發(fā)轉(zhuǎn)爐副槍與一鍵煉鋼模型的系統(tǒng)耦合技術(shù)。

該技術(shù)開發(fā)主要目標(biāo)是通過智能控制模型的指導(dǎo)，依托可靠的副槍、機(jī)器視覺、聲吶信號等監(jiān)測系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集，借助生產(chǎn)大數(shù)據(jù)及人工智能算法技術(shù)進(jìn)行模型自學(xué)習(xí)和自優(yōu)化，自主動態(tài)指導(dǎo)頂吹、底吹、造渣、終點(diǎn)預(yù)判和出鋼合金化，完成由冶煉到出鋼的自主感知、自主決策和自主執(zhí)行的閉環(huán)智能化控制，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉的穩(wěn)定化、高效化、無人化和高品質(zhì)低成本的動態(tài)有序生產(chǎn)。

主要面臨的技術(shù)難點(diǎn)為：

1、副槍機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定性：副槍的機(jī)電設(shè)備功能即實(shí)現(xiàn)探頭安裝、入爐檢測、出爐、拆卸等一系列過程的機(jī)械自動化，由于動作多、控制精度要求極高，機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)制造難度相對較大；

2、冶煉模型的復(fù)雜性：冶煉模型是先進(jìn)的工藝?yán)砟詈陀靡詫?shí)施的軟件于一體的核心的技術(shù)，根本是科學(xué)的模型。使用副槍的目的是為了給模型提供及時準(zhǔn)確的鋼水信息，由模型控制冶煉工藝。不僅要求提供信息的準(zhǔn)確性，同時，控制的冶煉工藝包括氧槍頂吹、轉(zhuǎn)爐底吹、輔料加入等等，環(huán)節(jié)多，過程跟蹤復(fù)雜。

3、原料的差異性和操作習(xí)慣的不同性：國內(nèi)不同鋼鐵企業(yè)原料條件的差異很大，主要包括原料種類多樣，質(zhì)量品位不一。同時由于生產(chǎn)鋼種的不同，每個企業(yè)的操作習(xí)慣也不同。為了適應(yīng)這種差異，對副槍系統(tǒng)提出了更高的要求。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

圍繞轉(zhuǎn)爐副槍耦合一鍵煉鋼模型關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用的研究目標(biāo)，采用“工藝技術(shù)—裝備技術(shù)—工程應(yīng)用”的思路進(jìn)行研發(fā)，設(shè)計(jì)研發(fā)階段大體分五步：第一步，查閱文獻(xiàn)資料及現(xiàn)場考察副槍實(shí)際生產(chǎn)廠，掌握目前副槍實(shí)際使用情況以及使用過程中遇到的問題，基于目前掌握的副槍工藝設(shè)備、控制系統(tǒng)、模型軟件等，解決實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題；第二步，進(jìn)行轉(zhuǎn)爐副槍與一鍵煉鋼模型耦合的工藝設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究副槍機(jī)械設(shè)備、一級控制系統(tǒng)、靜態(tài)模型和動態(tài)模型；針對國內(nèi)的原料條件和工人操作習(xí)慣，確定出適合國內(nèi)鋼鐵企業(yè)使用的控制系統(tǒng)和模型的研發(fā)方向；第三步，進(jìn)行副槍機(jī)械設(shè)備的方案設(shè)計(jì)；第四步，完成副槍一級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，檢查連鎖關(guān)系；第五步，完成靜態(tài)模型和動態(tài)模型基本設(shè)計(jì)。

項(xiàng)目工業(yè)化應(yīng)用階段分兩步：第一步，參與工程項(xiàng)目投標(biāo)，將設(shè)計(jì)成果應(yīng)用于工程實(shí)踐；第二步，結(jié)合具體項(xiàng)目，通過工程應(yīng)用對副槍的使用成果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)爐副槍與一鍵煉鋼模型的耦合技術(shù)研發(fā)成果，并不斷完善設(shè)計(jì)。

圖1 技術(shù)路線圖

三、主要創(chuàng)新性成果

1、開發(fā)出高效成套副槍工藝設(shè)備

針對副槍工藝設(shè)備存在的故障率高的問題，首創(chuàng)了基于在線整體旋轉(zhuǎn)的高效成套副槍一體化技術(shù)，研制出探頭自動連接、多編碼器設(shè)計(jì)的副槍旋轉(zhuǎn)升降卷揚(yáng)、防墜落結(jié)構(gòu)的副槍升降小車等一系列裝備，整套裝置反應(yīng)迅速，定位精準(zhǔn)、運(yùn)行平穩(wěn)。旋轉(zhuǎn)和升降精度達(dá)到了±5mm，探頭自動安裝成功率達(dá)到了99%，副槍測量成功率達(dá)到了97%。

（1）開發(fā)出新型探頭自動連接裝置，系統(tǒng)組成包括探頭儲箱、探頭釋放裝置、探頭輸送裝置、探頭豎直裝置等，實(shí)現(xiàn)了擬人化手臂作業(yè)，故障率低。

（2）創(chuàng)新開發(fā)出副槍旋轉(zhuǎn)升降卷揚(yáng)裝置，采用多編碼器設(shè)計(jì)、多接近開關(guān)和行程開關(guān)保護(hù)，具有張力檢測，結(jié)構(gòu)安全可靠。

（3）開發(fā)了具有防墜落結(jié)構(gòu)的副槍升降小車裝置，事故狀態(tài)下，能夠自動鎖緊，采用十二個導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，具有較高的定位精度。

（4）開發(fā)出能夠在線整體旋轉(zhuǎn)的副槍槍體，采用防粘渣設(shè)計(jì)，具有較高的使用壽命。

圖2 探頭自動連接裝置

圖3 副槍旋轉(zhuǎn)升降裝置

圖4 防墜落裝置

2、開發(fā)出成熟可靠的智能控制系統(tǒng)

針對副槍控制系統(tǒng)中存在控制技術(shù)不成熟的問題，首創(chuàng)了基于VPN 的路 由器遠(yuǎn)程診斷的副槍專用智能控制技術(shù)，構(gòu)建速度閉環(huán)和位置閉環(huán)雙閉環(huán) PID定位控制系統(tǒng)，研制出智能控制柜、PLC等一系列裝備。整套系統(tǒng)組成完備、控制方式多樣，操作界面清晰，還具有安全可靠的連鎖、報警功能。

開發(fā)出四種副槍系統(tǒng)HMI操作控制邏輯，設(shè)PC模式、HMI自動模式、HMI半自動模式、手動模式。其中HMI手動模式與機(jī)旁手動模式控制邏輯一致?？刂品绞蕉鄻樱瑵M足操作者各種操作需求。

首次采用速度閉環(huán)和位置閉環(huán)雙閉環(huán)PID定位控制，實(shí)現(xiàn)副槍系統(tǒng)快速精確定位控制。

開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)軟件庫，副槍智能控制軟件庫，包含了副槍所有動作周期時序，以及各個監(jiān)控時序，內(nèi)容豐富完善，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，

自主研發(fā)的遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)系統(tǒng)，是通過基于VPN技術(shù)的路由器遠(yuǎn)程診斷技術(shù)，可以在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對就地的實(shí)時訪問。

圖5 副槍操作控制邏輯時序圖

圖6 副槍動作周期程序控制畫面

3、開發(fā)出多功能靜態(tài)模型

針對靜態(tài)模型命中率有限的問題，首創(chuàng)了集成裝料、供氧、冷卻劑加入、脫磷等煉鋼靜態(tài)模型，研制出多模塊分類設(shè)計(jì)，匹配方案智能優(yōu)選模型等一系列編程軟件裝備，實(shí)現(xiàn)了從裝料到冶煉結(jié)束，靜態(tài)模型全自動閉環(huán)控制，靜態(tài)模型命中率達(dá)到了75%以上。

1）主原料計(jì)算模型，合理計(jì)算主原料加入量以及各批料的投入時間，模型計(jì)算機(jī)將結(jié)果發(fā)送基礎(chǔ)自動化，實(shí)現(xiàn)了自動煉鋼。

2）出鋼溫度計(jì)算，在考慮各種溫降因素的情況下，還可根據(jù)鋼種特性和鋼廠實(shí)際情況確定鋼種目標(biāo)溫度及上下限。實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控溫。

3）熔劑和氧量冷卻劑計(jì)算，采用靜態(tài)自學(xué)習(xí)模型中的參考爐次的特征數(shù)據(jù)和三大平衡共同完成。

4）轉(zhuǎn)爐合金計(jì)算，開發(fā)了合金配料模型，考慮到各種鐵合金成本及收得率的不同，采用多目標(biāo)組合優(yōu)化方法，對合金成本優(yōu)化。

5）靜態(tài)自學(xué)習(xí)，是靜態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)，通過靜態(tài)自學(xué)習(xí)的參考爐次，對計(jì)算過程中的標(biāo)準(zhǔn)鐵水比進(jìn)行修正，計(jì)算當(dāng)前爐次的標(biāo)準(zhǔn)鐵水比，結(jié)合靜態(tài)計(jì)算系數(shù)，推出當(dāng)前爐次的鐵水比。

 圖7  靜態(tài)計(jì)算模型

4、開發(fā)出高命中率動態(tài)模型

針對動態(tài)模型無法自動修正問題，首創(chuàng)了集過程跟蹤功能、自學(xué)習(xí)功能和自動調(diào)節(jié)動態(tài)計(jì)算于一體的多功能動態(tài)模型，研制出模型服務(wù)器等一系列裝備，解決了靜態(tài)計(jì)算的誤差問題，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。轉(zhuǎn)爐副槍動態(tài)模型平均命中率達(dá)到了92%以上。

在吹氧量達(dá)到總吹氧量的85%左右時，副槍開始進(jìn)行測量，轉(zhuǎn)爐計(jì)算機(jī)收到副槍的碳、溫測量值后將自動進(jìn)行動態(tài)計(jì)算。動態(tài)模型計(jì)算出的預(yù)測值同時以坐標(biāo)點(diǎn)的形式表現(xiàn)出來，并形成平滑的曲線，形象反映出動態(tài)階段溶池內(nèi)C-T變化的軌跡。動態(tài)校正過程前期吹煉停頓繼續(xù)吹煉，動態(tài)校正不終止直至動態(tài)校正過程完成。

 圖8 動態(tài)計(jì)算模型

四、應(yīng)用情況與效果

該技術(shù)通過不斷的完善和優(yōu)化，于2023年12月通過了中冶集團(tuán)科技成果評價，成果整體達(dá)到國際先進(jìn)水平，具體如下。

1）副槍測試周期

中冶京誠研發(fā)的副槍產(chǎn)品，機(jī)電設(shè)備性能穩(wěn)定，控制系統(tǒng)先進(jìn)，從而大大縮短了副槍系統(tǒng)的測量周期。連接周期：30秒，測量周期：37秒，復(fù)位周期43秒，總周期110秒，優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品的120秒。

2）副槍定位精度：±5mm（升降）；±5mm（旋轉(zhuǎn)）。

3）壽命：符合操作規(guī)程的前提下使用壽命大于10000爐；

4）碳和溫度命中率平均比國內(nèi)外同類產(chǎn)品高出4個百分點(diǎn)

5）工藝控制設(shè)備有效率

盡管副槍的工作環(huán)境十分的惡劣，但是副槍系統(tǒng)的設(shè)備完好率可以達(dá)到99%以上的水平，高于行業(yè)平均水平（90%）。

轉(zhuǎn)爐副槍耦合一鍵煉鋼模型技術(shù)是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐科學(xué)生產(chǎn)、穩(wěn)定操作、降低消耗、減少排放、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。憑借多年積淀的頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工程設(shè)計(jì)及總承包經(jīng)驗(yàn)，針對國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)條件及操作模式的特點(diǎn)，中冶京誠于2010年開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)爐副槍系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)品。目前已經(jīng)有21套產(chǎn)品成功應(yīng)用于本鋼、唐山凱鑫、山西高義、福建三鋼羅源、河北太行、河北普陽等鋼廠，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐“一鍵煉鋼”。取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。從河北太行、河北普陽等企業(yè)的使用效果來看，碳的平均命中率達(dá)到了88%，同時提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。由于碳的命中率提高，避免了再次操作，且提高了鋼的清潔度。減少脫氧用鋁的消耗，減少轉(zhuǎn)爐渣中的鐵含量，這兩項(xiàng)可使噸鋼成本降低約3元。延長了轉(zhuǎn)爐爐襯壽命。減少噴濺，冶煉高碳鋼縮短冶煉時間約3分鐘，提高終點(diǎn)控制精度。

轉(zhuǎn)爐副槍耦合一鍵煉鋼技術(shù)可助力鋼鐵企業(yè)低碳減排，在環(huán)保、節(jié)能效果上有著非常大的優(yōu)勢，改善工人勞動環(huán)境，后續(xù)新建煉鋼車間副槍已經(jīng)成為標(biāo)配設(shè)備，對于有志于提升煉鋼車間自動化水平的企業(yè)，對現(xiàn)有車間進(jìn)行升級改造，配備副槍技術(shù)已成為一種趨勢，特別是國產(chǎn)化的集成技術(shù)可大大降低建設(shè)投資，連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行效果保證了煉鋼生產(chǎn)的順行。同時，依托于一鍵出鋼技術(shù)，由“一鍵冶煉”和“一鍵出鋼”兩部分組成，以智能控制模型為核心，發(fā)展起來的智能化煉鋼技術(shù)，已經(jīng)成為我國鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效和高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。

本項(xiàng)目攻克了一鍵煉鋼的核心關(guān)鍵技術(shù)，通過提升副槍功能，融合智能模型，開辟了一鍵煉鋼的新賽道，不僅助力鋼鐵企業(yè)提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率和降低消耗，還提升了產(chǎn)品質(zhì)量和安全，降低人員配置，改善工作條件。