一、研究的背景与问题

随着钢铁行业数字化转型和智能化技术的推进，作为实现转炉自动炼钢核心技术的转炉副枪技术仍停留在“自动炼钢+经验炼钢”模式，时常需要人工经验进行干预。虽然国内外不断研究副枪控制技术和炼钢模型，但两者仍然没有实现很好的耦合，导致吹氧量动态控制不精准、补吹次数多、氧耗大，因此需要突破技术融合过程中的瓶颈，提升融合技术的命中率和成功率，开发转炉副枪与一键炼钢模型的系统耦合技术。

该技术开发主要目标是通过智能控制模型的指导，依托可靠的副枪、机器视觉、声呐信号等监测系统完成数据采集，借助生产大数据及人工智能算法技术进行模型自学习和自优化，自主动态指导顶吹、底吹、造渣、终点预判和出钢合金化，完成由冶炼到出钢的自主感知、自主决策和自主执行的闭环智能化控制，最终实现转炉冶炼的稳定化、高效化、无人化和高品质低成本的动态有序生产。

主要面临的技术难点为：

1、副枪机电设备的稳定性：副枪的机电设备功能即实现探头安装、入炉检测、出炉、拆卸等一系列过程的机械自动化，由于动作多、控制精度要求极高，机电设备的设计制造难度相对较大；

2、冶炼模型的复杂性：冶炼模型是先进的工艺理念和用以实施的软件于一体的核心的技术，根本是科学的模型。使用副枪的目的是为了给模型提供及时准确的钢水信息，由模型控制冶炼工艺。不仅要求提供信息的准确性，同时，控制的冶炼工艺包括氧枪顶吹、转炉底吹、辅料加入等等，环节多，过程跟踪复杂。

3、原料的差异性和操作习惯的不同性：国内不同钢铁企业原料条件的差异很大，主要包括原料种类多样，质量品位不一。同时由于生产钢种的不同，每个企业的操作习惯也不同。为了适应这种差异，对副枪系统提出了更高的要求。

二、解决问题的思路与技术方案

围绕转炉副枪耦合一键炼钢模型关键技术与应用的研究目标，采用“工艺技术—装备技术—工程应用”的思路进行研发，设计研发阶段大体分五步：第一步，查阅文献资料及现场考察副枪实际生产厂，掌握目前副枪实际使用情况以及使用过程中遇到的问题，基于目前掌握的副枪工艺设备、控制系统、模型软件等，解决实际生产中遇到的问题；第二步，进行转炉副枪与一键炼钢模型耦合的工艺设计，重点研究副枪机械设备、一级控制系统、静态模型和动态模型；针对国内的原料条件和工人操作习惯，确定出适合国内钢铁企业使用的控制系统和模型的研发方向；第三步，进行副枪机械设备的方案设计；第四步，完成副枪一级控制系统的设计，检查连锁关系；第五步，完成静态模型和动态模型基本设计。

项目工业化应用阶段分两步：第一步，参与工程项目投标，将设计成果应用于工程实践；第二步，结合具体项目，通过工程应用对副枪的使用成果进行检验，检验转炉副枪与一键炼钢模型的耦合技术研发成果，并不断完善设计。

图1 技术路线图

三、主要创新性成果

1、开发出高效成套副枪工艺设备

针对副枪工艺设备存在的故障率高的问题，首创了基于在线整体旋转的高效成套副枪一体化技术，研制出探头自动连接、多编码器设计的副枪旋转升降卷扬、防坠落结构的副枪升降小车等一系列装备，整套装置反应迅速，定位精准、运行平稳。旋转和升降精度达到了±5mm，探头自动安装成功率达到了99%，副枪测量成功率达到了97%。

（1）开发出新型探头自动连接装置，系统组成包括探头储箱、探头释放装置、探头输送装置、探头竖直装置等，实现了拟人化手臂作业，故障率低。

（2）创新开发出副枪旋转升降卷扬装置，采用多编码器设计、多接近开关和行程开关保护，具有张力检测，结构安全可靠。

（3）开发了具有防坠落结构的副枪升降小车装置，事故状态下，能够自动锁紧，采用十二个导轮结构，具有较高的定位精度。

（4）开发出能够在线整体旋转的副枪枪体，采用防粘渣设计，具有较高的使用寿命。

图2 探头自动连接装置

图3 副枪旋转升降装置

图4 防坠落装置

2、开发出成熟可靠的智能控制系统

针对副枪控制系统中存在控制技术不成熟的问题，首创了基于VPN 的路 由器远程诊断的副枪专用智能控制技术，构建速度闭环和位置闭环双闭环 PID定位控制系统，研制出智能控制柜、PLC等一系列装备。整套系统组成完备、控制方式多样，操作界面清晰，还具有安全可靠的连锁、报警功能。

开发出四种副枪系统HMI操作控制逻辑，设PC模式、HMI自动模式、HMI半自动模式、手动模式。其中HMI手动模式与机旁手动模式控制逻辑一致。控制方式多样，满足操作者各种操作需求。

首次采用速度闭环和位置闭环双闭环PID定位控制，实现副枪系统快速精确定位控制。

开发了标准软件库，副枪智能控制软件库，包含了副枪所有动作周期时序，以及各个监控时序，内容丰富完善，大大提高了设计质量和效率，

自主研发的远程诊断与维护系统，是通过基于VPN技术的路由器远程诊断技术，可以在实现远程对就地的实时访问。

图5 副枪操作控制逻辑时序图

图6 副枪动作周期程序控制画面

3、开发出多功能静态模型

针对静态模型命中率有限的问题，首创了集成装料、供氧、冷却剂加入、脱磷等炼钢静态模型，研制出多模块分类设计，匹配方案智能优选模型等一系列编程软件装备，实现了从装料到冶炼结束，静态模型全自动闭环控制，静态模型命中率达到了75%以上。

1）主原料计算模型，合理计算主原料加入量以及各批料的投入时间，模型计算机将结果发送基础自动化，实现了自动炼钢。

2）出钢温度计算，在考虑各种温降因素的情况下，还可根据钢种特性和钢厂实际情况确定钢种目标温度及上下限。实现了精准控温。

3）熔剂和氧量冷却剂计算，采用静态自学习模型中的参考炉次的特征数据和三大平衡共同完成。

4）转炉合金计算，开发了合金配料模型，考虑到各种铁合金成本及收得率的不同，采用多目标组合优化方法，对合金成本优化。

5）静态自学习，是静态计算的基础，通过静态自学习的参考炉次，对计算过程中的标准铁水比进行修正，计算当前炉次的标准铁水比，结合静态计算系数，推出当前炉次的铁水比。

 图7  静态计算模型

4、开发出高命中率动态模型

针对动态模型无法自动修正问题，首创了集过程跟踪功能、自学习功能和自动调节动态计算于一体的多功能动态模型，研制出模型服务器等一系列装备，解决了静态计算的误差问题，实现准确控制。转炉副枪动态模型平均命中率达到了92%以上。

在吹氧量达到总吹氧量的85%左右时，副枪开始进行测量，转炉计算机收到副枪的碳、温测量值后将自动进行动态计算。动态模型计算出的预测值同时以坐标点的形式表现出来，并形成平滑的曲线，形象反映出动态阶段溶池内C-T变化的轨迹。动态校正过程前期吹炼停顿继续吹炼，动态校正不终止直至动态校正过程完成。

 图8 动态计算模型

四、应用情况与效果

该技术通过不断的完善和优化，于2023年12月通过了中冶集团科技成果评价，成果整体达到国际先进水平，具体如下。

1）副枪测试周期

中冶京诚研发的副枪产品，机电设备性能稳定，控制系统先进，从而大大缩短了副枪系统的测量周期。连接周期：30秒，测量周期：37秒，复位周期43秒，总周期110秒，优于国内外同类产品的120秒。

2）副枪定位精度：±5mm（升降）；±5mm（旋转）。

3）寿命：符合操作规程的前提下使用寿命大于10000炉；

4）碳和温度命中率平均比国内外同类产品高出4个百分点

5）工艺控制设备有效率

尽管副枪的工作环境十分的恶劣，但是副枪系统的设备完好率可以达到99%以上的水平，高于行业平均水平（90%）。

转炉副枪耦合一键炼钢模型技术是实现转炉科学生产、稳定操作、降低消耗、减少排放、提高产品质量的重要保证。凭借多年积淀的顶底复吹转炉炼钢工程设计及总承包经验，针对国内企业生产条件及操作模式的特点，中冶京诚于2010年开发了具有完全自主知识产权的转炉副枪系统技术和产品。目前已经有21套产品成功应用于本钢、唐山凯鑫、山西高义、福建三钢罗源、河北太行、河北普阳等钢厂，实现了转炉“一键炼钢”。取得了良好的经济效益和社会效益。从河北太行、河北普阳等企业的使用效果来看，碳的平均命中率达到了88%，同时提高了产品质量，降低生产成本。由于碳的命中率提高，避免了再次操作，且提高了钢的清洁度。减少脱氧用铝的消耗，减少转炉渣中的铁含量，这两项可使吨钢成本降低约3元。延长了转炉炉衬寿命。减少喷溅，冶炼高碳钢缩短冶炼时间约3分钟，提高终点控制精度。

转炉副枪耦合一键炼钢技术可助力钢铁企业低碳减排，在环保、节能效果上有着非常大的优势，改善工人劳动环境，后续新建炼钢车间副枪已经成为标配设备，对于有志于提升炼钢车间自动化水平的企业，对现有车间进行升级改造，配备副枪技术已成为一种趋势，特别是国产化的集成技术可大大降低建设投资，连续稳定的运行效果保证了炼钢生产的顺行。同时，依托于一键出钢技术，由“一键冶炼”和“一键出钢”两部分组成，以智能控制模型为核心，发展起来的智能化炼钢技术，已经成为我国钢铁企业实现降本增效和高质量发展的重要途径。

本项目攻克了一键炼钢的核心关键技术，通过提升副枪功能，融合智能模型，开辟了一键炼钢的新赛道，不仅助力钢铁企业提高转炉生产效率和降低消耗，还提升了产品质量和安全，降低人员配置，改善工作条件。