智慧电弧炉炼钢发展概述

宋水根，刘唆根，廖火根，刘永刚

(新余钢铁集团有限公司， 江西 新余 338000)

智能制造将是“十四五”时期流程制造业技术创新的主要抓手和转型升级的主要路径。中国已经成为全球冶金生产中心和消费中心，应进一步成为全球冶金教育中心和研发中心。时代呼唤着中国钢铁向智能化、绿色化发展，中国将引领全球冶金技术的发展。

智慧炼钢主要实现3个层次的目标：①利用人工智能、大数据技术，提升生产过程控制智能化，使设备效率最大化、产品质量最优化；②提升炼钢工序的信息化程度，以优化产品过程管控和生产调度；③提升炼钢工序的自动化、无人化程度，降低工人劳动强度，及岗位危险性。主要技术包括：废钢配料间及废钢天车智能化管理系统、一键炼钢(含自动出钢)、一键精炼、冶炼信息跟踪及调度系统、岗位无人化技术。

1 废钢配料间及废钢天车智能化管理系统

废钢配料间及天车智能管理系统主要通过2D扫描仪成像技术，对料堆进行三维建模，掌握料场堆料外形信息；根据来料实际、用料需求及配料间实际情况对天车进行智能调度，实现天车的无人化控制，同时对天车的作业实绩进行跟踪，实现对料场库存进行管控。废钢料场及天车智能管理系统包含2大子系统：废钢库管系统和天车无人化系统。

1.1 废钢库管系统

钢厂所收集的废钢需要根据成分、形状大小、种类等进行分类，避免造成冶炼钢材成分的偏差，废钢作为电弧炉炼钢的原料之一需要根据冶炼情况及时准确地加入到电弧炉中，因此废钢的库存管理就显得尤为重要。目前，废钢库管系统可以实现以下功能：

(1)自动接收物料出入计划信息；

(2)废钢堆放料堆形状、废钢运输工具料堆形状自动生产，提供料堆远程同步显示功能；

(3)天车作业管理；

(4)废钢卸料自动管理；

(5)废钢装料自动管理；

(6)自动班核日清周平衡月结算；

(7)废钢料堆极限预警。

1.2 天车无人化系统

天车无人化系统是在传统天车设备的基础上通过安装控制管理系统实现天车之间的信息交互并最终实现天车的自主作业；天车无人化系统包含天车自动定位、天车防摇、天车称重、天车被动防碰撞，及天车自动取卸料系统。可以实现天车根据作业指令，自动定位至作业位置，完成作业过程，并反馈作业结果。天车无人化系统显著地提高了工人的劳动效率，提供了精细的现场管理，为智能化钢厂建设提供了有力的支撑。我国的河钢、唐钢在高强汽车板原料库中成功地运用了天车无人化系统，且运行情况非常稳定完全满足现场生产的需求[1]，其PLC程序控制系统如图1所示。

图1 唐钢厂无人化天车PLC程序控制图

2 电弧炉一键炼钢技术

不同于转炉的一键炼钢技术，电弧炉一键炼钢技术较为复杂，因此需要通过一系列模型对相关的工艺指标进行估算，以指导炉前操作人员，实现生产的稳顺进行，帮助降低能耗、保证产品质量和生产节奏。电弧炉一键炼钢技术主要包括以下几种[2]：终点控制技术、冶炼供电制度、供氧制度、熔剂添加造渣制度、泡沫渣造渣技术控制、底吹搅拌制度、钢水升温制度、终点碳控制、电极喷淋控制、炉后合金加入制度，下面将对其中较为关键的技术进行详细介绍。

2.1 冶炼供电和供氧

电弧炉冶炼过程中供电和供氧是冶炼能量的来源，供电或者供氧过大则会造成生产成本的升高，过小则会造成温度偏低更有甚者造成钢液质量不合格，因此需要严格的控制供电和供氧制度。传统的供电和供养主要是操作工根据经验和冶炼情况手动调节，操作工有时为了完成工作任务或是判断失误往往会造成过度的供电或者供氧从而导致生产成本提高[3]。而一键炼钢中的供电模式是依据连续加料能力(炉体称量装置实时上传炉内重量)和能量输入及能量消耗确定相应的供电制度和单位时间的输入功率(在设定功率条件下优先调节电流)，从而指导该模式；供氧模式则是依据炉料条件(用户上料系统提供)及废钢成分(用户废钢管理提供)和炉内工序和钢水含碳量(取样+化验室反馈信息)调整吹氧模式和吹氧量；两者都是采用智能供电供氧模型配合先进的调节系统实现对供电供氧的精准控制，保证冶炼的效果和生产成本的最低化。

2.2 电弧炉底吹搅拌

电弧炉底吹搅拌可以消除炉内低温、快速均匀钢液温度、促进渣钢反应、提高金属收得率等，合理的底吹可以提高底吹转的寿命实现与炉龄同步，因此底吹搅拌对于生产节奏和成本的影响很大。传统的底吹搅拌的控制是操作工人根据现场情况结合自身经验进行手动的调节控制；在电弧炉一键炼钢中则是通过控制系统依据工艺阶段、钢水量、吹氧状态、供电制度调整底吹搅拌。

2.3 冶炼终点控制技术

电弧炉炼钢终点碳含量和钢液温度的精准预测和控制是降低生产成本、加快冶炼节奏的关键。传统的操作中的碳含量和钢液温度是由操作工人通过测温取样来进行判断的，这种方法具有一定的滞后性，最终的结果和测出的结果往往存在偏差；因此为提高冶炼终点参数的准确性，早期学者通过物料平衡和热平衡建立相应的模型对结果进行预测，但是结果不太理想[4]。随着计算机技术的不断发展，北京科技大学依靠炉气分析检测和钢液温度在线测量手段建立了基于指数积分和网络神经的炉气气氛和终点温度预测模型，实现了终点碳含量命中率90%和终点温度命中率88%[5]。通过上述模型中的温度控制参数控制连续加料的速度和变压器的输入功率最终实现冶炼终点的控制。

2.4 造渣与流渣操作

实现最佳的泡沫渣层对于促进低导热性、从钢水中去除不需要的元素、屏蔽电弧以及保护炉子的耐火内衬和水冷元件至关重要。技术人员通常使用预先设定的操作图表或手动喷吹碳粉和氧气，而无法直接观察这些手动喷吹如何影响泡沫渣的高度和分布。通常，技术人员必须通过测量炉子状态变量和解释外部线索来推断泡沫渣的高度。但这种方法不够精确，无法优化泡沫渣自动化方法或可靠地控制炉内发生的动态、危险和嘈杂的状况[6]。

传统的控制泡沫渣的方法依赖于静态程序和操作工直觉的结合，以指导最终会影响炼钢成本和产品质量的关键判断。技术人员虽然熟练，却被迫使用代表炉内条件的不精确模型来控制泡沫渣工艺。虽然工人会努力做到最好，但生产过程中的不准确性以及误判会导致更高的能源成本、更高的喷碳用量、加速电极消耗、以及可能导致耐火材料过早磨损。

通过利用成熟的振动检测技术，操作工可以使用精心设计的控制系统，确保在整个平熔池期间泡沫渣完全稳定地覆盖钢水熔池和电弧[7]。实现均匀且可重复的泡沫渣分布可带来许多运营效益，包括提高炉子生产率、减少碳消耗、降低能源使用和二氧化碳排放。

振动检测的控制系统由与3根电极(AC电弧炉)相对布置的3个结构振动传感器构成。结构振动传感器检测由电弧产生的振动，电弧会通过钢、炉渣和气相传递振动。控制模块使用算法评估结构振动声音数据和电流信号，进而控制碳(和氧气)喷入炉子的不同区域。泡沫渣的控制是通过控制模块和在线检测共同完成的，控制模块主要是基于模糊算法的基础上实现对炉内每个区域的泡沫渣高度的实时计算，并对比在线检测结果取最优值，然后自动调整炼钢过程以确保均匀的炉渣分布。每个区域的准确数据意味着可以向泡沫渣中喷吹精确的碳脉冲，并保持最佳状态直至熔炼结束，此时将部分泡沫渣倒出[8]。由于该系统是完全自动化的，因此从开始到结束，泡沫渣过程的控制是精确且可重复的。控制模块在线检测炉内情况并立即使用这些信息优化炉渣条件。图2是某钢厂智能夹渣系统的机械设备和电控设备图。

图2 智能夹渣系统机械设备和电控设备图

3 自动出钢技术

自动出钢技术主要是通过摄像系统连续监控，在操控中心进行相应的操作，从而实现EBT区域无人化操作(出钢、填砂、清理)[9]。

为实现远程无渣出钢，需要运用出钢热成像摄像机对钢液和钢渣进行区分，并确认好钢包位置和钢包边缘后进行出钢操作，过程需实时检测下渣量，通过控制炉身倾斜度实现对下渣量的控制。

根据摄像系统的结果可以进行出钢口和炉门口的清理以及自动填砂作业，当发现出钢口或者炉门口堵塞时，可通过控制固定平台上的清理操作杆对出钢口进行清理；自动填砂作业则是由原料储存、原料递送两部分组成，根据摄像机监控情况自动出砂，完成填砂作业后会通过液压驱动控制出钢口盖板关闭。

4 一键精炼技术

传统的精炼工艺无论是LF抑或是RH都需要操作人员在高温炉门口进行操作，工作环境非常恶劣并且危险程度也很高；一键精炼技术通过计算机计算配合自动化系统可以很好的控制冶炼的进程，真正的实现无人化少人化作业。

4.1 一键LF精炼

LF精炼炉基础自动化系统通过接收钢包精炼炉过程控制计算机工艺控制模型计算出的各个工艺设定值，完成造渣、合金成分微调、底吹氩搅拌、喂丝去夹杂、电极埋弧加热、测温取样等各个工艺子系统的全自动连锁控制和回路调节控制，替代手动或半自动的精炼操作作业方式，最终实现LF钢包精炼炉“一键精炼”。其主要技术包括：自动加料、自动吹氩、自动喂丝、自动点击调节以及自动测温取样[10]，图3为某钢厂自主开发的一键精炼功能模型图。

图3 LF一键精炼功能模型图

4.2 一键RH精炼

一键RH精炼炉系统通过接收RH精炼炉过程控制计算机工艺控制模型计算出的各个工艺设定值，使得钢包台车走行、钢包液压顶升、顶枪吹炼、真空系统抽真空、合金加料实现全自动，以替代现有的人工手动或半自动的操作作业方式[11]。根据工艺控制模型提供的时序图及工作曲线，使得各工艺子系统按照规定时间和参数自动运行，达到减少劳动定员、提高生产效率、优化生产的目的。

5 炼钢物流跟踪及调度系统

炼钢物流跟踪及调度系统引入视觉识别技术、图像识别技术、格雷母线定位技术等，实现对生产过程的物料流、质量流、数据流进行统一跟踪和监控，使生产流程精确匹配生产计划、生产计划自动排产、指导炼钢生产节奏，三者完美闭环。

5.1 炼钢物流跟踪系统

炼钢物流跟踪系统是智慧炼钢过程中不可或缺的一项，炼钢物流跟踪系统可以实现从铁水、废钢装载到铸坯出厂的整个炼钢生产过程的物料、运转工具、铁水、钢水等的跟踪，并结合温度、成分等生产工艺数据，理顺生产瓶颈，跟踪关键数据，掌握生产成本，提高调度质量，从而提高炼钢生产的组织管理水平和过程控制水平。

炼钢物流跟踪系统包括天车位置跟踪、铁水包识别及铁水跟踪、废钢槽及废钢跟踪、钢水包识别及钢水跟踪、冶炼炉次跟踪及物流信息显示系统[12]；并且也可以实现对于辅料等物料的跟踪和管理，例如对于石灰、熔剂、碳粉等料仓智能管理与作业管理及信息跟踪、实现炉渣转运信息跟踪和实现耐材入出库及库存管理等。

5.2 炼钢调度系统

炼钢调度系统主要实现对天车、台车、钢包、中间包等转运工具根据生产计划进行合理的调度，对转运工具的维护进行管理，并记录各转运工具的生产数据。炼钢厂中各种设备、运转工具的调度影响着钢铁生产的节奏。钢厂会专门的配备调度人员，对现场所用的各种设备和运转工具进行调度，调度员依靠个人经验和对复杂的路网信息的掌握，采取边走边看的调度模式，这样不仅效率较低，增加调度人员的负担，而且由于难以统筹考虑所有的作业任务而导致频频出错。因此，通过利用合理的算法并结合计算机技术组成智能的炼钢调度系统，可以很好地实现调度作业的高效性，进而提高生产效率、降低生产成本。国内的陈在根等人[13]研究了铁水的实时调度，并从人工智能和人机交互的角度出发，开发了铁水调度系统。

6 岗位无人化技术

6.1 测温取样机器人

目前，国内大部分钢厂仍采用人工测温取样，这种方式危险系数高、耗时长、探头浪费严重；因此测温取样机器人就应运而生，目前国内外有很多公司都开发出了测温取样机器人，其可替代操作工人用于电弧炉、LF炉、连铸平台自动测温取样。其功能也是多种多样，主要的功能包含自动安装测温取样探头，自动定位至测温取样点，执行测温取样工作，自动剔除探头[14]。其中应用最为广泛的应属西马克公司自行设计的自动测温取样机器人，该机器人被命名为Simetal Liqui Rob，并且在上述功能的基础上还增加了非接触式钢液测温系统，可以在短时间内测出钢液的温度和出钢时间，大大地提高了生产效率[15]。图4为德国西门子所研制的自动测温取样机器人。

图4 Siemens自动测温取样机器人

6.2 自动制样系统

钢厂测量钢液的成分、夹杂物含量和分布都需要制备相应的样品，然后送至化验部门进行检测。目前，国内部分钢厂的制样也是依靠操作工人进行切除、破拆、标记然后通过风洞送样系统快速地送至化验部门，再由化验部工作人员进行切头、磨抛最后在进行检测；该过程耗时较长并且容易出现样品和编号不匹配的问题。自动制样系统可以在自动取样的基础上，实现样头切除、破拆、帅选、装瓶全过程无人化；联合测温取样系统和风动送样系统，可实现取样、制样、送样全过程无人化，大大缩短了中间时间，提高了化验速度和效率。

6.3 智能冶炼快分系统

冶炼快分系统可实现冶炼快分系统从收样到完成检验的全过程无人自动化。快分系统包含2类机器人，分别完成风送圈和分析圈的样品分配。快分系统同时可以指导系统按照预定的优先制原则工作，听实现铣样机、分析仪的任务均衡管理；实现样号跟踪，分析报告及时准确传送。

依托工业大数据平台，部署一体化生产运营系统，构建智慧运营管理中心，实现生产管理(MES)系统、能源管理系统、物流管理系统、质量管理系统、设备管理系统的集中管理，将管理人员集中在智慧运营管理中心开展相关工作[16]。将企业的生产过程、能源管控、质量管理、设备运维、物流管理、消防、气体监测等各系统的监控画面统一在智慧运营管理中心进行显示和管理。通过可视化界面，管理人员可以动态、可视化地了解各系统的运行情况并方便地进行信息交互。便于各业务系统相互协调、相互协作、相互沟通，实现生产组织的融合，和一体化管理。对生产中的各类事件可进行统一协调和快速响应。实现集中管理、集中调度、集中监视、集中运维。建设以数据为中心的一体化运营管控中心，可依托本项目全方位数据的深度融合和挖掘，实现全流程的物料跟踪、全流程的物流优化、高效的生产管控、精益的质量管理、精细的能源管控及可视化的设备管理和库存管理，实现钢铁生产的全面集成，支撑企业的采购、生产、销售等业务运作，使企业管理更加透明化、精细化和规范化，从而进一步提高企业管理效率与管理精度，为企业的战略决策提供有力的支撑。

7 结论及展望

智能电弧炉炼钢技术从废钢收集到电弧炉炼钢、自动出钢再到后续的一键精炼完全实现了炼钢的少人化无人化作业，将劳动力从艰苦环境中解放出来的同时也提高了生产效率和产品质量的稳定性；智能电弧炉炼钢技术受人为因素影响小，这也为炼钢标准化作业水平的提高，产品结构多样化发展以及生产成本的降低奠定了基础。目前，国内的智能电弧炉炼钢技术仍处于萌芽阶段，虽然国内部分电弧炉厂已经更新了部分功能例如自动测温取样、自动收发样品等，但效果并不太理想；我国的智能化炼钢需要紧密结合快速发展的计算机技术开发出适合我国钢铁行业智能冶炼的系统，逐步实现真正意义上的智能化钢厂。