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。